РАЗРЯДНЫЕ ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Газоразрядные источники предназначены для получения оп­тического излучения в результате электрического разряда в газах, парах веществ или их смесях. Они обладают более высоким све­товым КПД, чем источники, основанные на тепловом излуче­нии.

Электрический разряд в газе. Возникновение электрического разряда между двумя электродами, к которым подведено напряже­ние в ограниченном объеме среды, заполненной инертным газом или небольшим количеством металла с высокой упругостью па­ров, определяется перемещением свободных электронов и ионов, всегда присутствующих в газе. В результате этого воз­действия происходит перемещение ионов к катоду, а электро­нов — к аноду, то есть протекает электрический ток.

Процесс прохождения электрического тока в газообразной сре­де существенно отличается от протекания тока в металлах и элект­ролитах. Электрический пробой газа или пара и протекание в ре­зультате этого тока отличается от соответствующего явления и в диэлектриках. Если в последних электрический пробой приводит к их разрушению и превращению полностью или частично в про­водник или полупроводник, то газ или пар восстанавливает свои свойства при снятии электрического поля, если в результате про­боя не произошла химическая реакция. Характер и механизм электрического разряда в газах и парах металлов зависят главным образом от свойств среды, приложенного напряжения и плотнос­ти тока.

Возникновение световых излучений происходит за счет энер­гии столкновения электронов с атомами при движении их к аноду. В зависимости от кинетической энергии движущегося электрона в момент соударения с атомом различают три вида столкновений: упругий удар, возбуждение атома и ионизация.

При упругом ударе, когда скорость электрона невелика, возрас­тает скорость атома, вследствие чего повышается температура газа и паров металла, в атмосфере которых происходит процесс

При достаточно большой энергии электрона его столкновение с атомом может привести к возбуждению или ионизации атома. Возбужденное состояние атома характеризуется более высоким уровнем энергии, сообщенным ему при соударении с электроном. При возврате атома на базисный уровень происходит излучение. Энергетические уровни атома, при возвращении с которых на базисный возникает излучение, называют резонансными, а само излучение — резонансным излучением. Его наблюдают в газораз­рядных лампах низкого давления, в которых основной причиной возникновения излучения служит соударение быстрых электро­нов с атомами наполняющего лампу газа. Излучение газоразряд­ных ламп при низком давлении газа и небольшой плотности тока будет линейчатым, содержащим в основном резонансные линии газа.

Увеличение давления газа и плотности тока создает условия, обеспечивающие процессы ступенчатого возбуждения и иониза­ции, возникающие при соударении электронов с уже возбужден­ными атомами и сопровождающиеся переходом возбужденного атома на еще более высокие уровни. При таких условиях переход атома в нейтральное состояние может происходить также ступеня­ми, энергия фотона уменьшается и соответственно увеличивается длина волны излучения. Это сопровождается расширением линии излучения, увеличением его интенсивности и появлением сплош­ного фона излучения.

Повышение давления молекулярного газа и плотности тока приводит к увеличению интенсивности длинноволнового излуче­ния.

Скорость перемещения электронов и ионов увеличивается при повышении напряжения, подводимого к электродам, в результате чего электроны получают достаточную кинетическую энергию для ионизации встречающихся на их пути атомов газа. Как следствие ионизации, возникающей при столкновении электронов с атома­ми газа, появляются новые электроны и ионы, процесс нарастает, и электрический ток увеличивается. Из-за значительно меньшей скорости перемещения ионов они группируются около катода, образуя положительный заряд; электроны, имеющие большую скорость, переносятся к аноду. В результате электрическое поле, а следовательно, и потенциал вдоль разряда распределяются нерав­номерно, при этом максимальный градиент потенциала у катода и наименьший у анода.

Под действием электрического поля ионы, находящиеся вбли­зи катода, получают значительное ускорение и ударом о катод освобождают электроны с его поверхности, в результате чего последние становятся источниками новой ионизации.

Таким образом устанавливается процесс, сопровождающийся свечением, а разряд, обеспечивающий этот процесс, называют тлеющим разрядом. Напряжение, подводимое к лампе для зажигания электрического разряда, принято называть напряжением зажигания. Его значение зави­сит от материала и свойств ка­тода, газа, наполняющего лам­пу, и его давления, диаметра колбы и расстояния между электродами. Снижение напря­жения зажигания может быть получено за счет уменьшения работы выхода электронов, что достигается нанесением на по­верхность катода пленки ще-лочно-земельных металлов, а также предварительной иониза­цией газа.

На рисунке 1.17 показано строение тлеющего разряда и распре­деление яркости вдоль трубки. Непосредственно у анода /возни­кает положительное свечение, занимающее значительную часть трубки. У катода 2 расположена небольшая область катодного све­чения 7, непосредственно к катоду примыкает темный участок — круксово пространство 3, за которым начинается отрицательное свечение 4, за ним следует темный участок — фарадеево простран­ство 5, а между фарадеевым пространством и анодом расположена область положительного свечения 6, представляющая собой ос­новной источник световых излучений тлеющего разряда.

Тлеющий разряд характеризуется малыми плотностями тока на катоде (10^-5... 10^-1 А/см²) и низким давлением газа или паров, на­полняющих лампу (тысячи паскалей). Падение потенциала у ка­тода находится в пределах от 100 до 300 В.

 

 

При дальнейшем увеличении тока процесс бомбардировки ка­тода усиливается, происходит его нагрев и возникает термоэлект­ронная эмиссия, при которой ка­тодное падение напряжения резко уменьшается и возникает дуговой разряд, характеризуемый малым катодным падением по­тенциала (около 10 В).

Вольт-амперная характеристика, оп­ределяемая зависимостью на­пряжения на лампе от тока в ее цепи, показана на рисунке 1.18. Согласно рисунку при переходе от темного разряда (соответ­ствующего напряжению зажи­гания разряда) к тлеющему (то есть к увеличению тока) наблюдается некоторое снижение напряжения на лампе и устанавлива­ется самостоятельный тлеющий разряд. Дальнейшее увеличение тока вначале приводит к увеличению напряжения на лампе, а по­том — к резкому падению его, соответствующему возникновению дугового разряда. Дуговой разряд низкого давления в газах и парах металлов характеризуется равномерным свечением по всей длине лампы.

При повышении давления газа растет число соударений, а сле­довательно, и температура газа, заполняющего лампу. Из-за боль­шого перепада температуры от оси разряда к стенкам трубки лам­пы разряд стягивается в яркий светящийся шнур. Высокая яркость разряда при сравнительно низких напряжениях на лампе позволя­ет создать экономичный источник света. Нестабильность процес­са ионизации, имеющая постоянную тенденцию к увеличению, приводит к повышению проводимости среды внутри лампы, а сле­довательно, и возрастанию тока при постоянном напряжении, вследствие чего режим горения лампы становится неустойчивым. Для стабилизации тока в газоразрядных источниках света приме­няют специальные стабилизирующие устройства — индуктивные сопротивления — дроссели, включаемые последовательно с газо­разрядной лампой.

Рабочая характеристика разрядных ламп — это дуговой разряд.

При достижении на разрядном промежутке напряжения, рав­ного напряжению зажигания U₃ дугового разряда, процесс образо­вания заряженных частиц в межэлектродном пространстве разви­вается лавинообразно (падающая вольт-амперная характеристика U_л, рис. 1.20) за период времени 10-⁵...10-⁷ и приводит к возник­новению свечения. Это явление называют зажиганием самостоя­тельного разряда.

Напряжение зажигания U₃ — наименьшее значение напряже­ния, при котором возникает самостоятельный разряд. Оно зависит от рода газа, его давления, эмиссионных свойств электродов и расстояния между ними. Существенную роль в зажигании разряда могут играть внешние факторы, вызывающие первичную иониза­цию газа. Напряжение зажигания самостоятельного дугового раз­ряда значительно выше напряжения, требующегося для поддержа­ния разряда в установившемся режиме, когда межэлектродный промежуток ионизирован и катод, разогретый за счет кинетичес­кой энергии падающих на него заряженных частиц, обеспечивает достаточный уровень эмиссии электронов.

Напряжение зажигания, как правило, превышает и эффектив­ное напряжение сети, к которой подключен газоразрядный источ­ник. Вместе с тем весьма желательна возможность зажигания ду­гового разряда при напряжении, не превышающем U_с. Этого мож­но добиться различными способами. Например, можно увеличи­вать первичную ионизацию газа, вводя в газоразрядный промежуток дополнительные электроды, при помощи которых создается высокая напряженность электрического поля вблизи като­да, способствующая возникновению и развитию разряда. Приме­няют и другие способы снижения напряжения зажигания: покры­тие электродов активизирующим слоем, повышающим их эмисси­онные свойства; предварительный нагрев электродов, уменьшаю­щий работу выхода электронов с катода; расположение на поверхности лампы проводящей полосы, изменяющей распреде­ление электрического поля в межэлектродном промежутке и т. п.

Условия стабилизации дугового разряда при питании лампы от сети постоянного тока. Падающая вольт-амперная характеристика дугового разряда делает его неустойчивым. Поэтому электричес­кая схема включения газоразрядного источника излучения (рис. 1.19) должна содержать элемент, который стабилизировал бы разряд и ограничивал бы ток заданным значением.

Устойчивый режим работы дугового разряда будет обеспечен при следующих условиях:

 

Uс = Uл + Uб, (1.31)

Rб+ Rл> 0, (1.32)

гдеU_с — напряжение сети, В; Uл, Uб— напряжение на лампе, на балласте, В; Rб, Rл — сопротивление балласта, лампы, Ом.

Сопротивление лампы — величина переменная и отрица­тельная.

В любой момент времени

Rл = -dUл/dIл, (1.33)

где Uл — напряжение на лампе, В; Iл — сила тока на лампе, А.

На рисунке 1.20 балластное сопротивление с вольт-амперной характеристикой С/_б1 (Г) обеспечивает суммарную вольт-амперную характеристику схемы 1/_ъ (Г), которая пересекает линию сетевого напряжения 1/_с в точках 1 и 2.

В точках этой характеристики 1 и 2 напряжение сети и схемы окажутся одинаковыми. На падающей части характеристики ток самопроизвольно растет, и работа схемы в точке 1 невозможна. Устойчива работа схемы в точке 2. Возрастание тока в схеме воз­можно только с увеличением напряжения U_С. Для газового разряда напряжение зажигания U₃ всегда выше напряжения питания схе­мы U_С. Напряжение на балласте Uб обычно больше, чем напряже­ние на лампеU_л . Классификация разрядных ламп. Разрядные лампы классифици­руют:

по давлению в рабочем состоянии — низкого давления (0, 3... 0, 4 кПа), высокого давления (0, 03...0, 8 МПа) и сверхвысокого дав­ления (> 0, 8 МПа);

по наполнителю (атмосфере разряда) — ртутные, натриевые, кадмиевые, ксеноновые и ртутные с галогенными добавками;

по форме колбы— трубчатые, шаровые, кольцевые, 11-образ-ные и т. п;

по назначению — осветительные, эритемные (витальные), бак­терицидные, фитолампы для растений и т. п.;

по числу электродов или фаз —двух-, трех-, четырехэлектродные, одно- и трехфазные.

Влияние вида балластного сопротивления на работу газоразряд­ных ламп. При питании газоразрядных ламп от сети переменного тока сохраняют свое значение рассмотренные выше основные по­ложения стабилизации разряда, но возникает ряд дополнительных специфических обстоятельств [6].

В частности, взаимосвязь между показателями работы источни­ка излучения и параметрами балластного сопротивления стано­вится более многообразной и сложной.

Для обеспечения нормального срока службы лампы в цепях пе­ременного тока форма кривой мгновенных значений тока должна быть, возможно, более близкой к синусоиде. Степень искажения формы кривой тока зависит в основном от вида балластного со­противления. Ее оценивают значением коэффициента амплитуды:

(1.34)

 

Балластное устройство должно обеспечивать коэффициент ам­плитуды, не превосходящий 1, 7. При k_а> 1, 7 продолжительность работы люминесцентной лампы значительно сокращается.

Стабилизация разряда на переменном токе при помощи активного сопротивления, несмотря на простоту и дешевизну, имеет ряд прин­ципиальных недостатков, которые ограничивают ее использование специальными случаями. Некоторые из них рассмотрены далее.

На рисунке 1.21, а приведены кривые мгновенных значений напряжений и тока лампы при включении ее с активным балласт­ным сопротивлением в цепь переменного тока стандартной частоты.

 

 

 

А б в

Рис. 1.21. Осциллограммы мгновенных значений напряжений, тока и светового потока газоразрядной лампы:

а — при активном балластном сопротивлении; б— при индуктивном балластном сопротивле­нии; в — при емкостном балластном сопротивлении

Разряд в лампе возникает по достижении напряжением мгно­венного значения, равного U₃. В процессе разряда напряжение на лампе значительно снижается до значения Ur, требующегося для поддержания разряда, и остается неизменным до момента, когда мгновенное значение напряжения сети уменьшится до значения U_н. После этого разряд гаснет, ток в цепи прекращается. В следу­ющий полупериод процесс зажигания и погасания разряда повто­ряется. Как следует из рассматриваемого графика, перезажигание разряда в каждый полупериод сопровождается паузами тока: на­чальной φ _н и конечной φ _к. Общая пауза φ _н + φ _к может достигать ⅓ периода. Паузы разрядного тока значительно ухудшают показа­тели работы источника излучения и являются причиной возник­новения пульсаций потока излучения и стробоскопического эф­фекта. Кривая мгновенных значений тока утрачивает форму си­нусоиды (искажается). Если при этом увеличивается коэффици­ент амплитуды [см. формулу (1.34)], то срок службы электродов уменьшается вследствие ускоренного распыления оксидного слоя и потери эмиссионных свойств. Особенно значительный недо­статок— большой расход электрической энергии в активном балластном сопротивлении, резко снижающий энергетические показатели работы схемы.

Стабилизация разряда посредством индуктивного сопротивления имеет ряд преимуществ перед стабилизацией при помощи актив­ного сопротивления и ее широко применяют. На рисунке 1.21, б показаны кривые мгновенных значений тех же величин, что и на рисунке 1.21, а, но при индуктивном балластном сопротивлении. Благодаря сдвигу по фазе между напряжениями сети и на зажимах лампы значительно облегчается процесс перезажигания разряда в каждый полупериод, так как в момент перехода тока через нулевое значение к зажимам лампы оказывается приложенным значительное мгновенное напряжение сети.

Перезажигание разряда поэто­му происходит без заметной паузы. Форма кривой тока приближа­ется к синусоиде, и режим работы электродов облегчается. Потери мощности в индуктивном балластном сопротивлении обычно значительно ниже, чем в активном, и составляют от 10 до 35 % от мощности источника излучения. Наряду с отмеченными преиму­ществами индуктивного балластного сопротивления следует ука­зать и основные его недостатки: большой расход металла, низкий коэффициент мощности, высокую стоимость.

Стабилизацию разряда при помощи емкости применяют редко. Соответствующие этому случаю кривые показаны на рисунке 1.21, в. Кривая тока приобретает чрезвычайно искаженную форму. Срок службы электродов резко снижается. Большие паузы и всплески тока приводят к значительному снижению светотехни­ческих показателей работы лампы.

Весьма перспективно применение емкостного балластного со­противления при питании источника излучения от сети перемен­ного тока повышенной частоты.

Вернемся еще раз к рисунку 1.21, для того чтобы обратить вни­мание на следующее важное обстоятельство. При любом виде бал­ластного сопротивления сдвиг по фазе между напряжением на лампе и ее током практически отсутствует. Однако мощность лам­пы не будет равна произведению действующих значений напряже­ния на лампе и тока. Дело в том, что кривые мгновенных значе­ний этих величин существенно отличаются по форме одна от дру­гой и от синусоиды и, следовательно, для вычисления истинного значения мощности разряда в межэлектродном промежутке необ­ходимо разложить кривые тока и напряжения на гармонические составляющие. Истинная мощность будет равна сумме мощностей для полученных гармоник тока и напряжения. В практике пользу­ются понятием коэффициента мощности газоразрядной лампы, не связывая его с углом сдвига фаз. Тот же смысл имеет и употреб­ляемый термин «коэффициент искажения»

kа =P/(UI). (1.35)

Коэффициент мощности лампы зависит от значения и вида балластного сопротивления и, следовательно, непостоянен для данной лампы.

Обычно коэффициент мощности газоразрядных ламп состав­ляет 0, 7...0, 9, а коэффициент мощности комплекта газоразрядная лампа — балластное сопротивление — 0, 4...0, 9.

⇐ Предыдущая6789101112131415Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. II. Исторические источники современного кризиса и перспективы на будущее
2. Биологическое действие ИК излучения.
3. Бортовые источники электропитания ИПП-6, ИПП-10
4. Бюджетный дефицит и источники финансирования.
5. Виды, структура и источники доходов населения
6. Внеоборотные активы и источники их финансирования.
7. Водоисточники и водозаборные сооружения
8. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЖИВОТНЫХ И ПТИЦ
9. Воздействие излучения на человека
10. ВОЗДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ НА ЧЕЛОВЕКА
11. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА РАСТЕНИЯ
12. Воздействие оптического излучения на растения.