Что такое газоразрядные индикаторы

Лампы дугового разряда

Дуговой разряд применяется практически во всех газоразрядных лампах. Связано это с тем, что при дуговом разряде ослабевает катодное падение напряжения и уменьшается его роль в балансе энергии лампы. Дуговые лампы могут быть изготовлены на рабочие напряжения равные напряжениям электрических сетей. При небольшой и средней плотности тока дугового разряда, а также при невысоком давлении в лампе источником излучения в основном выступает положительный столб, а свечение катода практически не имеет никакого значения. Повышая давление газа или паров металла наполняющих горелку прикатодная область постепенно уменьшается, а при значительных давлениях (более 3 × 104 Па) ее практически не остается совсем. Увеличением давления в лампах достигают высоких параметров излучения при небольших расстояниях между электродами. Высокие значения светоотдачи при совсем малых расстояниях можно получить при сверхвысоких давлениях (более 106 Па). С ростом давления и уменьшением расстояния между электродами сильно возрастает плотность тока и яркость шнура разряда.

При увеличении давления и плотности тока происходит образование изотермической плазмы, излучение которой в основном состоит из нерезонансных спектральных линий, возникающих при переходе электрона в атоме на более низкие, но не основные уровни.

Дуговой разряд используют в самых различных газах и парах металлов от самых низких давлений до сверхвысоких. В связи с этим конструкции колб дуговых ламп чрезвычайно разнообразны как по форме, так и по роду применяемого материала. Для ламп сверхвысокого давления большое значение приобретает прочность колб в условиях высоких температур, что привело к разработке соответствующих методов их расчета и исследования параметров.

После появления дугового разряда из катодного пятна выбивается основная масса электронов. Светящаяся катодная часть разряда начинается с катодного пятна, представляющего из себя небольшую светящуюся точку на спирали. Катодных пятен бывает несколько. В самокалящихся катодах катодное пятно занимает небольшую часть его поверхности, перемещаясь по ней по мере испарения оксида. Если плотность тока высока на материале катода возникают местные тепловые перегрузки. По причине таких перегрузок приходится применять катоды специальных сложных конструкций. Количество конструкций катодов разнообразно, но все они могут быть разделены на катоды ламп низкого давления, высокого давления и сверхвысокого давления.

Рисунок 5. Трубчатая газоразрядная лампа низкого давления

Рисунок 6. Газоразрядная лампа высокого давления

Рисунок 7. Газоразрядная лампа сверхвысокого давления

Разнообразие материалов, применяемых для колб дуговых ламп, большие значения токов требуют решения вопроса о создании специальных вводов. Подробно о конструкциях газоразрядных ламп можно прочитать в специальной литературе.

Конструктивные особенности изделий

Под газоразрядными лампами следует понимать альтернативный традиционным источникам света компактный прибор, главная особенность которого — излучение света в диапазоне, который человек способен охватить взглядом. Чтобы понять принцип работы устройства, нужно разобраться с его конструктивными особенностями.

Основа изделия — это стеклянная колба. В нее под определенным давлением закачивают пары металла, но чаще газ. Дополнительные элементы — электроды по краям стеклянной колбы.

Понимая особенности строения изделия, можно представить себе принцип его работы. Построен он на действии электрического разряда, который пропускает через себя стеклянная колба с электродами. Ядро колбы — главный электрод. Под ним работает токоограничительный резистор. В то время как электрический разряд проходит через колбу, она начинает излучать свет.

Строение лампы

Кроме перечисленных выше электродов и колбы, лампа имеет цоколь. Именно он позволяет расширить сферу использования изделия. Его можно вкручивать в осветительные приборы разного назначения.

Область применения ГРЛ.

ГРЛ – общепринятая аббревиатура, означает газоразрядные лампы.

Все они имеют общие физические принципы, их применение очень разнообразно. Это могут быть всем привычные осветительные лампы дневного освещения, неоновые рекламные вывески, ультрафиолетовые бактерицидные облучатели (иногда их еще называют кварцевыми), облучатели, применяемые в соляриях для загара, и даже мощные корабельные и авиационные прожекторы. Это все ГРЛ. В зависимости от мощности и предназначения используется разная пускорегулирующая аппаратура. Даже спустя более 50 лет с момента появления, они не утратили своих позиций.

Автомобильный ксенон – это тоже ГРЛ.

Их можно даже встретить в мониторах, телевизорах, дисплеях ноутбуков. Они обеспечивают подсветку жидкокристаллических экранов. Хотя надо признать, сейчас все реже.

По энергопотреблению они занимают промежуточное место между тепловыми источниками света и осветительными светодиодами. Характеризуются длительным сроком службы.

Люминесцентные лампы (КЛЛ и ЛЛ)

Устройства состоят из колбы, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. Емкость, где находятся электроды, заполняется смесью ртутных паров с инертным газом.

Для пуска используется специальный блок – электронный или механический балласт. При включении внутрь колбы посылается заряд, который вызывает образование ультрафиолетовых волн, под воздействием которых люминофор начинает равномерно светиться.

Люминесцентные лампы могут испускать свет разных оттенков. Для его обозначения используются разнообразные маркировки. Как пример, можно назвать ЛТБ – лампа теплого, ЛХБ – холодного, ЛЕ – естественного света

Модели делятся на два вида:

• линейные устройства (ЛЛ) – громоздкие трубки, на концах которых находятся два штырька;
• компактные лампы (КЛЛ), имеющие вид закрученной спирали, у которых пусковой блок запрятан в цоколь.

Маркировка G обозначает приборы со штырьковой конструкцией, а буква E – резьбовой патрон.

Технические характеристики КЛЛ:

• светоотдача — 40-80 Лм/вт;
• мощность — 15-80 Ватт;
• период службы — 10000-40000 часов.

Важным преимуществом люминесцентов является низкая рабочая температура. Даже до включенного изделия можно спокойно дотронуться голой рукой, благодаря чему его безопасно устанавливать у любой поверхности.

В то же время у подобных устройств есть немало отрицательных сторон. Прежде всего, они недостаточно экологичны — находящиеся внутри ртутные пары ядовиты.

Хотя в закрытой колбе они не оказывают губительного влияния на человека, разбитые или перегоревшие лампочки могут представлять опасность. Из-за этого им требуется процедура утилизации: предстоит отработавшие изделия сдавать на пункты переработки, найти которые не всегда легко.

Люминесцентные приборы потребляют ощутимо меньшее количество электроэнергии, нежели лампы накаливания, они имеют длительный срок службы и хорошую отдачу света

К другим недостаткам можно отнести:

1. Нестабильное функционирование при низких температурах. При -10 °C даже мощные устройства светят крайне тускло.
2. При включении лампы зажигаются не сразу, а через несколько секунд или минут.
3. Их стоимость довольно высока.
4. Работа может сопровождаться низкочастотным гулом.
5. Такие модели сложно совместимы с диммерами, что затрудняет регулировку интенсивности света. Нежелательно также использовать их вместе с выключателями, имеющими индикаторы подсветки.
6. Хотя срок службы довольно велик, он значительно сокращается при частом включении и выключении.

Кроме того, световой поток, излучаемый этими приборами, сильно пульсирует, что утомляет глаза.

Более подробно о устройстве люминесцентных ламп, их достоинствах и недостатках можно прочесть здесь.

Прошивка микроконтроллера

Программное обеспечение для часов из газоразрядных индикаторных ламп написано на Eclipse, без искажений транслируется в AVR Studio, коды с комментариями, что значительно упрощает процесс.

Положение выставляемых фьюзов

В результате прошивки устанавливаются определенные режимы и процесс управления ими. При кратковременном нажатии кнопки «MENU» по кругу отображаются режимы:

• режим №1 – времени (отображается постоянно);
• режим №2 – 2 мин. время, 10 сек. дата;
• режим №3 – 2 мин. время, 10 сек. температура;
• режим №4 – 2 мин. время, 10 сек. дата и 10 сек. температура;
• режим настройки времени и даты устанавливается удержанием кнопки «MENU»;
• кратковременное нажатие на кнопку «UP» (2 сек.) отображает дату, удержание этой кнопки отключает или включает подсветку;
• кратковременное нажатие «DOWN» (2 сек.) отображает температуру;
• понижение яркости почасовой программой с 00.00 часов до 7 утра.

Характеристики

• Срок службы от 3000 часов до 20000.
• Эффективность от 40 до 220 лм/Вт.
• Цвет излучения: от 2200 до 20000 К
• Цветопередача: хорошая (Ra>80), отличная (Ra>90)
• Компактные размеры излучающей дуги, позволяют создавать световые пучки высокой интенсивности

Необходимо знать

• Должны применяться в закрытых светильниках с защитным стеклом
• Для работы ламп необходимы пускорегулирующие аппараты (ПРА) и импульсные зажигающие устройства (ИЗУ).
• Неоновая лампа должны включаться в электросеть через токоограничительный резистор величиной сотни килоом — единицы мегаом.
• Нестабильно работают в «плохих» сетях: если напряжение сети отклоняется от номинала более чем на 5 %, то необходимо применять специализированные ПРА.

Области применения

• Магазины и витрины, офисы и общественные места
• Декоративное наружное освещение: освещение зданий и пешеходных зон
• Художественное освещение театров, кино и эстрады
• Автомобильные фары
• Фонари для подводного использования (элемент дайверского снаряжения)

Недостатки

• высокая стоимость;
• большие размеры;
• необходимость пускорегулирующей аппаратуры;
• долгий выход на рабочий режим;
• высокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения;
• наличие токсичных компонентов и как следствие необходимость в инфраструктуре по сбору и утилизации;
• невозможность работы на любом роде тока;
• невозможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт);
• наличие мерцания и гудения при работе на переменном токе промышленной частоты;
• прерывистый спектр излучения;
• непривычный в быту спектр;
• невозможно регулировать мощность лампы с помощью диммера;
• затруднённое зажигание некоторых типов ламп при низких температурах.

Плюсы и минусы изделий

Рассмотрим достоинства и недостатки газоразрядных ламп с анализом их основных характеристик.

К основным преимуществам изделий можно отнести следующие моменты:

1. Лампочки отличаются высоким уровнем светоотдачи даже при условии использования плафонов из толстого стекла.
2. Лампы достаточно практичны, особенно, если сравнивать их с обычными лампочками накаливания. В среднем изделие прослужит от 10 тысяч часов, поэтому является особенно незаменимым в создании качественного и долговечного уличного освещения.
3. Изделия демонстрируют повышенный уровень устойчивости, особенно ртутная газоразрядная лампа в условиях сложного климата. Их можно использовать для уличного освещения до первых заморозков в комплекте с обычными плафонами и в зимнее время при условии контакта со специальными фарами и фонарями.
4. Стоимость изделий доступна и приемлема.
5. Лампочки с таким устройством не нуждаются в дорогих комплектующих и могут работать без дополнительной осветительной затратной аппаратуры.
6. Схема подключения изделий проста и понятна, поэтому с монтажом справится каждый своими руками.

Достоинства рассмотрели, теперь назовем минусы. Их немного, но о них также нужно знать:

1. Газоразрядные лампы низкого давления и высокого давления не отличаются идеальной цветопередачей. Все дело в спектре лучей, весьма ограниченном в этих изделиях. Под светом таких лампочек достаточно непросто рассмотреть цвета предметов, поэтому в уличном и автомобильном освещении они наиболее приемлемы.
2. Работают изделия исключительно при условии наличия переменного тока.
3. Для активации лампочек потребуется балластный дроссель.
4. Чтобы изделие заработало, кроме тока ему потребуется увеличенное время для разогрева.
5. Лампочки сложно назвать полностью безопасными из-за возможного содержания в них паров ртути.
6. Световой поток, излучаемый лампочками, имеет неприятную особенность — повышенный уровень пульсации.

Что касается установки, то она не представляет каких-либо сложностей, как уже было отмечено. Процесс аналогичен монтажу стандартных лампочек накаливания.

Область применения

За счет конструктивных особенностей и уникального принципа работы, а отчасти и благодаря доступности таких комплектующих, как конденсаторы для газоразрядных ламп, изделия сегодня более чем востребованы, причем в самых разных сферах жизнедеятельности человека.

Чаще всего свет от изделий можно увидеть:

• на улицах городов и сел исходящим от фонарей;
• в магазинах и производственных зданиях, торговых центрах и офисах, вокзалах и аэропортах;
• на пешеходных дорогах и в подсветке парков, скверов, фонтанов;
• на рекламных щитах;
• на фасадах зданий кинотеатров, концерт-холлов в комплекте с дополнительным оборудованием, способным увеличивать эффект от свечения.

Совершенно отдельным пунктом стоит отметить использование такого рода лампы для авто в фарах. Чаще всего здесь применяются неоновые лампы с высоким уровнем интенсивности света. Некоторые современные марки ТС уже оснащены фарами, заполненными ксеноном и металлогалоидными солями.

Лампы второго поколения имеют маркировку D2R и D2S, где R — это изделие для рефлекторной оптической схемы, S — прожекторной.

Нельзя не упомянуть и о роли лампочек такого типа в современной фотосъемке. Постановка света для создания качественной фотографии позволяет ощутить главные преимущества источника.

Импульсные газоразрядные лампы для освещения позволяют фотографировать с постоянным контролем светового потока. Они более яркие, экономичные, имеют компактные размеры. Из минусов использования изделий в этой сфере стоит отметить неспособность визуального контроля светотени, образуемой от источника света такого рода на фотографическом объекте в процессе.

Что нужно знать об индикаторных видах ламп

Индикаторная газовая лампа – это прибор с анодом и холодным катодом в виде цилиндра, стержня или диска, изготовленного из железа, алюминия, молибдена, никеля. При включении создается тлеющий заряд, излучающий оранжевый или красный цвет. Декоративные индикаторы оснащены балластовым редуктором и подключаются к бытовой сети 220 вольт. Для оснащения сигнальных источников света колба изнутри покрывается составом, превращающим красное излучение в зеленое. Для подсветки неоновые малогабаритные лампочки монтируются вместе со светодиодными.

Индикаторные лампы широко применяются в знаках. У них один анод и до 12-и катодов в форме букв или цифр. Такой знак хорошо виден на относительно большом расстоянии.

Подобное освещение используется:

• в подсветке афиш, витрин, мостов, зданий;
• в иллюминации во время праздников;
• для подсветки вывесок и интерьеров ресторанов и ночных клубов;
• в ландшафтном дизайне.

В быту яркий пример индикаторных лампочек – елочные гирлянды и небольшие светильники. Это осветительное оборудование компактное, экономичное, служит долго.

Этапы сборки часов

Для начала надо понять принцип работы индикаторных элементов ИН-14, практически это неоновые лампочки с группой катодов в виде цифр. В зависимости от подачи питания светится тот или иной катод поочередно, применяется принцип лампы накаливания с газоразрядным процессом.

Конструкция и основные параметры газоразрядного индикатора ИН-14

Ресурс работы таких индикаторов огромный, потому что нет длительной и большой нагрузки на один катод. Для полноценной подсветки необходимо напряжение не менее 100 В, поэтому начнем проектирование с источника питания.

Блок питания

Вариант с трансформатором, на вторичной обмотке которого будет 170 или 180 В, исключаем сразу по причине больших габаритов и веса. Подбирать железо, провода и мотать самостоятельно – дело неблагодарное и утомительное. Практичнее применить преобразователь напряжения на микросхеме MC34063, имеющий малые габариты, вес и стабильные параметры.

Схема блока питания на базе преобразователя напряжения MC34063

Все элементы монтируются на печатную плату, после сборки в большинстве случаев настройки не требуется, с 10–12 В преобразователь дает 175–180 В. Как видно, трансформатор в схеме присутствует, но очень маленький и легкодоступный для быстрого самостоятельного изготовления, такой можно купить в торговых сетях. На выходе вторичной обмотки 9–12 В переменного тока приходят на диодный мост (выпрямитель). Линейный стабилизатор LM7805 предназначен для питания электронных элементов часов.

Схема для включения ламп

Эта схема решает проблему согласования управляющего напряжения на микросхеме 5 В и управляемого напряжения питания анодов. Положительный потенциал 180 В подается на анод, а отрицательный – на катоды соответствующих цифр.

Схема управления подключением анодов лампы

Включение катодов производится схемой на базе старой микросхемы К155ИД1, которая запитывается от напряжения 5 В, что в нашем случае очень удачно. Микросхемы 155-й серии сняты с производства, но не являются дефицитом, их легко можно купить в торговых сетях и на радиорынках. Чтобы не паять микросхему к каждой лампе, схема управления катодами делается по динамическому принципу.

Схема с элементами управления анодами и катодами ламп

Теперь блок питания, схему управления катодами и анодами надо подключить к процессору часов DS1307, для согласования идеально подходит микроконтроллер Mega8.

Разновидности изделий

Выделяют разные виды газоразрядных ламп в зависимости от типа свечения, величины давления.

Если сравнивать потоки светового излучения, создаваемые изделиями, то газоразрядные лампы можно разделить на:

• люминесцентные;
• газосветные;
• электродосветные.

Первые отличаются светом, поступающим наружу за счет слоя люминофора, которым покрыта лампа, активирующегося при газовом разряде.

Газосветные светят за счет света самого газового разряда, а электродосветные освещают с помощью свечения электродов под воздействием газового разряда.

По величине давления изделия можно разделить на лампы высокого и низкого давления.

Первые могут дополнительно разделяться на дуговые ртутные лампы (ДРЛ), а также на дуговые ксеноновые трубчатые (ДКсТ), дуговые ртутные с йодидами (ДРИ) и дуговые натриевые трубчатые (ДНат). Главное их отличие — функционирование без пускорегулирующего устройства. Именно такие лампы чаще всего освещают улицы, дома, автомобили и стенды наружной рекламы.

Стоит обратить внимание на тот факт, что лампы высокого давления газоразрядного типа используются чаще всех остальных. Натриевые и ртутные модели просто незаменимы в создании ярких баннеров рекламы, освещающих улицы в ночное время

Жилые и офисные помещения с помощью таких ламп освещают нечасто.

А вот что такое газоразрядные лампы с низким давлением? Они классифицируются на ЛЛ и КЛЛ. Эти лампочки с успехом выполняют функции ранее используемых ламп накаливания. Именно их удобнее и практичнее всего использовать для создания не только уличного, но и домашнего освещения.

Среди ламп низкого давления наиболее популярными считаются люминесцентные. Такие лампы для уличного освещения подходят как нельзя лучше. Вкручивая их в фонари, можно добиться высокой эффективности работы за счет мощного преобразования электроэнергии в световую.

Виды газоразрядных ламп

Для классификации газоразрядных источников света используются различные критерии: наполнение и форма колбы, конструкция электродов, давление.

По типу наполнения газоразрядные источники света делятся на 3 вида:

• люминесцентные (покрыты люминофором);
• газосветные (наполнены газом);
• металлогалогенные (светится пар металлов).

Из газов используется неон, криптон, ксенон, гелий, аргон или их смеси. Самые распространенные металлы ртуть и натрий. Большинство производителей используют пары ртути, хотя натрий эффективнее. Нередко газ и пары ртути применяются одновременно. Разряд дуговой, импульсный или тлеющий.

Люминесцентные изделия разделяются по внутреннему давлению:

• ДРЛ (дуговые ртутные люминофорные) высокого давления;
• ГРЛНД – низкого давления.

Производители предлагают колбы и электроды различной конструкции, системы для принудительного охлаждения.

Высокого давления

Источники света с высоким давлением (более атмосферы) подключаются к сети 220/380 В, мощность приборов может достигать нескольких десятков киловатт. Характеристики практически не зависят от температуры среды. Слишком высокая или слишком низкая температура меняет лишь период разгорания. Срок службы до 20-и тыс. часов, цоколь Е27 (для мощности 127 В) или Е40 (для остальных).

Отличие от изделий с низким давлением – повышенная мощность и компактные размеры.

Низкого давления

Для источников света с низким давлением (менее атмосферы) характерна колба в виде трубы. Покрытие флуоресцентное или люминесцентное. Наполнение – аргон, неон или натрий, электроды из вольфрама, покрытого кальцием, стронцием, барием. Эти газовые лампы используются для освещения помещений.

Область применения в наше время

Сейчас газоразрядные индикаторы с цифрами промышленность уже не делает, но в свое время их наштамповали столько, что до сих пор они пылятся на складах и в частных запасах. Их можно уже назвать антиквариатом, ну как, например, во многих домах есть винтажные подсвечники, которые используются как декоративный элемент интерьера. Так и часы на газоразрядных лампах – завораживают своей подсветкой и являются отличным добавлением к интерьеру различных помещений, особенно обустроенных в стиле ретро.

Вещь красивая и полезная, но заводами, увы, уже не производится. Можно сделать их самому или купить готовые у людей, специализирующихся на их производстве. Разработано немало схем часов с применением газоразрядных индикаторов на старых и новых микросхемах. Рассмотрим наиболее простые варианты.

Устройство и принцип работы газоразрядных ламп.

Любая газоразрядный источник света представляет собой герметичную колбу, внутри которой расположены электроды. Между ними протекает разряд. В зависимости от модификации колба может быть разной формы. Материал зависит от предназначения осветителя. Наполнение также разнообразно.

Между электродами протекает разряд. Напряжения зажигания может быт существенно выше напряжения горения. Поэтому для запуска требуется пускатель. Он может быть примитивный в виде последовательно соединенных стартера и дросселя – катушки индуктивности. Но сейчас все чаще применяют электронный тип пуско-регулирующего аппарата – ЭПРА. Устройство его более сложное, но функции те же самые.

От формы, мощности, материалов изготовления, наличия люминофорного покрытия зависит применение газоразрядных лам. Следует заметить, что они чувствительны к температуре окружающей среды. При пониженных температурах розжиг становится более сложной задачей. Согласно ГОСТам, максимальное время запуска не должно превышать десяти секунд.

Принцип работы лампочки

Главные элементы электроды – через них пуско-регулирующая система передает электроэнергию. Импульс пробивает газ между электродами, стабилизатор ограничивает силу тока (сила тока обратно пропорциональна напряжению), наполнение начинает излучать свечение, которое становится ярче по мере нагревания.

Источник света полностью загорается примерно через 2 минуты. Этот период времени требуется для полного испарения наполнения. Время загорания зависит так же от температуры окружающей среды. Для ускорения процесса некоторые производители монтируют в горелку несколько электродов.

Спектр излучения варьирует в широких пределах – от ультрафиолета до инфракрасных лучей. Яркость зависит от давления, вида наполнения, размеров колбы. Чем она меньше, тем интенсивнее свет.

Похожие записи:

Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность Какие виды лампочек существуют: обзор основных типов ламп + правила выбора лучшей На какой частоте работает автомобильная сигнализация Напряжение питания светодиода: как определяется, на что влияет Опасность тока и напряжения: есть ли разница Топ-10 лучших зарядных устройств для автомобильного аккумулятора