Основні причини відмов у роботі ламп розжарювання
Найчастіше відмови ЛР бувають викликані руйнуванням тіла розжарювання і перш за все через його перегорання. Перегорання тіла розжарювання як у вакуумі, так і в газі у більшості випадків є наслідком прискореного розпилювання вольфраму в дефектних місцях тіла розжарювання, де температура вища, ніж на решті його ділянок. При цьому тіла розжарювання найчастіше перегорають після втрати ними певної маси, яка називається критичною втратою маси (qкр)
де Go і Gτ - відповідно значення маси тіла розжарювання в новій лампі і у тій, що відпрацювала до відмови. Критичну втрату маси qкр, якщо вона визначена у процентах, називають критичним процентом втрати маси. Для вольфрамових ниток, які працюють у вакуумі, критична втрата маси становить 11...20 %, а в газі - 5...10 %.
Основними дефектами тіл розжарювання є такі: дефекти діаметра (місцеві стоншування ниток розжарювання), дефекти коефіцієнта кроку спіралі кк і дефекти питомого електричного опору.
Дефекти діаметра найчастіше виникають при виготовленні вольфрамової нитки (дроту) протяжкою крізь діамантові чи побідитові філь’єри і пов’язані з нерівномірністю ходу волочильних машин.
Дефектом коефіцієнта кроку спіралі називають відношення значення цього коефіцієнта на дефектній ділянці до його середнього значення.
При наявності дефектів коефіцієнта кроку окремі витки спіралі можуть дуже наближатися один до одного і в місцях їхнього зближення температура спіралі підвищується, збільшуючи інтенсивність випаровування вольфраму в цих місцях. Дефекти коефіцієнта кроку спіралі можуть бути пов’язані з неточністю виготовлення спіралей на машинах, вони з’являються при монтажі спіралей, а також виникають при їхньому провисанні в процесі світіння ламп. Виникненню дефектів кроку спіралі сприяють поштовхи і стрясіння ламп, яких вони нерідко зазнають в процесі транспортування і експлуатації.
Дефекти питомого електричного опору можуть бути пов’язані з неоднорідністю складу тіла розжарювання, а також з наявністю в ньому місцевих вкраплень різних забруднень.
Дефектні ділянки тіла розжарювання через дуже малу довжину аж до самого перегорання майже не впливають на загальний електричний опір тіла розжарювання, а значить, і на струм лампи. В той же час через більший електричний опір, ніж у інших ділянок, вони порівняно з ними при однаковому струмі мають вищу температуру, а значить, і більшу швидкість випаровування вольфраму.
Через більшу інтенсивність випаровування перегрітих ділянок тіл розжарювання діаметр їхніх ниток зменшується швидше, ніж у інших. Тому електричний опір їх зростає і температура підвищується ще більше. Через деякий час нитка на дефектній ділянці уже стане настільки тонкою, що відбудеться її розрив, або вона на цій ділянці буде повністю випарувана. У лампі ж із ідеальною вольфрамовою ниткою, температура якої на всіх її ділянках однакова, стоншення нитки розжарювання по всій довжині відбувається з однаковою швидкістю, тому опір її поступово зростає і струм лампи зменшується. Відповідно зменшується і потужність лампи і така нитка розжарювання ніколи не буде перегорати.
Причиною перегорання нитки розжарювання газонаповнених ламп іноді може бути й іонізація наповнюючого газу, яка спричиняє виникнення в них дугового електричного розряду. Для зменшення імовірності утворення дуги, крім конструкційних заходів (збільшення відстані між електродами, збільшення відстані між витками вольфрамової спіралі і т. ін.) в лампи, як уже було зазначено раніше, додають дозовану кількість азоту. Крім цього виключають можливість попадання в лампу при її виготовленні забруднень, особливо лужних, що мають відносно невеликий потенціал іонізації.
Виникненню дугових розрядів в ЛР сприяють підвищення напруги в електричній мережі (перенапруження). Зазвичай напруга в електричній мережі підвищується в нічний час, коли вимикається цілий ряд споживачів електроенергії. Вона також може короткочасно підвищуватися під час виникнення в мережі перехідних процесів, зокрема, під час вмикання потужних електродвигунів. Для нових ЛР напруга, при якій в лампах можливе утворення дугового розряду, звичайно перевищує номінальну в 1,6-1,8 разів. У лампах, що експлуатуються, дугові розряди можуть виникати при значно менших підвищеннях напруги (лише на 15-20 %), а в окремих випадках (в умовах важкого теплового режиму) і при номінальній напрузі.
Виникнення дугових розрядів в ЛР є однією з найпоширеніших причин їхньої пожежонебезпечності при виході з ладу. При виникненні дуги між електродами вони дуже нагріваються і оплавляються, що може призвести до вибуху колби через надмірне підвищення тиску газового середовища в ній або через розбризкування розжарених пожежонебезпечних частинок електродів (крапель) на стінки колби, а після її руйнування за межі лампи.
Статистичні дані свідчать, що у понад 50 % випадків у газонаповнених лампах перегорання тіл розжарювання відбувається поблизу тримачів та електродів.
Методичні вказівки
Вивчаючи матеріал, який викладений у цьому розділі, треба добре засвоїти наступне. Мала світлова віддача та відносно короткий строк служби існуючих теплових джерел світла зумовлені перш за все низькою порівнянно з температурою Сонця температурою плавлення вольфрамових тіл розжарювання та досить великою швидкістю випаровування вольфраму при робочій температурі тіл розжарювання.
Широке розповсюдження ЛР знаходять завдяки своїй простоті, невисокій вартості та зручності в експлуатації. Проте неухильне підвищення вартості електроенергії дуже негативно впливає на доцільність подальшого використання існуючих конструкцій теплових джерел світла.
Наповнення колб ЛР інертними газами та підвищення їхнього тиску зменшують швидкість випаровування вольфраму і дають можливість дещо підвищувати допустимі значення робочої температури тіл розжарювання, а разом з цим - і світлову віддачу ЛР. Але в заповнених газами колбах виникає конвективне перенесення тепла, яке збільшує втрати потужності в ЛР, і для компенсації цих додаткових втрат потрібно збільшувати потужність, яку споживають ЛР.
Вищу порівняно з вакуумними ЛР світлову віддачу газонаповнені ЛР мають завдяки тому, що з підвищенням температури тіл розжарювання світловий потік ЛР зростає швидше, ніж потужність, яку споживають ЛР.
Дуже негативно впливає на строк служби ЛР поступова втрата їхніми колбами прозорості через наліт, який накопичується на внутрішній поверхні колб внаслідок осідання на ній частинок вольфраму, що випаровується. Зменшують густину цього нальоту для подовження строку служби ЛР збільшенням розмірів колб. Але найефективнішим способом збереження прозорості колб є використання в ЛР галогенного циклу. Він дає можливість в багато разів зменшити розміри колб і за рахунок цього істотно підвищити в них тиск газів. Тому температура тіл розжарювання в ГЛР може бути вищою, ніж у звичайних газонаповнених ЛР, і вони порівняно з ними мають більшу світлову віддачу, довший строк служби або одну з цих переваг, але більшою мірою.
Передчасні відмови ЛР найчастіше пов’язані з надмірними підвищеннями температури їхніх тіл розжарювання в дефектних місцях, виникненням в колбах дугових розрядів і підвищенням напруги в мережі живлення.
Утворення дугового розряду є і однією з головних причин пожежної небезпеки ЛР.
Запитання для самоперевірки
- Назвіть основні позитивні якості та недоліки теплових джерел світла. Чому теплові джерела світла мають малу світлову віддачу і відносно малий строк служби?
- Назвіть основні частини ЛР. З яких матеріалів їх виготовляють? Чому вводи ЛР часто виготовляють дво- і триланковими?
- Назвіть основні фізичні процеси і фактори, що визначають тривалість роботи ЛР. Якими строками служби зазвичай характеризують тривалість роботи джерел світла?
- Якими шляхами зменшують інтенсивність випаровування вольфрамових тіл розжарювання?
- Які гази використовують для заповнення ЛР і з яких міркувань їх вибирають? Чому при наявності в ЛР газового наповнення інтенсивність випаровування тіл розжарювання зменшується? Чому азот в ЛР використовують лише як домішок? З яких міркувань вибирають значення тиску газів в ЛР?
- Чому газонаповнені ЛР мають більшу світлову віддачу, ніж вакуумні, хоч теплові втрати потужності у них більші?
- Для чого в газонаповнених ЛР використовують замкнутий галогенний цикл та при якому температурному режимі він виникає?
- Завдяки чому ГЛР мають довший строк служби, вищу світлову віддачу і набагато менші розміри, ніж звичайні газонаповнені лампи? Чому повернення випареного вольфраму на тіло розжарювання, що відбувається під час галогенного циклу, не збільшує строку служби цих ламп? Назвіть основні недоліки ГЛР порівнянно із звичайними газонаповненими лампами.
- Чому різко скорочується строк служби довгих лінійчастих ГЛР при тривалій експлуатації їх в нахиленому і вертикальному положеннях?
- Як впливають відхилення напруги живлення від номінальної на потужність, світловий потік, світлову віддачу і строк служби ЛР? Які співвідношення складені для оцінки цього впливу?
- Назвіть основні дефекти тіл розжарювання і причини виходу з ладу ЛР. Чому в дефектних місцях тіл розжарювання спостерігається прискорене розпилювання вольфраму?
- З якою метою в газонаповнені ЛР додають дозовану кількість азоту? Які фактори сприяють виникненню дугових розрядів в ЛР?
- Чому виникнення дугових розрядів в ЛР є пожежонебезпечним? Яку роль виконує тонкий поміднений феронікелевий дротик, що впаюється в один із виводів ЛР?
- Чому ідеальна вольфрамова нитка в ЛР ніколи не перегорає?
- Які дві ознаки лежать в основі класифікації теплових джерел світла та як вони маркуються? Які назви мають основні типи теплових джерел світла? Як маркують ГЛР?
- На яких основних положеннях базується інженерний метод розрахунку ЛР? Які дані при розрахунку є вихідними, а які підлягають визначенню?