В 1930 году Марчелло Стефано фон Пирани (1880–1968), возглавлявший исследовательский центр компании Osram, сообщил о создании натриевой лампы низкого давления (НЛНД). Такие лампы имели весьма высокую световую отдачу, что позволяло использовать их для наружного освещения. Единственным недостатком НЛНД являлся их желтый свет (с длиной волны λ = 589,0 и 589,6 нм). При изготовлении натриевой лампы низкого давления пришлось решить целый ряд сложных инженерных задач, наиболее серьезные из которых были связаны с необходимостью защиты стекла от разрушающего действия горячих паров натрия. С этой целью Пирани создал рецептуру боросиликатного стекла, обеспечившего приемлемую долговечность работы натриевой горелки. В США интерес к НЛНД был быстро утрачен в связи с успешными работами над металлогалогенными лампами (МГЛ – рис. 6 на с. 69, в центре), появившимися на потребительском рынке в 1960-х годах. В нашей стране НЛНД никогда не использовались для нужд освещения, однако в Европе до сих пор НЛНД массово применяются для освещения, в частности автомобильных тоннелей. Для них η → 200 лм/Вт (при мощности 18–185 Вт), и это практически предельная для данного вида ИС величина. Металлогалогенные лампы – результат дальнейшего этапа развития ламп типа ДРЛ. Но для повышения эффективности в этих лампах вместо люминофора, излучение которого восполняло «провалы» в спектре излучения ртути, используются добавки галогенпроизводных некоторых металлов (натрия, свинца, кобальта, индия, а также редкоземельных элементов – талия, лантана и др.), вводимые в колбу. Принцип действия МГЛ был предложен в 1911 году Чарлзом Протеусом Штейнмецем (1865–1923), однако освоение их производства, начатого в 1962 году, потребовало создания новой отрасли промышленности, выпускавшей особо чистые галогениды металлов, а также разработки технологии дозирования этих гигроскопичных материалов в горелку лампы.
Конкуренцию МГЛ составили натриевые лампы высокого давления (НЛВД, выпускаемые в нашей стране под марками ДНаТ, ДНаС, ДНаМТ, ДнаЗ, – рис. 6 на с. 69, справа). Они имеют наиболее высокую световую отдачу из всех существующих ИС, однако, как и НЛНД, светят ярким желтым светом. Поэтому их основное назначение – освещение улиц и промышленных предприятий (ДНаС-18 использовалась как спектральный источник).
Способствовало массовому внедрению НЛВД в практику обнаружение того факта, что при освещении объекта такими лампами внимание наблюдателя существенно активизируется, что влияет на повышение безопасности движения и производства. Натриевая лампа высокого давления – наиболее эффективный с энергетической точки зрения источник света. Первые практически пригодные образцы НЛВД были созданы в 1965 году Уильямом Лоуденом и Куртом Шмидтом в компании GE.
В начале 1980-х годов производители ИС сообщили о выпуске первых компактных ЛЛ (КЛЛ – рис. 7 на с. 71). Появлению этих ламп предшествовал огромный объем работ: создание высокоэффективных и стойких люминофоров на основе соединений редкоземельных элементов, разработка малогабаритных пускорегулирующих аппаратов (ПРА). В наши дни КЛЛ все более широко внедряются взамен ЛН в осветительных установках (ОУ) жилых, общественных и производственных зданий. Освоение массового производства дешевых и надежных миниатюрных высокочастотных пускорегулирующих аппаратов на полупроводниковых элементах также способствовало успешному внедрению таких ламп.
Популярность КЛЛ непрерывно растет ввиду их экономичности, относительной дешевизны и функциональности. Так, в период 1990– 1997 годов мировой объем продаж КЛЛ вырос в семь раз, превысив 350 млн шт. в год.
Последним достижением в разработке энергоэффективных разрядных ИС стало создание в 1990– 1991 годах серных ламп (СЛ). Этот принципиально новый источник света, созданный Майклом Ури и Ли Андерсоном, представляет собой герметичную сферическую кварцевую колбу без каких-либо токоведущих частей, заполненную аргоном и порцией серы. Подвод энергии к лампе производится электромагнитным полем сверхвысокой частоты (порядка 2,75 ГГц). Иными словами, лампа словно помещается в микроволновую печь. Для СЛ η достигает 100 лм/Вт, что сравнимо с η МГЛ, а спектр ее излучения близок к солнечному.
Однако сложность конструкции осветительных установок с серными лампами не позволяет им получить значительного распространения. В настоящее время в мире сооружено незначительное число таких ОУ, размещенных большей частью в крупных торговых центрах.
Внедрение серной лампы возродило канализацию света, реализованную более века назад для распределения в пространстве светового потока ДЛ. Мы привыкли к канализации электрической энергии, передаваемой по проводам. Применение же единичных источников света высокой мощности вынуждает использовать трубчатые световоды с многочисленными отражателями, передающие свет в различные точки помещений.
Наконец, нужно упомянуть еще один вид разрядных ламп – дуговые ксеноновые лампы (КЛ) высокого и сверхвысокого давления. Интересной особенностью одной из модификаций таких ламп является возможность работы без балластного дросселя. Первая безбалластная лампа была создана в 1961 году под руководством Иммануила Самуиловича Маршака (1917–1977), видного советского светотехника, сына известного поэта. В настоящее время различные виды КЛ применяются для освещения больших территорий, для кинопроекции, а также все более широко используются в автомобильных фарах (рис. 8). Главные преимущества ксеноновой лампы – практически непрерывный спектр от ультрафиолетового (порядка 200 нм) до инфракрасного (ок. 2000 нм) диапазона и исключительно высокое качество цветопередачи. Советскими светотехниками были разработаны уникальные лампы, например имитаторы солнца мощностью 55 и 70 кВт.
Параллельно с развитием газоразрядных источников света шло развитие ламп накаливания. На начальном этапе развития электричества одни ученые заметили возможность использования электрической дуги для освещения, другие обратили свое внимание на не менее интересный факт: при протекании электрического тока через проводник, его температура сильно повышается, проводник накаляется и тоже излучает свет.
Об истории развития ламп накаливания читайте в нашей следующей статье.
Русский свет
Осенью 1874 года император Александр II собирался ехать железной дорогой на юг. После покушения Каракозова, совершенного в 1866 году, безопасности царя уделялось особое внимание, поэтому Яблочкову, служившему в то время начальником службы телеграфа Московско-Курской железной дороги, было поручено организовать освещение железнодорожного пути. Двое суток изобретатель провел на платформе, прицепленной перед паровозом, управляя вручную регулятором, сдвигавшим угли дуговой лампы.
В 1876 году на Лондонской выставке впервые появляется необычный экспонат – «свеча Яблочкова». А в Париже, где в то время работал изобретатель, свеча произвела фурор. Инженер и предприниматель Луи Денейруз создал акционерную компанию с уставным капиталом 7 млн франков, которая начала массовое производство свечей – до 8 тыс. штук в день. В 1881–1882 годах такая же компания создается в Англии. Толпы парижан собирались вечерами на площади и улице Оперы, чтобы увидеть «русское солнце», «русский свет», сообщениями о котором пестрили газеты. Это были 32 дуговых фонаря на протяжении 1000 м, причем питали их всего две динамо-машины.
«Свеча Яблочкова» стала гвоздем Всемирной выставки в Париже в 1878 году. Ученый выступал с докладами о своем изобретении. Каждый из дуговых фонарей был украшен надписью «Яблочков» по-французски.
«Русский свет» нашел свое место и в России. По заказам Курско-Киевской и Курско-Харьковской железных дорог Яблочков разработал комплекты светильников для локомотивов и пассажирских вагонов. Весной 1879 году была сооружена пробная осветительная установка на Дворцовом мосту в Петербурге. Затем дуговыми свечами стали освещаться многие объекты.
Почему 220? Почему 380?
Даже привычное нам напряжение электрической сети 220 В обязано своей величиной... дуговым свечам. Опытным путем было выяснено, что оптимальным для питания свечи является напряжение 45 В. Для уменьшения тока короткого замыкания, возникающего в момент зажигания ламп, а также повышения устойчивости их горения, последовательно с ними включалось балластное сопротивление, падение напряжения на котором равнялось примерно 20 В. Таким образом, напряжение питания составляло 65 В, и этот показатель держался в сетях электрического освещения достаточно долго (рис. 3, а). Затем все чаще стали включать в цепь по две ДЛ последовательно с общим балластным сопротивлением (рис. 3, б). При этом напряжение питания такой цепи составляло 2 Ч 45 В + + 20 В = 110 В. Это напряжение было почти повсеместно принято в качестве стандартного для осветительных сетей. В 1882 году Джоном Гопкинсоном и одновременно с ним Томасом Алва Эдисоном была предложена трехпроводная схема распределения электрической энергии (рис. 3, в), в которой два генератора G1 и G2 соединялись последовательно, и от их средней точки шел третий – нейтральный, или компенсационный провод. Такая схема позволяла повысить напряжение сети, а значит, уменьшить сечение проводов и потери напряжения в них. Лампы включались на 110 В, а электродвигатели – на 220 В. Позднее были созданы лампы на напряжение 220 В, которыми мы пользуемся по сей день.
В трехфазных сетях переменного тока напряжение 220 В было принято в качестве линейного; при этом величина фазных напряжений составляла В (сети 220/127 В). В дальнейшем появились трехфазные сети с фазным напряжением 220 В и линейным 380 В (сети 380/220 В). Так светотехника повлияла на развитие электроэнергетики. Подобных примеров можно привести очень много.
Список литературы
Вывески № 7 (85), ИЮЛЬ, 2007 г.