История электротехники

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/м^2	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.

^{Рис. 9.6. Двухэлектродная модификация ИИ}

^{Рис. 9.7. Трехэлектродная модификация ИИ}

Достаточно новыми источниками излучения (ИИ) являются источники, основанные на автоэлектронной эмиссии. Если электроны, появившиеся за счет автоэлектронной эмиссии (эмиссии, обеспеченной снижением потенциального барьера катода электрическим полем), направить на люминесцирующее вещество, то можно получить источник излучения со спектром, зависящим от состава люминофора. Одна из проблем, возникающая при создании такого источника, это необходимость иметь у катода напряженность электрического поля 10⁶– 10⁷ В/см. Были предложены и сконструированы экспериментальные образцы ИИ на основе автоэлектронной эмиссии (АЭ). Главным элементом разрабатываемых ИИ является многоострийный автоэмиссионный катод. Кривизна острия составляет 10^{– 5} см. В зависимости от расстояния между катодом и анодом рабочее напряжение может составлять от нескольких десятков вольт (при расстоянии десятые или сотые доли миллиметра) до нескольких киловольт (при расстоянии несколько сантиметров). На рис. 9.6 и 9.7 показаны принципиальные конструкции ИИ двух- и трехэлектродной модификаций: 7 — катод; 2 — стеклянная колба; 3 — люминофор; 4 — анод; 5 — сетка; 6 — преобразователь напряжения. Геометрия ИИ на основе АЭ может быть различной в зависимости от назначения. Экспериментальные образцы имели срок службы 10 тыс. ч.

В табл. 9.2 приведены некоторые характеристики ИИ.

Таблица 9.2

Тип ИИ	Мощность, Вт	Световой поток, лм	Световая отдача, лм/Вт	Срок службы, ч
Вакуумные и газонаполненные лампы накаливания общего назначения	15—1000	85—19500	5—19,5	1000
Галогенные лампы накаливания общего назначения	1000—20 000	22 000—440 000	22	2000—3000
Разрядные люминесцентные лампы	15—80	600—5400	40—65	10 000—15 000
Ртутные лампы высокого давления	80—2000	3400—120 000	40—60	10 000—15 000
Ртутные лампы сверхвысокого давления	120—1000	4200—53 000	35—53	100—800
Металлогалогенные лампы	250—3500	19 000—350 000	75—1000	2000—10 000
Натриевые лампы низкого давления	85—140	6000—11000	70—80	20 000
Натриевые лампы высокого давления	250—400	25 000—47 000	100—115	10 000—15 000
Ксеноновые лампы	2000—50 000	(35,7:2088)1000	18—40	100—800