Основные светотехнические понятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова

Кафедра Электроэнергетики

Лекционный комплекс

по дисциплине Основы электрического освещения

для студентов специальности 050718 - Электроэнергетика (специализация Электроснабжение (по отраслям))

Павлодар

Содержание

Введение

1. Основные светотехнические понятия

1.1 Лучистая энергия, лучистый поток, световой поток

1.2 Пространственная и поверхностная плотность светового потока

1.2 Яркость. Световые свойства тел

2. Источники света

2.1 Параметры сравнения источников света

2.2 Лампы накаливания

2.3 Галогенные лампы накаливания

2.4 Люминесцентные лампы низкого давления

2.5 Ртутные лампы высокого давления

2.6 Металлогалогенные лампы

2.7 Натриевые лампы

2.8 Безэлектродные люминесцентные лампы

2.9 Светодиоды

3. Основные методы расчета

3.1 Расчет освещения методом коэффициента использования светового потока

3.4 Приближенный метод расчета по удельной мощности

3.5 Расчет освещенности точечным методом

4. Проектирование электрического освещения

4.1 Выбор источников света

4.2 Выбор норм освещенности

4.3 Выбор типа светильника

4.4 Размещение светильников

Приложение

Введение

Роль светового излучения в жизни и трудовой деятельности людей очень велика. Более 80 % всей информации об окружающем мире человек получает с помощью глаз. Быстрота, легкость и безопасность, с которой человек ориентируется в окружающей среде, выполняет ту или иную работу, зависят от освещения. Кроме естественных источников света большую роль в освещении играют электрические источники: лампы накаливания, газоразрядные лампы низкого и высокого давления, светодиоды. Правильный выбор источников света, обеспечение требуемого уровня освещенности, создание зрительного комфорта приводят к повышению производительности труда, уменьшению травматизма, снижению брака в работе. Большое влияние освещенность оказывает на психическое состояние человека.

В конспекте лекций приведены основные светотехнические понятия, необходимые для оценки количественных и качественных параметров света, даны конструкции и основные характеристики различных источников света, описаны методы расчета общего и местного освещения, изложены вопросы определения норм освещенности, выбора типа и количества светильников.

1. Основные светотехнические понятия

1.1 Лучистая энергия, лучистый поток, световой поток

Все тела, имеющие температуру выше абсолютного нуля, способны излучать в окружающее пространство лучистую энергию, которая распространяется в виде электромагнитных колебаний с различной длиной волны. Частота этих колебаний зависит от длины волны излучения. Под длиной волны излучения понимается расстояние, которое проходит волна за время полного периода колебания:

л = c/f (1),

где л -- длина волны, м;

с -- скорость света, равная 3 * 10 м/с;

f -- частота электромагнитных колебаний, Гц.

Обычно длины волн излучения измеряются в нанометрах: 1 нм=10-9 м=10-6 мм.

Мощностью лучистой энергии или лучистым потоком называется количество энергии, излучаемой в единицу времени. Единицей измерения лучистого потока является 1 Вт. Из всей лучистой энергии, существующей в природе, человеческий глаз воспринимает как световое ощущение только незначительную часть с длинами волн от 380 до 760 нм. За пределами этих длин волн лучистая энергия для человека невидима. Каждой длине волны в пределах 380-760 нм соответствует определенная цветность излучения. Переход одного цвета к другому происходит постепенно.

Часть лучистой энергии, воспринимаемую человеческим глазом как световое ощущение, называют световой энергией, а мощность ее излучения -световым потоком Ф. Световой поток, так же как и лучистый поток, может быть измерен в ваттах. Однако, на практике за единицу измерения светового потока принят люмен (лм).

Примерное представление о величине люмена дает следующий пример: лампа накаливания мощностью 15 Вт напряжением 220 В имеет световой поток в 105 лм.

1.2 Пространственная и поверхностная плотность светового потока

Источники света, которые можно представить в виде светящейся точки, излучают световую энергию равномерно во всех направлениях. Применяемые для освещения помещений светильники распределяют световую энергию в разных направлениях неодинаково, вследствие чего она имеет различную плотность. Пространственная плотность световой энергии называется силой света.

При неравномерном излучении источником света световой энергии сила света I численно определяется как отношение бесконечно малого светового потока d0, равномерно распределенного в пределах бесконечно малого телесного угла dw с вершиной у источника света, к величине этого телесного угла:

I = dФ / dw (2).

При равномерном распределении световой энергии в пределах телесного угла, имеющего конечные размеры, сила света в направлении оси угла определяется по формуле

I = Ф/w (3).

Под телесным или пространственным углом понимается часть пространства, ограниченная конической поверхностью. Величина телесного угла определяется как отношение площади участка сферы S, на которую телесный угол опирается, к квадрату радиуса R сферы

w = S / R2 (4).

Единицей пространственного угла является стерадиан (ср). Величина телесного угла в 1 ср представляет собой телесный угол, который вырезает на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса данной сферы

w = S / R2 = R2 / R2 = 1 ср (5).

За единицу измерения силы света принята кандела (кд), 1 кд представляет силу света точечного источника, излучающего равномерно световую энергию мощностью 1 лм, внутри телесного угла в 1 ср.

Световая энергия, падая на любую поверхность, освещает ее. Для количественной оценки плотности светового потока на освещаемой поверхности пользуются понятием освещенности. В случае неравномерного освещения поверхности освещенность Е определяется выражением

Е = dФ / dS (6),

где dФ -- бесконечно малая величина светового потока, равномерно распределяющегося в пределах бесконечно малого участка dS освещаемой поверхности.

Средняя освещенность при неравномерном распределении светового потока по освещаемой поверхности

Еср = Ф / S (7).

Единица освещенности носит название люкс (лк). Освещенность, равная 1 лк, будет иметь место, если на освещаемую поверхность в 1 м будет падать равномерно распределенная световая энергия мощностью в

1 лк=1лм/1м2 (8).

Освещенность в какой-либо точке освещаемой поверхности может быть определена по силе света, соотношение между освещенностью поверхности и силой света точечного источника может быть определено по рисунке 1.

Пусть сила света источника, находящегося в точке О, в направлении элемента поверхности dS равна Ia. Расстояние между источником света и элементом dS равно l, угол между нормалью к поверхности dS и направлением силы света обозначен a. Величина телесного угла dw согласно (4) определяется выражением

dS * cosadw = l2

где dS * cosa -- площадь участка сферы, на которую телесный угол опирается.

Рисунок 1 Поясняющая схема к определению освещенности

Световой поток, падающий на элемент dS, выразим из соотношения (2)

Освещенность элемента dS при этом будет равна

т.е. освещенность данной точки поверхности, расположенной под углом a к падающему световому потоку, прямо пропорциональна силе света, направленного к ней, и косинусу угла между падающим лучом и нормалью к освещаемой поверхности и обратно пропорциональна квадрату расстояния освещенной точки от источника света.

Если свет падает перпендикулярно освещаемой поверхности, то освещенность можно определить как

Е = I /l2 (11).

1.3 Яркость. Световые свойства тел

Свет от источника, падая на поверхность какого-либо предмета, частично ею отражается. В глаз наблюдателя попадает лишь часть отраженного от поверхности предмета светового потока, которая вызывает зрительное восприятие. Чем большая часть отражаемого светового потока попадает в глаз наблюдателя, тем сильнее будет зрительное ощущение этого предмета. Поверхности предметов, имеющие различные окраски и отражающие свойства, при равной освещенности воспринимаются глазом наблюдателя по-разному. Освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света будет иметь отраженный поток в направлении глаз наблюдателя. Условия видения количественно характеризуются величиной яркости.

Яркостью освещаемой поверхности (L) в каком-либо направлении называется отношение силы света, излучаемой поверхностью в данном направлении, к площади проекции освещаемой поверхности на плоскость, перпендикулярную к тому же направлению.

Рисунок 2 Поясняющая схема к определению яркости поверхности

Если рассматривать освещенную поверхность под углом a, ограниченным нормалью к этой поверхности и линией зрения (рисунок 2), то будет видна часть этой поверхности, т.е. площадь ее проекции на плоскость, перпендикулярную к линии зрения Sa = S * cos a. Для равномерно освещенной поверхности яркость в любом направлении будет равна

(12).

Если лучи от плоской освещаемой поверхности, направленные к глазу человека, перпендикулярны к этой поверхности, то яркость освещаемой поверхности определится выражением

 (13).

Понятие яркости применимо не только к освещаемым поверхностям, но и к источникам света. Единицей измерения яркости служит кд/м2.

Тела, в зависимости от их физических свойств и состояния поверхностей обладают способностью отражать, пропускать и поглощать свет. Для суждения о светотехнических качествах тел служат коэффициенты отражения р, поглощения a и пропускания , которые показывают, какая часть от общей падающей на поверхность световой энергии соответственно отражается, пропускается и поглощается.

Коэффициенты отражения, поглощения и пропускания соответственно равны:

(14)

где Фс, Фа, Фф -- отраженный, поглощенный и пропущенный световые потоки;

Фпад. -- падающий на поверхность световой поток.

Падающий световой поток Фпад. всегда равен сумме трех составляющих потоков:

(14).

а коэффициенты связаны зависимостью

 (16).

Все тела по характеру распределения в пространстве отраженного и пропущенного световых потоков можно разделить на три группы. К первой группе относятся тела с направленным отражением (зеркальные поверхности) или пропусканием (оконное стекло), ко второй группе относятся тела с рассеянным (диффузным) отражением (гипс, мел) или пропусканием (молочное или матовое стекло). К третьей группе относятся тела со смешанным отражением и пропусканием. Зная световые свойства тел, можно выбрать наиболее рациональный материал для изготовления светильников, отделки стен и потолков.

В природе нет ни одного материала, у которого хотя бы один из трех коэффициентов был равен 1. Наибольшее диффузное отражение имеют свежевыпавший снег (1) и химически чистые сернокислый барий и окись магния (0,96). Наиболее зеркальное отражение у чистого полированного серебра (0,92) и у специально обработанного алюминия (0,95).

Величина коэффициента пропускания указывается в справочниках для толщины материала в 1 см. К наиболее прозрачным материалам можно отнести особо чистый кварц и некоторые марки органического стекла, у которых = 0,99 см.

Вещество с коэффициентом поглощения, равным 1, называется «абсолютно черным телом».

2. Источники света

Электрические источники света с самого начала развивались по двум направлениям: «лодыгинскому», в котором использовалось тепловое излучение тел, и «яблочковскому», основанному на использовании для генерации света электрического разряда между двумя электродами. Первое направление привело к созданию тепловых источников света, таких как лампы накаливания общего назначения и галогенные. Ко второму направлению относятся газоразрядные лампы: люминесцентные (в том числе компактные и безэлектродные), дуговые ртутные, металлогалогенные, натриевые, ксеноновые и другие. Именно эти два типа до недавнего времени охватывали все многообразие искусственных источников света - от сверхминиатюрных ламп накаливания мощностью в сотые доли ватта до ксеноновых ламп мощностью 150 кВт.

В последнее время появился третий тип электрических источников света -полупроводниковый, который по прогнозам специалистов через 10-12 лет составит серьезную конкуренцию традиционным источникам. В настоящее время полупроводниковые источники света - светодиоды - нашли широкое применение для световой сигнализации и рекламы.

2.1 Параметры сравнения источников света

Все параметры источников света можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные. Технические параметры подразделяются на электрические, световые и механические.

Основные электрические параметры - номинальное напряжение Uном, номинальная мощность Рном или номинальный ток и род питающего тока. Номинальное напряжение - напряжение, на которое рассчитана лампа или на которое она может включаться с предназначенной для этого специальной аппаратурой. Номинальная мощность - расчетная мощность, потребляемая лампой накаливания при ее включении на номинальное напряжение. Для газоразрядных ламп под номинальной мощностью понимают расчетную мощность, которую потребляет лампа при ее включении со специально предназначенной для этого аппаратурой. Для некоторых ламп вместо номинальной мощности указывается номинальный ток. Для газоразрядных ламп иногда указывается род тока, так как некоторые типы ламп, например, шаровые ксеноновые, могут работать только на постоянном токе.

К световым параметрам относятся номинальный световой поток Фном, световая отдача ш, индекс цветопередачи Rа, коэффициент пульсации освещенности kn.

Фном - световой поток, который создает лампа при ее номинальной мощности. Световая отдача - это отношение светового потока лампы к потребляемой ею мощности, измеряемая в лм/Вт. Световая отдача - это коэффициент полезного действия, выраженный в световых величинах.

Качество цветопередачи при освещении искусственным светом принято оценивать общим индексом цветопередачи R(J. За стандартный источник был принят свет тепловых излучателей, то есть ламп накаливания, их RlJ по соглашению международных организаций равен 100. При освещении газоразрядными лампами цвет предметов в той или иной степени отличается от действительного, который они имеют при солнечном освещении. Чем больше искажение цвета, тем ниже индекс цветопередачи. В мире принята следующая система оценки качества цветопередачи:

Нормируется еще один качественный показатель освещения - коэффициент пульсации освещенности, в %

(17)

где Emax и Emin - максимальное и минимальное значения освещенности за полупериод основной частоты напряжения. Нормами установлено, что kn не должен превышать 1520 %.

К механическим параметрам ламп относятся габаритные и установочные размеры, масса, тип цоколя, рабочее положение ламп (для некоторых типов допустима работа только в одном положении и это указывается в технической документации).

Важнейшим из эксплуатационных параметров ламп является срок службы. Кроме него работу лампы характеризует устойчивость к внешним климатическим факторам (температуре, давлению и влажности окружающего воздуха), к механическим воздействиям и колебаниям напряжения питающей электрической сети.

Различают полный, средний, минимальный и гарантированный срок службы. Полный или физический срок службы - это время от начала эксплуатации источника света до его выхода из строя. Этот параметр в документации не указывается, т.к. является величиной вероятностной. Под средним сроком службы при номинальном напряжении понимают время работы большой группы ламп, в течение которого 50 % от их количества может выйти из строя. Минимальный срок службы - это время работы до выхода из строя первой лампы из группы. Этот параметр указывается редко, только для особо надежных ламп специального назначения. Чаще нормируется гарантированный срок службы - время, в течение которого вероятность отказа ламп не превышает установленного значения. Например, для ламп типа ЛБ8-6 гарантированный срок службы составляет 5000 часов при вероятности безотказной работы лампы в течение этого срока не ниже 0,95.

2.2 Лампы накаливания

Из курса физики известно, что твердое тело при его нагревании выделяет лучистую энергию, количество которой увеличивается с повышением температуры. При низких температурах телом излучаются почти исключительно невидимые инфракрасные волны, длина которых больше, чем у видимых. По мере повышения температуры происходит не только увеличение излучаемой телом лучистой энергии, но и изменение состава спектра. При этом быстро увеличивается видимое излучение, имеющее более короткие длины волн. Тело начинает светиться сначала вишнево-красным, затем красным, оранжевым и, наконец, белым светом. На принципе теплового излучения и основана работа электрических ламп накаливания. При появлении тока в цепи нити накала лампы она нагревается и излучает тем больше света, чем выше ее температура. В связи с этим нити накала изготавливают из тугоплавкого металла - вольфрама с температурой плавления около 3400° С. При номинальном токе нить накала нагревается до 25002700о С. Лампы накаливания имеют низкий коэффициент полезного действия. Только 3 - 7 % потребляемой электрической энергии превращается в световую, около 70 - 80 % преобразуется в энергию невидимых излучений, остальная часть энергии в виде тепла посредством конвекции и теплопроводности передается в окружающую среду. Несмотря на столь низкую экономичность таких ламп, благодаря простоте их конструкции, дешевизне они широко применяются для освещения жилых домов, вспомогательных помещений промышленных и общественных зданий, а также наружного освещения.

Другими важными достоинствами ламп накаливания являются компактность, мгновенное включение, отсутствие пускорегулирующей аппаратуры, практическая независимость параметров от температуры окружающей среды, сплошной спектр излучения.

Устройство современной лампы накаливания показано на рис. 3. Лампы накаливания мощностью до 150 Вт выполняются пустотными (вакуумными). Отсутствие воздуха в колбе лампы предохраняет вольфрамовую нить от окисления и тем самым увеличивает ее срок службы. Кроме того, отсутствие воздуха снижает тепловые потери посредством конвенции.

Рисунок 3 Конструкция осветительной лампы накаливания общего назначения: 1 - колба; 2 - спираль; 3 - крючки; 4 - линза; 5 - штабик; 6 - электроды; 7 - лопатки; 8 - штенгель; 9 - цоколь; 10 - изолятор; 11 - нижний контакт. Материалы: а - вольфрам; б -стекло; в - молибден; г - никель; д - медь, сталь, никель; е - медь; ж - цокольная мастика; з - латунь или сталь; и - свинец, олово

Лампы накаливания большей мощности изготовляются газонаполненными, т.е. после откачки воздуха колба заполняется инертными газами и их смесями. Газовая среда, окружая раскаленную вольфрамовую нить, уменьшает скорость ее испарения, создавая условия для повышения температуры нити накала, а следовательно, увеличения светового потока. Таким образом, температура нити газонаполненных ламп всегда выше, чем у вакуумных ламп с тем же сроком службы. Однако наличие газовой среды в колбе приводит к увеличению тепловых потерь по сравнению с потерями в вакуумной лампе.

Для наполнения ламп используют тяжелые малотеплопроводные газы или их смеси, например аргон с добавкой азота (14-16 %). В последнее время колбы ламп стали заполнять криптоноксеноновой смесью, которая дает возможность еще выше поднять температуру нити, а следовательно, значительно повысить световой поток. Но ввиду трудности получения редких газов криптона и ксенона в больших количествах лампы, заполняемые этими газами, выпускают на сегодняшний день в малых количествах.

Для уменьшения потерь нить накала лампы свертывается в спираль. Более значительное снижение потерь получается при изготовлении нити в виде двойной спирали (биспиральные лампы). Биспиральные лампы мощностью 40, 60 и 100 Вт выпускаются как вакуумные, так и с криптоновым наполнением.

На цоколе лампы или на колбе указываются номинальное напряжение и номинальная мощность. В осветительных сетях применяют лампы напряжением 127 и 220 В, а для местного освещения - 12 В, 36 В. Лампа при ее включении на номинальное напряжение должна излучать нормированный световой поток. Световой поток непосредственно зависит от потребляемой лампой мощности и температуры нити накала. При работе лампы вольфрамовая нить под действием высокой температуры постепенно испаряется и диаметр ее уменьшается. Это приводит к уменьшению потребления лампой мощности и, следовательно, к уменьшению излучаемого ею светового потока. Кроме того, он уменьшается и в результате испарения частиц вольфрама, которые, оседая на внутренние части колбы, делают ее менее прозрачной. Учитывая это, ГОСТ допускает уменьшение светового потока ФЛ на 15 % у ламп, прогоревших 75 % номинального срока службы.

Экономичность лампы характеризуется световой отдачей. Световая отдача ламп накаливания возрастает с увеличением их мощности и тем выше, чем меньше напряжение, на которое лампа рассчитана. Это объясняется тем, что у мощных ламп и у ламп более низкого напряжения диаметр нити накала больше, чем у ламп малой мощности и у ламп с более высоким номинальным напряжением, и поэтому они допускают более высокую температуру нагрева нити, а следовательно, имеют более высокую светоотдачу.

У ламп напряжением 220 В световая отдача изменяется от 7 лм/Вт для лампы мощностью 15 Вт до 18,7 лм/Вт для лампы мощностью 1500 Вт. У ламп с номинальным напряжением 127 В световая отдача на 10-12 % выше, чем у ламп, выполненных на напряжение 220 В.

Срок службы лампы при отсутствии механических воздействий определяется временем разрушения нити накала вследствие испарения вольфрама под действием высокой температуры. Срок службы ламп находят как среднее арифметическое из сроков службы отдельных ламп испытуемой партии. Средний срок службы нормальных ламп составляет 1000 ч горения при условии поддержания неизменного номинального напряжения. При этом в конце срока горения световой поток, излучаемый лампой, должен составлять не менее 85 % первоначального его значения.

Световой поток, световая отдача и срок службы лампы существенно зависят от величины подводимого к ней напряжения. Изменения этих параметров приведены в таблице1.

Таблица 1

Подводимое напряжение в % от номинального	Световой поток в % от номинального значения	Световая отдача в% от номинального значения	Срок службы в % от номинального значения
90	70	80	390
95	84	90	160
98	93	95	105
100	100	100	100
103	111	105	80
105	119	110	60
110	137	125	40

Как следует из таблицы, при снижении напряжения в сети световая отдача и световой поток значительно уменьшаются, в то время как срок службы возрастает. При увеличении напряжения в сети световая отдача возрастает, а срок службы резко снижается. Снижение напряжения у ламп по сравнению с номинальным приводит к тому, что спектр излучения меняется. При этом освещаемые предметы кажутся окрашенными в другие цвета. Например, предметы желтого цвета кажутся белыми, темно-синего - черными и т. д. Это явление наблюдается сильнее при маломощных лампах.

Следует также отметить, что удельное сопротивление вольфрама, как и всех чистых металлов, растет с температурой и при температурах 1400-1800 0С отличается от значений при комнатной температуре в 12 - 20 раз. Это вызывает резкие броски тока при включении, который превышает установившееся значение в 12 - 20 раз. Именно из-за этих бросков тока выход ламп из строя почти всегда происходит в момент включения.

Наша промышленность выпускает также лампы накаливания с зеркальным отражающим слоем (зеркальные лампы), которые отличаются от обычных ламп накаливания формой и конструкцией колбы. У этих ламп поверхность колбы около цоколя покрыта зеркальным слоем из серебра или алюминия, а нижняя часть колбы матовая. Зеркальное покрытие служит хорошим отражателем и благодаря ему в зависимости от величины отражающей части колбы световой поток, излучаемый лампой, может быть направлен по оси лампы в виде узкого (концентрированного) или широкого пучка. Следовательно, зеркальная лампа представляет собой одновременно и источник света и осветительную арматуру. При использовании зеркальных ламп без осветительной арматуры следует предохранять стеклянную колбу лампы от механических повреждений.

Зеркальная лампа широко применяется для освещения высоких производственных помещений при необходимости создания большой освещенности в одном месте, а также для наружного освещения открытых площадок (открытые подстанции, спортивные площадки и т. п.).

В общественных зданиях зеркальные лампы часто используют для освещения больших и парадных помещений (танцевальных, актовых залов, фойе и т. п.), а также для подсветки отдельных архитектурных элементов. Зеркальные лампы, встраиваемые в специально устроенные по периметру помещения карнизы, создают относительно равномерное отраженное освещение.

В маркировке ламп накаливания указываются буквы, обозначающие тип лампы (В - вакуумная со спиральным телом накала, БК - с криптоновым наполнителем и биспиральным телом накала, Б - с аргоновым наполнителем и биспиральным телом накала, МО - для местного освещения). После букв указывается диапазон рабочих напряжений и номинальная мощность.

2.3 Галогенные лампы накаливания

Галогенные лампы впервые появились в США в 1959 году. Для уменьшения испарения вольфрама в них используется вольфрамово-галогенный цикл. Галогены - это соединения элементов седьмой группы таблицы Менделеева, к ним относятся фтор, хлор, бром, йод. В первые годы производства этих ламп использовались только соединения йода, поэтому такие лампы назывались йодными. В настоящее время чаще используют бромистый метан и бромистый метилен. Первоначально галогенная лампа представляла собой цилиндр диаметром 7-12 мм, изготовленный из тугоплавкого кварцевого стекла, наполненный небольшим количеством йода и очищенным инертным газом (аргоном, ксеноном или криптоном). Вольфрамовая нить располагалась на оси цилиндра. Для осуществления вольфрамово-галогенного цикла необходимы два условия: температура нити накала должна быть не ниже 1600o С, а температура стенок колбы - 500-600o С. Первое условие в лампах накаливания выполняется всегда, так как температура нити накала не менее 1700o С. Для выполнения второго условия пришлось значительно уменьшить размеры колбы и выполнить ее из термостойкого материала. При высоких температурах нить накала испаряется и атомы вольфрама оседают на стенках колбы. С ними вступают в реакцию пары йода, образуя газообразное соединение - йодистый вольфрам. Это вещество, прикасаясь к раскаленной нити, разлагается на йод и вольфрам. Йод вновь включается в цикл работы лампы, а вольфрам оседает на нити. Таким образом создается непрерывный цикл, в результате которого происходит очищение стенок колбы от вольфрама и частичное восстановление спирали.

Малые габариты ламп позволяют использовать более тяжелый из инертных газов - ксенон, давление которого в работающей колбе составляет 10-12 атмосфер. Это позволяет повысить температуру нити накала и, тем самым, световую отдачу ламп при одновременном увеличении срока службы. Для сравнения: обычная лампа накаливания мощностью 150 Вт на напряжение 220 В имеет светоотдачу 14 лм/Вт и срок службы 1000 часов, а у аналогичной галогенной лампы эти параметры составляют 19 лм/Вт и 1500 часов.

Необходимо иметь в виду, что большинство линейных галогенных ламп в силу специфики физико-химических процессов может работать только в горизонтальном положении с максимальным углом наклона 4 o . При других положениях верхний конец лампы быстро темнеет и срок службы значительно сокращается.

Кроме линейных в настоящее время выпускаются малогабаритные (компактные) галогенные лампы. Принцип работы их не отличается от линейных. Высокая температура на колбах не позволяет использовать привычные резьбовые цоколи. Линейные лампы имеют специальные торцевые цоколи, выдерживающие большие температуры. В малогабаритных лампах в качестве цоколя используется сама колба с жестко фиксированными выводами из вольфрамовой проволоки.

Линейные лампы маркируются буквами КГ или КИ (кварцевые галогенные или йодные) и цифрами, обозначающими номинальную мощность и номинальное напряжение. Они выпускаются на напряжение 110, 127, 220 В, мощность их лежит в диапазоне от 100 до 20000 Вт. Линейные галогенные лампы, в основном, применяются для освещения открытых пространств, фасадов зданий, рекламных щитов.

В последнее время широко используются галогенные лампы с зеркальными отражателями различной формы. Отражатель в таких лампах жестко соединен с колбой специальной высокотемпературной мастикой.

Малогабаритные галогенные лампы обозначаются буквами КГМ или КГМН (кварцевая галогенная малогабаритная) и АКГ (автомобильная кварцевая галогенная). Малогабаритные галогенные лампы с отражателями или в светильниках используются для освещения музейных или выставочных экспонатов, торговых витрин, в настольных светильниках и т.п. Малогабаритные лампы выполняются на низкие напряжения от 6 до 36 В, мощностью от 3 до 200 В.

Галогенные лампы накаливания значительно дороже аналогичных ламп накаливания обычного исполнения, так как в них используются более дорогие материалы, а технология их изготовления сложнее.

2.4 Люминесцентные лампы низкого давления

Низкая экономичность ламп накаливания явилась причиной создания более экономичных источников света, основанных на электрическом разряде в газах и парах металлов.

Рассмотрим физическую сущность процесса электрического разряда. Если запаянную с обеих концов стеклянную трубку наполнить инертным газом или небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например ртутью, и по концам трубки расположить электроды, приложив к ним разность потенциалов, то электрическое поле, возникающее между электродами, начнет воздействовать на свободные электроны и ионы, всегда присутствующие в газе. В результате этого воздействия возникает перемещение электронов к аноду, а ионов - к катоду, т.е. появляется электрический ток.

По мере увеличения напряжения на электродах скорость перемещения частиц увеличивается, электроны получают достаточную кинетическую энергию для ионизации встречающихся на их пути атомов газа. В результате ионизации появляются новые электроны и ионы, поэтому сила тока в трубке увеличивается.

Вследствие относительно малой скорости переноса ионы группируются у катода, образуя объемный положительный заряд, в то время как более подвижные электроны быстро переносятся к аноду. В результате вдоль трубки возникает неравномерное распределение потенциала. Это приводит к тому, что ионы получают значительное ускорение и ударом о катод освобождают с его поверхности новые электроны, которые в свою очередь становятся источниками ионизации. Таким образом, устанавливается не зависящий от внешних ионизаторов процесс, сопровождающийся свечением. Такой разряд называется тлеющим, а напряжение, которое необходимо приложить к лампе для возникновения тлеющего разряда, принято называть напряжением зажигания.

Тлеющий разряд наблюдается при малых плотностях тока (10-5 -10-1 А/см) и низких давлениях газа. При дальнейшем увеличении тока в цепи лампы процесс бомбардировки катода ионами усиливается, при этом катод накаляется и возникает термоэлектронная эмиссия.

Для того, чтобы появился дуговой разряд, необходимо приложить к трубке повышенное напряжение.

Во время горения дуги напряжение резко снижается, а ток будет возрастать. Вольт-амперная характеристика дугового разряда в газах приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Вольт-амперная характеристика дугового разряда

В люминесцентных лампах преобразование электрической энергии в световые излучения имеет две фазы. Электрический разряд в парах ртути, наполняющий колбу люминесцентной лампы, сопровождается излучением, которое называется электролюминесценцией. Возникающая при этом лучистая энергия, воздействуя на люминофор, нанесенный на стенки колбы лампы, преобразуется в световое излучение (фотолюминесценция). В современной люминесцентной лампе приблизительно 63,5 % потребляемой энергии превращается в лучистую энергию ультрафиолетового сектора, 34,5 % энергии преобразуется в тепловую и лишь 2 % энергии непосредственно превращается в световую. В результате фотолюминесценции ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое. С учетом этого вторичного преобразования на долю видимых излучений приходится около 20-21 % энергии, подводимого к лампе.

Впервые люминисцентные лампы в были разработаны в 1938 году коллективом сотрудников Физического института АН СССР и Всесоюзного электротехнического института под руководством С.И.Вавилова и В.А. Фабриканта. Люминесцентная лампа низкого давления представляет собой цилиндрическую стеклянную трубку, на концах которой в цоколях смонтированы вольфрамовые биспиральные электроды. На внутреннюю поверхность по всей ее длине нанесен тонкий слой твердого кристаллического порошкообразного вещества-люминофора. Длина и диаметр трубки определяется мощностью лампы и напряжением, на которое она рассчитана (рисунок 5).

После откачки воздуха до 11,5 Па (6-10-31-10-2 мм рт.ст.) внутрь колбы вводится капля (20-30 мг) ртути, которая испаряется при работе лампы, и небольшое количество чистого газа - аргона, служащего для уменьшения процесса испарения вольфрамовых электродов и облегчения зажигания лампы.

Основным материалом, из которого выполняется люминофор при производстве люминесцентных ламп низкого давления является галофосфат кальция, дозированный марганцем и сурьмой.

Изменяя пропорции входящих в люминофор компонентов, можно получить люминесцентные лампы с различной цветностью излучения светового потока.

Рисунок 5 Внешний вид и разрез люминесцентной лампы: 1 - колба; 2 - цоколь; 3 - контактные штырьки цоколя; 4 - электрод; 5 - слой люминофора; 6 - ртутные пары

Промышленностью для нужд освещения выпускаются пять типов люминесцентных ламп, которые отличаются друг от друга цветностью излучения светового потока. К ним относятся лампы дневного света (ЛД), лампы дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ), лампы белого света (ЛБ), лампы теплобелого света (ЛТБ) и лампы холодно-белого света (ЛХБ).

Лампы ЛД и ЛДЦ при горении приобретают сине-голубую окраску и излучают свет, близкий к свету дневного облачного неба. Они с достаточной точностью воспроизводят цвета освещаемых ими предметов. Их следует применять в случаях, когда при искусственном освещении требуется точное различение цветов и оттенков, например в помещениях, где производится окраска или отбраковка по цвету продукции и материалов, в картинных галереях, магазинах готового платья, тканей и т. п.

Лампы ЛБ при горении приобретают белую окраску и излучают световой поток, состав которого приближается к составу светового потока ламп накаливания. Они не обеспечивают точной цветопередачи, но они более экономичны, чем лампы ЛД (имеют более высокую световую отдачу). Лампы ЛБ устанавливают там, где не требуется точное различение цветов, например административных, учебных, лечебных, конструкторских помещениях, в металлообрабатывающих цехах и т. п.

Лампы ЛХБ по спектральному составу занимают промежуточное положение между лампами ЛД и ЛБ. Они наравне с лампами ЛД могут применяться в некоторых случаях для освещения помещений, в которых требуется различие цветовых оттенков.

Лампы ЛТБ при горении приобретают розовую окраску и излучают белый свет с розовым оттенком. Они придают освещенным помещениям вид парадности и уюта. Поэтому их следует применять для освещения, например, отдельных помещений дворцов культуры, танцевальных залов и т. п.

Для достижения наибольшей эффективности разряда необходимо поддерживать определенную температуру колбы. Диаметр колбы выбирается именно из этого требования. Во всех люминесцентных лампах обеспечивается примерно одинаковая плотность тока. Падение напряжения на лампе прямо пропорционально ее длине, поэтому лампы разной мощности, выполненные в колбах одного диаметра, имеют разную длину.

Большая длина люминесцентных ламп являлась их недостатком. Простое уменьшение длины и достижение нужных мощностей за счет увеличения тока разряда нерационально, так как при этом увеличивается температура, что приводит к увеличению давления паров ртути и снижению световой отдачи ламп. Поэтому создатели ламп пытались уменьшить их габариты за счет изменения формы. Выпускались изогнутые V-образные и W-образные лампы, а также кольцевые.

В середине 90-х годов на мировом рынке появилось новое поколение люминесцентных ламп - компактные люминесцентные лампы. Колбы стали делать из стеклянных трубок с наружным диаметром 12 мм и многократно изгибать их, сокращая тем самым габариты лампы. В конструкцию ламп внесено очень важное изменение - люминофор с внутренней стороны покрыт тонкой защитной пленкой, прозрачной для ультрафиолетового и видимого светового излучения. Пленка защищает люминофор от попадания на него части ртути, активирующего покрытия и вольфрама с электродов, благодаря чему обеспечивается высокая стабильность светового потока в течение всего срока службы.

Таким образом, все люминесцентные лампы можно разделить на две большие группы: линейные и компактные. Продолжается выпуск линейных ламп мощностью 20, 40, 65 и 80 Вт в колбах диаметром 38 мм. За рубежом выпускаются лампы мощностью от 4 до 80 Вт в колбах диаметром 38, 26 и 16 мм.

Компактные люминесцентные лампы в свою очередь делятся на две группы: с внешним аппаратом включения и со встроенным.

Лампы первой группы изготавливаются мощностью от 5 до 55 Вт. Цилиндрическая колба лампы может быть изогнута один, два, три и даже четыре раза. Цоколи у всех ламп этой группы специальные с двумя или четырьмя внешними штырьками. Каждый типономинал лампы имеет свой особый цоколь, исключающий возможность включения лампы какой-либо одной мощности в арматуру, предназначенную для ламп другой мощности.

Компактные лампы второй группы стали выпускаться в 1986 году фирмами Philips, Osram, General Electric. Такие лампы имеют обычный цоколь, размерами и формой напоминают привычные лампы накаливания, их масса составляет не более 100 граммов.

Компактные люминесцентные лампы обладают целым рядом преимуществ перед лампами накаливания: световая отдача примерно в 5 раз выше, срок службы в 8-10 раз больше. Единственным недостатком таких ламп является высокая стоимость.

Люминесцентные лампы характеризуются следующими электрическими и световыми характеристиками и эксплуатационными особенностями.

Мощность ламп. Отечественной промышленностью выпускаются люминесцентные лампы мощностью 15, 20, 30, 40, 65 и 80 Вт.

Световая отдача. Световая отдача люминесцентных ламп в несколько раз выше, чем у ламп накаливания, и находится в пределах 44-70 лм/Вт. Отсюда следует, что при равной освещенности затрачиваемая мощность на освещение люминесцентными лампами будет меньше, чем при лампах накаливания.

Продолжительность горения. Средний гарантированный срок службы люминесцентных ламп составляет 10000 ч, минимальный срок службы - не менее 4000 ч. Срок службы лампы в основном определяется временем расходования оксидного покрытия электродов. Усиленному расходу оксидного покрытия способствует частота включений люминесцентной лампы, так как чем реже включается лампа, тем меньше изнашивается оксидный слой электродов. Пониженное напряжение в сети или пониженная температура также сокращают срок службы, так как в этих случаях резко ухудшаются условия зажигания лампы, что приводит к усиленному распылению оксидного покрытия электродов.

Влияние колебания напряжения. При небольших изменениях напряжения, на которое включается лампа по сравнению с номинальным значением в пределах ±1% приводит соответственно к повышению или понижению светового потока также на 1 %. При больших отклонениях напряжения от номинального (10-15 %) лампы могут вообще не зажигаться, либо их зажигание может сопровождаться длительным миганием. Повышение напряжения приводит к увеличению давления паров ртути в лампе, вследствие чего снижается эффективность ее работы.

Влияние температуры окружающей среды. Колебания температуры окружающей среды сильно влияют на нормальную работу люминесцентной лампы. Наивыгоднейшей температурой или, как говорят, оптимальной температурой среды, при которой лампа излучает наибольший световой поток, является температура в пределах 2025 °С. При отклонении температуры окружающей среды в обе стороны от оптимальной температуры световой поток значительно снижается. При температурах наружной среды близких к 0 °С в лампе сильно затрудняется образование разряда или он совсем не возникает. Поэтому люминесцентные лампы в большинстве случаев используют для освещения нормально отапливаемых помещений с температурой от 20 до 25 °С. При работе люминесцентных ламп при более низких температурах окружающей среды (уличное освещение) их помещают в специальные герметические прозрачные колпаки, в которых создают необходимые температурные условия, либо для их нормальной работы применяют специальные схемы зажигания.

Пульсация светового потока. Световой поток люминесцентной лампы вследствие безынерционности разряда, как и ток, изменяется от максимального значения до нуля и обратно 100 раз в секунду при частоте переменного тока 50 Гц. Однако благодаря тому, что применяемые люминофоры обладают способностью после прекращения их облучения ультрафиолетовыми лучами (ток проходит через 0) еще некоторое время излучать видимый свет (инерция свечения), световой поток лампы не падает до нуля, а принимает некоторую минимальную величину.

Коэффициент пульсации у люминесцентных ламп. типа ЛБ составляет 35%, а у ламп типа ЛДЦ - 55%. Для сравнения у ламп накаливания благодаря большой тепловой инерции нити накала коэффициент пульсации составляет всего лишь 5 - 10 %. В результате пульсации (колебаний) освещенности во времени от его среднего значения возникает стробоскопический эффект. Сущность этого явления заключается в том, что при определенных скоростях вращения механизма можно получить искаженное зрительное восприятие. Так например, вращающееся колесо может казаться неподвижным или вращающимся в обратную сторону. Движущийся предмет может быть воспринят как мелькание многократных движущихся контуров этого предмета. Такой обман зрения особенно в цехах с вращающимися деталями станков может привести к серьезным травмам и авариям. Колебания освещенности также вызывают утомление зрения, вследствие чего уменьшается работоспособность. Для снижения коэффициента пульсации применяют несколько способов. Наиболее распространенным является включение ламп в разные фазы трехфазной сети, что снижает коэффициент пульсации до 6 %. Также существенное снижение коэффициента пульсации можно получить, применяя специальные двухламповые схемы с искусственным сдвигом фаз, которые называют антистробоскопическими.

Для зажигания люминесцентной лампы и ее нормальной работы нужна дополнительная аппаратура, которая называется пускорегулирующими аппаратами (ПРА). Существует несколько способов зажигания ЛЛ. Рассмотрим импульсное (стартерное) зажигание. Для зажигания люминесцентной лампы и ее нормальной работы требуются: стартер, дроссель, конденсаторы (рисунок 7).

Стартер служит для автоматического включения и выключения предварительного накала электродов и представляет собой тепловое реле, помещенное в стеклянный баллон, наполненный инертным газом, чаще всего неоном (рисунок 6).

Реле имеет два электрода, один из которых биметаллический, а другой металлический. Между электродами имеется зазор величиной 2-3 мм. Величина зазора, устанавливаемая заводом-изготовителем, зависит от напряжения сети, при этом напряжение зажигания неоновой лампы должно быть меньше напряжения сети и меньше напряжения зажигания люминесцентной лампы с холодными электродами.

Дроссель представляет собой обмотку, намотанную на сердечник из листовой электротехнической стали. Он облегчает зажигание лампы, а также ограничивает ток и обеспечивает устойчивую работу лампы. На рисунке 7 приведена схема включения люминесцентной лампы в сеть 220 или 127 В. Конденсатор С1 служит для повышения коэффициента мощности (в результате наличия в цепи лампы дросселя cosц = 0,6) до 0,95, а конденсатор С2 служит для устранения радиопомех, вызываемых работой лампы.

Рисунок 6 Схематическое устройство стартера: 1 - выводы; 2 - металлический электрод; 3 -стеклянный баллон; 4 - биметаллический электрод; 5 - цоколь; 6 - газ неон



Рисунок 7 Схема включения люминесцентной лампы в электрическую сеть: 1 - лампа; 2 - стартер; 3 - дроссель; С1 и С2 - конденсаторы

Рассмотрим физическую основу работы люминесцентной лампы и процесс ее зажигания при включении в электрическую сеть. Газ аргон, находящийся в трубке, является хорошим изолятором, поскольку атомы и молекулы газа в обычных условиях представляют собой нейтральные незаряженные частицы.

Для прохождения электрического тока через газ необходимо создать в нем искусственную электрическую проводимость, которая достигается ионизацией. При включении лампы в электрическую сеть процесс ионизации газа происходит за счет свободных электронов, испускаемых электродами, нагретыми до 800° С (термоэлектрическая эмиссия). Для увеличения выхода электронов из электродов вольфрамовые спирали покрываются тонким слоем окислов щелочноземельных металлов (бария, стронция, кальция).

Электроны, вылетая из электродов, при своем движении бомбардируют нейтральные атомы газа и превращают их в частицы, обладающие электрическим зарядом. Процесс ионизации газа непрерывно возрастает, а следовательно, возрастает его электрическая проводимость. Наконец, наступает момент, когда в лампе возникает электрический разряд сначала в атмосфере разряженного аргона, а затем в парах ртути, вызывая сильное ультрафиолетовое излучение. Падая на порошкообразный светочувствительный слой люминофора, покрывающий всю внутреннюю поверхность трубки, ультрафиолетовое излучение преобразуется в видимое световое излучение, проникающее через стеклянные стенки трубки в окружающее пространство.

Рассмотрим, как протекает процесс зажигания лампы. При стартерном методе (рисунок 7) в момент включения лампы в электрическую сеть электроды лампы и стартера оказываются под полным напряжением сети. Однако это напряжение сети недостаточно для зажигания лампы и к тому же в момент включения ее электроды не могут быть нагреты, поскольку цепь разомкнута. Но подведенное к зазору между электродами стартера напряжение сети достаточно, чтобы вызвать в нем разряд. Под действием тлеющего разряда биметаллическая пластинка нагревается и, изгибаясь, приходит в соприкосновение с другим электродом стартера. Цепь стартера замыкается и начинается процесс нагрева электродов лампы.

В результате нагрева электродов возникает термоэлектронная эмиссия, которая создает условия для зажигания лампы. Между тем разряд в стартере прекращается и биметаллическая пластинка остывает, выпрямляется и затем размыкает электрическую цепь. Благодаря наличию в цепи дросселя с большой индуктивностью в момент размыкания возникает импульс повышенного напряжения, который вызывает мощный дуговой разряд и зажигание лампы. При этом напряжение на лампе становится меньше, чем напряжение сети. Стартер, включенный параллельно лампе, оказывается под тем же уменьшенным напряжением, которое недостаточно, чтобы вызвать в нем новый разряд. Поэтому во время нормальной работы лампы стартер бездействует. Если лампа по каким-либо причинам не зажглась, стартер снова оказывается под полным напряжением сети, и процесс зажигания повторяется.

Стартерная схема зажигания весьма проста и дешева и поэтому она получила наибольшее распространение. Вместе с тем стартерная схема имеет ряд недостатков, заключающихся в частых повреждениях стартеров, снижающих надежность работы схемы, а также в мигании лампы с ростом срока службы стартера.

Многие недостатки люминесцентных ламп устраняются при использовании электронных высокочастотных аппаратов включения, которые в последнее время находят все большее применение. На рис.8 изображена упрощенная блок-схема электронного ПРА. Аппарат состоит из выпрямителя 1 и преобразователя выпрямленного напряжения в высокочастотное переменное 2. Напряжение с выхода преобразователя через усилитель 3 подается на лампу 4, включенную последовательно с дросселем 5.

Рисунок 8 Блок-схема электронного пускорегулирующего аппарата

Так как частота напряжения составляет 20-40 кГц, то размеры и масса дросселя значительно меньше тех, что применяются в стартерных схемах зажигания. Параллельно лампе включается конденсатор 6, емкость которого подбирается таким образом, чтобы на частоте напряжения, подаваемого на лампу индуктивное сопротивление дросселя и емкостное сопротивление конденсатора были равны по величине При таком соотношении сопротивлений возникает резонанс напряжений. Поэтому при включении аппарата через электроды лампы протекает ток, достаточный для разогрева их до необходимой температуры, а на конденсаторе создается напряжение, достаточное для возникновения дугового разряда в лампе с подогретыми электродами. После того, как лампа зажглась, напряжение на ней падает до напряжения горения, а частота напряжения на выходе преобразователя автоматически изменяется так, чтобы через лампу протекал ток заданной величины. Блок управления 7 выполняет несколько функций: стабилизацию тока лампы при колебаниях сетевого напряжения, компенсацию реактивной мощности и регулирование светового потока ламп за счет изменения частоты напряжения на выходе преобразователя.

Применение высокочастотных аппаратов включения дает следующие положительные результаты:

1) из-за особенностей высокочастотного разряда увеличивается световая отдача ламп;

2) коэффициент пульсаций светового потока с частотой 100 Гц уменьшается до 5 %;

исключаются звуковые помехи, создаваемые дросселями;

исключается мигание ламп при включении;

повышается срок службы ламп (до полутора раз);

появляется возможность регулирования светового потока ламп;

7) электронные ПРА значительно легче аппаратных, что позволяет применять их в компактных люминесцентных лампах.

Применение электронных ПРА с автоматическим поддержанием уровня освещенности в зависимости от уровня естественной освещенности и наличия людей в помещении позволяет экономить до 70 % электроэнергии, расходуемой на освещение.

2.5 Ртутные лампы высокого давления

Люминесцентные лампы - это лампы низкого давления. Спектр излучения у них линейчатый с преобладанием ультрафиолетовых лучей. При повышении давления внутри трубки происходит перераспределение энергии, а именно: доля ультрафиолетового излучения уменьшается, излучение в видимой части спектра - увеличивается. При давлении паров ртути около 1000 мм рт.ст. видимое излучение возрастает настолько, что световая отдача достигает 2025 лм/Вт, то есть становится больше, чем у ламп накаливания. Однако все оно сосредоточено в фиолетово-зеленой части спектра. Ультрафиолетовое излучение составляет при этом около 40 % подводимой энергии. С помощью фотолюминесценции его можно было бы преобразовать в видимое излучение. Проблема заключалась в отсутствии люминофоров, эффективно работающих при температуре 500600 С, а именно до такой величины нагреваются стенки колбы ртутных ламп высокого давления. Выход был найден в том, что малогабаритную разрядную трубку поместили внутри большей по размеру стеклянной трубки, на внутреннюю поверхность которой и стали наносить люминофор, излучающий преимущественно в красной области спектра. Устройство дуговой ртутной лампы (ДРЛ) показано на рисунке 9.