Что является искусственным источником света

4.3. Источники искусственного освещения

Источником искусственного светаназывается устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в оптическое излучение.

В настоящее время светотехническая промышленность выпускает широчайший ассортимент источников света отличающихся по своим характеристикам, которые делятся на две большие группы:

• лампы накаливания;
• газоразрядные лампы.

Принцип действия ламп накаливания основан на способности раскаленной нити из тугоплавкого металла (вольфрама) в инертном газе или вакууме излучать видимый свет. Инертный газ препятствует испарению вольфрама и уменьшает потемнение колбы. Лампы имеют различные формы колбы, играющие чаще всего декоративную роль. Лампы накаливания бывают прозрачными, матовыми и имеют также широкую цветовую гамму (белые, красные, синие, зеленые, желтые колбы). Они выпускаются в широком диапазоне мощностей (от 15 до 1500 Вт). Лампы накаливания, изобретенные в 1872 г. А.Н. Лодыгиным и усовершенствованные в 1879 г. Т.А. Эдисоном, до сих пор являются наиболее широко распространенными источниками света. Они обладают рядом достоинств: их можно непосредственно включать в сеть с напряжением, равным рабочему напряжению лампы, они просты в изготовлении, дешевы, компактны, практически не зависят от условий окружающей среды, имеют незначительный период разгорания, световой поток к концу срока службы снижается незначительно. В лампах накаливания уменьшение силы света обеспечивается простым уменьшением напряжения. Вольфрамовая нить (рис. 4.7) представляет собой компактный источник света, который легко фокусируется рефлекторами и линзами. Все это облегчает использование ламп накаливания там, где требуется управление световым потоком (освещение сцены, витрин, конференц-залов и т. д.). Однако эти лампы имеют ряд существенных недостатков:

• низкую экономичность (КПД 3…5 %);
• низкую световую отдачу (7…20 лм/Вт);
• однородный спектральный состав света (преобладание желтой и красной частей спектра при недостатке синей и фиолетовой по сравнению с естественным светом);
• нерациональное распределение светового потока для большинства ламп, что требует применения осветительной арматуры (светильников);
• малый срок службы (от 1 000 до 3 000 ч).

Рис. 4.7. Устройство лампы накаливания Галогенные лампы накаливания (рис. 4.8). Принцип действия такой же, как и у обычных ламп накаливания (свечение вольфрамовой нити), но в колбе находится галогенный газ (бром или йод), контролирующий испарение вольфрама. Колба галогенной лампы изготавливается, как правило, из кварцевого стекла, так как требуется поддержание минимальной температуры стенки колбы лампы на уровне 250 ºС. Это необходимо для того, чтобы галоид вольфрама оставался в газообразном состоянии и не осаждался на стенках лампы. У большинства галогенных ламп срок службы выше, чем у аналогичных ламп накаливания, нить работает при более высокой температуре, излучая более белый цвета. Эти лампы используются там, где требуются малый размер источника света, высокая направленность светового потока и возможность управлять интенсивностью светового потока. Галогенные лампы могут питаться напряжением 220 и 12 В (рис. 4.8). Низковольтные галогенные лампы изначально предназначались для диаскопов и кинопроекционных аппаратов. При напряжении 12 В нить той же мощности, что и при 220 В становится меньше и толще. Большая масса нити позволяет выдерживать более высокую рабочую температуру и обеспечивает большую световую отдачу, больший срок службы. Поскольку высокая температура источника света вредна для пленки в кинопроекционных аппаратах и диапроекторах, разработан специальный тип рефлектора, который отражает только видимое излучение, позволяя инфракрасному излучению (теплу) уходить через заднюю часть лампы. а) б) Рис. 4.8. Галогенные лампы: а – напряжение питания 220 В; б – напряжение питания 12 В В газоразрядных источниках света излучение оптического диапазона возникает в результате газового разряда в атмосфере инертных газов, паров металлов и их смесей [5]. По сравнению с лампами накаливания газоразрядные лампы имеют ряд преимуществ:

• у них более высокая световая отдача (до 40 лм/Вт) и более высокий КПД (до 7 %);
• больший срок службы (10–12 тыс. ч), а у ламп высокого давления до 15 тыс. ч;
• относительно низкая яркость самого источника света, что не вызывает ослепления;
• спектр излучения может регулироваться за счет использования различных люминофоров и может быть приближен к спектру естественного света.

Несмотря на ряд очевидных преимуществ газоразрядные источники света не свободны и от некоторых недостатков:

• газоразрядные источники света не могут непосредственно присоединяться к электрической сети, в схему их подключения обязательно входит пускорегулирующий аппарат (ПРА);
• ПРА имеет в своем составе балластное сопротивление в виде дросселя и является источником шума;
• для зажигания газоразрядной лампы требуется некоторое время (от 5 с до 3…10 мин);
• световой поток лампы к концу срока службы существенно снижается и пульсирует;
• для некоторых видов газоразрядных ламп (люминесцентных) существуют ограничения по температуре окружающей среды (при температурах, близких к 0 С, они зажигаются ненадежно);
• поскольку в газоразрядных лампах содержится ртуть (вещество 1-го класса опасности), то после окончания срока службы необходима их специальная утилизация (переработка или захоронение);
• газоразрядные лампы в сети переменного тока загораются и гаснут 100 раз в секунду. Если не принять специальных мер, то это может, во-первых, вызывать дополнительное зрительное утомление и, во-вторых, привести к очень опасному явлению  стробоскопическому эффекту (вращающиеся предметы могут казаться неподвижными либо вращающимися в обратную сторону). Для устранения этого явления приходится применять специальные схемы включения ламп и принимать меры, предотвращающие стробоскопический эффект.

Способы уменьшения пульсации освещённости на рабочей поверхности следующие.

1. Использование трехфазной схемы включения ламп (рис. 4.9).

Рис. 4.9. Трехфазная схема включения газоразрядных ламп Световые потоки ламп, питаемых разными фазами, суммируются в каждый момент времени в отдельных точках пространства, что снижает пульсации общего светового потока. При таком подключении необходимо стремиться к тому, чтобы освещённость в каждой точке создавалась не менее чем от двух-трех ламп.

1. В однофазной сети при использовании двухлампового светильника уменьшение пульсации достигается включением в цепь одной лампы только дросселя, а в цепь другой  дросселя и конденсатора. Параметры дросселей и конденсатора подбираются таким образом, чтобы обеспечить сдвиг токов в цепях ламп относительно друг друга на 120 (рис. 4.10).

Рис. 4.10. Двухламповая схема включения газоразрядных ламп Суммарный световой поток двух ламп в этом случае никогда не будет равен нулю, а колеблется вокруг некоторого среднего уровня с частотой меньшей, чем при одиночной лампе. При сравнительнонебольшом количестве ламп в осветительной установке этим методам свойственны также следующие недостатки: усложнение проектирования и монтажа осветительных установок, недостаточно высокая надёжность, так как выход из строя части ламп может увеличивать пульсацию освещённости на отдельных участках рабочей поверхности. Если в многоламповых осветительных установках удаётся достаточно успешно нейтрализовать пульсацию освещённости, то в случае использования однолампового источника света эта проблема остаётся, как правило, нерешённой. Например, для местного освещения желателен одноламповый источник света как наиболее надёжный, экономичный и компактный. Практика эксплуатации осветительных установок на основе газоразрядных ламп показала, что методы снижения пульсации освещённости на рабочей поверхности при помощи расфазировки светильников или применения схемы с отстающим и опережающим током не обеспечивают допустимых значений коэффициента пульсации для точных работ и при эксплуатации ПЭВМ. Практически всегда часть ламп в таких осветительных системах горит нестабильно или неисправна, что приводит к значительному увеличению Кп в большинстве точек рабочей зоны. 3. Увеличение частоты питающего напряжения. Этот способ является наиболее эффективным, поскольку предусматривает снижение пульсации светового потока источника света. При частоте питания более 400 Гц исчезает пульсация, так как в колбе лампы возникает постоянный объемный заряд, который не исчезает при переходе тока через ноль и обеспечивает постоянство светового потока. В настоящее время вместо традиционных ПРА, имеющих в своем составе балластное сопротивление в виде дросселя, целесообразно использовать высокочастотные «электронные» ПРА (ЭПРА), которые обеспечивают полное отсутствие пульсации светового потока. Кроме того, применение ЭПРА позволяет увеличить световую отдачу и срок службы газоразрядных ламп на 10–15 %. Газоразрядные лампы бывают двух основных типов: лампы низкого давления (люминесцентные) и лампы высокого давления. Люминесцентная лампа представляет собой запаянную с двух сторон стеклянную трубку, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой люминофо-ра – вещества, све­тящегося под действием ультрафиолетовых лучей. В тор­цы трубки впаяны два электрода. Воздух из трубки уда­лен, и вместо него введены небольшое количество аргона и капля ртути, которая при работе лампы превращается в пар (аргон облегчает создание электрического разря­да). Приложенное к электродам лампы переменное на­пряжение вызывает электрический разряд между электродами люминесцентной лампы и прохождение тока в парах ртути и аргона, наполняющих трубку. Электрод, с которого происходят выделение потока электронов, называется катодом. Эмиссия (испускание) электронов в люминесцентной лампе происходит при нагреве катода до достаточно вы­сокой температуры и поэтому называется термоэлектронной. Величина термоэлектронной эмиссии зависит от тем­пературы, материала и формы поверхности катода. Катод изготовляется из вольфрамовой нити, свернутой в небольшую спираль. Спираль покрыта углекислыми со­лями бария и стронция, превращающимися в процессе обработки в так называемый оксид. Оксидная пленка, покрывающая электрод, увеличивает способность излуче­ния электронов и облегчает зажигание лампы при более низком напряжении. Промышленностью выпускаются люминесцентные лампы общего назначения мощностью 4, 6, 8, 10, 13, 15, 20, 30, 40, 65, 80, 125, 150 и 200 Вт. Лампы мощностью от 15 до 80 Вт выпускаются серийно в соответствии с ГОСТ 6825-74. Остальные лампы изготовляются не­большими партиями по соответствующим техническим условиям. По цветности излучаемого светового потока выпуска­ются лампы пяти основных типов: лампы дневного све­та – ЛД; белого света – ЛБ; холодно-белого света – ЛХБ; тепло-белого света – ЛТБ; дневного света с улучшенной цветопередачей – ЛДЦ, а также ЛХБЦ и ЛТБЦ, из которых последние преимущественно предназначены для жилых помещений. Кроме вышеуказанных, выпускаются цветные лампы (красные, розовые, желтые, зеленые и голубые), которые применяются для декоративного и театрального освещения. По форме трубки-колбы имеется несколько разновидностей ламп: прямолинейные, П-образные, кольцевые, U-образные и др. Наибольшее распространение получили прямолинейные лампы. Одной из разновидностей люминесцентных ламп общего назначения являются рефлекторные лампы. В обозначении маркировки ламп вводится буква Р. В этих лампах до слоя люминофора на большую часть внутрен­ней поверхности трубки наносится слой хорошо отражающего свет порошка. Не покрытой таким порошком остается только полоса вдоль трубки. Световой поток лампы направляется отражающим слоем через эту полосу. Основным преимуществом рефлекторных ламп является то, что они могут использоваться в светильниках без отражателей, так как отражающий слой играет роль отражателя. Особенно выгодно применение рефлекторных ламп в помещениях с высоким уровнем пыли, так как пыль оседает главным образом на верхней поверхности лампы, а свет проходит вниз через свободную от пыли поверхность. Компактные люминесцентные лампы(КЛЛ) (рис. 4.11). По принципу своего действия практически не отличаются от обычных люминесцентных (электрический разряд генерирует ультрафиолет, который, в свою очередь, заставляет светиться люминофор), поэтому световая отдача и срок службы КЛЛ имеют те же преимущества перед лампами накаливания, что и у люминесцентных ламп.

Рис. 4.11. Компактные люминесцентные лампы

КЛЛ или как их иногда называют «энергосберегающие» лампы явились результатом усовершенствования всех технико-экономических характеристик газоразрядных ламп, что привело к устранению типичных недостатков ламп накаливания и люминесцентных ламп при одновременном сохранении и развитии их достоинств. Прежде всего, специалистам удалось уменьшить размеры ламп. Новые технологические возможности позволили уменьшить диаметр трубки до 7 мм, и, изогнув её дважды или трижды, получить компактную конструкцию (см. рис. 4.11). Уменьшение габаритов позволило сократить применение ртути более чем в 10 раз (до 2–3 мг), а в амальгамных КЛЛ ртути в чистом виде нет вообще, она находится в связанном состоянии. Пожаро- и взрывобезопасность, а также защита от поражения потребителя электрическим током возросли на порядок, кроме того, качественные КЛЛ, как правило, имеют защиту при повреждении излучающего блока, травмобезопасные неизвлекаемые цоколи и ряд других усовершенствований. Уменьшение габаритов КЛЛ позволило применять их как в отдельной осветительной установке, так и для прямой замены ламп накаливания в светильниках со стандартными патронами, рассчитанными на использование резьбового цоколя. Подавляющее большинство КЛЛ оснащены ЭПРА, которые значительно энергоэкономичней, чем традиционные электромагнитные ПРА, так как потери мощности в балласте не происходит, и, кроме того, гарантируют практически мгновенное включение лампы. Специальные люминесцентные лампы. Кроме описанных выше осветительных люминесцентных ламп, выпускаются бактерицидные и эритемные лампы. Бактерицидные лампы являются источником коротковолнового ультрафиолетового излучения, уничтожающего бактерии, обеззараживающего (стерилизующего) воздух помещений, воду, пищевые продукты, тару на пищевых предприятиях и пр. В отличие от осветительных люминесцентных ламп, у которых стекло трубки и люминофор не пропускают ультрафиолетовые лучи, в бактерицидных лампах трубки изготовляются из специального увиолевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолетовое излучение с короткой волной. Бактерицидные лампы не покрываются люминофором. Промышленностью выпускаются бакте­рицидные лампы типа ДБ15, ДБ3О-1 и ДБ60 (дуговые бактерицидные) мощностью соответственно 15, 30 и 60 Вт, напряжение на лампах 55, 100 и 103 В и средняя продолжительность горения 2000, 3000 и 5000 ч. Эритемные лампы являются источником ультрафиолетового излучения и используются для компенсации ультрафиолетовой недостаточности. Отличительными особенностями эритемных ламп являются сорт стекла и состав люминофора. Для эритемных ламп применяется увиолевое стекло, хорошо пропускающее ультрафиолетовое излучение, но с более длинной волной, чем в бактерицидных лампах, и со специально подобранным люминофором. Такой люминофор преобразует излучение ртутного разряда в ультрафиолетовое излуче­ние с соответствующим диапазоном длин волн, что соответствует недостающему осенью и зимой ультрафиолетовому излучению Солнца. Свое название эти лампы получили по тому действию, которое они оказывают на кожу человека: вызывают ее покраснение, загар-эрите­му. Такие лампы применяют в установках для искусст­венного ультрафиолетового облучения людей и живот­ных с оздоровительной целью. Промышленностью выпускаются эритемные лампы типа ЛЭ15, ЛЭ3О-1 и ЛЭР40 мощностью соответственно 15, 30 и 40 Вт; напряжение на лампах 58, 108 и 103 В; средняя продолжительность горения 600, 2000 и 1500 ч. Лампа типа ЛЭР имеет на внутренней поверхности реф­лекторный слой, покрывающий примерно 2/3 поперечного сечения трубки и позволяющий сконцентрировать излу­чение лампы в определенном направлении. Свечение эритемных ламп синевато-голубое. Дуговые ртутные лампы высокого давления (дрл). В отличие от люминесцентных ламп, где давление паров ртути составляет доли миллиметров ртутного стол­ба, в ртутных лампах ДРЛ используется газовый разряд в парах ртути при давлениях, намного превышающих атмосферное (рис. 4.12). Такие лампы представляют собой толстостенную кварцевую трубку (горелку) с двумя или более электродами, вмонтированную во внешнюю колбу из тер­мостойкого стекла, стенки которой изнутри покрыты люминофором. Внутри горелки находятся дозированная капелька ртути и газ аргон; в торцы ее впаяны вольфрамовые электроды. Аргон облегчает зажигание разряда в холодной трубке, и после зажигания разряда начинается процесс испарения ртути, которая переходит в парообразное состояние. а) – двухэлектродная лампа; б) – четырехэлектродная лампа; 1 – ртутная кварцевая трубка; 2 – внешняя колба; 3 – люминофор; 4 – резьбовой цоколь; 5 – рабочие электроды; 6 – зажигающие электроды; 7 – резисторы а) б) Рис. 4.12. Дуговая ртутная люминесцентная лампа типа ДРЛ с исправленной цветностью При установлении дугового разряда между рабочими электродами плотность и температура паров ртути по диаметру трубки будут неодинаковыми: по оси трубки температура будет максимальной. Благодаря этому плотность тока в центре трубки максимальна, и разряд имеет вид светящегося шнура, расположенного по оси трубки. С повышением давления паров ртути меняется характер спектра, излучаемого газовым разрядом. Чем выше давление, тем больше яркость сплошного фона. В связи с изменением спектра излучения меняется цветность све­та, создаваемого ртутной лампой от сине-зеленой при низких давлениях до белой при высоких давлениях. Применение ламп ДРЛ для освещения оказалось возможным в результате получения температуростойких люминофоров, при помощи которых удалось исправить цветность излучения ртутного разряда. Дело в том, что цветность излучения разряда в парах ртути, дающего интенсивный свет синеватого оттенка, делает невозможным правильное восприятие цветовых оттенков: лица людей становятся мертвенно-бледными, губы – синевато-серыми, краски окружающих предметов искажаются. Поэтому ртутные лампы без люминофора считают практически малопригодными для освещения даже в тех случаях, когда к цветопередаче не предъявляются высокие требования, например, при освещении улиц. От этого недостатка удалось избавиться при помощи люминофора, который наносится на внутреннюю поверхность внешней колбы лампы ДРЛ. Колба эта имеет форму, обеспечивающую при работе лампы одинаковую температуру всей поверхности, покрытой люминофором. Люминофор хорошо поглощает невидимое ультрафиолетовое излучение, проходящее через кварцевые стенки трубки, и преобразует его в оранжево-красное видимое излучение, исправляя тем самым цветность излучения лампы. При этом видимое излуче­ние ртутного разряда люминофор почти не поглощает. Лампы типа ДРЛ выпускаются мощностью 80–1000 Вт, имеют довольно высокую световую отдачу (от 40 до 50 лм/Вт, в зависимости от их мощности), срок службы составляет до 7500 часов. Ртутные лампы высокого давления имеют значительное преимущество по сравнению с лампами накаливания и люминесцентными лампами из-за способности сосредоточить значительную световую мощность в небольшом объёме. Лампы ДРЛ требуют последовательного с ними включения ПРА. Параметры окружающей среды не оказывают значительного влияния на работу ламп ДРЛ, что позволяет использовать их для уличного освещения, где другие лампы могут применяться лишь в светильниках с тепловой изоляцией и при наличии специальных схем включения. Кп у ламп ДРЛ составляет около 60 %, что не позволяет рекомендовать их для освещения производственных помещений, где производится напряжённая зрительная работа. Ртутные лампы ДРЛ выпускают двух модификаций: двухэлектродные и четырехэлектродные.

Источники света: естественные и искусственные

На восприятие света влияет также и то, какой источник света используется. От его спектрального состава (цветовой температуры) зависит цвет видимой нами поверхности.

Естественные источники света. Наш основной источник света — Солнце. Это источник теплового излучения. Температура на его поверхности составляет около 6000С°. Образующаяся в его недрах энергия в виде света и теплового излучения является очень важной для поддержания жизни на Земле. Спектральный состав солнечного света делает возможным отчётливо различать всевозможные оттенки цветов. Для всех рабочих процессов солнечный дневной свет гарантирует лучшие условия видимости. Луна и планеты не имеют собственного свечения, они отражают часть солнечного света. Звезды излучают свет. Но из-за громадного удаления от Земли как источники света они не имеют значения. Так же как не имеет практического значения для человека свет, генерируемый некоторыми живыми организмами: жучками — светлячками, глубоководными рыбами, грибами, бактериями.

Искусственные источники света. Основные искусственные источники света — это лампы (накаливания, люминесцентные, галогенные), лазеры и др.

Лампы накаливания являются температурными излучателями, окраска их света зависит от температуры накаливания вольфрамовой нити. При нормальном напряжении нить накаляется до жёлтого цвета. Поэтому все предметы, рассматриваемые при лампе накаливания, приобретают тёплый желтоватый оттенок. В люминесцентных лампах возбуждается свечение паров ртути, которые испускают преимущественно ультрафиолетовый свет, а также часть коротковолнового видимого света (фиолетовый, синий, зелёный). Из-за малого теплового излучения этот свет называют холодным.

Галогенные лампы — новейшее поколение светильников. Внутри крохотных колб находится та же вольфрамовая нить, но не в вакууме, а в парах галогенов. Световой поток галогенных ламп выше, чем у обычных ламп накаливания, а спектр излучения делает свет искристым, мягким и радостным. Соответственно, цвета предметов в этом освещении становятся сочнее и ярче.

Одним из наиболее разносторонне полезных искусственных источников света является лазер. В лазерной трубке под воздействием электричества из атомов высвобождаются фотоны. Они вылетают из трубки в виде узкого луча света или в какой-либо другой форме электромагнитного излучения в зависимости от вещества, используемого для получения фотонов. (Эти сведения, как в целом вся информация данной главы — прекрасная возможность для читателя доучить (или дочитать) всё то, что он не доучил в школе из-за, естественно, «не очень хороших» учителей.)

Ахроматические и хроматические цвета.Все цвета делятся на хроматические и ахроматические.К хроматическим цветам относятся все «цветные» цвета — спектральные и их смеси. К ахроматическим — белый, чёрный, серый. Жёлто-серый, чёрный с синевой не являются строго ахроматическими. Хроматические цвета отличаются друг от друга цветовым тоном, светлотой и насыщенностью. (Подробнее об этом поговорим чуть позднее.) Ахроматические цвета отличаются друг от друга только светлотой.

На простом примере легко убедиться, как отличаются друг от друга ахроматические цвета по светлоте. Если сравнить между собой белый цвет бумаги, гипса и белил, то окажется, что одни из них светлее, чем другие. Чёрные цвета также не одинаковы. Например, чёрный бархат темнее чёрного сукна, а чёрное сукно темнее чёрного ситца. Образец «самого-самого» чёрного цвета находится в одном из музеев Лондона, где собраны эталоны мер: метра, килограмма. Он представляет собой чёрный ящик, который снаружи и внутри обит черным бархатом. На одной из его стенок находится маленькое отверстие, в которое и надо смотреть, чтобы увидеть эталон чёрного цвета.

Дата добавления: 2022-01-31 ; просмотров: 247 ;

57. 2.4. Искусственные источники света

Для искусственного освещения применяют электрические лампы двух типов — лампы накаливания (ЛН) и газоразрядные лампы (ГЛ).

Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение (свет) в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити.

В газоразрядных лампах видимое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов или паров металлов, которыми заполняется колба лампы. Газоразрядные лампы называют люминесцентными, если изнутри колбы покрыты люминофором, который под действием ультрафиолетового излучения, испускаемого электрическим разрядом, светится, преобразуя тем самым невидимое ультрафиолетовое излучение в свет.

Лампы накаливания наиболее широко распространены в быту из-за своей простоты, надежности и удобства эксплуатации. Находят они применение и на производстве, организациях и учреждениях, но в значительно меньшей степени. Это связано с их существенными недостатками: низкой светоотдачей — от 7 до 20 лм/Вт (светоотдача лампы — это отношение светового потока лампы к ее электрической мощности); небольшим сроком службы — до 2500 часов: преобладанием в спектре желтых и красных лучей, что сильно отличает спектральный состав искусственного света от солнечного. В маркировке ламп накаливания буква В обозначает вакуумные лампы, Г — газонаполненные, К — лампы с криптоновым наполнением, Б — биспиральные лампы.

Газоразрядные лампы получили наибольшее распространение на производстве, в организациях и учреждениях прежде всею из-за значительно большей светоотдачи (40. 110 лм/Вт) и срока службы (8000. 12 000 часов). Из-за этого газоразрядные лампы в основном применяются для освещения улиц, иллюминации, световой рекламы. Подбирая сочетание инертных газов, паров металлов, заполняющих колбы ламп, и люминоформа, можно получить свет практически любого спектрального диапазона — красный, зеленый, желтый и т. д. Для освещения в помещениях наибольшее распространение получили люминесцентные лампы Дневного света, колба которых заполнена парами ртути. Свет, излучаемый такими лампами, близок по своему спектру к солнечному свету.

К газоразрядным относятся различные типы люминесцентных ламп низкого давления с разным распределением световою Потока по спектру: лампы белого света (Л Б); лампы холодно-белою света (ЛХБ); лампы с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ); лампы тепло-белого света (ЛТБ); лампы, близкие по спектру к солнечному свету (ЛЕ); лампы холодно-белого света улучшенной цветопередачи (ЛХБЦ).

К газоразрядным лампам высокого давления относятся: дуговые ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью (ДРЛ); ксеноновые (ДКсТ), основанные на излучении дугового разряда в тяжелых инертных газах; натриевые высокого давления (ДНаТ); металлогалогенные (ДРИ) с добавкой йодидов металлов.

Лампы ЛЕ, ЛДЦ применяются в случаях, когда предъявляются высокие требования к определению цвета, в остальных случаях — лампы ЛБ, как наиболее экономичные. Лампы ДРЛ рекомендуются для производственных помещений, если работа не связана с различением цветов (в высоких цехах машиностроительных предприятий и т. п.), и наружного освещения. Лампы ДРИ имеют высокую световую отдачу и улучшенную цветность, применяются для освещения помещений большой высоты и площади.

Источники света обладают различной яркостью. Максимальная переносимая человеком яркость при прямом наблюдении составляет 7500 кд/м 2 .

На рис. 5.11 представлены некоторые из приблизительных значений яркости для нескольких источников света различного вида.

Рис. 5.11. Значения яркости различных источников света

Однако газоразрядные лампы наряду с преимуществами перед лампами накаливания обладают и существенными недостатками, которые пока ограничивают их распространение в быту.

Это пульсация светового потока, которая искажает зрительное восприятие и отрицательно воздействует на зрение. При освещении газоразрядными лампами может возникнуть стробоскопический эффект, заключающийся в неправильном восприятии скорости движения предметов. Опасность стробоскопического эффекта при использовании газоразрядных ламп состоит в том, что вращающиеся части механизмов могут показаться неподвижными и стать причиной травматизма. Пульсации освещенности вредны и при работе с неподвижными поверхностями, вызывая быстрое утомление зрения и головную боль.

Ограничение пульсаций до безвредных значений достигается равномерным чередованием питания ламп от различных фаз трехфазной сети, специальными схемами подключения. Однако это усложняет систему освещения. Поэтому люминесцентные лампы не нашли пока широкого применения в быту. К недостаткам газоразрядных ламп относится: длительность их разгорания. зависимость их работоспособности от температуры окружающей среды, создание радиопомех.

Другой причиной, по-видимому, является следующее обстоятельство. Психологическое и отчасти физиологическое воздействие на человека цветности излучения источников света, несомненно, в значительной степени связано с теми световыми условиями, к которым человечество приспособилось за время своего существования. Далекое и холодное голубое небо, создающее в течение большей части светового дня высокие освещенности, вечером — близкий и горячий желто-красный костер, а затем пришедшие ему на смену, но аналогичные по цветности «лампы сгорания», создающие, однако, низкие освещенности, — таковы световые режимы, приспособлением к которым, вероятно, объясняются следующие факты. У человека наблюдается более работоспособное состояние днем при свете преимущественно холодных оттенков, а вечером при теплом красноватом свете лучше отдыхать. Лампы накаливания лают теплый красновато-желтый цвет и способствуют успокоению и отдыху, люминесцентные лампы, наоборот, создают холодный белый цвет, который возбуждает и настраивает на работу.

От применяемого типа источников света зависит правильность цветопередачи. Например, темно-синяя ткань при свете ламп накаливания кажется черной, желтый цветок — грязно-белым. Т. е. лампы накаливания искажают правильную цветопередачу. Однако есть предметы, которые люди привыкли видеть преимущественно вечером при искусственном освещении, например, золотые украшения «естественнее» выглядят при свете ламп накаливания, чем при свете люминесцентных ламп. Если при выполнении работы важна правильность цветопередачи — например, на уроках рисования, в полиграфической промышленности, картинных галереях и т. д. — лучше применять естественное освещение, а при его недостаточности — искусственное освещение люминесцентных ламп.

Таким образом, правильный выбор цвета для рабочего места значительно способствует повышению производительности труда, безопасности и общему самочувствию работников. Отделка поверхностей и оборудования, находящегося в рабочей зоне, точно также способствует созданию приятных зрительных ощущений и приятной рабочей обстановки.

Обычный свет состоит из электромагнитных излучений с различными длинами волн, каждое из которых соответствует определенному диапазону видимого спектра. Смешивая красный, желтый и голубой свет, мы можем получить большинство видимых цветов, включая белый. Наше восприятие цвета предмета зависит от цвета света, которым он освещен и от того, каким об­разом сам предмет отражает цвет.

Источники света подразделяются на следующие три категории в зависимости от цвета света, который они излучают:

«теплого» цвета (белый красноватый свет) — рекомендуются для освещения жилых помещений;

промежуточного цвета (белый свет) — рекомендуются для освещения рабочих мест;

«холодного» цвета (белый голубоватый свет) — рекоменду­ются при выполнении работ, требующих высокого уровня освещенности или для жаркого климата.

Цвета также могут классифицироваться как холодный или теплый в зависимости от их тона (рис. 5.12).

Рис. 5.12. Классификация цвета

ТЕПЛЫЙ

аким образом, важной характеристикой источников света является цвет светового излучения. Для характеристики цвета излучения введено понятие цветовой температуры.

Цветовая температура Т_цв — это такая температура черного тела, при которой его излучение имеет такую же цветность, как и рассматриваемое излучение. Действительно при нагреве черного тела его цвет изменяется от теплых оранжево-красных до холодных белых тонов. Цветовая температура измеряется в градусах Кельвина (К). Связь между градусами по шкале Цельсия и по шкале Кельвина следующая: К = °С + 273. Например, 0 °С соответствует 273 К.

Цвета электрических ламп можно разделить на три группы, в зависимости от их цветовой температуры:

белый дневного цвета — около 6000 К:

нейтральный белый — около 4000 К:

теплый белый — около 3000 К.

На рис. 5.13 представлена номограмма условий зрительного восприятия в зависимости от уровня освещенности и цветовой температуры источников света.

Источники Искусственного света

Лампа накаливания – источник света с излучателем в виде проволоки (нити или спирали) из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), накаливаемой электрическим током до температуры 2 500–3 300 К, близкой к температуре плавления вольфрама (рис. 5). Световая отдача лампы накаливания 10–35 лм/Вт; срок службы до 2 тыс. ч. Этот вид ламп все еще преобладает и производится в широком ассортименте, несмотря на имеющиеся в производстве более экономичные источники света. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные (НВ), газонаполненные (НГ), биспиральные (НБ), биспиральные с криптоно-ксеноновым наполнением (НБК). Имеются также зеркальные лампы, являющиеся лампами-светильниками.

Все большее распространение получают галогенные лампы накаливания. Наличие в колбе лампы паров галогенов (йода или брома), уменьшающих количество испарения вольфрама, позволило повысить температуру накала вольфрамовой нити, в результате чего световая отдача увеличивается до 40 лм/Вт и спектр излучаемого света приближается к естественному. Кроме того пары вольфрама, испаряющегося с нити накала, соединяются с йодом и вновь оседают на нить, препятствуя ее истощению. Срок службы этих ламп увеличился до 3–5 тыс. ч. Двухцокольные линейные галогенные лампы (рис. 5, г) используются для освещения широких поверхностей. Благодаря применению упрочненных держателей, нити накала обладают высокой устойчивостью к механическим воздействиям. Лампы совмещают в себе высокую светоотдачу, отличный коэффициент цветопередачи, постоянный световой поток в течение всего срока службы, мгновенное перезажигание, возможности регулировки яркости.

Преимущества ламп накаливания:

– отсутствие необходимости пускорегулирующей аппаратуры, при включении зажигаются практически мгновенно;

– возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном;

– возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт);

– отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости инфраструктуры по сбору и утилизации;

– отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе;

– непрерывный спектр излучения;

– устойчивость к электромагнитному импульсу;

– возможность использования регуляторов яркости;

– независимость работы от условий окружающей среды и температуры;

– световой поток к концу срока службы снижается незначительно (на 15 %).

– низкая световая отдача (в три–шесть раз меньше, чем у газоразрядных ламп);

– относительно малый срок службы;

– зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения;

– цветовая температура лежит в пределах 2 300–2 900 K (преобладают желтые и красные лучи, что искажает цветопередачу, поэтому их не применяют при работах, требующих различения цветов);

– световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %;

– температура колбы галогенных ламп может достигать 500 °С, поэтому при установке ламп следует соблюдать нормы противопожарной безопасности (например, обеспечить достаточное расстояние между поверхностью перекрытия и подвесным потолком);

– обладают большой яркостью, но не дают равномерного распределения светового потока, для исключения прямого попадания света в глаза и вредного воздействия большой яркости на зрение нить накаливания лампы необходимо закрывать;

– при применении открытых ламп почти половина светового потока не используется для освещения рабочих поверхностей, поэтому ЛН необходимо устанавливать в осветительной арматуре.

Ограничения импорта, закупок и производства. В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу, во многих странах введен или планируется ввод запрета на производство, закупку и импорт ламп накаливания, с целью стимулирования замены их на энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные лампы и др.).

С 1 сентября 2009 г. в Евросоюзе вступил в силу поэтапный запрет на производство, закупку магазинами и импорт ламп накаливания (за исключением специальных ламп). С 2009 г. запрет коснется ламп мощностью ≥ 100 Вт, ламп с матовой колбой ≥ 75 Вт и др.; ожидается, что к 2012 г. будет запрещен импорт и производство ламп накаливания меньшей мощности.

23 ноября 2009 г. президент России подписал принятый ранее Госдумой закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно документу, с 1 января 2011 г. к обороту на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более; с 1 января 2013 г. – электроламп мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 г. – ламп мощностью 25 Вт и более.

Основные характеристики ламп накаливания (ЛН) [4; 7]:

– номинальное значение напряжения;

– номинальное значение мощности;

– номинальное значение светового потока (иногда силы света);

– габаритные размеры (полная длина L, диаметр D).

Технические данные ламп накаливания приведены в табл. 1 прил. 2 [4].

В настоящее время все большее применение находят газоразрядные лампы, в которых излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции. Основным преимуществом газоразрядных ламп является их экономичность. Световая отдача этих ламп колеблется в пределах 40. 110 лм/Вт. Срок их службы доходит до 12 тыс. ч. С их помощью легче создать равномерное освещение, спектр их излучения ближе к естественному свету.

По составу среды различают следующие газоразрядные лампы:

– с парами металлов и различных соединений.

По давлению:

– газоразрядные лампы низкого давления (от 0,1 до 25 кПа);

– газоразрядные лампы высокого давления (от 25 до 1000 кПа);

– газоразрядные лампы сверхвысокого давления (от 1000 кПа).

По типу разряда:

По источнику излучения:

– газоразрядные лампы, у которых источником света являются атомы, ионы или молекулы;

– фотолюминесцентные лампы, у которых источником света являются люминофоры, возбуждаемые разрядом;

– электродосветные лампы, у которых источником света являются электроды, раскаленные до высокой температуры.

По охлаждению:

– газоразрядные лампы с естественным охлаждением;

– газоразрядные лампы с принудительным охлаждением.

Наиболее распространены газоразрядные лампынизкого давления – люминесцентные (рис. 6). Световая отдача – до 100 лм/Вт. Они имеют форму цилиндрической стеклянной трубки с двумя электродами. Трубка наполнена дозированным количеством ртути (30–80 мг) и смесью инертных газов (часто аргон) при давлении около 400 Па (3 мм рт. ст.). По обоим концам трубки закреплены электроды. При включении электрический ток, протекающий между электродами, вызывает в парах ртути электрический разряд, сопровождающийся излучением (электролюминесценция). Внутренняя поверхность трубки покрыта тонким слоем люминофора, который преобразует ультрафиолетовое излучение, возникающее при газовом электрическом разряде, в видимый свет. В зависимости от состава люминофора люминесцентные лампы обладают различной цветностью. В настоящее время промышленность выпускает несколько типов люминесцентных ламп, отличающихся по цветности: лампы дневного света (ЛД), лампы дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ), лампы наиболее близкие к естественному свету (ЛЕ), лампы белого цвета (ЛБ), лампы теплого белого цвета (ЛТБ), лампы холодного белого цвета (ЛХБ), лампы дневного света с исправленной цветопередачей (ЛДЦ), лампы рефлекторные – с внутренним отражающим слоем (ЛР) и др.

Преимущества люминесцентных ламп:

– широкий диапазон цветности;

– благоприятные спектры излучения, обеспечивающие высокое качество цветопередачи;

– по сравнению с лампами накаливания обеспечивают такой же световой поток, но потребляют в 4–5 раз меньше энергии;

– имеют низкую температуру колбы;

– повышенный срок службы (до 6–15 тыс. ч.).

Недостатки люминесцентных ламп:

– содержание ртути (в замкнутом помещении разбитая ЛЛ может давать кратковременное превышение ПДК ртути более чем в 160 раз, загрязнение выше ПДК может сохраняться несколько десятков лет) 1 ;

– относительная сложность схемы включения, шум дросселей;

– ограниченная единичная мощность и большие размеры при данной мощности;

– невозможность переключения ламп, работающих на переменном токе, на питание от сети постоянного тока;

– зависимость характеристик от температуры внешней среды (световой поток снижается при повышенных температурах);

– значительное снижение потока к концу срока службы;

– вредные для зрения пульсации светового потока с частотой 100 Гц при переменном токе 50 Гц;

– срок действия компактных ЛЛ не всегда соответствует заявленному и может быть сравним со сроком ламп накаливания при существенно большей стоимости.

Пульсация светового потока возникает вследствие малой инерционности свечения люминофора. Это может привести к появлению стробоскопического эффекта, который проявляется в искажении зрительного восприятия движущихся или вращающихся объектов. При кратности или совпадении частоты пульсации светового потока и частоты вращения объекта вместо одного предмета видны изображения нескольких, искажаются скорость и направление движения. Стробоскопический эффект очень опасен, так как вращающиеся части механизмов, детали, инструмент могут показаться неподвижными и стать причиной травматизма.

Основные характеристики люминесцентных ламп:

– номинальный ток лампы;

– габаритные размеры (полная длина L, диаметр D);

– пульсации светового потока.

Технические данные основных типов ЛЛ приведены в табл. 2 Приложения 2 [2; 4].

К газоразрядным лампам высокого и сверхвысокого давления относят лампы: ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные; ДРЛР – рефлекторные дуговые ртутные лампы с отражающим слоем; ДРИ – ртутные лампы высокого давления с добавкой иодидов металла; ДКсТ – дуговые ксеноновые трубчатые и др.

Принцип действия ламп ДРЛ (рис. 7): в горелке из прочного тугоплавкого химически стойкого прозрачного материала в присутствии газов и паров металлов возникает свечение разряда– электролюминесценция. При подаче напряжения на лампу между близко расположенными главным катодом и дополнительным электродом обратной полярности на обоих концах горелки начинается ионизация газа. Когда степень ионизации газа достигает определенного значения, разряд переходит на промежуток между главными катодами, так как они включены в цепь тока без добавочных сопротивлений, и поэтому напряжение между ними выше. Стабилизация параметров наступает через 10–15 минут после включения (в зависимости от температуры окружающей среды, чем холоднее, тем дольше будет разгораться лампа).

Электрический разряд в газе создает видимое белое, без красной и голубой составляющих спектра, и невидимое ультрафиолетовое излучение, вызывающее красноватое свечение люминофора. Эти свечения суммируются, в результате получается яркий свет, близкий к белому.

При изменении напряжения сети на 10–15 % в большую или меньшую сторону работающая лампа отзывается соответствующим повышением или потерей светового потока на 25–30 %. При напряжении менее 80 % сетевого лампа может не зажечься, а в горящем состоянии погаснуть.

При горении лампа сильно нагревается, после выключения должна остыть перед следующим включением.

Лампы ДРЛ позволяют создавать большие уровни освещенности и рекомендуются к применению при высоте помещения более 12. 14 м, при наличии в воздухе дыма, пыли и копоти. Однако по спектральному составу излучения они сильно отличаются от люминесцентных. Их нельзя применять там, где недопустимо искажение цветовосприятия.

Наиболее экономичными являются ДРИ – ртутные лампы высокого давления с добавкой иодидов металла, их часто называют металлогалогенными. Светоотдача этих ламп достигает 80 лм/Вт.

Трубчатые ксеноновые газоразрядные лампы высокого давления ДКсТ (дуговые ксеноновые трубчатые), имеющие высокую мощность (от 2 до 100 кВт), применяются в основном для наружного освещения в связи с опасностью ультрафиолетового облучения работающих в помещении. Разработаны специальные ксеноновые лампы ДКсТЛ в колбе из легированного кварца, предназначенные для применения в производственных помещениях, расположенных на Севере нашей страны, где они служат одновременно и для ультрафиолетового облучения работающих.

Натриевые газоразрядные лампы высокого давления ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые) обладают наивысшей эффективностью и удовлетворительной цветопередачей. Применяются для освещения помещений с большой высотой, где требования к цветопередаче невысоки или в декоративных целях.

Преимущества ламп ДРИ:

– большой срок службы (до 12–20 тыс. ч.);

– большая световая отдача;

– компактность при большой единичной мощности;

– обеспечивают более равномерное освещение и рекомендованы для применения в светильниках общего освещения.

– преобладание в спектре сине-зеленой части, ведущее к неудовлетворительной цветопередаче;

– возможность работы только на переменном токе;

– длительность разгорания при включении (примерно 7 мин) и начало повторного зажигания после даже очень кратковременного перерыва питания лампы лишь после остывания (примерно 10 мин);

– пульсации светового потока больше, чем у люминесцентных ламп;

– значительное снижение светового потока к концу срока службы (до 70 %);

– наличие ртути (от 20 до 150 мг ртути).

Повреждения герметичности лампы ДРЛ вполне хватит, чтобы серьезно загрязнить, например, цех авиационного завода размерами сто на триста метров и с высотой потолков до 10 метров.

Технические данные ламп ДРЛ приведены в табл. 3 прил. 2 [2; 4].

Светодиодное освещение – одно из перспективных направлений технологий искусственного освещения, основанное на использовании светодиодов в качестве источника света. Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED – англ. Light-emitting diode) – полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.

Светодиодное освещение, благодаря эффективному расходу электроэнергии и простоте конструкции, нашло широкое применение в ручных осветительных приборах, в светотехнике для создания дизайнерского освещения специальных современных дизайн-проектов. Надежность светодиодных источников света позволяет использовать их в труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение и т. д.).

Преимущества светодиодного освещения:

– экономичность – световая отдача светодиодных систем уличного освещения достигает 140 лм/Вт;

– срок службы в 30 раз больше по сравнению с лампами накаливания;

– возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров;

– отсутствие ртутных паров (в сравнении с люминесцентными лампами);

– малое ультрафиолетовое и инфракрасное излучение;

– незначительное относительное тепловыделение (для маломощных устройств);

– высокая цена (отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50–100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания);

– низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения;

– необходимость низковольтного источника питания постоянного тока для обеспечения питания светодиодов от сети;

– высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты.

Создание в производственных помещениях качественного и эффективного освещения невозможно без рациональных светильников.

Электрический светильник – это совокупность источника света и осветительной арматуры, предназначенной для перераспределения излучаемого источником светового потока в требуемом направлении, предохранения глаз рабочего от слепящего действия ярких элементов источника света, защиты источника от механических повреждений, воздействия окружающей среды и эстетического оформления помещения.

Тип светильников определяется характером производственного помещения и технологического процесса, необходимой безопасностью, качеством освещения и удобством обслуживания [2; 4; 7]. Слепящее действие света устраняется при правильном выборе высоты подвеса определенного типа светильника.

Важной характеристикой светильника является его коэффициент полезного действия – отношение фактического светового потока светильника Ф_ф к световому потоку помещенной в него лампы Ф_л, т. е. .

По распределению светового потока в пространстве различают светильники прямого, преимущественно прямого, рассеянного, отраженного и преимущественно отраженного света.