Разряд в газах и парах металлов
Инициатором тока в электрической цепи, содержащей газовый промежуток, являются электроны, которые должны переходить с поверхности катода в газ, а из газа – в анод. Выход электрона с поверхности твердого проводника требует затраты энергии на преодоление потенциального барьера, существующего на границе между электродом и газом. Эту энергию называется «работой выхода», уменьшение которой можно достичь следующими мерами:
1) подогреванием электродов (температурная эмиссия);
2) покрытием катода активирующим веществом, повышающим эмиссионные свойства катода;
3) напряженностью поля (автоэлектронная эмиссия).
Процесс прохождения электрического тока в газовой среде называют электрическим разрядом.
Плотность разрядного тока зависит от напряжения.
Различают три основные формы разряда:
- тихий разряд ( плотность тока j до 10 -6 А/см 2 );
- тлеющий разряд ( j = 10 -4 … 10 -2 А/см 2 );
Статическая вольтамперная характеристика газоразрядного промежутка имеет следующий вид (рис.2.2.1)
. Рабочим режимом источников излучения является дуговой разряд.
В столбе разряда низкого давления основными процессами передачи являются возбуждение и ионизация атомов. Возбужденные атомы, возвращаясь в состояние с меньшей энергией, испускают избыток энергии в виде фотонов, которые покидая разряд, уносят энергию с собой.
Атомы каждого элемента имеют совершенно определенные, присущие только им энергии возбужденных состояний, и поэтому испускают только лишь фотоны определенной частоты.
Интенсивность отдельных линий зависит от давления, тока, диаметра трубки и т.д., но всегда имеется определенная совокупность линий, присущих только данному элементу.
Таким образом, подбирая род газа или пара и условия разряда (давление, напряженность поля), мы можем получать различные спектры излучения с различным распределением интенсивности.
14.Стабилизация режима дугового разряда газоразрядных ламп
Все газоразрядные источники низкого, высокого и сверхвысокого давления работают а режиме дугового разряда. Его вольтамперная характеристика (ВАХ) имеет вид.
Падающая ВАХ дугового разряда делает его неустойчивым. Если дуговой разряд не ограничивать, то из-за большого тока электроды лампы разрушаются.
Для ограничения тока в цепь питания последовательно с лампой включают сопротивление, которое называют балластным сопротивлением (рис.2.2.4).
Рассмотрим условия стабилизации дугового разряда при питании лампы от сети постоянного тока (балластное сопротивление должно быть активным) (рис.2.2.5).
Разряд будет протекать устойчиво, если
Rб + > 0 ( 2.2.3)
где Rдиф tgb – дифференциальное сопротивление разряда (эта величина отрицательная).
Пусть кривая 1 – вольтамперная характеристика газового промежутка, а линия 2 – вольтамперная характеристика балластного сопротивления.
Линия 3 получается как Uc-Uб, тогда Uc-Uб должно равняться Uл. В точках А и В удовлетворяется первое из двух условий стабилизации разряда. Но лишь в точке В, для которой tgb < tga = Rб, удовлетворяются оба условия, т.е. устойчивый режим будет лишь в точке В. Это очевидно, т.к. возрастанию разрядного тока в точке А ничто не препятствует, т.е. при =IА+
имеем Uc > Uл+Iл Rб, что приводит к мгновенному (t = 10 -5 с) развитию разряда до состояния, характеризующего на графике точкой В. Дальнейшее увеличение разрядного тока невозможно, т.к. при получаем
Электрический разряд в газах и парах металлов, механизм возникновения ОИ при газовом разряде
Раздел 3. ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА (ВИДЕО)
Разрядной лампой называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.
Принцип действия разрядных ламп основан на электрическом разряде между двумя электродами, запаянными в прозрачную колбу. Форма колбы может быть различной формы: трубчатые, капиллярные, шаровые.
Классифицируются разрядные лампы по ряду признаков: по физическим, конструктивным, эксплуатационным, а также области применения.
Классификация по физическим признакам определяют свойства разрядных ламп, такие как спектр и цветность излучения, яркость, энергетический КПД.
Для разрядных ламп определяющим фактором являются состав газовой среды, давление компонентов газовой среды и ток. По составу газов или паров, в которых происходит разряд, они делятся на лампы с разрядом в газах; в парах металлов; в парах металлов и их соединений. По рабочему давлению разрядные лампы делятся на: лампы низкого давления – примерно от 0,1 до 10 4 Па; высокого давления – от 3×10 4 до 10 6 Па и сверхвысокого давления – больше 10 6 Па. По виду разряда – на лампы: дугового, тлеющего и импульсного разряда.
Область применения разрядных ламп определяется тем, что они имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с лампами накаливания.
Люминесцентные лампы (флуоресцентные) – это газоразрядные лампы низкого давления.
Люминесцентные лампы представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение ртутного разряда преобразуется люминофором в длинноволновое видимое излучение. Люминофорами называются твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждения.
По характеру разряда в люминесцентных лампах классифицируются на люминесцентные лампы дугового разряда с горячими катодами, лампы тлеющего разряда с холодными катодами и лампы вихревого разряда без электродов.
Люминесцентные лампы дугового разряда можно подразделить на осветительные люминесцентные лампы общего и специального назначения. Люминесцентные лампы общего назначения предназначены для освещения в различных областях применения.
Люминесцентная лампа низкого давления представляет собой цилиндрическую стеклянную колбу 2 (рис. 3.1), на концах которой в цоколях 1 смонтированы вольфрамовые спиральные электроды 6. На внутреннюю поверхность по всей ее длине нанесен тонкий слой твердого кристаллического порошкообразного вещества – люминофора 4. Люминофором является галофосфат кальция, дозированный марганцем и сурьмой. Изменяя пропорцию состава люминофора можно получить люминесцентные лампы с различной цветностью излучения светового потока.
Рис. 3.1. Внешний вид и разрез люминесцентной лампы:
1 – цоколь; 2 – колба; 3 – ртутные пары; 4 – слой люминофора;
5 – контактные штырьки цоколя; 6 – спиральный электрод
После откачки воздуха при изготовлении лампы внутрь колбы вводится капля ртути (20…30 мг), которая испаряется при работе лампы. Также вводится небольшое количество чистого газа – аргона, для уменьшения процесса испарения вольфрамовых электродов и ускорения зажигания лампы.
Длина и диаметр стеклянной трубки определяются мощностью лампы и напряжением, на которое она рассчитана и выпускаются с диаметром 40, 26 и 16 мм.
По форме различаются линейные, U-образные, кольцевые, а также компактные. Светоотдача люминесцентных ламп составляет примерно 40, 50, 60, 80 лм/Вт и более. Выпускаются люминесцентные лампы мощностью 20, 30, 40, 80 Вт с колбой диаметром 40 мм и улучшенной конструкции 18, 36, 58 Вт с колбой диаметром 26 мм.
Маркировка люминесцентных ламп состоит из букв, обозначающих конструктивные признаки и цифр указывающих мощность ламп.
Первая буква – тип лампы Л – люминесцентная, ТЛ – сигнальные, ЛЛ – тлеющего разряда, ГР – трубки для световой рекламы;
вторая буква – цвет излучения Б- белый, ТБ – тепло-белый, ХБ – холодно-белый, Д – дневной, Е – естественно-белый, УФ – ультрафиолетовый, К – красный, С – синий, З – зеленый, Г – голубой;
третья группа букв – одна или две буквы Ц – высокое или очень высокое качество цветопередачи;
четвертый элемент – одна буква – особенности конструкции лампы: Р – рефлекторная, У – U-образная, К – кольцевая, Б – быстрого пуска, А – амальгамная;
пятый элемент – группа цифр – мощность лампы в ваттах.
Люминесцентные лампы включаются в электрическую сеть с помощью пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), для зажигания и обеспечения нормального режима работы. Это усложняет конструкцию, а следовательно, стоимость осветительных приборов и некоторую сложность в эксплуатации, что безусловно является недостатками люминесцентных ламп. К недостаткам люминесцентных ламп можно отнести сложность утилизации из-за наличия в колбе ртути, ненадежная работа в температурных диапазонах до 15°С и выше 25°С, относительно низкая стабильность светового потока в течение срока службы.
Кроме указанных недостатков люминесцентные лампы обладают рядом достоинств, к которым следует отнести:
– линейный источник света, что позволяет создать более равномерное освещение и эстетическое оформление осветительной установки;
– высокая световая отдача до 100 лм/Вт;
– большой срок службы до 10000…12000 ч;
– низкая яркость и температура поверхности колбы;
– качественная цветопередача (у отдельных серий ламп);
– относительно невысокая себестоимость изготовления.
Для зажигания люминесцентной лампы и ее нормальной работы требуется электромагнитный пускорегулирующий аппарат (ЭмПРА) или электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА), в международной практике их принято называть, соответственно «Балластом» или «Электронным балластом».
Газовые разряды. Плазма
Электрическим разрядом в газах называется процесс перемещения электрических зарядов в пространстве, заполненном газом или парами металлов, протекающий под действием электрического поля.
Существуют следующие главные формы газового разряда: темный, тлеющий и дуговой. Кроме того, существуют также переходные формы разряда - искровой, коронный, а также особые формы разряда - безэлектродный и импульсный.
Для характеристики состояния вещества в условиях электрического разряда было введено понятие о газоразрядной плазме, а затем обобщенно на другие явления природы. Под плазмой понимают газ, состоящий из положительно и отрицательно заряженных частиц в таких пропорциях, что общий заряд равен нулю и обладающий хорошей электропроводностью и собственным свечением.
Говоря о плазме как о четвертом состоянии вещества, следует подчеркнуть величайший интерес к изучению ее свойств в настоящее время, определяемый следующими причинами:
1.Плазма является основным состоянием вещества в известной нам части вселенной, а не изредка встречающимся состоянием газа (99% массы всей солнечной системы).
2.Второй причиной является все растущее значение приборов, использующих плазму в уже сложившихся областях техники(радиоэлектроника, спектральный анализ, электросварка, плазмохимия и др.).
3.Третья причина — это совершенно необычные свойства плазмы, которые сулят возможность новых, неожиданных ее применений.
В известной нам части плазма тлеющего разряда используется в лампах дневного света, в газоразрядных трубках, заполненных гелием, неоном или другими газами, для декоративных и рекламных целей. Искровой разряд используется для предохранения электрических линий передач от перенапряжения (искровой
разрядник), а также для воспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания. На искровом разряде основана электроискровая обработка металлов (резание, сверление, доводка и т.д.).
Дуговой разряд используется для сварки металлов, выплавки специальных сталей (дуговая печь), освещения (дуговой фонарь, прожектор), в качестве источника ультрафиолетовых лучей (ртутные дуговые Лампы). В устройствах для получения стабильных струй плазмы (плазматронах) дуговой разряд используется с успехом как источник тепла для химико-металлургической и технологической обработки самых разнообразных материалов, что значительно повышает эффективность этих процессов.
С помощью плазматронов, например, в строительстве освоена технология изготовления фундаментов на месте объекта из любого грунта, а в промышленности получают ряд тугоплавких порошков, которые практически нельзя получить другими способами. Порошковая технология в металлургии получает широкое применение из-за возможности повышения прочности, особенно в области высоких температур, и коррозиусточивости. Например, напыление порошка на поверхность стальных деталей практически в 10 раз увеличивает их стойкость к коррозии. Огромный экономический эффект дает метод восстановления изношенных деталей. Нанося порошок на поверхность, восстанавливают детали. И здесь экономия огромна: не надо делать новые детали, тратя на это материалы, энергию, груд.
Широко используются и электронно-лучевые установки. На них можно производить следующие технологические процессы: локальный переплав, плавку, сварку (особенно в космосе, где условия подходящие), испарение материалов, размерную обработку, термообработку и другие.
В настоящее время все большее значение приобретают металлические монокристаллы высокой частоты из-за весьма полезных свойств в технике. Например, обычное железо хрупко при температуре - 40°С, а чистое железо пластично при температуре -196°С. Для получения металлического монокристалла применяются ряд методов. Один из самых распространенных - зонная плавка электронным лучом. Этот метод обеспечивает высокую степень чистоты металла и обработку деталей любой твердости.
Принципиально новые технологии позволяют создать выведенный в атмосферу концентрированный пучок электронов.
Выпускаемые промышленностью полностью автоматизированные установки обеспечивают электронные пучки с энергией 1,5 - 2,0 МэВ и мощностью сотни киловатт. Область их применения весьма широка от очистки воды, зерна, медицинских инструментов до металлургических процессов.
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/см 2 ) 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 Uл, 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 Uс. 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:
гдеUс — 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
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 UС. Для газового разряда напряжение зажигания U3 всегда выше напряжения питания схемы UС. Напряжение на балласте Uб обычно больше, чем напряжение на лампеUл. 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:
Балластное устройство должно обеспечивать коэффициент амплитуды, не превосходящий 1,7. При kа> 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 Uн. 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 φн и конечной φк. Общая пауза φн + φк 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.
Читайте также: