Исследование источников света

Рис.1. Излучение абсолютно черного тела (Планка)

Методические указания к лабораторной работе.  Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ). О.И. Грибков, А.В. Волков, О.А. Устинов. Приведена методика выполнения лабораторной работы с использованием учебного стенда «Россуч-прибора».

Введение

Фотометрия как самостоятельная отрасль науки начала создаваться лишь в XVIII веке в связи с потребностью установления основных законов распространения света, а также измерения электромагнитного излучения в видимом спектральном диапазоне.

Создателем начальных основ фотометрии является француз П. Бугер (1698-1758), который впервые ввел понятие силы света, освещенности и яркости. П. Бугер впервые вывел экспоненциальный закон ослабления излучения при прохождении его через однородную оптическую среду. Он разработал методику для измерения силы света и на основе экспериментальных данных установил чувствительность глаза к малым световым потокам и пороговые потоки для оценки реакции глаза на световое излучение.

И. Ламберт (1728-1777) развил и усовершенствовал теоретические основы фотометрии. И. Ламбертом были сформулированы понятия световых величин и создана теория фотометрических расчетов для определения освещенности поверхностей световым потоком, падающим на них от точечных излучателей.

К вопросам фотометрии вновь вернулись в начале XX века, когда появилась дисциплина светотехника, анализирующая качественное искусственное освещение в рабочих и бытовых помещениях. В связи с использованием электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне в технике, особое внимание стали уделять количественной фотометрии в диапазоне от долей до 1000 мкм.

Современная теоретическая фотометрия развивается и углубляется на базе волновых и квантовых свойств электромагнитного излучения.

Большие заслуги в разработке теории электромагнитного поля принадлежат Д.К. Максвеллу, С.И. Вавилову, П.Н. Лебедеву, М.М. Гуревичу, В.В. Мешкову, создавшим научную базу современной теоретической фотометрии.

Электрический свет интернационален по месту своего рождения. В его открытии и создании участвовали выдающиеся учёные и изобретатели из многих стран мира. Первый этап разработки электрических источников света благодаря открытиям и изобретениям Деви, Вольта, Петрова, Мольена, Габела, Адамаса, Шпренгеля, Ладыгина, Яблочкова, Дедриксона и других завершился в 1879г. Созданием Эдисоном лампы накаливания в привычном для нас конструктивном виде. Первые публичные установки электрического освещения появились в конце 19 века в странах Западной Европы, в Америке и России. Электрическая «свеча Яблочкова» произвела сенсацию в Париже и была названа «русским светом».

Конкуренция ламп накаливания появилась с разработкой поколения разрядных ламп в 30-х годах нашего столетия: люминесцентных и ртутных ламп, обладающих двумя выдающимися преимуществами: в несколько раз высокой энергоэкономичностью и продолжительностью работы. Несмотря на большую стоимость, необходимость применения для их включения и работы специальных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) и многие другие недостатки, эти лампы стали быстро вытеснять лампы накаливания, и в первую очередь это коснулось областей промышленного и уличного освещения. С 50-х годов люминесцентные лампы стали занимать прочные позиции в освещении помещений общественных зданий (классы и аудитории, офисы, больницы и др.). В конце 60-х разрядные лампы пополнились новым классом — металлогалогенными лампами, которые, сохраняя преимущества ртутных ламп высокого давления (ДРЛ), отличаются более высокими показателями энергоэкономичности и цветопередачи.

Наиболее широко эти лампы стали применяться сначала в освещении спортивных сооружений (для обеспечения требований ТВ — трансляций). Вершиной в разработке энергоэкономичных ламп следует считать натриевые лампы высокого давления с жёлто — золотистым светом. Одна такая лампа мощностью 400 Вт заменяет лампу ДРЛ мощностью 1000 Вт и 10 ламп накаливания по 300 Вт каждая. Из-за недостаточной цветопередачи эти лампы в первую очередь применяются в уличном освещении. Для расширения области применения разрядных ламп в жилых и общественных зданиях в 70-х годах были разработаны компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), в том числе с таким же цоколем, как и у лампы накаливания. Ввернув такую лампу в обычный светильник, можно снизить его мощность в 5-6 раз (например, КЛЛ мощностью 13 Вт заменит лампу накаливания мощностью 75 Вт). В те же годы для подсветки экспозиций на выставках и в музеях появились галогенные лампы, отличающиеся от обычных исключительной компактностью, в 1,5-2 раза большими экономичностью и сроком службы. Наиболее эффективны и безопасны лампы, рассчитанные на напряжение 12 В, хотя при сетевом напряжении они и требуют установки понижающих трансформаторов. Сегодня зеркальные галогенные лампы накаливания стали эффективным и престижным источником света в освещении офисов, банков, ресторанов, магазинов и др. помещений.

Современную историю источников света удивительные по продолжительности работы «вечные» лампы с новым принципом действия. Это так называемые компактные безэлектродные высокочастотные люминесцентные лампы типа QL мощностью 85 Вт и сроком службы 60 тыс. часов, не уступающие по другим характеристикам лучшим разрядным лампам. Представленные в начале 90-х годов фирмой Philips, эти лампы находят всё большее применение, особенно в странах северной Европы. Авторы проекта утверждают, что очередная замена ламп будет проведена в 2025 году.

1879г.- изобретение лампы накаливания
1924г.- изобретение автомобильной фары ближнего/дальнего света
1933г.- внедрение ртутной лампы высокого давления
1938г.- внедрение люминесцентной лампы
1949г.- создание лампы накаливания «мягкого белого» цвета
1954г.- внедрение кварцевой лампы накаливания
1958г.- внедрение галогенной лампы
1962г.- изобретение натриевой лампы высокого давления    
1965г.- внедрение металлогалогенной лампы
1973г.- внедрение люминесцентных ламп пониженной мощности
1974г.- внедрение эллипсоидного отражателя
1975г.- внедрение зеркальных ламп с фацетным отражателем
1982г.- внедрение металлогалогенной лампы низкой мощности
1987г.- внедрение люминесцентной лампы Biax в 40 ватт
1989г.- внедрение лампы (Halogen-IR™ PAR)
1991г.- внедрение лампы (ConstantColor™ Presise)
1992г.- внедрение компактной люминесцентной лампы (Bi-ax™Compact)
1994г.- изобретение безэлектродной люминесцентной лампы (Genura)
1995г.- выпуск компактной люминесцентной винтовой лампы (Heliax)

{mospagebreak title=Введение}

 

1. Основные положения
1.1. Тепловое излучение

Все материалы при температуре выше абсолютного нуля имеют элек-тромагнитное излучение за счет теплового движения атомов. Оно имеет непрерывный спектр, определяемый как функция температуры и эмиссии излучающего материала. В светотехнике температура источников света определяется по Кельвину (единица измерения "Кельвин" [K]). Инфракрасное излучение имеет нелинейную зависимость от температуры. Мак-симальные значения излучения смещаются с увеличением температуры в диапазон коротких волн (закон распределения Вина)
Спектральная излучательная способность материала определяется ко-эффициентом эмиссии е, являющимся функцией длины волны и температуры. Он является отношением излучения материала к излучению абсо-лютно черного тела.
Коэффициент эмиссии вольфрама, который используется для изготовления нити накала в галогенных лампах, имеет то преимущество, что его максимальное излучение находится в видимом спектре.
Тепловое излучение материала, поглощающего все падающие на него излучения, зависит исключительно от его температуры. Идеальным является так называемое абсолютно черное тело.

Рис.1. Излучение абсолютно черного тела (Планка) 

Рис.1. Излучение абсолютно черного тела (Планка)

Среди всех тепловых излучателей оно имеют наивысшую излучательную способность. Его коэффициент эмиссии равен 1 (независимо от температуры и длины волны). Так как в природе не существует абсолютно черных материалов, подобные создаются в специальных исследовательских лабораториях. Излучение абсолютно черного тела определяется законом Планка. Он показывает, как с ростом температуры все большая часть излучения приходится на видимый и инфракрасный диапазон.

{mospagebreak title=Тепловое излучение}

1.2. Видимое излучение

Светом называется та часть спектра электромагнитного излучения, ко-торую воспринимает глаз человека. Эта область находится между 380 нм и 780 нм. Видимый спектр электромагнитного излучения не имеет четких границ, поскольку они зависят от мощности излучения, которое достигает сетчатки и от чувствительности глаза наблюдателя.
Для восприятия света в глазу имеются 2 типа рецепторов (чувствительных органов):
— колбочки обеспечивают восприятия основных цветов (дневное зре-ние) с максимальной светочувствительностью в желто-зеленом диапазоне, при длине световой волны λ= 555нм (график дневного зрения V(λ))
— высокочувствительные палочки обеспечивают черно-белое воспри-ятие (ночное зрение), с максимальной светочувствительностью в зеленом диапазоне, при длине световой волны λ= 507нм (график ночного зрения V(λ)).
V(λ) и V'(λ) спектральная светочувствительность человеческого глаза

Шкала электромагнитных волн


Обозначение
                            Волновой диапазон
Ультрафиолетовое излучение — C (УФ-C) — 100 — 280 нм
Ультрафиолетовое излучение — B (УФ -B) — 280 — 315 нм
Ультрафиолетовое излучение — A (УФ -A) — 315 — 380 нм
Видимый свет ———————————————- 380 — 780 нм
Инфракрасное излучение A (ИК-A) ———————— 780 нм — 1,4 мкм
Инфракрасное излучение B (ИК -B) ———- 1,4 — 3 мкм
Инфракрасное излучение C (ИК -C) ————————— 3 мкм  — 1мм

Рис.2. Спектр электромагнитного и оптического излучения 

Рис.2. Спектр электромагнитного и оптического излучения

{mospagebreak} 

1.3. Производство света

Принципиально различают три способа производства света: термоизлучение, газовый разряд низкого и высокого давления.

Термоизлучение это процесс нагревания тела как можно до более высокой температуры. Образцом является солнце с температурой поверхности 6000 K. В реальности используют процесс нагревания провода при прохождении электрического тока до как можно высокой температуры. Лучше всего подходит для этого элемент вольфрам с наивысшей среди металлов температурой плавления (3683 K).
Пример: лампы накаливания и галогенные лампы накаливания.

Газовый разряд  этот процесс происходит в закрытой стеклянной емкости, наполненной инертными газами, парами металла и редкоземельными элементами, при возникновении напряжения появляется дуговой разряд. Возникающие при этом свечения газообразных наполнителей дают желаемую цветность света.
Пример: ртутные, металлогалогенные и натриевые лампы.

Люминесцентный процесс возникает под действием электрического разряда. Закаченные в стеклянную трубку пары ртути начинают излучать невидимые ультрафиолетовые лучи, которые попадая на люминофор (на внутренней поверхности стеклянной трубки), преобразуется в видимый свет.
Пример: люминесцентные лампы, компактные люминесцентные лампы, Light Emitting Diodes (LEDs).
{mospagebreak}

1.4. Светотехнические характеристики

Для разработки источников первой и, особенно, второй группы важно знать параметры и характеристики серийно выпускаемых промышленностью первичных источников света, преобразующих электрическую энер-гию в световую. К таким параметрам относятся:
I. Электротехнические характеристики:
напряжение питающей сети Ue, напряжение на лампе Uл, сила тока в пусковой период In, сила тока в рабочий период I p, мощность лампы Рл.
II. Светотехнические характеристики:
световой поток Ф, сила света I, световая отдача, лм/Вт, цветовая тем-пература, КТ.
III. Геометрические характеристики:
габаритные размеры, высота светового центра, форма и размеры све-тящегося тела, его габаритная яркость.

Основными являются светотехнические характеристики.

Световая эффективность (светоотдача (е)) — это отношение светового потока (F), излу-чаемого источником света, к потребляемой этим источником мощности (е = F/P). Единица измерения: лм/Вт. Фактически, эта величина выражает КПД лампы, т.е. то, насколько эффективно лампа способна преобразовать потребленную электроэнергию в видимый свет.

Цветовая температура (К)

Идеальный излучатель (абсолютно черное тело — АЧТ) излучает свет различной цветовой окраски при различных температурах нагрева. Цветовой температурой лампы считается температура, до которой необходимо нагреть АЧТ, чтобы оно излучало свет примерно того же спектрального состава и цветовой окраски, что и данная лампа. Единица измерения: К (кельвин). Кельвин — это единица измерения абсолютной температуры: Т = t + 273 (t = 273 (t = температура в ◦С).

Световой поток — это количество света, т. е. световая энергия, излу-чаемая источником света в течение 1 сек в видимом диапазоне спектра. Единица измерения: люмен (лм);

Люмен — световой поток F, излучаемый абсолютно черным телом, с площади 0,5305 мм2 при температуре затвердевания платины ( 2046,65 К при 101325 Па).( Аналогично: люмен — это световой поток, излучаемый в единичном телесном угле равнонаправленным точечным источником, расположенным в центре сферы единичного радиуса, и имеющий интен-сивность, равную 1 канделе )

Интенсивность света (сила света)
— это световой поток в единичном телесном угле в заданном направлении: I = dF/dH. Единица измерения: кд (кандела).

Освещенность (Е) — это количество света, падающего на данную поверх-ность. Единица измерения: люкс (= лм/м2). Средняя освещенность по-верхности: Е = F/S, где F — световой поток и S — площадь поверхности, на которую падает этот поток.

Яркость(L) — это яркость поверхности, испускающей силу света вели-чиной в 1 канделу (свечу) с площади в 1 м2 в перпендикулярном ей на-правлении, т.е. 1нт=1 кд/м2.

Яркость выражает силу зрительного ощущения, вызываемого источни-ком света. Яркость — это отношение интенсивности света, излучаемого объектом в заданном направлении к проекции поверхности этого объекта на плоскость, перпендикулярную к этому направлению. Единица измере-ния: кд/м2 Примеры: свеча: 5000 кд/м2, люминесцентная лампа: 8000 кд/м2, натриевая лампа низкого давления: 100000 кд/м2,  ртутные лампа высокого давления: 150000 кд/м2, лампа накаливания: 6000000 кд/м2, солнце: 1550 000 000 кд/м2.

Коэффициента использования.

Поскольку не весь световой поток от лампы попадает на освещаемую поверхность (а меньшая его часть) то Fпол — "полезный световой поток", попадающее на поверхность S можно записать так:

Fпол = ή * F
Величина ή называется "коэффициентом использования" (меньше, чем 1 и в формулу подставляется в относительных величинах, хотя в справоч-ных материалах может быть в процентах).
Коэффициент использования ή можно определить экспериментально из
— фотометрических и физических характеристик светильника
— коэффициентов отражения окружающих поверхностей
— коэффициента i- "коэффициент помещения"(коэффициент использова-ния).

Индекс помещения определяет то, как величина ή зависит от геометри-ческих характеристик комнаты и высоты светового центра светильника. Вычисляется по следующей формуле:

К= АВ/ Н(А+В)
где:
А и В — длина и ширина комнаты соответственно
Н — расстояние между световым центром светильника и рабочей плос-костью

Величина коэффициента использования ή берется из таблиц, получен-ных экспериментальным путем. Для этого необходимо знать коэффициенты отражения поверхностей.
При оценке условий зрительной работы используются следующие по-казатели: фон, контраст объекта с фоном, коэффициент пульсации осве-щенности, показатель ослеплённости, спектральный состав света.

Фон – это поверхность, на которой происходит различение объекта.
Характеристикой фона является его отражательная способность (коэффициент отражения ρ) – отношение отраженного от поверхности светового потока Fотр к падающему на нее световому потоку Fпад; ρ = Fотр /Fпад; при ρ >0,4 – фон светлый; при ρ =0,2 …0,4 — средний и при ρ <0,2 – темный.


Контраст объекта с фоном (k)
– степень различения объекта и фона – соотношение яркостей объекта Lф ( риски, точки и др.) и фона Lо: k=(Lф-Lо)/ Lф. Контраст k считается большим при k > 0,5 (объект и фон резко отличаются), средним при k=0,2…0,5 (объект и фон заметно отли-чаются по яркости) и малым при k<0,2 (объект слабо заметен на фоне).

Коэффициент пульсации освещенности (kе) – характеризует глубину колебаний освещенности при изменении во времени светового потока kе=100(Emax-Emin)/Eср,
где Emax, E min, Eср – максимальное, минимальное и среднее значения освещенности за период колебаний; для ламп накаливания kе ~=7 % , для галогенных ламп накаливания
kе= 1%, для газоразрядных ламп kе =25…65%.

Показатель ослеплённости (Ро) — характеризует слепящее действие, создаваемое осветительной установкой Ро = 1000 (V1/V2– 1),
где V1 и V2 — видимость объекта различения соответственно при экра-нировании и наличии ярких источников света в поле зрения.

Видимость V – способность глаза воспринимать объект. Видимость определяется числом пороговых контрастов в контрасте объекта с фоном, т.е. V=k/kпор,
где kпор — пороговый или наименьший различимый глазом контраст, при небольшом уменьшении которого объект становится неразличим на этом фоне.

Требуемый уровень освещенности определяется степенью точности зрительных работ. Нормирование освещения для жилых, общественных и других помещений внутри и вне зданий, мест производства работ, наружного освещения городов и др. населенных пунктов производится по СНиП 23-05.

Нормами все работы в производственных помещениях разделены на VIII разрядов зрительной работы от работ наивысшей точности (наименьший объект различия менее 0,15 мм) и до общего наблюдения за ходом производственного процесса. При этом в зависимости от контраста объекта различения (малый, средний, большой) и характеристики фона (светлый, средний, темный) устанавливаются подразряд зрительной работы и норма освещения с учетом коэффициента запаса Кз.

Коэффициент запаса учитывает снижение освещенности вследствие загрязнения и старения светопрозрачных заполнений в световых проемах и светильниках. Нормы освещенности для жилых общественных и других помещений приведены в СНиП 23-05.

{mospagebreak} 

2. Виды источников света.

 

Основные термины и определения источников света

 

Термин

Определение

Основные понятия

1.Электрическая лампа. Лампа

Источник оптического излучения, создаваемого в результате преобразования электрической энергии

Лампы накаливания

2.Лампа накаливания

Электрическая лампа, в которой свет излучается телом, раскаленным в результате прохождения через него электрического тока

3. Вакуумная лампа

Лампа накаливания со светящим телом, находящимся в колбе, из которой выкачан воздух

4. Газополная лампа

Лампа накаливания, светящее тело которой находится в колбе, наполненной инертным газом

5. Галогенная лампа

Газополная лампа, внутри (или в) замкнутого (замкнутом) пространства (пространстве) которой содержится инертный газ, галогены или его соединения

Разрядные и дуговые лампы

6. Разрядная лампа

Электрическая лампа, в которой свет возникает в результате электрического разряда в газе, парах металлов или смеси газа с парами

7. Металлогалогенная лампа

Разрядная лампа, в которой свет создается излучением смеси паров металла и продуктов разложения галоидных соединений металлов

8. Люминесцентная лампа

Разрядная лампа, в которой свет излучается в основном слоем люминесцирующего вещества, возбуждаемого ультрафиолетовым излучением электрического разряда

9. Газоразрядная лампа

Разрядная лампа, в которой электрический разряд происходит в газе.

 

Примечание. В зависимости от вида газа различают, например, неоновую лампу, ксеноновую лампу, гелиевую лампу

10. Паросветная лампа

Разрядная лампа, в которой свет создается в основном излучением паров металла.

 

Примечание. В зависимости от вида паров металла различают, например, ртутную лампу, натриевую лампу

11. Ртутная лампа сверхвысокого давления

Ртутная лампа, парциальное давление паров в которой при установившемся режиме достигает 106 Ра и более

12. Ртутная лампа высокого давления

Ртутная лампа, парциальное давление паров в которой при установившемся режиме находится в пределах от 105 до 106 Ра

13. Ртутная лампа низкого давления

Ртутная лампа, парциальное давление паров в которой при установившемся режиме меньше 102 Па

14. Натриевая лампа высокого давления

Натриевая лампа, парциальное давление паров в которой при установившемся режиме имеет значение порядка 104 Ра

15. Натриевая лампа низкого давления

Натриевая лампа, парциальное давление паров в которой при установившемся режиме не превышает 102 Ра

16. Лампа с холодным катодом

Разрядная лампа, в которой свет создается тлеющим разрядом с положительным свечением

17. Лампа с горячим катодом

Разрядная лампа, в которой свет создается положительным столбом дугового разряда

18. Лампа мгновенного зажигания

Разрядная лампа, которая зажигается без предварительного подогрева электродов

19. Лампа с предварительным нагревом электродов

Лампа с горячим катодом, которая зажигается после предварительного нагрева электродов

20. Люминесцентная лампа со стартерным зажиганием

Люминесцентная лампа, в цепь которой включается стартер для предварительного нагрева электродов

21. Люминесцентная лампа бесстартерного зажигания

Люминесцентная лампа, работающая с приспособлением для ее быстрого зажигания

22. Люминесцентная лампа для низких температур

Люминесцентная лампа, конструкция которой обеспечивает ее удовлетворительное зажигание и горение при температуре ниже 278 К (5°С)

23. Дуговая лампа

Электрическая лампа, в которой свет излучается дуговым разрядом

Специальные лампы

24. Лампа проекторная с зеркальным отражателем

Лампа накаливания, представляющая комбинацию кварцевой галогенной лампы с зеркальным отражателем, концентрирующим световой поток лампы на поверхности малого размера или малого объема

25. Импульсная лампа

Разрядная лампа, работающая с электронным устройством и дающая импульсы света

26. Лампа смешанного света

Электрическая лампа, сочетающая в одной колбе излучающий элемент разрядной лампы и нить накала, соединенные последовательно

27. Лампа дневного света

Лампа накаливания или газоразрядная, свет которой по спектральному составу приближается к дневному свету

28. Лампа Мура

Газоразрядная лампа, в которой свет создается положительным столбом электрического разряда в среде азота или углекислого газа

29 Бактерицидная лампа

Ртутная лампа низкого давления, колба которой прозрачна для бактерицидного ультрафиолетового излучения области УФ-С

30 Ультрафиолетовая лампа

Ртутная лампа низкого давления ультрафиолетового излучения, световые качества которой представляют второстепенное значение

31. Электролюминесцентная лампа

Электрическая лампа, в которой свет создается в результате электролюминесценции

32. Инфракрасная лампа

Электрическая лампа инфракрасного излучения

 

Примечание. Световые качества инфракрасной лампы имеют второстепенное значение

33. Спектральная лампа

Разрядная лампа с излучением определенного линейчатого спектра, дающая при помощи светофильтров излучение близкое к монохроматическому

{mospagebreak}

2.1 Лампы накаливания

По особенностям устройства и принципа действия лампы накаливания, применяемые для целей освещения можно разбить на 2 большие группы: общего применения (обычные лампы в традиционном исполнении) и галогенные лампы накаливания.
Устройство ламп, в принципе осталось таким же, как предложил Эдисон.
Лампы накаливания являются типичными теплоизлучателями.

Рис. 3. Относительное спектральное распределение плотности излуче-ния лампы накаливания

Рис. 3. Относительное спектральное распределение плотности излуче-ния лампы накаливания

В их запаянной, заполненной вакуумом или инертным газом, колбе вольфрамовая спираль под действием электрического тока накаляется до высокой температуры (около 2600-3000С), в результате чего излучается тепло и свет. Большая часть этого излучения находится в инфракрасном диапазоне.
Важнейшие свойства лампы накаливания — световая отдача и срок службы — определяются температурой спирали.

Рис.4.  Характеристики лампы накаливания

Рис.4.  Характеристики лампы накаливания

 

Принцип работы лампы накаливания следующий:
При повышении температуры спирали возрастает яркость, но вместе с тем и сокращается срок службы. Сокращение срока службы является следствием того, что испарение материала, из которого сделана нить, при высоких температурах происходит быстрее, вследствие чего колба темнеет, а нить накала становится все тоньше и тоньше и в определенный момент расплавляется, после чего лампа выходит из строя.

Лампа накаливанияПотемнение колбы можно значительно сократить за счет увеличения давления газов-наполнителей, преимущественно тяжелых (аргон, криптон, ксенон), ведущего к уменьшению скорости испарения атомов вольфрама.
Основными типами ламп накаливания являются лампы общего назначения, лампы специального назначения, декоративные лампы и лампы с отражателем. Световая отдача ламп накаливания в диапазоне от 25 до 1000 Вт составляет примерно от 9 до 19 лм/Вт для ламп со средним сроком службы 1000 ч.


Вольфрамо-галогенный цикл.
Существенные характеристики лампы накаливания — световая отдача и срок службы — в основном определяются температурой спирали: чем выше температура спирали, тем выше световая отдача, но тем короче срок службы.
Сокращение срока службы является последствием быстро растущей c поднятием температуры скорости испарения вольфрама, которая приво-дит с одной стороны, к потемнению колбы, а с другой — к прожиганию спирали.
Потемнение колбы можно эффективно предотвратить с помощью галогенной добавки к газу-наполнителю, которая в процессе вольфрамо-галогенного цикла не дает уже испаренному вольфраму осесть на стенках колбы. Испаренный из спирали в процессе работы лампы вольфрам попадает в результате диффузии или конвекции в температурную область (Т <1400K) вблизи стенки колбы, где образует стабильное вольфрамо-галогенное соединение. Вместе с тепловым потоком эти соединения снова перемещаются в зону горячей спирали (Т >1400K) и там снова распадаются.
Часть вольфрама снова восстанавливается на спирали, но уже на новом месте. Нормальный вольфрамо — галогенный цикл приводит т.о. лишь к предотвращению потемнения колбы, но не к увеличению срока службы, который закончится в результате разрыва спирали на возникших "горячих ячейках".

Рис.5.  Вольфрамово-галогенный цикл
Рис.5.  Вольфрамово-галогенный цикл

 

Так называемый "регенеративный" цикл был бы возможен с участием Фтора. Но этот способ сегодня еще не разработан из-за агрессивности фтора по отношению к кварцевому и тугоплавкому стеклу, а также по причине его сопротивляемости к ныне используемым галогенам. Для повышения температуры тела накала и снижения его скорости распыления (это основные способы увеличения световой отдачи и срока службы ламп накаливания) вместо угольной нити в современных лампах используется спиральная или биспиральная (спираль из спирали) вольфрамовая проволока и в подавляющем большинстве типов ламп вместо вакуума применяется инертный газ: аргон или криптон. Появился также класс ламп с зеркальным отражателем, т.е. лампы светильники. Лампы очень чувствительны к колебаниям напряжения в сети: при перенапряжении резко снижается срок службы, а недостаточное напряжение ведёт к непропорцио-нально большой потере светового потока (хотя срок службы при этом возрастает). Нормальная работа ламп обеспечивается при колебаниях напряжения не более чем на 5 %. Для сетей с постоянным перенапряжением в России выпускаются лампы с маркировкой 230-240 В. Лампы накаливания одинаково хорошо работают на переменном и постоянном токе.

Почти для всех типов ламп средний срок службы составляет 1000 ч. В реальных условиях он может быть меньшим в зависимости от условий эксплуатации и конструктивного исполнения светильника. При работе в среднем 8 ч в день лампа живёт обычно 3-5 месяцев.
Лампы имеют невысокую световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт. Этот показатель растёт при увеличении мощности лампы и снижении напряжения, на которое она рассчитана. Например, лампа мощностью 40 Вт 220В имеет световую отдачу около 10 лм/Вт, а 100-ваттная — до 14 лм/Вт. Лампы одинаковой мощности на 127 и 220 В отличаются по световому потоку на 10-12%. Отличить лучшую по энергоэкономичности лампу можно по её белому излучению.

Лампы накаливания — традиционный источник света в помещениях жилых и общественных зданий. Они создают неповторимую обстановку праздничности или уюта и применяются во всех случаях, когда это необходимо по условиям дизайна. В функциональном отношении они очень эффективны при освещении картин и других, нестойких к воздействию света экспонатов. Их невысокий срок службы и световая отдача бывают не столь важны в помещениях с кратковременным пребыванием людей и при низких нормированных значениях освещённости.

{mospagebreak} 

2.2. Галогенные лампы

По принципу действия эти лампы устроены так же, как и другие лампы накаливания. Главное отличие состоит в том, что внутренний объём лампы заполнен парами йода или брома — т.е. галогенных элементов, что и отражено в названии ламп. Использована химическая способность этих элементов непрерывно «собирать» осевшие на колбе испарившиеся час-тицы вольфрама (реакция окисления) и возвращать их «домой» на вольфрамовую спираль (реакция восстановления). Этот «галогенно-вольфрамовый цикл» позволяет увеличить температуру и продолжительность жизни тела накала и, в конечном счёте, повысить в 1,5-2 раза световую отдачу и срок службы ламп. Другое важное отличие состоит в том, что колба выполнена не из обычного, а из кварцевого стекла, более устойчивого к высокой температуре и химическим взаимодействиям. Благодаря этому размеры галогенных ламп можно уменьшить в несколько раз по сравнению с обычными лампами такой же мощности. Устройство зеркальных галогенных ламп отличается тем, что зеркальный отражатель вместе с цоколем приклеен к колбе лампы. Зеркальное покрытие выполняется путём напыления на стеклянный отражатель химически чистого алюминия (непрозрачное покрытие) или специального полупрозрачного покрытия. Лампы с полупрозрачным (интерференционным) покрытием почти не нагревают освещаемую поверхность, т.к. ИК излучение пропускается отражателем «назад». Некоторые типы ламп имеют также фильтры, не пропускающие УФ лучи.

Галогенная лампа

Наряду с лампами, рассчитанными для непосредственного включения в сеть с напряжением 220,127 или ПО В, очень широкое применение находят лампы низкого напряжения обычно на 12 В. Как и все лампы накаливания, галогенные лампы резко реагируют на изменение напряжения в сети. Увеличенное на 5-6% напряжение может привести к почти двукратному сокращению срока службы. Энергоэкономичность в 1,5-2 раза выше, чем у других ламп накаливания.

Большинство ламп имеют срок службы 2000 ч, т.е. в 2 раза больший, чем обычные лампы накаливания. Некоторые типы зеркальных ламп выпускаются со сроком службы 3000 и 4000 ч.

Энергоэкономичность в 1,5-2 раза выше, чем у других ламп накаливания. Световая отдача трубчатых ламп находится в пределах от 14 лм/Вт (при мощности 60 Вт) до 25 лм/Вт (при мощности 2000 Вт). У остальных ламп световая отдача составляет от 14 до 17 лм/Вт при сетевом напряжении и почти до 20 лм/Вт для маломощных ламп низкого напряжения.

Лампы на сетевое напряжение с цилиндрической или свечеобразной колбой с успехом заменяют обычные лампы во всех сферах их применения и особенно там, где требуются небольшие габариты по условиям размещения в стеснённых объёмах или скрытого расположения. Зеркальные лампы, особенно на низкое напряжение, практически незаменимы в технике акцентированного освещения выставок, музеев, витрин, ресторанов, жилых помещений и др.

Галогенные лампы накаливания нового поколения, с отражающим инфракрасное излучение покрытием ламповой колбы, характеризуются значительным повышением световой отдачи. Это обусловлено следующим физическим процессом: Часть энергии, которая в обычных галогенных лампах накаливания преобразовывается в невидимое излучение инфракрасное излучение (более 60 % производительности излучения), в лампах с покрытием частично преобразовывается снова в свете. Это становится возможным благодаря структуре покрытия, которое пропускает только видимый свет, а инфракрасное излучение по возможности полностью возвращает на спираль, где оно частично поглощается. Это вызывает повышение температуры спирали, вследствие чего подачу электроэнергии можно сократить. Световая отдача возрастает.

Принцип работы софитной галогенной лампы накаливания низкого напряжения с покрытием, отражающим инфракрасную составляющую

Рис. 6. Галогенная лампа

Рис. 6. Галогенная лампа

 {mospagebreak}

2.3.Обозначение ламп накаливания
    
В СНГ приняты следующие обозначения галогенных ламп накалива-ния:
  — первая буква — материал колбы (К — кварцевая);
  — вторая буква — вид галогенной добавки (И — йод, Г — галоген);
  — третья буква — область применения (О — облучательная) или конструктивная особенность (М — малогабаритная);
  — первая группа цифр — мощность, Вт; сила света, кд; ток, А, или световой поток, лм, в зависимости от принятой маркировки или ламп соответствующего типа;
  — последняя цифра — порядковый номер разработки после первой. 

{mospagebreak} 

2.4. Люминесцентные лампы

Люминесцентная лампаДля потребителей её удобнее провести по форме ламп: прямые трубчатые, фигурные и компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). Принцип действия состоит в использовании электролюминесценции (свечения паров металлов и газов при прохождении через них электрического тока) и фотолюминесценции (свечение вещества люминофора при его облучении другим, например, невидимым УФ светом). В люминесцентной лампе электрический разряд происходит при низком давлении ртути и некоторых инертных газов; электролюминесценция характеризуется очень слабым видимым и сильным УФ излучением. Световой поток лампы создаётся главным образом за счёт фотолюминесценции — преобразования УФ излучения в видимый свет слоем люминофора, покрывающим изнутри стенки трубчатой стеклянной колбы. Таким образом, лампа является своеобразным трансформатором невидимого света в видимый. Энергоэкономичность — это основное преимущество люминесцентных ламп. Их световая отдача, в зависимости от цветности, качества цветопередачи, мощности и типа ПРА находится в пределах от 50 до 90 лм/Вт. Наименее экономичны лампы небольшой мощности и высоким качеством цветопередачи.

 

По форме различаются линейные, кольцевые, U-образные, а также компактные люминесцентные лампы. Диаметр трубки часто указывается в восьмых частях дюйма (например, T5 = 5/8'' = 15,87 мм). В каталогах ламп диаметр в основном указывается в миллиметрах, например, 16 мм для ламп T5. Большинство ламп имеет международный стандарт. Люминесцентные лампы, как и все газоразрядные лампы, из-за их отрицательного внутреннего сопротивления не могут работать непосредственно с сетевым напряжением и нуждаются в соответствующих пускорегулирующих аппаратах, которые с одной стороны, ограничивают и регулируют электрический ток лампы, с другой стороны обеспечивают надежное зажигание. По способу нагрева электродов до необходимой для работы ламп температуры различаются следующие режимы работы:
— Предварительный подогрев, управляемый током, при работе с дросселем и стартером, преимущественно в странах с высоким сетевым напряжением (> 200В). Он все больше применяется почти во всех ЭПРА.
— Предварительный подогрев, управляемый напряжением через дополнительную обмотку трансформатора при так называемом быстром запуске.
— Без предварительного подогрева (холодный пуск, например, при так называемых slimline-лампах (плоской формы)). Этот режим зажигания приводит к сильному сокращению срока службы и не рекомен-дуется поэтому для систем с большим количеством повторных включений/выключений.
— Электронные ПРА преобразовывают сетевое напряжение в высокочастотные колебания примерно от 35 до 50 кГц. Вследствие этого 100-герцевое мерцание, возникающее, как стробоскопический эффект, например, при вращающихся деталях машин, будет более слабым или практически невидимым.

 

Люминесцентная лампа В комплекте с ПРА лампы обычно рассчитаны на питание от сети переменного тока промышленной частоты. Для питания от сети постоянного тока требуются специальные ПРА.

Лампы отличаются высоким сроком службы, достигающим 15000 ч. Некоторые производители приводят с учётом оптимизации расходов на освещение рентабельный срок службы, который может быть в два раза меньше. Указанные в техдокументации значения срока службы значительно меньше продолжительности жизни лампы до полного отказа. В режиме частых включений срок службы лампы сокращается.
Люминесцентные лампы — наиболее массовый источник света для соз-дания общего освещения в помещениях общественных зданий: офисах, школах, учебных и проектных институтах, больницах, магазинах, банках, предприятиях текстильной и электронной промышленности и др.. Весьма целесообразно их применение в жилых помещениях: для освещения рабочих поверхностей на кухне, общего или местного (около зеркала) освещения прихожей и ванной комнаты. Нецелесообразно применение ламп в высоких помещениях, при температуре воздуха ниже 5°С и при затруднённых условиях обслуживания.

Еще одним преимуществом работы с ЭПРА является дополнительная экономия энергии около 25 % при равных световых потоках, складывающаяся из:
— на 10 % увеличенной световой отдачи лампы при работе с высокой частотой
— сокращения потерь более, чем в 2 раза, при использовании ЭПРА по сравнению с использованием электромагнитных ПРА.

Регулировка светового потока
Так называемые ЭПРА с регулировкой светового потока работают с отсечкой фазы по переднему фронту, значительно улучшая светорегули-ровочные свойства люминесцентных ламп. Они используют свойство дросселя повышать сопротивление при увеличении частоты. Последова-тельно подключенный к лампе дроссель подает понижающийся по мере повышения рабочей частоты электрический ток через интерфейс 1-10В или DALI. Ток с рабочей частотой, вырабатываемый отдельным исполнительным элементом, должен быть подведен отдельно к каждому ЭПРА. ЭПРА с регулировкой светового потока должны и при низком токе поддерживать постоянное горении электродной спирали, чтобы электроды лампы и в этом случае оставались способными к излучению.

При использовании ЭМПРА и обычных стартеров тлеющего разряда срок службы при росте количества включений/выключений сильно сни-жается. То же явление наблюдается при так называемом включении ЭПРА из холодного состояния, которые имеют такое преимущество, как мгновенный запуск лампы. При этом, однако, в результате немедленного перехода от тлеющего разряда к температуре эмиссии сильно поврежда-ются электроды и при большим количестве повторных включений/выключений сокращается срок службы люминесцентных ламп. При эксплуатации приборов запуска из горячего состояния происходит обратное: электроды нагреваются электрическим током перед зажиганием, вследствие чего повреждение электродов практически исключается. Свя-занные с этим задержки зажигания около 1 сек. (в зависимости от ЭПРА) вполне допустимы.

Физические характеристики люминесцентных ламп зависят от температуры окружающей среды. Это обусловлено характерным температурным режимом давления паров ртути в лампе. При низких температурах давление низкое, из-за этого существуют слишком малое количество атомов, которые могут участвовать в процессе излучения. При слишком вы-сокой температуре высокое давление паров ведет к всевозрастающему самопоглощению произведенного ультрафиолетового излучения. При температуре стенки колбы около 40°C лампы достигают максимального напряжения индуктивной составляющей искрового разряда и таким образом самой высокой световой отдачи. излучения, лампы ультрафиолетового излучения; по форме колбы — на трубчатые и фигурные; по светораспределению — с ненаправленным светоизлучением и с направленным, например, рефлекторные, щелевые, панельные и др.

{mospagebreak} 

2.5. Маркировка отечественных люминесцентных ламп

Маркировка отечественных люминесцентных ламп

 
    У ламп с улучшенным качеством цветопередачи после букв, обозначающих цвет, стоит буква Ц, а при цветопередаче особо высокого качества — буквы ЦЦ. Маркировка ламп тлеющего разряда начинается с букв ТЛ.

{mospagebreak}

 2.6. Компактные люминесцентные лампы

Основная особенность устройства компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) состоит в придании различными способами разрядной трубке таких форм, которые бы обеспечили резкое снижение длины лампы. Кроме того, большинство маломощных ламп, предназначенных для замены ламп накаливания, устроены таким образом, что могут непосредственно или через адаптер ввёртываться в резьбовой патрон.

Компактные люминесцентные лампыВыпускаются также лампы-светильники: с внешней светорассеивающей оболочкой или отражателем. Чувствительность к колебаниям напряжения такая же, как и у других люминесцентных ламп. Кратковременные колебания напряжения в сети допускается в пределах ± 5-7%, хотя работоспособность ламп сохраняется и при больших колебаниях напряжения.

Срок службы у большинства ламп составляет 10000 ч, т.е. в 10 раз вы-ше, чем у ламп накаливания. При средней наработке 8 ч в сутки замена ламп требуется один раз в 3-4 года.

Лампы со встроенным ПРА не требуют других дополнительных устройств для своей работы. Остальные лампы могут работать с выносными ПРА или ПРА, встроенными в адаптер под стандартный резьбовой патрон.

Энергоэкономичность — одно из главных преимуществ КЛЛ по сравнению с лампами накаливания. Световая отдача ламп находится на уровне от 40 до 80 лм/Вт, повышаясь с увеличением мощности и ухудшением ка-чества цветопередачи. КЛЛ мощностью 5, 7, 11, 15 и 20 Вт заменяют, не снижая освещённости, лампы накаливания мощностью соответственно 25, 40, 60, 75, и 100 Вт.

КЛЛ соединили в себе лучшие свойства, присущие лампам накаливания и обычным люминесцентным лампам, и начинают постепенно вытеснять эти источники из традиционных областей их применения в жилых домах и общественных зданиях. Успешным оказалось их применение в освещении придомовых территорий и для аварийных эвакуационных це-лей. В некоторых странах на государственном уровне выполняются программы энергосбережения, основанные на замене ламп накаливания на КЛЛ.

{mospagebreak} 

 

2.7. Разрядные лампы высокого давления

Применяемые для освещения разрядные лампы высокого давления можно подразделить на три группы: дуговые ртутные люминесцентные (ДРЛ), металлогалогенные (МГЛ) и натриевые лампы высокого давления (НЛВД).

Разрядные лампы высокого давленияОсновные элементы устройства всех ламп одинаковы. В горелке из прочного тугоплавкого химически стойкого прозрачного материала в присутствии газов и паров металлов возникает свечение разряда -электролюминесценция. Горелка ламп ДРЛ и МГЛ выполнена из кварца, а НЛВД — из специальной керамики — поликора. Горелки содержат зажигающий газ аргон или ксенон и пары металлов при высоком давлении: ртути (у ДРЛ), ртути и смеси галоидов некоторых металлов (у МГЛ — отсюда название этих ламп), ртути и паров натрия (у НЛВД). Разряд происходит под действием приложенного к электродам горелки напряжения. Для облегчения зажигания в некоторых лампах предусмотрен вспомогательный электрод. Горелка размещена внутри внешней колбы обычно прозрачной у МГЛ и НЛВД или покрытой изнутри слоем люминофора (для улучшения цветопередачи) у ДРЛ.

{mospagebreak} 

2.8. Металлогалогенные лампы

Металлогалогенные лампы это ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов (диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий(Tm) а также комплексные соединения с цезием (Cs) и галогениды олова (Sn). Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чьи интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов. Световая отдача и цветопередача дугового разряда ртути и световой спектр значительно улучшаются.

2.9. HMI-лампы

Металлогалогенные лампы с повышенной нагрузкой на стенку и очень коротким межэлектродным расстоянием имеют более высокую световую отдачу и цветопередачу, что, однако, ограничивает срок службы. Главной областью применения ламп НМI является сценическое освещение, эндоскопия, кино- и телесъемка при дневном освещении (цветовая температура = 6000K). Мощность этих ламп лежит в диапазоне от 200Вт до 18кВт.

 Рис.7.  Спектр лампы HMI
Рис.7.  Спектр лампы HMI


2.10. Короткодуговые лампы HTI

Для оптических целей были разработаны короткодуговые металлогалогенные лампы с малыми межэлектродными расстояниями. Наряду с большой световой отдачей они отличаются очень высокой яркостью. Поэтому они используются прежде всего для световых эффектов, как позиционные источники света и в эндоскопии.

{mospagebreak} 

2.11. Маркировка светильников

Все источники света, в виде тех или иных ламп, используются  вместе с арматурой, называемой – светильниками. В настоящее время число светильников очень возросло, поэтому они классифицированы по назначению и условиям использования.

    На каждый из видов светильников имеется свой государственный стандарт, который устанавливает обязательные требования к их качеству, в том числе показатели безопасности для жизни, здоровья, имущества потребителей и для окружающей среды при обычных условиях его эксплуатации.

    Сертификаты соответствия светильников выдают после тщательной проверки их на соответствие требованиям этих стандартов.
    Вместе с тем, для проведения сертификации светильников отечественного производства необходимо иметь условное обозначение светильников, которое установлено ГОСТ 17677. Это обозначение предусматривает классификацию светильников по типу применяемого источника света (первая буква в обозначении), по способу установки светильника (вторая буква) и по основному назначению светильника (третья буква).

    Светильнику может быть присвоен шифр (условное обозначение).
    Например, светильник под маркировкой НПО—03—60.

Первая буква "Н" обозначает, что в светильнике используется лампа накаливания общего назначения, буква "П" говорит о том, что этот светильник следует крепить к потолку помещения, а буква "О" назначает светильнику быть использованным в общественных зданиях. Цифра "03" означает модификацию прибора, а цифра "60" — максимальную мощность используемой лампы накаливания.

    Двухзначное число ( 01 … 99 ) обозначает номер серии.
    Кроме того, на светильниках прошлых лет выпуска могут стоять дополнительные цифры, которые обозначают количество ламп в светильни-ке.

    Могут быть и другие группы:
    6-я группа — цифры, обозначающие мощность ламп, Вт.
    7-я группа — цифры ( 000 … 999 ), обозначающие номер модификации.
    8-я группа — буква (или буквы), обозначающая климатическое ис-полнение:
        У — для районов с умеренным климатом;
        Т — для районов с тропическим климатом, и т.д.;
    и цифра, обозначающая категорию размещения светильников:
        1 — на открытом воздухе;
        2 — под навесом и другими полуоткрытыми сооружениями;
        3 — в закрытых не отапливаемых помещениях;
        4 — в закрытых отапливаемых помещениях.
    Может быть уточнение по степени защиты от взрыва:
    В — взрывобензоопасные;
    Н — повышенной надежности против взрыва.

    Каждая серия объединяет светильники, имеющие конструктивные особенности, определяемые примененным материалом и формой рассеивающих и экранирующих элементов, характером обслуживания, способом подвески (на трубу, на крюк, на торс и т.д.), способом присоединения к питающей сети (через штепсельный разъем, клеммную колодку или непосредственно к проводке). Конструкции большинства светильников предусматривают встроенный штепсельный разъем.
 
    Например, НСБ56—3х60—077 — подвесной светильник для жилых помещений с тремя лампами накаливания по 60 Вт серии 56 модификации 007.