Пляскин - Основы конструирования электрических источников света (1984)

Пляскин П. В. и др.

Основы конструирования электрических  источников света. 1983.

Приведены необходимые сведения об источниках света, данные о наиболее важных и широко применяемых конструкционных  материалах. Рассмотрены методология и этапы конструирования  источников света. Подробно проанализированы вопросы конструирования трех главных типов источников света, ламп накаливания, люминесцентных ламп и газоразрядных ламп высокого давления. Для учащихся техникумов по специальности 0632. Может быть полезен для инженерно-технических работников, запятых разработкой и производством источников света.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Производство электрических источников света в нашей стране представляет собой крупную,  быстро развивающуюся самостоятельную подотрасль промышленности. Она требует систематического пополнения квалифицированными кадрами  инженеров и техников. Особенно велика потребность в конструкторах, воплощающих идеи в законченные' конструкции различных источников света. Для подготовки техников-конструкторов по  источникам света в электротехнических техникумах в составе специальности № 0632  «Электроосветительные приборы и установки» предусмотрен  среди других предмет «Основы конструирования электрических источников света».

Предлагаемая книга написана в соответствии с учебной программой по этому предмету,  утвержденной Министерством электротехнической  промышленности в 1978 г., и является учебником для техникумов, в которых указанный предмет  изучается. В связи с наличием в книге большого  количества методических и справочных материалов она может быть полезной и инженерам,  занимающимся разработкой источников света, а также' другим инженерно-техническим работникам,  занятым в области светотехники.

Учитывая также, что читателями могут быть техники-конструкторы и инженеры-конструкторы, авторы особое внимание уделили в книге методам расчета ламп и их элементов, применяемым способам конструирования, выбору необходимых  конструкционных материалов, классификации и  параметрам источников света, изложению  зависимостей параметров ламп от принятых  конструктивных решений, а также методологии и порядку  проведения опытно-конструкторских работ с учетом специфических особенностей источников света. В Книге рассмотрены также некоторые вопросы,  касающиеся принципов работы источников света и характера протекающих в них физических  процессов, и отдельные элементы технологии. Но  сделано это весьма кратко, так как аналогичный  материал подробно изложен в учебниках, написанных по другим предметам специальности № 0632 «Электроосветительные приборы и установки».

Введение, разд. первый (гл. 1—4) и разд.  второй (гл. 5—10) написаны канд. техн. наук П. В. Пляскиным; разд. третий (гл. 11—15) — канд. техн. наук В. В. Федоровым; разд. четвертый (гл. 16—22)—Ю. А. Бухановым. При написании учебника использованы  широко известные светотехникам работы по  источникам света докторов наук А. П. Иванова, Г. И.  Рохлина, М. М. Гуторова, канд. техн. наук В. С.  Литвинова, В. М. Скобелева, 3. С. Вознесенской, Л. Г. Ульмишека.

Авторы выражают  благодарность кандидатам технических наук В. Г. Боосу, В. С. Литвинову и В. Ф. Шмонину, замечания и предложения которых были учтены при работе над книгой. Предлагаемый учебник — первый опыт  написания книги по основам конструирования источников света. Поэтому авторы с особой благодарностью примут все замечания и предложения,  направленные на улучшение книги. Предложения просим направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая набережная, д. 10, Энергоатомиздат.

ВВЕДЕНИЕ

Значение электрических источников света. Человек знакомится со светом с первых дней своей жизни и затем вес время им широко и свободно пользуется. Поэтому, очевидно, свет кажется явлением привычным и  обыденным, легко доступным и понятным. Однако это далеко не так. Человек давно понял, что Солнца, Луны и других  естественных источников света ему недостаточно. Он  вынужден был сам заняться созданием искусственных источников света, для чего природа дала ему все необходимое.  Нельзя сказать, что человек легко и быстро решил эту задачу. Решая ее, он использовал костер и лучину, факел и  каганец, свечу, масляную и керосиновую лампы, различные газовые светильники. На смену пламенным источникам света, представлявшим собой открыто горящие вещества, пришли разнообразные электрические источники света.

Сначала появились лампы накаливания с угольным, затем с вольфрамовым телом накала, а позже наряду с лампами накаливания широко распространились  высокоэффективные газоразрядные источники света. Путь развития искусственных источников света — это тяжелый и сложный путь творческих исканий людей. И он далеко не закончен. Учение о свете, путях создания и  использования его искусственных источников продолжает  оставаться, как и многие сотни лет назад, одной из  увлекательнейших областей науки и техники. И не только  увлекательнейших, но и совершенно необходимых для  дальнейшего улучшения условий труда и жизни людей, для  общественного прогресса [1, 3, 8].

На большую общественную и социальную значимость светотехники, а значит и искусственных источников света, как ее основы, не раз обращали внимание видные  общественные деятели и представители науки. В ноябре 1920 г. в выступлении на открытии электростанции в деревне  Кашино В. И. Ленин говорил: «Вы видите, ваша деревня Кашино пускает электричество. Это только одна деревня. Но нам важно, чтобы вся страна была залита светом».

Академик С. И. Вавилов в книге «О «теплом» и «холодном» свете» писал: «Свет фактически удлиняет  сознательное существование человека, и в этом прежде всего его великое значение». В архивах С. И. Вавилова имеется такая запись, указывающая па большую хозяйственную  значимость света: «Хороший свет так же нужен, как хорошая машина». Очень верно отметил член-корреспондент АН СССР Л. Д. Бахрах в статье «Тайна света»  («Социалистическая индустрия», 15. 02. 74) следующее: «Свет сейчас становится таким универсальным орудием, которое,  подобно электричеству и радиоволнам, способно обеспечивать технический прогресс в самых различных областях».

Следует заметить, что под источниками света здесь (как теперь и везде) подразумеваются источники,  излучающие энергию не только в видимой области спектра (от 380 до 770 пм), но также в ультрафиолетовой (от 10 до 380 пм) и инфракрасной (от 770 до 106 пм) областях, т. е. во всей оптической части спектра. Для краткости здесь и дальше будет применяться термин «источники  света», а иногда просто «лампы» вместо «искусственные  электрические источники оптического излучения».

Искусственные источники света проникли сейчас во все отрасли народного хозяйства, во все сферы жизни и  деятельности людей и используются там с большой  эффективностью. Доказано, что только за счет улучшения  освещения можно на 5—6 % увеличить производительность труда (а на предприятиях с напряженной зрительной работой — еще выше), повысить качество продукции, снизить брак, предотвратить несчастные случаи, снизить  утомляемость работающих, сохранить зрение. Источники света все более преобразуют промышленную технологию и все чаще выступают в роли орудия труда. Например, применение инфракрасных ламп типа ЗС-3 для сушки окрашенных кузовов автомобилей дало возможность сократить продолжительность сушки в 2 — 3 раза по  сравнению с сушкой нагретым воздухом. Применение  специальных источников света с заданным спектром излучения позволяет ускорить протекание ряда поверхностных и объемных технологических процессов (фотолитография, множительная техника, сушка лаковых и эмалевых  покрытий; получение сложных органических и кремнийорганических соединений; фармацевтическая, пищевая  промышленности; получение синтетических моющих средств и т. д.).

Общеизвестна высокая эффективность применения  источников оптического излучения в сельском хозяйстве. Так, при ультрафиолетовом облучении кур их яйценоскость увеличивается на 18 % с одновременным улучшением  некоторых показателей качества яиц. Облучение яиц  сельскохозяйственных птиц па инкубаторских станциях,  наиболее эффективное в зимнее время, приводит к повышению выводимости цыплят па 8%, утят—на 17%. Облучение свиноматок в зимний период повышает темпы роста  молодняка, привесы его увеличиваются до 20 %. Дополнительное искусственное облучение рассады овощей в  тепличных хозяйствах позволяет па 15 — 20 диен ускорить созревание овощей, на 25 — 30 % повысить урожай.  Себестоимость овощей за счет применения искусственного  облучения рассады снижается на 15 — 2О°/о- Стоимость облучательных установок окупается за один год.

Источники света оказывают влияние на все отрасли народного хозяйства (промышленность, сельское  хозяйство, транспорт и связь), на благоустройство и световое оформление городов, на быт людей, на науку, культуру, медицину и многие другие области человеческой  деятельности. Их постоянное совершенствование и умелое  использование активно содействуют повышению эффективности общественного производства, подъему качества продукции, улучшению условий жизни людей. А именно эти главные задачи и поставлены XXV съездом КПСС перед  советским народом.

Сейчас СССР имеет мощную индустрию  светотехнических изделий, основанную на прочной научной базе.  Годовой выпуск источников света исчисляется миллиардами (в 1980 г. выпущено около 2,3 млрд. шт. вместо 2859 тыс. шт. в 1913 г.), а световых приборов — десятками  миллионов штук (в 1980 г. произведено более 70 млн. шт. вместо нескольких десятков тысяч в 20-х годах). В больших  масштабах осуществляется выпуск высокоэффективных  газоразрядных источников света и осветительной арматуры для них, в результате чего доля светового потока от этих источников света в общем световом потоке, идущем на Цели освещения, достигла 66 %• Номенклатура источников света превысила 2000 наименований, ассортимент  световых приборов составляет несколько тысяч. Однако этого недостаточно. В материалах XXV съезда КПСС были сформулированы требования, обращенные  непосредственно к светотехникам:« ... быстрыми темпами развивать  производство ... экономичных источников света ,.., расширять производство ... разнообразных осветительных  приборов...». XXVI съезд КПСС потребовал «Обеспечить выпуск новых экономичных источников света с повышенными светоотдачей и сроком службы». И эти задачи будут,  несомненно, выполнены.

Краткий исторический обзор развития электрических источников света. В настоящее время главенствующее  положение в светотехнике занимают источники света,  основанные на использовании различных свойств  электричества. Известно, что при прохождении электрического тока через проводник последний нагревается; это свойство электричества легло в основу создания тепловых источников света — ламп накаливания. Если к двум электродам,  помещенным в пространство, заполненное инертным газом, подвести напряжение, то при определенных условиях между электродами возникнет электрический разряд,  сопровождающийся свечением. Это явление легло в основу создания разнообразных типов газоразрядных ламп.  Открытие люминофоров — веществ, способных преобразовать поглощаемую ими энергию в видимое излучение (люминесцировать), позволило создать, например, люминесцентные и электролюминесцентные источники света, в которых на люминофоры воздействуют соответственно энергии  ультрафиолетового излучения и электрического поля. Электрические источники света — детище XIX и  главным образом XX века. Наиболее быстрое развитие они получили в последние 50 — 60 лет. Назовем в  хронологическом порядке важнейшие события на пути  совершенствования электрических источников света, позволяющие  проследить развитие научной и конструкторской мысли.

В 1802 г. русский физик В. В. Петров открыл явление электрической дуги между угольными электродами и отмстил се световые свойства, подсказав тем самым  возможность использования этого явления для целей освещения. Вскоре после открытия в 1800 г, теплового действия электрического тока начались опыты по получению света путем накаливания проводников током. Многочисленные работы в этой области многие годы не давали  удовлетворительных результатов. Лишь в 1872 г. успех сопутствовал русскому изобретателю и конструктору А. Н. Лодыгину, который предложил источник света, в принципе схожий с современной лампой накаливания (рис. В.1,а). Он  заключил в стеклянный баллон угольный стерженек,  выпиленный из реторного1 угля, и пропустил через него ток. 

Уголек разогревался и ярко светился. Кислород внутри  баллона поглощался за счет сгорания части угля (вакуумной техники тогда не было). Оставшаяся часть угля'  относительно долго работала, излучая свет. Позже лампа была Усовершенствована В. Ф. Дидрихсопом (рис. В. 1,6), который разместил в баллоне несколько угольных  стерженьков, автоматически переключавшихся по мере перегорания. Уголь, полученный при сухой перегонке дерева. В 1876 г. русский изобретатель П. Н. Яблочков  использовал для получения света электрическую дугу. В лампе Яблочкова, которая вошла в историю под названием  «свеча Яблочкова» и представляла собой открытую угольную дугу, в качестве электродов были применены два угольных стержня, расположенных параллельно и разделенных  промежутком из смеси каолина с магнезией.

В 1879 г. американский изобретатель Т.-А. Эдисон  усовершенствовал лампу А. Н. Лодыгина, применив для тела накала угольный волосок, полученный обугливанием  длинных и тонких бамбуковых волокон, и откачав из баллона. Конструкция лампы оказалась  достаточно технологичной, что позволило организовать  промышленное производство ламп с угольной нитью (рис. В. 2,6). Лампы накаливания начинают широко внедряться в практику электрического освещения во многих странах, в том числе в России.

В 1890 г. А. Н. Лодыгин демонстрировал лампу с  телом накала в виде нити из тугоплавкого металла —  молибдена. Эта идея оказалась очень плодотворной. Для  изготовления тела накала пытались применять платину,  осмий, цирконий, тантал и, наконец, вольфрам, который вытеснил впоследствии все другие металлы. Первые  образцы ламп с применением вольфрама появились в 1903 г., в 1906 г. начался промышленный выпуск вакуумных ламп с прямой вольфрамовой тянутой нитью (рис. В.З).

В 1913 г. американский ученый И. Ленгмюр  предложил наполнять лампу накаливания нейтральным газом и применять спирализованное тело накала вместо  нитевидного. Эти меры позволили уменьшить температурное  распыление вольфрамовой проволоки и за счет этого  увеличить продолжительность горения (срок службы) лампы. И. Ленгмюру принадлежит теоретическая и практическая разработка спиральных вакуумных и газополных ламп (рис. В.4,а, б). В 1914 г. были изобретены газополные лампы накаливания с биспиральным (дважды спирализованным) телом накала. Но они долго не получали  практического применения из-за сильного провисания тела  накала. Только в 1935 г., после разработки технологии  изготовления формоустойчивого вольфрама, началось их массовое производство. С 1936 г. в качестве  газов-наполнителей лампы стали применять криптон (рис. В.4,е) и ксенон.

Практическое использование свечения электрического разряда в газе для целей освещения началось в 1893 г., когда американский инженер Ф. Мур предложил  конструкции светящихся трубок, наполненных разреженными газами (азот и углекислота). Этому событию предшествовали  исследования многих ученых в области создания источников тока, получения вакуума, изучения свойств и  разновидностей газового разряда. В 1910 г. для светящихся трубок стали  применять неон, аргон и другие газы, что позволило упростить их  конструкцию. Параллельно создавались  лампы и светящиеся трубки с парами металлов. Первой такой лампой, использующей свечение ртутных  паров, была ртутная лампа И. Репьева, предложенная в 1879 г.

В 1900—1901 гг. в эти лампы были введены конструктивные  усовершенствования, которые сделали их Удобными для практического  применения. В результате начатых в 1904 г. работ, связанных с  использованием для ртутных ламп  кварцевых колб, была создана  надежная конструкция ламп с  металлическими вводами (1912—1913 гг.) и твердыми оксидными  катодами A930—1932 гг.). Эти лампы были интенсивными источниками излучения в  ультрафиолетовой области спектра. На рис. В.5 приведены два типа газоразрядных ламп высокого и сверхвысокого  давления. Первая (типа ДРТ), в цилиндрической колбе,  является эффективным источником ультрафиолетового  излучения, а вторая (типа ДРШ), с короткой дугой в шаровой кварцевой колбе, наполненная ртутными парами, обладает высокой яркостью, в десятки и сотни раз превосходящей яркость ламп накаливания. В 1919г. появились и начали  'распространяться лампы с парами натрия низкого давления. В конце 30-х  годов начались исследования по  созданию интенсивных источников света с малой длительностью  свечения (импульсные лампы).  Однако, несмотря, на значительно более высокий, чем у ламп накаливания, КПД, указанные выше газоразрядные лампы не нашли широкого применения для общего освещения, так как они имеют линейчатый спектр излучения и сильно искажают цвет освещаемых предметов. В 1931 г. академик С. И. Вавилов предсказал  возможность применения в газоразрядных лампах люминофоров для преобразования ультрафиолетового излучения  ртутного разряда в видимое излучение с непрерывным  спектром. Эта идея была реализована в люминесцентных  лампах низкого давления (рис. В. 6,а), массовый выпуск  которых начался в СССР в 1938 г. Они стали первыми  газоразрядными источниками света, которые наряду с  лампами накаливания нашли массовое применение для  освещения. Этому способствовали высокая эффективность  люминесцентных ламп (в настоящее время световая отдача в 2 — 5 и срок службы в 5— 15 раз выше, чем у ламп  накаливания), а также технологичность конструкции,  позволившая организовать крупное высокомеханизированное производство [10]. Широкое распространение  люминесцентных ламп подняло освещение промышленных и  общественных зданий на принципиально новый качественный  уровень. На рис. В. 7 показаны некоторые типы  люминесцентных ламп (прямые, желобковые, кольцевые, U-образные, W-образные).

Начиная с 1951 г. начинают быстро распространяться дуговые ртутно-кварцевые лампы высокого давления с нанесенным на внутреннюю стенку внешней колбы люминофором — лампы ДРЛ (рис.В.6,6). Их световая отдача достигает сейчас 60 лм/Вт, а срок службы 12—15 тыс. ч. Производство этих ламп хорошо  механизировано. 1959 г. ознаменовался крупным событием,  открывшим новую страницу в развитии тепловых источников  света, были созданы галогенные лампы накаливания в  кварцевой колбе [20]. Введение галогенов (например, йода) в лампу обеспечивало при определенных условиях  обратный перенос испарившихся частиц вольфрама со стенок колбы на тело накала. При этом колба в процессе работы лампы остается прозрачной, световой поток — более  стабильным, что позволяет существенно уменьшить размеры лампы по сравнению с обычными лампами той же  мощности. Относительно малые размеры этих ламп и высокая прочность их кварцевых оболочек позволили повысить  давление наполняющей лампы среды до 4 — 5-Ю5 Па C000— 4000 мм рт. ст.) и тем самым существенно увеличить срок службы галогенных ламп (примерно в 2 раза) по  сравнению с обычными лампами накаливания. В СССР в  настоящее время создано и выпускается свыше 100 типоразмеров галогенных ламп накаливания, используемых для  инфракрасного нагрева, прожекторного освещения, кино-, теле- и фотосъемок, автотранспорта, оптических приборов и других целей (рис. В.8).

Изобретение галогенных ламп накаливания навело на мысль использовать циклы в парах простейших  химических соединений в газоразрядных лампах [3, 4]. Это  позволяет создать лампы, сочетающие высокую световую  отдачу и хорошую цветопередачу, присущие  люминесцентным лампам, с высокой мощностью излучения, которой  отличаются ртутные  лампы высокого давления. За последите 10--15 лет много сделано для практической  реализации этой идеи. Уже начали выпускаться так называемые металлогалогенные  дуговые лампы (типа ДРИ), т. е. ртутные лампы высокого  давления с введением йодидов натрия, таллия, индия и др. Световая отдача этих ламп достигает 80—90 лм/Вт, что в 1,5—2 раза больше, чем у  аналогичных ламп типа ДРЛ.

Важным достижением последнего времени является разработка и освоение производства натриевых ламп  высокого давления (рис. В.9). Создание таких ламп (типа ДНаТ), имеющих световую отдачу до ПО—120 лм/Вт, срок службы около 20 тыс. ч и удовлетворительную  цветопередачу, стало возможным в связи с созданием светопрозрачных трубок-колб из поликристаллической окиси алюминия. Такие колбы могут работать при более  высокой температуре, чем кварцевые, и хорошо противостоят воздействию разряда в парах щелочных и  щелочноземельных металлов [3, 5].

Развитие источников света, совершенствование  конструкций происходили на основе использования достижений фундаментальных наук, в тесной связи с развитием  других отраслей науки и техники. Важнейшими научными предпосылками явилось открытие теплового действия  электрического тока (1800 г.), открытие электрической дуги и возможности получения от нее света (1802 г.),  исследование и формулирование законов теплового излучения тел (вторая половина XIX в.), развитие теории светящегося электрического разряда в газе (работы английского  физика М. Фарадея, начатые в 1838 г.), развитие исследований в области техники освещения и облучения. К главным  техническим предпосылкам развития источников света можно отнести изобретение гальванического элемента,  электрификацию, создание вакуумной техники, получение  вольфрамовой проволоки, развитие техники обработки стекла,  получение кварцевого стекла, организацию промышленного получения азота, аргона, криптона и ксенона и снижение их стоимости и др.

Отметим основные пути и направления дальнейшего развития электрических источников света. Главная  проблема — повышение эффективности преобразования  электрической энергии в световую, увеличение световой отдачи источников света. В тепловых источниках света это может быть достигнуто за счет отыскания новых материалов для тела накала, совершенствования конструкции тел накала и оптимизации окружающих их сред, дальнейшего  исследования возвратных (регенеративных) циклов и  совершенствования на этой основе галогенных ламп  накаливания, развития работ по применению антистоксовых  люминофоров в лампах накаливания и др. (см. гл. 10).

Важными научно-техническими задачами в области  газоразрядных ламп являются улучшение цветности  натриевых ламп высокого давления; повышение срока службы ламп типа ДРИ; повышение стабильности светового  потока практически всех типов газоразрядных ламп и прежде всего люминесцентных ламп низкого давления; создание люминесцентных ламп с улучшенной цветопередачей и . в колбах специальной формы для жилых помещений; развитие люминесцентных ламп повышенной  интенсивности; создание безбалластных газоразрядных ламп; расширение ассортимента ламп типов ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и др.

Требование повышения эффективности преобразования электрической энергии в световую не является абсолютным. На него накладываются ограничений ё связи с  необходимостью обеспечить разумную долговечность  источников, необходимый спектральный состав излучения,  достаточно низкую стоимость ламп, удобство их эксплуатации в осветительных приборах и т. п. Поэтому оценка  эффективности источников света как преобразователей энергии должна осуществляться по критериям, учитывающим эти ограничения. В области создания таких критериев сделано уже немало [1].

Роль конструирования в совершенствовании  источников света. В решении задач совершенствования и  создания новых источников света важная роль принадлежит конструктору — специалисту, который создает  конструкцию источника света. Любая теоретическая идея получения света не будет иметь практического значения, пока не воплотится в конструкцию конкретной лампы. Сконструировать источник света — значит определить состав и расположение входящих в него деталей, узлов и других компонентов. При этом выбранная конструкция должна обеспечивать нормальное протекание физических и других процессов, заложенных в основу  функционирования данного источника света, и получение заданных  параметров лампы. Из этого следует, что прежде чем  приступить к конструированию лампы, нужно понять  теоретические принципы, на которых должен работать источник света, и выяснить основные требования к его параметрам. Эти вопросы излагаются в курсе «Источники света и пускорегулирующая аппаратура», знание которого  необходимо конструктору. Конструкция лампы тесно связана с конструкцией светильника. Конструкторы ламп и  светильников должны работать в тесном контакте с тем, чтобы совместно наилучшим образом решить ту или иную  осветительную задачу. В связи с этим конструктор ламп  должен изучить курс «Световые приборы и установки». При конструировании должны учитываться технология  производства и технологическое оборудование, которые  применены при изготовлении лампы. Без этого нельзя сделать технологичную конструкцию. Установленный порядок  проведения опытно-конструкторских работ (ОКР) по  светотехническим изделиям требует, чтобы каждая новая  конструкторская разработка источника света, а также и  светильника имела полную проработку в части технологии и оборудования. Из этого следует, что изучаемый в  техникумах курс «Технология производства источников света» имеет прямое отношение к работе по конструированию ламп. Следует указать также на важность изучения курса «Электротехнические и светотехнические материалы», знание которого облегчит конструктору выбор материалов при разработке ламп.

Чтобы принимать правильные решения при  конструировании источников света, необходимо знать историю  развития конструкторской мысли, тенденции и типовые решения, имеющиеся связи и зависимости параметров ламп от конструктивных решений, способы обеспечения высокой эффективности разработки и высокого качества, методы расчета и оптимизации конструкции и ее элементов, рациональную последовательность проведения  опытно-конструкторских работ, порядок оформления конструкторской документации. Оказать помощь во всем этом должен  настоящий учебник.