Характеристики и выбор источников света

Источники света делятся на три крупных класса:

- лампы накаливания;

- газоразрядные лампы низкого давления;

- газоразрядные лампы высокого давления.

Каждый из этих классов имеет специфические конструктивные особенности. Световые, электрические и технические характеристики для всех классов единые. К электрическим характеристикам отно­сятся номинальное напряжение и мощность; к световым характеристикам – световой поток, световая отдача и цветопередача; к техническим характеристикам – срок службы, коэффициент полезного действия (КПД).

Световая отдача лампы равна отношению светового потока Ф к потребляемой источником элек­трической мощности Р. Чем больше световая отдача, тем более экономичным и совершенным является источник света.

Лампы накаливания. Лампы накаливания (ЛН) находят широ­кое применение в качестве источников света в быту и на произ­водстве.

Конструкция ЛН приведена на рис. 2.1, а. Основными элемен­тами ЛН являются стеклянная колба 1, вольфрамовая спираль 2и цоколь 3. При протекании тока через лампувольфрамовая спираль нагревается, излучая свет и тепло. Сильное нагревание спирали приводит к испарению вольфрама. Для замедления этого процесса колбы выполняются вакуумными либо наполня­ются инертным газом (аргоном).

ЛН включаются в электрическую сеть непосредственно без специальной пусковой аппаратуры. Соединения ЛН с сетью осуществляются через цоколь.

 

Рис. 2.1. Конструкция лампы накаливания (а), галогенной лампы накаливания (б), люминесцентной лампы (в)

 

Основными достоинствами ЛН являются:

- низкая стоимость;

- про­стота конструкции и обслуживания;

- небольшой размер;

- независимость работы от условий внешней среды.

К недостаткам ЛН следует отнести:

- из рассматриваемых ниже источников света самый низкий КПД (около 2 %);

- из рассматриваемых ниже источников света самая низкая светоот­дача (10…15 лм/Вт);

- преобладание в спектре излучений желто-красной части спектра;

- небольшой срок службы (около 1000 ч.);

- большую зави­симость срока службы от напряжения.

При по­вышении напряжения на 10 % срок службы ЛН сокращается в 3…4 раза.

Галогенные лампы накаливания. Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания.

Устройство кварцевой галогенной (КГ) лампы показано на рис. 2.1, б. В кварцевую трубку 5 помещена вольфрамовая спираль 4,закрепленная на держателях 6. Вольфрамовые вводы 3соединены с выводами 1 с помощью впаянной в кварц молибденовой фольги 2.

Кварцевая колба заполнена ксе­ноном с добавкой галогенов. Образующиеся во время работы лампы галогениды вольфрама препятствуют испарению вольфра­ма спирали.

Достоинствами КГ по сравнению с обычными ЛН являются:

- более высокая световая отдача (до 25 лм/Вт);

- больший в 2–3 раза срок службы;

- меньшие размеры при одинаковой мощности;

- лучшая цветопередача (свет более "белый" за счет более высокой температуры нагрева спирали).

Основное применение КГ находят в светильниках общего и местного освещения, прожекторах, автомо­бильных фарах и т. д.

Люминесцентные лампы. Эти лампы относятся к классу газоразрядных ламп низкого давления. Люминесцентные лампы (ЛЛ) очень широко используются для освещения производственных помещений, общественных и жилых зданий.

Конструкция трубчатой ЛЛ показана на рис. 2.1, в. Лампа состоит из стеклянной трубки 1, вольфрамовых электродов в виде спиралей 2,расположенных на обоих концах лампы и соединенных через цоколи 3 с контактными штырями 4.

Стеклянная трубка заполнена инертным газом (аргоном) с парами ртути. Внутренняя поверхность трубки покрыта специальным составом − люминофором.Под действием электрического разряда пары ртути излучают ультрафиолетовые лучи, которые заставляют люминофор излучать свет.

Это явление называется люминесценцией.

 

а) б)

 

Рис. 2.2. Одноламповая (а) и двухламповая (б) схемы включения ЛЛ

 

Включение ЛЛ в сеть требует пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), которая обеспечивает зажигание ламп и нормальный режим их работы.

Схемы включения ЛЛ показаны на рис. 2.2.

Для включения ламп 1 применяют предварительный нагрев электродов до температуры, обеспечивающей термоэмиссию (ионизацию пространства около электродов), достаточную для зажигания разряда. Нагрев производится путем кратковременного включения электродов в цепь тока, что достигается замыканием контакта стартера 3. При последующем размыкании контакта возникает импульс перенапряжения, обусловленный энергией индуктивности дросселя 2. Этот импульс, приложенный к лампе с еще не успевшими остыть электродами, зажигает в ней разряд. Дроссель 2 ограничивает ток лампы после ее включения. Конденсаторы 4 предназначены для компенсации реактивной мощности, потребляемой дросселем 2.

Одним из недостатков ЛЛ является пульсация светового потока с удвоенной частотой сети. Пульсации обусловливают появление стробоскопического эффекта. Поэтому чаще применяют двухламповую схему включения (рис. 2.2, б), в которой в цепь одного из дросселей 2 включается конденсатор 5 и разрядный резистор 6. В результате токи в лампах смещаются по фазе и суммарный световой поток двух ламп становится более постоянным.

Достоинства люминесцентных ламп:

- высокая световая отдача (до 75 лм/Вт);

- большой срок службы (до 10000 ч.);

- лучшая цветопередача, чем у ламп накаливания.

Недостатки люминесцентных ламп:

- ограниченная длиной лампы единичная мощность;

- сложность включения, требующая специальной пускорегулирующей аппаратуры;

- пульсации светового потока;

- зависимость характеристик от температуры окружающей среды.

Для обычных люминесцентных ламп оптимальная температура окружающего воздуха 18…25° С. При отклонении температуры световой поток и световая отдача снижаются. При температуре ниже +10° С зажигание не гарантируется.

В обозначениях маркировки люминесцентных ламп применяют следующие буквы: Л – люминесцентная, Д – дневного света, Б – белого света, ХБ – холодно-белого света, ТБ – тепло-белого света, Ц – улучшенной цветопередачи, А – амальгамные.

Люминесцентные компактные лампы. Если "закрутить" трубку ЛЛ в спираль, то получится компактная люминесцентная лампа (КЛЛ). По своим параметрам КЛЛ близка к традиционным ЛЛ.

КЛЛ выпускаются с электрон­ным пусковым устройством, встроенным в цоколь обычной лампы накалива­ния. Один из типов КЛЛ показан на рис. 2.3, а.

КЛЛ потребляет в пять раз меньше электроэнергии при одинаковом световом потоке и имеет в восемь-десять раз больший срок службы, чем ЛН.

Стоимость КЛЛ заметно выше, чем традиционных ЛЛ и ЛН.

Очевидно, что в ближайшем будущем КЛЛ существенно потеснят привычные лампы накаливания.

Дуговые ртутные люминесцентные лампы. В отличие от газоразрядных труб­чатых ЛЛ низкого давления дуговые ртутные люмине­сцентные лампы (ДРЛ) относятся к газоразрядным лампам высокого дав­ления.

 

а) б) в)

Рис. 2.3. Компактная люминесцентная лампа (а), дуговая ртутная

люминесцентная лампа (б), натриевая лампа (в)

 

Конструкция ДРЛ показана на рис. 2.3, б. Лампа состоит из кварце­вой разрядной трубки 1 с основными вольфрамовыми электродами 3 и дополнительными (поджигающими) электродами. Кварцевая трубка заполнена парами ртути под высоким давлением и помещена в стеклянную колбу 2. Внутренняя по­верхность колбы покрыта слоем люми­нофора. Для поддержания стабильности свойств люминофора стеклянная колба заполнена углекислым газом.

Под влиянием ультрафиолетового излучения, возникающего при разряде в ртутно-кварцевой трубке, светится люминофор, придавая свету синеватый оттенок, искажая истинные цвета. Для устранения этого недостатка в состав люминофора вводятся специальные компоненты, которые частично исправляют цветопередачу.

Лампы ДРЛ под­ключаются в сеть либо с дроссе­лем (рис. 2.4, а),либо с трансформатором (рис. 2.4, б).

Основная область применения ДРЛ − наружное освещение, освещение помещений промышленных предприятий с высокими потолками (7 и более метров).

 

а) б)

Рис. 2.4. Пусковые схемы ДРЛ с дросселем (а) и трансформатором (б)

 

Достоинства ламп ДРЛ:

- высокая световая отдача (до 55 лм/Вт);

- большой срок службы (до 10000 ч);

- некритичность к условиям окружающей среды (кроме очень низких температур).

Недостатки ламп ДРЛ:

- неудовлетворительная цветопередача, что исключает применение ламп в случаях, когда объектами различения являются лица людей или окрашенные поверхности;

- длительность процесса включения (примерно 7 минут) и повторного зажигания (примерно 10 минут для остывания лампы) после кратковременного перерыва питания;

- пульсации светового потока (больше, чем у ЛЛ);

- значительное уменьшение светового потока к концу службы.

Металлогалогенные лампы (МГЛ). Это ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов и галогенидов. Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чья интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов.

Дуговые ртутные металлогалогенные лампы (например, ДРИ – дуговая ртутная йодидная лампа) внешне отличаются от ламп ДРЛ отсутствием люминофора на колбе. Они характеризуются высокой световой отдачей (до 100 лм/Вт) и значительно лучшим спектральным составом света, но срок их службы существенно меньше, чем у ламп ДРЛ, а схема включения сложнее, так как содержит помимо дросселя поджигающее устройство.

Частое кратковременное включение ламп высокого давления сокращает их срок службы. Это относится как к запуску ламп из холодного, так и из горячего состояния.

Световой поток практически не зависит от температуры окружающей среды. Однако при очень низких температурах (до -50 °С) необходимо использовать специальные устройства зажигания.

Натриевые лампы. Эти лампы в настоящее время являются са­мыми экономичными источниками света. Наибольшее распространение получили натриевые лампы высокого давления типа ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые).

Конструкции натриевых ламп различны (цилиндрическая, эллиптическая и др.). На рис. 2.3, в представлена лампа ДНаТ цилиндрической конструкции. Внутри цилиндрической колбы 2 размещена разрядная труб­ка 1 из поликристаллической окиси алюминия. В этих лампах ис­пользуется разряд в парах натрия, ртути и зажигающем газе ксе­ноне.

Для зажигания лампы ДНаТ применяют специальные пуско­вые устройства. В лампах небольшой мощно­сти пусковое устройство размещено в цоколе лампы (позиция 3 на рис. 2.3, в).

Достоинства натриевых ламп:

- обладают самой высокой световой отдачей среди газоразрядных ламп (до 130 лм/Вт);

- большой срок службы (до 15000 ч.).

- незначительное снижение светового потока в течение срока службы.

Недостатком натриевых ламп является чрезвычайно желтый свет и низкая цветопередача, что позволяет использовать их в помещениях, где находятся люди, лишь в комбинации с лампами других типов.

Лампы ДНаТ применяются для освещения больших по площа­ди территорий (улиц, площадей и т. п.) и успешно заменяют ДРЛ.

Выбор источников света. Приведенные выше характеристики и области применения источников света показывают, что для одного и того же объекта могут использоваться различные источники света.

 

Таблица 2.1