Искусственные источники света: типы источников света и их основные характеристики, Особенности применения газоразрядных энергосберегающих источников света. Светильники: назначение, типы, особенности применения

Источники искусственного света играют в нашей жизни важную роль. Они выполняют не только практическую, но и эстетическую функцию. Так, существует множество ламп, различающихся по форме, размерам и техническим характеристикам.

Источники искусственного света:

Лампы накаливания

Галогенная лампа

Газоразрядные источники света

Натриевая лампа

Люминесцентные лампы

Светодиоды

Лампы накаливания являются наиболее распространённым видом источников света. Они широко применяются в различных видах помещений, как во внутренних, так и в наружных.

Лампа накаливания

Принцип действия: свет в лампах накаливания создается путем прохождения электрического тока через тонкую проволоку, обычно изготовляемую из вольфрама. Принцип действия основан на тепловом действии электрического тока.

Преимущества лампы: низкие первоначальные затраты, удовлетворительное качество воспроизведения цвета, возможность управления степенью концентрации и направлением распространения света, разнообразие конструкций, удобство применения, отсутствие систем электронного запуска и стабилизации.

Недостатки: срок службы обычно не более 1000 часов; 95% производимой ими энергии преобразуется в тепло и только 5 % - в свет! Лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт -- 145°C, 75 Вт -- 250°C, 100 Вт -- 290°C, 200 Вт -- 330°C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

Применение: предназначены для внутреннего и наружного освещения при параллельном включении ламп в электрические сети напряжением 127 и 220 В.

Средняя цена: 15 рублей за 1 штуку.

Галогенная лампа

Галогенные лампы, как и лампы накаливания, излучают тепло.

Принцип действия: спираль, изготовленная из жаропрочного вольфрама, находится в колбе, заполненной инертным газом. При прохождении через спираль электрического тока она накаляется, вырабатывая тепловую и световую энергию. Частички вольфрама при температуре 1400°C еще до достижения поверхности колбы соединяются с частичками галогена. Благодаря термической циркуляции эта галогенно-вольфрамовая смесь приближается к раскаленной спирали и под воздействием более высокой температуры разлагается. Частички вольфрама снова осаждаются на спирали, а частички галогена возвращаются в процесс циркуляции.

Преимущества: Спираль имеет более высокую температуру, что позволяет получить больше света при той же мощности лампы, спираль постоянно обновляется, что увеличивает срок службы лампы, колба не чернеет, и лампа дает постоянный световой поток в течение всего срока эксплуатации.
При одинаковой способности к цветопередаче с лампами накаливания, имеют компактную конструкцию.

Недостатки: низкая светоотдача, маленький срок службы

Газоразрядные источники света

Газоразрядные источники света представляют собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку, содержащую газ, некоторое количество металла или др. вещества с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы электроды, между которыми происходит разряд. Существуют газоразрядные источники света с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа.

Различают:

газосветные лампы - излучение создаётся возбуждёнными атомами, молекулами, рекомбинирующими ионами и электронами;

люминесцентные лампы - источником излучения являются люминофоры, возбуждаемые излучением газового разряда;

электродосветные лампы - излучение создаётся электродами, разогретыми разрядом.

Люминесцентные лампы

Принцип действия: свет в этих лампах возникает за счет преобразования ультрафиолeтoвoгo излучения люминофорным покрытием в видимый cвeт пocлe вoзникнoвeния в ниx газoвoгo pазpяда.

Преимущества: этo эффективный cпocoб пpeoбpазoвания энepгии; в cлeдcтвиe бoльшoй излучающей пoвepxнocти создаваемый люминесцентными лампами cвeт не столь яркий, как у "тoчeчныx" итoчникoв cвeта (лампы накаливания, галoгeнныe и газоразpядныe лампы выcoкoгo давления); по энepгeтичecкoй эффeктивнocти люминecцeнтныe лампы являются идеальными для ocвeщeния бoльшиx oткpытыx пoмeщeний (oфиcы, кoммepчecкиe, пpoмышлeнныe и oбщecтвeнныe здания).

Свет ламп может быть белым, тёплых и холодных цветов, а также цвета, близкого к естественному дневному свечению.

Недостатки: все люминесцентные лампы содержат ртуть (в дозах от 40 до 70 мг), ядовитое вещество. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью.

Срок службы: достигает 15000 часов, что в 10-15 раз больше по сравнению с лампами накаливания.

Лампа дневного света

Одна из разновидностей люминесцентных ламп с голубоватым цветом свечения. Выделяют 2 типа таких ламп -- ЛДЦ (дневного света, с правильной цветопередачей) и ЛД (дневного света).

Лампы ЛД не обеспечивают правильной передачи цвета освещаемых объектов; используются для целей общего освещения, особенно в южных районах.

Лампы ЛДЦ служат для освещения объектов, для которых важно точное воспроизведение цветовых оттенков, преимущественно в синей и голубой областях спектра. Их световая отдача на 10--15% ниже, чем у ламп ЛД. Такие лампы применяют для освещения производственных помещений.

Энергосберегающие лампы

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), благодаря специальной технологии и дизайну, могут быть сравнимы в размерах или равны лампам накаливания. Эти современные лампы имеют все передовые характеристики люминесцентных ламп.

Преимущества: экономия электроэнергии составляет до 80% в зависимости от производителя и конкретной модели; энергосберегающие лампы слабо нагреваются.

Недостатки: высокая стоимость и содержание в них ядовитых веществ.

Срок службы: приблизительно в 5-6 раз дольше, чем ламп накаливания, но может до 20 раз превышать его при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае быстро выходят из строя.

Натриевая лампа

Газоразрядный источник света, в котором излучение оптического диапазона возникает при электрическом разряде в парах Na. Выделяют лампы низкого давления и лампы высокого давления.

Принцип действия: лампа высокого давления изготовляется из светопропускающего поликристаллического состава Al2O3, устойчивого к воздействию электрического разряда в парах Na до температур выше 1200 °С. Внутрь разрядной трубки после удаления воздуха вводят дозированные количества Na, Hg и инертный газ при давлении 2,6--6,5 кн/м2 (20--50 мм рт. ст.). Существуют натриевые лампы высокого давления «с улучшенными экологическими свойствами» -- безртутные.

Натриевые лампы низкого давления (далее - НТЛД) отличаются рядом особенностей, существенно затрудняющих как их производство, так и эксплуатацию. Во-первых, пары натрия при высокой температуре дуги весьма агрессивно воздействуют на стекло колбы, разрушая его. Из-за этого горелки НЛНД обычно выполняются из боросиликатных стёкол. Во-вторых, эффективность НЛНД сильно зависит от температуры окружающей среды. Для обеспечения приемлемого температурного режима горелки последняя помещается во внешнюю стеклянную колбу, играющую роль «термоса».

Преимущества: большой срок службы, применяют для наружного и внутреннего освещения; лампы дают приятный золотисто-белый свет.

Недостатки: включаются в электрическую сеть через пускорегулирующие аппараты; для обеспечения наибольшего выхода резонансного излучения Na разрядные трубки натриевой лампы утепляют, помещая их внутри стеклянного баллона, из которого откачан воздух.

Светодиод

Светодиод -- это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Минимальное потребление энергии обеспечивается за счёт свойств специально выращенного кристалла.

Применение светодиодов: в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло). В больших уличных экранах, в бегущих строках применяется массив (кластер) светодиодов. Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях. Так же используются в качестве подсветки небольших жидкокристаллических экранов (на мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах).

Преимущества:

Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL).

Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

Длительный срок службы. Но и он не бесконечен -- при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это -- достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

Малый угол излучения -- также может быть как достоинством, так и недостатком.

Безопасность -- не требуются высокие напряжения.

Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

Недостаток - высокая цена, но в ближайшие 2-3 года ожидается снижение цен на светодиодную продукцию.

Срок службы: среднее время полной выработки для светодиодов составляет 100000 часов, это в 100 раз больше ресурса лампочки накаливания. С учетом того, что в году 8 760 или 8784 часов, светодиодные лампы могут работать несколько лет.

К газоразрядным лампам высокого давления относятся также металлогалогенные лампы (МГ).

Металлогалогенные лампы(HMI-лампы - Hydrargyrum medium Arc-length Iodide) - это большое семейство газоразрядных ламп переменного тока, в которых световое излучение образуется в результате электрического разряда в плотной атмосфере смеси паров ртути и галогенидов редкоземельных элементов.

В отличие от ламп накаливания, являющихся тепловыми излучателями в полном смысле этого слова, свет в этих лампах генерируется горящей между двумя электродами дугой. Это фактически ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов (диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий (Tm), а также комплексных соединений с цезием (Cs) и галогенидов 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. Этот тип ламп нельзя путать с галогенными. Они абсолютно разные по характеристикам и принципам работы. Галогенный цикл: в баллоне лампы присутствуют пары йодидов металлов. При инициации электрического разряда с разогретых электродов начинает испаряться вольфрам, и его пары вступают в соединение с йодидами, образуя газообразное соединение - йодид вольфрама. Этот газ не оседает на стенках колбы (баллон остается прозрачным в течение всего срока работы лампы). Непосредственно вблизи разогретых электродов газ разлагается на пары вольфрама и йод, т.е. электроды окутаны облаком паров металла, оберегающим электроды от разрушения, а стенки колбы от потемнения. При выключении лампы вольфрам оседает (возвращается) на электроды. Таким образом, галогенный цикл обеспечивает длительную работу лампы без потускнения колбы.

МГ лампы -- это те же ртутные, но с внесенными в колбу ионами редкоземельных элементов, что значительно увеличивает срок службы, улучшает светоотдачу и спектр. Стандартные мощности (как и у натриевых) 70, 150, 250 и 400 ватт.

В целом, светоотдача МГ ламп равна светоотдаче люминесцентных (на один ватт) с тем исключением, что свет получается не рассеянный, а прямой.

Лампы МГ бывают по форме -- от матовых шаров под стандартную резьбу, до двухцокольных трубок под компактные прожекторы. Все эти лампы дают белый свет. Спектр сбалансирован по составу и имеет, как и синюю, так и красную области.

В связи с этим металлогалогенные лампы широко используются в осветительных установках различных коммерческих помещений, выставок, торговых центров, служебных помещений, гостиниц, ресторанов, в установках для подсветки рекламных щитов и витрин, для освещения спортивных сооружений и стадионов, для архитектурной подсветки зданий и сооружений. Например, чтобы получить освещенность сопоставимую с прожектором мощностью 1 кВт достаточно металлогалогенной лампы мощностью 250 Вт.

Последнее достижение в мeталлoгалогенной технологии - мeталлoгалогенная лампа с керамической оболочкой (КМГ), имеющая улучшенные параметры. Лампы КМГ обеспечивают высокий уровень воспроизведения световых характеристик. Благодаря этому эти лампы подходят для зон, в которых цвет имеет особое значение. Лампы включаются в сеть переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 или 380 В с соответствующей пускорегулирующей аппаратурой (ПРА) и импульсным зажигающим устройством (ИЗУ).

Световым прибором или светильником называют устройство, обеспечивающее нормальное функционирование электрической лампы. Светильник выполняет оптические, механические, электрические и защитные функции.

Осветительные приборы ближнего действия называют светильниками, а дальнего действия -- прожекторами.

Основными составляющими светильника являются арматура для установки и крепления, рассеиватель и собственно источник света. Все светильники имеют свои светотехнические характеристики, такие как светораспределение, оцениваемое посредством кривых силы света, световая направленность (отношение потоков света, направленных в верхнюю и нижнюю полусферы), а также коэффициент полезного действия.

Светильники в зависимости от условий среды, для которой они предназначены, по своей конструкции разделяют на следующие: открытые незащищенные, частично пылезащищенные, полностью пылезащищенные, частично и полностью пыленепроницаемые, брызгозащищенные, повышенной надежности против взрыва и взрывонепроницаемые.

По характеру светораспределения светильники делят на классы: прямого, преимущественно прямого, рассеянного, преимущественно отраженного и отраженного света.

По способу установки светильники подразделяют на группы: потолочные, встраиваемые в потолок, подвесные, настенные и напольные (торшеры).

Классификация светильников по назначению Таблица 1

Область применения различных типов выпускаемых светильников приведена в таблице 2. Буквенные обозначения светильников приняты по каталогам светотехнических изделий и номенклатурам заводов-изготовителей, преимущественно для помещений без особых требований к архитектурному оформлению.
Конструкции наиболее распространенных светильников показаны на рисунке 1.

Таблица 2 - Типы светильников и область их применения

Рисунок 1 - Светильники:

а -- «универсаль»;

б -- глубокоизлучатель эмалированный Гэ;

в -- глубокоизлучатель зеркальвый Гк;

г -- широкоизлучатель СО;

д -- пыленепроницаемые ППР и ППД;

е -- пыленепроницаемые ПСХ-75;

ж-- взрывозащищенный ВЗГ;

з -- повышенной надежности против взрыва НЗБ -- Н4Б;

и -- для химически активной среды СХ;

к -- люминесцентные ОД и ОДР (с решеткой);

л -- люминесцентные ЛД и ЛДР;

м -- люминесцентные ПУ;

н -- люминесцентные ПВЛ;

о -- люминесцентные ВЛО;

п--для наружного освещения СПО-200

Светильники «универсаль» (У) выпускают для ламп 200 и 500 Вт. Это основные светильники для нормальных производственных помещений. При малых высотах их применяют с полуматовым затенителем. Для сырых помещений или помещений с активной средой применяют светильники с диском из теплостойкой резины, уплотняющим контактную полость.
Эмалированные глубокоизлучатели Гэ выпускают двух размеров: для ламп до 500 и до 1000 Вт. Применяют, как и «универсаль», во всех нормальных производственных помещениях, но с большей высотой.

Глубокоизлучатели со средней концентрацией светового потока Гс выпускают для ламп 500, 1000, 1500 Вт. Корпус светильника изготовлен из алюминия с отражателем, близким к зеркальному. Применяют для нормальных и сырых помещений и среды с повышенной химической активностью.

Глубокоизлучатели концентрированного светораспределения Гк по конструкции аналогичны светильникам Гс. Их применяют в помещениях при необходимости высокой концентрации светового потока и отсутствии требований к освещению вертикальных поверхностей. В уплотненном исполнении имеют марку ГкУ.

Люцетту цельного молочного стекла (Лц) выпускают для ламп 100 и 200 Вт и применяют для помещений с нормальной средой. Светильники ПУ и СХ применяют для сырых, пыльных и пожароопасных помещений. Область применения взрывозащищенных светильников определяется исполнением, категорией и группой среды: В4А-50, В4А-100, ВЗГ-200, НОБ.
Светильники для местного света (СМО-1, 50 Вт, СМО-2, 100 Вт) укомплектовывают кронштейнами с выключателями и соответствующими шарнирами для поворота светильника. Им аналогичны светильники К-1, К-2, КС-50 и КС-100 -- миниатюрные кососветы.

Светильники для люминесцентных ламп типов ОДР и ОДОР применяют для освещения производственных помещений, а типа АОД -- для административных, лабораторных и других помещений. Светильники поставляют укомплектованными ПРУ-2, с патронами, колодками для стартеров и коммутацией для включения на одну фазу сети 220 В. Завод может поставлять светильники серии ОД сдвоенными, т. е. фактически четырехламповыми и с лампами 80 Вт.

Основными частями каждого светильника являются: корпус, отражатель, рассеиватель, узел крепления, контактное соединение и патрон для крепления лампы (рисунок 2).

Светильники с лампами ДРЛ и люминесцентными получили широкое распространение, так как имеют более высокий КПД, большую световую отдачу и значительный срок службы по сравнению со светильниками и лампами накаливания.

Для зажигания и устойчивого горения газоразрядные лампы включаются с помощью специальной пускорегулирующей аппаратуры (ПРА), стартеров, конденсаторов, разрядников и выпрямителей.

Рисунок 2 - Светильник УПД:

а -- общий вид; б -- вводный узел: 1 -- накидная гайка, 2 -- корпус, 3 -- фарфоровый патрон, 4 -- замок, 5 -- отражатель, б -- контакт заземления, 7-колодка зажимов.