Основні причини відмов і скорочення строку служби розрядних ламп
Найхарактернішими причинами відмов РЛ залежно від їхнього типу можуть бути:
- підвищення напруги запалювання ламп через руйнування електродів і погіршення їхніх емісійних властивостей у процесі роботи;
- почорніння колб (трубок), які спричинюються розпилюванням і осаджуванням на колбах (трубках) матеріалу електродів і призводять до зменшення світлового потоку ламп нижче за допустимий;
- руйнування фольгової частини вводів через їхнє окислювання і руйнування металевокерамічних вводів;
- порушення вакуумної щільності розрядних трубок і колб;
- кристалізація кварцових колб і трубок, яка посилюється при збільшенні тривалості роботи при високій температурі;
- електричні пробої по внутрішній поверхні колби при її забрудненні матеріалами електродів і запалюванні ламп імпульсами високої напруги і високої частоти.
До процесів, які руйнують електроди РЛ і найбільше впливають на строк їхньої служби, в першу чергу відносяться: розпилювання і розбризкування матеріалу катода під дією бомбардування позитивними іонами з досить великою енергією; випаровування матеріалу електродів при нагріванні до високої температури; руйнування поверхні електродів під дією електричної дуги з великою густиною струму і при значних пульсаціях струму; перенесення матеріалу анода на катод, яке має істотне значення при дугових розрядах з високими густинами струму і при малих відстанях між електродами.
Розпилювання і розбризкування матеріалу катода під дією бомбардування позитивними іонами є найпомітнішим при тліючому розряді, коли значення різниці потенціалів біля катода досить високі, а тиск газів, які наповнюють розрядні трубки РЛ, досить малий.
Випаровування матеріалу електродів через нагрівання має суттєве значення в лампах дугового розряду при підвищених значеннях густини струму на електродах. Особливо інтенсивно руйнуються електроди в нестаціонарних режимах роботи ламп, які супроводжують формування розряду безпосередньо біля електродів, а також при зміні теплового стану електродів (запалювання розряду, робота ламп в імпульсному і пульсуючому режимах і т. ін.). Тому строк служби РЛВТ і РЛНВТ при неперервному горінні часто в 1,5 рази перевищує установлений середній строк.
На строк служби РЛ з активованими електродами дуже впливає привісок (запас) окисного покриття на електродах і швидкість його витрачання в процесі експлуатації. Фактичний привісок окисного покриття у різних РЛ може значно розрізнятися. Швидкість його витрачання значно залежить від частоти і кількості вмикань ламп, оскільки кожне вмикання РЛ супроводжується підвищенням різниці потенціалів біля катода, в зв’язку з чим посилюється бомбардування його поверхні позитивними іонами і, як наслідок, зростає швидкість розпилювання покриття електродів. Вольфрам, нагрітий до температури 1000...2100 К, починає помітно розпилюватися, коли кінетична енергія іонів ртуті, що його бомбардують, дорівнює приблизно 35 еВ. Плівка лужноземельних матеріалів на вольфрамі помітно руйнується вже при кінетичній енергії іонів ртуті, що її бомбардують, 12...14 еВ. Мінімальне катодне падіння напруги, при якому катодне розпилювання майже не спостерігається, істотно залежить від виду наповнюючого газу та властивостей поверхні катода. Коли оксидні катоди працюють у неоні, це падіння складає приблизно 27 В, в аргоні - 25 В, а в парі ртуті - 14...20 B. Для зниження катодного розпилювання у процесі виготовлення електродів усувають усі гострі краї та задирки, тому що напруженість електричного поля навколо них значно збільшується.
Зменшення строку служби лампи в розрахунку на одне вмикання називають ціною вмикання. У лампах високої інтенсивності з самопідігрівним катодом стадія посиленого катодного розпилювання триває декілька хвилин, а іноді - значно довше. Коли тільки починається запалювання лампи і її електроди ще не нагрілись до необхідної температури, термоелектронна емісія з їхніх поверхонь недостатня. Тому різниця потенціалів біля катоду може перевищувати 100 В і бомбардування його позитивними іонами є особливо руйнівним. Ще дужче збільшують втрати електродами окисного покриття короткочасні піки напруги на лампах, які при живленні ламп від джерела змінного струму спричинюються їхнім перезапалюванням у кожну половину періоду.
Розпилювання окисного покриття електродів при запалюванні та світінні ламп відбувається найбільше в області катодної плями, яка в міру витрачання окису переміщується по катоду і оголює його металевий керн. Залежно від того, як швидко переміщується ця пляма по поверхні катода під час експлуатації лампи, певною мірою можна судити про можливу тривалість роботи цієї лампи надалі.
Деяке уявлення про можливий строк служби ЛЛ дає швидкість утворення на кінцях трубок ламп біля електродів темного нальоту. Так, виникнення на будь-якій ЛЛ значного нальоту вже після 1000...1500 год її горіння свідчить про підвищену швидкість розпилювання електродів у ній і відповідно про її низький строк служби. Коли на одному з електродів окисне покриття майже повністю витрачається, лампа перестає запалюватися через різке погіршення емісійних властивостей цього електрода в його катодний період роботи.
Люмінесцентні лампи протягом усього строку служби, за винятком перших десятків годин світіння, мають майже незмінні значення струму і напруги. Майже однаковими протягом строку служби залишаються у них і напруга, і тривалість запалювання. Але незадовго до виходу лампи з ладу значення напруги її горіння і запалювання різко підвищуються. Лампа важко запалюється і знову гасне. Найчастіше ЛЛ виходять з ладу саме через те, що вони перестають запалюватися, коли витрачене окисне покриття електродів. Відмови порівняно невеликої частини цих ламп бувають спричинені перегоранням та обриванням їхніх спіралей і мають, як правило, випадковий характер.
Строк служби трубчастих РЛ часто визначається станом кварцової колби, яка у них є найвразливішим місцем. Під дією високої температури, яку має колба працюючої лампи високого тиску, відбувається кристалізація кварцу, яка призводить до зменшення міцності та прозорості колби. На інтенсивність кристалізації кварцової колби, крім рівня температури, також впливають технологія виготовлення кварцу, наявність у колбі бульбашок, завилькуватостей і різних домішок.
До факторів, які також істотно впливають на строк служби РЛ, відносяться: тиск наповнюючого газу і його чистота, якість вакуумної обробки електродів і ламп у процесі виготовлення, кількість ртуті, збільшення чи зменшення струму порівняно з його номінальним значенням і форма кривої струму, температура навколишнього повітря і його вологість, умови охолодження і т. ін.
У різних ЛЛ, наприклад, розкид тиску інертного газу може досягати 10...15 %. Розкид строків служби однотипних ЛЛ через погіршення захисту електродів від ударів позитивними іонами при зменшенні тиску інертного газу може іноді досягати 50 %. До значного зниження тиску в лампах з малою кількістю газу може призвести поглинання атомів газу електродами та склом колб. Називають це явище жорсткуванням. Через жорсткування лампа може передчасно вийти з ладу, оскільки напруга її запалювання може стати більшою за напругу живлення, що є наслідком недостатності молекул газу для існування розряду.
Особливо помітно скорочують строк служби РЛ домішки в газі, які вміщують кисень і водень. Це пояснюється тим, що домішки, які вміщують кисень, отруюють окисні покриття електродів, а домішки, що вміщують водень, - підвищують напругу запалювання (її піки при повторному запалюванні). Отруєння окисних покриттів спричиняє різке погіршення емісійних властивостей електродів. Форма кривої струму впливає на строк служби РЛ таким чином: чим більшим є коефіцієнт амплітуди кривої струму та крутішим її фронт, тим меншим стає строк служби ламп. Так, коли коефіцієнт амплітуди дорівнює 1,7, строк служби ЛЛ складає 95 % строка служби при синусоїдальній формі струму, при якій коефіцієнт амплітуди, як відомо, дорівнює 1,41. При збільшенні коефіцієнта амплітуди кривої струму до двох строк служби ЛЛ вже зменшується на 30 -40 %.
При підвищенні напруги електричної мережі строк служби РЛ скорочується значно менше, ніж у ЛР. Так, при збільшенні напруги електричної мережі на 20 % строк служби ЛЛ, які працюють сумісно з дроселем, скорочується приблизно на 50 %, а у ЛР - більше ніж у 10 разів. При зменшенні напруги мережі до певного рівня РЛ гаснуть.
Строк служби ІЛ значно залежить від загальної кількості спалахів, яка для них нормується. Для фотоосвітлювальних і сигнальних ІЛ допустима загальна кількість спалахів визначається зниженням їхнього світлового потоку в процесі експлуатації на 30 %. Відмови в роботі ІЛ нерідко можуть бути спричинені руйнуванням їхніх колб через збільшення нерівномірності нагрівання колб при збільшенні тривалості їхньої роботи.
Частинки електродів, які відірвались від них в процесі роботи ламп, утворюють напівпрозорий шар (наліт), щільність якого на різних ділянках внутрішньої поверхні колб може дуже розрізнятися. Цей нерівномірно розподілений наліт зменшує коефіцієнт пропускання випромінювання колб і тому збільшує нерівномірність їхнього нагрівання. Одночасно він збільшує перепад температури по товщині колби і відповідно внутрішні напруження в колбах, які прискорюють їхнє руйнування. У потужних трубчастих ІЛ із кварцовими колбами внаслідок випаровування кварц переноситься з ділянок, нагрітих до високої температури, на менше нагріті ділянки, через що міцність колб знижується, а нерівномірність їхнього нагрівання збільшується. При збільшенні перепаду температури по товщині колб на їхній внутрішній поверхні утворюються мілкі тріщинки, кількість яких поступово збільшується, а їхні розміри зростають. Це може навіть спричинити вибух лампи під час створення нею спалаху. У капілярних ламп випаровування кварцу може призвести до недопустимої зміни діаметра трубки на ділянках з інтенсивним випаровуванням.
Дуже впливають на строк служби РЛ тип і параметри ПРА, оскільки вони визначають умови їхнього запалювання і роботи. Тому правильний вибір ПРА для забезпечення оптимальних умов роботи ламп і подовження строку їхньої служби має першочергове значення.