Источники света от ламп накаливания до светодиодов
Изобретение электрической лампочки является одним из величайших открытий в истории человечества, имевшее огромное значение. Это привело к перевороту в области энергетики, крупнейшим сдвигам в промышленности, всеобщей электрификации. Сегодня трудно найти уголок в мире, где бы не было электричества, оно стало неотъемлемой, обязательной частью жизни любого цивилизованного человека. Однако, на вопрос о том, кто первым изобрел электрическую лампочку нельзя дать однозначный ответ. Петров, Деви, Фуко, Яблочков, Эдисон, Лодыгин, Сван и еще много изобретателей, которые приложили свой талант, ум и труд к данному изобретению.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 istochniki_sveta.docx |
521.55 КБ |
Предварительный просмотр:
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ
«Балашовский техникум механизации сельского хозяйства»
„Источники света от ламп накаливания до светодиодов“.
Выполнил: студент группы Э-21:
1 Немного истории.
Изобретение электрической лампочки является одним из величайших открытий в истории человечества, имевшее огромное значение. Это привело к перевороту в области энергетики, крупнейшим сдвигам в промышленности, всеобщей электрификации. Сегодня трудно найти уголок в мире, где бы не было электричества, оно стало неотъемлемой, обязательной частью жизни любого цивилизованного человека. Однако, на вопрос о том, кто первым изобрел электрическую лампочку нельзя дать однозначный ответ. Петров, Деви, Фуко, Яблочков, Эдисон, Лодыгин, Сван и еще много изобретателей, которые приложили свой талант, ум и труд к данному изобретению.
Процесс изобретения лампочки был довольно сложным. В XIX веке получили распространение пара типов электрических ламп, наиболее распространенные из них: дуговые и лампы накаливания. Дуговые лампы появились раньше, их работа основана на таком явлении, как вольтовая дуга. Если к сильному источнику света подключить две проволоки, соединить, а потом раздвинуть их на несколько миллиметров, то между концами проводников возникает яркий свет. Такое же свечение, но более яркое, будет наблюдаться, если вместо металлических проводов использовать два хорошо заостренных угольных стержня.
В 1803 году российский ученый В. Петров первым открыл явление вольтовой дуги, в 1810 году английский ученый Деви сделал такое же открытие. Оба пришли к выводу, что вольтовую дугу можно использовать для освещения.
Однако было и много неудобных моментов: стержни из древесного угля были непрактичны, из-за того, что сгорали практически за несколько минут, да и электроды нужно было постоянно продвигать навстречу друг к другу по мере их сгорания. Если не соблюдать минимально допустимое расстояние между ними, то свет тускнеет и гаснет. Необходим был механизм-регулятор, который бы поддерживал между электродами постоянное расстояние. Последовал ряд интересных предложений, однако их недостатком являлся тот факт, что нельзя было включить в одну цепь несколько ламп. В 1856 году А. И. Шпаковский изобрел осветительную установку, включающую 11 дуговых ламп с оригинальными регуляторами. Она освещала Красную площадь при коронации Александра II. Другой русский ученый В. И. Чиколев снабдил дуговую лампу дифференциальным регулятором, который был использован и используется до сих пор в мощных морских прожекторах и прожекторных установках. В 1876 году русским электротехником П. Н. Яблочковым была изобретена надежная и простая по конструкции дуговая лампа. Свои работы он начал еще в России, однако из-за финансового краха предприятия Яблочков уехал в Париж, где продолжает свои работы в знаменитой мастерской академика Бреге. Конструкция созданной Яблочковым свечи была проста, состояла из двух угольных стержней, расположенных параллельно и разделенных изолирующим слоем каолина (глины), укрепленных на подставке, напоминающей подсвечник. Поджигала дугу тоненькая угольная перемычка, расположенная наверху между электродами, сгоравшая в момент включения. Электрод со знаком «плюс» сгорал быстрее, поэтому при использовании постоянного тока его делали толще. Гениальным решением проблемы явилось использование генератора переменного тока, который изготовил Грамм именно для Яблочкова. В 1876 году свечи Яблочкова были представлены на выставке в Лондоне и привлекли к себе внимание общественности и огромный интерес. В 1877 году лампы Яблочкова освещали самые посещаемые места в Париже (Авеню-дель-Опера и магазин «Лувр»). Изобретение П. Н. Яблочкова сыграло основную главную роль в переходе от экспериментов и опытов к массовому освещению электричеством, началось триумфальное шествие «Русского света» по всему миру. Завоевав за два года Старый свет, свеча Яблочкова получила распространение и на Востоке. Однако, главным недостатком свечи Яблочкова была ее недолговечность, т. к. угли в ней сгорали очень быстро. Постепенно свечу Яблочкова начинает вытеснять более дешевая, надежная и долговечная лампа накаливания.
Первая лампа накаливания изобретена русским электротехником Александром Николаевичем Лодыгиным. В качестве нити накаливания он применил угольный стержень, который поместил в вакуумный сосуд. На свое изобретение летом 1874 года Лодыгин получил патент. Но на этом он не остановился. Александр Николаевич продолжил свои исследования, работая над тем, чтобы использовать тугоплавкие металлы в качестве нити накаливания.
Спустя год, Василию Федоровичу Дидрихсону удалось усовершенствовать лампу Лодыгина, тем самым продлив срок ее службы. Он предложил откачивать воздух из сосуда, а также использовать не одну, а несколько нитей накаливания.
Параллельно с Лодыгиным работу в этом же направлении вел и известный американский изобретатель Томас Эдисон
В 1879 году американский изобретатель Эдисон занялся усовершенствованием электрической лампочки.
Чтобы лампа имела ровный, яркий, немигающий свет и служила долго, Эдисон путем многочисленных экспериментов стремился найти подходящий материал для нити, а также научиться создавать сильно разреженное пространство внутри баллона. После многочисленных опытов он нашел наиболее подходящий материал — из обугленных бамбуковых волокон и в этом же году Эдисон в присутствии трех тысяч человек продемонстрировал первую электрическую лампочку с большим сроком службы. Так как изготовление бамбуковых нитей достаточно дорого, то Эдисон предложил изготавливать нити из специально обработанных волокон хлопка. Из лампочки с помощью ртутного насоса выкачивали воздух, запаивали, а затем для вкручивания в патрон насаживали на цоколь с контактами. Это была первая лампочка, ставшая пригодной для массового производства, срок службы которой составил 800-1000 часов. Такие лампочки изготавливались почти тридцать лет, однако будущее было за лампочками с металлической нитью, которые станут выпускать лишь в XX веке . Именно Эдисон придумал цоколь и патрон, а спустя некоторое время наладил производство лампочек по цене два с половиной доллара за штуку.
Лодыгин, продолжая работать с тугоплавкими металлами, создает лампочку с вольфрамовой нитью накаливания. В 1906 году компания «General Electric» покупает у него патент на это изобретение. Спустя три года сотрудник компании Ирвинг Ленгмюр добился увеличения времени работы вольфрамовой нити путем наполнения лампы аргоном. Чуть позже американский физик Уильям Дэвид Кулидж смог усовершенствовать метод изготовления вольфрамовой нити. Все эти изобретения в комплексе позволили лампе с вольфрамовой нитью накаливания постепенно завоевать весь рынок и вытеснить конкурентов.
2 Эпоха ламп накаливания и не только.
Современная лампа накаливания, несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле воплощает в себе множество изобретений и открытий. Для изготовления спирали накаливания в настоящее время кроме дорогостоящего вольфрама используют осмий или их соединение. Колба перестала быть просто вакуумной – очень часто ее стали заполнять инертным газом (аргон, криптон, ксенон и).
Подобное решение позволило устранить давление атмосферы на вакуумированную колбу, а также увеличить суммарную продолжительность работы лампы. Дело в том, что электрический ток, проходящий по вольфрамовой спирали, вызывает ее нагрев и свечение. При нагреве до столь высоких температур (до 2900°С) в безвоздушной колбе вольфрам начинает интенсивно испаряться и оседать на стекле. Стекло постепенно теряет прозрачность, и интенсивность светоотдачи уменьшается, а продолжительность работы нити падает.
Все мы знаем, как неприятно смотреть на яркий свет прозрачной лампы накаливания, поэтому промышленностью выпускаются не только прозрачные колбы, но и матовые . Благодаря этому, свет получается немного рассеянным и более мягким, хотя при этом незначительно теряет в интенсивности. Выбор качественной лампы накаливания – не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. У многих в домах до сих пор горят лампочки с пятилетним и более стажем работы, а бывает, что совсем недавно купленная лампа перегорает. Устройство обыкновенной лампы накаливания показано на рисунке:
где: 1 — стеклянная колба; 2 — наполненная инертным газом полость колбы; 3 — спираль накаливания; 4, 5 — электроды; 6 — дополнительные опоры спирали; 7 — стеклянная ножка; 8 — внешний токопровод; 9 — цоколь; 10 — изолятор цоколя; 11 — нижний контакт цоколя.
Галогенные лампы накаливания.
Добавление галогенов в колбу лампы накаливания и использование кварцевого стекла позволили сделать серьезный шаг вперёд, получив новый класс источников света — галогенные лампы накаливания. Световая отдача современных ГЛН составляет 30 лм/Вт. Типичное значение цветовой температуры 3000К и индекс цветопередачи 100. «Точечная» форма источника света с помощью отражателей даёт управлять пучком света.
Получающийся при этом искристый свет определил приоритет таких ламп в интерьерном дизайне, где они заняли лидерство. Ещё одно преимущество в том, что количество и качество света лампы постоянно на протяжении срока службы. Популярны низковольтные «галогенки» мощностью 10–75 Вт с отражателем, который фокусирует луч в угле 10–40°.
Недостатки ГЛН очевидны: малая световая отдача, короткий срок службы (в среднем 2000–4000 часов), необходимость использования (для низковольтных) понижающих трансформаторов. Там, где эстетический компонент важнее экономического, с ними приходится мириться.
Люминесцентные лампы (ЛЛ) — разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, которая наполнена инертным газом и малым количеством ртути. При включении в трубке возникает дуговой разряд, и атомы ртути начинают излучать видимый свет и ультрафиолет. Нанесённый на стенки трубки люминофор под действием ультрафиолетовых лучей излучает видимый свет.
Основа светового потока лампы — излучение люминофора, видимые линии ртути составляют лишь малую часть. Многообразие люминофоров (смесей люминофоров) позволяет получить источники света с различным спектральным составом, который определяет цветовую температуру и индекс цветопередачи.
Люминесцентные лампы дают мягкий, равномерный свет, но его распределением в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. Для работы люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирующая аппаратура. Лампы долговечны — срок службы до 20 000 часов.
Световая отдача и срок службы сделали их самыми распространёнными источниками света в офисном освещении.
Компактные люминесцентные лампы
Развитие люминесцентных ламп привели к созданию компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Это источник света похожий на миниатюрную люминесцентную, иногда с встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и резьбовым цоколем Е27 (для непосредственной замены ламп накаливания), Е14 и др.
Различие заключается в уменьшенном диаметре трубки и использовании другого типа люминофора. Компактная люминесцентная лампа может с успехом заменить лампы накаливания.
Разрядные лампы высокого давления.
Последние разработки позволяют использовать для освещения разрядные лампы высокого давления. По ряду показателей подходят металлогалогенные (МГЛ). У этих ламп во внешней колбе размещается горелка с излучающие добавки. В горелке присутствует некоторое количество ртути, галоген (чаще йод) и атомы химических элементов (Tl, In, Th, Na, Li и др.).
Сочетание излучающих добавок достигает интересных параметров: высокая световая отдача (до 100 лм/Вт), отличная цветопередача Rа=80–98, диапазон Тцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы до 15 000 часов. Для работы этих ламп требуется пускорегулирующие аппараты и специальные светильники. Рекомендуется использовать эти источники для освещения помещений с большой площадью, с высокими потолками, просторных залов.
Светодиоды — полупроводниковые светоизлучающие приборы, называют источниками света будущего. Если говорить о современном состоянии «твердотельной светотехники», можно утверждать, что она вышла из периода младенчества. Достигнутые характеристики светодиодов (световая отдача до 140 лм/Вт, Rа=80–95, срок службы 70 000 часов) уже обеспечили лидерство во многих областях.
Диапазон мощностей светодиодных источников, реализация в лампах разных типов цоколей, управление лампами позволили в короткий срок удовлетворить растущие требования к источникам света. Главными преимуществами светодиодов остаются компактные размеры и управления цветовыми параметрами (цветодинамика ).
4 За и против светодиодных ламп.
Основное преимущество светодиодных ламп – их экологичность, ведь конструкция светодиодных ламп не предполагает наличия в них каких-либо вредных или опасных для здоровья человека веществ. Другим не менее важным плюсом нового типа ламп является отсутствие мерцания с заметной для человеческого глаза частотой, которое присуще люминесцентным лампам. Это преимущество позволяет использовать светодиодные лампы для освещения вращательных механизмов и других мест, где применение в качестве освещения люминесцентных ламп небезопасно или вызывает быстрое уставание глаз.
Светодиодные лампы питаются постоянным током, поэтому мерцание у них отсутствует. Для максимально естественного и природного восприятия глазом человека окружающего пространства необходимо, чтобы источник света обеспечивал качественную цветопередачу. В этом компоненте люминесцентные лампы уступают светодиодным, ведь спектр излучения последних максимально приближен к натуральному, в то время, как свет от люминесцентной лампы кажется «мертвым», ненатуральным и заставляет глаза неправильно воспринимать некоторые цвета и оттенки.
Итак, преимущества светодиодных ламп в сравнении с лампами накаливания:
-более высокая световая отдача (до 150 Лм/Вт);
-в 5-10 раз меньшее энергопотребление;
— длительный срок службы (30-100 тысяч часов);
-устойчивость к ударам и вибрации; независимость световой отдачи и срока службы от напряжения;
-не представляют пожарной опасности. а также преимущества светодиодных ламп в сравнении с люминесцентными лампами: экологичность (отсутствие ртути и других вредных веществ);
-отсутствие мерцания с заметной для человеческого глаза частотой; качественная цветопередача (спектр от теплого белого до холодного белого); — более длительный срок службы (30-100 тысяч часов);
— малая инерционность (включается сразу на полную яркость); простота конструкции (не нуждается в статоре и других вспомогательных элементах);
-независимость срока службы от количества циклов включения-выключения; безопасность (работает на низком напряжении и не нагревается выше 60 градусов Цельсия); нечувствительность к низким и очень низким температурам.
Недостатки.
Сферы применения светодиодных ламп — это помещения без длительного пребывания человека.
Светодиодные лампы относятся к группам высокого риска
Исследования по вредному воздействию светодиодных ламп на зрение человека
Французское национальное агентство санитарной безопасности питания, окружающей среды и труда (Anses) пришло к выводу, что светодиодные лампы вредны для глаз, в первую очередь, детских, сообщает агентство Франс Пресс.
Anses опубликовало первую часть результатов своей экспертизы воздействия таких лампочек, становящихся все более популярными благодаря высокой энергоемкости и возможности их длительного использования.
«Всего за несколько месяцев количество используемых населением светодиодных ламп возросло молниеносными темпами», – заявил Доминик Гомбер (Dominique Gombert), руководитель отдела оценки рисков Anses.
Для получения белого света в светодиодных лампах используются голубой диод со световыми волнами, схожими по своим свойствам с ультрафиолетовыми, и желтый диод.
«Это – наиболее простая и наименее дорогая технология, применяемая в 90% случаев», – отмечает Гомбер.
Именно голубой свет несет риск для глаз, в первую очередь, для сетчатки, очень чувствительной к ультрафиолетовому свету. Разные пигменты, присутствующие в фотоэлементах такого света, могут вызвать реакцию, лежащую в основе окислительного стресса.
Как правило, подобный фотохимический риск возникает после интенсивного повторяющегося воздействия светодиодного излучения в течение длительного времени.
«Дети особенно подвержены подобному риску, так как их кристаллики еще находятся в стадии развития и пока не способны эффективно справляться со своей ролью, заключающейся, в частности, в фильтрации света», – отмечает Anses.
Голубой свет, используемый в светодиодных лампах, может обострить протекание часто возникающей с возрастом макулодистрофии, а также ухудшить зрение людей, повышенно чувствительных к свету в связи с наличием у них кожных болезней, проходящих медикаментозное лечение или подверженных алкоголизму.
Кроме того, излучение светодиодных ламп более сильное, чем излучение ламп других типов. «Подобное излучение нового типа может привести к тому, что глаз будет подвергаться воздействию света, почти в 1000 раз превышающему классическое излучение, и возникнет риск слепоты», – полагают специалисты агентства. Anses призывает производителей светодиодных ламп снабдить свою продукцию инструкциями с правилами безопасности и направлять на рынок лампочки только малой мощности.
Почему светодиодный свет вреден для зрения?
Ученые выяснили, что вредное воздействие на органы зрения оказывает не все излучение светодиода в целом, а только синяя и фиолетовая составляющая спектра, имеющее наименьшую длину волны и соответственно большую частоту и большую энергию. Испанские ученые, проводившие такие исследования, опубликовали свои отзывы в журнале Seguridad y Medio Ambiente. Основными результатами этой исследовательской работы являются следующие утверждения:
Светодиодные источники света могут нанести непоправимый вред здоровью человека и животных, воздействуя на сетчатку глаза.
Вред наносит коротковолновый синий и фиолетовый свет светодиода
Излучение наносит сетчатке глаза травмы трех типов:
- Фотомеханические (ударная энергия волны световой энергии),
- Фототермические (при облучении происходит нагревание ткани клетчатки)
- Фотохимические (фотоны света могут вызывать химические изменения в макромолекулах)
Зеленый и белый свет имеет гораздо меньшую фототоксичность, а при воздействии на сетчатку красным светом каких-либо негативных изменений не обнаружено.
Результаты исследования говорят о том, что смотреть на яркую светодиодную лампу противопоказано. Таким образом, вред светодиодных ламп для глаз состоит в негативном воздействии на сетчатку глаза. Однако большинство ведущих производителей снабжают лампы рассеивателями, либо хорошие люстры имеют плафоны, которые дают мягкий рассеянный свет, польза которого намного выше.
Список использованных источников.
Лампы и ламповая техника
Электро́нная ла́мпа, радиола́мпа — электровакуумный прибор (точнее вакуумный электронный прибор), работа которого осуществляется за счёт изменения потока электронов, которые движутся в вакууме или разрежённом газе между электродами.
Электронно-лучевые приборы (кинескопы, передающие телевизионные трубки и т. п.), являются особым образом устроенными электронными лампами.
Электронные лампы, предназначенные для освещения (лампы-вспышки, ксеноновые лампы, ртутные и натриевые лампы), радиолампами не называются и обычно относятся к классу осветительных приборов.
Принцип действия
Вакуумные электронные лампы с подогреваемым катодом
- В результате термоэлектронной эмиссии электроны покидают поверхность катода.
- Под воздействием разности потенциалов между анодом и катодом электроны достигают анода и образуют анодный ток во внешней цепи.
- С помощью дополнительных электродов (сеток) осуществляется управление электронным потоком путём подачи на эти электроды различного электрического потенциала.
В вакуумных электронных лампах наличие газа ухудшает характеристики лампы.
Газонаполненные электронные лампы
Основным для этого класса устройств является поток ионов и электронов в газе, наполняющем лампу. Поток может быть создан, как и в вакуумных устройствах, термоэлектронной эмиссией, а может создаваться образованием электрического разряда в газе за счёт напряжённости электрического поля.
История
Триод Ли де Фореста, 1906 г.
В 1883 году Эдисон пытался увеличить срок службы осветительной лампы с угольной нитью накаливания. Он ввёл в баллон лампы, из которой откачан воздух, металлический электрод. К выводу впаянного электрода и одному из выводов раскалённой электрическим током нити он подсоединил батарею и гальванометр. Стрелка гальванометра отклонялась, когда к электроду подсоединялся плюс батареи, а к нити — минус. При смене же полярности ток в цепи прекращался.
Этот эксперимент привёл Эдисона к фундаментальному научному открытию, которое является основой работы всех электронных ламп и всей электроники до полупроводникового периода. Это явление впоследствии получило название термоэлектронная эмиссия.
В 1905 году этот «эффект Эдисона» стал основой британского патента Джона Флеминга на «прибор для преобразования переменного тока в постоянный» — первую электронную лампу, открывшую век электроники.
В 1906 году американский инженер Ли де Форест ввёл в лампу третий электрод — управляющую сетку (и, таким образом, создал триод). Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя колебаний, а с 1913 года на её основе был создан автогенератор.
Даже самые маленькие лампы довольно громоздки по сравнению с современной элементной базой
Вакуумные электронные лампы стали элементной базой компьютеров первого поколения. Главным недостатком электронных ламп было то, что устройства на их основе были довольно громоздкими. Для питания ламп необходимо было подводить дополнительную энергию для нагрева катода(именно он испускает электроны, необходимые для тока в лампе), а образованное ими тепло отводить. Например, в первых компьютерах использовались тысячи ламп, которые размещались в металлических шкафах и занимали много места. Весила такая машина десятки тонн. Для её работы требовалась электростанция. Для охлаждения машины использовали мощные вентиляторы в связи с выделением лампами огромного количества тепла.
Пик расцвета («золотая эра») ламповой схемотехники пришелся на 1935—1950 годы.
Конструкция
Элементы электронной лампы (пентода):
Нить накала, катод, три сетки, анод. Вверху — элементы крепления.
Электронные лампы имеют по крайней мере два электрода: катод и анод. Для того, чтобы увеличить эмиссию электронов с катода, последний обычно дополнительно подогревают — внутри катода располагают нить накала, такие лампы называются лампами косвенного накала, либо используют в качестве катода саму нить накала, такие лампы называют лампами прямого накала.
Лампы прямого накала потребляют меньшую мощность и быстрее разогреваются, однако, обычно имеют меньший срок службы, при использовании в сигнальных цепях требуют питания накала постоянным током, а в ряде схем неприменимы из-за влияния разницы потенциалов на разных участках катода на работу лампы. Катоды ламп активируют металлами, имеющими малую работу выхода электрона. В лампах прямого накала для этого обычно применяют торий, в лампах косвенного накала — барий. Несмотря на наличие тория в катоде, лампы прямого накала не представляют опасности для пользователя, поскольку его излучение не выходит за пределы баллона.
Между катодом и анодом располагаются сетки, которые служат для изменения потока электронов и устранения различных вредных явлений, возникающих при движении электронов от катода к аноду.
Сетки существуют следующих видов:
- Управляющая сетка, изменением напряжения на которой можно регулировать силу анодного тока лампы, тем самым заставляя её усиливать сигнал;
- Экранирующая сетка, устраняющая паразитную связь между управляющей сеткой лампы и её анодом. Эту сетку соединяют с положительным полюсом источника анодного питания. Если вывод анода случайно отойдёт, через эту сетку может потечь ток значительной силы, что приведёт к повреждению лампы. Для предотвращения этого явления последовательно с экранирующей сеткой включают резистор сопротивлением в несколько килоом;
- Антидинатронная сетка, устраняющая динатронный эффект, возникающий при ускорении электронов полем экранирующей сетки. Противодинатронную сетку соединяют с катодом лампы, иногда такое соединение сделано внутри баллона лампы.
Блестящее напыление (геттер), которое можно видеть на стекле большинства электронных ламп, выполняет двойную функцию — адсорбент остаточных газов, а также индикатор вакуума (многие виды геттера белеют при попадании воздуха в лампу в случае нарушения её герметичности).
Металлические электроды (токовводы), проходящие через стеклянный корпус лампы, должны быть согласованы по коэффициенту теплового расширения с данной маркой стекла и хорошо смачиваться расплавленным стеклом. Их выполняют из платины (редко), платинита, молибдена и др. [1]
Основные типы
Основные типы электронных вакуумных ламп:
- Диоды (легко делаются на большие напряжения, см кенотрон)
- Триоды
- Тетроды
- Пентоды
- лучевые тетроды и пентоды (как разновидности этих типов)
- Гексоды
- Гептоды
- Октоды
- Ноноды
Современные применения
Радиопередающая техника
В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала.
Военная промышленность
Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. Для информации: в единственном устройстве может быть несколько сотен ламп.
Космическая техника
Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов.
Повышенная температура среды и радиация
Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.
Высококачественная звуковая аппаратура
По представлению заметной части меломанов, «ламповый» звук принципиально отличается от «транзисторного» и от «цифрового». Существует несколько версий объяснения этих различий, как основанных на научных исследованиях, так и откровенно ненаучных рассуждениях.
Однако общим результатом этих представлений стало «возвращение» ламповой техники в сферу высококачественных усилителей.
Достоинства ламповых усилителей:
— Простота схем. Лампа обеспечивает большее усиление, чем транзистор, и её параметры мало зависят от внешних факторов. В результате в ламповом усилителе на порядок меньше деталей, чем в полупроводниковом.
— Высокая надёжность. Параметры ламп не зависят от температуры, давления, оптических и ионизирующих излучений (радиации). Лампы малочувствительны к электрическим перегрузкам. Малое число деталей также весьма способствует надёжности.
— Хорошая согласуемость ламп с нагрузкой. Ламповые каскады имеют очень большое входное сопротивление, что снижает потери и способствует уменьшению количества активных элементов в радиоустройстве. Внутреннее сопротивление лампы-триода с учётом согласующего трансформатора примерно в 2 раза меньше, чем сопротивление акустических систем. Это даёт возможность отказаться от обратных связей, и ещё более упростить схемы.
— Простота обслуживания. Если, например, у концертного усилителя прямо во время выступления выходит из строя лампа, то заменить её гораздо проще, чем сгоревший транзистор или микросхему.
— Отсутствие некоторых видов искажений, присущих транзисторным каскадам, что благоприятно сказывается на звуке.
— При грамотном использовании преимуществ ламп можно создавать усилители, превосходящие транзисторные по качеству звучания в пределах определённых ценовых категорий.
— Отличный внешний вид при создании имиджевых образцов аппаратуры.
Недостатки ламповых усилителей:
— Помимо питания анодов, лампы требуют дополнительных затрат мощности на накал. Отсюда низкий к.п.д., и как следствие — сильный нагрев.
— Ламповая аппаратура не может быть мгновенно готова к работе. Требуется предварительный прогрев ламп в течении нескольких десятков секунд. Однако, лампы прямого накала начинают работать сразу.
— Выходные ламповые каскады требуется согласовывать с нагрузкой при помощи трансформаторов. Как следствие — сложность конструкции и плохие массо-габаритные показатели за счёт трансформаторов.
— Лампы требуют применения высоких напряжений питания, составляющих сотни (а в мощных усилителях — тысячи) вольт. Это накладывает определённые ограничения в плане безопасности при эксплуатации таких усилителей.
— Лампы имеют ограниченный срок службы. С течением времени параметры ламп меняются, катоды теряют эмиссию (способность испускать электроны), а нить накала может перегореть (к счастью, происходит это не столь часто, как пытаются представить противники ламповых схем).
— Хрупкость классических ламп со стеклянным баллоном. Однако, ещё в 1940-е годы были разработаны (и получили огромное развитие в спецтехнике) металло-керамические лампы, лишённые этого недостатка.
Некоторые особенности ламповых усилителей:
— По мнению аудиофилов, звучание (к примеру) электрогитар передаётся гораздо лучше, глубже и «музыкальнее» именно ламповыми усилителями.
— Очевидные недостатки лампового усилителя — большее потребление энергии, нежели у транзисторного, меньший срок службы ламп, большие габариты и масса аппаратуры и стоимость, которая значительно выше, чем у транзисторной и интегральной техники.
Классификация по названию
Маркировки, принятые в СССР/России
Основная статья: Радиолампы производства СССР/России
Маркировки в других странах
В Европе в 30е годы ведущими производителями радиоламп была принята Единая европейская система буквенно-цифровой маркировки:
— Первая буква характеризует напряжение накала или его ток:
А — напряжение накала 4 В;
В — ток накала 180 мА;
С — ток накала 200 мА;
D — напряжение накала до 1.4 В;
E — напряжение накала 6.3 В;
F — напряжение накала 12.6 В;
G — напряжение накала 5 В;
H — ток накала 150 мА;
К — напряжение накала 2 В;
P — ток накала 300 мА;
U — ток накала 100 мА;
V — ток накала 50 мА;
X — ток накала 600 мА.
— Вторая и последующие буквы в обозначении определяют тип ламп:
B — двойные диоды (с общим катодом);
C — триоды (кроме выходных);
D — выходные триоды;
E — тетроды (кроме выходных);
F — пентоды (кроме выходных);
L — выходные пентоды и тетроды;
H — гексоды или гептоды (гексодного типа);
K — октоды или гептоды (октодного типа);
M — электронно-световые индикаторы настройки;
P — усилительные лампы со вторичной эмиссией;
Y — однополупериодные кенотроны;
Z — двухполупериодные кенотроны.
— Двузначное или трехзначное число обозначает внешнее оформление лампы и порядковый номер данного типа, причем первая цифра обычно характеризует тип цоколя или ножки, например:
1-9 — стеклянные лампы с ламельным цоколем («красная серия»)
1х — лампы с восьмиштырьковым цоколем («11-серия»)
3х — лампы в стеклянном баллоне с октальным цоколем;
5х — лампы с локтальным цоколем;
6х и 7х — стеклянные сверхминиатюрные лампы;
8х и от 180 до 189 — стеклянные миниатюрные с девятиштырьковой ножкой;
9х — стеклянные миниатюрные с семиштырьковой ножкой.
См. также
- Бареттеры
Газоразрядные лампы
В газоразрядных лампах обычно используется разряд в инертных газах при низких давлениях. Примеры газоразрядных электронных ламп:
- Неоновые лампы, служащие для световой индикации
- Стабилитроны
- Газоразрядники для защиты от высокого напряжения (например на воздушных линиях связи),
- Тиратроны (трёхэлектродные лампы —
газоразрядные триоды, четырёхэлектродные — газоразрядные тетроды)
- Крайтроны,
- Счётчики Гейгера — Мюллера,
- Ксеноновые лампы (используются в фотовспышках, в фарах дорогих автомобилей — хотя, это уже скорее осветительные приборы, а не электронные лампы, но по конструкции они являются тоже газоразрядными)
См. также
- Музыкальный плагин основанный на физ. модели лампы 6Н2П
Примечания
- ↑ ‘Коленко Е.А.’ Технология лабораторного эксперимента: Справочник. — СПб.: Политехника, 1994. — С. 376. — 751 с. — ISBN 5-7325-0025-1
Ссылки
- Справочник по отечественным и зарубежным радиолампам. Более 12’000 радиоламп
- ГОСТ 2.731-81 «Приборы электровакуумные. Обозначения условные графические в схемах» (pdf, 572 КБ)
- Справочники по радиолампам а и вся необходимая информация
- Описание и фотографии некоторых электронных ламп
- «Теория электронных ламп» Чэффи Э.Л.
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
электронные лампы, используемые для генерации, усиления или стабилизации электрических сигналов. Электронная лампа представляет собой, по существу, герметичную ампулу, в вакууме или газовой среде которой движутся электроны. Ампулу обычно изготавливают из стекла или металла. Управление электронным потоком осуществляется посредством электродов, имеющихся внутри лампы. Хотя в большинстве приложений на смену электронным лампам пришли полупроводниковые приборы, лампы все еще находят применение в видеотерминалах, радиолокаторах, спутниковой связи и во многих других электронных приборах.
См. также ТРАНЗИСТОР. В лампе имеется несколько проводящих элементов, называемых электродами. Эмиссию электронов в лампе осуществляет катод. Эта эмиссия вызывается либо нагревом катода, в результате которого электроны «закипают» и испаряются с его поверхности, либо воздействием света на катод. Движением эмиттированных электронов управляют электрические поля, создаваемые другими электродами внутри лампы. В большинстве случаев электроды лампы изолированы друг от друга и посредством проволочных выводов соединены с внешними схемами. Электроды, которые служат для управления движением электронов, называются сетками; электроды, на которые электроны собираются, называются анодами. В электронной лампе относительно просто управлять величиной, продолжительностью, частотой и другими характеристиками электронного потока. Эти простота и легкость управления делают ее ценным прибором в многочисленных приложениях.
Термоэлектронная эмиссия. Электроны самопроизвольно не выходят за пределы поверхностного слоя металла из-за действия сил притяжения, источником которых является сам металл. Потенциальную энергию электрона в любой точке металла вблизи его поверхности можно представить в виде графика (рис. 1), из которого видно, что для выхода за пределы поверхности металла электрон должен увеличить свою энергию T0, которой он обладает при абсолютном нуле температуры, дополнительно на величину W. При комнатной температуре очень малое число электронов обладает необходимой для выхода энергией, но с повышением температуры энергия электрона возрастает и приближается к уровню, необходимому для эмиссии. В электронных лампах необходимая тепловая энергия обеспечивается электрическим током, пропускаемым по проволочной нити накала (подогревателю), находящейся в лампе.
Рис. 1. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ электрона в зависимости от его положения в металле.
Диод. После того как электроны покинули катод, их движение определяется силами электрических полей, воздействующих на них в вакууме. В простейшей электронной лампе — диоде — электроны притягиваются положительным потенциалом второго электрода — анода, где они собираются и проходят в цепь соответствующей схемы (рис. 2). Диод представляет, таким образом, прибор, пропускающий ток только в одном направлении — от анода к катоду, — и, следовательно, является выпрямителем. Простой иллюстрацией применения диода может служить схема, приведенная на рис. 3, где диод используется для зарядки конденсатора напряжением от источника переменного тока. Когда потенциал катода ниже анодного потенциала, через диод течет ток, так что, в конце концов, конденсатор заряжается до пикового напряжения источника переменного тока. Варианты схемы рис. 3 используются для детектирования сигнала звуковой частоты из радиочастотной волны и для получения мощности постоянного тока от источников переменного тока.
Рис. 2. ДИОД — двухэлектродная лампа, которая проводит электрический ток только тогда, когда потенциал анода A положителен относительно катода K, как это показано на схеме.
Рис. 3. ДИОД используется для выпрямления тока при зарядке конденсатора от источника переменного тока.
Триод. Триод — это электронная лампа, в которой имеется третий (управляющий) электрод, установленный между катодом и анодом (рис. 4). Этот электрод обычно представляет собой сетку из тонких проволок, установленную очень близко к катоду, чтобы при небольшой разности потенциалов между сеткой и катодом в области между этими двумя электродами действовало сравнительно высокое электрическое поле. При этом потенциал сетки будет оказывать сильное воздействие на электроны.
Рис. 4. ТРИОД — трехэлектродная лампа.
Типичная схема усилителя, выполненного на триоде, приведена на рис. 5. К сетке подключена батарея отрицательного напряжения смещения, обозначенная Egg. Поскольку сетка имеет отрицательный потенциал по отношению к катоду, она не будет привлекать к себе электроны потока, движущегося от катода к аноду. На аноде поддерживается положительный потенциал относительно катода, что обеспечивается батареей Epp. Значения параметров Egg, Epp, сопротивлений резистора Rg в цепи сетки и нагрузочного резистора RL выбирают так, чтобы через лампу шел некоторый ток. Потенциал анода, следовательно, получается несколько меньшим, чем потенциал Epp его источника питания, вследствие протекания тока через RL.
Рис. 5. УСИЛИТЕЛЬ НА ТРИОДЕ (принципиальная схема).
Если на сетку подать через конденсатор положительный сигнал, она будет воздействовать на электроны, выходящие из катода. Поскольку такая сетка представляет собой слабое физическое препятствие для электронов, они будут проходить сквозь сетку на анод. Поэтому при изменении потенциала сетки в положительную сторону ток через триод возрастает, а напряжение на аноде уменьшается. (Это уменьшение происходит из-за увеличения падения напряжения на RL, связанного с увеличением тока.) Если же входной сигнал, приходящий на сетку, меняет ее потенциал в отрицательном направлении, то происходит прямо противоположный процесс; напряжение на аноде возрастает. Во многих электронных лампах изменение сеточного напряжения по существу определяет изменение тока анода; отсюда следует, что изменения напряжения на аноде определяются выбором RL. В результате малое изменение напряжения сетки может при достаточно большом RL вызывать гораздо большее изменение напряжения на аноде.
Многоэлектродные лампы. Логично задать вопрос: каким может быть эффект увеличения числа сеток в электронной лампе? Обычно вторая сетка, которая называется экранной и поддерживается под положительным потенциалом, находится между управляющей сеткой и анодом. Ее роль состоит в том, чтобы экранировать управляющую сетку от анода, уменьшая, таким образом, емкость между ними, которая в ряде случаев может привести к нежелательным эффектам обратной связи. Лампа с двумя сетками (четырьмя электродами) называется тетродом. В некоторых случаях между экранной сеткой и анодом добавляют еще одну сетку — антидинатронную, в результате получается пятиэлектродная лампа, или пентод. В тетроде электроны, достигающие поверхности анода, при ударе о нее выбивают вторичные электроны. Некоторые из них могут двигаться в обратном направлении и собираться экранной сеткой, обычно имеющей потенциал, близкий к потенциалу анода. Такой процесс вызывает потери в общем потоке электронов, проходящих через анод (в анодном токе). Антидинатронная сетка, находящаяся между экранной сеткой и анодом, поддерживается под отрицательным потенциалом по отношению к обоим соседним электродам, так что возвращающиеся электроны отталкиваются ею обратно к аноду. На рис. 6 показана типичная схема включения пентода.
Рис. 6. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ ПЕНТОДА
В некоторых случаях ради экономии места и средств две отдельные структуры электронных ламп объединяют в едином герметичном корпусе.
Электронно-лучевые трубки. В электронно-лучевой трубке (ЭЛТ) для воспроизведения изображения на люминесцентном экране используется пучок электронов, получаемых с нагретого катода. Этот пучок тщательно фокусируется в луч, создающий на экране маленькое пятно и возбуждающий электроны люминофора экрана, что и приводит к излучению света. Этот луч отклоняется под действием электрического или магнитного поля, описывая при этом траектории на экране, а интенсивность луча можно изменять посредством управляющего электрода, меняя тем самым яркость пятна. Часть ЭЛТ, в которой создается сфокусированный электронный луч, называется электронным прожектором. Хотя электронный прожектор — основная часть ЭЛТ, она из-за своей сложности будет рассмотрена после других.
См. также ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА.
Системы отклонения луча. На выходе электронного прожектора получается узкий электронный луч, который на своем пути к экрану может отклоняться электрическим или магнитным полем. Электрические поля обычно используются в ЭЛТ с экраном малого размера, в частности, такого типа, как в осциллографах. Магнитные поля требуются для отклонения луча в телевизионных ЭЛТ с большими экранами. В системах отклонения электрическим полем вектор поля ориентирован перпендикулярно начальной траектории луча (которую обычно обозначают направлением z). Отклонение осуществляется приложением разности потенциалов к паре отклоняющих пластин, как показано на рис. 7. Обычно отклоняющие пластины делают отклонение в горизонтальном направлении (направление x) пропорциональным времени. Это достигается приложением к отклоняющим пластинам напряжения, которое равномерно возрастает, пока луч перемещается поперек экрана. Затем это напряжение быстро падает до своего исходного уровня и снова начинает равномерно возрастать. Сигнал, который требует исследования (обычно периодическое колебание), подают на пластины, отклоняющие в вертикальном направлении (y). В результате, если продолжительность однократной горизонтальной развертки равна периоду или соответствует частоте повторения сигнала y, на экране будет непрерывно воспроизводиться один период волнового процесса. В тех случаях, когда требуется большое отклонение, использование электрического поля для отклонения луча становится неэффективным.
Рис. 7. ЭЛЕКТРОННЫЙ ЛУЧ ОТКЛОНЯЕТСЯ при создании разности потенциалов на двух отклоняющих пластинах. Вектор электрического поля направлен перпендикулярно первоначальной траектории электронного луча.
Чтобы луч создавал на экране достаточно яркое пятно, а отклоняющий потенциал не достигал величины напряжения пробоя между отклоняющими пластинами, электроны должны получать большое ускорение. Более того, ЭЛТ не должна быть слишком длинной, чтобы прибор, в котором ее предполагается использовать, не стал неприемлемо громоздким. Наконец, ограничивается и длина отклоняющих пластин. При использовании магнитных полей для отклонения луча на большие углы ЭЛТ получается короткой (рис. 8).
Рис. 8. МАГНИТНОЕ ОТКЛОНЕНИЕ электронного луча.
Люминесцентный экран. Люминесцентный экран формируется путем нанесения тонкого слоя люминофора на внутреннюю поверхность торцевой стенки конической части ЭЛТ. Кинетическая энергия электронов, бомбардирующих экран, превращается в видимый свет.
Электронный прожектор. Электронный прожектор размещается в узкой горловине колбы ЭЛТ. Одна из многих возможных конструкций электронного прожектора схематически изображена на рис. 9,а. Катод и ряд близко расположенных друг к другу цилиндрических электродов выровнены вдоль их общей оси. На рис. 9,б с увеличением показана область фокусировки луча (т.е. «линза» электронного прожектора), в которой действует неоднородное, но осесимметричное электрическое поле. Векторы электрического поля везде перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям и направлены на рисунке влево, так как второй анод находится под более высоким потенциалом, чем первый. При этом электроны формируются в сходящийся пучок, который благодаря надлежащей подстройке формы электродов и их относительных потенциалов точно фокусируется при достижении поверхности экрана. В некоторых случаях фокусировка осуществляется посредством магнитного поля, направленного параллельно оси ЭЛТ. На рис. 9,в поясняется принцип такой фокусировки.
Рис. 9. ЭЛЕКТРОННЫЙ ПРОЖЕКТОР электронно-лучевой трубки (а), область фокусировки, в которой формируется электронный луч (б), схема фокусировки с помощью магнитного поля (в). 1 — управляющий электрод; 2 — первый анод; 3 — второй анод; 4 — отклоняющие электроды; 5 — люминесцентный экран; 6 — катод; 7 — область фокусировки; 8 — маскирующая диафрагма; 9 — диафрагма, экранирующая вторичную эмиссию.
Электрический потенциал, который определяет максимальную скорость электронов на выходе из электронного прожектора, лежит в пределах от нескольких сотен до 10 000 В. В эксплуатации последний ускоряющий электрод (второй анод) обычно заземляется. В электродах имеются диафрагмы с круглыми отверстиями, которые отсекают периферийные электроны от пучка, предотвращая тем самым размывание пятна. Кроме того, они улавливают электроны вторичной эмиссии, возвращающиеся от различных поверхностей внутренних компонентов ЭЛТ.
Фотоэлектронные приборы. Фотоэлектронный электровакуумный прибор (фотоэлемент) — это электронная лампа, имеющая катод, который эмиттирует электроны, когда на него попадает видимый свет или инфракрасное либо ультрафиолетовое излучение. Изменения интенсивности излучения вызывают соответствующие изменения электронного потока в лампе, а следовательно, и тока во внешней цепи. В научных исследованиях и технике фотоэлектронные приборы используют для измерений освещенности. Они находят применение также в устройствах управления уличным освещением, для уравнивания цветов в телевидении и согласования красок в полиграфии, для подсчета объектов на производстве. Фотоэлектронные приборы используются для считывания звука при демонстрации кинофильмов. Звук записывается на пленке в виде непрерывной дорожки переменной плотности, которая модулирует световой луч, направляемый на фотоэлектронный прибор. Выходной сигнал этого прибора получается пропорциональным плотности звуковой дорожки, записанной на пленке. На рис. 10,а показаны вольт-амперные характеристики типичного электровакуумного фотоэлемента, а на рис. 10,б — относительные спектральные характеристики типичного фотоэлектронного прибора и глаза человека при постоянной световой интенсивности и изменяющейся длине волны излучения. Абсолютные значения амплитуд спектральных характеристик зависят от выбора материала чувствительной поверхности фотокатода.
Рис. 10. ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОВАКУУМНОГО ФОТОЭЛЕМЕНТА. а — зависимость анодного тока от анодного напряжения и интенсивности света; б — спектральные характеристики прибора и глаза.
В некоторых случаях внутрь прибора вводят газ, чтобы повысить его токовую чувствительность. Однако такая чувствительность становится сильно зависящей от потенциала анода, тогда как в вакуумном фотоэлементе выходной сигнал остается неизменным в широком диапазоне значений анодных потенциалов (рис. 11).
Рис. 11. ВАКУУМНЫЙ (а) И ГАЗОНАПОЛНЕННЫЙ (б) ФОТОЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ (сравнение характеристик). Ток на выходе вакуумного прибора постоянен в широком диапазоне изменений потенциала анода, тогда как чувствительность газонаполненного прибора при повышении потенциала анода увеличивается. 1 — потенциал ионизации газа; 2 — потенциал тлеющего разряда; 3 — опорное напряжение.
Фотоумножитель. Действие фотоэлектронного умножителя основано на использовании вторичных электронов, которые освобождаются, когда электрон, обладающий высокой скоростью, ударяется о поверхность металла. Прибор работает следующим образом. Электроны, эмиттируемые обычным фотокатодом, притягиваются электрическим полем динода — электрода, потенциал которого несколько выше потенциала катода. Когда электрон ударяется о динод, из него вылетает несколько вторичных электронов. Они ускоряются в направлении второго динода, который находится под более высоким потенциалом, чем первый, и в результате соударения образуется еще большее число вторичных электронов. После нескольких таких ступеней каскадного «размножения» электронов процесс достигает, наконец, анода, собирающего электроны. Сильно увеличенное число электронов, собранных анодом, создает намного больший ток по сравнению с током фотокатода. Если каждый электрон, ударяющийся о динод, выбивает n вторичных электронов, то при числе динодов, равном k, коэффициент усиления тока будет nk. Положение динодов тщательно рассчитывается, с тем чтобы большинство электронов, вылетев с одного динода, попадало на другой и т.д. На рис. 12,а показано, как этот процесс реализуется в сравнительно ограниченном объеме электронной лампы. На рис. 12,б представлена схема подключения типичного фотоэлектронного умножителя. Резисторы всех динодов обычно имеют одинаковое сопротивление. На рис. 12,в приведена токовая характеристика фотоумножителя. В данном случае разность потенциалов между соседними динодами равна 100 В, а полученный коэффициент усиления тока составляет 106.
Рис. 12. ФОТОЭЛЕКТРОННЫЙ УМНОЖИТЕЛЬ имеет несколько промежуточных электродов, называемых динодами. Они ускоряют электроны, эмиттируемые катодом, и благодаря вторичной эмиссии усиливают ток на выходе прибора. а — расположение динодов; б — схема включения динодов; в — характеристики ФЭУ в зависимости от интенсивности освещения и разности потенциалов между анодом и девятым динодом.
Газоразрядные лампы. Газоразрядная лампа — это электронная лампа, содержащая достаточно газа, чтобы существенным образом влиять на ее характеристики. Давление этого газа ниже атмосферного. Обычно для наполнения газоразрядных ламп используют инертные газы (неон, аргон и др.) или пары ртути. Характеристики лампы определяются как свойствами используемого газа, так и его давлением внутри лампы.
Соударения и ионизация. Присутствие молекул газа в электронной лампе может быть причиной двух эффектов. Соударения с молекулами могут вызвать торможение потока электронов в лампе (такие соударения способны приводить к нарастанию пространственного заряда с образованием облака электронов вокруг катода, что вызывает уменьшение тока), а если электроны ускоряются достаточно большой разностью потенциалов, они могут выбивать электроны из молекул газа, оставляя после себя положительно заряженные ионы. Этот процесс называется ионизацией. Если ускоряющий потенциал в лампе еще более высокий, то первичный электрон и электрон, высвобожденный из молекулы в процессе ионизации, могут ускориться до такой большой скорости, что вызовут дальнейшую ионизацию. Такой процесс приводит к разряду — распространению ионизации в пространстве между анодом и катодом лампы. Образование большого числа положительных ионов и освободившихся при ионизации электронов увеличивает ток, текущий через лампу, и сопротивление лампы во время разряда становится очень малым.
Газоразрядные диоды и газонаполненные лампы. Газоразрядный диод (газотрон) — это диод, в котором присутствие газа создает высокую проводимость в прямом направлении. Электроны, эмиттируемые катодом, ускоряются к аноду, и в результате возникает разряд. Разряд продолжается до тех пор, пока потенциал анода не станет ниже некоторого потенциала отсечки. Но как только анод становится отрицательным, нехватка электронов уже не в состоянии снова инициировать разряд. Если, однако, потенциал анода понижается до большой отрицательной величины (например, более -100 В), то разряд запускается электронами, эмиттируемыми анодом. Другими словами, анод легче эмиттирует электроны, когда его потенциал не нулевой, а отрицательный. Электроны могут высвобождаться в результате термоэмиссии даже при комнатной температуре из-за их теплового движения. Они могут также появляться вследствие фотоэлектрических процессов, вызываемых бомбардировкой фотонами. В любом случае эмиттируемые электроны будут вызывать в лампе ионизацию с последующим разрядом. Поэтому большие отрицательные напряжения на аноды газоразрядных диодов обычно не подают. Тем не менее такие диоды находят применение в низковольтных схемах выпрямления, в частности, в устройствах для зарядки батарей, где требуется большой ток в прямом направлении. Неоновая лампа представляет собой газоразрядный диод с двумя одинаковыми электродами без подогревателей. На рис. 13 показана вольт-амперная характеристика такой лампы. Легко видеть, что падение напряжения на лампе остается почти без изменения после того, как лампа «зажглась» подачей на нее напряжения, немного превышающего стартовое. Такая характеристика газоразрядных ламп, работающих в области самоподдерживающегося тлеющего разряда, делает их полезными приборами для поддержания неизменного напряжения в схеме с меняющимся током нагрузки. Обычно для подобных стабилизаторов напряжения (стабилитронов) используют специально разработанные лампы, но годится и простая неоновая лампа. Подсоединять лампы к источнику напряжения нужно через последовательный резистор, чтобы предотвратить слишком большое возрастание тока, которое способно повредить лампу или источник напряжения.
Рис. 13. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА неоновой лампы. После зажигания газового разряда падение напряжения на лампе не зависит от тока разряда.
Тиратрон. Тиратрон — газоразрядный триод, обычно с подогревным катодом. Анод тиратрона, как правило, поддерживается под достаточно высоким потенциалом, чтобы инициировать разряд, когда сетка имеет потенциал катода. (На сетке же поддерживается отрицательный потенциал, чтобы не допустить выхода электронов из прикатодной области и возбуждения разряда.) В нужный момент по сигналу потенциал сетки повышается настолько, чтобы запустить разряд. После возникновения разряда сетка не управляет им до тех пор, пока анодное напряжение не понизится до уровня, при котором разряд погаснет. Малый положительный импульс, поданный на сетку, позволяет инициировать прохождение большого тока через лампу. Эта управляющая функция и определяет полезность тиратрона. «Стартовый потенциал» сетки — напряжение, при котором инициируется разряд, — зависит от потенциала анода и температуры газа в лампе. В ионных (газонаполненных) фотоэлементах газ используется, чтобы получить усиление тока вследствие ионизации молекул газа фотоэлектронами. Потенциал анода никогда не доводят до уровня, при котором разряд становится самоподдерживающимся и не нуждающимся в эмиссии фотоэлектронов с катода.
ЛИТЕРАТУРА
Булычев А.Л. и др. Справочник по электровакуумным приборам. Минск, 1982 Электровакуумные электронные и газоразрядные приборы (справ.). М., 1985 Герус В.Л. Физические основы электронно-лучевых приборов. М., 1993
Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .
- ЭЛЕКТРОННАЯ ПУШКА
- ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Исследовательская работа. «От ламп накаливания до современных ламп».
В данной работе учеником проведены исследования различных ламп. Даны сравнительные характеристики ламп накаливания, светодиодных ламп и энергосберегающих ламп. Проведен опрос среди учащихся класса и школы по использованию ламп в домашних условиях и их утилизация.
Скачать:
| Вложение | Размер |
|---|---|
 Исследовательская работа. |
1.27 МБ |
 Презентация. |
2.44 МБ |
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Предварительный просмотр:
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Исследовательская работа по теме: «От ламп накаливания до современных ламп». Выполнил ученик 8 Б класса МБОУ «Лицей №1 им. Н.К. Крупской» Тепляков Михаил.
Введение. Каждый из нас хоть раз сталкивался с тем, что в доме или квартире перегорает электрическая лампа. В связи с широким ассортиментом ламп у людей зачастую возникает вопрос о том, какие лампы выбрать? Чтобы ответить на этот вопрос я провел исследование свойств ламп накаливания, энергосберегающих ламп и светодиодных ламп. Свои исследования оформил в рамках исследовательской работы «От лампы накаливания до современных ламп».
Цель работы: Цель работы: исследовать и сравнить следующие критерии различных ламп: • уровень освещенности ламп на разных высотах; время розжига ламп температуру нагрева потребляемая фактическая мощность (энергопотребление) световой поток
Гипотеза . Светодиодные лампы имеют большую светоотдачу. Большой уровень освещенности, меньшую температуру нагрева по сравнению с обычными лампами накаливания
Лампы накаливания. Лампа накаливания — искусственный источник света, в котором свет испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. В качестве тела накала чаще всего используется спираль из тугоплавкого металла (вольфрама), либо угольная нить. Чтобы исключить окисление тела накала при контакте с воздухом, его помещают в вакуумированную колбу либо колбу, заполненную инертными газами или парами галогенов. В лампе накаливания используется эффект нагревания тела накаливания при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Если пропустить через лампочку электрический ток, то вольфрамовая нить накаляется до очень высокой температуры и начинает излучать световой поток.
Первые лампы накаливания . Лампа Деларю Лампа Лодыгина
Плюсы и минусы. Плюсы. • Лампа накаливания выпускается в массовом производстве, и потому недостатка в таком источнике света никогда нет – ее можно приобрести в любой торговой точке, подобрав с любой формой колбы и цоколя, под любой плафон и светильник. • Лампа накаливания характерна небольшими размерами и имеет доступную стоимость. • Такая лампа не имеет в себе токсических компонентов и потому не несет опасности ни домочадцам, ни окружающей среде в процессе эксплуатации и ее утилизации. • Прекрасно переносит как низкие, так и высокие температуры окружающей среды, – ее можно монтировать для освещения, как на улице, так и в не отапливаемых жилых и нежилых помещениях. Минусы. Небольшой срок службы – всего 1 000 часов, когда современные лампы могут работать и 5 000, а иногда и до 15 и 30 тысяч часов. Колба самой лампочки достаточно хрупкая и чувствительна к даже самым небольшим по силе ударам и вибрациям. Сильная зависимость отдачи света и эксплуатационного срока от напряжения, точнее сказать от его подачи и отсутствия перепадов электричества в сети.
Энергосберегающие лампы. Энергоэффективная ла́мпа — электрическая лампа, обладающая существенно большей светоотдачей (соотношением между световым потоком и потребляемой мощностью), например, в сравнении с наиболее распространёнными сейчас в обиходе лампами накаливания. Благодаря этому замена ламп накаливания на энергосберегающие способствует экономии электроэнергии.
Плюсы и минусы. Плюсы. экономичность в 5 раз выше, чем у ламп накаливания. срок службы 8-10 тыс. часов; низкая теплоотдача; равномерность излучения; широкая цветовая гамма. Минусы. сложность плавной регулировки яркости, снижение напряжения приводит к отключению лампы; небольшая мощность; задержки при включении ламп: стационарный режим освещения наступает через 2 минуты; ЭЛ – самые вредные из всех типов ламп из-за находящихся в них паров ртути. Их запрещено выбрасывать вместе с бытовыми отходами дома
Светодиодная лампа . Светодиодная лампа — это достаточно сложное электронное устройство с несколькими десятками деталей, от которых зависит качество света, безопасность его для здоровья и долговечность лампы. Главное преимущество светодиодных ламп — экономия электричества. При том же количестве света, излучаемого лампой, светодиодная лампа потребляет в 7-10 раз меньше электроэнергии, чем обычная лампа накаливания. Уже сейчас можно купить 6-ваттные светодиодные лампы-«груши» и 4-ваттные лампы-«свечки», которые дают столько же света, сколько 60- и 40-ваттная лампа накаливания соответственно.
Плюсы и минусы . Плюсы. Экономичность — при том же количестве света современная светодиодная лампа потребляет в 7-10 раз меньше электричества. Долговечность — светодиодная лампа служит в 15-50 раз дольше обычной. Небольшой нагрев — ребёнок не обожжётся о светодиодную лампу в настольной лампе. Одинаковая яркость при разном напряжении сети — в отличие от ламп накаливания, светодиодные лампы светят так же ярко при пониженном напряжении в сети. Свет хороших ламп визуально неотличим от света ламп накаливания. Минусы. Высокая цена. Присутствие на рынке ламп с плохим качеством света (пульсация, плохие цветовые характеристики, некомфортная цветовая температура, несоответствие светового потока и эквивалента лампы накаливания заявленным). Проблемы у некоторых ламп с выключателями, имеющими индикатор. Регулировку яркости поддерживают только некоторые дорогие модели
Некоторые физические характеристики ламп. 1.Световая отдача — это характеристика, показывающая количество света, приходящегося на один Ватт мощности. Единицей измерения световой отдачи является Лм/Вт (специалисты говорят «люменов с ватта», подразумевая, что каждый ватт потребленной электроэнергии выдает некоторое количество люменов светового потока). 2.Световой поток — это один из основных параметров для ламп, по которому можно анализировать мощность света (излучения), воспринимаемого человеком. Измеряется в «люменах» (Лм). 3.Освещенность — это отношение значения светового потока лампы к площади освещаемой поверхности. Измеряется в «люксах» (Лк). Именно по величине освещенности определяют интенсивность освещения той или иной лампы на разных точках поверхности. 1Лк = 1Лм/1кв.м, т.е. освещенность на поверхности равна 1 (Лк), если световой поток мощностью 1 (Лм) будет падать на поверхность площадью 1 (кв.м.) 4.Индекс цветопередачи — это относительная величина, показывающая, насколько естественно и точно передаются цвета предметов в свете того или иного источника света. Этот индекс обозначается двумя буквами (Ra) и варьируется от 0 до 100. 5. Цветовая температура — это эффективная величина, равная температуре абсолютно черного тела, при которой отношение энергетических яркостей для двух длин волн его спектра равно отношению этих же величин для спектра исследуемого источника света. Цветовая температура (CCT — Correlated Colour Temperature) измеряется в Кельвинах (K). Чем выше значение K, тем холоднее свет.
1.Исследование характеристик ламп накаливания. Цель: Исследовать освещенность и световой поток ламп накаливания. Оборудование: Лампы на 75 Вт и 95 Вт, люксметр ( смартфон), линейка. Ход работы: Располагая лампы на разных высотах 1 м и 50 см, над люксметром определить освещенность ламп накаливания. Заметить время розжига ламп и оценить температуру нагрева. Вывод : В ходе проделанной работы я определил, что световой поток и освещенность больше у лампы накаливания на 95 Вт. Лампам не требуется время для розжиг и они имеют большую температуру нагрева.
2. Исследование характеристик энергосберегающих ламп. Цель: Исследовать освещенность и световой поток энергосберегающих ламп. Оборудование: Лампы на 15 Вт и 20 Вт, люксметр (смартфон), линейка. Ход работы: Располагая лампы на разных высотах 1 м и 50 см, над люксметром определить освещенность энергосберегающих ламп. Заметить время розжига ламп и оценить температуру нагрева. Вывод : В ходе проделанной работы я сравнил освещенность, световой поток и время розжига энергосберегающих ламп разной мощности. Лампа на 20 Вт имеет большую освещенность, больший световой поток чем лампа на 15 Вт. Время розжига ламп одинаковое.
3. Исследование характеристик светодиодных ламп. Цель: Исследовать освещенность и световой поток светодиодных ламп. Оборудование: Лампы на 12 Вт и 8 Вт, люксметр (смартфон), линейка. Ход работы: Располагая лампы на разных высотах 1 м и 50 см, над люксметром определить освещенность светодиодных ламп. Заметить время розжига ламп и оценить температуру нагрева. Вывод : В ходе проделанной работы я сравнил освещенность и световой поток и время розжига светодиодных ламп разной мощности. Лампа на 12 Вт имеет большую освещенность и световой поток, чем лампа на 8 Вт. Время розжига ламп одинаковое. Лампы не нагреваются.
Заключение по практической части. В ходе исследования характеристик различных ламп я пришел к следующим выводам: Каждая лампа имеет разную освещенность, световой поток, температуру накала, цветовую температуру; • Светодиодные лампы во время работы не нагреваются; Для работы энергосберегающих ламп и светодиодных ламп требуется время розжига, а для ламп накаливания нет; Срок службы ламп больше у светодиодных ламп. Энергосберегающие и светодиодные лампы дают экономию электроэнергии.
Расчет экономии электроэнергии.
Результаты анкетирования. 1.Какие лампы используются у Вас для освещения дома? А) Лампы накаливания; Б) энергосберегающие; В) светодиодные. 2. В чем преимущество, на Ваш взгляд энергосберегающих, светодиодных ламп перед лампами накаливания? 3) Получила ли Ваша семья экономию в оплате за электроэнергию, при использовании этих видов ламп? 4) Какими способами Вы утилизируете перегоревшие лампы? • В опросе участвовали 20 человек. Из числа опрошенных большинство используют в домашних условиях энергосберегающие и светодиодные лампы. Основным преимуществом данных ламп перед лампами накаливания все отметили меньшее потребление электроэнергии и её экономия. Ответы на третий вопрос оказались неоднозначными, в одних семьях есть экономия в оплате за электроэнергию, в других нет, некоторые не дали ни какого ответа. Для утилизации данных видов ламп все были едины — выкидываем в мусорный контейнер. И лишь в одной семье данные лампы собираются, и дальнейшая их утилизация будет произведена в г. Ижевске в специальный контейнер.
Выводы: На основании сделанных исследований можно отметить, что самыми экономичными и безопасными для обращения являются светодиодные лампы; самыми простыми являются лампы накаливания; самыми вредными являются энергосберегающие лампы, т.к. содержат ртуть и излучают ультрафиолетовое излучение; самый большой срок работы у энергосберегающих и светодиодных ламп; самыми дорогими являются энергосберегающие лампы;
Рекомендации. • Лампы накаливания не стоит применять в тех помещениях, где свет горит долгое время, а также в светильниках для натяжных потолков по причине сильного нагрева. Такие лампы можно применять для освещения коридора, туалета, ванной комнаты, т.е. там, где существует потребность частого включения-выключения света при непродолжительном времени использования. • При выборе светодиода учесть, что существует две основных разновидности колб – матовая и прозрачная. Светодиоды матового типа отличаются более рассеянным светом, а прозрачного типа наиболее ярким, что будет идеальным для люстры из хрусталя. • Приобретая лампу, следует помнить, что только светодиоды высокого качества будут соответствовать заявленным на упаковке параметрам потребления электроэнергии.
• Светодиоды, произведённые в Китае, соответствуют по КПД люминесцентной лампе. • При выборе отталкиваться лучше от гарантийного срока эксплуатации, что составляет от 3 до 5 лет. Это значит, что если за этот временной отрезок лампочка сломается, ее должны заменить на новую бесплатно. • Учитывайте цену лампы. Качество не может стоить дешево. Низкая цена – признак невысокого качества товара, служба которого будет недолгой, и желаемой экономии не будет. Покупать товар лучше известного производителя, предпочтительнее – европейского.