Газоразрядные лампы высокого давления

 

Лампы типа ДРЛ. Дуговая ртутная люминесцентная лампа (рис. 5.4) состоит из кварцевой трубки (горелки), расположенной в стеклянной колбе, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора, способного преобразовывать ультрафиолетовое излучение, сопровождающее дуговой разряд в трубке, в видимый свет, пригодный для освещения. В трубку, выполненную из кварцевого стекла, впаяны два основных вольфрамовых электрода, покрытых активированным слоем и подсоединенных к центральной части цоколя лампы, и два дополнительных электрода (зажигающих). В трубке имеется капелька ртути (25-165 мг). После откачки воздуха для поддержания стабильности свойств люминофора колба заполняется чистым инертным газом (аргоном).

Такая конструкция позволяет эффективно зажигать четырехэлектродную лампу от питающей сети напряжением 230 В. Приведенная на рис. 5.5 схема включения применяется для ламп, у которых напряжение зажигания Uз меньше напряжения сети Uс, а рабочее напряжение на лампе Uл таково, что Uл / Uс ? 0,7. При данном соотношении напряжений обеспечивается надежное зажигание лампы. Каждый зажигающий электрод через резистор R, расположенный внутри наружного баллона, подключается к противоположному рабочему электроду. Резистор R ограничивает ток вспомогательного разряда и уменьшает ток утечки через зажигающие электроды лампы.

При подаче определенной величины напряжения к электродам лампы в трубке возникает электрический разряд, сопровождающийся ультрафиолетовым излучением ртутных паров с синеватым оттенком. Указанное излучение, воздействуя на люминофор, вызывает его свечение, имеющее красный цвет. Суммарный цвет светового излучения лампы складывается из излучений ртутного разряда и люминофора, приближаясь к белому.

Благодаря наличию внешней колбы, светотехнические характеристики лампы типа ДРЛ практически не чувствительны к температуре окружающего воздуха в отличие от люминесцентных ламп низкого давления. Они надежно работают при температуре окружающего воздуха от -30 до +40 °С. Влияние температуры окружающего воздуха сказывается в основном на напряжении зажигания лампы и времени ее разгорания.

Рис. 5.4. Конструкция лампы типа ДРЛ

 

 1 - внешняя стеклянная колба; 2 - слой люминофора; 3 - разрядная трубка из кварцевого стекла; 4 - рабочий электрод; 5 - зажигающий электрод; 6 - ограничительные резисторы в цепи зажигающего электрода; 7 - экран; 8 - ртуть;

Цифры справа на колбе - температура колбы ламп ДРЛ мощностью 400 Вт.

 При эксплуатации осветительных установок допускается любое положение ламп типа ДРЛ. Однако при горизонтальном положении дуга в горелке из-за конвекционных потоков газов слегка выгибается вверх. Это приводит к некоторому снижению мощности, световой отдачи и срока службы лампы.

Рис. 5.5. Простейшая схема включения четырехэлектродной лампы типа ДРЛ

 

Четырехэлектродные дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления с люминофорным покрытием на колбе выпускаются в пределах мощностей 80-2000 Вт и имеют световую отдачу 40-60 лм/Вт. Световая отдача возрастает с увеличением единичной мощности, но для наиболее применяемых в установках внутреннего освещения ламп мощностью 400-1000 Вт почти одинакова.

Срок службы ламп равен 12-20 тыс. ч, причем к концу этого срока световой поток снижается до 70 % от начального. Лампы включаются через индуктивные ПРА, потери мощности в которых составляют около 10 %. Коэффициент мощности комплекта «лампа - ПРА» составляет в среднем 0,5. В последнее время наметилась тенденция встраивания в ПРА конденсаторов для повышения коэффициента мощности до 0,9-0,95. Лампы в комплекте с ПРА предназначены для включения на напряжение 230 В, кроме ламп 2000 Вт, включаемых на напряжение 400 В. Лампы мощностью до 125 Вт имеют цоколь Е 27, остальные - цоколь Е 40. Преимуществом ламп ДРЛ по сравнению с люминесцентными лампами низкого давления является их компактность при высокой единичной мощности, существенным недостатком — плохая цветопередача их излучения, по-зволяющая применять лампы ДРЛ только при отсутствии каких-либо требований к различению цветов (Tc = 3800 К, Ra = 42), а также значительные пульсации светового потока (коэффициент пульсации 63-74 %). Процесс разгорания ламп после включения длится 5-7 мин. В случае хотя бы мгновенного перерыва питания лампы гаснут и начинают вновь разгораться только после остывания, когда пары ртути сконденсируются и давление в разрядной трубке упадет до пер-воначального значения (в течение примерно 10 мин). Как и люминесцентные лампы, они надежно работают только при напряжении не менее 90 % от номинального. Гигиенические исследования не выявили противопоказаний для применения ламп ДРЛ, но позволили сделать вывод, что при зрительных работах высокой точности применение их нежелательно.

Технические данные ртутных ламп общего назначения типа ДРЛ приведены в табл. 5.6. В маркировке типов ламп буквы и числа обозначают: ДР - дуговая ртутная, Л - люминесцентная, первое число - номинальная мощность в ваттах, в скобках указывается так называемое красное отношение, в процентах - доля излучения в красной части спектра в общем потоке излучения, через дефис - номер разработки.

Таблица 5.6

ТЕХНИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ РТУТНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

 

Тип лампы	Номинальные значения			Средняя продолжительность горения (тыс. ч)
	Мощность (Вт)	Световой поток (лм)	Световая отдача (лм/Вт)
ДРЛ250(6)-4	250	13000	52	12
ДРЛ250(10)-4	250	13500	54	12
ДРЛ250(14)-4	250	13500	54	12
ДРЛ400(6)-4	400	23500	58.8	15
ДРЛ400(10)-4	400	24000	60	15
ДРЛ400(12)-4	400	24000	60	15
ДРЛ700(6)-3	700	40600	58	20
ДРЛ700(10)-3	700	41000	58.6	20
ДРЛ700(12)-3	700	41000	58.6	20
ДРЛ1000(6)-3	1000	58000	58	18
ДРЛ1000(10)-3	1000	59000	59	18
ДРЛ2000(12)-3	1000	59000	59	18

Лампы типа ДРЛ с красным отношением 6 % рекомендуется использовать для освещения улиц и автострад, 10 % - для наружного и внутреннего освещения промышленных объектов с высоким уровнем зрительных работ, 12 % и более - для внутреннего освещения промышленных предприятий.

Для освещения помещений производственных и общественных зданий, в которых выполняются работы, требующие повышенного цветоразличения, могут применяться лампы типа ДРЛ мощностью 50. 80 и 125 Вт, имеющие долю красного излучения 15 % (табл. 5.7).

Таблица 5.7

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РТУТНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ С УВЕЛИЧЕННЫМ КРАСНЫМ ОТНОШЕНИЕМ

 

Тип лампы	Номинальные значения			Средняя продолжительность горения (тыс. ч)
	Мощность (Вт)	Световой поток (лм)	Световая отдача (лм/Вт)
ДРЛ50(15)	50	1900	38	10
ДРЛ80(15)	80	3600	45	12
ДРЛ 125(15)	125	6300	50.4	12

Металлогалогенные лампы (МГЛ) типа ДРИ (дуговые ртутные с излучающими добавками) появились в результате развития и усовершенствования ламп ДРЛ. Устройство ламп типа ДРИ (рис. 5.6) практически такое же, как и ламп типа ДРЛ. В прозрачной колбе находится разрядная трубка, с обеих сторон которой впаяны электроды. В основании колбы установлен экран. В каче-стве внешней колбы применяется либо стандартная колба лампы ДРЛ без люминофорного покрытия (в типе лампы указана модификация 5), либо колба цилиндрической формы (модификация 6). Лампы модификации 5 предназначены для работы в любом положении, а модификации 6 — преимущественно в горизонтальном.

В лампах типа ДРИ в разрядную трубку помимо ртути и аргона (или другого инертного газа) дополнительно вводят галоидные соединения различных металлов (обычно с йодом, так как иодиды металлов практически не взаимодействуют с кварцевым стеклом). Эти соединения в горячей зоне распадаются на атомы йода и металла. Из горячей зоны они перемещаются в холодную к стенкам и воссоединяются в первоначальное состояние. Таким образом, в лампе осуществляется замкнутый цикл.

Излучаемый свет зависит от используемого металла, что позволяет отказаться от люминофора. Например, введение иодида таллия дает зеленоватый цвет, натрия — желтоватый цвет, а индия - голубоватый оттенок света. В лампах типа ДРИ в качестве галогенидов широко используются иодиды натрия.

Рис. 5.6. Общий вид осветительных металлогалогенных ламп

 

а - лампа 400 Вт в эллипсоидальной прозрачной внешней колбе; б - лампа 2000 Вт в цилиндрической прозрачной колбе;
1 - пружинящие распорки; 2 - разрядная трубка; 3 - основные электроды; 4 - зажигающий электрод; 5 - утепляющее покрытие; 6 - ограничительное термостойкое сопротивление

Лампы ДРИ имеют световую отдачу до 90 лм/Вт, внешне отличаются от ламп ДРЛ только отсутствием люминофора на колбе и дают достаточно белый свет. Лампы включаются в сеть через ПРА, состоящие из дросселя и зажигающего устройства, генерирующего импульсы высокого напряжения. Коэффициент мощности при некомпенсированных ПРА равен в среднем 0,5. Пульсации светового потока значительно меньше (коэффициент пульсации 30 %), и разгораются лампы ДРИ несколько быстрее, чем лампы ДРЛ. С точки зрения применения металлогалогенные лампы разделяются на лампы для общего освещения, лампы с улучшенным качеством цветопередачи для общего и специального применения, а также лампы для специальных применений (например, для цветного телевидения).

Технические данные ламп типа ДРИ общего назначения приведены в табл. 5.8.

Таблица 5.8

Технические характеристики металлогалогенных ламп типа ДРИ общего назначения

 

Тип лампы	Номинальные значения			Средняя продолжительность горения (ч)
	Световой поток (лм)	Световая отдача (лм/Вт)
ДРИ 125	125	8300	66.4	3000
ДРИ 175	175	12000	68.6	4000
ДРИ250-5	250	19000	76	10000
ДРИ250-6	250	17000	68	3000
ДРИ400-5	400	35000	87.5	10000
ДРИ400-6	400	32000	80	3000
ДРИ700-5	700	60000	85.7	9000
ДРИ700-6	700	56000	80	3000
ДРИ1000-5	1000	90000	90	9000
ДРИ1000-6	1000	85000	85	3000
ДРИ2000-6	2000	190000	95	2000
ДРИЗ500-6	3500	350000	100	1500

Ксеноновые лампы. В этих лампах (рис. 5.7) дуговой разряд происходит в тяжелом инертном газе ксеноне, в результате чего испускаются лучи в близкой к ультрафиолетовой, видимой и близкой к инфракрасной областям спектра электромагнитного излучения. Излучаемый свет имеет ровный белый цвет (Tс = 6000 К) и хорошую цветопередачу (Ra = 98). Различают ксеноновые лампы с естественным и водяным охлаждением (трубчатые), а также сверхвысокого давления с естественным и принудительным воздушным или водяным охлаждением (шаровые).

Рис. 5.7. Общий вид ксеноновых трубчатых ламп типов ДКсТ10000, ДКсТ20000, ДКсТ50000

При естественном охлаждении лампа представляет собой трубку из кварцевого стекла диаметром 22-42 мм и длиной 640-2610 мм, заполненную ксеноном. По концам трубки впаяны вольфрамовые активированные электроды. В лампах с водяным охлаждением горелка (трубка) размещается коаксиально (соосно) в стеклянном цилиндре, оснащенном устройством для подвода дистиллированной воды. Такие лампы из-за лучшего отвода теплоты при одинаковой единичной мощности имеют меньшие габариты. В сравнении с лампами с естественным охлаждением они имеют большую световую отдачу (за исключением ламп мощностью 50 кВт). Световая отдача ламп с естественным охлаждением с увеличением единичной мощности возрастает и составляет 18-45 лм/Вт, а ламп с водяным охлаждением — 27—42 лм/Вт.

Электрический дуговой разряд в ксеноновой лампе возникает при высоком напряжении зажигания (до 50 кВ). При этом время разгорания лампы составляет менее секунды, так как в отличие от ламп, в которых разряд происходит в газах с парами ртути или натрия, плотность ксенона остается практически постоянной при изменении теплового режима. Такие лампы имеют возрастающую вольтамперную характеристику при больших плотностях тока. Это позволяет стабилизировать разряд с помощью небольших балластных сопротивлений или же вообще обойтись без них, что имеет место при использовании трубчатых ламп значительной длины.

Из довольно большой серии ксеноновых ламп в осветительных установках получили применение дуговые ксеноновые трубчатые лампы с воздушным охлаждением типа ДКсТ и лампы с водяным охлаждением типа ДКсТВ. В отличие от других газоразрядных ламп эти лампы работают без балласта в виде ПРА, а зажигаются с помощью специального пускового устройства.

Сортамент включает лампы мощностью 5, 10, 20 и 50 кВт (в небольшом количестве выпускаются также лампы 100 кВт). Срок службы различных типов ламп имеет пределы 300-750 ч, но при стабилизации напряжения, обеспечивающей отклонение от номинального значения ± 2 %, может достигать 3000 ч. Лампы мощностью до 10 кВт включаются на напряжение 230 В более мощные — в сеть напряжением 400 В. Для ламп типа ДКсТ мощностью 10, 20 и 50 кВт положение горения должно быть горизонтальное с отклонением от него ±30°, а для остальных ламп - любое. Область применения ламп ограничивается вредным для людей избытком в их спектре ультрафиолетовых излучений. Выпускаются также лампы в колбе из легированного кварца (лампы ДКсТЛ), в которых этот недостаток устранен. Пульсации светового потока у ламп ДКсТ особенно велики (коэффициент пульсации 130 %). Помимо большой единичной мощности, достоинством ламп является тот факт, что их излучение по цветности наиболее близко к естественному дневному свету, хотя по сфере применения ламп это достоинство обычно не реализуется. Температура внешней среды не оказывает существенного влияния на зажигание и горение лампы.

В маркировке ламп буквы и числа означают: Д — дуговая, Кс — ксеноновая, Т - трубчатая, Ш - шаровая, В - с водяным охлаждением, М - металлическая, РБ - разборная, число - мощность в ваттах. В табл. 5.9 приведены технические данные ксеноновых трубчатых ламп типа ДКсТ.

Таблица 5.9

Технические данные ксеноновых трубчатых ламп

 

Тип лампы	Номинальные значения			Средняя продолжительность горения (ч)
	Мощность (Вт)	Световой поток (лм)	Световая отдача (лм/Вт)
ДКсТ2000	2000	36000	18	300
ДКсТ5000	5000	98000	19.6	300
ДКсТ10000	10000	250000	25	800
ДКсТ20000	20000	694000	34.7	800
ДКсТ50000	50000	2230000	44.6	500
ДКсТВ3000	3000	81000	27	100
ДКсТВ5000	5000	139000	27.8	100
ДКсТВ6000	6000	211000	35.2	300
ДКсТВ8000	8000	232000	29	800
ДКсТВ15000	15000	592000	39.5	200
ДКсТВ50000	50000	2088000	41.8	200

Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) типа ДНаТ (рис. 5.8) представляют собой горелку из светопропускающей поликристаллической керамики (окись алюминия), полость которой заполнена ксеноном с добавками натрия, придающего излучаемому свету желто-оранжевый оттенок, и ртути в виде амальгамы (амальгама — металлическая система, в состав которой в качестве одного из компонентов входит ртуть). Горелка размещена в колбе, которая имеет цилиндрическую или эллиптическую форму и оснащена резьбовым цоколем. При работе лампы дуговой разряд в горелке осуществляется в парах ртути и натрия, что способствует его стабилизации.

Для откачки воздуха и наполнения ламп инертными газами в процессе изготовления используется штенгель. Во время работы лампы он выполняет роль вакуумно-плотного токоввода и держателя электрода, а его наружная часть служит холодной зоной, которая является резервуаром амальгамы натрия. Штенгель представляет собой бесшовную трубочку из ниобия, конец которой, входящий внутрь лампы, имеет специальную форму для крепления электрода.

Натриевые лампы высокого давления малочувствительны к температуре окружающей среды и работоспособны при ее изменении в диапазоне от -60 до +40 °С. Колебания напряжения электрической сети существенно сказываются на световых и электрических параметрах натриевых ламп. Кроме того, эти лампы требуют соблюдения установленного положения горения: цоколем вверх или вниз с нормированным отклонением от вертикального положения.

Рис. 5.8. Общий вид натриевой лампы высокого давления

 

1 - керамическая заглушка; 2 — керамическая светопропускающая трубка; 3 — внешняя колба из тугоплавкого стекла; 4 - электрод; 5 - ниобиевый штенгель; 6 - бариевый геттер (газопоглотитель); 7 - цоколь

Световая отдача ламп достигает 140 лм/Вт при сроке службы до 20000 ч. Цветовые характеристики натриевых ламп высокого давления относительно невысокие: лампа излучает свет желто-оранжевого цвета (Тс = 2000 К) и обладает плохой цветопередачей (Ra = 20-30). Улучшение качества цветопередачи при использовании натриевых ламп может быть достигнуто за счет их совместного применения с ртутными люминесцентными лампами высокого давления.

Лампы включаются в сеть так же, как лампы ДРИ — через последовательно включенный дроссель, рассчитанный на рабочий ток и напряжение лампы. Масса дросселя примерно на 30 % больше, чем у дросселя для лампы ДРЛ той же мощности из-за большего рабочего тока. Зажигание стандартных ламп выполняется с помощью импульсного зажигающего устройства (ИЗУ), создающего импульсы высокого напряжения (2—3 кВ), которое подключается не-посредственно параллельно лампе или через часть обмотки дросселя. Коэффициент мощности комплекта «лампа — ПРА» в среднем 0,5. Пульсации светового потока достигают 70 %. Технические данные ламп ДНаТ приведены в табл. 5.10.

Таблица 5.10

ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАМП ТИПА ДНАТ

 

Тип лампы	Номинальные значения			Средняя продолжительность горения (ч)
	Мощность (Вт)	Световой поток (лм)	Световая отдача (лм/Вт)
ДНаТ70	70	5800	80	6000
ДНаТ100	100	9500	95	6000
ДНаТ150	150	14500	100	6000
ДНаТ250	250	25000	100	10000
ДНаТ400-1	400	47000	125	15000
ДНаТ210	210	18000	86	10000
ДНаТ360	360	35000	97	15000