Євген Авдоніна
Відкриття електрики ознаменувало нову еру в історії джерел світла. Розвиток пішло по двох напрямах: одні грунтувалися на світінні електричної дуги, інші - на термічному дії електричного струму. У цій статті мова піде про газорозрядних джерелах світла, до яких відносяться дугові лампи і лампи тліючого розряду.
У 1802 році російський фізик Василь Володимирович Петров (1761-1834), зайнявшись дослідженнями в новій тоді області - електриці, побудував гігантську гальванічну батарею. Його «вольтів стовп», поміщений в дерев'яні ящики, складався з 2,1 тис. пар мідних і цинкових кружков1. За допомогою цієї батареї Петров поставив чимало дослідів, але один з них назавжди запам'ятала його ім'я в історії науки. Розімкнувши два вугільних стержня, приєднаних мідними провідниками до батареї, вчений був вражений «дуже яскравим білого кольору світлом», який спалахнув між вугіллям. Так вперше була отримана електрична дуга.
Знайти застосування
Вже в першій половині XIX століття стали робитися спроби використання електричної дуги для освітлювальних потреб. Електричне світло залишався дорогим, оскільки ще не було дешевого і надійного джерела енергії (генератора), і не надто надійним - вугільні електроди досить швидко згорали в полум'ї дуги, а відстань між ними доводилося підтримувати вручну. Однак найважливіші переваги електричного світла - висока яскравість і білизна - спонукали вчених і інженерів до нових експериментів.
Перша практично придатна конструкція дугової лампи (ДЛ) була створена французьким фізиком Жаном Бернаром Леоном Фуко (1819-1868) в 1844 році. У Росії ж справжню революцію у висвітленні зробив винахідник Павло Миколайович Яблочков (1847-1894). У 1870-х роках він зайнявся дослідженнями в галузі електротехніки. Результати робіт були блискучими - Яблочков з успіхом вирішив дві найважчі проблеми, які гальмували розвиток електричного освітлення.
Перша полягала в тому, що від одного джерела струму вдавалося живити тільки одну дугову лампу. Особливості роботи дугових джерел світла (ІС) не дозволяли включати їх паралельно, а послідовне включення було неможливо через необхідність одночасного запалювання ламп. Вченому вдалося впоратися з проблемою c допомогою створених незадовго до цього індукційних котушок - перше трансформаторів, завдяки яким він зумів гальванічно розв'язати ланцюг генератора від ланцюгів ламп та забезпечити незалежність роботи кожної лампи (рис. 1 на с. 66).
Друга проблема стала очевидною в ході організації освітлення залізничної колії Московсько-Курської залізниці в 1874 го ду. Досвід показав, що основним завданням вдосконалення джерел світла повинно було стати регулювання зазору між вугіллям. Якщо вугілля згорали і зазор ставав занадто великий, лампа гасла. Якщо ж зазор опинявся занадто маленьким, падала яскравість світіння, а дуга ставала нестабільною. Чого тільки не вигадували конструктори: вугілля зближувалися годинниковим механізмом з ходовим гвинтом, електродвигуном, електромагнітом. Останні конструкції були відносно вдалі, що дозволило їм дожити до середини XX століття. Але ідея Яблочкова виявився воістину геніальною і разом з тим простий - він помістив вугілля паралельно один одному, розділивши їх тонкої ізолюючої прокладкою з каоліну (рис. 2). Тепер вугілля згорали одночасно, і свічка горіла цілий вечір без будь-яких регуляторів і інших пристосувань.
У кінці XIX століття з появою більш зручних в експлуатації ламп розжарювання (ЛН), мова про які піде в наступній статті, інтерес до дуговим лампам пішов на спад. Однак дослідники не зупинилися на досягнутому, вони почали використовувати інші форми електричного розряду в газах.
Лампа тліючого розряду
У 1858 році німецький механік і винахідник Генріх Гейслер (1814 - 1879) виготовив першу лампу тліючого розряду (ЛТР), придатну як для лабораторних експериментів, так і для цілей утилітарного та декоративного освітлення. Такі лампи отримали назву «трубок Гейслера».
Через 40 років після винаходу Гейслера співробітник Edison Electric Light Company (пізніше - General Electric Co. (GE) Даніель Мур (1869-1926) повернувся до цієї технології і запропонував абсолютно нову лампу. Не знайшовши підтримки керівника (на думку Едісона, лампа Мура була менше зручнішою в порівнянні з масово виробленими його фірмою лампами розжарювання), він залишив компанію Едісона і створив власну Moore Electrical Company, яка протягом ряду років успішно займалася виробництвом ламп Мура.
Лампа Мура, чи «світло Мура», представляла собою цілу установку, до її складу входила не тільки сама лампа і джерело електроживлення (індукційна котушка, або трансформатор), але і система, яка підтримувала незмінним тиск газу в лампі (рис. 4 на с. 68). Лампу виготовляли безпосередньо на місці експлуатації, збираючи її з скляних труб діаметром близько двох дюймів (приблизно 5 см) і довжиною до 10 футів (трохи більше 3 м). Максимальна довжина лампи досягала 250 футів (близько 76 м). Після монтажу з трубки відкачувався повітря, і під невеликим тиском її заповнювали азотом, який давав у тліючому розряді золотисто-жовте світіння, або вуглекислим газом (біле, близьке до денного світіння). Електричний струм протікав між електродами, упаяними по обох кінцях. Струм і тиск газу регулювалися за допомогою пристроїв, поміщених в камеру, в яку вводилися обидва кінці лампи. Напруга харчування могло досягати 25 кВ при струмі до 150 мА, потужність живлять трансформаторів становила 2-4 кВт.
Вуглекислий газ давав досить яскравий білий світло при світловій віддачі близько 10 лм / Вт - майже втричі більше, ніж у ЛН Едісона. Лампи Мура проводилися для комерційного застосування до 1910 року. У Штатах вони використовувалися досить широко, в невеликій кількості дісталися навіть до Росії (в Петербурзі експлуатувалися щонайменше дві подібні установки, одна з яких - у Ленінградському електротехнічному інституті (ЛЕТІ) - діяла до 1948 року). Після 1910 року, коли Вільям Девід Кулідж (1873-1975) створив лампу розжарювання з вольфрамовим тілом напруження, світлова віддача η якої також досягала 10 лм / Вт, компанію Мура збагнув крах.
Успіхи в розвитку виробництва і вдосконаленні конструкції лампи розжарювання, досягнуті на початку XX століття, послужили причиною відмови від практичного застосування лампи тліючого розряду. Новий сплеск інтересу до них був пов'язаний з роботами французького хіміка та інженера-підприємця Жоржа Клода (1870-1960), який у 1910 році запропонував використовувати ЛТР в трубчастої колбі для рекламного та декоративного освітлення.
Від металу до галогенів
У 1901 році американський інженер-електрик Пітер Купер-Хьюітт (1861-1921) створив перший промисловий зразок дугового ртутної лампи (рис. 5). Ртуть знижувала напругу запалювання і горіння при збільшенні яскравості дуги (світлової віддачі лампи). Лампа Хьюїтта давала яскравий, але не дуже приємний біло-зеленувате світло. Термін служби, а також світлова віддача цих ламп в порівнянні з ЛН були дуже високі. Для запалювання розряду лампу Хьюїтта потрібно було качнути, щоб ртуть, вільно переливається з колбі, замкнула електроди, а потім розірвала ланцюг. При цьому спалахувала дуга (на малюнку видно ртуть у кульках, видутих на кінцях колби лампи). Основними споживачами ламп Хьюїтта, який створив для їх виробництва власну компанію Cooper Hewitt Electric Company, стали фотоательє. Фотографія початку XX століття була чорно-білою, і висока освітленість об'єкту зйомки мала більше значення, ніж гарна передача кольору. У 1919 році GE купила компанію Хьюїтта, а в 1933-му почала випуск ртутних ламп кілька іншої конструкції.
У 1904 році керівник дослідницької лабораторії GE Чарльз Протеус Штейнмец (1865-1923) запропонував дугову лампу з металевими електродами. Такі лампи з η = 15-25 лм / Вт і τ = 50-200 год в США довгий час успішно конкурували з потужними ЛН.
На міжнародній виставці 1938 компанія GE продемонструвала перший люмінесцентну лампу (ЛЛ), в якій для виправлення кольоровості випромінювання дугового розряду в парах ртуті низького тиску використовувався шар люмінофора, перетворював ультрафіолетове випромінювання розряду у видиме.
Дослідні зразки вітчизняних ЛЛ створені під керівництвом Олексія Петровича Іванова (1904 - 1982), Сергія Івановича Вавілова (1891-1951) і Валентина Олександровича Фабриканти (1907-1991) в 1935-1936 роках, а до початку 1941-го була розроблена технологія промислового виробництва ЛЛ. Проте що почалася війна припинила ці роботи, і лише в 1948 році був пущений в експлуатацію Московський завод ламп денного світла, продукція якого відразу ж стала широко впроваджуватися в ужиток.
Масове захоплення економічними і довговічними люмінесцентними лампами стало причиною створення кількох екзотичних конструкцій світильників. Так, люстри з ЛЛ 15 Вт прикрашають багато станції Московського метрополітену та інтер'єри столичних висоток. У той же період були зроблені спроби використання ЛЛ для зовнішнього освітлення. Однак мала одинична потужність ламп (до 80 Вт) змушувала створювати складні багатолампові світильники, незручні в експлуатації, а в зимові морози лампи погано запалювалися. Тому від застосування їх у вуличному освітленні відмовилися досить швидко. Крім того, на початку 1950-х років з'явилися перші дугові ртутнолюмінофорние лампи (ДРЛ - рис. 6, ліворуч). У цих лампах тиск парів ртуті було істотно вище, ніж у ЛЛ, за рахунок чого при невеликих габаритах лампи мали значно більшу потужність. Габаритний ряд ДРЛ - 125, 250, 400, 700, 1000 Вт, пізніше доповнений лампами 50 Вт і 80 Вт, а також виробляють деякий час ДРЛ-2000, - випускається донині усіма великими світовими виробниками ІС. Сьогодні для ДРЛ-400 η ≈ 60 лм / Вт, а термін служби досягає 10-25 тис. ч. Дугові ртутно-люмінофорні лампи займають третє місце за обсягом випуску після ламп розжарювання та люмінесцентних ламп.
У 1930 році Марчелло Стефано фон Пірані (1880-1968), очолював дослідний центр компанії Osram, повідомив про створення натрієвої лампи низького тиску (НЛНД). Такі лампи мали досить високу світлову віддачу, що дозволяло використовувати їх для зовнішнього освітлення. Єдиним недоліком НЛНД був їх жовте світло (з довжиною хвилі λ = 589,0 і 589,6 нм). При виготовленні натрієвої лампи низького тиску довелося вирішити цілий ряд складних інженерних завдань, найбільш серйозні з яких були пов'язані з необхідністю захисту скла від руйнуючої дії гарячих парів натрію. З цією метою Пірані створив рецептуру боросилікатного скла, забезпечив прийнятну довговічність роботи натрієвої пальника. У США інтерес до НЛНД був швидко втрачено в зв'язку з успішними роботами над металогалогенними лампами (МГЛ - рис. 6 на с. 69, у центрі), що з'явилися на споживчому ринку в 1960-х роках. У нашій країні НЛНД ніколи не використовувалися для потреб освітлення, проте в Європі до цих пір НЛНД масово застосовуються для освітлення, зокрема автомобільних тунелів. Для них η → 200 лм / Вт (при потужності 18-185 Вт), і це практично гранична для даного виду ІС величина. Металогалогенні лампи - результат подальшого етапу розвитку ламп типу ДРЛ. Але для підвищення ефективності в цих лампах замість люмінофора, випромінювання якого заповнювало «провали» в спектрі випромінювання ртуті, використовуються добавки галогенпохідних деяких металів (натрію, свинцю, кобальту, індію, а також рідкоземельних елементів - талія, лантану та ін), що вводяться в колбу. Принцип дії МГЛ був запропонований у 1911 році Чарльзом Протеус Штейнмецем (1865-1923), однак освоєння їх виробництва, розпочатого в 1962 році, зажадало створення нової галузі промисловості, що випускала особливо чисті галогеніди металів, а також розробки технології дозування цих гігроскопічних матеріалів в пальник лампи .
Конкуренцію МГЛ склали натрієві лампи високого тиску (НЛВД, що випускаються в нашій країні під марками ДНаТ, ДНаС, ДНаМТ, ДнаЗ, - рис. 6 на с. 69, праворуч). Вони мають найбільш високу світлову віддачу з усіх існуючих ІС, однак, як і НЛНД, світять яскравим жовтим світлом. Тому їх основне призначення - освітлення вулиць та промислових підприємств (ДНаС-18 використовувалася як спектральний джерело).
Сприяло масового впровадження НЛВД в практику виявлення того факту, що при висвітленні об'єкта такими лампами увагу спостерігача істотно активізується, що впливає на підвищення безпеки руху та виробництва. Натрієва лампа високого тиску - найбільш ефективний з енергетичної точки зору джерело світла. Перші практично придатні зразки НЛВД були створені в 1965 році Вільямом Лоуденом та Куртом Шмідтом у компанії GE.
На початку 1980-х років виробники ІС повідомили про випуск першого компактного ЛЛ (КЛЛ - рис. 7 на с. 71). Появі цих ламп передував величезний обсяг робіт: створення високоефективних і стійких люмінофорів на основі сполук рідкоземельних елементів, розробка малогабаритних пускорегулювальних апаратів (ПРА). У наші дні КЛЛ все більш широко впроваджуються замість ЛН в освітлювальних установках (ОУ) житлових, громадських і виробничих будівель. Освоєння масового виробництва дешевих і надійних мініатюрних високочастотних пускорегулювальних апаратів на напівпровідникових елементах також сприяло успішному впровадженню таких ламп.
Популярність КЛЛ безперервно зростає через їх економічності, відносної дешевизни і функціональності. Так, в період 1990 - 1997 років світовий обсяг продажів КЛЛ виріс у сім разів, перевищивши 350 млн шт. на рік.
Останнім досягненням в розробці енергоефективних розрядних ІС стало створення в 1990 - 1991 роках сірчаних ламп (СЛ). Цей принципово нове джерело світла, створений Майклом Урі і Лі Андерсоном, являє собою герметичну сферичну кварцову колбу без будь-яких струмоведучих частин, заповнену аргоном і порцією сірки. Підведення енергії до лампи здійснюється електромагнітним полем надвисокої частоти (близько 2,75 ГГц). Іншими словами, лампа немов поміщається в мікрохвильову піч. Для СЛ η досягає 100 лм / Вт, що можна порівняти з η МГЛ, а спектр її випромінювання близький до сонячного.
Однак складність конструкції освітлювальних установок з сірчаними лампами не дозволяє їм отримати значного поширення. В даний час в світі споруджено незначне число таких ОУ, розміщених здебільшого у великих торгових центрах.
Впровадження сірчаної лампи відродило каналізацію світла, реалізовану понад століття тому для розподілу в просторі світлового потоку ДЛ. Ми звикли до каналізації електричної енергії, що передається по проводах. Застосування ж одиничних джерел світла високої потужності змушує використовувати трубчасті світловоди з численними відбивачами, передають світло в різні точки приміщень.
Нарешті, потрібно згадати ще один вид розрядних ламп - дугові ксенонові лампи (КЛ) високого і надвисокого тиску. Цікавою особливістю однієї з модифікацій таких ламп є можливість роботи без баластного дроселя. Перша безбаластною лампа була створена в 1961 році під керівництвом Іммануїла Самуїловича Маршака (1917-1977), видатного радянського світлотехніка, сина відомого поета. В даний час різні види КЛ застосовуються для освітлення великих територій, для кінопроекції, а також все більш широко використовуються в автомобільних фарах (рис. 8). Головні переваги ксенонової лампи - практично безперервний спектр від ультрафіолетового (близько 200 нм) до інфрачервоного (бл. 2000 нм) діапазону і виключно високу якість перенесення кольорів. Радянськими світлотехніків були розроблені унікальні лампи, наприклад імітатори сонця потужністю 55 і 70 кВт.
Паралельно з розвитком газорозрядних джерел світла йшов розвиток ламп розжарювання. На початковому етапі розвитку електрики одні вчені помітили можливість використання електричної дуги для освітлення, інші звернули свою увагу на не менш цікавий факт: при протіканні електричного струму через провідник, його температура сильно підвищується, провідник загострюється і теж випромінює світло.
Про історію розвитку ламп розжарювання читайте в нашій наступній статті.
Російський світ
Восени 1874 року імператор Олександр II збирався їхати залізницею на південь. Після замаху Каракозова, здійсненого в 1866 році, безпеки царя приділялася особлива увага, тому Яблочкова, який служив у той час начальником служби телеграфу Московсько-Курської залізниці, було доручено організувати освітлення залізничної колії. Дві доби винахідник провів на платформі, причепленою перед паровозом, керуючи вручну регулятором, зрушуючим вугілля дугової лампи.
У 1876 році на Лондонській виставці вперше з'являється незвичайний експонат - «свічка Яблочкова». А в Парижі, де в той час працював винахідник, свічка викликала фурор. Інженер і підприємець Луї Денейруз створив акціонерну компанію зі статутним капіталом 7 млн франків, яка почала масове виробництво свічок - до 8 тис. штук на день. У 1881-1882 роках така ж компанія створюється в Англії. Натовпи парижан збиралися вечорами на площі і вулиці Опери, щоб побачити «російське сонце», «російський світ», повідомленнями про який рясніли газети. Це були 32 дугових ліхтаря протягом 1000 м, причому живили їх всього дві динамо-машини.
«Свічка Яблочкова» стала цвяхом Всесвітньої виставки в Парижі в 1878 році. Вчений виступав з доповідями про свій винахід. Кожен з дугових ліхтарів був прикрашений написом «Яблочков» по-французьки.
«Російський світ» знайшов своє місце і в Росії. На замовлення Курсько-Київської та Курсько-Харківської залізниць Яблочков розробив комплекти світильників для локомотивів та пасажирських вагонів. Навесні 1879 році була споруджена пробна освітлювальна установка на Палацовому мосту в Петербурзі. Потім дуговими свічками стали висвітлюватися багато об'єктів.
Чому 220? Чому 380?
Навіть звичне нам напруга електричної мережі 220 В зобов'язане своєю величиною ... дуговим свічок. Досвідченим шляхом було з'ясовано, що оптимальним для живлення свічки є напруга 45 В. Для зменшення струму короткого замикання, що виникає в момент запалювання ламп, а також підвищення стійкості їх горіння, послідовно з ними включалося баластна опір, падіння напруги на якому дорівнювало приблизно 20 В. Таким чином, напруга живлення становило 65 В, і цей показник тримався в мережах електричного освітлення достатньо довго (рис. 3, а). Потім все частіше стали включати в ланцюг по дві ДЛ послідовно із загальним баластовим опором (рис. 3, б). При цьому напруга живлення такого ланцюга становило 2 Ч 45 В + + 20 В = 110 В. Це напруга була майже повсюдно прийнято в якості стандартного для освітлювальних мереж. У 1882 році Джоном Гопкінсоном і одночасно з ним Томасом Едісоном Алва була запропонована трьохпровідна схема розподілу електричної енергії (рис. 3, в), в якій два генератори G1 і G2 з'єднувалися послідовно, і від їхньої середньої точки йшов третій - нейтральний, або компенсаційний провід . Така схема дозволяла підвищити напругу мережі, а значить, зменшити перетин проводів і втрати напруги в них. Лампи включалися на 110 В, а електродвигуни - на 220 В. Пізніше були створені лампи на напругу 220 В, якими ми користуємося донині.
У трифазних мережах змінного струму напруга 220 В було прийнято в якості лінійного; при цьому величина фазних напруг становила В (мережі 220/127 В). Надалі з'явилися трифазні мережі з фазною напругою 220 В і лінійним 380 В (мережі 380/220 В). Так світлотехніка вплинула на розвиток електроенергетики. Подібних прикладів можна навести дуже багато.
Список літератури
Вивіски № 7 (85), ЛИПЕНЬ, 2007 р.