Характеристика и особенности световых приборов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Устройство, содержащее в своей конструкции лампу (источник света) и светотехническую арматуру и используемое для освещения или световой сигнализации, называется световым прибором. Основным назначением светотехнической арматуры является перераспределение света лампы в пространстве. Кроме этого световая арматура способна преобразовывать свойства света лампы (поляризовать его или изменять спектральный состав). Не менее важны такие функции световой арматуры как крепление лампы и подведение к ней питания от источника энергии, защита лампы от механических повреждений и от воздействий окружающей среды [1].

Классификация СП осуществляется по главным и дополнительным признакам [3]. Главным признаком классификации световых приборов является основная светотехническая функция, перераспределения света, условия и назначения эксплуатации. Все СП для открытых пространств по характеру светораспределения подразделяются на светильники, прожекторы.

Рис. 1. Классификация СП по дополнительным признакам

Светильником называют световой прибор, перераспределяющий свет лампы внутри значительных телесных углов. Светильники создают не большую концентрацию светового потока в определенном направлении либо вовсе не концентрируют его. Проще говоря, светильники предназначены для освещения близко или относительно близко расположенных объектов.

Конструкция светильника допускает установку двух или более ламп. В состав светотехнической арматуры светильников с газоразрядными лампами или светодиодами могут входить устройства для их зажигания, стабилизации работы или просто питания.

Световой прибор, который перераспределяют свет лампы внутри малых телесных углов называют прожектором.

Световой поток прожектора собирается в узкий луч направленный строго в определенном направлении. Поэтому назначение прожектора, это освещение удаленных или значительно удаленных объектов. Расстояние до объекта, освещаемого прожектором, может достигать в несколько тысяч раз больше размеров самого прожектора.

Прожекторы общего назначения предназначаются для длительного освещения рабочих поверхностей и используются для освещения открытых пространств, фасадов зданий, архитектурных памятников и др.; эту группу прожекторов часто называют прожекторы заливающего света.

Дополнительными признаками при классификации СП (рис. 1.2) [3] являются:

· вид ИС;

· конкретная светотехническая функция (рис. 1.3);

· форма фотометрического тела (симметричные, осесимметричные и несимметричные СП);

· класс светораспределения;

· тип кривой силы света (КСС);

· возможность перемещения при эксплуатации (стационарные, переносные и передвижные);

· способ установки СП;

· класс защиты от поражения электрическим током;

· исполнение для работы в определенных условиях эксплуатации;

· степень защиты от пыли и воды;

· способ питания лампы (сетевые, с индивидуальным источником питания, комбинированного питания);

· возможность изменения положения оптической системы (подвижные, неподвижные);

· возможность изменения светотехнических характеристик (регулируемые, нерегулируемые);

· способ охлаждения (с естественным или принудительным охлаждением).

Рис. 2. Классификация светильников и прожекторов в зависимости от конкретной светотехнической функции

Основными характеристиками ИС для наружного освещения являются: тип; мощность; световой поток; световая отдача; спад светового потока во времени; цветопередача; срок службы; габаритные размеры; размер светящего тела; тип цоколя; время разгорания и перезажигания; диапазон рабочих температур.

Для наружного освещения важное значение имеет единичная мощность, так как в основном светильник находится на большом расстоянии от освещаемой поверхности и для обеспечения нужного уровня яркости или освещенности необходим большой световой поток. Естественно, что при этом из соображений экономичности ИС должен обладать также высокой световой отдачей и длительным сроком службы [3].

Очень важно, при какой температуре работает ИС. Для объектов, где недопустимо длительное отсутствие освещения, например в производственных помещениях, отсутствие освещения в которых может привести к травме, необходимо использовать ИС с быстрым зажиганием и перезажиганием или предусматривать устройства бесперебойного электрического питания.

Цветопередача в условиях утилитарного наружного освещения менее важна, чем для внутреннего освещения, однако для освещения пешеходных зон, архитектурного, декоративного и ландшафтного освещения требования к цветопередаче повышаются.

Анализ показывает, что в наружном освещении наибольшее применение получили ИС со световым потоком от 5,0 до 10,0 клм (их доля составляет 41 %), доля ИС с потоком от 2,5 до 5,0 клм равна 27 %, с потоком от 10,0 до 20,0 клм -- 9 %, а на лампы со световым потоком больше 20,0 клм приходится всего 3 %. Эти данные соответствуют высококачественным ОУ, полностью отвечающим условиям обеспечения необходимого уровня видимости для водителей механизированного транспорта и пешеходов. К сожалению, в ряде случаев потребность не только определяется нормами и качеством освещения, но и ограничивается финансовыми возможностями потребителя [3].

Для освещения скверов, парков и бульваров, а также пешеходных зон наиболее подходящими ИС являются МГЛ, СД. Лампы ДРЛ неплохо передают цвет зелени, однако искажают цвет человеческого лица, поэтому нежелательно использовать их для пешеходных зон.

Во многих странах в наружном освещении широко применяются натриевые лампы низкого давления, однако в нашей стране они распространения не получили. По-видимому, используют их там, где они были освоены давно, еще до появления НЛВД, и население успело адаптироваться к их специфической цветопередаче при высоких экономических характеристиках. Во многих странах эти ИС используются также для выделения цветом перекрестков.

Не применяются в России для наружного освещения и традиционные ЛЛ. Объясняется это тем, что большая часть Российской Федерации расположена в холодной климатической зоне, а эти ИС, за редким исключением, плохо работают при отрицательных температурах. При этом большая длина ламп приводит к увеличению материалоемкости светильников и усложняет их уплотнение [3].

В последние годы в наружном освещении намечается использование различных типов КЛЛ, так как некоторые из них, имея хорошую цветопередачу при высокой световой отдаче, вполне удовлетворительно работают при температуре ниже нуля. В связи с тем что эти лампы имеют малую мощность, они применяются в основном для декоративного освещения -- в парках, скверах, а также для освещения дворов.

Основные параметры светильников наружного освещения. Светотехнические требования. Основным требованием к светильникам наружного освещения является обеспечение нормируемого уровня яркости дорожного покрытия при необходимой равномерности ее распределения и при ограничении слепящего действия по СП 52.13330.2011 [2].

Определение эффективных (оптимальных) КСС светильников утилитарного наружного освещения связано с решением системы уравнений, составленных исходя из условий заданного фиксированного пространственного размещения ОП относительно освещаемой поверхности и их совокупного действия. Критерий эффективности КСС -- наилучшее обеспечение количественных (уровень средней яркости дорожного покрытия) и качественных (равномерность распределения яркости и ограничение слепящего действия) показателей ОУ при минимальных затратах электроэнергии [3].

Для каждого заданного взаимного расположения светильников при условии их совместной работы может быть определена эффективная КСС, при этом ее характер в значительной степени зависит от того, какой количественный критерий (яркость или освещенность дорожного покрытия) принят за основу формирования светораспределения. Такие КСС были рассчитаны и постоянно уточняются в связи с развитием вычислительной техники и изменением характеристик дорожных покрытий.

В основном для светильников наружного освещения используются широкие и полуширокие КСС в вертикальной плоскости. При этом направление максимума силы света лежит в диапазоне углов а = = 45 ^70°. Как известно, именно силы света под углами от 70 до 90° наиболее сильно влияют на формирование яркости дорожного покрытия, но они же и в наибольшей степени приводят к слепящему действию. В соответствии с этим верхняя часть КСС формируется исходя из условия ограничения силы света до регламентируемого уровня.

В международной классификации по этому признаку различаются КСС ограниченные, полуограниченные и неограниченные. В России в утилитарном наружном освещении в основном применяются светильники с полуограниченной КСС. Значения сил света в зоне углов от вертикали а, равных 80° и 90° [3].

Следует отметить, что практически все светильники для утилитарного наружного освещения имеют ограниченные или полуограниченные КСС (преобладание того или иного типа обычно традиционно для каждой страны). При этом применение светильников с ограниченной КСС полностью исключает их слепящее действие, но создать с их помощью равномерную яркость дорожного покрытия сложнее, так как они не обеспечивают световой поток в самых ценных верхних зонах КСС. Соответственно и создание нужного уровня яркости в таких установках обходится дороже.

Для обеспечения равномерного распределения яркости дорожного покрытия необходимо иметь определенную форму КСС не только в вертикальной, но и в горизонтальной плоскости. Форма КСС в этой плоскости зависит от ширины проезжей части. В отечественной нормативной документации предусматривается четыре типа КСС в горизонтальной плоскости: круглосимметричная, боковая, осевая и четырехсторонняя [3].

В проектной практике эффективность и экономичность светильников наружного утилитарного освещения оцениваются коэффициентами использования светового потока относительно рабочей поверхности по освещенности и_Е и яркости u_L.

Для удовлетворения вышеприведенных светотехнических требований в светильниках наружного освещения применяются различные оптические системы: зеркальные, призматические и зеркально-призматические.

Осветительные приборы функционально-декоративного назначения более разнообразны по сравнению с утилитарными как по внешнему виду, так и по своим светотехническим и эстетическим характеристикам. Поскольку эти приборы используются в основном в установках, для которых нормируется горизонтальная освещенность, то можно считать, что наиболее эффективными будут светильники с высоким коэффициентом использования по освещенности. Действительно, как показывают расчеты, удельная установленная мощность установки со светильниками с полуширокой КСС в 3,5 раза ниже по сравнению с удельной мощностью установки со светильниками с равномерной КСС и в 4--5 раз ниже по сравнению с удельной мощностью установки со светильниками с синусной КСС при значительно лучшей равномерности распределения освещенности. Очевидно, что установка, оборудованная светильниками с полуширокой КСС, будет более экономичной, так как в этом случае значительно сокращаются как капитальные, так и текущие затраты, при этом с увеличением светового потока используемого ИС экономический эффект растет [3].

Применение функционально-декоративных светильников не ограничивается освещением дорожного покрытия. Освещаемые объекты можно разделить на три основные группы: фасады зданий, архитектурные сооружения; лица и одежда пешеходов; зеленые насаждения.

Светильники функционально-декоративного освещения должны, с одной стороны, в большей степени, чем любые другие осветительные приборы, отвечать требованиям эстетики, а с другой -- быть по возможности эффективными и экономичными. В некоторых случаях требования к светильникам могут противоречить одно другому. Так, для освещения вертикальных поверхностей и кустарников наилучший эффект дает применение синусной и равномерной КСС. Для подсветки крон высоких деревьев можно использовать приборы отраженного света с косинусной КСС. световой прибор светильник

Электротехнические требования к светильникам. Большинство светильников изготавливается с классом защиты I. Светильники, устанавливаемые непосредственно на грунт (парковые светильники), должны иметь класс защиты II [3].

Климатические требования. Конструктивные требования к ОП определяют их климатическое исполнение и категорию размещения по ГОСТ 15150--69. Основное отличие светильников наружного освещения от всех остальных заключается в том, что все они предназначены для использования на открытом воздухе, т.е. имеют категорию размещения 1 по ГОСТ 15150--69 [3].

Климатическое исполнение ОП целиком зависит от региона, в котором предполагается их использование.

Наиболее распространено климатическое исполнение для умеренного климата У, а для более холодных районов -- УХЛ и ХЛ. Встречается исполнение для сухого и влажного тропического климата -- ТС и Т, однако таких светильников немного, на территории Российской Федерации они практически не применяются.

Защита от воздействия окружающей среды. Степени защиты светильников от прикосновения к токоведущим частям, а также от попадания твердых тел и воды определяются в соответствии с ГОСТ 14254--96 [3] в зависимости от требований, предъявляемых к конкретному светильнику.

Все светильники наружного освещения обязательно должны иметь защиту от дождя и по возможности от пыли.

Известно, что в экономическом отношении закрытые светильники (со степенью защиты не ниже IP53) имеют несомненные преимущества перед открытыми (IP23), несмотря на большие капитальные затраты. Это объясняется тем, что чистку открытых светильников необходимо производить в 2 раза чаще, чем закрытых. Эксплуатация открытого светильника в течение срока службы обходится намного дороже, чем закрытого.

По зарубежным данным, хорошо уплотненный оптический отсек с абсорбирующим фильтром обеспечивает световой поток между чистками на 25 % выше, чем без фильтра, поэтому для защиты оптической системы светильников применяются уплотняющие прокладки из резины, фетра, войлока и других материалов, а также специальные фильтры, задерживающие пыль и вредные газы.

Требования к механической устойчивости. Группа условий эксплуатации светильников в части стойкости к механическим воздействиям определяется ГОСТ 17516--90 [3] и указывается в стандартах или технических условиях на конкретные типы светильников. Группа условий эксплуатации выбирается в зависимости от испытываемой нагрузки -- вибрации, ударов и т.д. Нормируются статические и динамические нагрузки, которые должны выдерживать узлы крепления осветительных приборов.

Основные элементы светильников наружного освещения. При разработке светильников необходимо иметь в виду, что их конструкция должна удовлетворять основным техническим требованиям, быть удобной при монтаже и демонтаже и ремонтопригодной.

Конструкция светильника и соответственно его внешний вид определяются как способом компоновки отдельных блоков, так и типом и мощностью применяемого ИС, габаритными размерами комплектующих элементов. Немалую роль играет также выбранный дизайн светильника.

Оптические системы. У светильников наружного освещения оптическая система должна перераспределить весь излучаемый ИС световой поток в нижнюю полусферу и создать значительную концентрацию светового потока под большими углами а_mаx = 60^70°, т.е. обеспечить заданную КСС. Такие большие углы позволяют получить эффективную установку наружного освещения в светотехническом и экономическом отношении.

Наиболее характерные схемы оптических систем светильников -- зеркальная, призматическая, зеркально-призматическая, рассеивающая.

В состав оптического блока обычно входят ИС и патрон, отражатель и защитное стекло, которое может быть просто прозрачным, защищающим оптический отсек от внешних воздействий, а при нанесении на его поверхность преломляющих или рассеивающих элементов может стать одновременно частью оптической системы. Более дешевые и примитивные светильники изготавливаются вообще без защитного стекла.

Для наружного освещения особенно важны именно зеркальные отражатели, так как по сравнению с диффузными и матированными отражателями их КПД и коэффициент усиления значительно выше. Существенной особенностью зеркальных оптических систем является возможность достаточно гибко управлять перераспределением светового потока ИС, создавая значительную его концентрацию в нужных направлениях [3].

Форма отражателя может быть различной -- от простых зеркальных вставок до цельнотянутого отражателя очень сложной конфигурации.

Для НЛНД часто применяют фацетные зеркальные отражатели. Некоторые фирмы используют составные отражатели с возможностью изменения взаимного расположения и наклона отдельных его элементов, что позволяет получать требуемую КСС и таким образом равномерно освещать даже очень широкие или сильно закругленные улицы.

Защитные стекла. Защитное стекло является необходимой деталью светильника наружного освещения с высокой степенью защиты. Оно может быть как прозрачным, так и с мелким рельефом. Для ламп в прозрачной колбе чаще применяют структурированное стекло, для диффузных -- прозрачное. Защитные стекла из пластмасс изготавливаются в основном выпуклыми, они намного легче, а при использовании поликарбоната -- и ударопрочны.

Закрытые светильники могут быть выполнены в двух вариантах: защитное стекло закрывает весь светильник снизу или перекрывает только оптический отсек. В первом случае узлы светильника объединены под одной крышкой, которая вместе с защитным стеклом обеспечивает высокую степень защиты, а также упрощает обслуживание светильника. Недостатки данного варианта -- ухудшение теплового режима электротехнических изделий (балластов, устройств управления, зажигающих устройств) и необходимость увеличения размеров защитного стекла, а также установки дополнительных элементов крепления. Достоинство -- возможности для удачной дизайнерской проработки [3].

При защитном стекле, закрывающем только оптический отсек, конструкция более экономична: снижается расход материала и удешевляется процесс изготовления.

Следует отметить, что плохое уплотнение может вызвать скопление пыли внутри светильника. В этом случае при работе светильника нагретый воздух выходит наружу через щели в уплотнении, а после отключения внутренний объем охлаждается и начинает засасывать внешний воздух вместе с пылью, которая и оседает на отражателе, лампе и защитном стекле.

В качестве уплотнителя по линии прилегания защитного стекла и оптического отсека могут быть использованы различные материалы, например фетр, резина. Наиболее перспективным уплотняющим материалом в настоящее время является кремнийорганическая резина.

Высокая степень защиты оптического отсека может быть достигнута при неразъемном соединении отражателя и защитного стекла и заполнении места их стыка герметиком. В этом случае крепление патрона с ИС к отражателю осуществляется с помощью так называемого устройства типа Seаlsаfe, состоящего из двух основных частей: на одной крепится патрон, а ответная часть герметично крепится на отражателе. Такая конструкция обеспечивает высокую степень герметизации (IP66). В светильниках подобной конструкции спад светового потока составляет не более 30 % за 20 лет эксплуатации, что практически исключает необходимость обслуживания оптического отсека.

За последнее время многие фирмы включили в номенклатуру своих изделий светильники, перекрытые плоским силикатным стеклом. Преимущество такой конструкции состоит в полном исключении слепящего действия, так как отсутствует выпуклое защитное стекло, которое при запылении становится вторичным излучателем, в результате чего светильник начинает излучать световой поток в горизонтальном направлении. Часто светильник имеет две модификации -- с плоским силикатным или выпуклым защитным стеклом из полиметилметакрилата или поликарбоната. Плоские защитные стекла, снижая слепящее действие светильников, несколько искажают КСС под большими углами [3].

Фокусировка. Характерной особенностью многих современных светильников является возможность регулирования положения патрона, что позволяет в одной и той же оптической системе использовать ИС различного типа и мощности или же получать разные КСС от одного источника. Патрон, установленный на кронштейне, может перемещаться по направляющим как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении и при достижении нужного положения закрепляться. При этом горизонтальное перемещение (вдоль продольной оси светильника) даст возможность регулировать перераспределение светового потока в зависимости от относительной ширины освещаемого участка, а вертикальное (в плоскости, проходящей через продольную ось светильника) позволяет получить ограниченное или полуограниченное светораспределение [3].

Корпуса светильников. Корпус включает в себя оптический отсек, электрический отсек и узел крепления. Форма корпусов весьма разнообразна -- прямоугольная, шаровидная, цилиндрическая и др. Для светильников с трубчатыми лампами (ЛЛ, НЛНД) внешний вид определяется геометрической формой лампы, в результате чего для них характерна вытянутая сигарообразная форма. Электрический отсек является продолжением корпуса и часто выполняется съемным.

Как правило, применяются два варианта конструкции: светильник с корпусом-отражателем и светильник с отдельным встроенным отражателем. Корпус-отражатель обычно имеет гладкую обтекаемую форму, изготавливается методом штамповки из алюминиевого листа, что позволяет значительно снизить материалоемкость и трудоемкость изготовления светильников. Недостатком такой системы является сложность получения необходимой формы отражателя. Кроме того, при выходе из строя отражателя приходится выбрасывать весь светильник.

Применение встроенного отражателя дает большую свободу в изменении его формы -- отражатель может быть составной, ступенчатый; наконец, это могут быть просто зеркальные вставки. Светильники традиционной формы могут иметь цельный корпус довольно большого объема, содержащий в себе оптический и электрический отсеки; иногда корпус разделяется на две части по горизонтали и скрепляется замками, иногда он имеет вертикальную линию разъема. Материал корпуса может быть различным: используются алюминиевый и стальной прокат, алюминиевые сплавы, пластики, например стекловолокно, холодноштампованные пластмассы с добавкой стекловолокна. Для электрического отсека, испытывающего большие силовые нагрузки, чаще применяется литье под давлением. Для защиты металлических деталей используются химические покрытия (цинкование, анодирование и т.д.), жидкие и порошковые эмали [3].

В некоторых случаях светильники оборудуются устройствами индивидуального регулирования светового потока, а также приборами индивидуального включения и отключения в зависимости от уровня наружной освещенности. Встречаются светильники с индивидуальными солнечными батареями, которые в светлое время суток заряжают аккумуляторы, а ночью питают лампы. Естественно, такое устройство применимо только для светильников с маломощными источниками света, например КЛЛ.

Способ установки. По способу установки светильники утилитарного наружного освещения делятся на консольные, консольно-торцевые и подвесные.

У консольных и консольно-торцевых светильников узлы крепления могут быть выполнены в виде отдельной детали и установлены снаружи светильника. Когда узел крепления расположен внутри светильника, он, как правило, выполняется в виде единой конструкции с деталью, связанной с ним функционально. Часто светильники имеют универсальный узел крепления, допускающий установку на трубу различного диаметра, например от 42 до 60 мм или от 34 до 49 мм [3].

1. 

1. Айзенберг Ю. Б., "Основы конструирования световых приборов: Учебное пособие для вузов" - Москва: Энергоатомиздат, 1996 - 704с.

2. СП 52.13330.2011. Свод правил. Естественное и искусственное освещение. Актуализированная редакция СРиП 23-5--95*, 2001.

3. Энергоэффективное электрическое освещение: учебное пособие / С.М. Гвоздев, Д.И. Панфилов, Т.К. Романова и др.; под ред. Л.П. Варфоломеева. -- М.: Издательский дом МЭИ, 2013. 288 с.

Размещено на Allbest.ru