История электротехники - Коллектив авторов

8.56. Космические аппараты оперативного метеорологического и природно-ресурсного назначения. Проблемы. Технические решения. Международная интеграция/ В.И. Адасько, А.Г. Иосифьян, Ю.В. Трифонов, Н.Н. Шереметьевский // Электротехника. 1991. №9. С. 32–38.

8.57. Stoma S.A., Trifonov Y.V. Geostationary Space System «Electro» (GOMS): Preconditions for Creation and Structure // Space Bulletin. 1995. Vol. 2. №3. P. 2–4.

Глава 9.

СВЕТОТЕХНИКА

9.1. ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время понятие «светотехника» включает в себя целый ряд разделов науки и техники, к которым относятся:

генерация излучения в оптическом диапазоне спектра — источники излучения;

физические процессы при распространении излучения в различных средах;

возникновение зрительного ощущения при попадании излучения в глаз человека;

взаимодействие излучения с различными средами и использование его в различных тепловых, химических, энергетических, медицинских и других установках;

фотометрия;

конструирование световых приборов различного назначения, т.е. создание приборов для перераспределения энергии излучения в пространстве;

светотехнические установки для внутреннего, наружного, архитектурного и специального освещения.

Такие разделы светотехники, как источники излучения, световые приборы и светотехнические установки имеют прямое отношение к электротехнике. Сегодня в мире на освещение тратится до 20% всей вырабатываемой электроэнергии (в России 14%). Поэтому сочетание вопросов светового дизайна и экономии электроэнергии на освещение весьма актуально.

В настоящей главе представлена история развития источников излучения, световых приборов, светотехнических установок и светотехнического образования.

9.2. ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

Развитие и совершенствование источников излучения (ИИ) определялось определенными целями, а именно:

повышением энергетической эффективности (светоотдачи, равной отношению светового потока, измеряемого в люменах, к затраченной энергетической мощности);

увеличением срока службы (времени, за которое начальный световой поток уменьшается на 30%);

улучшением цветовых характеристик излучения (цветовой температуры, индекса цветопередачи и т.д.);

выделением специальных спектров излучения для медицины, растениеводства, животноводства и т.д.;

конструированием ламп специального назначения для фотографии, областей тонкой технологии, проектирования и др.

Светоотдача в каждой стране является одним из показателей уровня научно-технического развития. Обеспечение необходимой освещенности при меньших затратах электроэнергии сказывается весьма заметно на экономике страны.

Первые электрические лампы накаливания А.Н. Лодыгина, усовершенствованные и выпускаемые серийно в Америке Т. Эдисоном (1879 г.) имели светоотдачу 2–3,5 лм/Вт.

Стремление повысить светоотдачу ламп накаливания привело к появлению сначала ламп с металлизированной угольной (1890–1900 гг.), затем с осмиевой (1898 г.) и танталовой (1902 г.) нитями. В 1906–1909 гг. была разработана технология изготовления вольфрамовых проволок для изготовления электродов. В 1913 г. появилась газонаполненная лампа И. Ленгмюра с вольфрамовой нитью. С целью повышения светоотдачи и увеличения срока службы меняли конструкцию электродов, наполняли колбу газом, не вступающим во взаимодействие с материалом электрода, что уменьшало интенсивность испарения материала электрода и должно было привести к увеличению срока службы (главная причина выхода из строя ламп накаливания — перегорание электрода). Причем возможность увеличения рабочей температуры электрода за счет газового наполнения не только компенсировало потери теплоты через газ, но и увеличивало светоотдачу.

В 1936 г. появились газонаполненные лампы накаливания с биспиральным катодом — лампы с криптоном, а затем и с ксеноновым наполнением. В 50-е годы появились галогенные лампы накаливания. Особенностью этих ламп является то, что галогениды (соединения йода, брома, хлора, фтора) дают устойчивое соединение с вольфрамом лишь в определенном диапазоне температур, что позволяет возвращать испаренный вольфрам на электрод, тем самым увеличивая срок службы лампы и светоотдачу. Светоотдача в них достигала 30 лм/Вт, а срок службы 1000 ч.

Развитие разрядных ламп шло значительно медленнее. Лишь через 70 лет после открытия дуги В.В. Петровым был создан первый источник света дугового разряда П.Н. Яблочковым, представляющий собой открытую угольную дугу. Угольные дуги, имеющие заметно большую, чем лампы накаливания, светоотдачу (70–90 лм/Вт) нашли применение в прожекторных и проекционных установках.

Изобретение в 1901 г. ртутной разрядной лампы низкого давления по существу определило возможность получения серьезных результатов в технике освещения, однако на пути были серьезные препятствия, связанные с тем, что наибольшая доля мощности излучения в ртутном разряде приходится на ультрафиолетовую область. Поэтому главным препятствием в ртутных разрядных ИИ было преобразование излучения из ультрафиолетовой области в видимую. Эту задачу решил С.И. Вавилов с учениками [9.2], который в 1927 г. открыл закон, связывающий квантовый выход люминесценции с длиной волны возбуждающего излучения [9.3]. Под его руководством учениками (В.В. Левшиным, В.А. Фабрикантом, М.А. Константиновым-Шлезингером, Ф.А. Бутаевым, В.И. Долгополовым) были установлены основные процессы люминесценции, созданы люминофоры и люминофорные смеси. В 1941 г. появились первые люминесцентные лампы серийного изготовления. Люминесцентные лампы, используемые в настоящее время имеют световую отдачу 60–100 лм/Вт.

В настоящее время существует большое количество ртутных ламп, имеющих различное целевое назначение. В зависимости от давления наполняющего газа различают ртутные лампы низкого давления (p = 0,0013 ÷ 0,13 кПа), высокого давления (p = 0,03 ÷ 0,3 МПа), сверхвысокого давления (p > 0,3 МПа).

Ртутные лампы низкого давления являются весьма эффективными с точки зрения ультрафиолетового излучения с длинами волн 185 и 254 нм. На эти волны при низких давлениях приходится до 80% излучаемой разрядом мощности. Эти спектральные волны могут быть перемещены либо в эритемную, либо в видимую область излучения с помощью люминофора, наносимого на внутреннюю поверхность колбы лампы. Существуют различные типы люминесцентных ламп (ЛЛ):

с самокалящимися электродами, в которых зажигание разряда происходит при предварительном накале катодов;

высоковольтные мгновенного зажигания с самокалящимися электродами без предварительного накала;

высоковольтные тлеющего разряда с холодными электродами;

компактные (КЛЛ), которые можно прямо вкручивать в патрон вместо ламп накаливания;

высокочастотные КЛЛ (ВЧКЛЛ);

безэлектродные КЛЛ.

На рис 9.1 показаны некоторые типы люминесцентных ламп.

КЛЛ имеют по сравнению с обычными лампами накаливания в 10 раз больший срок службы и потребляют при равных световых потоках в 5 раз меньше электроэнергии [9.4]. В настоящее время они используются с электромагнитными или электронными аппаратами. Большими преимуществами, по сравнению с КЛЛ обладают ВЧКЛЛ. Эти преимущества связаны с увеличением светоотдачи с ростом частоты питания и уменьшением вредного влияния частотных колебаний светового потока на глаз человека.

На срок службы ЛЛ заметное влияние оказывают электроды, во-первых, из-за распыления их материала, которое приводит к потеменению горелки и уменьшению светового потока, и, во-вторых, из-за увеличения при эксплуатации лампы работы выхода электронов, приводящей к увеличению напряжения зажигания и ускорению выхода лампы из строя. Поэтому проводились работы по созданию безэлектродных КЛЛ [9.5, 9.6], в которых поддержание разряда в парах ртути в смеси с инертными газами осуществляется электромагнитным полем, создаваемым генераторами вне горелки. Общий вид безэлектродной КЛЛ с соленоидальным индуктором показан на рис. 9.2. Разработано немало разновидностей конструкций безэлектродных ламп (кольцеобразной формы, с передачей электромагнитной энергии с помощью антенны и др.).

Безэлектродные ИИ бывают низкого и высокого давления. В.каждом диапазоне давления они делятся на ИИ повышенной частоты (с рабочей частотой до 3 МГц), высокой частоты (с рабочими частотами от 3 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (с частотой, превышающей 300 МГц). С увеличением частоты возможности увеличения светоотдачи растут. Если при частотах меньше 3 МГц светоотдача не превышает 52 лм/Вт, то при частотах больше 300 МГц светоотдача уже превышает 100 лм/Вт.