3.4. Методические указания к выполнению лабораторных работ

3.4.1. Источники света

1. Цель работы – изучение основных свойств, устройства, схем включения и области применения различных источников света

2. Основные теоретические положения

Современные источники света отличаются большим разнообразием, однако их можно разделить на две группы. К одной группе относятся тепловые источники света – лампы накаливания, к другой – газоразрядные лампы (люминесцентные, ртутные и другие).

Лампы накаливания имеют общее и специальное назначение.

Лампы накаливания общего назначения (поз. 1-7 на лабораторном стенде) выпускаются в соответствии с международной классификацией на номинальные напряжения: 130, 220, 225, 235 и 240 В с интервалом напряжения питания: 125-135, 215-225, 220-230, 230-240 и 235-245 В. Лампы с повышенным номинальным напряжением используются в сетях, где возможно повышенное напряжение.

Диапазон мощностей ламп общего назначения составляет 15-1500 Вт.

Маркировка ламп накаливания:

В – вакуумные;

Г – галогенные;

К – с криптоновым наполнением;

Б – биспиральные лампы.

Световая отдача ламп общего назначения 10-15 лм/Вт. Срок службы около 1000 часов.

По цветности излучения ламп значительно желтее естественного дневного света, при них не обеспечивается правильная цветопередача.

Элементарная простота схемы включения делает лампы накаливания наиболее надёжными источниками света. Лампы практически некритичны к изменениям условий внешней среды, включая температуру, но очень чувствительны к отклонениям подводимого напряжения.

К лампам накаливания специального назначения относятся автомобильные, железнодорожные, судовые, кинопроекционные и др., адаптированные по своим параметрам к условиям использования.

Разновидностью обычных ламп накаливания являются галогенные лампы (поз. 8-13 на лабораторном стенде). В осветительных установках применяются кварцевые галогенные лампы мощностью 0,1-20 кВт. Эти лампы имеют форму трубки из кварцевого стекла с вольфрамовой спиралью. Галоидный цикл обеспечивает возврат на нить накала испарившегося с него вольфрама.

Галогенные лампы исключительно компактны. Например, лампа мощностью 2 кВт имеет диаметр 10,5 мм и длину 335 мм.

Световая отдача ламп – до 25 лм/Вт, срок службы – до 3000 часов.

Свет галогенных ламп значительно белее, чем свет обычных ламп накаливания, и в отношении цветопередачи признаётся пригодным даже для освещения экспонатов в музеях.

Основное применение галогенные лампы находят в светильниках общего и местного освещения, прожекторах, автомо­бильных фарах и т. д.

Газоразрядные лампы представляют собой большую группу источников света, в которых видимое излучение (свет) создаётся электрическими разрядами в газах или парах металлов.

Наибольшее распространение получили:

- трубчатые люминесцентные лампы низкого давления (ЛД – дневного света, ЛДЦ – дневного света улучшенной цветности, ЛХБ – холодного белого света, ЛБ – белого света, ЛТБ – тёплого белого света);

- дуговые ртутные люминесцентные лампы (ДРЛ);

- шаровые ртутные прожекторные с короткой дугой (ДРШ);

- натриевые лампы высокого давления (ДНаТ);

- дуговые ртутные лампы высокого давления с исправленной цветовой характеристикой (ДРИ) и другие.

Световая отдача и срок службы газоразрядных ламп значительно больше, чем ламп накаливания.

Рассмотрим подробнее разновидности газоразрядных источников света.

Люминесцентные лампы низкого давления представляют собой герметически закрытую стеклянную трубку, на обоих концах которой расположены вольфрамовые электроды в виде спиралей. Электроды присоединены к контактным штырям цоколя лампы.

Стеклянная трубка заполнена инертным газом (аргоном) с парами ртути. Внутренняя поверхность трубки покрыта специальным составом − люминофором. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые заставляют люминофор излучать свет.

Это явление называется люминесценцией.

а) б)

Рис. 3.4.1. Одноламповая (а) и двухламповая (б) схемы включения

Включение люминесцентных ламп в сеть требует пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), которая обеспечивает зажигание ламп и нормальный режим их работы.

Схемы включения ламп показаны на рис. 3.4.1.

Для включения ламп 1 применяют предварительный нагрев электродов до температуры, обеспечивающей термоэмиссию (ионизацию пространства около электродов), достаточную для зажигания разряда. Нагрев производится путем кратковременного включения электродов в цепь тока, что достигается замыканием контакта стартера 3. При последующем размыкании контакта возникает импульс перенапряжения, обусловленный энергией индуктивности дросселя 2. Этот импульс, приложенный к лампе с еще не успевшими остыть электродами, зажигает в ней разряд. Дроссель 2 ограничивает ток лампы после ее включения. Конденсаторы 4 предназначены для компенсации реактивной мощности, потребляемой дросселем 2.

Одним из недостатков люминесцентных ламп является пульсация светового потока с удвоенной частотой сети. Пульсации обусловливают появление стробоскопического эффекта. Поэтому чаще применяют двухламповую схему включения (рис. 3.4.1,б), в которой в цепь одного из дросселей 2 включается конденсатор 5 и разрядный резистор 6. В результате токи в лампах смещаются по фазе и суммарный световой поток ламп становится более постоянным.

Для люминесцентных ламп оптимальная температура окружающего воздуха 18…25 С. При отклонении температуры световой поток и световая отдача снижаются. При температуре ниже +10 С зажигание ламп не гарантируется.

Дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления (ДРЛ) широко применяются для общего освещения закрытых помещений и наружного освещения. В отличие от люминесцентных ламп низкого давления световой поток и зажигаемость ламп высокого давления в меньшей степени зависят от температуры окружающей среды.

Лампы ДРЛ (поз. 18-21 на лабораторном стенде) состоят из кварце­вой разрядной трубки с основными вольфрамовыми электродами и дополнительными (поджигающими) электродами. Кварцевая трубка заполнена парами ртути под высоким давлением и помещена в стеклянную колбу. Внутренняя по­верхность колбы покрыта слоем люми­нофора. Для поддержания стабильности свойств люминофора стеклянная колба заполнена углекислым газом.

Под влиянием ультрафиолетового излучения, возникающего при разряде в ртутно-кварцевой трубке, светится люминофор, придавая свету синеватый оттенок, искажая истинные цвета. Для устранения этого недостатка в состав люминофора вводятся специальные компоненты, которые частично исправляют цветопередачу.

Лампы ДРЛ выпускаются мощностью от 50 до 2000 Вт, их световая отдача несколько ниже, чем у трубчатых люминесцентных ламп низкого давления при том же сроке службы.

ДРЛ под­ключаются к питающей сети либо с помощью дроссе­ля, либо трансформатора (рис. 3.4.2).

а) б)

Рис. 3.4.2. Пусковые схемы ДРЛ с дросселем (а) и трансформатором (б)

Дуговые ртутные металлогалогенные лампы (ДРИ) (поз. 14-17 на лабораторном стенде) применяются для освещения промышленных и общественных зданий. Эти лампы (например, ДРИ – дуговая ртутная йодидная лампа) внешне отличаются от ламп ДРЛ отсутствием люминофора на колбе, характеризуются высокой световой отдачей (до 100 лм/Вт) и значительно лучшим спектральным составом света. Частое кратковременное включение ламп высокого давления сокращает их срок службы. Это относится как к запуску ламп из холодного, так и из горячего состояния.

Световой поток практически не зависит от температуры окружающей среды. Однако при очень низких температурах (до -50 °С) необходимо использовать специальные устройства зажигания. Срок службы ДРИ существенно меньше, чем у ламп ДРЛ, а схема включения сложнее, так как содержит помимо дросселя поджигающее устройство.

Ртутно-кварцевые лампы высокого давления (ПРК, ДРТ) (поз. 25 на лабораторном стенде) являются мощными источниками ультрафиолетового излучения и применяются в технике, медицине и биологии. Лампы ДРТ (поз. 24 на лабораторном стенде) представляют собой кварцевую трубку с двумя оксидными электродами. На концах трубки имеются металлические цоколи и выводы для присоединения к питающей сети. Трубка наполняется аргоном с дозированным количеством ртути. Для снижения напряжения зажигания на поверхности трубки укреплена металлическая полоса.

Ртутно-кварцевые лампы сверхвысокого давления (ДРШ) являются мощными концентрированными источниками излучения в видимой и ультрафиолетовой частях спектра. Лампы предназначены для использования в прожекторах, оптических приборах и для лабораторных исследований.

Лампа состоит из кварцевой колбы с толстыми стенками, в которой установлены два основных вольфрамовых электрода. В специальном отростке помещается третий поджигающий электрод. В разрядной трубке, благодаря повышенному давлению паров ртути, поддерживается мощный разряд, увеличивающий яркость лампы и повышающий её светоотдачу. При этом цветность светового потока приближается к дневному свету.

Высокая температура внутри колбы требует не только воздушного, но и водяного охлаждения.

Лампа ДРШ с поджигающим электродом включается в схему последовательно с балластным сопротивлением. Импульс высокого напряжения для поджигания создаётся с помощью специального поджигающего устройства.

Натриевые газоразрядные лампы (поз. 22-23 на лабораторном стенде) являются са­мыми экономичными источниками света. Наибольшее распространение получили натриевые лампы высокого давления типа ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые).

Внутри цилиндрической колбы лампы ДНаТ размещена разрядная труб­ка из поликристаллической окиси алюминия. В лампах ис­пользуется разряд в парах натрия, ртути и зажигающем газе ксе­ноне.

Для зажигания лампы ДНаТ применяют специальные пуско­вые устройства. В лампах небольшой мощно­сти пусковое устройство размещено в цоколе лампы.

Помимо высокой световой отдачи натриевые лампы имеют большой срок службы (до 15000 ч) и незначительное снижение светового потока в течение срока службы.

Недостатками натриевых ламп являются чрезвычайно желтый свет и низкая цветопередача, что позволяет использовать их в помещениях, где находятся люди, лишь в комбинации с лампами других типов.

Лампы ДНаТ применяются для освещения больших по площа­ди территорий (улиц, площадей и т. п.) и успешно заменяют ДРЛ.

3. Порядок выполнения работы

Лабораторная установка включает:

- демонстрационный стенд источников света;

- лабораторный стенд включения источников света.

При выполнении работы следует ознакомиться с типами ламп, представленными на лабораторном стенде, их устройством, схемами включения, достоинствами, недостатками и областью применения.

Параметры ламп, представленных на стенде, занести в табл. 3.4.1.

Таблица 3.4.1.