4 Дәріс.
ОС көздері.Жылулық сәулену көздері-қыздыру шамдар,галогенді және инфроқызыл шамдары. Олардың жұмыс істеу принципі,құрылысы, қолдану ауданы,артықшылықтары және кемшіліктері.
ҚЫЗДЫРУ ШАМДАРЫНЫҢ ҚҰРЫЛЫСЫ
ЖӘНЕ ЖҰМЫСЫ
Қыздыру шамдарының құрастырылымы олардың қолдану мақсатына байланысты келеді. Шыны колбаның іші газбен (аргон, азот немесе криптон) толтырылады. Колбаның диаметрі шамның қуатына байланысты болады. Колба шамның цоколіне арнайы мастиканың көмегімен бекітіледі. Цоколь бұрандалы, штифті және фокустелінетін болып дайындалады. Колбаның ішіне штабиктен, күрекшеден және штенгельден тұратын шамның шыныдан жасалынған аяғы орнатылады. Штабиктің жоғарғы жағына молибден ілмектер дәнекерленеді. Ілмектерге шамның қызу денесі (қылсым) бекітіледі. Қызу денесі екі никель электродтардың жоғарғы ұшына балқытып біріктіріледі. Электродтардың екінші ұштары күрекшенің ішіне балқытып орнатылған екі платина сымдардың жоғары ұштарына дәнекерленеді, ал платина сымдардың төменгі ұштары шамның цоколіне қосылған мыс сымдарға дәнекерленеді.
Шамның колбасы әр түрлі пішінді дайындалады. Жарықтандыруға арналған қыздыру шамдарының колбалары мөлдір, сондай-ақ күңгірт, жалтыр түсті немесе «сүт түсті» шыныдан дайындалады. Шамның жарық ағыны бір жаққа бағытталынуы керек болғанда, колбаның ішкі бетінің жоғарғы жағы күмістен немесе алюминийден жасалынған айналы қабыршақпен қапталады. Осы шағылыстырғыштардың пішінін өзгертумен шамның жарық ағынының бағытын реттеуге болады.
Қыздыру шамдарының жұмысы оның негізгі элементі — қызу денесінің жұмысымен анықталады. Сондықтан қызу денесінің жұмысына тоқтаймыз. Негізгі жылулық сәулелену зандары бойынша қыздыру шамдарының маңызды көрсеткіштері (сәулеленуінің спектрлік құрамы, ағынының мәні, П.Ә.К-і және тағы басқалары) қызу денесінің температурасына байланысты келеді. Бірақ тек қызу денесінің температурасын жоғарылатумен қыздыру шамдарының тиімділігін арттыру өте қиын. Өйткені температура жоғарылаған сайын қызу денесі материалының булану жылдамдығы, яғни оның бөлшектерінің қоршап тұрған ортаға ұшуы, көбейеді де шамның қызмет ету мерзімі азаяды. Шамдардың қызу денесі 2400…2800 К температураға дейін қыздырылады. Температура осы шектен 1 процентке жоғарылағанда қызу денесі материалының булану жылдамдығы екі рет көбейеді.
Қызу денесінің материалы көптеген талаптарға сәйкес болуы керек. Материалдың өткізгіштігі жеткілікті, балқу температурасы жоғары, әр түрлі диаметрлі сымдарды дайындауға мүмкіншілік беретін қажетті созымдылығы, ұзақ қызмет ету мерзімін қамтамасыз ету үшін жұмыс температурасындағы булану жылдамдығы төмен болуы қажет. Осы талаптарға вольфрам үйлесімді келеді, сондықтан оны қызу денесін дайындауға пайдаланады.
Қазіргі уақытта негізінде қызу денесі вольфрам сымынан дайындалған, колбасы газбен толтырылған қыздыру шамдары пайдаланылады. Толтыратын газ ретінде аргон мен азот қоспасы (86% Аr + 14%N2) немесе азот қосылған криптон және ксенон қолданылады. Азот газдық орта арқылы қысқа тұйықталу болмас үшін қосылады. Газ толтырылған шамдарда вакуум шамдарға қарағанда қызу денесі материалының булану жылдамдығы баяу келеді. Осы себептен қызмет ету мерзімін қысқартпай, қызу денесінің температурасын жоғарылатуға болады.
Газ толтырылған қуатты қыздыру шамдарының қызу денесінің температурасы 3000 К-ге дейін болады.
Газда жылу шығынын және қызу денесі материалының булану жылдамдығын азайту үшін қазіргі жалпы мақсатқа арналған шамдарда қызу денесі спираль (шыйыршык) түрінде дайындалады. Қос спираль түрінде жасалынған қызу денелерін пайдалану қыздыру шамдарының тиімділігін одан әрі жоғарылатуға мүмкіншілік берді.
Қыздыру шамдарының құрастырылымдық ерекшеліктері олардың типін анықтайтын шартты белгіде көрсетіледі. Шамдардың типі әріппен және цифрлармен белгіленеді. Әріп шамның түрін көрсетеді: В-вакуумдық, Г — газ толтырылған, Б — қос спиральді, БК — қос спиральді криптонмен толтырылған. Бірінші цифрлар шамның кернеу диапазонын, ал екінші цифрлар шамның қуатын көрсетеді.
ҚЫЗДЫРУ ШАМДАРЫНЫҢ НЕГІЗГІ СИПАТТАМАЛАРЫ
Қыздыру шамдарының негізгі сипаттамаларына олардың номинал кернеуі, электрлік қуаты, жарық ағыны, жарық бергіштігі және қызмет ету мерзімі жатады.
Типіне және қолдану орнына байланысты номинал кернеуі 1В-тен 220 В-ке дейін болатын қыздыру шамдары шығарылады. Мысалы, автомобиль және трактор шамдарының номинал кернеуі 6 және 12 В болады, жергілікті жарықтандыруға арналған шамдардың -12 және 36 В, темір жол шамдарының 24,50 және 74 В; жалпы мақсатқа арналған жарықтандыру шамдарының кернеуі мынадай диапазонда 127…135 В, 215…225 В, 220…235 В, 230…240 В, 235…245 В болады. Қыздыру шамдары пайдаланылатын жарықтандыратын қондырғыларда көп жағдайда кернеу өзінің номинал мәнінен өзгеше. Сондықтан шамдардың кернеуі әр түрлі диапазонда болады.
Қыздыру шамдарының электрлік қуаты мемлекеттік үлгіқалыппен тағайындалатын шектің орташа шамасы ретінде көрсетіледі. Қуаты Вт-тың бөлшегінен бірнеше кВт-қа дейін болатын қыздыру шамдары шығарылады.
Қыздыру шамдарының жарық ағыны олардың қуатына және қызу денесінің температурасына байланысты. Шамды дайындау кезінде есептік шамалардан ауытқу болады, сондықтан үлгіқалып жарық ағынның мүмкіндік өзгеру шегін қарастырады. Пайдаяану кезінде қызу денесінің сәулеленуі және оның материалы бөлшектерінің ұшу өнімдерінің колбаның ішкі бетіне қонуымен шынының мөлдірлігі кемуіне байланысты шамның жарық ағыны азаяды. Күңгірт түсті колбалы шамдардың жарық ағыны мөдцір шынылы шамдардың жарық ағынының 97 процентінен, ал колб-алары «сүт түсті» болатын шамдардың жарық ағыны мөлдір колбалы шамдардың ағынының 80 процентінен кем болмауы керек.
Жарық бергіштігі-қыздыру шамдарының үнемділігін көрсететін негізгі сипаттамалардың бірі (лм/Вт):
Жарық бергіштігінің мәні қызу денесінің температурасына байланысты келеді. Басқа жағдайлар бірдей болғанда диаметрі үлкен қылсымның температурасы жоғары болуы мүмкін. Демек, басқа жағдайлар бірдей болғанда үлкен қуатты және номинал кернеуі төмен келетін қыздыру шамдарының жарық бергіштігі жоғары болуы керек. Шынында да, 125… 135 В кернеуге арналған 40Вт қызу денесі қос спираль шамның жарық бергіштігі 12,3 лм/Вт болса, ал типі және кернеуі сондай келетін, бірақ қуаты 1000 Вт шамның жарық бергіштігі 19лм/Вт болады. Кернеуі 215…225 В, қуаты 500 Вт шамның жарық бергіштігі 16,6 лм/Вт болса, ал қуаты сондай, бірақ 127..135 В-қа арналған шамның жарық бергіштігі —17,4 лм/Вт.
Жарық бергіштігі әдеттегідей шамдармен қатар, жарық бергіштігі 11… 13% -ке жоғарылатылған криптонмен толтырылған шамдарда шығарылады.
Жалпы мақсатқа арналған шамдардың қызмет ету мерзімі, яғни барлық типті қыздыру шамдарының жұмыс істеу мерзімінің орташа шамасы, 1000 сағаттан кем болмайды. Осымен қатар кернеу номинал мәнінде болғанда әрбір шам 700 сағаттан кем жұмыс істемеуі қажет. 750 сағат жұмыс істегеннен кейін шамның жарық ағыны өзінің бастапқы мәнінің 85 процентінен кем болмауы керек.
НЕГІЗГІ КӨРСЕТКІШТЕРІНЕ ӘСЕРІ. КЕРНЕУ АУЫТҚУЫНЫҢ ҚЫЗДЫРУ ШАМЫНЫҢ
Электр торабының кернеуі өзгергенде қыздыру шамының қылсыма арқылы өтетін токтың мәні өзгеруіне байланысты қызу денесінің температурасы, кедергісі және куаты өзгереді. Осы себептен қылсымның жарықтығы, ал шамның жарық ағыны, жарық бергіштігі және қызмет ету мерзімі өзгереді.
Жалпы мақсатқа арналған қыздыру шамының негізгі сипаттамаларының берілген кернеуге тәуелділігі1— суретте берілген.
1Қыздыру шамының негізгі сипаттамаларының берілген кернеуге тәуелділігі
Кернеу ауыл шаруашылық электр қондырғыларында мүмкіндік шекте ауытқығанда қыздыру шамдарының негізгі параметрлерінің қалай өзгеретіндігі 1 — кестеде келтірілген.1кесте
Қыздыру шамдарының негізгі параметрлерінің өзгеруі.
Кернеудің ауытқу мәні, % Қуаттың өзгеру мәні, % Жарық ағынының өзгеру мәні, % Жарық бергіштігінің өзгеру мәні, % Қызмет ету мерзімінің өзгеру мәні, %
-7,5 -13,0 -27 -12 +217
+2,0 +3,0 +7 +4 -25
+7,5 15,0 +30 +20 -60
Қыздыру шамдарының жақсы жақтарына құрылысының қарапайымдылығын, дайындау құнының аздығын, әр түрлі орталарда жұмысының сенімділігін жатқызуға болады.
Қыздыру шамдарының кемшіліктері: жарық бергіштігінің аздығы (20лм/Вт-қа дейін), сәулелену спектрі құрамының табиғи жарықтан көп өзгешілігі, жарықтылығының өте жоғарылығы.
ГАЛОГЕН ҚЫЗДЫРУ ШАМДАРЫ
Қыздыру шамдарының қылсымының температурасын жоғарылатуға, яғни шамның тиімділігін көбейтуге, олардың қызу денесі материалының бөлшектерінің қоршап тұрған ортаға ұшуы кедергі болады. Йод циклді кварц шамдарында қылсым материалының ұшуы жойылмағанмен осы кұбылыстың зардабына қарсы күрес әдісі табылған. Әдіс осы типті шамдардың негізгі көрсеткіштерін жоғарылатуға мүмкіншілік берді.
2-суретте КГ 220-1000 типті шамның құрылысы: көрсетілген. Цилиндр колба 3 жұмсау температурасы 1373 К жоғары болатын кварц шыныдан дайындалады. Колбаның ішіне аз мөлшерде йод енгізілген және ол шамамен 800 ГПа қысымға дейін аргонмен толтырылған. Қызу денесі 4 еса таза вольфрам сымынан моноспираль түрінде жасалынған және түтіктің осі бойына вольфрам сүйемелдермен 5 монтаждалған. Түтікке кірме шамның кварц аяқшаларына 1 дәнекерленген молибден эдектродтармен 2 орындалған. Электродтар шамның түйіспелік жазық беттеріне 6 дәнекерленген. Шам электр торабына жазық түйіспелік беттерімен қосылады.
2-сурет. КГ 220-1000 типті галоген қыздыру шамының құрылысы:
1-шамның кварц аяқшалары; 2-молибден электродтар; 3-кварц түтік; 4-моноспираль қызу денесі; 5-вольфрам сүйемелдер; 6-жазық түйіспелік беттер.
Шамның ішінде мынадай регенерациялық иодтық цикл өтеді. Қызу денесі материалынан ортаға ұшқан вольфрам бөлшектері қылсымнан түтіктің ішкі қабырғасына қарай қозғалады да, сол жерде йодпен қосылып вольфрам йодидін WJ2 құрады. Вольфрам йодиді түтіктің ішкі қабырғасы айналасында температура 523…1473К болғанда пайда бола алады. Температура осы шектен кем болса вольфрам иодидінің құрылу циклінің толық жүруін қамтамасыз етпейді, ал температура шектен жоғары болса йодид ажырайды. Иодид қызу денесі қасында колба төңірегінен бірнеше рет көп диссоцияланады. Сондықтан қылсым қасында йодид концентрациясы колба төңірегіндегіден аз болады. Осы себептен жаңа құрылған йодидтер өздерінің концентрациясы аз келетін моноспиральге қарай көшеді. Жоғары температура аймағына жеткеннен кейін йодид вольфрамға және йодқа ажырайды. Вольфрам спиральге қонады, ал босанған йод қайтадан циклге қатысады.
Регенерациялық циклдың сұлбасы мынадай болады:1) колба бетінде вольфрам йодидінің құрылуы;2) вольфрамның йодид түрінде спиральге қайта келуі;3) қызу денесі төңірегінде йодидтің ажырауы, вольфрамның спиральге қонуы және йодтың босауы.
Галоген шамдардың негізгі ерекшелігі — электр торабының берілетін кернеуді өзгертумен олардың сәулелену ағынын реттеуге болатындығы. Кернеуді номинал мәнінен жоғарылату олардың қызмет ету мерзімін әдеттегі қыздыру шамдарындағыдай кенет төмендетпейді.
Йод циклді қыздыру шамдарының жақсы жақтары:1) меншікті сәулелену тығыздығының жоғарылығы;2) қызмет ету мерзімі ішінде сәулелену ағынының тұрақтылығы;3) габариттің кішілігі;4) ұзақ уақыт ішінде асқын жүктелуге төзу қабілеттігі;5) қоректендіру кернеуін өзгертумен сәулелену ағынын кең шекте бірқалыпты реттеуге болатындығы.
Йод циклді қыздыру шамдарының негізгі кемшіліктері:
1) йод циклін бұзбау және қызу денесі өзі салмағымен деформацияланбауы үшін шамның тек горизонтал жағдайда ғана жұмыс істей алатындығы;2) аса таза вольфрам және кварц шыны пайдалану керек болғандықтан шам құнының өте жоғарылығы.
АУЫЛ ШАРУАШЫЛЫҚ ӨНДІРІСІНДЕ ПАЙДАЛАНЫЛАТЬІН ИНФРАҚЫЗЫЛ СӘУЛЕЛЕНУ КӨЗДЕРІ
Инфрақызыл сәулелену ауыл шаруашылығында мал төлдерін және құс балапандарын жылытуға, ауыл шаруашылық өнімдерін кептіруге және т.б. технологиялық процестерде пайдаланылады.
Инфрақызыл сәулелену көздері спектр құрамына байланысты «жарық» және «қараңғы» болып бөлінеді. «Жарық» көздерінің құрылысы және жұмыс істеу принципі бойынша жарықтандыруға арналған қыздыру шамдарынан өзгешілігі жоқ болады. Бірақ шамдардың толық ағынында инфрақызыл сәулеленудің үлесін көбейту және көрінерлік сәулеленудің үлесін азайту үшін олардың қызу денесі жарықтандыруға арналған шамдардың қылсымына қарағанда кіші температурада (Т=2270…2770К) қыздырылады. Осы себептен бұл шамдардың сәулеленуінің спектрлік тығыздығының максимумы спектрдің ұзын толқынды бөлігіне ығысқан және толқын ұзындығы λ=1000…1400нм сәулеленуге келеді.
ИКЗ 220-500 және ИКЗК 220-250 типті айналы инфрақызыл шамдары және КГ 220-1000-1 типті кварц — галогенді инфрақызыл шамдары шығарылады. Айналы шамдар колбасының ішкі бетінің жоғарғы бөлігі инфрақызыл сәулеленуді шағылыстыру коэффициенті 0,9 шамасындай болатын жұқа қабат алюминиймен немесе күміспен қапталады. Колба пішіні шам сәулеленуінің кеңістікте таралу сипатын анықтайды.
ИКЗК типті шамдар колбасы олардың жарық ағынын (көрінерлік сәулелену үлесін) азайту үшін қызуға төзімді қызыл лакпен қапталады. Инфрақызыл шамдар қызу денесінің температурасы төмен болуы олардың қызмет ету мерзімін 5000 сағатқа дейін көбейтуге мүмкіншілік берді.
«Қараңғы» инфрақызыл сәулелену көздеріне ішіне қызуға төзімді изоляциялық материалмен нихром сымнан спираль түрінде жасалынған қыздырғыш бекітілген металл түтіктер жатады. «Қараңғы» көздерінің сәулелену спектрі толқынының ұзындығы 1400…10000 нм диапазонында, ал сәулеленуінің спектрлік тығыздығының максимумы λ=1400 нм-де болады. Инфрақызыл сәулелерімен жылыту үшін бірлік қуаты 400…800 Вт болатын түтікті электр қыздырғыштар шығарылады. Олардың қызмет ету мерзімі 10000 сағат болады.