Дуговая лампа: принцип работы и применение.

Введение

Лампа, производящая свет электрической дугой

Дуговая лампа или дуговой свет – это лампа, производящая свет посредством электрической дуги (также называемой вольтовой дугой). Углеродная дуговая лампа, состоящая из дуги между угольными электродами в воздухе, изобретенная Хамфри Дэви в первом десятилетии 1800-х годов, была первым практичным электрическим источником света. Она широко использовалась, начиная с 1870-х годов, для уличного освещения и освещения больших зданий, пока в начале 20-го века не была вытеснена лампой накаливания. Ксеноновая дуговая лампа, производящая высокоинтенсивный белый свет, теперь используется во многих областях, где ранее применялась углеродная дуга, таких как кинопроекторы и прожекторы.

Операция

Дуга – это разряд, возникающий при ионизации газа. Высокое напряжение подается на лампу импульсами для "зажигания" или "поджига" дуги, после чего разряд может поддерживаться при более низком напряжении. Для "поджига" требуется электрическая цепь с запальным устройством и балластом. Балласт включается последовательно с лампой и выполняет две функции. Во-первых, при первом включении питания запальное устройство/стартер (подключенный параллельно лампе) создает небольшой ток через балласт и стартер. Это создает небольшое магнитное поле в обмотках балласта. Через мгновение стартер прерывает ток, поступающий от балласта, который обладает высокой индуктивностью и поэтому стремится поддерживать ток (балласт сопротивляется любым изменениям тока); однако он не может этого сделать, поскольку цепь разорвана. В результате на балласте на мгновение возникает высокое напряжение, к которому подключена лампа; таким образом, лампа получает это высокое напряжение, что и "поджигает" дугу внутри трубки/лампы. Цепь повторяет это действие до тех пор, пока лампа не ионизируется достаточно для поддержания дуги. Когда лампа поддерживает дугу, балласт выполняет свою вторую функцию – ограничивает ток до уровня, необходимого для работы лампы. Лампа, балласт и запальное устройство должны соответствовать друг другу по характеристикам; эти компоненты необходимо заменять на аналогичные неисправному, иначе лампа не будет работать. Цвет света, излучаемого лампой, меняется по мере изменения ее электрических характеристик с температурой и временем. Молния – это аналогичный принцип, когда атмосфера ионизируется высокой разностью потенциалов (напряжением) между землей и грозовыми облаками. Температура дуги в дуговой лампе может достигать нескольких тысяч градусов Цельсия. Внешняя стеклянная колба может нагреваться до 500 градусов Цельсия, поэтому перед обслуживанием необходимо убедиться, что лампа достаточно остыла для безопасного обращения. Часто, если такие лампы выключаются или теряют питание, их нельзя снова зажечь в течение нескольких минут (такие лампы называются лампами с холодным повторным поджогом). Однако некоторые лампы (в основном люминесцентные лампы/энергосберегающие лампы) можно зажечь сразу после выключения (такие лампы называются лампами с горячим повторным поджогом). Водяная стенка плазменной дуговой лампы Vortek, изобретенная в 1975 году Дэвидом Кэммом и Роем Нодуэллом в Университете Британской Колумбии, Ванкувер, Канада, была занесена в Книгу рекордов Гиннеса в 1986 и 1993 годах как самый мощный непрерывно горящий источник света, потребляющий более 300 кВт или излучающий 1,2 миллиона свечей.

An arc is the discharge that occurs when a gas is ionized. A high voltage is pulsed across the lamp to "ignite" or "strike" the arc, after which the discharge can be maintained at a lower voltage. The "strike" requires an electrical circuit with an igniter and a ballast. The ballast is wired in series with the lamp and performs two functions. First, when the power is first switched on, the igniter/starter (which is wired in parallel across the lamp) sets up a small current through the ballast and starter. This creates a small magnetic field within the ballast windings. A moment later the starter interrupts the current flow from the ballast, which has a high inductance and therefore tries to maintain the current flow (the ballast opposes any change in current through it); it cannot, as there is no longer a 'circuit'. As a result, a high voltage appears across the ballast momentarily, to which the lamp is connected; therefore the lamp receives this high voltage across it which 'strikes' the arc within the tube/lamp. The circuit will repeat this action until the lamp is ionized enough to sustain the arc. When the lamp sustains the arc, the ballast performs its second function, to limit the current to that needed to operate the lamp. The lamp, ballast, and igniter are rating matched to each other; these parts must be replaced with the same rating as the failed component or the lamp will not work. The colour of the light emitted by the lamp changes as its electrical characteristics change with temperature and time. Lightning is a similar principle where the atmosphere is ionized by the high potential difference (voltage) between earth and storm clouds. The temperature of the arc in an arc lamp can reach several thousand degrees Celsius. The outer glass envelope can reach 500 degrees Celsius, therefore before servicing one must ensure the bulb has cooled sufficiently to handle. Often, if these types of lamps are turned off or lose their power supply, one cannot restrike the lamp again for several minutes (called cold restrike lamps). However, some lamps (mainly fluorescent tubes/energy saving lamps) can be restruck as soon as they are turned off (called hot restrike lamps). The Vortek water wall plasma arc lamp, invented in 1975 by David Camm and Roy Nodwell at the University of British Columbia, Vancouver, Canada, made the Guinness Book of World Records in 1986 and 1993 as the most powerful continuously burning light source at over 300 kW or 1.2 million candle power.

Углеродная дуговая лампа

В углеродной дуговой лампе электроды представляют собой углеродные стержни в свободном воздухе. Для зажигания лампы стержни соприкасаются друг с другом, что позволяет относительно низкому напряжению вызвать возникновение дуги. Сама дуга состоит из чистого углеродного пара, нагретого до состояния плазмы. Однако дуга вносит очень небольшой вклад в световой поток и считается нелюминесцентной, поскольку большая часть её излучения приходится на спектральные линии в фиолетовой и ультрафиолетовой областях спектра. Большая часть углеродного спектра проявляется в виде очень широкой линии с центром на 389 нм (УФ-А, непосредственно за пределами видимого спектра) и очень узкой линии на 250 нм (УФ-В), а также некоторых других менее интенсивных линий в УФ-С диапазоне.

Основная часть видимого и инфракрасного излучения создается за счет раскаливания положительного электрода, или анода. В отличие от вольфрамовых анодов, используемых в других дуговых лампах, которые остаются относительно холодными, углерод обладает гораздо более высоким сопротивлением, из-за чего электроны вынуждены входить в анод в самой горячей точке, генерируя огромное количество тепла, которое испаряет углерод и образует углубление на поверхности анода. Это углубление нагревается до 3300–3600 градусов Цельсия (чуть ниже температуры плавления), в результате чего оно очень ярко светится от накала. В связи с этим электроды часто располагали под прямым углом друг к другу, а анод ориентировали наружу, чтобы не препятствовать выходу света. Поскольку углерод имеет самую высокую температуру плавления среди всех элементов, это единственная лампа, излучение черного тела которой способно почти достигать температуры Солнца – 10 000 градусов по Фаренгейту (5500 градусов Цельсия), особенно при использовании фильтров для удаления большей части инфракрасного и ультрафиолетового излучения.

История

Концепция углеродного дугового освещения была впервые продемонстрирована Хамфри Дэви в начале 19 века, но источники расходятся во мнениях относительно года первой демонстрации: упоминаются 1802, 1805, 1807 и 1809 годы. Дэви использовал угольные стержни и батарею из двух тысяч элементов для создания дуги в зазоре. Он расположил электроды горизонтально и заметил, что из-за сильного конвективного потока воздуха дуга приобретала форму арки. Он ввел термин "арковая лампа", который впоследствии сократился до "дуговой лампы" с началом широкого использования этих устройств. В конце девятнадцатого века электрическое дуговое освещение широко применялось для уличного освещения. Существенной проблемой была склонность электрических дуг к мерцанию и шипению. В 1895 году Герта Айртон опубликовала серию статей в журнале The Electrician, в которых объясняла, что эти явления являются результатом контакта кислорода с угольными стержнями, используемыми для создания дуги. В 1899 году она стала первой женщиной, представившей собственный доклад перед Институтом инженеров-электриков (IEE). Её доклад назывался «Шипение электрической дуги». Дуговая лампа обеспечила одно из первых коммерческих применений электричества, которое до этого ограничивалось экспериментами, телеграфом и развлечениями.

Углеродные дуги в США

В Соединенных Штатах после 1850 года предпринимались попытки коммерческого производства дуговых ламп, но отсутствие постоянного электроснабжения сорвало эти усилия. Таким образом, инженеры-электрики начали сосредотачиваться на улучшении динамо-машины Фарадея. Концепция была усовершенствована рядом специалистов, включая Уильяма Эдвардса Стайта и Чарльза Ф. Бруша. Лишь в 1870-х годах такие лампы, как свеча Яблочкова, стали более распространенными. В 1877 году Институт Франклина провел сравнительное испытание систем динамо. Система, разработанная Брушем, показала наилучшие результаты, и Бруш немедленно применил свое усовершенствованное динамо к дуговому освещению, первым примером которого стало освещение Публичной площади в Кливленде, штат Огайо, 29 апреля 1879 года. Несмотря на это, Уабаш, штат Индиана, утверждает, что является первым городом, освещенным "Бруш-Лайтами". Четыре таких лампы были введены в эксплуатацию 31 марта 1880 года. Уабаш был достаточно мал, чтобы быть полностью освещенным всего четырьмя лампами, в то время как установка на Публичной площади Кливленда освещала лишь часть этого большого города. В 1880 году Бруш основал компанию Brush Electric Company. Яркий и интенсивный свет оказался наиболее подходящим для общественных мест, таких как Публичная площадь Кливленда, и был примерно в 200 раз мощнее современных ламп накаливания. Использование электрических дуговых ламп быстро распространилось. В 1881 году журнал Scientific American сообщил, что система использовалась в: 800 лампах на прокатном производстве, сталелитейных заводах и в мастерских, 1240 лампах на шерстяных, хлопчатобумажных, льняных, шелковых и других фабриках, 425 лампах в крупных магазинах, отелях и церквях, 250 лампах в парках, доках и летних курортах, 275 лампах на железнодорожных депо и в мастерских, 130 лампах в шахтах и на плавильных заводах, 380 лампах на фабриках и в различных учреждениях, 1500 лампах на осветительных станциях для городского освещения, 1200 лампах в Англии и других зарубежных странах. Всего было продано более 6000 ламп. В 1880-х годах произошло три основных достижения: Франтишек Крижик в 1880 году изобрел механизм для автоматической регулировки электродов. Дуги были заключены в небольшую трубку для замедления расхода углерода (увеличивая срок службы примерно до 100 часов). Были представлены лампы с пламенной дугой, в которых в углеродные стержни добавлялись металлические соли (обычно магний, стронций, барий или фториды кальция) для увеличения светоотдачи и получения различных цветов. В США патентная защита систем дугового освещения и усовершенствованных динамо-машин оказалась сложной, и в результате индустрия дугового освещения стала высококонкурентной. Главным конкурентом Бруша была команда Элиху Томсона и Эдвина Хьюстона. В 1880 году они основали American Electric Corporation, но вскоре она была выкуплена Чарльзом Коффином, перенесена в Линн, штат Массачусетс, и переименована в Thomson-Houston Electric Company. Тем не менее, Томсон оставался главным изобретателем компании, патентуя улучшения системы освещения. Под руководством патентного поверенного Thomson-Houston Фредерика П. Фиша компания защитила свои новые патентные права. Управление Коффина также привело компанию к агрессивной политике поглощения и слияний с конкурентами. Обе стратегии снизили конкуренцию в отрасли производства электрического освещения. К 1890 году компания Thomson-Houston стала доминирующей электротехнической компанией в США. Никола Тесла получил патент США № 447920 "Метод работы дуговых ламп" (10 марта 1891 года), описывающий генератор переменного тока частотой 10 000 циклов в секунду для подавления неприятного звука гармоник частоты сети, производимых дуговыми лампами, работающими на частотах в пределах диапазона человеческого слуха. К началу века системы дугового освещения пришли в упадок, но Thomson-Houston контролировала ключевые патенты на городские системы освещения. Этот контроль замедлил распространение систем освещения с лампами накаливания, разрабатываемых компанией Edison General Electric Company Томаса Эдисона. В свою очередь, контроль Эдисона над патентами на распределение и генерацию постоянного тока препятствовал дальнейшему расширению Thomson-Houston. Препятствие к расширению было устранено, когда в 1892 году обе компании объединились, образовав General Electric Company. В 1915 году Элмер Амброз Сперри начал производство своего изобретения – мощного углеродного дугового прожектора. В XX веке они использовались на военных кораблях всех флотов для сигнализации и освещения противника. В 1920-х годах углеродные дуговые лампы продавались как средства для поддержания здоровья семьи, замена естественному солнечному свету. В большинстве областей применения дуговые лампы были вытеснены лампами накаливания, сохранившись лишь в некоторых нишевых областях, таких как кинопроекция, прожекторы и поисковые огни. В 1950-х и 1960-х годах для питания углеродной дуговой лампы уличного кинопроектора обычно использовалась комбинация двигателя и генератора (двигатель переменного тока, приводящий в действие генератор постоянного тока). Даже в этих областях традиционные углеродные дуговые лампы в значительной степени были вытеснены ксеноновыми дуговыми лампами, но все же производились как прожекторы, по крайней мере, до 1982 года, и до сих пор производятся для одной цели – имитации солнечного света в машинах "ускоренного старения", предназначенных для оценки скорости деградации материала под воздействием окружающей среды. Углеродное дуговое освещение оставило свой след и в других методах кинопроекции. Практика отправки и проецирования кинофильмов на 2000-футовые катушки и использования "смен" между двумя проекторами была обусловлена тем, что углеродные стержни в лампах проектора имели срок службы около 22 минут (что соответствует количеству пленки в указанных катушках при проецировании со скоростью 24 кадра в секунду). Проекционист следил за выгоранием стержня визуально (через смотровое отверстие, похожее на сварочную маску) и заменял углеродный стержень при смене катушек с пленкой. Двойная система смены проекторов в значительной степени исчезла в 1970-х годах с появлением ксеноновых ламп проекторов, уступив место системам с одним проектором и катушкой, хотя фильмы продолжали отправляться в кинотеатры на 2000-футовых катушках.

In the United States, there were attempts to produce arc lamps commercially after 1850, but the lack of a constant electricity supply thwarted efforts. Thus electrical engineers began focusing on the problem of improving Faraday's dynamo. The concept was improved upon by a number of people including William Edwards Staite [de] and Charles F. Brush. It was not until the 1870s that lamps such as the Yablochkov candle were more commonly seen. In 1877, the Franklin Institute conducted a comparative test of dynamo systems. The one developed by Brush performed best, and Brush immediately applied his improved dynamo to arc lighting, an early application being Public Square in Cleveland, Ohio, on April 29, 1879. Despite this, Wabash, Indiana claims to be the first city ever to be lit with "Brush Lights". Four of these lights became active there on March 31, 1880. Wabash was a small enough city to be lit entirely by 4 lights, whereas the installation at Cleveland's Public Square only lit a portion of that larger city. In 1880, Brush established the Brush Electric Company. The harsh and brilliant light was found most suitable for public areas, such as Cleveland's Public Square, being around 200 times more powerful than contemporary filament lamps. The usage of Brush electric arc lights spread quickly. Scientific American reported in 1881 that the system was being used in:
800 lights in rolling mills, steel works, shops, 1,240 lights in woolen, cotton, linen, silk, and other factories, 425 lights in large stores, hotels, churches, 250 lights in parks, docks, and summer resorts, 275 lights in railroad depots and shops, 130 lights in mines, smelting works, 380 lights in factories and establishments of various kinds, 1,500 lights in lighting stations, for city lighting, 1,200 lights in England and other foreign countries. A total of over 6,000 lights which are actually sold. There were three major advances in the 1880s: František Křižík invented in 1880 a mechanism to allow the automatic adjustment of the electrodes. The arcs were enclosed in a small tube to slow the carbon consumption (increasing the life span to around 100 hours). Flame arc lamps were introduced where the carbon rods had metal salts (usually magnesium, strontium, barium, or calcium fluorides) added to increase light output and produce different colours. In the U. S., patent protection of arc lighting systems and improved dynamos proved difficult and as a result the arc lighting industry became highly competitive. Brush's principal competition was from the team of Elihu Thomson and Edwin J. Houston. These two had formed the American Electric Corporation in 1880, but it was soon bought up by Charles A. Coffin, moved to Lynn, Massachusetts, and renamed the Thomson Houston Electric Company. Thomson remained, though, the principal inventive genius behind the company patenting improvements to the lighting system. Under the leadership of Thomson Houston's patent attorney, Frederick P. Fish, the company protected its new patent rights. Coffin's management also led the company towards an aggressive policy of buy outs and mergers with competitors. Both strategies reduced competition in the electrical lighting manufacturing industry. By 1890, the Thomson Houston company was the dominant electrical manufacturing company in the U. S. Nikola Tesla received U. S. Patent 447920, "Method of Operating Arc Lamps" (March 10, 1891), that describes a 10,000 cycles per second alternator to suppress the disagreeable sound of power frequency harmonics produced by arc lamps operating on frequencies within the range of human hearing. Around the turn of the century arc lighting systems were in decline, but Thomson Houston controlled key patents to urban lighting systems. This control slowed the expansion of incandescent lighting systems being developed by Thomas Edison's Edison General Electric Company. Conversely, Edison's control of direct current distribution and generating machinery patents blocked further expansion of Thomson Houston. The roadblock to expansion was removed when the two companies merged in 1892 to form the General Electric Company. In 1915, Elmer Ambrose Sperry began manufacturing his invention of a high intensity carbon arc searchlight. These were used aboard warships of all navies during the 20th century for signaling and illuminating enemies. In the 1920s, carbon arc lamps were sold as family health products, a substitute for natural sunlight. Arc lamps were superseded by filament lamps in most roles, remaining in only certain niche applications such as cinema projection, spotlights, and searchlights. In the 1950's and 1960's the high power D. C. for the carbon arc lamp of an outdoor drive in projector would typically be supplied by a motor generator combo (AC motor powering a DC generator). Even in these applications conventional carbon arc lamps were mostly pushed into obsolescence by xenon arc lamps, but were still being manufactured as spotlights at least as late as 1982 and are still manufactured for at least one purpose – simulating sunlight in "accelerated aging" machines intended to estimate how fast a material is likely to be degraded by environmental exposure. Carbon arc lighting left its imprint on other film projection practices. The practice of shipping and projecting motion pictures on 2,000 foot reels, and employing "changeovers" between two projectors, was due to the carbon rods used in projector lamphouses having a lifespan of roughly 22 minutes (which corresponds to the amount of film in said reels when projected at 24 frames/second). The projectionist would watch the rod burn down by eye (though a peephole like a welder's glass) and replace the carbon rod when changing film reels. The two projector changeover setup largely disappeared in the 1970s with the advent of xenon projector lamps, being replaced with single projector platter systems, though films would continue to be shipped to cinemas on 2,000 foot reels.