Классификация источников света.

По принципу действия источники света, применяемые на судах, разделяют на тепловые (лампы накаливания) и газоразрядные (люминесцентные лампы низко­го и высокого давления).

Лампы накаливания.

Эти лампы состоят из стеклянной колбы, внутри которой на стеклянном стержне с помощью молибденовых крючков закреплена нить накала из вольфрамовой проволоки. Два платинитовых или никелевых электрода соединяют концы нити накала с цоколем, изготовленным из латуни или оцинкованной стали. Лампы малой мощности выполняют вакуумными, а колбы ламп большой мощности заполняют смесью тяжелых инертных газов (аргон, криптон, азот) под давлением около 80 кПа.

Основная цель заполнения ЛН инертным газом - замедлить испарение материала нити (увеличить время горения N ) и уменьшить передачу теплоты к колбе.

Температура нити накала вакуумных ЛН составляет около 2400ºС, а газонаполненных - около 2900°С. С повышением температуры накала увеличивается световая отдача ψ лампы - отношение светово­го потока (лм) лампы к ее электрической мощности (Вт).

Лампы нака­ливания большой мощности, а также лампы низкого напряжения, имеющие более толстую нить и, следовательно, допускающие более высокую температуру накала, обладают большей световой отдачей по сравнению с ЛН малой мощности и высокого напряжения.

К применению на судах рекомендованы лампы судовые и общего назначения, с обычной и цилиндрической колбой (продолжительность горения 1000 ч), а также низковольтные миниатюрные и автомобильные лампы, лампы прожекторные мощностью 500-5000 Вт с небольшой продолжительностью горения (30-400 ч), лампы зеркальные с внутренним зеркальным покрытием колбы для концентрации светового потока и лампы кварцевые галогенные (йодистые).

Последние изготов­лены в виде горизонтально устанавливаемых цилиндрических кварце­вых трубок небольших габаритных размеров со спиральной нитью накала, расположенной по длине трубки. При напряжении 200 В их мощность (1500 и 1000 Вт) обеспечивает мощный световой поток (33 000 и 22 000 лм) при сроке службы 2000 ч.

В состав инертных газов кварцевой лампы введены галогены (йод или бром), что обеспечивает оседание испаряющегося вольфрама на нить накала и повышает срок службы лампы.

Рис.8. 1 а. Характеристики ламп накаливания:

N- время работы; Р – мощность лампы; Ф – световой поток лампы; U – напряжение питающей сети;

Лампы накаливания широко используют благодаря ряду досто­инств: простоте конструкции и низкой стоимости, широкому диапазону шкал мощностей и напряжений, разнообразию форм и размеров, прос­тоте подключения к сети, отсутствию периода разгорания и широкому диапазону рабочих температур (±60ºС).

В то же время они имеют существенные недостатки: низкий КПД (2-3 %), большую зависимость характеристик ламп от колебаний напряжения (рис), отличие спектрального состава от естественного света. Люминесцентные лампы низкого давления.

По сравнению с лампа­ми накаливания ЛЛ являются более совершенными источниками света. На судах широко применяют трубчатые ЛЛ. Они выполнены в виде стеклянных трубок длиной 0,3-0,6 м (при напряжении 127 В) и 0,9-1,5 м (при напряжении 220 В).

На внутреннюю поверхность ламп нане­сен слой люминофора. На концах трубки впаяны 2 электрода в виде вольфрамовой спирали, покрытой слоем оксида для увеличения эмиссии электродов. После откачивания воздуха в лампу вводится капля ртути и инертный газ под давлением 400 Па.

Принцип горения лампы основан на явлении люминесценции: атомы аргона, а затем смеси атомов аргона и ртути под действием разности потенциалов на электродах начинают излучать ультрафиолетовые лучи (электролюми­несценция). Лучи, попадая на люминофор, вызывают его видимое свечение (фотолюминесценция).

Изменяя состав люминофора, полу­чают ЛЛ трех типов: ЛД - лампы дневного света, ЛДЦ - лампы днев­ного света с улучшенной цветопередачей, ЛБ - лампы белого света.

В судовых условиях в основном применяют ЛЛ типа ЛБ со спектральным составом близким к естественному свету.

Оптимальная температура работы ЛЛ составляет 20-25ºС. Откло­нение температуры в любую сторону уменьшает светоотдачу. При снижении напряжения на 10 % номинального лампы могут не зажечься или мигать, что является серьезным недостатком этих ламп.

Частота включений ЛЛ влияет на срок их службы, так как в момент включения происходит

распыление оксидного покрытия электродов, при полном расходовании которого лампа перестает зажигаться.

По сравнению с ЛН люминесцентные лампы:

1. имеют КПД и срок службы в 3-4 раза больше;

2. они стойки к воздействию вибраций и ударов;

3. при колебаниях напряжения сети параметры горения изменя­ются незначительно;

4. обладают небольшой яркостью;

5. имитируют естест­венное дневное освещение.

К недостаткам ЛЛ следует отнести:

1. зависи­мость световых параметров от температуры;

2. наличие стробоскопиче­ского эффекта (неощутимые глазом мигания света могут совпасть с частотами механических колебаний тел, в результате искажается действительное

представление о движении тел, т. е. движущаяся деталь, может показаться неподвижной);

3. необходимость применения достаточно сложных и тяжелых пусковых устройств в связи с тем, что напряжение зажигания ламп превышает рабочее напряжение лампы, а иногда и напряжение сети;

4. наличие периода зажигания;

5. токсичность паров ртути, которые могут появиться при разрушении лампы.

Люминесцентные лампы тлеющего разряда применяются как сигнализационные. Они состоят из небольшой стеклянной цилиндрической колбы, покрытой люминофором. Внутри впаяны 2 близко распо­ложенных электрода.

В зависимости от состава люминофора лампы доя желтый, зеленый, оранжевый и другие цвета (соответственно типа ТЛЖ, ТЛЗ и ТЛО).

Люминесцентные лампы высокого давления.

Наиболее распростра­нены ЛЛ высокого давления типа ДРЛ (дуговая ртутная лампа).

Рис. 8. 1 б. Дуговая ртутная 4-злект-родная лампа типа ДРЛ

Они состоят из стеклянной колбы 5, покрытой внутри люминофором, и заключенный

в ней кварцевой трубки 3, заполненной аргоном при давлении 400 Па с добавкой ртути.

В торцы кварцевой трубки впаяны активированные рабочие 4и поджигающие 2электро­ды, включенные через резисторы 1.

Привключении лампы в сеть между рабочими и поджигающими электродами возникает тлеющий разряд, ионизирующий аргон. При достаточной ионизации разряд перебрасывается в промежуток между рабочими электродами, после чего начинается процесс испарения ртути и повышения давления внутри трубки до 500-10 000 Па.

Возник­ший дуговой разряд сопровождается интенсивным излучением ультра­фиолетовых лучей. Люминофор преобразует невидимое ультрафиоле­товое излучение в свет. Схема включения лампы ДРЛ состоит из дросселя L, ограничивающего ток лампы и стабилизирующего режим горения, конденсатора C, подавляющего радиопомехи.

Период разгорания лампы составляет 3-10 мин.

Световой поток и процесс зажигания лампы не зависят от темпера­туры окружающей среды, так как большая колба заполнена углекис­лым газом, являющимся теплоизолирующей оболочкой.

Достоинством ламп ДРЛ является сочетание малых габаритных размеров с большим световым потоком (10-46 клм при мощностях ламп 250-1000 Вт). К недостаткам ламп ДРЛ следует отнести наличие периода разгорания. После погасания повторное включение возможно только через 5-10 мин после охлаждения лампы.

Двухэлектродные лампы ДРЛ не имеют зажигающих электродов, и их схема включения усложнена трансформатором, разрядником и другими элементами.

Существуют дуговые ксеноновые, криптоновые, натриевые и металлогалогенные лампы, отличающиеся различными цветовыми оттенками.

Схемы включения люминесцентных ламп.

Для включения люминесцентных ламп в сеть используют пускорегулирующие аппараты

разных видов. В общем случае в состав пускорегулирующего аппарата ЛЛ входят дроссели, стартеры, конденсаторы и резисторы.

Схемы включения люминесцентных ламп:

а – стартер; б и в – соответственно стартерная и автотрансформаторная схемы

включения; г – схема включения 2-лампового светильника; д – резонансная схема подключения

Стартер служит для замыкания (размыкания) цепи пуска ЛЛ. Его изготовляют в виде стеклянной колбы 2,в которую впаяны два стальных электрода 4. К одному из электродов приварена биметаллическая пластина 3.

Для подключения стартера на изоляторе 5 смонтированы алюминиевые или латунные штыри 6. В отверстия штырей заведены концы электродов, и затем штыри в месте соединения спрессованы.

Рядом с колбой стартера размещен конденсатор 1. Все устройство закрыто алюминиевым

футля­ром с изоляционной прокладкой.

Простейшая схема подключения ЛЛ показана на рисунке выше.

В исходном состоянии сопротивления стартера VKи лампы EL очень большие. При подаче питания в стартере появляется тлеющий разряд между его электродами и сопротивление стартера уменьшается. Через обмотки двухкатушечного дросселя L, электроды лампы и область тлею­щего разряда стартера протекает ток прогрева электродов.

Тлеющий разряд вызывает изгиб биметаллической пластины стартера, и она замыкается с электродом. Теперь сопротивление стартера близко к нулю, поэтому через электроды лампы протекает ток, прогревающий их до температуры 800-900º С.

При этом благодаря термоэмиссии внутри лампы появляется достаточное число электронов. Из-за отсутствия тлеющего разряда электроды стартера остывают и размыкаются.

Разрыв цепи вызывает всплеск ЭДС самоиндукции на дросселе, соз­дающей на электродах лампы импульс высокого напряжения, под действием которого происходит ионизация аргона и паров ртути -лампа зажигается.

Теперь сопротивление ЛЛ мало, но ток лампы и напряжение на ней ограничены сопротивлением

последовательно включенных обмоток дросселя. Стартер оказывается под пониженным напряжением и повторно не срабатывает. Использование дросселя приводит к снижению коэффициента мощности соsφ. Для его повы­шения в схему включается конденсатор С2, который при выключении лампы разряжается через резистор R. Конденсаторы С1 и СЗ служат для уменьшения радиопомех, создаваемых стартером. Наличие стартера - контактного устройства - снижает надежность работы ЛЛ.

Схема бесстартерного пускорегулирующего аппарата (рис. 8. 1, в) собрана на автотрансформаторе TV и дросселе L. Пока лампа не зажглась, через дроссель течет небольшой ток, обусловлен­ный достаточно высоким сопротивлением обмотки w . На дросселе существует небольшое падение напряжения, поэтому к обмотке w трансформатора приложено почти все напряжение сети, которое обес­печивает повышенное напряжение в обмотках w и w .В результате создаются условия для прогрева электродов и возникновения эмис­сии. Лампа зажигается, и ее сопротивление уменьшается. Теперь через дроссель течет ток лампы. На дросселе увеличивается падение напря­жения, а напряжение на обмотках автотрансформатора уменьшается. В данной схеме дроссель не используется в процессе зажигания ЛЛ, но выполняет свою вторую роль – ограничивает напряжение на ЛЛ после зажигания.

По сравнению с 1-ламповыми светильниками 2- ламповые (рис. 8. 1, г) более компактны. Лампа ЕL2 включена через конденсатор С2, по­этому вектор ее тока опережает вектор тока лампы Е1. При этом невидимые мигания ламп возникают несинхронно. Стробоскопический эффект может эффект можно уменьшить, подключая светильники данного помещения в разные фазы 3-фазной сети.

Люминесцентные лампы по сравнению с ЛН более экономичны, но в пускорегулирующих

аппаратах этих ламп расходуется около 30 % электроэнергии, подводимой из сети. Наиболее простой и рациональ­ной, с точки зрения минимальных массы и потерь, является резонанс­ная схема подключения, которая используется в сетях с частотой 400 Гц. С помощью резонансного эффекта, создаваемого цепью L - C1, С2, в пусковой период на лампе возникает напряжение, в 1,5 - 2,3 раза большее напряжения сети.

После зажигания лампы резонанс нарушается включением сопротивления лампы.

Бесстартерные схемы все же имеют дополнительные потери, обусловленные наличием небольшого тока накала даже после зажигания лампы, но этот недоста­ток компенсируется высокой надежностью бесстартерных схем и увеличением срока службы ЛЛ (примерно на 50 %).