Газоразрядная лампа принцип работы. Особенности и применение газоразрядных ламп

Освещение всегда и везде является главным атрибутом, без которого сложно представить современный мир. При этом мало кто задумывается о том, какие источники света существуют на сегодняшний день, а ведь каждый вид ламп создает свой световой поток.
Среди всего разнообразия лампочек, которые можно вкрутить в осветительный прибор, особое место занимают газоразрядные источники света.

Газоразрядные лампы на сегодняшний день встречаются очень часто и в самых разнообразных сферах человеческой деятельности, начиная от подсветки авто и заканчивая домашним освещением. Поэтому не лишним будет знать, что представляет собой это изделие, и как с ним следует обращаться. Обо всем, что нужно знать о газоразрядных лампочках, расскажет сегодняшняя статья.

Обзор

Газоразрядные лампы – современный источник света, который излучает световую энергию в видимом для человеческого глаза диапазоне. В своей основе газоразрядная лампочка имеет стеклянную колбу, в которую под давлением закачивается газ или пары металла. Кроме этого в строении изделия имеются электроды, которые расположены по концам стеклянной колбы.

Строение лампы

Принцип работы лампочки основывается именно на таком строении, так как вся система активируется при прохождении через колбу электрического разряда. В центральной части колбы располагается основной электрод. Под ним установлен токоограничительный резистор. Благодаря такой конструкции в колбе, при прохождении через нее электрического разряда, формируется свечение.
Помимо колбы и электродов, изделие содержит еще и цоколь, благодаря которому может вкручиваться в различные светильники с целью создания домашнего или уличного типа освещения.
Обратите внимание! Наиболее часто газоразрядные лампочки встречаются именно в системе уличного типа освещения. Их часто вкручивают в фонари, в авто и т.д.
Газоразрядные лампы представляют собой специальные устройства, которые способны создавать свечение с помощью электрического разряда.

Как работает лампочка

С конструкционными особенностями, которые имеют газоразрядные лампы, мы разобрались в предыдущем разделе. Также вскользь коснулись и того, какой принцип работы имеет это изделие. Теперь рассмотрим принцип работы более детально, чтобы понять, каким же именно образом формирует освещение подобный тип источника света.

Принцип работы лампы

Газоразрядная лампа – особые источники освещения, которые способны генерировать свет вследствие создания внутри своей колбы электрического разряда. Принцип работы такой лампы основывается на ионизации газа, который находится внутри стеклянной колбы.
Принцип, по которому работает газоразрядная лампочка, предполагает, что внутри колбы под давлением закачивается определенный газ.
Чаще всего для освещения домов, улиц и авто используются благородные (инертные) газы:

• неон;
• криптон;
• аргон;
• ксенон;
• смесь газов в различных пропорциях.

Ртутная модель

Очень часто для освещения домов, авто и улиц используются такие источники света, в состав которых входят дополнительные газы. Например, в состав газовой смеси может входить натрий (натриевые модели) или ртуть (ртутные модели).
Обратите внимание! Ртутные лампочки сегодня имеют большее распространение, чем натриевые. Их часто вставляют в фонари при создании уличного типа освещения. Также они применяются для подсветки домов изнутри.

Ртутные и натриевые модели входят в группу металлогалогенных источников света.
Когда на газоразрядную лампочку подается питание, в трубке начинает генерироваться электрическое поле. Оно приводит к ионизации газа и свободных электронов. В результате этого электроны, которые вращаются на верхних уровнях атомов, начинают сталкиваться с другими электронами атомов металла (специальных добавок в газовые смеси). В результате столкновения происходит переход электронов на внешние орбитали. В конечном итоге происходит высвобождение энергии и фотонов. Таким образом и формируется свечение лампочки.

Обратите внимание! Освещение, которое получается в результате работы такой лампочки, может быть различным: от ультрафиолетового до инфракрасного видимого излучения.

Вариант свечения лампы

Чтобы добиться различного цветового свечения, на колбу газоразрядных ламп наносят специальное люминесцентное покрытие. Им покрывают внутреннюю сторону колбы. С помощью такого покрытия происходит преобразование ультрафиолетового излучения в видимый свет.

Виды газоразрядных ламп

Натриевые лампы высокого давления

Газоразрядная лампа, которая используется для создания уличного освещения или подсветки авто, может иметь разнообразное строение, которое не отходит от принципов работы. На этом основывается классификация таких источников света.
На сегодняшний день газоразрядные источники света бывают следующих видов:

• газоразрядные лампы высокого давления. Они в свою очередь могут подразделяться на ДРЛ (ртутные модели), ДРИ, ДНат и ДКсТ. Их особенностью является отсутствие необходимости в наличии пускорегулирующего аппарата. Такие модели можно встретить в качестве подсветки улиц (их вставляют в фонари системы уличного освещения), авто, домов и наружной рекламы;

Обратите внимание! Лампы газоразрядного типа высокого давления являются самыми распространенными (особенно ртутные модели). Очень часто с их помощью (натриевые и ртутные модели) формируют подсветку именно улиц. А вот дома такие источники света встречаются достаточно редко.

Лампы низкого давления

• газоразрядные лампы низкого давления. Они подразделяются на ЛЛ (различные модели) и КЛЛ. Такие лампочки сегодня с успехом вытесняют устаревшие лампы накаливания. Они применяются для создания подсветки дома, улиц (в составе системы уличного освещения) и даже авто.

Обратите внимание! Самые распространенные лампы низкого давления – люминесцентные. Такие модели часто применяются для освещения улиц в составе системы уличного освещения. Особенно часто такие лампочки вкручивают в фонари.

Свое широкое распространение газоразрядные лампочки получили из-за наличия у них ряда достоинств.

Достоинства и недостатки

Уличная подсветка

К основным достоинствам подобных лампочек относятся следующие качества:

• высокая светоотдача (на уровне 55 лм/Вт). Она остается достаточно высокой, даже если фонари, в которые была установлена лампочка, имеют непрозрачный плафон;
• длительный период службы. Средняя производительность газоразрядных лампочек составляет примерно 10 тыс. часов. Поэтому такие изделия часто используют для подсветки улиц и авто;
• высокая устойчивость (например, ртутные модели) к плохим климатическим условиям. В результате они часто используются для уличного освещения. Они могут вкручиваться в фонари и другие типы светильников. Но если для региона характерны заморозки, то использовать ртутные модели для совещания улиц, даже если они вкручены в специальные фонари и фары авто, нельзя;
• доступная стоимость;
• экономичность, которая позволяет обходиться без затрат на дорогие комплектующие к осветительной аппаратуре.

Вместе с тем, здесь имеются и свои недостатки:

• лампы имеют плохую цветопередачу. Это связано с ограниченным спектром лучей. Таким образом рассмотреть в созданном лампочкой свете цвет предмета будет несколько затруднительно. В связи с этим, газоразрядные лампочки зачастую используются для освещения улиц и монтируются в фары авто;
• может работать только при наличии переменного тока;
• включение происходит с помощью балластного дросселя;
• имеется период, необходимый для разогрева источника света;
• опасность использования, так как в состав газовой смеси могут входить пары ртути;
• такие лампы обладают повышенной пульсацией испускаемого светового потока.

Отдельно следует отметить, что установка данной продукции осуществляется по стандартной схеме, как и лампы накаливания.

Область применения

Конструкционные особенности, которыми обладают газоразрядные лампочки, обеспечили им обширную область применении.
Сегодня подобная продукция применяется для:

• создания уличного освещения в городской и сельской местности. Отлично такие лампы смотрятся, если они вкручиваются в фонари для создания качественной подсветки парков и скверов;
• освещения производственных сооружений, магазинов, торговых площадок, офисов, а также общественных помещений;
• с помощью газоразрядных источников света, которые вкручены в фонари, можно оформить уличную декоративную подсветку зданий или пешеходных дорожек;
• подсветки наружной рекламы и рекламных щитов;
• высокохудожественного освещения эстрад и кинотеатров. Но здесь необходимо применение специального оборудования.

Освещение в авто

Отдельно стоит отметить, что источники света газоразрядного типа сегодня очень часто используются для освещения транспортных средств. Здесь зачастую применяются грл с высокой интенсивностью (например, неоновые). Многие авто имеют в своей комплектации фары, которые заполнены газообразной смесью из металлогалоидных солей и ксенона. Такие фары можно встретить в таких марках, как БМВ, Тойота или Опель.
Иногда подобные лампочки можно встретить и в подсветке дома. Но здесь необходимо обязательно учитывать специфику источников света, чтобы их недостатки можно было минимизировать.
Но в целом область применения данной продукции достаточно обширна и разнообразна.

Заключение

Газоразрядные лампочки представляют собой современный и довольно востребованный источник света, который обладает как своими недостатками, так и преимуществами. Для создания уличного освещения такие источники света подходят лучше всего, а вот в домашних условиях они во многом уступают более безопасным лампочкам.

Выбираем светильники над рабочим столом для кухни

Люминесцентные лампы - это газоразрядные лампы низкого давления, возникающее в которых в результате газового разряда невидимое для человеческого глаза ультрафиолетовое излучение преобразуется люминофорным покрытием в видимый свет.

Люминесцентные лампы представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые, в свою очередь, заставляют нанесенный на стенки трубки люминофор излучать видимый свет.

Люминесцентные лампы обеспечивают мягкий, равномерный свет, но распределением света в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. По форме различаются линейные, кольцевые, U-образные, а также компактные люминесцентные лампы. Диаметр трубки часто указывается в восьмых частях дюйма (например, T5 = 5/8"" = 15,87 мм). В каталогах ламп диаметр в основном указывается в миллиметрах, например, 16 мм для ламп T5. Большинство ламп имеет международный стандарт. Промышленность выпускает около 100 различных типоразмеров люминесцентных ламп общего назначения. Наиболее распространены лампы мощностью 15, 20,30 Вт на напряжение 127 В и 40,80,125 Вт на напряжение 220 В. Средняя продолжительность горения ламп составляет 10 000 ч.

Физические характеристики люминесцентных ламп зависят от температуры окружающей среды. Это обусловлено характерным температурным режимом давления паров ртути в лампе. При низких температурах давление низкое, из-за этого существуют слишком малое количество атомов, которые могут участвовать в процессе излучения. При слишком высокой температуре высокое давление паров ведет к всевозрастающему самопоглощению произведенного ультрафиолетового излучения. При температуре стенки колбы ок. 40°C лампы достигают максимального напряжения индуктивной составляющей искрового разряда и таким образом самой высокой световой отдачи.

Достоинства люминесцентных ламп:

1. Высокая световая отдача, достигающая 75 лм/Вт

2. Большой срок службы, доходящий у стандартных ламп до 10000 ч.

3. Возможность иметь источники света различного спектрального состава при лучшей для большинства типов цветопередаче, чем у ламп накаливания

4. Относительно малая (хотя и создающая ослепленность) яркость, что в ряде случаев является достоинством

Основные недостатки люминесцентных ламп:

1. Ограниченная единичная мощность и большие размеры при данной мощности

2. Относительная сложность включения

3. Невозможность питания ламп постоянным током

4. Зависимость характеристик от температуры окружающей среды. Для обычных люминисцентных ламп оптимальная температура окружающего воздуха 18-25 С. При отклонении температуры от оптимальной световой поток и световая отдача снижаются. При температуре ниже +10 С зажигание не гарантируется.

5. Периодические пульсации их светового потока с частотой, равной удвоенной частоте электрического тока. Человеческий глаз не в состоянии заметить эти мелькания света благодаря зрительной инерции, но если частота движения детали совпадает с частотой импульсов света, деталь может показаться неподвижной или медленно вращающейся в противоположную сторону из-за стробоскопического эффекта. Поэтому в производственных помещениях люминесцентные лампы необходимо включать в разные фазы трехфазного тока (пульсация светового потока будет в разные полупериоды).

В обозначениях маркировки люминесцентных ламп применяют следующие буквы: Л - люминесцентная , Д - дневного, Б - белого, ХБ - холодно-белого, ТБ - тепло-белого цвета, Ц - улучшенной светопередачи, А - амальгамные.

Если "закрутить" трубку люминесцентной лампы в спираль, то получают КЛЛ – компактную люминесцентную лампу. По своим параметрам КЛЛ приближаются к линейным люминесцентным лампам (световая отдача до 75 Лм/Вт). Они прежде всего предназначены для замены ламп накаливания в самых разнообразных применениях.

Маркировка: Д - дуговая Р - ртутная Л - лампа В - включается без ПРА

Дуговые ртутные люминесцентные лампы (ДРЛ)

Люминесцентные ртутно-кварцевые лампы (ДРЛ), состоят из стеклянной колбы, покрытой изнутри люминофором, и кварцевой трубки, размещенной в колбе, которая заполнена парами ртути под высоким давлением. Для поддержания стабильности свойств люминофора стеклянная колба заполнена углекислым газом.

Под влиянием ультрафиолетового излучения, возникающего в ртутно-кварцевой трубке, светится люминофор, придавая свету определенный синеватый оттенок, искажая истинные цвета. Для устранения этого недостатка в состав, люминофора вводятся специальные компоненты, которые частично исправляют цветность; эти лампы получили название ламп ДРЛ с исправленной цветностью. Срок службы ламп – 7500 ч.

Промышленность выпускает лампы мощностью 80,125,250,400,700,1000 и 2000 Вт со световым потоком от 3200 до 50 000 лм.

Достоинства ламп ДРЛ:

1. Высокая световая отдача (до 55 лм/Вт)

2. Большой срок службы (10000 ч)

3. Компактность

4. Некритичность к условиям окружающей среды (кроме очень низких температур)

Недостатки ламп ДРЛ:

1. Преобладание в спектре лучей сине-зеленой части, ведущее к неудовлетворительной цветопередаче, что исключает применение ламп в случаях, когда объектами различения являются лица людей или окрашенные поверхности

2. Возможность работы только на переменном токе

3. Необходимость включения через балластный дросель

4. Длительность разгорания при включении (примерно 7 минут) и начало повторного зажигания после даже очень кратковременного перерыва в питания лампы лишь после остывания (примерно 10 мин)

5. Пульсации светового потока, большие чем у люминисццентных ламп

6. Значительное уменьшение светового потока к концу службы

Дуговые металлогалогенные лампы (ДРИ, МГЛ, HMI, HTI)

Маркировка: Д – дуговая, Р – ртутная, И - йодидная.

Это ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов (диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий (Tm) а также комплексные соединения с цезием (Cs) и галогениды олова (Sn). Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чьи интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов.

Внешне металогенные лампы отличаются от ламп ДРЛ отсутствием люминофора на колбе. Они характеризуются высокой световой отдачей (до 100 лм/Вт) и значительно лучшим спектральным составом света, но срок их службы существенно меньше, чем у ламп ДРЛ, а сема включения сложнее, так как, помимо , содержит поджигающее устройство.

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 (вне светильника). При низких температурах окружающей среды (до -50 °С) необходимо использовать специальные устройства зажигания.

HMI-лампы

Короткодуговые лампы HTI - металлогалогенные лампы с повышенной нагрузкой на стенку и очень коротким межэлектродным расстоянием имеют ещe более высокую световую отдачу и цветопередачу, что, однако, ограничивает срок службы. Главной областью применения ламп НМI является сценическое освещение, эндоскопия, кино- и видеосъемка при дневном освещении (цветовая температура = 6000 K). Мощность этих ламп лежит в диапазоне от 200 Вт до 18 кВт.

Для оптических целей были разработаны короткодуговые металлогалогенные лампы HTI с малыми межэлектродными расстояниями. Они отличаются очень высокой яркостью. Поэтому они используются прежде всего для световых эффектов, как позиционные источники света и в эндоскопии.

Маркировка: Д - дуговая; На - натриевая; Т -трубчатая.

Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) являются одной из самых эффективных групп источников видимого излучения: они обладают самой высокой световой отдачей среди всех известных газоразрядных ламп (100 - 130 лм/Вт) и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы. У этих ламп внутри стеклянной цилиндрической колбы помещается разрядная трубка из поликристаллического алюминия, инертная к парам натрия и хорошо пропускающая его излучение. Давление в трубке порядка 200 кПа. Продолжительность работы – 10 -15 тыс. часов. Однако чрезвычайно желтый свет и соответственно низкий индекс цветопередачи (Ra=25) позволяют использовать их в помещениях, где находятся люди, лишь в комбинации с лампами других типов.

Ксеноновые лампы (ДКсТ)

Дуговые ксеноновые трубчатые лампы ДКсТ при низкой световой отдаче и ограниченном сроке службы отличаются наиболее близким к естественному дневному спектральным составом света и наибольшей из всех источников света единичной мощностью. Первое достоинство практически не используется, так как лампы внутри зданий не применяются, второе обусловливает их широкое применение для освещения больших открытых пространств при установке на высоких мачтах. Недостатки ламп являются очень большие пульсации светового потока, избыток в спектре ультрафиолетовых лучей и сложность схемы зажигания.

В наш век повсеместной электрификации мы привыкли считать электрический разряд чем-то неправильным и где-то даже опасным. Поэтому в словах «газоразрядная лампа» многим видится некий парадокс.

Уже давно электричество перестало быть диковинкой. Нас оно окружает буквально со всех сторон. В стенах домов, квартир проложена проводка, по которой непрерывно течет электрический ток, даже если не включен телевизор и выключены все лампочки. Холодильник все равно все время тихо включается и сохраняет нам продукты, подпитываясь от сети. Так же и прочие приборы: светодиоды на выключателях – и те хоть чуть-чуть, но ток пропускают. А вот разряд в наших сетях – нечто неординарное. Если нечаянно замкнутся два провода в одной розетке, будет короткое замыкание, то есть разряд. А это авария и мгновенное отключение сети защитной автоматикой. Или если мы сами зарядились, просто от трения одежды, то, как только прикоснемся к чему-нибудь металлическому – будет разряд: несильно, но чувствительно уколет или даже тряхнет. Но обычно один раз. Ну, и заряженный конденсатор может ударить током, то есть через нас разрядиться.

Разновидностей разрядов достаточно много. Чаще всего нам встречается искровой разряд, как раз его-то мы и не любим. Хотя знаем, что в автомобиле он заставляет двигатель работать.

Виды электрических разрядов

Слева направо: искровой, дуговой, коронный, тлеющий. Есть еще экзотические виды – частичный и таунсендовский (темный – здесь его нет).

Какие-то из них мы используем, какие-то только пытаемся поставить на службу, с какими-то боремся.

Но вот тлеющий разряд, быть может, и назван так «смягченно», чтобы сообщить: да, это разряд, но не такой уж и страшный. Действительно, он не бьет, как искра или молния, в доли секунды, чтобы сразу же и прекратиться. Он тлеет, то есть течет, как обыкновенный и привычный для нас всех электрический ток. И не просто течет, но и светит – это все электрические лампы, где светится газ, а не металлическая проволока. Именно газоразрядные лампы.

Самое интересное во всей этой истории то, что обнаружили свечение газа под действием разряда еще до того, как появились «настоящие» электрические приборы. То есть такие устройства, в которых бы гарантированно работала электрическая энергия.

Сначала свечение газа показывали как фокус. А в качестве источника энергии использовались не генераторы, не аккумуляторы, а электризация предметов путем различных ухищрений, что позволяло вызвать некоторый заряд на поверхности. Электризация известна была давно, просто ее старались как-то усилить, в соответствии со своим пониманием. Например, рукой крутили большой шар из серы, насаженный на металлический стержень, и получали в довольно большом количестве «электричество», которое заявляло о себе искрением или свечением газа. Были и другие опыты, которые принято было проводить со сцены для публики или в модных светских салонах для избранного общества. Изучали и демонстрировали «животный магнетизм», алхимические превращения, которые уходили корнями в «герменевтическую философию».

Соответственно, и сбор электроэнергии для целей демонстрации мог происходить не на промышленном каком-то оборудовании, а на вещах, скорее принадлежавших к разряду театральной бутафории.

Однако от таких опытов получилось благое дело: люди увидели не просто физическое – то есть не магическое – явление, а поняли, что в нем заключена определенная, доступная людям, сила, которую можно накопить и измерить.

И с тех пор дальнейшее изучение электричества пошло в направлении его приручения и широкого использования человечеству во благо.

Многие исследователи тех времен получали таинственное свечение. Например, Ломоносов обнаружил свечение в стеклянном сосуде газообразного водорода. И не все эти свечения являлись тем, что теперь называется «тлеющий разряд». Дело в том, что газ способен получать энергию разными путями, и потом эту энергию излучать в виде света определенной длины волн. Это может быть внешнее электрическое напряжение, приложенное к двум установленным в сосуде с газом электродам. При некоторой величине напряжения, а также при некоторой разреженности газа, поток электронов устремится от электрода с избыточностью электронов к электроду с их недостаточным количеством. И, «натыкаясь по дороге» на атомы газа, электроны их активируют, при этом и получается тлеющий разряд.

Но нечто подобное может происходить не только от потока бегущих электронов. А, например, непосредственно от воздействия внешнего магнитного поля. Будет тлеющий разряд, очень похожий на полярное сияние. Я сам такое видел на лампах дневного света, отключенных от сети питания, но на которые воздействовало магнитное поле от вращающихся магнитных барабанов. На старых компьютерах иногда встречались такие устройства, большие как шкаф. Вот в темноте около таких шкафов лампы дневного света и давали интересные световые разводы, похожие на Северное сияние.

Цвет свечения газоразрядных ламп не зависит от источника энергии. Газ состоит обычно из однородной массы простейших молекул в один-два атома (H2 – водород, Ar – аргон) и работает как один атомарный механизм. В нем электроны, получая энергию от внешнего источника, перескакивают на другой уровень – в «возбужденное» состояние, а потом возвращаются обратно, выбрасывая свою «возбудившую» их энергию в виде кванта света строго определенных длин волны. Так и получаются свечения одного цвета, монохромные. Или нескольких цветов, соответствующих энергетическим переходам электронов в электронных оболочках атомов газа. Таким образом можно получить лампы, светящиеся конкретными цветами, в отличие от солнца с его непрерывным спектром или пламени костра, свечи или света лампы накаливания.

Энергетические процессы при этом очень просты, поэтому и весьма эффективны, имеют высокий КПД. То есть лампа накаливания дает целый спектр, который получается от хаотического теплового движения молекул твердой вольфрамовой спирали. Молекулы раскаленного вольфрама мечутся как угорелые вокруг своих мест в кристаллической решетке и исступленно испускают во всех возможных направлениях кванты света всех мыслимых энергий и частот. В этом спектре есть видимый нам свет, и есть инфракрасное излучение, которого мы не видим. А есть еще просто конвекция – передача непосредственно молекулам газовой среды лампы энергии тепла. От этого нагревается стеклянный баллон, который, в свою очередь, нагревает воздух в помещении, цоколь, патрон, провода… Получается, что на свет от лампы накаливания идет энергии всего лишь 5–10 %. Тогда как газовый свет дает, по разным оценкам, от 25 до 40 %.

Разновидности газоразрядных ламп

Газоразрядные лампы представляют собой стеклянный (из стекол особого состава) баллон, накачанный газом и с электродами, установленными внутри. Электрическое напряжение на него подается через цоколь. Газ внутри может быть под низким давлением или под высоким. По этому признаку и различаются газоразрядные лампы низкого давления, лампы высокого давления и лампы сверхвысокого давления. Остальные различия касаются, в основном, составов газовых сред внутри баллона и покрытия баллона. От этого зависят характеристики свечения ламп.

Еще одна важная конструктивная особенность ламп (газоразрядных в том числе) – конструкция и размер цоколя, от чего зависит конструкция патрона для лампы, а значит, и возможности установки таких ламп в светильниках.

А, б – низкого давления;
в, д – высокого давления;
г – сверхвысокого давления
а – натриевая, б – люминесцентная, в – ртутная, г – ксеноновая, д – натриевая
(с особым покрытием колбы – поликристаллическим оксидом алюминия)

Инертные газы, которыми наполняются лампы, способны светиться цветами собственного полосчатого спектра испускания. Получается цветное свечение, которое сразу же полюбилось рекламщикам, и они стали использовать его для изготовления эффектных красочных надписей. Разные инертные газы дают различную окраску свечения.

Криптон

Для обычных же целей освещения обычно используются лампы, содержащие смесь газов или смесь газов и паров металлов – ртути или натрия в частности.

Газовый свет может содержать ультрафиолетовые компоненты, в этом случае можно:

• использовать такие лампы именно как источники ультрафиолета;
• изменить спектр излучения другим средством: напылением на внутренней стороне баллона специального покрытия, которое поглощает излучение газа и переизлучает его светом, более приемлемым для употребления.

Такие вещества называются люминофорами, а лампы – люминофорными или люминесцентными.
Разновидностью люминесцентных ламп являются и повсеместно используемые сейчас газосветные энергосберегающие лампы.

Применение

Энергосберегающие лампы выпускают разных оттенков цвета, но такого, чтобы человеческий глаз воспринимал его как можно более естественным. При этом варьируются оттенки цвета или световая температура: от более теплого до приближенного к белому дневному. Энергосберегающие лампы выпускаются градацией светимости примерно так же, как это делается с лампами накаливания, эта система сложилась годами. Маленькие лампы накаливания – 25 ватт (настольные), побольше – 60, 75 ватт (люстры, торшеры), 100–120 ватт (залы, большие помещения) и так далее. Аналогично выпускаются по светимостям и лампы энергосберегающие, хотя мощность потребления энергии у них снижена раза в 2–4 за счет того, что выше КПД. Еще одно следствие этого – то, что они почти не греются. И в этом тоже есть множество плюсов: не греются патроны, не плавятся пластиковые абажуры, и так далее

Другие лампы дают сильный направленный свет: например, ксеноновые используют в прожекторах и автомобильных фарах.

Есть лампы такого цвета, который не очень хорош для человеческих глаз, но действенен при освещении растений. Это натриевые лампы различной мощности. Они дают ярко-желтое свечение, от них хорошо вегетируют растения, поэтому их используют в теплицах.

Газоразрядная лампа – осветительный прибор, принцип действия базируется на горении дуги ионизированного газа. Это обширное семейство, в начале XXI века захватившее в мире едва ли не три четверти сегмента иллюминации. Сюда входят популярные люминесцентные лампы дневного света, лампы ДРЛ. Ещё до внедрения в обиход осветительные устройства, работающие за счёт газового разряда, встречаются в романе Жюля Верна «Путешествие к центру Земли» (1864 год).

История развития электростатической ионизации газов

Принято считать годом рождения газоразрядных ламп 1675. Однажды ночью французский учёный Жан-Феликс Пикар заметил свечение ртутного барометра, когда переносил его из обсерватории в порт святого Майкла. Чтобы читатели представили явление, нужно учесть особенности конструкции. В ртутном барометре имеется трубка, запаянная с конца. Вдобавок наличествует чаша. Оба предмета заполнены металлической ртутью.

Для определения давления трубку резко переворачивают и опускают в чашу. Тогда ртуть под действием земного тяготения стекает вниз, образуя выше себя вакуум. В результате запаянный конец трубки остаётся полым, и протяжённость пустого пространства зависит от атмосферного давления, которое, действуя на ртуть в чаше, призвано уравновесить силу тяжести.

При транспортировке барометра Пикар спешил и сильно растряс прибор. В результате произошла электризация стекла трением о ртуть, и статический заряд вызвал ионизацию металлических паров. Процесс сильно облегчался, благодаря созданному вакууму. Пары ртути и сегодня используются в отдельных газоразрядных источниках света. К примеру, ультрафиолетовая составляющая свечения активизирует люминофор лампы дневного света.

Пикар не смог объяснить обнаруженного явления, но немедленно доложил о произошедшем в научных кругах. Позднее изучением занялся известный швейцарский математик Иоганн Бернулли. Ему задача оказалась также не по зубам, но сей учёный муж активно практиковал опыт со свечением, дал представление французской академии наук. В 1700 году на демонстрации явление лицезрел английский механик, по совместительству учёный, Фрэнсис Хоксби. На базе Королевского научного общества Британии Хоксби принимается активно ставить опыты.

За основу решающего эксперимента Хоксби берет модель электростатического генератора Герике (1660 год). По описаниям машина представляла солидных размеров шар из серы, вращающийся на железном стержне. Трением о ладони оператора объект приобретал при вращении значительный заряд. Дальнейший ход мыслей Хоксби понятен. В инструкции Герике фигурировало предложение залить серу в стеклянный шар, потом разбить. Английский учёный пропустил указанный шаг. К сожалению, неизвестно, имели ли ранние работы (к примеру, трактат Гильберта 1600 года) представление об электризации стекла, но Хоксби выдвинул соответствующее предположение.

В результате экспериментальная установка содержала вместо серного шара стеклянный с каплями ртути на дне, а внутри по возможности создали вакуум. При вращении сферы на железном стержне и электризации путём трения ладонями наблюдалось свечение, чтобы читать книгу в непосредственной близости. В 1705 году английское научное общество продемонстрировало первую газоразрядную лампу. Предоставлялось верное объяснение, что к обнаруженному явлению причастны пары ртути. Потом – ход работ замер на целый век. Не находилось практического применения вновь открытому явлению.

Первые газоразрядные лампы

Нельзя сказать, чтобы XVIII век прошёл бесполезно для исследований в сфере электричества, несмотря на фразу, оброненную выше. Значимыми считаются работы Дюфе, в 1733 году предположившего наличие двух родов зарядов с целью теоретического обоснования наблюдаемого явления. Он их назвал смоляными и стеклянными. Речь идёт об объяснении феномена, рассмотренного Гильбертом в 1600 году:

1. Наэлектризованный шар притягивает тела.
2. Соприкоснувшись с шаром, тела начинают от предмета отталкиваться.

В понимании Дюфе объект приобретал заряд аналогичного знака при соприкосновении. Чем объясняется рассмотренное явление. Но истинный прогресс в науке начался, когда государства отменяли наказание за занятие колдовством. В результате на свет появилась Лейденская банка, а Бенджамин Франклин доказал электрическую природу молнии, Вольта изобрёл первый электрохимический источник энергии. В 1729 году произошло революционное открытие, ставшее основой для прочих: Стивен Грей додумался собрать проводники воедино и получил первую в мире электрическую цепь. С тех пор ток стали передавать на расстояние.

Изобретённая в 1746 году Вильямом Ватсоном электрическая машина сплавляла заряд по шёлковым шнурам, что позволило Жану-Антуану Нолле продемонстрировать эффектную дугу в среде разряженного газа. В указанное Готфрид Груммерт высказал предположение, что подобное освещение подойдёт для использования в шахтах и местах, где открытое пламя повышает вероятность взрыва. Иоганн Винклер заметил, что неплохо вместо шаров использовать длинные колбы, согнутые по форме букв алфавита, предвосхитив появление на свет трубок Гейслера и экрана телевизора.

Чуть позднее, в 1752 году, Ватсон частично реализовал перечисленные задумки (первый дисплей запатентован в 1893 году). К примеру, демонстрируя опыт с горением дуги в трубке длиной 32 дюйма. Благодаря столь блистательным открытиям, в 1802 году произошло сразу два значимых для рассматриваемой темы события:

• Англичанин Хампфри Дэви открыл явление свечения накаливаемой электричеством платиновой проволоки.
• Наш соотечественник, В. Петров при помощи вольтова столба, состоящего из 4200 (по другим данным – 2100) пар медных и цинковых пластин. Для сравнения – источник энергии сэра Хампфри Дэви показывал вдвое меньшую мощность (2000 пластин).

Достижения Петрова оказались забыты под влиянием событий Отечественной войны 1812 года и в силу российского наплевательства. В Англии к электричеству подошли серьёзно. Заслуга Хампфри Дэви немалая. Он, будучи химиком, повторяя опыты зарубежного коллеги, начал экспериментировать с различными газовыми средами. Конечно, член Королевского научного общества был знаком с опытами Фрэнсиса Хоксби и захотел проверить, не стало ли новое открытие повторением ранних попыток создать искусственные источники света.

Эти эксперименты привели к открытию линейных спектров газовых разрядов. Попутно замеченные Волластоном и Фраунгофером особенности излучения Солнца в последующем позволили Кирхгофу и Бунзену высказывать предположения о составе атмосферы светила. Это тесно связно с рассматриваемой темой, спектр разряда также линейчатый. К примеру, натриевые лампы дают оранжевый свет, и при помощи люминофора приходится распределение частот корректировать (лампы ДРЛ). Потом эстафету принял Майкл Фарадей (с середины 30-х годов XIX века), показал процесс возникновения дуги в среде разреженных газов. Внёс лепту и Генрих Румкорф, предоставив в руки физиков инструмент для получения импульсов высокого напряжения (катушка Румкорфа, 1851 год). В 1835 году Чарльз Уитстон зарегистрировал спектр разряда дуги в парах ртути, попутно отметив ультрафиолетовую составляющую.

Газоразрядные лампы Гейслера

Первыми коммерчески успешными считаются творения Гейслера. Датой рождения принято считать 1857 год. Упомянутый стеклодув и по совместительству физик догадался в колбу с разряженным газов вставить 2 электрода. Подавая на них напряжение, лицезрел красочный разряд дуги. Гейслер соединил воедино открытия Петрова и Хоксби. Дуга тлеет в колбе с атмосферой из паров газа. А дальнейшее – выбор цвета – уже не составило труда, опираясь на наработки сэра Хампфри Дэви и Майкла Фарадея.

С 80-х годов трубки Гейслера широко выпускаются для целей развлечения населения. Сегодня неоновые огни считаются лицом США. Примечательно, что будучи помещены рядом с источниками сильного электромагнитного излучения — катушки Тесла — лампы Гейслера загораются самопроизвольно. Выполняются условия ионизации разреженной газовой среды. Исследования, сопряжённые с поиском технических решений для целей освещения привели учёных к открытию электрона, измерению его заряда и массы, появлению на свет электронных ламп.

Тем временем в России

Возможность розжига порохового заряда электрической искрой известна примерно с 1745 года. Но едва ли сапер мог унести лейденскую банку или терпеливо натирать шерстью янтарь в любых погодных условиях. Долгое время военное дело не брало во внимание подобные мелочи. В 1812 году российский офицер Шиллинг сумел через электрический элемент питания произвести подводный взрыв. Считается, что военное дело дало толчок к развитию исследований электричества в России. Первая дуговая лампа установлена в 1849 году изобретателем (Якоби) на башне Адмиралтейства Санкт-Петербурга. Ее свет оказался столь ярок, что сравнивался обывателями с солнечным.

Применение прожекторов с разрядными лампами ограничивается военным делом, за малым исключением, когда источники указывают путь кораблям с маяка. Нас в теме интересуют наработки Джона Томаса Рея, датированные 1860 годом, догадавшимся объединить электрическую дугу (Петров и Якоби) с атмосферой паров ртути (Майкл Фарадей) при нормальном давлении.

От Эдисона до современных газоразрядных ламп

Несмотря на явные преимущества, газоразрядные лампы Гейслера демонстрировали существенные недостатки. К примеру, малый срок службы. С 90-х годов XIX века некто Дэниэл МакФарлен Мур работал в компании Эдисона и вскоре после поступления на службу стал изучать историю. Его заинтересовали газоразрядные лампы Гейслера. Что не так с моим светом? – вопрошал Эдисон. Мур ответил: он слишком тусклый, слишком горячий и чересчур красный. Это вся правда о лампах накаливания того времени.

В 1892 году ртутная газоразрядная лампа усовершенствована Мартином Лео Аронсом. Наработка в 1901 году усовершенствована Петером Купером Хьюиттом и обрела коммерческий успех.

С 1894 Мур организовывает две собственные компании, занимающиеся проблемами освещения. Главной особенностью ламп (1896 год) стало то, что газ по мере расходования возобновлялся. В результате устройство работало сколь угодно долго. Первое коммерческое использование зарегистрировано в 1904 году. Лампа с отдачей 10 люменов на 1 Вт осветила магазин оборудования и приборов. Как писали очевидцы, несмотря на сложность и громоздкость (50 ярдов длиной) отдача того стоила. КПД новых газоразрядных ламп в 3 раза превышал аналогичные цифры для ламп накаливания.

Отличительной особенностью стало использование в лампах Мура паров азота и углекислого газа. В результате получался дневной свет. А пары азота давали мягкое свечение и низкую цветовую температуру. Появление на свет вольфрамовых нитей сделало невыгодным дальнейшее производство, компании поглощены (1912 год) Дженерал Электрик, а патенты скуплены. Но Мур не остался без работы, перейдя в лаборатории своего преемника в бесконечной эстафете. Позже изобрёл неоновую лампу.

Желающие узнать больше могут заглянуть в разделы про лампы ДРЛ и люминесцентные лампы.

Газоразрядные лампы представляют собой источники излучения световой энергии видимого диапазона. Основным конструктивным элементом газоразрядной лампы является стеклянная колба с закачанным внутрь газом либо парами металлов. С обеих сторон к колбе подводятся электроды, между которыми происходит возникновение и горение электрического разряда.

Газоразрядные лампы имеют достаточно обширную классификацию. Различают два основных типа:

1. Лампы газоразрядные высокого давления (ГРЛВД). Они включают в себя ДРИ, ДРЛ, ДКсТ, ДНат.
2. Газоразрядные лампы низкого давления (ГРЛНД), которые включают в себя ЛЛ различных типов, КЛЛ, специальные ЛЛ.

Данные источники света успешно вытесняют морально устаревшие лампы накаливания, которые, тем не менее, находят применение в специфических помещениях, где установка других ламп невозможна.

Преимуществами газоразрядных ламп являются:

1. Эффективность.
2. Высокая степень светоотдачи.
3. Высокая степень цветопередачи.
4. Экономичность.
5. Долгий срок эксплуатации

Недостатки, которыми обладают газоразрядные лампы, следующие:

1. Линейность излучаемого спектра.
2. Дороговизна.
3. Габаритные показатели.
4. Необходимость установки пускорегулирующей аппаратуры.
5. Наличие т.е. мерцания излучения.
6. Высокая чувствительность к перепадам напряжения.
7. Токсичность.
8. Работа только на переменном токе.

Качественные характеристики, которыми обладает каждая газоразрядная лампа, отвечают высоким предъявляемым требованиям, таким как:

1. Эксплуатация - до 20000 часов горения.
2. Эффективность - до 220 люменов на каждый кВт энергии.
3. Различный цвет излучаемого света: естественный и т.д.
4. позволяет создавать пучки светового излучения высокой интенсивности.

Среда, в которой происходит процесс горения электрического разряда, может быть наполнена разнообразными газами, такими как аргон, неон, ксенон, криптон, а также парами различных металлов, например, ртути или натрия.

Необходимо учитывать то, что газоразрядные лампы любого типа должны устанавливаться в закрытые светильники, оборудованные Для успешной работы подобного типа источников света следует устанавливать специальную пускорегулирующую аппаратуру и балласты.

Газоразрядные лампы требуют высоких параметров электрической сети, к которой они подключаются. Не допускаются большие (более, чем 3%) отклонения параметров сети от номинальных.

Газоразрядные лампы могут применяться в производственных цехах и прочих помещениях заводов, во всевозможных магазинах и торговых центрах, офисах и различных общественных помещениях, а также для зданий и пешеходных дорожек. Кроме того, они широко используются для высокохудожественного освещения кинотеатров и эстрад, для чего применяется профессиональное оборудование.

Экономичность газоразрядных ламп позволяет сократить затраты на осветительную аппаратуру и комплектующие к ней.