Электрическое освещение

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ

преобразование электроэнергии в свет в целях создания гигиенически благоприятных, комфортных и безопасных условий для зрительного восприятия.

ВНУТРЕННЕЕ ОСВЕЩЕНИЕ

На изложенных общих принципах должно базироваться освещение любого внутреннего помещения. Однако в таких общественных помещениях, как магазины и театры, где не ставятся крайне ответственные задачи зрительной работы и где воздействие на воображение и привлекательность более приоритетны, чем комфортность и эффективность зрительного восприятия, качество освещения имеет менее важное значение. Оно весьма существенно там, где приходится иметь дело с очень ответственными задачами зрительной работы, - в операционных, учреждениях, механических цехах, школьных классах, студенческих аудиториях. В качестве источников света для внутреннего освещения применяются в основном лампы накаливания и газоразрядные лампы (люминесцентные, ртутные и др.). Большинство учреждений, школ и общественных зданий освещается люминесцентными лампами или лампами накаливания, тогда как во многих производственных помещениях, особенно с высокими потолками, используются ртутные, а также люминесцентные лампы. Но во всех случаях источники света должны быть закрыты экранами, исключающими прямую блескость, а там, где это возможно, - и отраженную. В одном из конструктивных вариантов светильник с минимальной прямой и отраженной блескостью посылает почти весь свой выходной световой поток вверх, на потолок, который выполняет роль вторичного источника большой площади с малой яркостью. Еще один важный способ повышения качества внутреннего освещения - применение матового отделочного покрытия с высокой отражающей способностью для потолка, стен, пола и мебели. Это превращает потолок, стены, пол и мебель во вторичные источники света большой площади, благодаря чему не только повышается коэффициент использования света в помещении, но и увеличивается доля рассеянного света, а также устраняются резкие тени. Исследования условий оптимального освещения помещений, требующих комфортности, привели к следующим выводам: потолки лучше всего делать белыми с высоким коэффициентом отражения, порядка 85%; коэффициент отражения стен должен составлять 40-60% (при этом возможен широкий спектр приятных оттенков); коэффициент отражения мебели должен составлять около 35%, пола - не менее 20%. Эти требования подразумевают, в частности, что на окнах должны быть предусмотрены неяркие занавеси, задергиваемые в темное время суток, а поверхность стола должна иметь достаточно высокий коэффициент отражения, чтобы по яркости она не контрастировала с белой бумагой. Высокие коэффициенты отражения способствуют созданию идеальных условий для зрительной работы.

Люкс (от латинского lux ≈ свет), единица освещённости в Международной системе единиц. Сокращённое обозначение: русское лк, международное lx. 1 Л. ≈ освещённость поверхности площадью 1 м2 при световом потоке падающего на неё излучения, равном 1 лм. ═ 1 Л. = 10-4 фот (единица освещённости СГС системы единиц).

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Существуют два основных вида электрических источников света - лампы накаливания и газоразрядные лампы. Среди газоразрядных ламп особое место занимают люминесцентные.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

В лампах накаливания свет испускает металлическая проволочка (нить), раскаленная добела проходящим по ней током.

Устройство лампы. Типичная бытовая лампа накаливания (общего назначения) состоит из следующих частей (рис. 1): нити накала в виде спирали из вольфрамовой проволочки, стеклянного баллона (который откачивается и заполняется инертным газом) и цоколя, который является объединяющей и силовой деталью лампы и имеет контакты для подключения нити накала к электропитанию. Все эти три элемента конструкции могут быть разного размера и различной формы в зависимости от назначения - лампа общего назначения, с внутренним отражателем, витринная, для уличного освещения, для автомобильных фар, для карманного фонаря, фотографическая лампа-вспышка. В бытовых лампах с тремя режимами накаливания имеются две нити накала, которые можно включать по отдельности и вместе, получая разную яркость. Средний срок службы большинства бытовых ламп при номинальном напряжении составляет 750-1000 ч.

Рис. 1. ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ. 1 - нить накала (в некоторых лампах монтируется вертикально - вдоль оси стеклянной опорной ножки); 2 - цоколь; 3 - стеклянный баллон.

ПЕРВАЯ ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ - копия лампы, изобретенной Т. Эдисоном в 1879. Нить накала лампы, полученная обугливанием хлопковой нитки, светила в течение 40 ч.

Достоинства и недостатки. Достоинства лампы накаливания таковы: низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования, компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока, надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход. К недостаткам же, способным при некоторых обстоятельствах перевесить достоинства, относятся низкий световой КПД, высокая рабочая температура и заметные колебания светового выхода при изменениях напряжения питания.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ

В газоразрядных лампах электроэнергия преобразуется в свет при прохождении электрического тока через газ или пары металла. Цвет светового излучения зависит от рода газа, его давления и от вида люминофора, нанесенного на внутренние стенки стеклянного баллона лампы. Газоразрядные лампы наполняются инертными газами (неоном, аргоном, криптоном или ксеноном), а также парами ртути или натрия.

Ртутные лампы. Ртутные лампы типа применяемых в промышленности состоят из следующих частей (рис. 2): кварцевой трубки дугового разряда, наполненной аргоном и парами ртути; наружной стеклянной колбы (с внутренним люминофорным покрытием), окружающей трубку дугового разряда, закрывающей ее от воздействия потоков окружающего воздуха и предотвращающей окисление; цоколя, на котором держится вся лампа и имеются электрические контакты для подвода напряжения питания. Размеры и форма этих конструктивных элементов могут быть разными в зависимости от типа лампы - общего назначения (с прозрачной колбой, с люминесцентным покрытием, с исправленной цветностью, рефлекторная, полурефлекторная лампы), ультрафиолетовые, солнечного света и фотохимические лампы. Средний срок службы ртутных ламп общего назначения составляет 6000-12 000 ч. После того как ртутная лампа включена и в ней установился дуговой разряд, ток разряда через пары ртути сам по себе непрерывно нарастает. Поэтому его приходится ограничивать внешним балластным устройством.

Рис. 2. РТУТНАЯ ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА - типичная конструкция 40-Вт лампы с люминофорным покрытием. 1 - наружная колба; 2 - рабочий электрод; 3 - токопроводящие стойки; 4 - кварцевая трубка дугового разряда; 5 - рабочий электрод; 6 - пусковой электрод; 7 - опорные траверсы трубки дугового разряда; 8 - пусковые резисторы; 9 - опорные элементы; 10 - внутреннее люминофорное покрытие.

Достоинства и недостатки. Ртутные лампы отличаются высоким световым КПД (в 2-3 раза большим, чем у ламп накаливания общего назначения), большим сроком службы и компактностью, благодаря чему они хорошо подходят для регулирования светового потока. Их недостатки - высокая стоимость лампы и вспомогательного оборудования, синевато-зеленый оттенок свечения и медленный повторный пуск. Цветность ртутной лампы исправляется применением внутреннего люминофорного покрытия.

Люминесцентные лампы. Люминесцентные лампы состоят из следующих основных деталей (рис. 3): стеклянного баллона, двух цоколей (с выводными контактами) на обоих концах баллона и двух подогревных катодов (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити или стальной трубки. Баллон наполнен парами ртути и инертным газом (аргоном); на внутренние стенки баллона нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Конструкция лампы, представленная на рис. 3, типична для самых распространенных 40-Вт ламп.

Рис. 3. ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА - типичная конструкция лампы с холодными катодами, рассчитанной на токи ниже средних. 1 - ртуть; 2 - штампованная стеклянная ножка с электровводами; 3 - трубка для откачки (при изготовлении); 4 - выводные штырьки; 5 - концевая панелька; 6 - катод с эмиттерным покрытием. Трубка наполнена инертным газом и парами ртути. Внутренние стенки трубки покрыты люминофором.

Лампа действует следующим образом. Электрод на одном из концов лампы испускает электроны, которые с большой скоростью летят вдоль лампы, пока не произойдет столкновение со встретившимся атомом ртути. При этом они выбивают электроны атома на более высокую орбиту. Когда выбитый электрон возвращается на прежнюю орбиту, атом испускает ультрафиолетовое излучение. Последнее, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.

Типы ламп. Люминесцентные лампы делятся на две группы соответственно типу электродов: с подогревными катодами и с холодными катодами. В лампах с подогревными катодами, которые рассчитываются на большие токи (1-2 А), как правило, используются спиральные активированные вольфрамовые нити накала. В лампах же с холодными катодами предусматриваются цилиндрические электроды с покрытием из эмиттерных материалов, и они рассчитываются на меньшие токи. Средний срок службы ламп с подогревными катодами зависит от наработки на один пуск: 7500 ч при 3 ч наработки на один пуск и более 18 000 ч в непрерывном режиме. Для ламп же с холодными катодами срок службы не зависит от числа пусков и достигает 25 000 ч. Лампы с подогревными катодами по способу их пуска делятся на лампы с предварительным прогревом, быстрого и моментального пуска. Как и все другие газоразрядные приборы, лампы с подогревными катодами нельзя присоединять к источнику питания без балластного устройства, ограничивающего ток (рис. 4). Лампы с предварительным прогревом нуждаются также в стартере; при пуске такой лампы замыкается стартер, и катоды, соединенные последовательно, подключаются к сети питания, так что по ним проходит ток. После того как катоды разогреются настолько, что могут эмиттировать электроны, стартер автоматически размыкается, и лампа загорается. В благоприятных условиях весь пуск занимает несколько секунд. В лампах быстрого пуска катоды нагреваются постоянно, а разряд возникает при повышении напряжения. Стартеры не требуются, и время пуска значительно меньше, чем у ламп с предварительным прогревом. В лампах моментального пуска не требуется ни прогрева катодов, ни стартера. Просто на катод подается повышенное напряжение, которое вызывает эмиссию электронов и зажигание разряда в лампе.

Рис. 4. ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА с подогревными катодами, рассчитанная на большие токи.

Достоинства и недостатки. К достоинствам люминесцентных ламп относятся высокая световая отдача (до 77 лм/Вт) и большая долговечность. Недостатки - высокая начальная стоимость лампы и светильника, шум дросселя стартера и мерцание. Хотя перечень недостатков обширнее, достоинства столь велики, что уже к 1952 лампы накаливания в США были вытеснены люминесцентными лампами в качестве основного электрического источника света.

Электролюминесцентные лампы. В отличие от люминесцентных ламп (в которых свет испускается при возбуждении люминофора ультрафиолетовым излучением газового разряда), в электролюминесцентных лампах, изобретенных в 1936, электроэнергия преобразуется непосредственно в свет благодаря применению специальных люминофоров. Лампа представляет собой многослойную конструкцию из слоя люминофора (цинк-сульфидного, активированного медью или свинцом) и двух электропроводящих пластин, одна из которых прозрачна. Устройство электролюминесцентных ламп двух типов показано на рис. 5. Цвет свечения лампы (синий, зеленый, желтый или розовый) зависит от частоты напряжения питания, а яркость - от частоты и напряжения. Электролюминесцентные лампы пока что не отличаются большой световой отдачей.

См. также ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ.

Рис. 5. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ двух разных типов в поперечном разрезе.

ЛИТЕРАТУРА

Епанешников М.М. Электрическое освещение. М., 1973 Кнорринг Г.М. и др. Справочная книга для проектирования электрического освещения. Л., 1976 Лозовский Л.И. Проектирование электрического освещения. Минск, 1976 Кунгс Я.А., Фаермарк М.А. Экономия электрической энергии в осветительных установках. М., 1984

Тип источника излучения

Мощность, Вт

Световой поток, лм

Световая отдача, лмВт

Срок службы, час.

Вакуумные и газонаполненные лампы накаливания общего назначения

15-1 000

85-19 500

5-19,5

1 000

Галогенные лампы накаливания общего назначения

1 000-2 000

22 000-440 000

2 000-3 000

Ртутные разрядные люминесцентные лампы

15-80

600-5 400

40-65

1 000-15 000

Ртутные лампы высокого давления

80-2 000

3 400-120 000

40-60

10 000-15 000

Ртутные лампы сверхвысокого давления

120-1 000

4 200-53 000

35-53

100-800

Металлогалогенные лампы

250-3 500

19 000-350 000

75-100

2 000-10 000

Натриевые лампы низкого давления

85-140

6 000-11 000

70-80

20 000

Натриевые лампы высокого давления

50-1 000

25 000-47 000

100-115

10 000-15 000

Ксеноновые лампы

50-10 000

35 700-2 088 000

18-40

100-800

Недостатки лампы накаливания

Но — довольно о достоинствах ламп накаливания! Поговорим о ее недостатках. Ранее, мы говорили о таком немаловажном параметре, как «световая отдача». У лампы накаливания этот параметр чрезвычайно низок — в основном электрическая энергия переходит в тепло (90…95 %). Давайте вспомним, что до баллона лампы во включенном состоянии едва ли удастся дотронуться без опаски получить ожог… Световая отдача ламп накаливания лежит в диапазоне 7…17 лм/Вт. Это самая низкая световая отдача среди ламп, использующихся для искусственного освещения.

Средний срок службы лампы составляет приблизительно 700… 1000 часов. Мы говорим именно о средней величине, поскольку случается, что лампа перегорает, не прослужив и суток, а бывает и наоборот — лампа спокойно работает годами без выхода из строя. Много это или мало? Легко рассчитать, что среднестатистическая лампа накаливания рассчитана примерно на месяц непрерывного горения. Некоторые даже очень известные и уважаемые фирмы пускаются на хитрость и пишут крупными буквами на упаковочной таре лампы: «Срок службы составляет 1 год». И где-то на внутренней стороне мелким шрифтом дают примечание: «При условии горения в сутки не более 3 часов». Не позволяйте обманывать себя с помощью рекламных трюков!

От чего зависит «жизнестойкость» лампы накаливания? Во-первых, конечно, от качества ее изготовления. Фирменные лампы, как правило» служат немного дольше, чем лампы «без опознавательных знаков». Немаловажным фактором долговечности является также частота включений/отключений — чем чаще «дергают» лампу, тем она быстрее выйдет из строя. Причина явления такая: вольфрам, как материал нити накаливания, в холодном состоянии имеет сопротивление в среднем в 15 раз меньше, чем в разогретом. Старт лампы сопровождается большими токовыми скачками, и именно в момент включения происходит подавляющее большинство отказов. Еще один фактор — стабильность напряжения в питающей сети. Не секрет, что иногда в сетях возникают провалы или выбросы напряжения, отражающиеся на степени накала нитей ламп. Возрастание температуры нити приводит к сокращению срока ее службы (нить быстрее испаряется), а броски напряжения вызывают уже знакомые нам токовые перегрузки.

Преимущества лампы накаливания

Несмотря на то, что этот источник света является наиболее расточительным по энергетическим затратам, классическая лампа накаливания еще долго будет занимать прочные позиции в техническом окружении человека. Причин здесь несколько.

Во-первых, чрезвычайная дешевизна самой лампы, благодаря которой обычная семья легко может позволить себе закупить десяток ламп «про запас». Перегорела «лампочка» — ввернули новую вместо перегоревшей, и проблема с освещением мгновенно отпала.

Во-вторых, небольшие габариты. Купленные запасные лампы не займут много места и будут всегда «под рукой». Кроме этого, миниатюрные лампы накаливания позволяют конструировать удобные и красивые светильники.

В-третьих, цветовой оттенок излучения ламп накаливания, который хорошо воспринимается зрением. Замечено также, что люди старшего поколения предпочитают лампы накаливания всем остальным источникам света именно из-за их «теплой» цветовой температуры.

В-четвертых, повсеместная распространенность. Лампу накаливания можно приобрести практически в любой точке земного шара, тогда как другие световые источники, о которых мы будем рассказывать далее, могут и не оказаться в продаже.

В-пятых, постоянная готовность к работе и моментальность включения. Как только мы «щелкнули» выключателем, лампа накаливания тут же загорается. Время ее прогрева минимально и не заметно глазу.

В-шестых, практическая независимость от внешних климатических условий. Лампа одинаково устойчиво работает и в парилке финской бани, и на «крутом» северном морозе.

В-седьмых, просто инерция мышления массового покупателя, который зачастую и не подозревает, что существуют более эффективные источники света…

Первая лампа накаливания

Дата добавления: 2015-09-29