Как работает ртутная лампа

В ночное время в уличных светильниках широко используются дуговые ртутные люминофорные (ДРЛ) лампы высокого давления. Они применяются в производственных помещениях и на других объектах, не требующих качественной цветопередачи. Принцип работы ДРЛ лампы достаточно сложен, однако это позволяет придать осветительным приборам необходимые характеристики. Чтобы понять, как работает такая лампочка, нужно хорошо знать ее конструкцию.

Устройство лампы ДРЛ

Стандартная лампа ДРЛ состоит из стеклянной колбы, у которой снизу установлен цоколь с резьбой. Освещение происходит с помощью ртутно-кварцевой горелки, выполненной в виде трубки. Внутренняя часть трубки заполнена аргоном и небольшим количеством ртути.

У каждой лампы ДРЛ расшифровка аббревиатуры соответствует полному названию дуговых ртутных ламп. В более ранних конструкциях символ Д означал дроссель или лампу, где используется дроссель. В настоящее время используются бездроссельные лампы ДРЛ, доступные многим потребителям. Поэтому в связи с изменениями функциональности, в маркировке лампы ДРЛ расшифровка буквы Д была изменена.

Самые первые лампочки этого типа были оборудованы лишь двумя электродами. В связи с этим для их запуска требовалось дополнительное крупногабаритное устройство поджога, работающего за счет высоковольтного импульсного пробоя газового промежутка горелки. Эти лампочки были постепенно сняты с производства и заменены четырехэлектродными конструкциями, запускающимися только с помощью дросселя.

В четырехэлектродной лампочке имеются основные и дополнительные электроды. Соединение электродов с главными катодами осуществляется путем соединения противоположных полярностей добавочным угольным резистором. Применение дополнительных электродов позволяет стабилизировать работу лампы и значительно упростить ее зажигание.

Основная функция цоколя заключается в приеме электрической энергии из сети через точечный и резьбовой элемент от контактов патрона, установленного в светильнике. Затем, происходит подача электроэнергии к электродам. В кварцевой колбе имеются ограничивающие сопротивления в количестве двух штук, находящиеся в одной цепи с дополнительными электродами. На внутреннюю поверхность колбы наносится люминофор.

Принцип работы лампы ДРЛ

Каждая горелка изготавливается из прозрачного тугоплавкого материала, устойчивого к химическим воздействиям. Для этого используются керамические материалы или кварцевое стекло. Инертный газ, закачиваемый внутрь, имеет точную дозировку. Окончательный дуговой электрический разряд создается путем добавления металлической ртути, обеспечивая нормальное свечение лампы.

Запуск выполняется с помощью зажигающих электродов. Когда к лампочке подается питающая электрическая энергия, происходит создание тлеющего разряда между зажигающим и основным электродом, которые расположены очень близко относительно друг друга. В результате, происходит накопление носителей зарядов, достаточных для появления пробоя на расстоянии между первым и вторым основным электродом. Тлеющий разряд в самые короткие сроки принимает дуговую форму.

Устойчивый свет и работа лампы типа ДРЛ начинается примерно через 10-15 минут, после подачи электроэнергии. В течение этого времени ток, протекающий в лампочке, значительно выше номинального значения и ограничивается сопротивлением, находящимся в пускорегулирующей аппаратуре. Продолжительность пуска напрямую зависит от температуры наружной среды. При низких температурах пусковой режим становится более продолжительным.

В процессе горения, излучение электрического разряда становится голубым или фиолетовым, благодаря свечению люминофора. Происходит смешивание зеленовато-белого света горелки и красноватого люминофорного свечения. Получается яркий цвет, приближающийся к белому. Следует учитывать наличие колебаний напряжения электросети, оказывающих влияние на световой поток. При низком напряжении лампочка ДРЛ может попросту не запуститься, а та, которая горит – может погаснуть.

Рассматривая принцип работы ртутных газоразрядных ламп (ДРЛ), следует учитывать ее сильный нагрев во время работы. Поэтому конструкция приборов освещения с такими лампами предусматривает использование термостойких проводов и качественных контактов, устанавливаемых в патроне. В процессе нагревания происходит рост давления внутри горелки с одновременным ростом пробойного напряжения. Из-за этого нагретая лампа может не включиться. Прежде чем производить повторное включение, нужно дать ей остыть.

Лампы ДРВ и ДРЛ отличия

Оба типа светильников являются газоразрядными ртутными лампами, а точнее их разновидностями. Они широко используются во внешнем и внутреннем освещении. Нередко возникает вопрос, как отличить лампу ДРЛ от ДРВ, поскольку внешне они абсолютно одинаковы. Тем не менее, каждая из них обладает индивидуальными особенностями, собственными техническими характеристики и принципами работы.

В обеих лампах для горелок использовано кварцевое стекло или специальный керамический состав. В каждую горелку помещены точные дозы инертных газов с небольшим количеством ртути. Напряжение поступает к ртутным лампам в область пары электродов, расположенных по бокам горелки. За счет маленького расстояния газ между электродами быстро ионизируется, после чего в этом месте возникает тлеющий разряд. Он постепенно переходит в зону между основными электродами, мгновенно превращается в дуговой разряд, после чего светильники с лампами ДРЛ начинают гореть в штатном режиме.

Полностью нормативные световые качества набираются лампами примерно через 10 минут после включения. Для ограничения номинального тока в лампах ДРЛ используется пускорегулирующий прибор с установленным сопротивлением. После того как амплитуда переходит значение сетевого напряжения, вся энергия, накопленная индуктивностью, уходит в нагрузку. В кварцевой горелке происходит некоторая задержка напряжения.

В лампах типа ДРВ (дуговых ртутных вольфрамовых) такая подкачка энергии не требуется поскольку в них отсутствует индуктивный балласт. Функции ограничения тока выполняются самой вольфрамовой спиралью, с заранее установленным сопротивлением и мощностью, соответствующим пусковым режимам горелки. Напряжение горелки будет нарастать по мере ее разогрева, и постепенно уменьшаться на спирали. В результате внутренняя колба ламп ДРВ будет светиться на 30% меньше, чем лампы уличного освещения ДРЛ.

Основным отличием этих двух ламп является невозможность использования ДРЛ без пускорегулирующего устройства, в качестве которого используется дроссель. Он служит ограничителем тока, питающего лампу и должен обязательно соответствовать ее мощности. Если включение производится без дросселя, такая лампочка моментально сгорит под действием высокого тока, проходящего через нее. Повторное включение лампы ДРЛ можно выполнять лишь после ее полного остывания.

Оба типа ламп обладают повышенной чувствительностью к перепадам температур. Поэтому вся конструкция защищена наружной колбой. Кроме того, ее внутренняя сторона покрыта люминофором, с помощью которого ультрафиолетовое свечение преобразуется в часть спектра красного цвета.

Срок службы лампы ДРЛ

Данные лампы получили широкое распространение для уличного и промышленного освещения. В случае необходимости они могут использоваться и для внутреннего освещения помещений. Такая популярность стала возможной, благодаря таким эргономическим показателям, как соответствие излучения солнечному свету, коэффициент пульсаций светового потока и другим. Немаловажное значение имеет и тот факт, что ламп ДРЛ варьируется в очень широком диапазоне, значительно расширяя сферу их использования.

Особое внимание следует обратить на сроки службы, заявленные производителями. Как показывает практика, ртутные лампы ДРЛ после 2-3 месяцев эксплуатации в зависимости от интенсивности использования, теряют значительную часть светового потока. Вместе с тем, расход электрической энергии остается на том же уровне. Кроме того, было достоверно установлено, что эти лампы обладают так называемым эффектом старения. То есть, через 400 часов работы их световой поток снизится примерно на 20%, а к концу срока эксплуатации данный показатель составит уже 50%.

Данные недостатки полностью перекрываются простотой и технологичностью, доступностью и низкой стоимостью ртутных газоразрядных лампочек. Их использование становится экономически выгодным при отсутствии жестких требований к освещению на конкретном объекте или участке.

Лампы ДРЛ, активно применяющиеся и в наши дни, относятся к газоразрядным осветительным приборам. Их отличительная черта — насыщенный световой поток и долговечность. Благодаря содержанию ртути, при помощи этих изделий организуют искусственное освещение улиц и промышленных территорий. Но, определенные технико-эксплуатационные нюансы не позволяют пользоваться ими в бытовых условиях. В статье рассмотрим, что такое газоразрядная лампа ДРЛ, как она устроена, принцип ее работы и где применяется.

Что это такое

В названиях ламп обычно закладывается тип источника света. Специалист, разбирающийся в маркировке, быстро определит параметры и принцип действия прибора.

Расшифровка ДРЛ следующая:

• Д — электрическая дуга, образуемая при подаче напряжения на контакты, приводит к зажиганию лампы. В конструкции задействован дроссель, задача которого — ограничить рабочие токи в заложенных пределах;
• Р — устройство работает за счет паров ртути;
• Л — принцип действия источника света. Люминофор, обеспечивающий процесс люминесценции, преобразует ультрафиолетовое свечение в видимый спектр излучения.

Дополнительная информация! Когда внешняя энергия воздействует на материал, излучаемый свет, начинается процесс свечения, называемый люминесценцией.

Ближайшая к ДРЛ разновидность — ДРВ (ртутно-вольфрамовая). Конструкцией и принципом действия они схожи. Только помимо ртутной разрядной горелки устанавливается и вольфрамовая спираль, задача которой — ограничить силу тока, поступающего на горелку. Соответственно, такие лампы не нуждаются в дополнительной пускорегулирующей аппаратуре.

В отличие от ДРЛ, ДРВ лампы:

• расходуют больше электроэнергии;
• работают в течение приблизительно 3000 часов;
• загораются не дольше одной минуты.

Другие «приближенные» виды — лампочки ДРИ и ДНаТ.

Достоинства и недостатки

Дуговые ртутные люминесцентные источники света, в том числе и лампы, имеют следующие преимущества:

• высокая степень светового потока;
• долго служат;
• применимы для освещения при отрицательной температуре;
• благодаря встроенным электродам не требуют дополнительного устройства для поджога;
• доступная пускорегулирующая аппаратура.

Есть и ряд недостатков, некоторые из которых накладывают ограничения на сферы применения:

• как гласит ГОСТ, ртуть и люминофор, содержащийся в этих лампах, должны утилизироваться по особой технологии;
• малая цветопередача (порядка 45%);
• для полноценной работы требуется стабильное напряжение. Если оно понизится до 15%, светильник стакой лампочкой перестанет светить;
• при слишком низких температурах (более −20 градусов по Цельсию), источник света может не зажечься. К тому же, такие условия эксплуатации в разы снижают срок службы лампы;
• для повторного включения светильника необходимо выждать от 10 до 15 минут;
• снижение светового потока спустя примерно 2000 часов службы.

Как правило, производитель указывает ряд правил, которых следует придерживаться при эксплуатации этих источников света. Это позволит им дольше прослужить. Даже если лампа установлена в неправильном положении, это отражается на ее сроке службы.

Характеристики

Расшифровка аббревиатуры не отображает параметры ламп ДРЛ. Но, эти сведения необходимо знать, что позволит подобрать подходящее изделие. Основным параметром источника света является мощность, выражаемая в цифрах. Показатели, определяющие условия эксплуатации:

• световой поток. От этого зависит, сколько понадобится ламп, чтобы создать требуемую освещенность участка;
• срок службы. Для каждой модели свой период гарантированной службы;
• типоразмер цоколя и габариты. Влияют на выбор светильника, для которого подходит лампа.

Мощность ДРЛ колеблется от 50 до 2000 Вт. Наиболее распространенный вид — ДРЛ 250, со следующими параметрами:

• мощность — 250 Вт;
• напряжение — 130 В;
• световой поток — 13500 лм;
• светоотдача — 54 лм/Вт;
• цоколь — Е40;
• диаметр — 91 мм;
• высота — 228 мм;
• срок службы — больше 12000 часов.

В течении первых 10-15 минут работы лампа «разогревается», потребляя мощность выше номинального значения.

Сфера применения

Лампы ДРЛ применяют как источник искусственного освещения. Газоразрядными устройствами освещают следующие объекты:

• автомобильные дороги и улицы;
• скверы и площади;
• производственные цеха, склады, автостоянки;
• теплицы, оранжереи и аналогичные места, где выращивают овощи.

ДРЛ характерны мощным световым потоком. В то же время, в них «хромает» цветопередача, поэтому для освещения жилых помещений их не используют.

Конструкция

В конструкцию входят следующие элементы:

• стеклянный баллон;
• резьбовой цоколь;
• ртутно-кварцевая горелка, заполненная аргоном. Дополнительно добавляется капля ртути;
• главные катоды;
• дополнительные электроды;
• добавочный угольный резистор.

Полезная информация! Задача дополнительных электродов — облегчить зажигание лампы. Также они отвечают за стабильную работу.

Ниже рассмотрены элементы подробнее:

• цоколь. Он принимает электроэнергию от сети в результате контакта токоведущих частей лампы с контактами патрона светильника. Как итог — электроэнергия передается к электродам горелки;
• кварцевая горелка. Имеет вид колбы с двумя электродами с каждой из сторон (два — основные, два — дополнительные). Горелка заполняется аргоном и каплей ртути;
• стеклянная колба. Это внешняя часть лампочки. Внутри — горелка с подведенными электрическими проводниками, идущими от контактного цоколя. Чтобы закачать в колбу азот, из нее сперва выкачивают весь воздух.

В первых моделях ДРЛ ламп предусматривалось только два электрода. Такие лампы сложнее разжигались — требовалось дополнительное пусковое устройство. Современный, дроссельный вариант, снабжен четырьмя электродами.

Принцип работы лампы ДРЛ

Горелка изделия изготавливается из прозрачного, химически стойкого тугоплавкого материала — кварцевого стекла или специальной керамики. Ее заполняют точно отмеренной дозой инертного газа и каплей металлической ртути. Светящимся телом в конструкции выступает столб дугового электроразряда.

Принцип действия, присущий лампе ДРЛ, выглядит так. Когда на изделие подается электроэнергия, между основным и зажигающим электродом образуется тлеющий разряд. Элементы расположены так близко друг к другу, что обеспечивают более низкое напряжение для пробоя. Тлеющий разряд практически моментально становится дуговым. Электрические и световые качества лампы становятся устойчивыми спустя 10 — 15 минут после подачи энергии. В этот период ток превышает номинальные значения (для ограничения задействуется пускорегулирующий аппарат). Пусковой режим во многом зависит от окружающей температуры — на морозе лампочка дольше «запускается».

В результате электрического разряда в горелке становятся видимыми голубое и фиолетовое излучения, включая УФ (ультрафиолет). Они провоцируют свечение люминофора, расположенного на внутренних стенках колбы. Горелка светит бело-зеленым светом, люминофор — красноватым. Оттенки смешиваются и получается яркий, близкий к белому цвет.

Если в электросети напряжение колеблется, это отражается на световом потоке. Допустимые отклонения напряжения — от 10 до 15% (при этом световой поток будет колебаться на 25 — 30%). Если питающее напряжение снижается до 80% от нормы, то изделие попросту не загорится. Если до этого она горела — то погаснет.

ДРЛ сильно греются в ходе работы. Из-за этой особенности необходимо тщательно продумывать конструкцию: применяют термостойкие провода и качественные контакты на патронах. В процессе разогрева лампы в ее горелке повышается давление, а вместе с ним и напряжение пробоя. То есть напряжения сети может не хватить для повторного включения. Чтобы повторно запустить изделие, ему необходимо время на остывание. В этом и кроется основной недостаток ДРЛ — перепады электропитания попросту гасят их, а повторное включение требует выждать паузу.

Дополнительная информация! Если окружающий воздух теплый, то изделие быстрее выйдет в режим максимального светового излучения.

Как правильно подключить

ДРЛ подключается к сети также, как и традиционная лампочка накаливания. Единственное, для работы газоразрядного изделия требуется пускорегулирующий аппарат, а именно — дроссель. Именно он регулирует значения рабочего тока. Этот элемент также предотвращает перегорание светильника.

Дополнительная информация! Дроссель не только «разжигает» лампу, но и корректирует ее работу. Его функциональная задача — стабилизация напряжения, подаваемого на контакты газоразрядной трубки.

Сами дроссели бывают независимыми и встраиваемыми. От этого зависит выбор подходящего светильника.

Ниже представлена схема подключения со следующими обозначениями:

• EL1 — ДРЛ;
• C — неэлектролитический конденсатор, рассчитанный на работу с напряжением не ниже 250 В. Он уменьшает реактивную мощность и, как следствие, снижает потребление электроэнергии;
• L1 — дроссель. Подбирается в зависимости от мощностных характеристик лампы;
• F1 — предохранитель.

Если попытаться запустить лампочку без дросселя, она моментально перегорит, так как пропустит через себя большой ток. Обращаться с ДРЛ изделиями следует аккуратно, так как в них содержится пусть всего капля, но ртути, которая развеивается по помещению 25 м2.

Срок службы

Гореть такой источник света, по заверениям производителей, способен, как минимум, 12000 часов. Здесь все зависит от такой характеристики как мощность — чем мощнее лампа, тем дольше она служит.

Популярные модели и на сколько часов службы они рассчитаны:

• ДРЛ 125 — 12000часов;
• 250 — 12000часов;
• 400 — 15000часов;
• 700 — 20000часов.

Обратите внимание! На практике могут быть иные цифры. Дело в том, что электроды, как и люминофор, способны быстрее выйти из строя.

Как правило, лампочки не ремонтируются, их проще заменить, так как износившееся изделие светит на 50% хуже.

Бывает несколько разновидностей ДРЛ (расшифровка — дуговая ртутная лампа), которые применимы как в быту, так и в производственных условиях. Классифицируются изделия по мощности, где наиболее популярны модели на 250 и 500 Вт. Пользуясь ими, до сих пор создают системы уличного освещения. Ртутные приборы хороши за счет доступности и мощного светового потока. Тем не менее, появляются более инновационные образцы, безопасные и с лучшим качеством свечения.

Устройство и принцип действия

Предлагаю начать с устройства лампы и ее принципа действия. Мы с вами уже много говорили про лампы, которые подразумевают высокое давление газа внутри себя. Все они имеют в своей конструкции горелку, сделанную из тугоплавкого материала. И лампы ДРЛ не стали исключением. Они состоят из горелки, четырёх электродов, колбы и цоколя. Принцип розжига и работы лампы очень интересный и сложный, но я постараюсь объяснить максимально понятно. Светящим элементом в ртутной лампе высокого давления является электрическая дуга в парах ртути. Начнём с розжига и работы лампы. В горелку заведены четыре электрода, два основных и два разжигающих. Они установлены попарно, таким образом, чтобы расстояние между основным и поджигающим электродом было маленьким. В тоже время расстояние между основными электродами остаётся большим. В момент подачи электрического тока на электроды возникает тлеющий разряд. Сначала он возникает между основным и поджигающим электродом, так как там гораздо меньшее расстояние, что способствует к появлению тлеющего разряда. А вот дальше происходит волшебство — возникает электрическая дуга между двумя основными электродами. На самом деле, как и любому волшебству, этому есть логическое объяснение. Тлеющий разряд, возникший между поджигающим и основным электродами, способствует насыщению внутреннего пространства горелки свободными электронами. Благодаря насыщенной электронами внешней среде, появляется возможность возникновения тлеющего разряда между двумя основными электродами. Как только свободных электронов становиться очень много, он возникает. И благодаря все тем же свободным электронам, мгновенно становится дуговым разрядом. На самом деле, этот процесс, о котором вы читали примерно две минуты, внутри горелки происходит менее чем за секунду. В холодном состоянии, ртуть в лампе находится в виде маленького шарика, либо конденсируется на стенках лампы. Вспоминаем два прошлых параметра, и переходим глазами на следующий абзац.

Представьте, что свет лампы вы видите уже через секунду после того как она включилась. Но это не означает того, что она начала работать в нормальном режиме. Первые десять-пятнадцать минут, лампа работает в режиме разогрева и потребляет мощность, превосходящую номинальную. Мощность в этот момент ограничивается только сопротивлением пуско-регулирующей аппаратуры. Режим разогрева ртутной лампы высокого давления иногда называют пусковым, и его продолжительность зависит от температуры окружающей среды. Чем выше температура вокруг лампы, тем короче пусковой режим и наоборот. Электрическая дуга в горелке излучает сильное видимое излучение голубого и фиолетового цветов. Но как мы помним из рассказа про люминесцентные лампы, при контакте с электрической дугой ртуть дает ультрафиолетовое излучение. Это совершенно справедливо и для лампы ДРЛ.

Внешняя колба ртутной лампы высокого давления покрыта люминофором, который даёт красноватое свечение. Свечение люминофора, смешиваясь с излучением горелки превращается в белый свет. Очень важно помнить, что лампы типа ДРЛ очень требовательны к питанию. Если напряжение упадёт на 10-15 процентов, световой поток снизиться на 25-30 процентов. Но как только напряжение упадёт ниже 80 процентов от номинального, лампа погаснет. При таком напряжении только что включённая лампа попросту не загорится.

Преимущества и применение

Переходим к местам применения и преимуществам ртутных газоразрядных ламп высокого давления. Применяются лампы ДРЛ в уличном освещении. Так же очень часто лампами ДРЛ освещают большие складские площади и выставочные комплексы. Из преимуществ можно выделить то, что колба горелки заполнена аргоном. Это предотвращает теплообмен с окружающей средой и парами ртути. Внешняя колба покрыта изнутри люминофором и заполнена азотом. Это сохранят тепло у горелки препятствуя его отводу. Такие лампы отличаются компактным размером при большой мощности. У хороших производителей пуск лампы не зависит от температуры окружающей среды. Для ламп высокого качества, характерна возможность выхода на максимальную мощность быстрее, чем за 10 минут.

Выбор

Давайте поговорим о том, как подобрать ртутную газоразрядную лампу высокого давления. Тут будет не много характеристик, из которых выбирать. Но во всем разберемся в процессе. Лампы имеют всегда одинаковый цвет свечения — 5500 кельвинов. Если кто-то забыл, что такое кельвины, может прочитать об этом здесь. Срок службы ламп ДРЛ равен 6000 часов. Это хороший показатель, и он присущ только лампам высокого качества. Если хотите получить такой срок службы, не экономьте на лампе, ее замена в мачте освещения может дорого обойтись. Ртутные газоразрядные лампы высокого давления имеют разную мощность, которая может варьироваться от 125 до 1000 ватт. Для этих ламп характерна, сравнительно высокая световая отдача — более пятидесяти люмен на ватт. Соответственно, в зависимости от мощности, световой поток может быть от 6 250 до 52 000 люмен. Для ламп с самой маленькой мощностью обычно выбирают цоколь Е27, для всех остальных — только Е40.

Резюме

Ртутные газоразрядные лампы высокого давления очень популярны в данный момент. Но их потихоньку вытесняют другие, более современные источники света. 24 сентября 2014 года Россия подписала Минаматскую Конвенцию по ртути. По правилам этой конвенции, будет запрещено производство, импорт и экспорт продукции, содержащей ртуть. Как вы понимаете, будут запрещены не только лампы ДРЛ, но и все люминесцентные. Но пока такие лампы широко распространены, и ими нужно активно пользоваться, так как это действительно хороший источник света для улиц. Помните, некачественные лампы не смогут соответствовать описанным в этой статье критериям. Так что не стоит экономить на них. В одну из наших следующих встреч, я расскажу вам про такие же лампы как ДРЛ, только не требующие пускорегулирующей аппаратуры. До новых встреч.