Коэффициент полезного действия и баланс мощности разрядных источников света освещения
Одним из наиболее важных параметров, характеризующих энергетические свойства источника, является его эффективность или, для источников освещения, световая отдача. Этот параметр является одним из главных составных элементов при определении экономической ценности источника. Особенно важное значение он приобретает для источников массового применения. При создании источников излучения, как правило, необходимо стремиться к получению максимально возможной эффективности, если это не связано с ухудшением других параметров, например с падением срока службы, увеличением стоимости источника или ПРА, ухудшением цветности и т. п. В тех случаях, когда повышение эффективности не связано с ухудшением других параметров, определяющих эксплуатационную ценность источника, выбор оптимальных параметров источника и ПРА должен находиться для осветительных и облучательных установок, исходя из условия получения минимальной стоимости эксплуатации установки (или минимума приведенных затрат) и заданной степени надежности.
Мощность установки с разрядным источником излучения Руст складывается из мощности самой лампы Рл и мощности пускорегулирующего аппарата .
Мощность самого источника в свою очередь складывается из мощности на катоде Рк, мощности на аноде Ра и мощности столба Рст. Таким образом,
руст=Рл+Р6=.рст+Рк+Ра+Р6.
Энергия, выделяющаяся в лампе, превращается в излучение разряда и нагретых электродов, а также в тепло. Дальнейшая трансформация этой энергии зависит от конструкции лампы и условий ее охлаждения. Существенное влияние на эти процессы Указывают свойства колбы (или колб) и наносимых на нее (них) слоев, особенно люминофорных. Поэтому при анализе баланса реальных ламп, как правило, необходимо рассматривать превращения выходящих потоков в каждой зоне, влияющей на их структуру. Влияние колбы на выходящее излучение и тепло, а балансы энергии конкретных типов ламп и их особенности приведены в соответствующих главах В этом параграфе будем принимать, что колба полностью прозрачна для всего излучения разряда.
Задача создания источников с высоким КПД излучения связана в первую очередь с уменьшением непроизводительных потерь энергии. К таким потерям относится энергия, потребляемая в пускорегулирующем аппарате и являющаяся бесполезной с точки зрения получения излучения. Однако она может быть снижена только до определенного предела.
Для источников света, в которых излучение дает столб разряда, потерями является также энергия, выделяющаяся на катоде и аноде.
Для уменьшения рабочего напряжения на лампе и, следовательно, напряжения питания при сохранении высокого значения g необходимо уменьшать t/a.K. Серьезный успех в снижении Ua.K дало создание оксидных самокалящихся катодов, при которых С/к составляет от 5 до 15 В, в то время как для холодных активированных катодов тлеющего разряда оно не меньше 50 В, а для неактивированных составляет 100 В и больше. Таким образом, только благодаря созданию оксидных самокалящихся катодов, рассчитанных на различные силы тока и большие сроки службы, появилась возможность разработки современных разрядных ламп высокой экономичности, пригодных для работы в сетях нормального напряжения без его повышения.
Общая картина баланса энергии в столбе разряда. Для инженерных расчетов вообще и тепловых расчетов, в частности, необходимо знание баланса энергии столба в зависимости от условий разряда. Такая обобщенная картина баланса энергии в столбе для паров некоторых металлов (Hg, Cd, Zn) и инертных газов была получена Б. Н. Клярфельдом на основе использования литературных данных и обширных и обстоятельных собственных измерений преимущественно в области низких давлений .
Излучаемую мощность Б. Н. Клярфельд делит на мощность излучения резонансных Фрез и нерезонансных Фнр линий. Такое деление оправдано тем, что они имеют резко различные зависимости от давления и силы тока. Тепловые потери в разряде. Баланс энергии столба разряда в зависимости от давления: а — плотности тока десятки миллиампер на квадратный сантиметр; б — плотности тока амперы на квадратный сантиметр делятся им на тепловые потери в объеме газа Ру и тепловые потери на стенках трубки Ртр. Потери от поглощения части излучения в материале стенок колбы не рассматриваются, т. е. принимается, что материал колбы прозрачен для всего излучения разряда.
Типичный баланс энергии столба разряда по Б. Н. Клярфельду в зависимости от давления газа или пара. Шкала давлений служит только для приблизительной ориентировки, поскольку у различных газов и паров, особенно их смесей, соответствующие области баланса отличаются по давлению. По оси ординат отложены значения частей баланса, выраженные в долях от мощности столба газа. Существуют различные области давлений и токов, благоприятные для выхода излучения разряда. Наибольший выход резонансного излучения имеет место в области малых плотностей тока и низких давлений — от нескольких десятых долей до нескольких сот паскалей. Наибольшие значения могут достигать при этом 80—90%. Наибольший выход нерезонансных излучении имеет место при больших плотностях тока и ВД в контрагированном столбе. При больших плотностях тока существует также область НД, в которой выход нерезонансных излучений достигает сравнительно больших значений.
Выделение энергии непосредственно на стенках трубки при низком давлении вызвано рекомбинацией электронов и ионов на стенках, передачей стенке кинетической энергии падающих электронов и ионов и передачей энергии метастабильных атомов.
При очень низких давлениях газа, порядка Ю-2 Па (10~4 мм рт. ст.), благодаря высокой электронной температуре относительно велико число ионизации по сравнению с возбуждением. Ввиду относительно малого числа соударений потери в объеме газа малы. Почти вся энергия выделяется в виде тепла на стенках трубки. Уменьшение температуры с ростом давления объясняется главным образом затруднением диффузии заряженных частиц и метастабильных атомов к стенкам.
Основной причиной, вызывающей нагрев газа в объеме, являются упругие соударения электронов с атомами газа. При постоянной силе тока с ростом давления газа относительные тепловые потери в объеме газау быстро возрастают примерно пропорционально Ne2. При больших давлениях газа и плотностях тока начинает играть заметную роль обратный процесс передачи энергии от- атомов к электронам.
При НД рост тока вызывает увеличение в контрагированном столбе увеличение тока приводит к уменьшению r\\v-В разрядах ВД излучающего инертного газа или пара таких металлов, как Hg, Cd, Zn и др., основную роль в балансе энергии столба играют нерезонансное излучение и тепловые потери в объеме. Помимо этого, имеются процессы, которые могут отводить к стенкам до 30 % электрической мощности.
Исследования в 60—70-х годах показали, что у разрядов в парах щелочных металлов при ВД порядка 13 кПа (102 мм рт. ст.) выход резонансного излучения имеет второй неизвестный ранее максимум, в котором резонанс может достигать 0,4. На этой базе создан целый класс новых, высокоэффективных ламп.
Баланс мощности столба разрядов ВД. При использовании модели разрядного канала в уравнение баланса входит коэффициент, меньший единицы и свидетельствующий о поглощении части излучения разряда в более холодной оболочке, окружающей канал разряда, и в материале колбы. Поэтому следует различать баланс мощности на границе канала и выходящего из лампы.
Освещение магазинов, торговых площадей
Продукты для загара Philips CLEO