26 октября 2007, 15:08

История газоразрядных источников света

Так уж сложилась история, что в момент открытия электричества его возможные применения оставались за плотной завесой неизвестности. Небольшие искры, которые удавалось получить от первых накопителей электроэнергии - лейденских банок, не могли даже в шутку рассматриваться как источники света: настолько они были слабы и кратковременны.

Этот способ получения света не получил развития еще в течение многих лет. Видимо, это произошло потому, что электрический разряд отложился в опыте исследователей как кратковременное и нестабильное явление. Самые мощные природные искры - молнии - также вписались в это ошибочное правило.

Если пользоваться современной светотехнической терминологией, искры и молнии представляют собой газовые разряды в воздухе. Слово разряд («расход электроэнергии») возникло в противоположность слову заряд («накопление электроэнергии») и обозначает протекание электрического тока через газ или пар, сопровождающееся выделением неэлектрической энергии (тепла и света). Как ни странно, но несмотря на все практические сложности именно это явление послужило основой для первых электрических источников света – «электрических свечей», которые даже не являлись, строго говоря, лампами.

Но обо всем по порядку.

Развитие теплового освещения шло по стандартному пути, который хорошо прослеживается и для других принципов получения света: от бурного развития к попыткам редизайна и совершенствования, за которыми следует исчерпание возможностей данного принципа и начинается поиск других решений.

В момент расцвета газового освещения практически завершилось освоение нового источника энергии - электричества. В качестве одного из его применений выступило получение электрической дуги - по сути дела, увеличенной искры или, по научной терминологии, открытого разряда, дающего яркий свет.

Одна из разновидностей таких дуг носит хорошо знакомое нам название "свеча Яблочкова". Для получения открытого разряда необходимо на короткое время сомкнуть и затем развести на некоторое расстояние два угольных электрода, находящиеся под напряжением. Чем больше это расстояние, тем длиннее дуга, однако при превышении максимальной длины она погаснет.

Необычно яркий, с голубоватым оттенком, свет привлек внимание специалистов по освещению. Однако для коммерческой реализации "электрической свечи" нужно было решить важную проблему: при ее работе расстояние между электродами должно было сохраняться неизменным. С учетом того, что на открытом воздухе угольные электроды быстро выгорали, для выполнения этого условия требовалось оригинальное инженерное решение (вспомним проблемы, сопровождавшие изобретение восковой свечи).

Вначале для этой цели предложили сложный часовой механизм, который подавал горизонтально расположенные угли навстречу друг другу. Но он не нашел широкого применения из-за своей сложности, громоздкости и главное - ненадежности. Скорость выгорания углей могла стихийно увеличиваться, при этом расстояние между ними резко увеличивалось, и дуга гасла.

Коммерческое распространение нашла другая, более простая и весьма эффективная конструкция, в которой электроды располагались вертикально и параллельно друг другу. Для предотвращения возникновения разряда по всей их длине пространство между ними было заполнено свечным воском. Для зажигания разряда нужно было замкнуть кончики электродов специальной угольной перемычкой, а потом убрать ее. По мере выгорания электродов воск плавился, и разряд опускался ближе к их основанию.

Несмотря на все свои преимущества по сравнению с газовым пламенем, электрическая дуга в своем первоначальном виде оказалась тупиковой ветвью в развитии светотехники. Для нее были закрыты все основные направления развития и усовершенствования.

Она была небезопасным источником света, так как для ее зажигания нужно было фактически устроить кратковременное короткое замыкание. Она требовала индивидуального ручного зажигания каждого светильника.

Ее срок службы был невысок, а характеристики практически неуправляемы - в отличие от той же газовой горелки, где была возможность прибавить или убавить пламя. А о придании ей компактности и мобильности говорить вообще не приходилось - дуга работала исключительно от стационарного источника напряжения.

Новаторская для середины XIX века идея электрического разряда в воздухе быстро исчерпала себя. Оказалось, что этот источник света не поддается усовершенствованию. Для дуги требовались строго угольные электроды с ограниченным набором возможных примесей. Разряд происходил в открытом воздухе, при определенном напряжении на сантиметр длины между электродами. Одни из самых важных параметров любой лампы - цвет (5000 К) и световая отдача (2:4 лм/Вт) разряда - практически не поддавались изменению.

Экономическая целесообразность электрической дуги балансировала на одном уровне с газовым освещением. Поэтому взгляд разработчиков вновь обратился к уже известному тепловому принципу получения света. Но в качестве источника тепла было решено использовать электричество.

Здесь мы впервые наблюдаем характерное для всей человеческой истории развитие "по спирали". Электрическая дуга явилась фактическим повтором идеи обычной восковой свечи, но на более высоком техническом уровне. И дальнейшее развитие источников света пойдет по пути повторения пройденного.

В 1870-х годах начались разработки, приведшие к созданию прообразов нового теплового источника - современной лампы накаливания, которые в конце 1870-х годов практически одновременно были изобретены Лодыгиным в России и Эдисоном в Северной Америке. Появление практически применимых ламп накаливания открыло большое поле деятельности по их усовершенствованию, часть которого сохранилась и до начала XXI века.

Несмотря на победоносное шествие ламп накаливания, захвативших в первые же годы практически все осветительные применения, некоторые исследования продолжались и в отношении уже пройденного этапа - газового разряда. Была сделана попытка выяснить, насколько в действительности он является неизменным в своих свойствах.

Оказалось, что неизменность световых характеристик разряда - миф, рассыпающийся в тот момент, когда речь идет о газе, в котором происходит разряд. И цвет, и световая отдача разряда зависят от того, в каком газе и при каком давлении происходит разряд. Так появились первые разрядные лампы - прообразы знакомых нам неоновых и аргоновых трубок. Любопытно, что одним из первых «полигонов» для испытания разрядных ламп стало здание католического храма.

Первые разрядные лампы были сопоставимы по эффективности с лампами накаливания (световая отдача 6-10 лм/Вт). Если неэффективность получения света в последних была связана со значительным выделением тепла (96% от потребляемой электроэнергии, то в газовом разряде основная доля энергии излучалась в ультрафиолетовой области спектра.

На первых порах попытки отыскать газ или пар, дающий максимум светового излучения, не увенчались успехом. Всерьез о разрядных лампах как об экономичном источнике света заговорили лишь в 1930-40 х годах, с изобретением люминесцентных ламп и ртутных ламп высокого давления. С этого момента началось вытеснение ламп накаливания практически из всех областей их применения.

Хронологический список особо значимых событий в истории использования человеком газоразрядных источников света:

1860 г. - Появление первых ртутных разрядных трубок в Англии

1901 г. - Купер-Хьюит изобретает ртутную лампу низкого давления

1906 г. - Кух изобретает ртутную дуговую лампу высокого давления

1931 г. - Пирани изобретает натриевую лампу низкого давления

1946 г. - Шульц предлагает ксеноновую лампу

1946 г. – Изобретена ртутная лампа высокого давления с люминофором

1960 г. – Изобретены первые ртутные лампы высокого давления с йодистыми добавками (металогенные лампы)

1961 г. – Изобретены натриевые лампы высокого давления

В настоящее время развитие разрядных ламп практически достигло своей вершины. Несмотря на появление так называемой серной лампы, имеющей световую отдачу до 200 лм/Вт, она обладает всеми признаками тупиковой ветви развития - чрезмерно сложной конструкцией, низкой надежностью и ограниченной областью применения. Вполне вероятно, что в ближайшие годы место разрядных ламп начнут постепенно занимать новые, более эффективные источники света. Одними из таких возможных источников являются светодиоды, не относящиеся ни к тепловым, ни к разрядным лампам.

Использована информация из книг Фомина А.Г. «Энциклопедия света» и Рохлина Г.Н. «Разрядные источники света»

Оставить комментарий

23 октября 2007, 06:00

Насколько пожароопасны электрические лампочки?

Эта тема довольно обширна, поэтому, хочу сразу отметить, что в данной заметке рассмотрим вопрос пожароопасности ламп, применяемых в исключительно в быту.

Пожарная опасность патронов электрических ламп

В процессе эксплуатации патроны ламп изделия могут стать причиной пожара от короткого замыкания внутри патрона, от токов перегрузки, от большого переходного сопротивления в контактных частях.

От коротких замыканий могут в патронах ламп возможно замыкание между фазой и нулем. В этом случае причиной пожара является электрическая дуга, сопровождающая короткие замыкания, а также перегрев контактных деталей из-за термического воздействия токов короткого замыкания.

Перегрузки патронов по току возможны при подключении лампочек с мощностью, которая превышает номинальную для данного патрона. Обычно загорания при перегрузках связаны также с повышенным падением напряжения в контактах.

Рост падения напряжения в контактах усиливается при увеличении переходного сопротивления контактов и тока нагрузки. Чем больше падение напряжения в контактах, тем больше их нагрев и тем больше вероятность воспламенения пластмассы или проводов, присоединяемых к контактам.

В отдельных случаях, возможно также возгорание изоляции питающих проводов и шнуров, в результате износа токопроводящих жил и старения изоляции.

Все описанное здесь также относится и к другим электроустановочным изделиям (розеткам, выключателям). Особенно пожароопасны электроустановочные изделия имеющие некачественную сборку либо определенные конструктивные недостатки, например, отсутствие механизмов мгновенного расцепления контактов у дешевых выключателей и т. д.

Но вернемся к рассмотрению вопроса пожароопасности источников света.

Основной причиной возникновения пожаров от любых электрических ламп является загорание материалов и конструкций от теплового воздействия ламп в условиях ограниченного теплоотвода. Это может произойти из-за установки лампы непосредственно к сгораемым материалам и конструкциям, закрывания ламп сгораемыми материалами, а также из-за конструктивных недостатков светильников или неправильного положения светильника – без съема тепла, предусмотренного требованиями согласно технической документации на светильник.

Пожарная опасность ламп накаливания

В лампах накаливания электрическая энергия переходит в энергию световую и тепловую, причем тепловая составляет большую долю общей энергии, в связи с чем колбы ламп накаливания очень прилично нагреваются и оказывают значительные тепловые воздействия на окружающие лампу предметы и материалы.

Нагрев при горении лампы распределяется по ее поверхности неравномерно. Так, для газонаполненной лампы мощностью 200 Вт температура стенки колбы по ее высоте при вертикальной подвеске при проведении измерений составила: на цоколе – 82 оС, на середине высоты колбы – 165 оС, в нижней части колбы – 85 оС.

Наличие воздушного промежутка между лампой и каким-либо предметом значительно ослабляет его нагрев. Если температура колбы на ее конце равна для лампы накаливания мощностью 100 Вт – 80 оС, то температура на расстоянии 2 см. от конца колбы составила уже 35 оС, на расстоянии 10 см – 22 оС, а на расстоянии 20 см – 20 оС.

Если колба лампы накаливания соприкасается с телами, обладающими малой тепропроводностью (тканью, бумагой, деревом и др.), в зоне касания в результате ухудшения теплоотвода возможен сильный перегрев. Так, например, у меня 100-ватная лампочка накаливания, обернутая хлопчатобумажной тканью, через 1 минуту после включения в горизонтальном положении нагрелась до 79 оС, через две минуты – до 103 оС, а через 5 минут – до 340 оС, после чего начала тлеть (а это вполне может стать причиной пожара).

Измерения температуры проводились с помощью термопары.

Приведу еще несколько цифр, полученных в результате измерений. Может быть кому-нибудь они покажутся полезными.

Так температура на колбе лампы накаливания мощностью 40 Вт (одна из самых распространенных мощностей ламп в домашних светильниках) составляет через 10 минут после включения лампы 113 градусов, через 30 мин. – 147 оС.

Лампа мощностью 75 Вт через 15 минут нагрелась уже до 250 градусов. Правда в дальнейшем, температура на колбе лампы стабилизируется и практически не изменяется (через 30 минут она составляла примерно все те же 250 градусов).

Лампочка накаливания мощностью 25 Вт нагревается до 100 градусов.

Самые серьезные температуры зафиксированы на колбе фото лампы мощностью 275 Вт. Уже через 2 минуты после включения температура достигла значения 485 градусов, а через 12 минут – 550 градусов.

При использовании галогенных ламп (по принципу действия они являются близкими родственниками ламп накаливания) вопрос их пожароопасности стоит также, если не более остро.

Особенно важно учитывать способность выделять тепло в больших размерах галогенными лампами при необходимости использовании их на деревянных поверхностях, что кстати случается довольно часто. В этом случае, целесообразно использовать низковольтные галогенные лампы (12 В) малой мощности. Так, уже при галогенной лампочке мощностью 20 Вт конструкции сделанные из сосны начинают усыхать, а материалы из ДСП выделять формальдегид. Лампочки мощностью большей чем 20 Вт ещё горячее, что чревато самовозгоранием.

Особое внимание при этом нужно обратить при выборе конструкции светильников для галогенных ламп. Современные качественные светильники сами по себе неплохо изолируют от тепла окружающие светильник материалы. Главное что бы светильник мог беспрепятственно это тепло терять и конструкция светильника, в целом, не представляла из себя термос для тепла.

Если же затронуть общепринятое мнение, что галогенные лампы со специальными рефлектрорами (например, так называемые, дихроичные лампы) практически не выделяют тепла, так это явное заблуждение. Дихроичный рефлектор действует, как зеркало для видимого света, но не пропускает большую часть инфракрасного (теплового) излучения. Все тепло возвращается назад на лампу. Поэтому дихроичных лампы меньше нагревают освещаемый объект (холодный пучок света), но при этом, они нагревают намного больше сам светильник, чем обычные галогенные лампы и лампы накаливания.

Пожарная опасность люминесцентных ламп

Насчет современных люминесцентных ламп (например, Т5 и Т2) и всех люминесцентных ламп с электронными ПРА сведений об их больших тепловых воздействиях, пока у меня нет. Рассмотрим возможные причины появления больших температур на люминесцентных лампах со стандартными электромагнитными ПРА. Несмотря на то, что такие ПРА в Европе уже практически полностью под запретом, у нас они еще очень и очень распространены и до их полной замены на электронные ПРА пройдет еще довольно много времени.

С точки зрения физического процесса получения света люминесцентные лампы более значительную часть электроэнергии превращают в видимый световое излучение, нежели лампы накаливания. Однако при определенных условиях, связанных с неисправностями пускорегулирующей аппаратуры люминесцентных ламп («залипание» стартера и др.), возможен их сильный нагрев (в отдельных случаях нагрев ламп возможен до 190 – 200 градусов, а дросселей – до 120).

Такие температуры на лампах являются следствием оплавления электродов. Причем, если электроды сместятся ближе к стеклу лампы, нагрев может быть еще более значительным (температура плавления электродов, в зависимости от их материал, составляет 1450 – 3300 оС). Что же касается возможной температуры на дросселе (100 – 120 оС), то она тоже является опасной, так как температура размягчения для заливочной массы по нормам – 105 оС.

Определенную пожарную опасность представляют стартеры: внутри них находятся легкосгораемые материалы (бумажный конденсатор, картонные прокладки и др.).

Правила пожарной безопасности требуют, чтобы максимальный перегрев опорных поверхностей светильников не превышал 50 градусов.

В целом, затронутая сегодня тема очень интересна и довольно обширна, поэтому в будущем мы обязательно к ней еще будем возвращаться.

Очень бы хотелось услышать по поводу всего здесь сказанного Ваши комментарии!

Комментариев: 1

22 октября 2007, 07:59

Освещение витрины с помощью логического модуля LOGO

Семейство LOGO! - это комплекс аппаратуры и программных средств, ориентированный на разработку относительно простых устройств автоматического управления.

Модели LOGO! оснащены 8 дискретными входами и 4 дискретными выходами, через которые осуществляется подключение к органам управления, датчикам и исполнительным механизмам. Для увеличения количества обслуживаемых входов и выходов к логическому модулю LOGO! могут подключаться модули расширения. Объединение в единое устройство осуществляется через внутреннюю шину логического модуля.

LOGO! — логический модуль с 8 основными и 22 специальными функциями. Один логический модуль способен выполнять функции схемы, включающей до 56 таймеров, счетчиков, реле времени, промежуточных реле и т.д.

Встроенные функции модуля разбиты на 2 библиотеки:

Базовый набор всех основных логических функций (AND, OR, NOT, NAND, NOR, XOR), а также функций, позволяющих обрабатывать импульсные сигналы (положительный и отрицательный фронт).
Специальные функции: триггеры, счетчики, таймеры, элементы задержки включения и отключения, генераторы импульсов, часы и календарь, компараторы, функции вывода текстовых сообщений, защита паролем и т.д.

Во время работы LOGO! без остановки программы могут быть изменены временные параметры, пороговые и другие значения.

Практическое применение LOGO! становится экономически целесообразным при замене схемы, состоящей, например, из 2 многофункциональных реле или 1 таймера и 3 –4 промежуточных реле.

LOGO! экономит общие затраты на готовое изделие: быстро инсталлируется, исключает затраты на монтажную логику, просто программируется, сокращает избыточность конфигурации.

Для разработки проекта требуется на 80% меньше времени, чем при аппаратной реализации. Вместо дорогого и длительного монтажа осуществляется программирование модуля с клавиатуры. Можно также написать и протестировать программу на компьютере и перенести ее в LOGO!. Программа легко тиражируется, что сокращает время при серийном производстве.

Рекомендую также познакомиться с двумя заметками, позволяющие понять дальнейшее содержание этого поста. Прежде всего, это «Пример автоматизации освещения с помощью микроконтроллера LOGO!» - http://electrolibrary.info/blog/post_1192160897.html, Комфортный LOGO!Soft Comfort - http://electrolibrary.info/blog/post_1188989367.html

Вариант освещения витрины магазина с помощью релейно-контактных аппаратов - http://electrolibrary.info/blog/post_1188583228.html

Технические требования к схеме автоматизации освещения витрины магазина

С помощью микроконтроллера LOGO! должны автоматически освещаться товары, выставленные в витрине. При этом различают 4 группы источников света. Одна для освещения днем, одна для дополнительного освещения вечером, одна для минимального освещения ночью и одна для создания световых пятен, которые должны отдельно освещать размещенные предметы.

Решение с помощью LOGO!

Витрина должна освещаться с понедельника по пятницу с 8:00 до 22:00, в субботу с 8:00 до 24:00 и в воскресенье с 12:00 до 20:00. В течение этих интервалов через реле времени включается первая группа источников света (на рисунке: выход LOGO! Q1).

Кроме того, по вечерам подключается группа источников света 2, когда срабатывает сумеречное реле на входе LOGO! И.

Вне вышеназванных интервалов времени группа источников света 3 на Q3 берет на себя минимальное освещение после деблокировки сумеречного реле. Через сигнализатор перемещений в течение всего времени включаются или выключаются световые пятна (группа источников света 4 на Q4).

С помощью тестовой кнопки на I3 можно на 1 минуту включить все группы источников света, чтобы, например, проверить их функционирование или их поправить.

Рисунок. Схема устройства управления на основе функциональных блоков логического модуля LOGO!Basic.