+7-351-
215-23-09


Электрические источники света

Источники света — это излучатели электромагнитной энергии и видимой части спектра. Источники света характеризуются электрическими и светотехническими параметрами — напряжением, мощностью, световым потоком, световой отдачей, силой света и продолжительностью горения.

Световой поток — это величина, которой оценивается мощность оптического излучения. Например, световой поток электролампы накаливания мощностью 25 Вт напряжением 220 В равен около 220 лм.

Мощность лампы — количество электрической энергии, потребляемой лампой в единицу времени.

Освещенность (Е) — световой поток, приходящийся на единицу освещаемой поверхности. Единицей освещенности является люкс (лк).

Сила света определяет плотность светового потока в данном направлении, и равна отношению светового потока, распространяющегося от источника внутри телесного угла к этому углу. Единицей силы света является кандела (кд).

Поверхностная плотность силы света в заданном направлении называется яркостью. Единицей яркости является кандела на квадратный метр — кд/м².

Световая отдача (лм/Вт) — отношение светового потока лампы к ее мощности. Эта величина характеризует экономичность лампы. При одинаковой мощности ламп накаливания, но при различном номинальном напряжении световая отдача ламп также различна. Так, для лампы накаливания при номинальном напряжении 127 В световая отдача примерно на 10% выше, чем для лампы той же мощности на напряжение 220 В.

Средняя продолжительность горения (ч) — среднее арифметическое число часов продолжительности горения партии ламп. Как правило, срок службы ламп накаливания равен 1000 ч горения при нормальном напряжении сети.

Современные источники света подразделяются на две основные группы — лампы накаливания и газоразрядные.

Виды ламп
Рис. 44. Лампа накаливания (а), ДРЛ (б) и люминесцентный (в) источники света:
1 — колба; 2 — нить накала; 3 — кварцевая горелка; 4 - слой люминофора; 5 — цоколь; 6 — трубка стеклянная.

Лампа накаливания (рис. 44, а) - это источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит за счет накаливания тугоплавкого проводника электрическим током. Лампа накаливания представляет собой стеклянную колбу, внутри которой в вакууме или инертном газе находится нить из тугоплавкого проводника. Чаще всего нить накала выполняют в виде одинарной или двойной спирали.

Лампы, из объема которых выкачан воздух, называются вакуумными, в отличие от газонаполненных, колбы которых заполняются инертным газом (смеси азота, аргона, ксенона, криптона). Газонаполненные лампы по сравнению с вакуумными имеют лучшую светоотдачу, т. е. газ, находящийся в колбе под давлением, препятствует испарению вольфрама. Это позволяет повысить температуру накала, за счет чего увеличивается световой поток лампы и улучшается ее цветность.

Недостатком ламп накаливания является низкий коэффициент полезного действия. В энергию светового потока превращается только 4% всей потребляемой электрической энергии, а остальная часть преобразуется в тепловую энергию, излучаемую лампой.

Электрические, светотехнические характеристики и продолжительность горения ламп накаливания зависят от изменения питающего напряжения. При пониженном напряжении уменьшается световой поток, а при повышенном — резко снижается продолжительность горения лампы : при превышении напряжения на 15% выше номинального лампы выходят из строя.

Несмотря на относительно малую среднюю продолжительность горения и невысокую световую отдачу (10-13 лм/Вт) лампы накаливания широко применяются в различных областях народного хозяйства. Это объясняется простотой и удобством их эксплуатации, универсальностью применения, удовлетворительным спектром излучения, компактностью конструкции и дешевизной. Промышленность выпускает лампы накаливания общего назначения на следующие стандартные мощности (Вт): 15, 25, 40, 60, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 1500.

Для освещения открытых площадей и территорий предприятий применяют галогенные лампы накаливания. Конструктивно лампа устроена в виде кварцевой трубки, заполненной инертным газом с добавкой галогенов или их соединений, обеспечивающих замедленное испарение тела накала. Галогенные лампы при одинаковой с обычной лампой накаливания мощностью имеют меньше размеры, значительно более высокую световую отдачу (22-30 лм/Вт), срок службы их в два раза превышает обычные лампы накаливания. Промышленность выпускает галогенные лампы мощностью от 500 Вт до 20 кВт.

Газоразрядные источники света — лампы, в которых излучение диапазона длин волн возникает в результате электрического разряда в среде инертных газов, паров металлов или их смесей (рис. 44, б, в).

К газоразрядным источникам света относятся люминесцентные лампы, дуговые ртутные лампы с люминофором (ДРЛ), ксеноновые газоразрядные лампы (ДКсТ), дуговые ртутные лампы с иодидами (ДРИ), дуговые натриевые лампы высокого давления (ДНаТ).

Люминесцентная лампа — это газоразрядный источник света, световой поток которого определяется свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения. Основные светотехнические характеристики люминесцентных ламп приведены в таблице ниже.

Светотехнические характеристики люминесцентных ламп
Параметр Тип лампы
ЛБ-20 ЛБ-40 ЛБ-80 ЛБ-125
Мощность, Вт 20 40 80 125
Световой поток, лм 1180 3000 4550 6500
Световая отдача, лм/Вт 49 62 54 52
Срок службы, ч 10000 10000 10000 10000

Конструкция люминесцентной лампы (рис. 44, в) обеспечивает длительное, устойчивое ее горение. Стеклянная трубка лампы (прямая, U-образная, кольцевая или другой формы) изнутри покрыта тонким слоем люминофора и концы ее герметично запаяны. Из трубки удален воздух и внутрь ее введен при низком давлении инертный газ —аргон и капля ртути. В торцах трубки укреплены вольфрамовые специальные электроды с оксидным покрытием, которое служит для получения необходимой электронной эмиссии. При подключении лампы к источнику переменного тока происходит нагрев электродов, ртуть испаряется и между электродами возникает электрический разряд. Разряд сопровождается интенсивным ультрафиолетовым излучением, под действием которого люминофор испускает свет. Различную цветность люминесцентных ламп можно получить путем изменения состава люминофора.

Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения. При этом их световая отдача, достигающая 75 лм/Вт, и срок службы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения.

Так, люминесцентная лампа мощностью 40 Вт имеет световой поток 3000 лм и средний срок службы 10000 ч, в то время, как лампа накаливания той же мощности имеет световой поток 460 лм и срок службы 1000 ч. Через 4000 ч горения световой поток люминесцентной лампы остается достаточно большим (2250 лм для лампы 40 Вт), в то время как лампа накаливания уже отслужила свой срок.

Недостатком этих ламп являются периодические пульсации их светового потока с частотой, равной удвоенной частоте электрического тока. Человеческий глаз не в состоянии заметить эти мелькания света благодаря зрительной инерции, но если частота движения детали совпадает с частотой импульсов света, то деталь может показаться неподвижной или медленно вращающейся в противоположную сторону из-за стробоскопического эффекта. В этом случае лампы включают в различные фазы трехфазного тока (пульсация светового потока будет в разные полупериоды).

Люминесцентные лампы при включении в сеть снабжаются пускорегулирующими аппаратами, так как при непосредственном включении лампы в сеть любое кратковременное снижение напряжения приводит к резкому нарастанию тока и перегоранию ее электродов.

Применение люминесцентных ламп в наружных осветительных установках связано с рядом трудностей. Для работы лампы при пониженной температуре необходимо значительное повышение напряжения зажигания: при снижении температуры ниже 0°С световой поток уменьшается в 6—10 раз. Поэтому при использовании люминесцентных ламп для освещения территорий, улиц, площадей применяют специальные светильники с двумя или тремя лампами, групповой теплоизоляцией и последовательным включением ламп с одним пускорегулирующим аппаратом. Эти светильники эффективно работают в диапазоне температур от +35 до -20 °С. При более низкой температуре применяют в светильниках специальные дополнительные трубчатые нагреватели, которые обеспечивают поддержание оптимального теплового режима на стенках ламп.

Промышленность выпускает около 100 различных типоразмеров люминесцентных ламп общего назначения. Наиболее распространенные типы ламп мощностью 15, 20, 30 Вт на напряжение 127 В и 40, 80, 125 Вт на напряжение 220 В. Средняя продолжительность горения ламп составляет 10000 ч.

В обозначениях маркировки люминесцентных ламп применяются следующие буквы: Л — люминесцентная, Д — дневного, Б — белого, ХБ — холодно-белого, ТБ — тепло-белого света, Ц — улучшенной цветопередачи, А — амальгамные.

Лампы дуговые ртутные с люминофором (ДРЛ) состоят из цоколя 5, баллона (колбы) 1 и кварцевой горелки 3 (рис. 44, б). Кварцевая трубчатая горелка с двумя основными и двумя поджигающими электродами заполнена чистым аргоном под давлением 2,5 —4,5 кПа и дозированным количеством ртути (40 — 60 мг). Цоколь обычного резьбового типа. Колба, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором, служит для защиты деталей горелки от окисления и механических повреждений, предотвращает выход ультрафиолетового излучения наружу и обеспечивает необходимый температурный режим на горелке и слое люминофора. Колба после откачки воздуха заполняется аргоном до давления в несколько десятков кПа.

При подаче напряжения на электроды лампы в парах ртути образуется электрический разряд, создающий интенсивное ультрафиолетовое излучение в сине-зеленой части спектра. Под воздействием ультрафиолетовых лучей люминофор излучает световой поток оранжево-красного цвета, создавая смешанный с основным световым потоком видимый человеческим глазом белый свет с зеленоватым оттенком. Оптимальная температура для люминофоров ламп ДРЛ равна 250 — 350 С.

Лампы ДРЛ имеют компактную конструкцию, высокую концентрацию светового потока, достаточно большую удельную световую отдачу (40 — 55 лм/Вт), практическую независимость светового потока от температуры окружающей среды, высокий срок службы (6000 — 8000 ч). Однако срок службы ламп зависит от числа включений. Например, при работе лампы в 10-ти часовом режиме в сутки их срок службы снижается в 1,5 раза по сравнению с режимом непрерывного горения.

Светотехнические характеристики ламп ДРЛ
Параметр Тип лампы
ДРЛ-80 ДРЛ-125 ДРЛ-250 ДРЛ-400 ДРЛ-700
Мощность, Вт 80 125 250 400 700
Световой поток, лм 3200 5600 11000 19000 35000
Световая отдача, лм/Вт 35 38,5 40 45 47
Ток, А 0,8 1,115 2,15 3,25 5,45
Срок службы, ч 7500 7500 7500 7500 7500

Промышленность выпускает лампы мощностью 80, 125, 250, 400, 700, 1000 и 2000 Вт со световым потоком от 3200 до 50000 лм.

При использовании ламп ДРЛ в установках наружного освещения следует учитывать их характеристики зажигания. При температурах окружающего воздуха +20 С лампы должны загораться при напряжении до 180 В, при снижении температуры до -25 °С потребуется напряжение 205 В, 250 и 300 В для ламп мощностью 400, 700 и 1000 Вт соответственно. Для районов страны с пониженными температурами (Крайний Север, Сибирь) выпускают специальные лампы в северном исполнении мощностью 125-1000 Вт (например, типы ДРЛ-125 ХЛ1, ДРЛ-250 ХЛР).

Лампы дуговые ртутные иодидные (ДРИ) — конструктивно напоминают лампы ДРЛ, но внешняя колба не покрыта люминофором, кварцевая горелка более короткая и имеет на концах теплоотражающее покрытие, а внутрь колбы горелки вводятся наряду со ртутью и наполняющим газом аргоном иодиды некоторых металлов (натрия, таллия, индия и др.). Введение этих металлов позволяет варьировать в широких пределах спектральный состав излучения разряда, увеличивать видимую часть излучения и отказываться от использования люминофора. Световая отдача этих ламп достигает 90-100 лм/Вт, что в 1,5-2 раза выше, чем у ламп ДРЛ. Мощности ламп ДРИ соответствуют обычному ряду мощности ламп ДРЛ, а их электрические характеристики практически совпадают или очень близки. Срок службы ламп ДРИ меньше, чем у ламп ДРЛ и составляет 3000—5000 ч. Катоды в лампах ДРИ активируют окисью или торием, поэтому в сети для зажигания ламп даже при положительной температуре требуется повышенное напряжение.

Дуговые натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) — представляют собой цилиндрическую разрядную трубку из светопропускающей поликристаллической окиси алюминия. Концы трубки герметично закрыты ниобиевыми колпаками, на которых укреплены активированные вольфрамовые электроды. Внутрь трубки введено дозированное количество натрия, ртути и газа ксенона. Внешний баллон для теплоизоляции имеет глубокий вакуум 10-4 - 10-5 Па. В рабочем состоянии давление паров натрия составляет 25 — 27 кПа, при этом лампа излучает мощный световой поток с заметно желтым светом. Световая отдача ламп составляет 115-125 лм/Вт, а средняя продолжительность горения 15-20 тыс. ч, что дает возможность применять их для освещения больших открытых пространств: высокопролетных цехов, карьеров, строительных площадок, территорий предприятий, площадей и т. д.