ДЖЕРЕЛА ОПТИЧНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Джерелом світла (ДС) називають пристрій, призначений для перетворення енергії в оптичне випромінювання з довжиною хвилі від 1 до 106 нм.
Найпоширеніші в цей час штучні джерела ОВ, у яких для одержання випромінювання, як правило, використовують електричну енергію.
Залежно від способу перетворення енергії в оптичне випромінювання, джерела ОВ розділяють на:
1) джерела теплового випромінювання (лампи розжарювання);
2) газорозрядні джерела ОВ низького, високого та надвисокого тиску (люмінесцентні лампи, лампи ДРЛ, ДРІ, ДНаТ та ін.);
3) джерела змішаного (теплового та газорозрядного) випромінювання (лампи ДРВ, ДРВЕД та ін.);
4) джерела люмінесціюючої дії (електролюмінесцентні панелі);
5) лазери (рідинні, газові, твердотільні).
У тепловому джерелі випромінювачем є тіло, нагріте до високих температур електричним струмом, що проходить по ньому. Оптичне випромінювання виникає за рахунок перетворення енергії теплового руху атомів і молекул тіла в енергію електромагнітного випромінювання.
Характеристики джерел ОВ поділяються на:
1) електричні: а) номінальну напругу; б) номінальну потужність;
2) світлотехнічні: а) номінальний світловий потік;
б) спектр випромінювання;
3) експлуатаційні: а) світлову віддачу; б) термін служби; в) напрацювання на відмову.
Світлова віддача характеризує економічність лампи
. (2.1)
Термін служби буває: повний, середній, гарантований.
Повний термін служби – сумарний час горіння від моменту включення до моменту припинення функціонування.
Середній термін служби – середня тривалість горіння не менше 10 ламп.
Гарантований термін служби – гарантована заводом-виготовлювачем мінімальна тривалість горіння лампи.
Напрацювання на відмову – сумарний час горіння відмови, тобто до зниження потоку нижче встановленої норми або до нуля внаслідок перегоряння або незапалювання.
2.1. Лампи розжарювання (ЛР)
Прототипом сучасних ламп розжарювання є джерело світла (запропонований російським винахідником Лодигіним). Вчений помістив вугільний стрижень у скляний балон, з якого кисень видаляється за рахунок згоряння частини вугілля при проходженні через нього струму, завдяки чому частина вугілля, що залишилася, працювала відносно довго. Потім американський винахідник Едісон створив лампу серійного виробництва, застосувавши для тіла розжарення вугільну нитку, отриману обвуглюванням довгих бамбукових волокон, а також запропонував відкачку повітря з балона. В 1903 році вперше з'явилися зразки вольфрамових ламп розжарювання.
На сьогодні існує понад 1600 найменувань ламп, є величезна кількість їхніх типів: суднові, проекційні, залізничні, прожекторні, освітлювальні загального призначення, сигнальні і т.д.
Тривалість і масовість застосування ламп розжарювання обумовлені відносно низкою вартістю, зручністю в обігу, простотою в обслуговуванні, малими початковими витратами при обладнанні освітлювальних установок, розмаїтістю конструкцій, напруг і потужностей, високим рівнем механізації виробництва.
Принцип дії. Вольфрамова спіраль, що поміщається в колбу, з якої відкачане повітря, розігрівається під дією електричного струму.
Лампа розжарювання (рис. 2.1) складається зі скляної колби 1; тіла розжарення 2, виконаного з вольфрамового дроту; молібденових гачків 3, які надають певної форми тілу розжарення та перешкоджають його провисанню; електродів з нікелю 4, які служать для подачі напруги на тіло розжарення; скляного стрижня (штабика) 6, у верхній частині якого є стовщення (лінзочка) 5, куди впаяні гачки; порожнього циліндра 10 із спресованою верхньою частиною (лопаткою) 7, у якій з'єднані штабик, електроди та відкачувальна трубка 9 із
отвором 8; цоколя, що складається з металевого стакана з різьбленням 12, до якого припаяний один з електродів, і контактної шайби 13 із припаяним другим електродом. Контактна шайба кріпиться до стакана скломасою 11, цоколь з'єднаний із колбою спеціальною мастикою.
Рисунок 2.1 – Будова лампи розжарювання загального призначення
Головною частиною лампи розжарювання є тіло розжарення, що може являти собою нитку, спіраль, біспіраль, триспіраль, має різноманітні розміри та форму.
Тіло розжарення виконують із вольфраму (температура плавлення 3650±50ºК). Для забезпечення нормальної роботи розпеченого вольфрамового тіла розжарення необхідно ізолювати його від кисню повітря. Для цього тіло розжарення розміщують або в безповітряному середовищі (вакуумні лампи), або в середовищі інертних газів, або їхніх сумішей, що не реагують із матеріалом тіла розжарення (газонаповнені лампи). У вакуумних ламп повітря відкачане до тиску 1,33×10-3 Па, робоча температура тіла розжарення 2400-2600ºК. У газонаповнених ламп колба заповнена сумішшю аргону
або криптону з азотом (14-16%) до тиску 100 кПа.
Наявність у колбі важких інертних газів і більш високий тиск дозволяють підвищити температуру тіла розжарення до 2700 (аргон)-2800 (криптон) ºК без збільшення розпилу матеріалу тіла розжарення. Азот служить електричним ізолятором – виключає електричний пробій між витками спіралі, аргон – теплоізолятор, знижує втрати енергії на нагрівання газу та колби. Криптон і ксенон, як теплоізолятори ефективніші за аргон, але вони дорожчі.
Геометричні розміри ламп залежать від їхньої потужності і наповнення. Цоколь лампи розжарювання випускають трьох розмірів: 14 мм, 27 мм (для ламп потужностю 25-250Вт) і 40 мм (для ламп потужністю > 300 Вт ).
Залежно від конструктивного виконання лампи розжарювання загальпромислового призначення позначаються умовно (за ДСТ 2239-79):
У – вакуумні потужністю до 25 Вт;
Г – газонаповнені моноспіральні (аргонові) (150-1500Вт);
Б – біспіральні аргонові (40-200Вт);
БК – біспіральні з криптоновим наповненням (40-100Вт).
У маркуванні ламп також зазначається діапазон напруг:
127 В; 220 В; 225 В; 235 В; 240 В; 250 В; 125-130 В;
215-225 В; 220-230 В; 230-240 В; 235-245 В; 245-255 В.
Випромінювання видимої частини спектра в загальному енергетичному балансі цих ламп становить:
| Вид лампи | Частка видимого випромінювання в загальному балансі, % |
| Вакуумні Газонаповнені моноспіральні Газонаповнені біспіральні Біспіральні криптонові |
Типова для ламп розжарювання світлова віддача 10 – 22 Лм/Вт. Більша частина електроенергії, що живить нитку розжарення, перетворюється в тепло. У зв'язку з цим суцільний спектр ламп розжарювання має максимум в інфрачервоній області та плавно спадає зі зменшенням довжини хвилі. Такий спектр визначає теплий тон випромінювання (Тк = 2400 – 2700 ºК) при передачі кольору (Ра = 100).
Термін служби ЛН, як правило, не перевищує 1000 годин, що, за сучасними мірками, дуже мало.
Основним фактором, що впливає на характеристики ламп розжарювання при їхній експлуатації, є напруга (рис. 2.2).
Наприклад, при збільшенні напруги живлення на 2 %, потужність лампи зростає на 3 %, світловий потік – на 7 %, світлова віддача – на 4 %, а термін служби знижується на 25 %.
З рис. 2.2 можна отримати такі емпіричні залежності балансу енергії ламп розжарювання:
а) для струму
; (2.2)
Рисунок 2.2 – Залежність основних характеристик ламп розжарювання від напруги
б) для потужності
; (2.3)
в) для потоку
; (2.4)
г) для світлової віддачі
; (2.5)
д) для терміну служби
. (2.6)
2.2. Галогенні лампи розжарювання (ГЛР)
Галогенні лампи, також як і лампи розжарювання, є високотемпературними випромінювачами. Спіраль із тугоплавкого вольфраму, поміщена в скляну колбу, наповнену інертним газом, розжарюється під впливом електричного струму. У результаті цього генеруються світло й тепло. У нормальних умовах під впливом високої температури паркий вольфрам з'єднується з газонаповненням, утворюючи галогенід вольфраму – газоподібну речовину, що рівномірно осідає на внутрішній поверхні колби.
Для запобігання випару вольфраму існує два способи:
1) збільшити вміст парів вольфраму;
2) додати галоген.
При температурі близько 1400 °С пари розпеченого вольфраму (рис. 2.3) вступають в реакцію із галогеном до того, як встигають досягти поверхні скляної колби.
A – температура нижче 1400 °С;
B – вольфрамова нитка розжарювання;
C – температура вище 1400 °С;
D – вольфрамовий галогенід;
E – галогени;
F – частинки вольфраму;
G – скляна колба
Рисунок 2.3 – Принцип дії ГЛР
У результаті конвекції галогенід, що утворився, циркулює поблизу нитки розжарювання та розщеплюється. Частинки вольфраму осідають на нитці розжарювання, а молекули галогену вивільняються і готові взяти участь у наступному циклі. Цьому циклічному процесу галогенні лампи зобов'язані такими своїми перевагами, як:
а) більша світлова віддача при тій самій витраті електроенергії внаслідок більш високої температури спіралі;
б) більш тривалий термін служби завдяки постійному відновленню нитки розжарювання;
в) постійна світловіддача впродовж терміну служби, оскільки не відбувається почорніння колби;
г) компактна конструкція, обумовлена вимогами циклічного процесу.
Оскільки колба галогенної лампи повинна витримувати більш високі температури та тиски, ніж колба звичайної лампи розжарювання, вона виготовляється із кварцового скла.
Малі розміри і міцна оболонка дозволяють наповнювати лампи до високих тисків ксеноном і одержувати на цій основі більш високу яскравість і підвищену світлову віддачу (або збільшений фізичний термін служби). Світлова віддача сучасних ГЛР становить близько 30 Лм/Вт. Типове значення колірної температури – Тк= 3000 °К. Існують ГЛР із Тк=4000 - 6000 °К. Передача кольору (Ra=100). "Точкова" форма лампи дозволяє управляти шириною променя в широких межах за допомогою мініатюрних відбивачів.
Особливо популярні низьковольтні ГЛР (потужністю
10 - 75 Вт) з відбивачем, що дозволяє фокусувати промінь у куті 8 - 38°.
Найбільш значне поширення одержали галогенні лампи низької напруги із дихроїчним відбивачем. Дихроїчний відбивач відводить 66% теплової енергії лампи назад, за рахунок чого освітлювані об'єкти не нагріваються.
Силу світіння галогенної лампи можна зменшити. Однак при цьому варто мати на увазі, що зниження сили її світіння приведе до зниження температури лампи і у такий спосіб послабить або взагалі припинить галогенний цикл і пов'язані з ним корисні ефекти та переваги. Тому рекомендується регулярно на кілька хвилин включати галогенні лампи при 100% потужності для того, щоб частинки вольфраму, що осіли на колбі, випарувалися і повернулися на спіраль.