Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
1.2. Электродвигатели Простейшим преобразователем электрической энергии в механическую можно считать электромагнит – катушку изолированного провода с 17 железным сердечником. Электромагнит с сердечником подковообразной формы и двумя обмотками показан на рис. 16. Рис. 16. Электромагнит Когда по обмоткам пропускают ток, сердечник приобретает свойства магнита, а при отключении тока утрачивает их. Эта конструкция практически полностью повторяет предложенную англичанином Сте́рдженом в 1825 году и считающуюся первым в мире электромагнитом. Электромагниты широко применяются в технике. Они приводят в действие пускатели в электрических цепях и другие коммутационные устройства, выполняют простую механическую работу. Всем знакомы кодовые замки или двери подъездов, оборудованных домофонами. Первый магнит работал от постоянного тока, направление которого не имело значения. Это и в наше время самый распространенный тип электромагнита. Он называется нейтральным. Есть поляризованные электромагниты, принимающие одно из двух фиксированных положений. На рис. 17 изображен постоянный магнит, расположенный в зазоре магнитопровода. Такая конструкция называется поляризованным электромагнитом. Магнитопровод электромагнита пост. 18 Рис. 17. Поляризованный электромагнит Взаимодействие постоянного магнита с индуцированным магнитным полем зависит от полярности протекающего по обмоткам тока. Магнит переместится к одному из полюсов, а после выключения тока останется там за счет собственного магнетизма. Если, к примеру, такой электромагнит использовать в электрическом замке, то он может сколько угодно оставаться в любом из двух положений. Поляризованные электромагниты применяются во всевозможных системах дистанционного управления. Все вышеописанные конструкции предполагают питание постоянным током. А что будет, если на катушку электромагнита подать переменное напряжение? Для притяжения железа направление тока в обмотке не имеет значения, но пульсации магнитного потока создают определенные сложности. Предположим, что электромагнит работает в составе реле, то есть притягивает якорь. Если реле миниатюрное, то якорь имеет малую инерцию и пульсирующий магнитный поток приведет к его ощутимой вибрации, хорошо слышимой. Более массивные реле, например электромагнитные пускатели, имеют достаточно тяжелые якоря, которые не способны вибрировать с частотой 100 Гц. Такие электромагниты широко применяются в электротехнике. Иногда в их конструкцию вводят некоторые усложнения, вроде экранирующих витков, которые сглаживают пульсации магнитного потока. Применяется и более простая конструкция – выпрямительный мост и сглаживающие реактивные элементы. Еще электромагниты различаются по способу включения, режиму работы и быстродействию. При параллельном включении обмотка имеет много витков тонкого провода, а при последовательном – мало витков толстого провода. Режим работы может быть длительным, кратковременным магнит Магнитопровод электромагнита 19 или прерывистым. Скорость срабатывания может быть нормальной, повышенной и замедленной. Коллекторный электродвигатель Принцип работы коллекторного электродвигателя поясняется рис. 18. Рис. 18. К пояснению принципа работы коллекторного двигателя Как известно, магниты притягиваются разными полюсами, а отталкиваются одинаковыми. Если между двумя неподвижными магнитами поместить один подвижный, как это показано на рис. 18а, то он сориентируется соответствующим образом. Если в качестве подвижного магнита использовать систему из нескольких электромагнитов, изображенную на рис. 18б, то можно поочередно подавать ток на их обмотки таким образом, что система начнет вращаться. Для выполнения таких переключений используется щеточно- коллекторный узел, изображенный на рис. 18в. Коллектор представляет собой набор медных пластин, закрепленных на валу через изолятор. К пластинам припаяны провода обмоток. Медно-графитовые щетки касаются тех пластин, которые обеспечивают поворот ротора. После поворота щетки касаются уже других пластин, снова происходит поворот и процесс повторяется снова и снова. щетка щетка в) щеточно- коллекторный узел б) конструкция двигателя а) взаимодействие постоянных магнитов L 2 L 2 L 1 L 1 L 2 L 2 L 1 L 1 N N S S N N L 1 1 N 20 Постоянные магниты используются только в маломощных электродвигателях, а в большинстве случаев постоянное магнитное поле создается электромагнитами. При этом обмотка возбуждения электромагнита подключается так же, как и в рассмотренных ранее генераторах – независимо от основного источника тока, параллельно ему или последовательно. Смешанный вариант в электродвигателях практически не применяется. При независимом возбуждении обмотки электромагнитов питаются от отдельного источника. Этот способ характерен для мощных электродвигателей. В машинах меньшей мощности обмотку возбуждения подключают к основному источнику питания двигателя через реостат, как и питание якоря. Это позволяет регулировать скорость вращения и крутящий момент. В современных электродвигателях вместо реостатов используют электронные схемы с широтно-импульсной модуляцией. Часто возникает необходимость изменить направление вращения ротора электродвигателя на противоположное. Для этого достаточно изменить полярность напряжения либо в обмотке возбуждения, либо в обмотке якоря. Изменение направления тока одновременно в двух обмотках не приведет к какому-либо результату. Отсюда вытекает важное следствие – коллекторный двигатель может работать от любого рода тока, в частности от обычного переменного. Однако на практике переменный ток создает целый ряд дополнительных сложностей. Во-первых, из-за частого перемагничивания сердечники обмоток возбуждения нагреваются токами Фуко, что требует принятия соответствующих конструктивных решений. Во-вторых, образующиеся при коммутации импульсы ЭДС самоиндукции могут привести к электрическому пробою. Чтобы избежать этого, число секций увеличивают, а обмотки укорачивают. При этом увеличивается и число пластин коллектора, что предполагает конструктивные изменения всего щеточно-коллекторного узла. В целом коллекторные двигатели переменного тока находят применение в маломощных устройствах, таких как стиральные машины, 21 кофемолки, электроинструмент. Мощные двигатели данного типа применяются крайне редко, когда нет альтернативы. Главный недостаток коллекторных двигателей состоит в том, что механическая коммутация в щеточно-коллекторном узле приводит к быстрому износу щеток и обгоранию медных пластин. Бесколлекторный электродвигатель С появлением надежных и дешевых электронных ключей естественным образом возникла идея заменить механическую коммутацию на электронную и тем самым значительно увеличить срок службы двигателя. В результате появились бесколлекторные двигатели. Рис. 19. Бесколлекторный двигатель Ротор изображенного на рис. 19 двигателя представляет собой постоянный магнит, а на катушки электромагнитов статора питание подается таким образом, чтобы они создавали вращающееся магнитное поле. Магнитный ротор этим полем будет вращаться. Такие простые конструкции называются бесколлекторными. Их недостаток – отсутствие плавности вращения ротора из-за импульсных питающих напряжений. Современные технологии позволяют с помощью широтно-импульсной модуляции сформировать импульсы таким образом, что магнитный поток будет близок к синусоидальному. Такая более совершенная конструкция бесколлекторного двигателя носит название вентильной, так как импульсные напряжения формируются 22 электронными ключами – вентилями. Сегодня вентильные электродвигатели считаются самыми современными двигателями постоянного тока, хотя и довольно дорогими. Шаговый электродвигатель Во многих производственных процессах необходимо поворачивать обрабатываемую деталь на заданный угол. Такие задачи решаются с помощью шаговых двигателей. Их название говорит о том, что ротор вращается не постоянно, а дискретно, с заданным углом, или шагом. В простейшем случае такой двигатель содержит несколько статорных обмоток и ротор в виде постоянного магнита. Рассмотренный выше бесколлекторный двигатель при поочередном питании противоположных обмоток будет работать как шаговый с шагом 90 градусов. Этот шаг может быть уменьшен вдвое, если импульсы питающего напряжения подавать еще и одновременно на противоположные пары обмоток. Для дальнейшего уменьшения шага число полюсов статора и ротора увеличивают. Однако существуют технологические ограничения, не позволяющие реализовать таким способом двигатель с шагом несколько градусов. Тогда применяют зубчатые роторы и статоры, питающие токи которых изменяются ступенчато. В современном промышленном оборудовании двигатели такого рода могут выполнять полный оборот за 200 или 400 шагов. Синхронный электродвигатель При подаче на пары противоположных обмоток того же бесколлекторного двигателя переменного синусоидального напряжения со сдвигом фаз 90˚ внутри статора образуется вращающееся магнитное поле. Ротор в виде постоянного магнита будет вращаться вместе с этим полем. На практике обычно используют не две, а три пары обмоток, на которые подают трехфазное напряжение. Ротор тоже имеет несколько пар полюсов, а вместо магнитов часто применяют электромагниты, обмотки которых питаются с 23 помощью щеток и контактных колец. Такая конструкция представлена на рис. 20. Рис. 20. Ротор с контактными кольцами Так как ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора, такой двигатель называется синхронным. Синхронные электродвигатели, особенно с постоянными магнитами, являются обратимыми электрическими машинами, то есть способны работать в качестве электрогенераторов. Для двигателей с электромагнитами это тоже возможно, но нужно решить вопрос возбуждения. Обратимость электрической машины позволяет реализовать рекуперацию энергии в электротранспорте. При этом в режиме торможения двигатель становится генератором и заряжает аккумулятор. Еще более ценно применение таких электрических машин на гидроэлектростанциях. Когда количество воды в водохранилище ограничено, а периодически в системе имеется избыток электроэнергии, вода закачивается обратно и расходуется потом в моменты пиковой нагрузки. Асинхронный электродвигатель Более простыми, дешевыми и поэтому распространенными, чем синхронные, являются асинхронные электродвигатели. Статор такого двигателя устроен так же, как синхронного – уложенная в пазы магнитопровода обмотка при подаче на нее трехфазного напряжения создает вращающееся магнитное поле. Ротор имеет принципиальные отличия. Конструктивно он выполнен следующим образом. В пазы магнитопровода, 24 набранного из листов трансформаторного железа, заливается алюминий, образуя проводники. С торцов эти проводники замыкаются кольцами и получается конструкция, известная как «беличье колесо». Она и является главной частью ротора, так как алюминий очень хорошо проводит ток. Внешний вид ротора и система его проводников показаны на рис. 21. Рис. 21. Ротор асинхронного электродвигателя и система «беличье колесо» Вращающееся магнитное поле наводит в проводниках электродвижущую силу (ЭДС), а так как они короткозамкнуты, по ним течет ток. Этот ток, в свою очередь, создает собственное магнитное поле. В результате ротор приобретает магнитные свойства и начинает вращаться. Так как ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока, то по мере уменьшения разности скоростей ротора и магнитного поля статора ЭДС тоже уменьшается. Если ротор раскрутить до синхронной скорости, то он полностью утратит свои магнитные свойства. Таким образом, условием наличия магнитных свойств ротора является отставание его от поля статора, которое называется скольжением и составляет несколько процентов. Так как ротор вращается медленнее магнитного поля, такие двигатели назвали асинхронными. В пусковом режиме асинхронные двигатели потребляют ток в 5–7 раз больше номинального, что крайне нежелательно. Для двигателей большой мощности такие перегрузки часто считаются недопустимыми из-за ограниченной мощности силового трансформатора. Есть и другие причины 25 ограничивать пусковой ток, обусловленные необходимостью плавного разгона оборудования. В таких случаях применяют электродвигатели с фазным ротором. Ранее мы рассмотрели ротор с контактными кольцами, на которые подается постоянное напряжение для возбуждения магнитного поля. Фазный ротор асинхронного двигателя имеет такую же конструкцию, но его обмотки через контактные кольца и щетки замыкаются через реостаты. Так же, как в «беличьем колесе», при этом наводится ЭДС и образуется магнитное поле. Разница лишь в возможности регулирования тока. Из всех типов электродвигателей наибольшую мощность могут развивать синхронные двигатели. Это связано с двойным преобразованием магнитного поля в асинхронных двигателях – сначала индуцируются токи в проводниках беличьего колеса, потом эти токи создают собственное магнитное поле. Разумеется, ротор мощного синхронного двигателя должен содержать не постоянные магниты, а электромагниты. Подать сразу напряжение на обмотки статора и ротора нельзя, нужно сначала разогнать ротор до так называемой «подсинхронной» скорости. Делается это с помощью контактных колец, щеток и схемы управления. Обмотки полюсов ротора сначала включаются так, чтобы двигатель разгонялся в асинхронном режиме. Если мощность не слишком велика, их просто закорачивают. После достижения номинальной для асинхронного режима скорости на обмотки ротора подают ток, и двигатель начинает работать в синхронном режиме. Известна также конструкция, когда в роторе есть короткозамкнутая обмотка, обеспечивающая разгон. Как вы помните, на синхронной скорости она не работает. Конденсаторный электродвигатель Вращающееся магнитное поле, обеспечивающее вращение ротора асинхронного двигателя, может быть получено с помощью конденсатора. Реактивные элементы – конденсаторы и катушки индуктивности – создают 26 сдвиг фазы в цепи переменного тока. В принципе, могут использоваться и те, и другие, но конденсаторный вариант компактнее и дешевле. Двигатель с ротором в виде беличьего колеса должен иметь как минимум две обмотки, как это показано на рис. 22. Рис. 22. Конденсаторный асинхронный двигатель Одна из них включается в сеть непосредственно, а другая – через фазосдвигающий конденсатор. Образующееся при этом поле статора, строго говоря, скорее эллиптическое, чем круговое, причем отклонение от круга зависит от нагрузки. Учитывая значительную перегрузку двигателя в момент включения, часто параллельно фазосдвигающему конденсатору устанавливают еще один – пусковой, подключаемый кратковременно специальной кнопкой. Народные умельцы нередко питают подобным образом от однофазной сети стандартный трехфазный двигатель. Из трех его выводов два включаются в сеть непосредственно, а третий – через конденсатор. Переключением второго конца конденсатора к одному из вышеупомянутых выводов меняется направление вращения. Мощность при этом снижается, как минимум, на 30 %. 1.3. Источники радиоволн и света Излучение радиоволн Радио, телевидение, мобильная связь и многое другое основаны на излучении и приеме высокочастотного электромагнитного поля, называемого Фазосдвигающий конденсатор двигателя 27 радиоволнами. Катушка провода с протекающим по нему переменным током не создает в пространстве существенного электромагнитного поля, так как по сравнению с длиной волны она мала и излучает взаимно компенсирующие поля. Для эффективного излучения нужно, чтобы длина проводника была одного порядка с длиной волны. Первый успешный опыт по излучению радиоволн был проведен в 1888 году Генрихом Герцем. Излучающая система, получившая название «вибратор Герца», представляла собой два одинаковых отрезка провода с шарами на концах. Она изображена на рис. 23. Рис. 23. Вибратор Герца В зазоре между проводниками с помощью простейшей электромеханической системы создавалось искрение. Подобные антенны широко применяются и в наши дни. Они называются симметричными вибраторами или диполями. В идеале суммарная длина проводников должна быть равна половине длины волны. Многие антенны работают по описанному принципу, хотя внешне это не всегда различимо. Например, самая распространенная телевизионная антенна типа «волновой канал», показанная рис. 24, включает основной излучатель и дополнительные элементы, улучшающие ее направленные свойства. 28 Рис. 24. Антенна типа «волновой канал» Первые радиопередатчики были искровыми, как конструкция Герца, но вскоре для излучения антенной радиоволн стали применять ламповые генераторы синусоидальных колебаний. По технологическим причинам частота колебаний сначала была невысокой – десятки или сотни килогерц, но прогресс не заставил себя долго ждать. В начале 20-го века был преодолен рубеж в 1 МГц, а современные системы спутниковой радиосвязи и навигации работают на частотах выше 10 ГГц. В процессе повышения частоты радиосигналов выяснились интересные свойства волн разной длины. Сверхдлинные волны, частота которых менее 30 кГц, для радиосвязи не используются. Длинные – частотой от 30 до 300 кГц – долгое время были основными в радиовещании. Они хорошо огибают землю и, особенно, морское пространство. Средние волны имеют частоту от 300 кГц до 3 МГц. Они при прохождении по земной поверхности быстро ослабевают, зато отражаются от ионосферы, но лишь от ее слоя, существующего ночью. По этой причине удаленные средневолновые радиостанции днем не слышно. Короткие волны – частотой от 3 до 30 МГц – считаются самыми интересными, поскольку хорошо отражаются от ионосферы и днем, и ночью. Их используют профессиональные радисты и любители для связи на большие расстояния. Ультракороткие волны частотой выше 30 МГц проходят ионосферу насквозь, а землю не огибают. Для УКВ-радиосвязи применяют антенны, расположенные на вышках, чтобы кривизна земной поверхности и местные предметы не преграждали их путь. Можно сказать, что 29 ультракороткие волны распространяются, как луч света. Сверхвысокие частоты используются для многоканальной наземной и спутниковой радиосвязи. Источники света Разновидностью электромагнитных колебаний является световое излучение. Длина волны его видимой части, то есть собственно свет, находится в пределах от 445 до 665 нанометров. Несколько большую длину волны имеет инфракрасное излучение, ощущаемое нами как тепло. С другой стороны видимого спектра находится ультрафиолетовое излучение. Известно два основных механизма излучения света – излучение нагретых тел и люминесценция. Первый механизм известен с доисторических времен, когда для освещения использовали огонь. Второй механизм излучения света основан на свойстве некоторых материалов, называемых люминофорами, испускать кванты света при различных воздействиях на них. Такими воздействиями могут быть радиоактивное облучение, химические процессы, электрический ток и другие. На описанных двух механизмах работают все источники света. Лампы накаливания по праву считаются самыми популярными источниками света. В них проводник, размещенный в колбе без доступа воздуха, нагревается постоянным или переменным током. В первых лампах этот проводник был угольным, сейчас применяют спираль из тугоплавкого металла, обычно вольфрама. Ее вид приведен на рис. 25. Рис. 25. Спираль лампы накаливания Воздух из колбы может быть как просто откачан, так и заменен инертным газом или парами галогенов. 30 Излучаемая световая энергия пропорциональна температуре нити накала в четвертой степени, поэтому лампу делают так, чтобы нить нагревалась до максимально возможной температуры – примерно до 2700 ˚С. Из-за высокой температуры вольфрам частично испаряется и оседает на внутренней поверхности колбы. При этом нить накала истончается, а стекло темнеет. Примерно через тысячу часов работы лампа перегорает. Это один из ее основных недостатков. Второй, столь же важный, заключается в низкой энергоэффективности – около 90 % подводимой электроэнергии переходит в тепло. Но у лампы накаливания есть и свои плюсы. Она проста в эксплуатации, не требует для работы дополнительных устройств и мало стоит. Важно и то, что такие источники света выпускаются промышленностью в огромном ассортименте. Лампы малой мощности, как правило, изготавливаются вакуумированными, а в более мощных воздух замещают так называемым буферным газом. В качестве такого газа обычно используют аргон или криптон. Подобное заполнение препятствует испарению вольфрама, что позволяет повысить температуру нити накала и, следовательно, энергоэффективность лампы. Кроме того, при этом заметно увеличивается срок службы. Увеличение срока службы примерно в два раза достигается при введении в колбу паров йода или брома. Эти вещества соединяются с испарившимся вольфрамом, образуя легкоплавкие соединения, которые испаряются и с внутренней поверхности колбы, препятствуя созданию пленки. Значительно большей энергоэффективностью обладают газоразрядные лампы, в которых под действием приложенного напряжения происходит ионизация инертного газа, вызывающая его свечение. Часто кроме газа в лампе находится небольшое количество ртути или натрия, которые вызывают более интенсивное свечение, чем газы, причем в определенном спектре. 31 Ртуть создает невидимое ультрафиолетовое излучение, а натрий – видимое желтое. Конструктивно газоразрядная лампа состоит из колбы или трубки, внутри которой находятся газ и один из вышеупомянутых металлов. На концах трубки имеются электроды. Условия возникновения газового разряда и его форма зависят от приложенного напряжения и давления. При низком давлении – всего в несколько мм рт. ст. – разряд равномерно заполняет все пространство внутри лампы, даже если она имеет длину более метра. Напряжение при этом должно обеспечить электрический пробой газового промежутка. Как правило, сетевого напряжения для этого недостаточно, и применяются специальные схемы, формирующие первичный высоковольтный импульс. После пробоя и ионизации газа внутри лампы высокое напряжение уже не требуется. По сравнению с лампами накаливания, газоразрядные имеют одну неприятную особенность – по мере нарастания процесса ионизации газа его сопротивление снижается. По этой причине в таких лампах необходимо принимать меры по ограничению тока. Но зато они примерно в 5 раз экономичнее. Газоразрядные лампы бывают низкого, высокого и сверхвысокого давления. Лампы низкого давления вам хорошо знакомы. В обиходе их называют лампами дневного света. Трубка, являющаяся корпусом лампы, может иметь длину до полутора метров. Внутри, как было сказано ранее, находятся инертный газ под низким давлением и небольшое количество ртути. Корпус лампы имеет белый цвет из-за слоя люминофора на внутренней поверхности. Так как ртуть дает ультрафиолетовое свечение, то люминофор нужен для его преобразования в видимый свет. Этот химический состав под действием ультрафиолетовых лучей сам начинает светиться. Спектр свечения зависит от вида люминофора, он может быть холодно- белым или желтоватым. В современных лампах такого типа применяют три люминофора, светящиеся красным, синим и зеленым цветами. Их 32 соотношение позволяет сформировать любой цвет излучения. Вид люминесцентной лампы низкого давления приведен на рис. 26. Рис. 26. Люминесцентная лампа низкого давления Для пробоя газового промежутка требуется импульс напряжением около полутора киловольт, а также устройство, ограничивающее ток лампы в рабочем режиме. Схема, реализующая все это, называется пускорегулирующей аппаратурой. Схема включения лампы представлена на рис. 27. Рис. 27. Схема включения люминесцентной лампы Дроссель 1 Спиральный электрод Стартер 1 Лампа 33 Для ионизации газа и паров ртути требуется их предварительный подогрев, поэтому электроды изготовлены в виде спиралей из высокоомного провода. Для электрического пробоя газового промежутка нужен высоковольтный импульс. Этот импульс формируется в результате эффекта самоиндукции, возникающего в момент прерывания контактами стартера тока, протекающего через дроссель. Происходит это следующим образом. Стартер представляет собой газоразрядную лампу малого размера, внутри которой параллельно электродам подключена пара биметаллических контактов. В холодном состоянии эти контакты разомкнуты, а при нагреве замыкаются. Так как эта лампа мала, то сетевого напряжения оказывается достаточно для возникновения в ней тлеющего разряда и протекания небольшого тока. Дроссель и спиральные электроды в этот период не оказывают заметного влияния, основная часть напряжения сети падает на стартере. Тлеющий разряд нагревает биметаллические контакты, и они замыкаются. Ток через электроды основной лампы и дроссель резко возрастает примерно до 0,5 А. Спирали начинают разогреваться. Через небольшое время контакты стартера остывают и снова размыкаются. В этот момент на дросселе возникает импульс ЭДС самоиндукции, запускающий процесс ионизации. Так как через лампу течет рабочий ток, значительно превышающий пусковой, то индуктивное сопротивление дросселя уже имеет существенное значение – на нем падает примерно половина напряжения. Этим ограничивается рабочий ток лампы. Показанные на схеме конденсаторы служат для оптимизации параметров режима пуска и защиты от радиопомех. Рассмотренная выше типовая схема пуска люминесцентных ламп низкого давления сейчас считается устаревшей и ненадежной. Дроссель со временем начинает заметно гудеть, стартер часто ломается, световой поток пульсирует, что делает свет некомфортным для человека. Современные лампы имеют электронную пускорегулирующую аппаратуру и в 34 значительной степени лишены вышеупомянутых недостатков. Коэффициент мощности таких ламп близок к единице. Благодаря реализации различных возможностей современной электроники, работа люминесцентных ламп стала настолько устойчивой и надежной, что позволяет придавать трубкам любую конфигурацию. При этом электронная схема вполне помещается в цоколе. Такие лампы известны как энергосберегающие. Их вид показан на рис. 28. Рис. 28. Энергосберегающие лампы Разрядные лампы высокого давления работают на тех же физических принципах, но значительно отличаются от рассмотренных выше. Они представлены лампами ДРЛ, ДРИ, ДНАТ, ксеноновыми и некоторыми другими. Дуговые разрядные люминофорные лампы (ДРЛ) применяются в основном в уличных фонарях и производственных помещениях. Они обладают достаточно высокой энергоэффективностью, но дают синеватый свет, не вполне комфортный для человека. На рис. 29 показан внешний вид ДРЛ. Рис. 29. Внешний вид ламп ДРЛ 35 Непосредственным источником света является небольшая – всего несколько сантиметров длиной – трубка из кварцевого стекла, заполненная инертным газом под высоким давлением. Также в трубке присутствует ртуть. В первых лампах такого типа было два электрода, а пробой газового промежутка осуществлялся специальным импульсным устройством. Позже с целью повышения надежности стали применять конструкцию трубки с четырьмя электродами, схема включения которой приведена на рис. 30. Рис. 30. Схема включения ДРЛ Два основных выполняют прежнюю функцию, а два дополнительных являются зажигающими. Они через токоограничительные резисторы соединены с основными электродами на противоположных концах трубки. В результате рядом с каждым основным электродом располагается дополнительный, и расстояние между ними достаточно мало, чтобы газ мог ионизироваться сетевым напряжением. При подаче питания сначала образуются ионизированные области по краям трубки, которые по мере прогрева увеличиваются и потом смыкаются. Лампа выходит на рабочий режим. Излучение, обусловленное преимущественно ртутью, имеет максимум в ультрафиолетовой области. Оно используется для воздействия на люминофор, который излучает в видимом спектре. Как и ранее рассмотренные газоразрядные лампы низкого давления, ДРЛ нуждается в ограничении рабочего тока. Поэтому в их схему питания входит дроссель. 220 В Дроссель Лампа Токоограни- чительный резистор 36 Главным недостатком ламп ДРЛ является их синеватое излучение. Также применение люминофора для получения видимого света связано с потерями. Дальнейшее развитие ртутных ламп привело к появлению их нового типа – дуговой ртутной лампы с излучающими добавками ДРИ, изображенной на рис. 31. Рис. 31. Лампа ДРИ Практически это означает, что в смесь инертных газов, кроме ртути, добавляются вещества, излучающие в нижней части видимого спектра. В результате суммарное излучение обладает нормальным для восприятия спектром. Кроме того, отпадает надобность в люминофоре, снижающем КПД лампы. Лампы ДРИ благодаря улучшенному спектру излучения обеспечивают хорошую цветопередачу и имеют гораздо более широкое применение, чем ДРЛ. Их используют на аэродромах, стадионах, при проведении различных массовых развлекательных мероприятий. Излучающие добавки позволяют получать цветное излучение, которое можно использовать для декоративной подсветки зданий или для более экономичного освещения теплиц. В отличие от ДРЛ, лампы ДРИ не имеют зажигающих электродов и требуют для своего пуска специальное импульсное устройство. Дроссель для ограничения рабочего тока тоже нужен. Дуговая натриевая лампа ДНАТ, изображенная на рис. 32, по конструкции во многом похожа на ДРЛ, но не содержит люминофора. Цоколь Геттер Вакуум Колба 37 Рисунок 133- Лампа ДНАТ Рис. 32. Дуговая натриевая лампа ДНАТ В ней имеется горелка в виде трубки с буферным газом, куда кроме ртути добавлен натрий. Этот металл дает оранжево-желтое излучение, которое по мере старения лампы становится более красным. При работе лампы выделяются газы, для нейтрализации которых применяется бариевый геттер. Цветопередача ДНАТ заметно хуже, чем у других источников света, но зато у них самая высокая энергоэффективность и наибольший срок службы. Поэтому их широко применяют в уличных фонарях, особенно для освещения автотрасс, а также для подсветки растений в теплицах. Натрий своими парами способен разрушать стекло, из-за чего трубку горелки делают из специального боросиликатного стекла или оксида алюминия. Также для стабилизации температуры ионизированного газа колбу лампы вакуумируют. Питание натриевых ламп имеет свои особенности. Для электрического пробоя газового промежутка используется специальный электронный блок – импульсное зажигающее устройство. Для ограничения рабочего тока, как и в других газоразрядных лампах, применяется дроссель. Параметры рабочего режима натриевых ламп имеют собственные специфические черты, поэтому применять дроссели и зажигающие устройства от других ламп нельзя. К разрядным лампам сверхвысокого давления относятся ксеноновые. Из всех инертных газов ксенон самый тяжелый и плотный. Находясь в колбе под давлением до 30 атмосфер, он образует яркую дугу даже без примеси Изолирующая пробка Электрод Горелка Спай горелки 38 паров ртути. Излучение ксенона имеет спектр, близкий к солнечному, что обеспечивает данному типу ламп практически идеальную цветопередачу. Поэтому, несмотря на невысокую энергоэффективность и сравнительно небольшой срок службы, ксеноновые лампы нашли применение в кинопроекторах, в оборудовании телевизионных студий и на других объектах, требующих хорошего освещения. Они изготавливаются в различных вариантах, один из которых представлен на рис. 33. Рис. 33. Ксеноновая лампа Как и прочие газоразрядные лампы, ксеноновые нуждаются в запускающем импульсе, причем гораздо большего напряжения – в некоторых моделях до 50 кВ. Такой импульс формируется специальной электронной схемой. Эта схема также поддерживает рабочий ток в нужных пределах, потому что при прогреве лампы ее сопротивление падает. Модные автомобильные ксеноновые фары, строго говоря, являются не ксеноновыми, а металлогалогенными, потому что в них ксенон создает первичную дугу, а основной световой поток обусловлен добавками в виде ртути, скандия и натрия. Однако в автомобилях применяются и галогенные лампы накаливания, поэтому название «ксеноновые» употребляется во избежание путаницы. Самыми современными и перспективными источниками света считаются светодиоды. Их механизм излучения существенно отличается от других. Некоторые из p–n-переходов, изготовленных на основе арсенида галлия и фосфата индия, при прохождении тока в прямом направлении 39 начинают излучать свет в видимом, инфракрасном или ультрафиолетовом диапазоне. Корпус таких устройств изготавливают из прозрачного пластика. Излучение может иметь разный спектр, как видимый, так и инфракрасный или ультрафиолетовый. Светодиоды очень экономичны – примерно в 10 раз превосходят в этом отношении лампы накаливания и в 2–3 раза – газоразрядные низкого давления. Кроме того, они превосходят все остальные аналоги по массогабаритным показателям и сроку службы – от 50 до 100 тысяч часов. Применяются практически везде – от бытовых светильников до прожекторов, в том числе в автомобильных фарах. Маломощные светодиоды, которые часто называют индикаторными, вытеснили все другие виды сигнальных ламп. Светодиоды являются низковольтными световыми приборами, что дает им много преимуществ. Вместе с тем, нужно отметить, что напряжение на них не стабильно и сильно зависит от температуры. При выборе схемы питания нормируют не напряжение, а ток. Промышленность выпускает большое количество специализированных устройств для питания светодиодов. Их называют драйверами. К световым приборам, кроме источников света, можно отнести всевозможные устройства отображения информации, в частности индикаторы и экраны. Индикаторы – это устройства для воспроизведения достаточно простой информации. Простейший индикатор – сигнальная лампа, подтверждающая факт включения какого-либо электроприбора. Такие индикаторы называются индивидуальными. В настоящее время в них практически везде вместо ламп используют светодиоды. Мнемонические индикаторы высвечивают определенный знак в виде стрелки, фигурки и т. д. Шкальные индикаторы объединяют группу одиночных индикаторов в виде полосы. Количество светящихся элементов пропорционально уровню 40 входного сигнала. Их можно встретить в музыкальной аппаратуре в качестве индикаторов громкости звука. Цифровые индикаторы специально разработаны для воспроизведения цифр. Самыми распространенными из них являются семисегментные. Немного сложнее буквенно-цифровые индикаторы, воспроизводящие кроме цифр еще буквы и, при необходимости, различные специальные символы. На рис. 34 изображен семисегментный индикатор. Рис. 34. Семисегментный индикатор В качестве источников света в индикаторах практически всегда применяются светодиоды. Особую группу образуют блинкерные индикаторы. Они содержат электромеханические устройства, которые с помощью электрических сигналов показывают нужный символ. Их главное преимущество – потребность в электроэнергии только в процессе переключения. Цифровые и буквенно-цифровые индикаторы, как правило, объединяют в табло, как это показано на рис. 35. 41 Рис. 35. Электронное табло Наиболее сложным, информативным и дорогостоящим среди табло является бегущая строка. Она представляет собой матрицу из множества светодиодов, управляемых с помощью компьютерной программы. Экраны телевизоров, мониторов и других подобных средств воспроизведения изображения еще 30 лет назад строились на основе кинескопов. Лишь совсем недавно кинескопные телевизоры были полностью вытеснены более современными, а в осциллографах и других приборах этот принцип работы применяется и поныне. Конструкция кинескопа поясняется Рис. 36. Рис. 36. Основные части кинескопа В вакуумированном стеклянном баллоне в узкой части располагается электронная пушка, которая формирует поток электронов. В основе ее устройства – катод с косвенным подогревом и модулятор – электрод, управляющий интенсивностью этого потока. Внутренняя поверхность конической части металлизирована, на нее подается анодное напряжение около 20 кВ. Под действием этого напряжения Электронная пушка Стеклянный баллон Экран Поток Отклоняющая система 42 электроны устремляются вперед к экрану, покрытому изнутри люминофором. В кинескопе имеется отклоняющая система, с помощью которой луч можно перемещать по вертикали и горизонтали. В телевизорах применяется электромагнитная отклоняющая система, а в осциллографах – электростатическая. Луч пробегает по экрану построчно, постепенно смещаясь по вертикали и формируя таким образом кадр. Перемещение луча по экрану обеспечивают схемы строчной и кадровой развертки, а модулятор при этом управляет яркостью свечения. В результате получается черно-белое изображение. Цветные кинескопы содержат три электронные пушки, а экран имеет маску, обеспечивающую попадание электронов из пушки каждого из трех цветов на соответствующие точки цветного люминофора. Главный недостаток кинескопов – их громоздкость и большая масса. Некоторые цветные телевизоры советского периода весили более 60 кг. Их современные аналоги весят во много раз меньше и являются практически плоскими. В основе их построения лежит несколько конструктивных принципов. Газоразрядный экран, который иначе называется плазменной панелью, содержит матрицу микроскопических ячеек, наполненных инертным газом с небольшим количеством ртути. Стеклянные пластины, между которыми находятся ячейки, имеют встроенные прозрачные электроды. При соответствующем питании в ячейках создается электрическое поле, вызывающее газовый разряд. Из-за присутствия ртути спектр излучения смещен в ультрафиолетовую сторону, но это излучение попадает на люминофор и создает видимый свет. Принципы получения цветного изображения схожи с рассмотренными выше. Газоразрядные экраны создают контрастное изображение с хорошей цветопередачей и рассчитаны на длительный срок эксплуатации – до 30 лет. Однако из-за довольно крупных ячеек высокое разрешение достигается 43 только в крупноразмерных панелях. Другим существенным недостатком является высокое энергопотребление. В жидкокристаллических экранах ячейки не являются источниками света и поэтому могут быть существенно меньшего размера. Плоский источник света на основе светодиодов располагается позади матрицы, которая управляет его пропусканием. Делается это следующим образом. Две пластины из стекла или прозрачного пластика имеют покрытие, пропускающее свет лишь определенной поляризации, причем плоскости поляризации двух пластин повернуты относительно друг друга на 90 о . Это означает, что свет через них не проходит. Между пластинами располагается слой вещества, называемого жидким кристаллом, молекулы которого имеют винтовую структуру и способны изменять поляризацию проходящего через них света. Слой жидкого кристалла подобран так, что в отсутствие электрического поля экран становится прозрачным, и свет из-за него выходит в сторону зрителя. Под действием напряжения на управляющих электродах молекулы перестраиваются, и прозрачность в этом месте нарушается. После отключения напряжения прозрачность восстанавливается. Описанные процессы иллюстрируются Рис. 37. 44 Рис. 37. Свойства жидких кристаллов Таким образом, управляя с помощью напряжения поляризацией жидких кристаллов в ячейках матрицы, можно получать высококачественное изображение на экране, в том числе и малого размера. Что касается недостатков, то их у жидкокристаллических экранов достаточно, но они успешно устраняются в каждой очередной модели. Светодиодные экраны на основе органических светодиодов сегодня являются самыми прогрессивными. В них применена сложная технология формирования микроскопических светодиодов в многослойных структурах. Преимущества светодиодных экранов по сравнению с плазменными и жидкокристаллическими весьма значительны. Кроме снижения массогабаритных показателей и энергопотребления, такие экраны имеют большой угол обзора при сохранении качества изображения. По этой технологии можно создавать и гибкие экраны. |