Лекция 8 светология

Лекция 8, Источники искусственного света.

Классификация источников. Их основные характеристики, преимущества и недостатки. Область применения.

Средства искусственного освещения – источники света и осветительные приборы являются элементами среды и выполняют разнообразные функции. Во многих случаях свет этих источников 1) заменяет или дополняет естественный свет и 2) создает среду, отвечающую высоким требованиям эстетики и комфорта.

Лампы накаливания имеют серьезные недостатки, главный из них – низкий световой КПД ( 2-3%). Поиск более эффективных источников света привел к созданию принципиально иного типа ламп, получивших название газоразрядных. В них использован эффект свечения газа (ксенона, аргона, неона, гелия) или паров металла (ртути, натрия и др.) при пропускании через них электрического разряда.

Сегодня промышленный ассортимент выпускаемых источников света весьма разнообразен по диапазону мощностей и размеров колб, а также светотехнических, цветовых и экономических характеристик

К основным характеристикам источников света относятся:

• электрические – напряжение и мощность;

• геометрические – размеры и форма колб;

• световые – световой поток, световая отдача, яркость;

• цветовые – спектральный состав, цветность излучения, цветопередача;

• экономические – стоимость, срок службы.

По принципу преобразования электрической энергии в световую все источники света разделяются на два класса: тепловые и газоразрядные ( см. рис. 1)

Тепловые источники света (см. рис. 2).

В тепловых источниках свет излучает тело накала, разогревающееся под воздействием проходящего через него электрического тока до температуры свыше 1000 К, когда в его излучении кроме тепловых (инфракрасных0 лучей появляются видимые длинноволновые лучи.

Чем большая доля излучений приходится на видимую область спектра, тем выше коэффициент полезного действия (световой КПД) источника света, выражаемый отношением светового и лучистого потока Ф / Фе. Если повышать температуру излучателя, то вначале происходит рост светового КПД до максимумам при Т=6500 К (примерно температура Солнца), а затем его значение падает, так как максимум излучения перемещается за пределы видимого спектра. Максимальное значение КПД 14% является пределом экономичности для тепловых источников света, а положение этого максимума определяется, по-видимому, приспособлением человеческого глаза к излучению основного природного источника – Солнца.

Лампы накаливания являются основным типом класса тепловых источников света. Свет излучает разогретая до температуры около 3000 К вольфрамовая спираль. Световая отдача, а следовательно экономичность ламп накаливания невелика (недостатки), и существенное увеличение их без принципиальных изменений конструк-ции практически невозможно, так как температура плавления вольфрама (3653 К) ставит в этом отношении естественный предел. Недостатком ламп является и 1)

небольшой срок их службы, что вместе с 2) низкой световой отдачей 3) повышает их эксплуатационные расходы. Кроме того, лампы накаливания имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения с максимумов в желто-оранжевой области видимого спектра, а на коротко-волновую часть приходится незначительная доля излучений. Поэтому при освещении ими 4) восприятие цвета заметно отличается от дневного: «теплые» (красные, оранжевые, коричневые) цвета воспринимаются более яркими, чем днем; «холодные» (зеленые, синие, фиолетовые) – ослабляются, жухнут; бледно-желтый цвет трудно отличить от белого.

Путем применения светофильтров и цветовых колб, частично поглощающих оранжево-красное излучение, в принципе можно повысить цветовую температуру ламп накаливания Т_цв с 2500-2700 до 3500-4000 К, но световой поток при этом снизится на 30-35% (цветовая температура влияет на цвет объектов и на цветовую адаптацию наблюдателя).

Лампы накаливания имеют ряд преимуществ перед газоразрядными: они значительно 1) дешевле и 2) экологически чище; 3) просты в обслуживании, включаются без дополнительных устройств; 4) малочувствительны к температуре окружающей среды; 5) хорошо работают в динамическом режиме; 6) имеют относительно небольшие размеры и тело накала; отличаются 7) разнообразием модификаций и 8) малыми первоначальными затратами при оборудовании осветительных установок, 9) высоким уровнем механизации производства.

Хотя доля светового потока ламп накаливания составляет сегодня у нас лишь 30% (70% - газоразрядные лампы), область их применения все ещё широка и во многих случаях они не имеют равноценной замены: бытовые светильники, люстры и встроенные светильники для общественных интерьеров, системы местного освещения в помещениях, сценическое освещение, освещение витрин и фасадов, световые табло и реклама, иллюминационное и подводное освещение.

Основным типом ламп накаливания являются лампы 1) общего назначения (нормальные), выпускаемые в нашей стране в пределах шкалы мощностей от 15 до 1500 Вт на напряжение 127 и 220 В.

Выпускается большое число типов 2) специальных ламп на стандартное напряжение: зеркальных, цветных, прожекторных, галогенных, а также 3) специальных ламп на пониженное напряжение: местного освещения, сигнальные, транспортные, для оптических систем, подводные и др.

Зеркальные лампы имеют колбы специально рассчитанной формы, частично покрытые изнутри слоем серебра или алюминия. По существу, они являются лампами светильниками. В зависимости от формы зеркала лампы имеют концентрированное, среднее или широкое распределение светового потока.

Срок службы нормальных ламп составляет в целом 1000 часов, зеркальных – от 1000 до 1500 часов.

Прожекторные лампы отличаются от ламп общего назначения повышенной мощностью, а также тем, что нить накала располагается в одной плоскости, образуя применительно к размерам зеркала прожектора светящуюся точку. Благодаря этому можно получить узкий пучок света, что необходимо для освещения небольших объектов со значительного расстояния - применение. Срок службы прожекторных ламп невелик, менее 200 часов.

Галогенные лампы накаливания представляют собой трубку из кварцевого стекла с вольфрамовой спиралью, укрепленной по её оси на поддерживающих крючках. Колба заполняется аргоном, ксеноном или криптоном с добавлением определенного количества паров йода (или других галогенов, т.е. химических элементов главной подгруппы VII группы периодической системы Менделеева). Смысл этой добавки заключается в том, что пары йода способствуют удлинению срока службы нити накала ( до 2000-3000 часов) и повышению её температуры накала, а следовательно, и яркости, т.е. «побелению» света и повышению световой отдачи по сравнению с обычными лампами накаливания. Галогенные лампы рациональны в большом диапазоне мощностей и применяются, например, в установках архитектурного освещения, а их специальные типы – в проекционной и осветительной технике, в автомобилях. Малогабаритные светильники с высокоэффективными галогенными лампами накаливания низкого напряжения (ГЛН НН на напряжение 36, 24 и 12 В) находят все более широкое применение в освещении витрин, музейных экспозиций, выставок, рекламы, рабочих мест и интерьеров общественных зданий.

Газоразрядные источники света (см. рис. 3).

Газоразрядные лампы основаны на использовании свойств газов или паров металлов светиться в электрическом поле. Каждому газу и металлу свойствен свой цвет свечения. Причем, как правило, в режиме низкого давления это свечение имеет линейчатый спектр, а в режиме высокого давления спектр приближается к сплошному.

Класс газоразрядных источников света более многолик, чем тепловых (см. ) и в последнее время активно вытесняют тепловые источники света, особенно в установках наружного освещения и освещения интерьеров производственных и общественных зданий, вследствие своих преимуществ: имеют 1) в 5-15 раз более высокую эффективность (световую отдачу и срок службы), 2) широкий диапазон мощностей и 3) высокие единичные мощности (до 100 Вт), а также 4) разнообразные спектры излучения.

К числу недостатков, присущих этому классу источников света, следует отнести: 1) более сложное, чем у ламп накаливания, включение их в сеть – через пуско-регулирующие аппараты (ПРА), 2) потери напряжения в ПРА до 20-30%; 3) относительно высокую (вместе с ПРА) стоимость ; 4) неспособность работать в динамическом режиме (за исключением нескольких типов); 5) не всегда приемлемые спектральные характеристики; 6) серьезные проблемы утилизации вышедших из строя ламп, всвязи с широки применением ртути в газоразрядных лампах.

ПРА предназначены для создания высокого напряжения в момент зажигания лампы и для обеспечения её устойчивого горения.

Газоразрядные лампы имеют разное рабочее давление газа (паров металла) в колбе, называемой разрядной трубкой или горелкой, и делятся по этому признаку на лампы низкого (0,1-10⁴ Па), высокого (3*10⁴-10⁶ Па) и сверхвысокого (более 10⁶ Па) давления.

К лампам низкого давления относятся люминесцентные лампы и натриевые лампы низкого давления.

Люминесцентные лампы по характеру электрического разряда делятся на лампы дугового разряда с горячими катодами и лампы тлеющего разряда с холодными катодами.

Люминесцентная лампа дугового разряда представляет собой стеклянную колбу в виде трубки с впаянными на её концах электродами. Стенки её изнутри покрыты люминофором. В колбу вводится дозированная капелька ртути, а для облегчения зажигания лампы объем её заполняется аргоном. Форма трубки у лампы общего назначения прямая, у ламп специального назначения – изогнутая, фигурная, иногда она подобна форме ламп накаливания или небольших светящихся панелей. Каждому люминофору свойствен определенный спектр излучения, обычно сплошного характера, имеющий некоторый максимум, в основном и определяющий цветовой тон излучения лампы. Комбинируя состав люминофоров, можно в принципе получить любой по цветности свет.

Цветопередача, обеспечиваемая люминесцентными лампами, в целом более благоприятна по сравнению некоторыми газоразрядными лампами, так как энергия излучения люминофоров распределяется по всему диапазону видимого спектра, а не сосредоточена в нескольких спектральных линиях или полосах, как у большинства разрядных ламп.

Для стандартных ламп стремятся создать цветности излучения, имитирующие те или иные фазы, состояния естественного освещения. Но спектральные характеристики этих ламп не вполне совпадают со спектральными характеристиками дневного света, вследствие чего восприятие некоторых цветов при освещении лампами этого типа существенно отличается от цветопередачи при дневном освещении и обеспечивает лишь удовлетворительную, но не высококачественную цветопередачу (R_а = 62-70 ) – недостаток.

Для удовлетворения повышенных требований к восприятию цвета выпускаю люминесцентные лампы с улучшенной цветопередачей (R_а =90), отражаемой в маркировке отечественных ламп введением буквы «Ц», а за рубежом – слов «делюкс» (R_а до 85), «суперделюкс», «экстраделюкс» (R_а  85). Как правило, улучшение качества излучения по спектру в газоразрядных лампах приводит к снижению их световой отдачи.

Для решения особых зрительных задач выпускают лампы с особой маркировкой: «Е» – естественного света; «УФ» - ультрафиолетовых и коротковолновых видимых излучений.

В ряде случаев используются люминесцентные лампы специального назначения: малогабаритные или компактные. В этом ряду люминесцентных ламп они наиболее эффективны. Они соединили в себе преимущества ламп накаливания (небольшие габариты, стандартный цоколь) и люминесцентных ламп (хорошая цветопередача, высокие световая отдача и срок службы).

Кроме указанных выше достоинств (присущих всему классу газоразрядных ламп) люминесцентные лампы обладаю малой яркостью и низкой температурой поверхности колбы, что способствует широкому распространению светящихся поверхностей (потолки, панели, полосы, искусственные окна, картины) в интерьере, а также рождению новых стилистических приемов его светопространственной организации. Люминесцентные лампы имеют низкую себестоимость, связанную с высокой степенью механизации, простой конструкции, доступность сырья и материалов.

В месте с тем у них есть и существенные недостатки – 1) малая единичная мощность при 2) больших габаритах, с чем связаны трудности перераспределения и концентрации их светового потока в пространстве при освещении высоких помещений; 3) ненадежная работа при низки температурах окружающей среды, что делает их малопригодными для наружного освещения; 4) существенное снижение светового потока к концу службы ламп; 5) пульсация светового потока, приводящая в определенных случаях к появлению стробоскопического эффекта при наблюдении движущихся объектов (плавное движение объекта воспринимается как прерывистое).

Группа ртутных ламп высокого и сверх высокого давления является самой многочисленной среди газоразрядных источников света. Наиболее широкое применение в настоящее время получили дуговые ртутно-люминесцентные лампы – ДРЛ.

Лампы ДРЛ применяются для наружного освещения и освещения производственных помещений с потолками выше 3-5 метров, не требующих высокого качества цветопередачи. При отсутствии люминофора эти лампы излучают свет, сильно искажающий цвет предметов, особенно человеческой кожи, что объясняется недостатком оранжево-красных лучей в спектре излучения ртути. Такие лампы применяются для декоративного освещения зелени.

Цветопередача ламп ДРЛ по мере их совершенствования улучшается. Выпускаются лампы ДРЛ «делюкс», имеющие тепло-белый свет (R_а = 52), которые пригодны для освещения интерьеров общественных зданий.

Лампы ДРЛ могут работать в широком диапазоне температур окружающего воздуха (преимущество). Существенный недостаток этих лам, кроме 1) низкого качества цветопередачи, - 2) большая глубина пульсации светового потока, что сопровождается соответствующими стробоскопическими явлениями. Для исключения этого недостатка разработаны трехфазные лампы ДРЛ. Процесс разгорания лампы занимает несколько минут, а повторное включение возможно только после остывания кварцевой горелки, что требует 10-15 минут.

Относительно 3) большие размеры светящей колбы лампы ДРЛ 4) затрудняют концентрацию светового потока при применении её в прожекторах. Эта задача решается путем использования зеркальных (рефлекторных) ламп ДРЛ, применяемых для внутреннего и уличного освещения без специальной оптической арматуры.

Заслуживают упоминания и ртутные лампы сверхвысокого давления в виде шарообразной или трубчатой колбы из кварцевого стекла. Небольшие размеры и высокая яркость ламп ДРШ (дуговые ртутные шаровые) делают их удобными для использования в прожекторах и проекционных приборах концентрированного света. Лампы излучают голубоватый свет, спектр излучения – линейчатый с непрерывным фоном. При их эксплуатации требуется соблюдать меры предосторожности для защиты людей от интенсивного УФ-излучения (с длиной волны более 280 мкм) и от возможного разрыва колбы при перегреве.

Поиск боле совершенных способов преобразования электрической энергии в световую привел к созданию металлогалогенных ламп - МГЛ. По своему устройству эти лампы аналогичны лампам ДРЛ, но имеют перед ними ряд преимуществ: 1) широкие возможности варьирования спектрального распределения излучения от практически однородного до непрерывного при 2) высоком КПД и 3) высокой удельной мощности.

В разрядную горелку МГЛ кроме ртути и аргона вводится в строго дозированных количествах смеси галогеноидов (йодидов) галлия, натрия, индия, олова, редкоземельных (диспрозий, гольмий, тулий) и других элементов в виде легко испаряющихся солей. Подобрав определенную комбинацию наполнителей, можно получить практически любой спектр излучения, в том числе удовлетворяющий самым высоким требованиям к цветовосприятию.

Металлогалогенные лампы признаны сегодня наилучшими для случаев, когда необходимо обеспечить хорошую цветопередачу при высокой освещенности (1000-2000лк), например, для цветных кино- и телесъемках на стадионах и в спортивных залах (при переходе от естественного к искусственному освещению не изменяются цветовые оттенки изображения), в местах скопления народа (площади, выставочные и торговые залы) или по требованиям технологии (красильные и ткацкие цеха, типографии).

Пока еще МГЛ имеют высокую стоимость и ряд особенностей, затрудняющих их изготовление и эксплуатацию, в частности, существуют технологические трудности с выпуском ламп пониженной мощности (35-150Вт) - недостатки.

В некоторых случаях с МГЛ успешно конкурируют натриевые лампы, которые в настоящее время более эффективны по световым характеристикам - преимущество. Но имеют низкое качество цветопередачи – недостаток.

По своему устройству и принципу действия натриевые лампы во многом близки к ртутным лампам – электрический разряд в парах натрия вызывает излучение характерного желтого цвета, Лампы малочувствительны к температуре окружающего воздуха - преимущество, но имеют значительные пульсации светового потока и 5-15 минутный период разгорания - недостатки. Повторное зажигание возможно только после остывания горелки.

Существуют натриевые лампы низкого и высокого давления.

Натриевые лампы низкого давления – НЛ НД имеют линейную или U-образную разрядную трубку из специального устойчивого к воздействию агрессивных паров натрия стекла, помещенную во внешнюю вакуумную колбу-рубашку цилиндрической формы. Для облегчения получения электрического разряда в горелку вместе с парами натрия вводят смесь неона и аргона.

Натриевые лампы низкого давления имеют неудовлетворительную цветопередачу - недостаток, так как излучают монохроматический желто-оранжевый свет с длиной волны 589 мкм. Если учесть, что глаз наиболее чувствителен к излучениям в этой области, то понятно, что световая отдача ламп очень высока – около 200лм/Вт, а в экспериментальных образцах – до 300-400 лм/Вт, т.е. КПД лампы достигает 50-60% - преимущества. Свет этих ламп повышает видимость и различимость объектов при низких уровнях освещенности, а также в тумане – преимущества, поэтому они применяются в случаях, где цветопередача не имеет значения: в установках освещения загородных магистралей, транспортных перекрестков и туннелей, складов, товарных станций, промышленных сооружений, а также для декоративного освещения объектов, позолоченных или окрашенных в желто-оранжевый цвет.

Натриевые лампы высокого давления- НЛ ВД содержат смесь паров натрия и ртути с ксеноном, заключенную в горелке из химически и термически стойкого свето-прозрачного материала (поликор или лейкосапфир). Наружная колба лампы имеет цилиндрическую или эллиптическую форму (реже – линейную) из прозрачного или светорассеивающего стекла. Спектр излучения ламп – сплошной. Имеет приятный золотисто-белый оттенок, цветопередача удовлетворительная - преимущества (в некоторых экспериментальных образцах – хорошая), поэтому область применения этих ламп шире, чем НЛ НД.

Несмотря на то, что цена НЛ ВД в 7-10 раз превышает цену ламп ДРЛ - недостаток, их применение дает заметную экономию капитальных и эксплуатационных затрат - преимущество, поэтому они все более вытесняют другие типы источников света, особенно в установках уличного освещения. Применяются НЛ ВД и для освещения пешеходных дорог и площадей, спортивных и транспортных сооружений, стройплощадок, складов, высокопролетных производственных помещений, некоторых монументов, памятников архитектуры и крупных общественных зданий, иногда в сочетании с другими источниками (МГЛ, ДРЛ, ГЛН). По мере совершенствования НЛ НД, улучшения их цветовых характеристик, освоения производства ламп малой мощности и снижения стоимости они будут применяться для освещения интерьеров производственных и общественных зданий.

В группу газоразрядных источников света сверхвысокого давления входят ксеноновые лампы –КсЛ. Они представляют собой разрядную колбу в виде трубки или шара из кварцевого стекла, заполненную ксеноном. Электрический разряд в этом газе характеризуется высокой яркостью и непрерывным спектром излучения, близким к солнечному и обеспечивающим высококачественную цветопередачу – преимущество. Поэтому шаровые ксеноновые лампу небольших размеров и мощности (75-2000 Вт) применяются в основном 1) в проекционных приборах с цветным изображением.

Мощные лампы (от 5 до 100кВт), способные работать при низких температурах, используются в тех случаях, когда на обширной территории нужно создать небольшую освещенность: 2) открытые карьеры, строительные площадки, сортировочные станции или обеспечить хорошее цветовоспроизведение: 3) полихромные архитектурные ансамбли, выставки. Их устанавливают обычно на большой высоте, чтобы избежать ослепления. В темноте свет ксеноновых ламп кажется холодно-белым, зрительно «разбеливающим» цвет предметов.

Ксеноновые лампы имеют относительно невысокие световые характеристики, требуют сложной системы зажигания, а для некоторых типов и охлаждения - недостатки, поэтому на практике они вытесняются более эффективными МГЛ и НЛВД.

Литератула: Л – 1 стр. 129 – 144; Л – 7 стр. 119 – 132.

тестовые задания:

90. Соотнесите источники света с основными группами

А. Тепловые	1-люминисцентные лампы, 2-ксеноновые лампы, 3-лампы накаливания, 4-люминесцентные лампы 5-металлогалогеновые 6-галогенные лампы накаливания
Б. Газоразрядные

91. Основной недостаток ламп накаливания является

а) малый спектр излучения, тёплого оттенка

б) экономическая неэффективность кпд

в) малый срок службы

92. Основное достоинство ламп накаливания

а) малая стоимость

б) небольшой размер

93. Главное положительное свойство газоразрядных ламп

а) более высокую эффективность

б) разнообразные спектры излучения

94. От чего зависит цветность газоразрядных ламп

а) от состава люминофора

б) от состава газа

в) от метала катодов

95. Недостатоки газоразрядных ламп

а) большой вес

б) неэкологичность

в) плохая цветопередача

г) пульсация светового потока

96. Люминесцентные лампы на улице

а) не применяются из-за требовательности к холоду

б) подходят для освещения пешеходных дорог и площадей в виду высокого кпд

97. Натриевые лампы низкого давления используют в основном в

а) в помещениях с требованием к высокой цветопередаче широкого спектра, приближенного к естественному свету

б) уличное освещение с высоким кпд, но с желто-оранжевым оттенком

98. Какие лампы применяются в жилых помещениях?

а) люминесцентные тёпло-белые

б) натриевые лампы высокого давления

99. Металлогалогеновая лампа является ли газоразрядной

а) да

б) нет

100. Температура излучения вольфрамовой дуги

а) 1200 Со

б) 2700 К