История электротехники

Коллектив авторов

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.

^{Рис. 9.2. Общий вид (в разрезе) безэлектродной КЛЛ с солеиоидальным индуктором}

^{1 — цоколь Е-27; 2 — блок автогенератора; 3 — наполнение, ртуть и инертный газ; 4 — соленоидальный редуктор; 5 — люминофорный слой; 6 — цилиндрическая полость в колбе; 7 — стеклянная колба} 

Возможности широкого применения ИИ определяются кроме чисто светотехнических факторов также экономическими (стоимостью ИИ, генератора колебаний) и опасностью воздействия ВЧ-излучения на человека.

При решении многих научно-технических проблем требуется создание световых импульсов большой интенсивности. Это привело к созданию импульсных ИИ. Соотношения между параметрами (мощностью, яркостью, световым потоком) ИИ непрерывного действия и импульсных приведены в табл. 9.1 [9.7].

Кратковременные световые вспышки могут быть получены различными методами: при химической реакции (лампы с металлической фольгой, сгорающей в атмосфере кислорода или фтора), кратковременном возбуждении люминофора электронным пучком, кратковременном электрическом разряде в газе или в парах металла. Наибольшее распространение получили импульсные разрядные источники излучения.

Таблица 9.1. Сравнительная таблица наиболее мощных и ярких импульсных и непрерывного действия ИИ

Тип лампы	Наибольшая мощность, кВт	Наибольшая яркость, Мкд/м2	Наибольший световой поток, клм
Непрерывные ИС
Накаливания (прожекторные)	20	30	600
Трубчатые ксеноновые с водяным охлаждением	500	1000	22 000
Шаровые ксеноновые сверхвысокого давления	30	6000	1300
Открытые дуги высокой интенсивности	100	1400	4500
Импульсные ИС
Трубчатые ксеноновые кварцевые	200 000	10 000	10 000 000
Шаровые ксеноновые	10 000	100 000	200 000

В последние годы появилась информация о новых безэлектродных микроволновых серных лампах [9.8]. Анализ характеристик серной лампы и сравнение ее с другими, серийно выпускаемыми ИИ был сделан Г.Н. Рохлиным [9.9]. Схематически общий вид серной лампы показан на рис. 9.3. Светящее тело в виде шаровой кварцевой колбы имеет малые размеры (диаметр около 3 см). Колба наполнена инертным газом и определенным количеством серы. Исследования

показали, что разряд в шаровой колбе практически не взаимодействует со стенками и срок службы лампы определяется постепенным разрушением наружных стенок колбы за счет пылинок в охлаждаемой струе воздуха. В настоящее время срок службы лампы составляет несколько десятков тысяч часов, световая отдача — 130–150 лм/Вт, световая отдача с учетом потерь в генераторе микроволновой энергии — 90–100 лм/Вт. Спектр излучения серной лампы близок к солнечному. На рис. 9.4 показаны спектральное распределение энергии излучения серной лампы, солнечный спектр и кривая относительной спектральной чувствительности глаза. Из сопоставления кривых можно сделать вывод об очень хорошей эффективности серной лампы для человеческого глаза. Изменяя состав наполнения колбы, можно получать хорошие спектры излучения в различных участках оптического диапазона спектра (видимой, ультрафиолетовой, инфракрасной). Серные лампы выпускаются мощностью 6, 5 и 1 кВт. Ведутся разработки серных ламп на меньшие мощности. Очевидно, что серные лампы в будущем найдут широкое применение в технике излучения. В России разработкой серных ламп занимается лаборатория под руководством Э.Д. Шлиффера.

^{Рис. 9.3. Микроволновая серная безэлектродная лампа фирмы «Fusio Lighting»а — схема лампы;}

^{1 — шаровая колба; 2 — отражатель, 3, 3' — место подачи микроволновой энергии; 4 — блок вращения колбы; 5 — трубка для охлаждающего воздуха; б — общий вид светового прибора}

Твердотельные полупроводниковые излучатели света — светодиоды (СД) на основе карбида кремния были открыты в 20-х годах О.В. Лосевым. Эти работы были продолжены Ж.И. Алферовым [9.10], который исследовал СД на основе арсенидов галлия — алюминия. Работы С. Накамуры [9.11] позволили использовать многослойные гетероструктуры для создания голубых и зеленых СД.

На рис. 9.5 изображена типичная конструкция СД. Площадь кристалла СД имеет размер (0,25x0,25) : (0,5x0,5) мм. Фокусировка излучения в необходимом телесном угле обеспечивается линзой 5.

^{Рис. 9.4. Спектральное распределение энергии для микроволновой лампы}

^{1 — лампа; 2 — солнечный спектр; 3 — кривая относительной спектральной чувствительности глаза}

^{Рис. 9.5. Типичная конструкция СД}

^{1 — полупроводниковый кристалл; 2 — кристаллодержатель; 3 — выводы; 4 — контактные проволоки; 5 — пластмассовый колпачок (линза)}

Достижения науки за последние три десятилетия позволили получить красные, зеленые и голубые СД и наладить их промышленное производство. В настоящее время серийно выпускаются СД из трех материалов на одном кристаллодержателе, позволяющие получать разные цвета, в том числе и белый. Сила света у ряда СД превышает 10 кд. Срок службы 100 тыс. ч. Допустимые температуры эксплуатации от -40 до + 100 °С. Если учесть, что СД по светоотдаче уже превышают лампы накаливания, а на обслуживание требуют мало затрат, то можно прогнозировать им большое будущее в светотехнике. Сегодня СД начинают применяться в индикаторных устройствах, возможно создание полноцветных светодиодных табло, бегущих строк, рекламных панелей большой площади, плоских телевизионных экранов. Уже вводятся в эксплуатацию светофоры на СД.