Электрическое освещение и источники света

Электрическое освещение и источники света предназначены для создания световых условий, требуемых для труда и отдыха человека. В последние годы источники света все шире применяются для технологических целей (сушка, облучение сельскохозяйственной продукции, получение химических веществ, в информационной технике и т. д.). На освещение в нашей стране используется около 10% всей производимой электроэнергии.

Источником света называют тело, излучающее свет в результате преобразования энергии. Практически все современные источники света в качестве носителя первичной энергии используют электрический ток н называются электрическими. К источникам света относятся устройства с оптическим излучением в видимой части спектра (длина волн 380—780 им), в ультрафиолетовой (10— 380 им) и инфракрасной (780—10⁶ нм).

Источники оптического излучения делят на тепловые (при нагревании тела накала до высокой температуры) и газоразрядные (при прохождении электрического тока в газах). К тепловым источникам относятся лампы накаливания, угольные дуги, электрические инфракрасные нагреватели. К газоразрядным источникам относятся люминесцентные лампы, дуговые ртутные лампы, лампы дугового высокочастотного и импульсного разряда.

Электрические источники света характеризуются электрическими и световыми параметрами. К электрическим параметрам относятся: номинальное напряжение U_н; номинальная мощность Р_н; номинальный ток лампы I_н; к световым — световой поток Ф, излучаемый лампой, измеряемый в люменах (лм); световая отдача лампы, равная отношению светового потока Ф к потребляемой ею мощности Р; стабильность светового потока, которым считают световой поток лампы в конце срока службы, выраженный в процентах к начальному световому потоку.

Основной частью лампы накаливания (рис. 257, а) является тело накала, нагревание которого при прохождении электрического тока приводит к появлению оптического излучения. Стеклянная колба 1 изолирует тело накала 2 и токопроводящие проводники 4 от внешней среды. Из полости колбы через откачную трубку 5 отсасывается воздух и она заполняется инертным газом или смесью газов. Токопроводящие провода припаяны к внешним электродам 6, 7, которые изолированы друг от друга. Для усиления светоотдачи увеличивается поверхность тела накала. Поэтому в большинстве ламп тело накала выполняется в виде нити или спирали из тонкой нити. В некоторых конструкциях ламп накаливания используются отражающие покрытия. Такие лампы называют зеркальными. Для устойчивости тела накала применяют дополнительные держатели 3.

Материал тела накала должен иметь высокую температуру плавления, пластичность, низкую скорость испарения при рабочих температурах. Последнее свойство непосредственно влияет на срок службы. Этим требованиям в наибольшей степени соответствует вольфрам. Скорость испарения вольфрама при температуре 3000°С составляет около 9∙10^-9 кг/(см∙с). Вторым металлом по свойствам, близким к вольфраму, является рений. В практике в качестве тела накала широко используются вольфрам и его сплавы с рением и другими тугоплавкими материалами.

Токоподводящие провода изготовляют в большинстве случаев из меди или никеля вследствие их хорошей ковкости, электропроводимости и теплопроводимости. Материалом для держателей нити накала служит молибден, который имеет высокую температуру плавления (2620°С) и сохраняет упругость при высокой температуре. Чем выше температура тела накала, тем больший поток оно излучает и тем выше его светоотдача. Например, лампа мощностью 60 Вт с вольфрамовой спиралью при рабочей температуре (3410°С) имеет светоотдачу 10 лм/Вт, а при температуре плавления — 53 лм/Вт. С увеличением температуры вольфрама увеличивается скорость его испарения, следствием которого является уменьшение сечения проволоки и ее перегорание. При заполнении колбы газом снижается скорость испарения вольфрамовой нити и повышается светоотдача.

По назначению лампы накаливания делятся на две группы: общего применения (для осветительных установок зданий, сооружений, открытых пространств) и специального назначения (самолетные, автомобильные, проекционные, индикаторные, облучательные и т. п.).

Лампы накаливания применяют во всех отраслях народного хозяйства. Их номенклатура достигает 1600 наименований, а выпуск более 2 млрд. штук в год. Во многих случаях они не имеют равноценной замены даже более экономичными газоразрядными лампами.

► Основным электрическим параметром ламп накаливания является номинальное напряжение лампы. При повышении напряжения на 10% срок службы лампы снижается в 5 раз, а на каждый процент изменения напряжения световой поток изменяется на 4%. Обычно напряжение должно соответствовать номинальному напряжению питания. Однако напряжения питающих электрических сетей в условиях эксплуатации колеблются. В целях улучшения эксплуатационных характеристик ламп ГОСТом допускается колебание напряжения в пределах ±5%. Следует заметить, что для ламп накаливания одинаковой мощности и конструкции световая отдача больше у ламп, рассчитанных на меньшее напряжение. Основным их недостатком можно считать сравнительно низкую светоотдачу, малый срок службы (не более 2000 ч) и низкую механическую прочность.

► Стремление повысить светоотдачу ламп накаливания при достаточно высоком сроке службы привело к созданию вольфрамогалогенных (галогенных) ламп. В этих лампах материалом для тела накала служит вольфрам. Колба лампы наполнена ксеноном с добавкой соединения галогенного элемента (фтора, хлора, брома и йода) с водородом. При высоких температурах тела накала они образуют химическое соединение с вольфрамом, препятствуя его испарению. Галогенные лампы малых размеров имеют прочную в виде трубки колбу из кварцевого стекла и обладают повышенной светоотдачей и яркостью. Конструкция галогенной лампы представлена на рис. 258. В колбе лампы 1 расположено тело накала 2. Вводы 4 из молибденовой фольги заштампованы в кварц. Внутренняя часть электродов 3 выполнена из вольфрама, внешние выводы 5 — из молибдена. Для крепления и присоединения к сети на концы лампы надеты цоколи 6.

В настоящее время галогенные лампы применяют для светильников общего и киносъемочного освещения, прожекторов, инфракрасных облучателей, аэродромных огней и т. п.