Дуговые ртутные лампы высокого давления. Ртутные лампы. Как работает ртутная лампа, её преимущества и недостатки

Ртутные газоразрядные лампы представляют собой электрический источник света, в котором для генерации оптического излучения используется газовый разряд в парах ртути. Ртутные лампы являются разновидностью газоразрядных ламп. Для наименования всех видов таких источников света в отечественной светотехнике используется термин «разрядная лампа» (РЛ), включенный в состав Международного светотехнического словаря, утверждённого Международной комиссией по освещению. Этим термином следует пользоваться в технической литературе и документации.

В зависимости от давления наполнения, различают РЛ низкого давления (РЛНД ), высокого давления (РЛВД ) и сверхвысокого давления (РЛСВД ).

К РЛНД относят ртутные лампы с величиной парциального давления паров ртути в установившемся режиме менее 100 Па. Для РЛВД эта величина составляет порядка 100 кПа, а для РЛСВД - 1 МПа и более.

РЛВД подразделяются на лампы общего и специального назначения. Первые из них, к числу которых относятся, в первую очередь, широко распространённые лампы ДРЛ, активно применяются для наружного освещения, однако они постепенно вытесняются более эффективными натриевыми, а также металлогалогенными лампами. Лампы специального назначения имеют более узкий круг применения, используются они в промышленности, сельском хозяйстве, медицине.

Ртутные лампы высокого давления типа ДРЛ

ДРЛ (Д уговая Р тутная Л юминесцентная) - принятое в отечественной светотехнике обозначение РЛВД, в которых для исправления цветности светового потока, направленного на улучшение цветопередачи, используется излучение люминофора, нанесённого на внутреннюю поверхность колбы.

Для общего освещения цехов, улиц, промышленных предприятий и других объектов, не предъявляющих высоких требований к качеству цветопередачи и помещений без постоянного пребывания людей.

Дуговые ртутные металлогалогенные лампы (ДРИ)

Лампы ДРИ (Д уговая Р тутная с И злучающими добавками) конструктивно схожа с ДРЛ, однако в её горелку дополнительно вводятся строго дозированные порции специальных добавок - галогенидов некоторых металлов (натрия, таллия, индия и др.), за счёт чего значительно увеличивается световая отдача (порядка 70 - 95 лм/Вт и выше) при достаточно хорошей цветности излучения. Лампы имеют колбы эллипсоидной и цилиндрической формы, внутри которой размещается кварцевая или керамическая горелка. Срок службы - до 8 - 10 тыс. ч.

В современных лампах ДРИ используются в основном керамические горелки, обладающие большей стойкостью к реакциям с их функциональным веществом, благодаря чему со временем горелки затемняются гораздо меньше кварцевых. Однако последние тоже не снимают с производства из-за их относительной дешевизны.

Ещё одно отличие современных ДРИ - шаровидная форма горелки, позволяющая снизить спад светоотдачи, стабилизировать ряд параметров и увеличить яркость «точечного» источника. Различают два основных исполнения данных ламп: с цоколями Е27, Е40; софитное - с цоколями типа Rx7S и подобными им.

Для зажигания ламп ДРИ необходим пробой межэлектродного пространства импульсом высокого напряжения. В «традиционных» схемах включения данных паросветных ламп, помимо индуктивного балластного дросселя, используют импульсное зажигающее устройство - ИЗУ.

Изменяя состав примесей в лампах ДРИ, можно добиться «монохроматических» свечений различных цветов (фиолетового, зелёного и т. п.) Благодаря этому ДРИ широко используются для архитектурной подсветки. Лампы ДРИ с индексом «12» (с зеленоватым оттенком) используют на рыболовецких судах для привлечения планктона.

Дуговые ртутные металлогалогенные лампы с зеркальным слоем (ДРИЗ)

Лампы ДРИЗ (Д уговая Р тутная с И злучающими добавками и З еркальным слоем) представляет собой обычную лампу ДРИ, часть колбы которой изнутри частично покрыта зеркальным отражающим слоем, благодаря чему такая лампа создает направленный поток света. По сравнению с применением обычной лампы ДРИ и зеркального прожектора, уменьшаются потери за счет уменьшения переотражений и прохождений света через колбу лампы. Так же получается высокая точность фокусировки горелки. Для того, чтобы после вворачивания лампы в патрон направление излучения её можно было изменить, лампы ДРИЗ снабжают специальным цоколем.

Ртутно-кварцевые шаровые лампы (ДРШ)

Лампы ДРШ (Д уговые Р тутные Ш аровые) представляют собой дуговые ртутные лампы сверхвысокого давления с естественным охлаждением. Имеют шарообразную форму и дают сильное ультрафиолетовое излучение.

Ртутно-кварцевые лампы высокого давления (ПРК, ДРТ)

Дуговые ртутные лампы высокого давления типа ДРТ (Д уговые Р тутные Т рубчатые) представляют собой цилиндрическую кварцевую колбу с впаянными по концам электродами. Колба наполняется дозированным количеством аргона, помимо того в неё вводится металлическая ртуть. Конструктивно лампы ДРТ очень схожи с горелками ДРЛ, а электрические параметры их таковы, что позволяют использовать для включения пускорегулирующие аппараты ДРЛ соответствующей мощности. Однако большинство ламп ДРТ выполняется в двухэлектродном исполнении, поэтому для их зажигания требуется использование специальных дополнительных устройств.

Первые разработки ламп ДРТ, носивших первоначальное название ПРК (П рямая Р тутно-К варцевая), были выполнены Московским электроламповым заводом в 1950-х гг. В связи с изменением нормативно-технической документации в 1980-х гг. обозначение ПРК было заменено на ДРТ.

Существующая номенклатура ламп ДРТ имеет широкий диапазон мощностей (от 100 до 12000 Вт). Лампы используются в медицинской аппаратуре (ультрафиолетовые бактерицидныеи эритемные облучатели), для обеззараживания воздуха, пищевых продуктов, воды, для фотополимеризации лаков и красок, экспонирования фоторезистов и иных фотофизических и фотохимических технологических процессов. Лампы мощностью 400 и 1000 Вт применялись в театральной практике для освещения декораций и костюмов, расписанных флуоресцентными красками. В этом случае осветительные приборы оснащались светофильтрами из ультрафиолетового стекла УФС-6, срезающими жёсткое ультрафиолетовое и практически всё видимое излучение ламп.

Важным недостатком ламп ДРТ является интенсивное образование озона в процессе их горения. Если для бактерицидных установок это явление обычно оказывается полезным, то в других случаях концентрация озона вблизи светового прибора может существенно превышать допустимую по санитарным нормам. Поэтому помещения, в которых используются лампы ДРТ, должны иметь соответствующую вентиляцию, обеспечивающую удаление избытка озона. В небольших количествах изготавливаются безозонные лампы ДРТ, колба которых имеет внешнее покрытие из кварца, легированного диоксидом титана. Такое покрытие практически не пропускает озонообразующую линию резонансного излучения ртути 253,7 нм.

Спектр излучения

Пары ртути излучают следующие спектральные линии, использующиеся в газоразрядных лампах:

Наиболее интенсивные линии - 184.9499, 253.6517, 435.8328 нм. Интенсивность остальных линий зависит от режима (параметров) разряда.

К дуговым лампам сверхвысокого давления (ЛСВД) относят лампы, работающие при давлении от 10 × 10 5 Па и выше. При высоких давлениях газа или пара металла при сильном сближении электродов сокращаются прикатодные и прианодные области разряда. Разряд концентрируется в узкой веретенообразной области между электродами, причем его яркость, особенно вблизи катода, достигает очень больших значений.

Такой дуговой разряд представляет собой незаменимый источник света для приборов проекторного и прожекторного типов, а также ряда специальных областей применения.

Использование в лампах паров ртути или инертного газа придает им ряд особенностей. Получение паров ртути при соответствующем давлении, как это видно из сделанного рассмотрения высокого давления, в статье " ", достигается за счет дозировки ртути в колбе лампы. Разряд зажигается как ртутный низкого давления при температуре окружающей среды. Затем по мере разгорания и нагревания лампы давление возрастает. Рабочее давление определяется установившейся температурой колбы, при которой подводимая к лампе электрическая мощность становится равной мощности, рассеиваемой в окружающем пространстве излучением и теплоотдачей. Таким образом, первой особенностью ртутных ламп сверхвысокого давления является то, что они довольно легко зажигаются, но имеют сравнительно длительный период разгорания. При их погасании повторное зажигание может быть осуществлено, как правило, лишь после полного остывания. При наполнении ламп инертными газами разряд после зажигания практически мгновенно входит в установившийся режим. Зажигание разряда в газе при высоком давлении представляет определенные трудности и требует применения специальных зажигающих устройств. Однако после погасания лампа может быть зажжена вновь практически мгновенно.

Второй особенностью, отличающей ртутный разряд сверхвысокого давления с короткой дугой от соответствующих газовых, является его электрический режим. Вследствие большой разницы между градиентами потенциала в ртути и инертных газах при одинаковом давлении напряжение горения таких ламп существенно выше, чем с газовым наполнением, благодаря чему при равных мощностях ток последних значительно больше.

Третьим существенным различием является спектр излучения, который у ламп с газовым наполнением соответствует по спектральному составу дневному свету.

Отмеченные особенности привели к тому, что дуговые лампы часто используют для киносъемок и кинопроекции, в имитаторах солнечного излучения и других случаях, когда требуется правильная цветопередача.

Устройство ламп

Шаровая форма колбы ламп выбрана из условия обеспечения большой механической прочности при высоких давлениях и малых расстояниях между электродами (рисунок 1 и 2). Шаровая колба из кварцевого стекла имеет две диаметрально расположенные длинные цилиндрические ножки, в которых запаяны вводы, соединенные с электродами. Большая длина ножки необходима для удаления вывода от горячей колбы и предохранения его от окисления. В ртутных лампах некоторых типов имеется дополнительный электрод поджига в виде впаянной в колбу вольфрамовой проволоки.

Рисунок 1. Общий вид ртутно-кварцевых ламп сверхвысокого давления с короткой дугой различной мощности, Вт:
а - 50; б - 100; в - 250; г - 500; д - 1000

Рисунок 2. Общий вид ксеноновых шаровых ламп:
а - лампа постоянного тока мощностью 100 - 200 кВт; б - лампа переменного тока мощностью 1 кВт; в - лампа переменного тока мощностью 2 кВт; г - лампа постоянного тока мощностью 1 кВт

Конструкции электродов различны в зависимости от рода тока, который питает лампу. При работе на переменном токе, для которого предназначены ртутные лампы, оба электрода имеют одинаковую конструкцию (рисунок 3). Они отличаются от электродов трубчатых ламп той же мощности большей массивностью, обусловленной необходимостью снижения их температуры.

Рисунок 3. Электроды ртутных ламп переменного тока с короткой дугой:
а - для ламп мощностью до 1 кВт; б - для ламп мощностью до 10 кВт; в - сплошной электрод для мощных ламп; 1 - керн из торнированного вольфрама; 2 - покрывающая спираль из вольфрамовой проволоки; 3 - оксидная паста; 4 - газопоглотитель; 5 - основание из спеченного вольфрамового порошка с добавкой оксида тория; 6 - деталь из кованного вольфрама

При работе ламп на постоянном токе важное значение приобретает положение горения лампы, которое должно быть только вертикальным - анодом вверх для газовых ламп и предпочтительно анодом вниз - для ртутных ламп. Расположение анода внизу уменьшает устойчивость дуги, что важно, связано с противопотоком электронов, направленных вниз, и горячих газов, поднимающихся вверх. Верхнее положение анода вынуждает увеличивать его размеры, так как помимо его нагрева за счет большей мощности, рассеиваемой у анода, он дополнительно нагревается потоком горячих газов. У ртутных ламп анод располагают внизу в целях обеспечения более равномерного нагрева и соответственно сокращения времени разгорания.

Благодаря малому расстоянию между электродами ртутные шаровые лампы могут работать на переменном токе от сети напряжением 127 или 220 В. Рабочее давление паров ртути составляет в лампах мощностью 50 - 500 Вт соответственно (80 - 30) × 10 5 , а в лампах мощностью 1 - 3 кВт - (20 - 10) × 10 5 Па.

Лампы сверхвысокого давления с шаровой колбой чаще всего наполняют ксеноном из-за удобства его дозировки. Расстояние между электродами составляет у большинства ламп 3 - 6 мм. Давление ксенона в холодной лампе (1 - 5)× 10 5 Па для ламп мощностью от 50 Вт до 10 кВт. Такие давления делают лампы сверхвысокого давления взрывоопасными даже в нерабочем состоянии и требуют применения для их хранения специальных кожухов. Из-за сильной конвекции лампы могут работать только в вертикальном положении независимо от рода тока.

Излучение ламп

Высокие яркости ртутных шаровых ламп с короткой дугой получаются вследствие увеличения тока и стабилизации разряда у электродов, препятствующих расширению канала разряда. В зависимости от температуры рабочей части электродов и их конструкции можно получить различное распределение яркости. Когда температура электродов недостаточна для обеспечения тока дуги за счет термоэлектронной эмиссии, дуга стягивается у электродов в яркие светящиеся точки малых размеров и приобретает веретенообразную форму. Яркость вблизи электродов достигает 1000 Мкд/м² и более. Малые размеры этих областей приводят к тому, что их роль в общем потоке излучения ламп незначительна.

При стягивании разряда у электродов яркость растет с ростом давления и тока (мощности) и с уменьшением расстояния между электродами.

Если температура рабочей части электродов обеспечивает получение тока дуги за счет термоэлектронной эмиссии, то разряд как бы расползается по поверхности электродов. В этом случае яркость более равномерно распределяется вдоль разряда и по-прежнему возрастает с ростом тока и давления. Радиус канала разряда зависит от формы и конструкции рабочей части электродов и почти не зависит от расстояния между ними.

Световая отдача ламп возрастает с ростом их удельной мощности. При веретенообразной форме разряда световая отдача имеет максимум при определенном расстоянии между электродами.

Излучение ртутных шаровых ламп типа ДРШ имеет линейчатый спектр с сильно выраженным непрерывным фоном. Линии сильно расширены. Излучений с длинами волн короче 280 - 290 нм нет вообще, а благодаря фону доля красного излучения составляет 4 - 7 %.

Рисунок 4. Распределение яркости вдоль (1 ) и поперек (2 ) оси разряда ксеноновых ламп

Шнур разряда шаровых ксеноновых ламп постоянного тока при их работе в вертикальном положении анодом вверх имеет форму конуса, опирающегося своим острием на кончик катода и расширяющегося кверху. Около катода образуется маленькое катодное пятно очень высокой яркости. Распределение яркости в шнуре разряда остается одинаковым при изменении плотности тока разряда в весьма широких пределах, что дает возможность построить единые кривые распределения яркости вдоль и поперек разряда (рисунок 4). Яркость прямо пропорциональна мощности, приходящейся на единицу длины дугового разряда. Отношение светового потока и силы света в заданном направлении к длине дуги пропорционально отношению мощности к этой же длине.

Спектр излучения шаровых ксеноновых ламп сверхвысокого давления мало отличается от спектра излучения .

Мощные ксеноновые лампы имеют возрастающую вольт-амперную характеристику. Наклон характеристики растет с увеличением расстояния между электродами и давления. Анодно-катодное падение потенциала у ксеноновых ламп с короткой дугой составляет 9 - 10 В, причем на долю катода приходится 7 - 8 В.

Современные шаровые лампы сверхвысокого давления выпускают в различных конструктивных исполнениях, в том числе с разборными электродами и водяным охлаждением. Разработана конструкция специальной металлической разборной лампы-светильника типа ДКсРМ55000 и ряд других источников, применяемых в специальных установках.

Ртутные лампы типа ДРЛ

Рассмотренная в статье "Работа лампы ДРЛ " кварцевая горелка подвержена сильному влиянию внешней среды, от которой зависят условия охлаждения. Стабильность работы лампы с такой горелкой обеспечивается размещением ее внутри внешней колбы. Внутренняя поверхность внешней колбы покрывается слоем люминофора, который за счет поглощения ультрафиолетовой части излучения ртутного разряда добавляет к видимому излучению этого разряда недостающее в нем излучение в красной области спектра. Для обеспечения охлаждения кварцевой горелки не только излучением, а также конвекцией и теплопередачей внешняя колба наполняется газом, который должен быть инертным по отношению к люминофору и деталям монтажа лампы. В качестве наполняющего газа применяют смесь аргона с азотом.

Устройство лампы ДРЛ показано на рисунке 1. Присоединение ламп к сети осуществляется с помощью резьбовых цоколей, аналогичных применяемым для ламп накаливания: Е27 - для ламп мощностью до 250 Вт и Е40 - для ламп большей мощности. Для облегчения зажигания лампа выполняется трех- или четырехэлектродной. У последних основные и вспомогательные электроды соединяются через резисторы.

Форма и размеры внешней колбы и положение горелки в ней выбирают с таким расчетом, чтобы все ультрафиолетовое излучение горелки падало на слой люминофора и во время работы и во время работы лампы слой люминофора имел оптимальную для его работы температуру.

Нагрев внешней колбы происходит за счет поглощения части излучения разряда слоем нанесенного на нее люминофора и стеклом, а также теплопередачи через наполняющий колбу инертный газ. Охлаждение осуществляется благодаря излучению нагретого стекла и теплопередаче через окружающий воздух.

Равномерность температуры поверхности колбы может быть достигнута, если, пренебрегая в первом приближении конвекцией наполняющего колбу инертного газа, выполнять ее в виде поверхности, обеспечивающей равномерную облученность. Расчеты показывают, что центральная часть колбы должна иметь поверхность, близкую к эллипсоиду вращения, с большой осью, совпадающей с осью горелки. Поправка на конвекцию вынуждает несколько увеличивать диаметр той части колбы, которая при работе лампы оказывается наверху. Так как лампы практически эксплуатируют в любом положении, то поправок в форму колбы не вносят.

В ряде конструкций ламп колба выполняет роль оптического элемента, перераспределяющего световой поток. В этом случае форма и размер колбы должны рассчитываться, как это делается для светильников, причем в расчете должен также учитываться ее тепловой режим.

Для исправления цветности ламп типа ДРЛ применяют различные виды люминофоров. Применение фосфат-ванадат-иттриевого люминофора вместо фторогерманата магния позволило улучшить параметры ламп типа ДРЛ.

Применение люминофора, нанесенного на внутреннюю стенку внешней колбы, с одной стороны, приводит к добавлению в спектре недостающего красного излучения, а с другой - вызывает поглощение в этом слое части видимого излучения. С ростом толщины слоя люминофора поток излучения лампы имеет максимум при определенной толщине слоя, в то время как проходящий через слой люминофора световой поток разряда постепенно уменьшается. Для решения вопроса об оптимальной толщине слоя люминофора и общей оценки его эффективности для характеристики ламп типа ДРЛ введено понятие "красное отношение". Красным отношением называют выраженное в процентах отношение красного светового потока, добавляемого люминофором, к общему световому потоку ламп. Очевидно, что лучшими будут люминофор и такой его слой, которые при создании красного отношения, достаточного для обеспечения правильной цветопередачи, обеспечивают максимальный световой поток лампы в целом, то есть наибольшую световую отдачу.

Красное отношение принято выражать в процентах зависимостью

где φ (λ) - спектральная плотность потока излучения лампы; V (λ) - относительная чувствительность глаза.

Красное отношение для ламп типа ДРЛ с оптимальной толщиной люминофора из фторогерманата и арсената магния достигает 8 %, а световой поток - 87 % светового потока лампы без люминофора. Применение ортофосфатноцинковых люминофоров с добавкой стронция позволяет получить световой поток, на 15 % превышающий световой поток лампы без люминофора, и r кр = 4 - 5 %.

В процессе зажигания ламп имеет место катодное распыление активного вещества катода и стержневой части электрода. В установившемся режиме горения на переменном токе из-за перезажигания разряда в каждый полупериод распыление стержневой части электрода продолжается. Это ухудшает со временем эмиссионные свойства обеих частей электродов, соответственно растет необходимое для зажигания ламп напряжение. Распыление электродов приводит одновременно к поглощению молекул наполняющего лампу инертного газа, начальное давление которого выбиралось из условий зажигания разряда. Эти процессы приводят к образованию на стенках горелки темного налета из частиц распылившихся электродов, поглощающего излучение, в особенности его ультрафиолетовую составляющую, и красное отношение снижается. Прекращение зажигания определяет полный срок службы ламп типа ДРЛ, а нормируемое снижение световой отдачи - их полезный срок службы.

Рисунок 2. Детали конструкции горелки ртутной лампы высокого давления: 1 - основной электрод; 2 - молибденовые фольговые вводы основного электрода и электрода поджига; 3 - добавочный резистор в цепи электрода зажигания; 4 - цепь электрода зажигания

Условное обозначение ламп ДРЛ расшифровывается следующим образом: Д - дуговая, Р - ртутная, Л - люминесцентная. Цифры после букв соответствуют мощности лампы в ваттах, дальше в скобках приводится красное отношение в процентах и через дефис - номер разработки. Подавляющее большинство ламп типа ДРЛ выпускаются четырехэлектродными, то есть с дополнительными электродами для облегчения зажигания (смотрите рисунок 2). Такие лампы зажигаются непосредственно от напряжения сети. Небольшая часть ламп ДРЛ изготовляются двухэлектродными, для их зажигания применяют специальные зажигающие устройства.

Лампы ДРЛ находят применение в установках наружного освещения и для освещения высоких помещений промышленных предприятий, где не предъявляется жестких требований к качеству цветопередачи.

Влияние температуры окружающей среды сказывается прежде всего на напряжении зажигания ламп. При отрицательных температурах зажигание ламп типа ДРЛ затруднено, что связано со значительным уменьшением давления ртути, в результате чего зажигание происходит в чистом аргоне и требует более высоких напряжений, чем при наличии паров ртути. Согласно ГОСТ 16354-77 лампы типа ДРЛ всех мощностей должны зажигаться при напряжении не более 180 В при температуре окружающей среды 20 - 40 °С; при температуре -25 °С напряжениезажигания ламп увеличивается до 205 В, при -40 °С напряжение зажигания для ламп мощностью 80 - 400 Вт составляет не более 250 В, мощностью 700 и 1000 Вт - 300 В. На световые и электрические параметры ламп типа ДРЛ изменение внешней температуры практически не влияет. В таблице 1 приведены параметры ламп типа ДРЛ. Лампы имеют две модификации с красным отношением 6 и 10 %.

Таблица 1

Основные параметры ламп типа ДРЛ по ГОСТ 16357-79

Ртутно-вольфрамовые лампы

Затрудненное зажигание ламп типа ДРЛ при отрицательных температурах, использование индуктивных балластов, а также необходимость исправления цветности излучения привели к созданию ламп высокого давления с балластом в виде нити лампы накаливания. Отметим, что большие потери мощности в активном балласте, которым является нить накаливания, по сравнению с потерями в индуктивном балласте компенсируются простотой активного балласта при возможности одновременного получения с его помощью недостающего красного излучения.

Поместив во внешнюю колбу, в которой размещена кварцевая горелка для уменьшения зависимости ее параметров от внешней температуры, балластную нить накала, удалось получить лампу, пригодную для непосредственного включения в сеть. Конструкция такой лампы показана на рисунке 3. Размещение нити накала внутри колбы лампы создает дополнительное преимущество, заключающееся в сокращении периода разгорания за счет нагрева горелки излучением спирали.

Основным при расчете ламп смешанного света, как называют иногда ртутно-вольфрамовые лампы, является выбор параметров нити накала. Мощность нити выбирают исходя из условия стабилизации ртутного разряда. световую отдачу нити приходится снижать ради получения достаточно красного отношения, одновременно обеспечивается срок службы нити, соизмеримый со сроком службы кварцевых горелок. В пусковой период напряжение сети целиком падает на спираль, однако по мере разгорания ртутной лампы напряжение на ней повышается, а напряжение на балластной спирали снижается до рабочего значения. Световая отдача ртутно-вольфрамовых ламп составляет 18 - 20 лм/Вт, так как около 50 % мощности расходуется на нагрев спирали. Поэтому эти лампы по экономичности не могут конкурировать с лампами типа ДРЛ и другими лампами высокого давления. Их применение ограничено специальными областями, например, облучательной техникой.

Лампы типа ДРВЭ имеют внешнюю колбу, выполненную из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовое излучение. Такие лампы применяют для совместного освещения и облучения, например в теплицах. Срок службы таких ламп составляет 3 - 5 тысяч часов, он определяется сроком службы вольфрамовой нити накала.

Трубчатые ртутные лампы

Кроме ламп работающих на основе разряда высокого давления в парах ртути и предназначенных для целей освещения, изготовляют несколько видов источников излучения, разработка которых связана с необходимостью использования не только видимого, но и ультрафиолетового излучения. Как известно, ультрафиолетовое излучение обладает химическим и биологическим действием. Широко используется актиничность ультрафиолетового излучения, то есть воздействие на светочувствительные материалы, применяемые в полиграфической промышленности. Мощные потоки бактерицидного излучения, большие, чем у бактерицидных , позволяют использовать ртутные лампы высокого давления для целей обеззараживания воды и других веществ. Химическая активность ультрафиолетового излучения и возможность сконцентрировать большие мощности излучения на небольших поверхностях привели к широкому использованию ртутных ламп высокого давления в химической, деревообрабатывающей и других отраслях промышленности.

Для ламп этого типа необходимы колбы из механически прочного и тугоплавкого кварцевого стекла. Применяемое кварцевое стекло, пропускающее ультрафиолетовое излучение начиная с длины волны 220 нм, то есть практически весь спектр излучения ртутного разряда, позволяет изменять параметры излучения лишь за счет изменения рабочего давления. Непрозрачность кварцевого стекла для резонансного излучения с длиной воны 185 нм не имеет практического значения, так как ультрафиолетовое излучение такой длины волны практически полностью поглощается воздухом.

Указанное привело к созданию ртутных ламп высокого давления, отличающихся конструкцией, обусловленной рабочим давлением и областью применения. основные параметры ламп высокого давления приведены в таблице 2.

Таблица 2

Основные параметры ртутных трубчатых ламп высокого давления по ГОСТ 20401-75

Промышленность выпускает ртутные лампы типа ДРТ (дуговые ртутные трубчатые) с давлением до 2 × 10 5 Па в виде прямых трубок диаметром 14 - 32 мм. На рисунке 4 даны общий вид и габаритные размеры ламп типа ДРТ различной мощности. Оба конца трубок имеют удлинения меньшего диаметра, в которые впаяна молибденовая фольга, служащая вводами. С внутренней стороны ламп к вводам приварены вольфрамовые активированные самокалящиеся электроды, конструкция которых показана на рисунке 5. Для крепления ламп в арматуре лампы снабжены металлическими хомутиками с держателями. Имеющийся посредине колбы носик является остатком штенгеля, отпаянного после вакуумной обработки лампы. Для облегчения зажигания лампы имеют специальную полосу, на которую подается зажигающий импульс.

Рисунок 4. Общий вид ламп типа ДРТ (давление паров ртути до 0,2 МПа) мощностью, Вт:
а - 230; б - 400; в - 1000

Рисунок 5. Электроды (катоды) ртутных ламп высокого давления:
1 - активное вещество (оксид); 2 - вольфрамовый сердечник; 3 - спираль

Трубчатые ксеноновые лампы

К трубчатым лампам высокого давления относят также лампы, в которых используется излучение ксенона при давлениях от сотен до миллионов паскалей. Характерной особенностью разряда в инертных газах при высоких давлениях и больших плотностях тока является непрерывный спектр излучения, обеспечивающий хорошую цветопередачу освещаемых объектов. В видимой области спектр ксенонового разряда близок к солнечному с цветовой температурой 6100 - 6300 К. Важной особенностью такого разряда является его возрастающая вольт-амперная характеристика при высоких плотностях тока, что позволяет стабилизировать разряд с помощью небольших балластных сопротивлений. Ксеноновые трубчатые лампы значительной длины могут включаться в сеть вообще без дополнительного балласта. Преимуществом ксеноновых ламп является отсутствие периода разгорания. Параметры ксеноновых ламп практически не зависят от температуры окружающей среды вплоть до температур -50 °С, что позволяет применять их в установках наружного освещения в любых климатических зонах. Вместе с тем ксеноновые лампы имеют высокое напряжение зажигания и требуют применения специальных зажигающих устройств. Малый градиент потенциала обусловил использование в лампах более массивных вводов.

Световая отдача ламп растет с ростом удельной мощности и диаметра разрядной трубки. При больших плотностях тока разряд в инертных газах обладает очень высокой яркостью. По теоретическим оценкам, предельная яркость разряда в ксеноне может достигать 2 × 10³ Мкд/м². Основные параметры ксеноновых ламп высокого давления приведены в таблице 3. Трубчатые ксеноновые лампы работают как с естественным, так и с водяным охлаждением. Применение водяного охлаждения позволило поднять световую отдачу ламп с 20 - 29 до 35 - 45 лм/Вт, но несколько усложнило конструкцию. Горелка ламп с водяным охлаждением заключается в стеклянный сосуд, а в пространстве между горелкой и внешним сосудом-цилиндром циркулирует дистиллированная вода.

Таблица 3

Основные параметры ксеноновых ламп высокого давления

Высокие температуры трубки (около 1000 К) требует применения кварцевого стекла и соответствующих конструкций молибденовых вводов, рассчитанных на большие токи. Электроды ламп выполняют из активированного вольфрама. Одна из конструкций ксеноновой лампы с водяным охлаждением приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Общий вид трубчатой ксеноновой лампы мощностью 6 кВт с водяным охлаждением

На параметры безбалластных ксеноновых ламп оказывает сильное влияние напряжение сети. При отклонениях напряжения сети на ±5 % номинального мощность лампы изменяется примерно на 20 %.

Обозначение ламп состоит из букв Д - дуговая, Кс ксеноновая, Т - трубчатая, В - с водяным охлаждением и цифр, обозначающих мощность лампы в ваттах и через дефис - номер разработки.

Вначале отметим, что все ртутные источники подразделяют на три группы – это лампы низкого (РЛНД), высокого (РЛВД) и сверхвысокого давления (РЛСВД). Первую группу представляет самый распространенный в бытовой и профессиональной сфере тип – люминесцентные лампы. Среди них:

1. . Выполнены в U-образной форме, кольцевидной и прямолинейной (в виде обычной разрядной трубки). Оснащены штырьковым цоколем и обладают различными типоразмерами, а также широким диапазоном мощности (от 15 Вт до 80 Вт). Экономично расходуют электроэнергию, используется повсеместно – от квартир, офисов и учебных заведений, до магазинов и производственных помещений.

2. . Оснащены штырьковым и винтовым типом цоколей. Последние предназначены для прямой замены классической лампы с нитью накаливания, отличаются экономичностью энергопотребления. Выполнены в спиралевидной форме, в виде квадрата, сложенной вдвое и четверо трубки, а также повторяют внешнее исполнение предшественника: «груша», «шар», «свеча» и «свеча на ветру». Мощность варьируется от 5 Вт до 30 Вт, что соответствует 25 Вт и 100 Вт обычной лампочки «Ильича».

Ртутные лампы низкого давления применяют в основном для освещения жилых помещений и общественных зданий, монтируют в уличные системы (свет придомовой территории, подъездов). Экономично расходуя электроэнергию, они создают яркие потоки света различной цветовой температуры – от желтых нот, напоминающих освещение лампочкой накаливания, до дневного и холодного света.

Напротив, ртутные источники высокого давления нашли применение исключительно в уличном и промышленном освещении. Их используют в местах, где экономичность намного важнее цветопередачи: лампочки создают хорошую освещенность, но без четкой передачи цветов и контуров. Ввиду такой «размытости» применять лампы в помещении с постоянным нахождением людей не рекомендуют, поскольку это может спровоцировать проблемы со зрением. Идеальные помещения для РЛВД – это промышленные цеха, коридоры и т.д.

Ртутные лампы высокого и сверхвысокого давления:

1. Дуговая ртутная лампа или ДРЛ . Принцип работы и внешнее исполнение лампочек очень похоже на ртутно-вольфрамовые лампы, с которыми их часто путают на практике, поэтому расскажем о ключевой разнице между ними. ДРЛ функционирует только с ПРА, который выступает ограничителем тока. Лампочки ДРВ спокойно обходятся без пускорегулирующего аппарата, поскольку в конструкции нет индуктивного балласта, а роль ограничителя выполняет сама вольфрамовая проволока.

Такая особенность на 30% снижает интенсивность ртутно-вольфрамовых источников, позволяя дуговым ртутным занять первое место в создании уличного освещения (цветность лампочек улучшает люминофор, которым с внутренней стороны покрыта колба). С помощью ДРЛ освещают магистрали, улицы, парки и площади, автостоянки и заправки, склады и объекты промышленности.

2. Дуговая ртутная лампа с излучающими добавками или ДРИ . Конструкция лампочки повторяет предыдущий вариант, но составные вещества для наполнения горелки отличаются. Тип лампочек относится к металлогалогенным, поэтому наряду с ртутью в горелку помещают галогениды металлов (натрий, индий и прочие элементы в строгих пропорциях). Наличие галогенидов позволяет увеличить светоотдачу источников (в среднем 70-90 Лм/Вт и выше), а также улучшить цветопередачу.

Усовершенствованные варианты ДРИ производят с керамической горелкой, как наиболее термоустойчивый и практичный вариант: в отличие от стекла, внутренняя колба из керамики в несколько раз меньше затемняется, поскольку очень стойко переносит реакцию химических веществ. Приборы оснащают софитным цоколем (Rx7S и прочие), а также классическим Е27 и Е40, которые идеально подходят для замены обычной лампы накаливания.

Дуговые источники с добавками используют в общих системах уличного освещения и в качестве цветной архитектурной подсветки (цветность свечения зависит от наполнителей горелки). А отдельные виды ДРИ с индексом цветопередачи 12 Ra, который образует зеленоватое свечение, используют рыболовецкие суда для привлечения планктона.

3. Дуговая ртутная лампа с зеркальным напылением или ДРИЗ , представляющая металлогалогенный источник света. Состав горелки повторяет формулу ДРИ, но колба лампочки содержит отражающее покрытие с внутренней стороны. Наличие зеркального слоя позволяет создать направленный поток света, а специальный дополнительный цоколь, которым оснащают лампочку, дает возможность регулировать направление излучения.

4. Ртутно-кварцевые шаровые источники или ДРШ . Это лампочки сверхвысокого давления, образующие мощный поток света. Горелка выполнена в форме шара и размещена во внешней колбе с цилиндрическими «ножками». Необычная конструкция обеспечивает прочность прибора в условиях высокого давления, частично отводит тепло от горелки и защищает детали от окисления.

Концентрация электрических разрядов в таких лампах приходится на узкий промежуток между электродами, поэтому яркость света очень высока. Особенности работы сделали шаровую лампу востребованным источником света в проекторах и прожекторах, нередко ее используют в киносъемках, создании кинопроекций и прочей деятельности, где крайне важно правильно передать цветность предметов и окружающего пространства.

5. Дуговая ртутная трубчатая лампа или ДРТ , выполненная в колбе из кварцевого стекла цилиндрической формы. Горелка наполнена инертным газом (аргон) и металлической ртутью, конструктивно повторяя формат ДРЛ. Требуют подключения ПРА для обеспечения полноценного запуска лампочки. Обладают очень широким диапазоном мощностей (от 100 Вт до 12000 Вт) и предназначены для специального применения: дезинфекция воздуха и поверхностей, обеззараживание продуктов питания и воды, сушка лаков, красок и прочие виды деятельности.

Подвиды трубчатых ламп:

Кварцевые . Выполнены в форме обычной люминесцентной трубки, но отличаются отсутствием люминофора. Для изготовления колбы используют , способное пропускать ультрафиолет. Такие приборы предназначены для обеззараживания поверхностей, помещений и предметов. Присутствие людей или животных во время кварцевания необходимо исключить, поскольку в воздухе концентрируется озон, а его большие концентрации наносят вред здоровью.

Существуют специальные ультрафиолетовые лампы, известные под названием «эритемные» . Их колба так же состоит из кварцевого стекла, но здесь, в отличие от обычной кварцевой лампы, стенки изнутри покрывают люминофором определенного состава, который пропускает ультрафиолет в строго заданном диапазоне. Как правило, это ближние и средние волны, которые . Прием такой «солнечной ванны» ограничивается считанными минутами, а в большом количестве способен нанести вред организму.

Бактерицидные . Для изготовления колбы используют специальное увиолевое стекло, которое тщательно отфильтровывает озон в процессе работы, не допуская его попадания в воздух. Лампы предназначены для обработки помещений, поверхностей или воды, обладают , но работают в щадящем для живых организмов режиме. Безозоновые лампы для кварцевания используют в квартирах, детских учреждениях, на производстве продуктов питания и в любых других сферах, где необходимо уничтожить бактериальный фон без вреда для здоровья.

Ртутные лампы различных исполнений сегодня все еще задействуют, так как они заняли свою нишу: применяются при организации системы освещения крупных промышленных объектов, улицы. Общее обозначение наиболее распространенного исполнения высокого давления – ДРЛ, что означает дуговая ртутная люминесцентная лампочка. Данная разновидность представляет газоразрядные источники света и характеризуется 1 классом опасности ввиду того, что в состав, помимо прочего, входит и ртуть.

Особенности устройства

Конструкцией предусматривается несколько основных элементов:

• цоколь – контактная часть, а осветительные элементы с держателем Е40, Е27 легко установить в любой современный светильник;
• кварцевая колба – содержит инертный газ и некоторое количество ртути, соединена с электродами;
• внешняя колба – изготовлена из термостойкого стекла, по форме напоминает аналог накаливания, внутри находится кварцевая колба (горелка).

Газоразрядные источники света изнутри покрываются люминофором. Дуговая лампа содержит углекислый газ, который наполняет внешнюю колбу. Функционирует большинство подобных осветительных элементов посредством пускорегулирующего аппарата (ПРА), но есть и отдельный вид – газоразрядные лампы прямого включения, которые не требуют установки ПРА, а подключаются напрямую в сеть.

Конструкция лампы ДРЛ

Дуговые источники света функционируют на основе явления люминесценции. При этом свечение возникает под воздействием ультрафиолетового излучения. Его же продуцируют ртутные пары, которые входят в состав газообразного наполнения кварцевой колбы. Эти процессы возникают при условии, что через кварцевую горелку будет проходить электрический разряд.

Обзор существующих видов

Газоразрядные источники света высокого давления, в число которых входят и дуговые лампочки ДРЛ, подразделяются на две основные группы: общего и узкоспециального назначения. Первый вариант устанавливается в светильник уличного освещения. Вторая группа источников света высокого давления применяется в медицине, определенных отраслях промышленности, а также сельском хозяйстве.

Кроме этого, газоразрядные лампы подразделяются на виды в соответствии с конструкционными и функциональными отличиями. Диапазон мощностей: от 80 до 1 000 Вт. Чаще используются более мощные исполнения 100 Вт, 250 Вт, 400 Вт и пр. Причем существует разделение по количеству электродов: двухэлектродные (мощность от 80 до 1 000 Вт); четырехэлектродные (250 -1 000 Вт).

Дуговые металлогалогенные источники света (ДРИ)

Особенность таких ламп заключается в излучающих добавках, отсюда происходит и обозначение: ДРИ (дуговые ртутные осветительные элементы с излучающими добавками). По внешним признакам этот источник света сходен с аналогом ДРЛ.

Ртутные лампы ДРИ

Отличие между ними заключается в том, что состав ДРИ включает в себя еще и специализированные компоненты, которые строго дозируются: галогенид натрия, индия и некоторые другие. Это способствует значительному повышению эффективности излучения.

Колба может иметь форму эллипсоида или цилиндра. Ртутные лампы данного вида сегодня все чаще содержат керамическую горелку вместо кварцевого аналога. Также газоразрядные источники света этой группы имеют более совершенную конструкцию, в частности, форма внутренней колбы может быть шарообразной. Ртутные лампы ДРИ требуют включения в цепь дросселя.

Применяются газоразрядные осветительные элементы данного вида при организации наружного освещения: парков, улиц, площадей, их задействуют в качестве подсветки зданий, торговых и выставочных залов, а также крупных площадок (спортивных, футбольных полей).

Металлогалогенные с зеркальным слоем (ДРИЗ)

Ртутные лампы этого вида имеют сходный состав с аналогами ДРИ: основное наполнение + излучающие добавки. Но дополнительно к тому конструкцией предусмотрен зеркальный слой. Благодаря этой особенности лампочки высокого давления ДРИЗ обеспечивают направленный луч света.

Металлогалогенные источники света с зеркальным слоем (ДРИЗ)

Их используют в условиях плохой видимости, так как высокий уровень мощности наряду с конструкционными особенностями способствует организации эффективного освещения участка объекта благодаря направленному свечению.

Ртутно-кварцевые шаровые источники света (ДРШ)

Такие лампочки высокого давления выделяются из ряда аналогов. Этому способствуют следующие факторы: шарообразная форма колбы, излучение повышенной интенсивности. А дополнительно к тому ртутно кварцевая лампа характеризуется сверхвысоким давлением.

Лампочки высокого давления ДРШ

Область применения – узкоспециальные направления, в частности, проекционные системы, лабораторное оборудование.

Ртутно-кварцевые (ПРК, ДРТ)

Этот вид лампочек имеет иную форму колбы, чем выше рассмотренные аналоги. Например, ПРК расшифровывается как прямой ртутно-кварцевый осветительный элемент. Это первоначальное обозначение лампы ДРТ (дуговая ртутная трубчатой формы).

Переход на другую маркировку произошел в 80 гг. прошлого века. Ртутно кварцевая лампа в данном исполнении характеризуется формой колбы в виде цилиндра, электроды же располагаются на торцевых участках колбы.

Цвет излучения

Ртутьсодержащие лампы благодаря присутствию в конструкции люминофора на выходе дают цвет максимально близкий к белому. Нейтральный оттенок получается в результате смешивания излучений газообразных составляющих колбы и люминофора. В частности, пары ртути продуцируют свечение разных цветов: синий, зеленый, фиолетовый, оранжевый. А кроме этого, излучают ультрафиолет (мягкий, жесткий).

Комбинированное свечение люминофора и газообразного наполнения колбы, расположенной внутри лампочки высокого давления ДРИ, позволяет получить разные цвета свечения: зеленый, фиолетовый и др. Это достигается благодаря изменению состава и соотношения излучающих добавок.

Пускорегулирующие аппараты

Лампы люминесцентные ртутные подключаются к сети в большинстве случаев через дроссель (ПРА). По сути, этот узел представляет собой токоограничитель, способствующий плавному вводу источника света высокого давления в эксплуатацию. При отсутствии пускорегулирующего аппарата лампочка ДРЛ сгорит по причине прохождения через электроды тока высоких значений.

Однако существуют и аналоги прямого включения. Для их нормальной работы не требуется дроссель, можно устанавливать лампу высокого давления в светильник. Такие источники света обозначаются ДРВ (дуговые ртутные вольфрамовые). Они сходны по характеристикам с вариантом ДРЛ. Выбор пускорегулирующего аппарата производится на основании данных о мощности лампочки.

Общие технические характеристики

Определение наиболее подходящего вида лампы осуществляется с учетом основных параметров источника света:

• напряжение питания – обычно указывается для осветительных элементов прямого включения, устанавливаемых без дросселя (ДРВ);
• мощность – варьируется от 80 до 1 000 Вт;
• световой поток напрямую зависит от уровня создаваемой нагрузки: изменяется в пределах от 1 900 до 59 000 лм;
• продолжительность горения: от 1 500 до 20 000 ч, при этом наиболее короткий срок функционирования отмечается у вольфрамовых лампочек прямого включения;
• тип цоколя: Е27, Е40;
• габариты изделия – варьируются в зависимости от исполнения лампы.

Особенности и характеристики различных источников света

Для источников света ДРЛ и прочих аналогов, подключаемых с дросселем, может быть указано напряжение на лампе.

Хранение и утилизация

Учитывая, что в состав осветительных элементов типа ДРЛ и прочих им подобных исполнений входит ртуть (класс опасности 1), хранить изделия с поврежденными колбами в неподготовленных для этого помещениях запрещено. Особенно, если речь идет о количестве опасного отхода в промышленных масштабах. Заниматься хранением, транспортировкой и дальнейшей утилизацией должны организации, имеющие соответствующую лицензию (ЮНЭП).