Файл: 1. Приемники электрической энергии Введение.pdf

33
Для ионизации газа и паров ртути требуется их предварительный подогрев, поэтому электроды изготовлены в виде спиралей из высокоомного провода. Для электрического пробоя газового промежутка нужен высоковольтный импульс. Этот импульс формируется в результате эффекта самоиндукции, возникающего в момент прерывания контактами стартера тока, протекающего через дроссель. Происходит это следующим образом.
Стартер представляет собой газоразрядную лампу малого размера, внутри которой параллельно электродам подключена пара биметаллических контактов. В холодном состоянии эти контакты разомкнуты, а при нагреве замыкаются. Так как эта лампа мала, то сетевого напряжения оказывается достаточно для возникновения в ней тлеющего разряда и протекания небольшого тока. Дроссель и спиральные электроды в этот период не оказывают заметного влияния, основная часть напряжения сети падает на стартере. Тлеющий разряд нагревает биметаллические контакты, и они замыкаются. Ток через электроды основной лампы и дроссель резко возрастает примерно до 0,5 А. Спирали начинают разогреваться. Через небольшое время контакты стартера остывают и снова размыкаются. В этот момент на дросселе возникает импульс ЭДС самоиндукции, запускающий процесс ионизации. Так как через лампу течет рабочий ток, значительно превышающий пусковой, то индуктивное сопротивление дросселя уже имеет существенное значение – на нем падает примерно половина напряжения.
Этим ограничивается рабочий ток лампы.
Показанные на схеме конденсаторы служат для оптимизации параметров режима пуска и защиты от радиопомех.
Рассмотренная выше типовая схема пуска люминесцентных ламп низкого давления сейчас считается устаревшей и ненадежной. Дроссель со временем начинает заметно гудеть, стартер часто ломается, световой поток пульсирует, что делает свет некомфортным для человека. Современные лампы имеют электронную пускорегулирующую аппаратуру и в

34 значительной степени лишены вышеупомянутых недостатков. Коэффициент мощности таких ламп близок к единице.
Благодаря реализации различных возможностей современной электроники, работа люминесцентных ламп стала настолько устойчивой и надежной, что позволяет придавать трубкам любую конфигурацию. При этом электронная схема вполне помещается в цоколе. Такие лампы известны как энергосберегающие. Их вид показан на рис. 28.
Рис. 28. Энергосберегающие лампы
Разрядные лампы высокого давления работают на тех же физических принципах, но значительно отличаются от рассмотренных выше. Они представлены лампами ДРЛ, ДРИ, ДНАТ, ксеноновыми и некоторыми другими.
Дуговые разрядные люминофорные лампы (ДРЛ) применяются в основном в уличных фонарях и производственных помещениях. Они обладают достаточно высокой энергоэффективностью, но дают синеватый свет, не вполне комфортный для человека. На рис. 29 показан внешний вид
ДРЛ.
Рис. 29. Внешний вид ламп ДРЛ

35
Непосредственным источником света является небольшая – всего несколько сантиметров длиной – трубка из кварцевого стекла, заполненная инертным газом под высоким давлением. Также в трубке присутствует ртуть.
В первых лампах такого типа было два электрода, а пробой газового промежутка осуществлялся специальным импульсным устройством. Позже с целью повышения надежности стали применять конструкцию трубки с четырьмя электродами, схема включения которой приведена на рис. 30.
Рис. 30. Схема включения ДРЛ
Два основных выполняют прежнюю функцию, а два дополнительных являются зажигающими. Они через токоограничительные резисторы соединены с основными электродами на противоположных концах трубки. В результате рядом с каждым основным электродом располагается дополнительный, и расстояние между ними достаточно мало, чтобы газ мог ионизироваться сетевым напряжением. При подаче питания сначала образуются ионизированные области по краям трубки, которые по мере прогрева увеличиваются и потом смыкаются. Лампа выходит на рабочий режим. Излучение, обусловленное преимущественно ртутью, имеет максимум в ультрафиолетовой области. Оно используется для воздействия на люминофор, который излучает в видимом спектре. Как и ранее рассмотренные газоразрядные лампы низкого давления, ДРЛ нуждается в ограничении рабочего тока. Поэтому в их схему питания входит дроссель.
220 В
Дроссель
Лампа
Токоограни- чительный резистор

36
Главным недостатком ламп ДРЛ является их синеватое излучение.
Также применение люминофора для получения видимого света связано с потерями. Дальнейшее развитие ртутных ламп привело к появлению их нового типа – дуговой ртутной лампы с излучающими добавками ДРИ, изображенной на рис. 31.
Рис. 31. Лампа ДРИ
Практически это означает, что в смесь инертных газов, кроме ртути, добавляются вещества, излучающие в нижней части видимого спектра. В результате суммарное излучение обладает нормальным для восприятия спектром. Кроме того, отпадает надобность в люминофоре, снижающем КПД лампы.
Лампы ДРИ благодаря улучшенному спектру излучения обеспечивают хорошую цветопередачу и имеют гораздо более широкое применение, чем
ДРЛ. Их используют на аэродромах, стадионах, при проведении различных массовых развлекательных мероприятий. Излучающие добавки позволяют получать цветное излучение, которое можно использовать для декоративной подсветки зданий или для более экономичного освещения теплиц.
В отличие от ДРЛ, лампы ДРИ не имеют зажигающих электродов и требуют для своего пуска специальное импульсное устройство. Дроссель для ограничения рабочего тока тоже нужен.
Дуговая натриевая лампа ДНАТ, изображенная на рис. 32, по конструкции во многом похожа на ДРЛ, но не содержит люминофора.
Цоколь
Геттер
Вакуум
Колба

37
Рисунок 133- Лампа ДНАТ
Рис. 32. Дуговая натриевая лампа ДНАТ
В ней имеется горелка в виде трубки с буферным газом, куда кроме ртути добавлен натрий. Этот металл дает оранжево-желтое излучение, которое по мере старения лампы становится более красным. При работе лампы выделяются газы, для нейтрализации которых применяется бариевый геттер.
Цветопередача ДНАТ заметно хуже, чем у других источников света, но зато у них самая высокая энергоэффективность и наибольший срок службы.
Поэтому их широко применяют в уличных фонарях, особенно для освещения автотрасс, а также для подсветки растений в теплицах.
Натрий своими парами способен разрушать стекло, из-за чего трубку горелки делают из специального боросиликатного стекла или оксида алюминия. Также для стабилизации температуры ионизированного газа колбу лампы вакуумируют.
Питание натриевых ламп имеет свои особенности. Для электрического пробоя газового промежутка используется специальный электронный блок – импульсное зажигающее устройство. Для ограничения рабочего тока, как и в других газоразрядных лампах, применяется дроссель. Параметры рабочего режима натриевых ламп имеют собственные специфические черты, поэтому применять дроссели и зажигающие устройства от других ламп нельзя.
К разрядным лампам сверхвысокого давления относятся ксеноновые.
Из всех инертных газов ксенон самый тяжелый и плотный. Находясь в колбе под давлением до 30 атмосфер, он образует яркую дугу даже без примеси
Изолирующая пробка
Электрод
Горелка
Спай горелки

38 паров ртути. Излучение ксенона имеет спектр, близкий к солнечному, что обеспечивает данному типу ламп практически идеальную цветопередачу.
Поэтому, несмотря на невысокую энергоэффективность и сравнительно небольшой срок службы, ксеноновые лампы нашли применение в кинопроекторах, в оборудовании телевизионных студий и на других объектах, требующих хорошего освещения. Они изготавливаются в различных вариантах, один из которых представлен на рис. 33.
Рис. 33. Ксеноновая лампа
Как и прочие газоразрядные лампы, ксеноновые нуждаются в запускающем импульсе, причем гораздо большего напряжения – в некоторых моделях до 50 кВ. Такой импульс формируется специальной электронной схемой. Эта схема также поддерживает рабочий ток в нужных пределах, потому что при прогреве лампы ее сопротивление падает.
Модные автомобильные ксеноновые фары, строго говоря, являются не ксеноновыми, а металлогалогенными, потому что в них ксенон создает первичную дугу, а основной световой поток обусловлен добавками в виде ртути, скандия и натрия. Однако в автомобилях применяются и галогенные лампы накаливания, поэтому название «ксеноновые» употребляется во избежание путаницы.
Самыми современными и перспективными источниками света считаются светодиоды. Их механизм излучения существенно отличается от других. Некоторые из p–n-переходов, изготовленных на основе арсенида галлия и фосфата индия, при прохождении тока в прямом направлении

39 начинают излучать свет в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Корпус таких устройств изготавливают из прозрачного пластика.
Излучение может иметь разный спектр, как видимый, так и инфракрасный или ультрафиолетовый.
Светодиоды очень экономичны – примерно в 10 раз превосходят в этом отношении лампы накаливания и в 2–3 раза – газоразрядные низкого давления. Кроме того, они превосходят все остальные аналоги по массогабаритным показателям и сроку службы – от 50 до 100 тысяч часов.
Применяются практически везде – от бытовых светильников до прожекторов, в том числе в автомобильных фарах. Маломощные светодиоды, которые часто называют индикаторными, вытеснили все другие виды сигнальных ламп.
Светодиоды являются низковольтными световыми приборами, что дает им много преимуществ. Вместе с тем, нужно отметить, что напряжение на них не стабильно и сильно зависит от температуры. При выборе схемы питания нормируют не напряжение, а ток. Промышленность выпускает большое количество специализированных устройств для питания светодиодов. Их называют драйверами.
К световым приборам, кроме источников света, можно отнести всевозможные устройства отображения информации, в частности индикаторы и экраны.
Индикаторы – это устройства для воспроизведения достаточно простой информации. Простейший индикатор – сигнальная лампа, подтверждающая факт включения какого-либо электроприбора. Такие индикаторы называются индивидуальными. В настоящее время в них практически везде вместо ламп используют светодиоды.
Мнемонические индикаторы высвечивают определенный знак в виде стрелки, фигурки и т. д.
Шкальные индикаторы объединяют группу одиночных индикаторов в виде полосы. Количество светящихся элементов пропорционально уровню

40 входного сигнала. Их можно встретить в музыкальной аппаратуре в качестве индикаторов громкости звука.
Цифровые индикаторы специально разработаны для воспроизведения цифр. Самыми распространенными из них являются семисегментные.
Немного сложнее буквенно-цифровые индикаторы, воспроизводящие кроме цифр еще буквы и, при необходимости, различные специальные символы. На рис. 34 изображен семисегментный индикатор.
Рис. 34. Семисегментный индикатор
В качестве источников света в индикаторах практически всегда применяются светодиоды.
Особую группу образуют блинкерные индикаторы. Они содержат электромеханические устройства, которые с помощью электрических сигналов показывают нужный символ. Их главное преимущество – потребность в электроэнергии только в процессе переключения.
Цифровые и буквенно-цифровые индикаторы, как правило, объединяют в табло, как это показано на рис. 35.

41
Рис. 35. Электронное табло
Наиболее сложным, информативным и дорогостоящим среди табло является бегущая строка. Она представляет собой матрицу из множества светодиодов, управляемых с помощью компьютерной программы.
Экраны телевизоров, мониторов и других подобных средств воспроизведения изображения еще 30 лет назад строились на основе кинескопов. Лишь совсем недавно кинескопные телевизоры были полностью вытеснены более современными, а в осциллографах и других приборах этот принцип работы применяется и поныне. Конструкция кинескопа поясняется
Рис. 36.
Рис. 36. Основные части кинескопа
В вакуумированном стеклянном баллоне в узкой части располагается электронная пушка, которая формирует поток электронов. В основе ее устройства – катод с косвенным подогревом и модулятор – электрод, управляющий интенсивностью этого потока.
Внутренняя поверхность конической части металлизирована, на нее подается анодное напряжение около 20 кВ. Под действием этого напряжения
Электронная пушка
Стеклянный баллон
Экран
Поток
Отклоняющая система

42 электроны устремляются вперед к экрану, покрытому изнутри люминофором. В кинескопе имеется отклоняющая система, с помощью которой луч можно перемещать по вертикали и горизонтали. В телевизорах применяется электромагнитная отклоняющая система, а в осциллографах – электростатическая.
Луч пробегает по экрану построчно, постепенно смещаясь по вертикали и формируя таким образом кадр. Перемещение луча по экрану обеспечивают схемы строчной и кадровой развертки, а модулятор при этом управляет яркостью свечения. В результате получается черно-белое изображение.
Цветные кинескопы содержат три электронные пушки, а экран имеет маску, обеспечивающую попадание электронов из пушки каждого из трех цветов на соответствующие точки цветного люминофора.
Главный недостаток кинескопов – их громоздкость и большая масса.
Некоторые цветные телевизоры советского периода весили более 60 кг. Их современные аналоги весят во много раз меньше и являются практически плоскими. В основе их построения лежит несколько конструктивных принципов.
Газоразрядный экран, который иначе называется плазменной панелью, содержит матрицу микроскопических ячеек, наполненных инертным газом с небольшим количеством ртути. Стеклянные пластины, между которыми находятся ячейки, имеют встроенные прозрачные электроды. При соответствующем питании в ячейках создается электрическое поле, вызывающее газовый разряд. Из-за присутствия ртути спектр излучения смещен в ультрафиолетовую сторону, но это излучение попадает на люминофор и создает видимый свет. Принципы получения цветного изображения схожи с рассмотренными выше.
Газоразрядные экраны создают контрастное изображение с хорошей цветопередачей и рассчитаны на длительный срок эксплуатации – до 30 лет.
Однако из-за довольно крупных ячеек высокое разрешение достигается