Джерела штучного освітлення, загальні характеристики

У розвитку засобів освітлення розрізняються два періоди: доелектричний і електричний. Примітивна техніка й мала потужність доелектричних джерел світла (фітіль, свічка, гасова лампа, газовий пальник), одноманітний спектр випромінювання дуже обмежували архітектурні можливості їх використання. При всьому цьому в класичній архітектурі палаців XVIII i XIX століття відомі цікаві приклади застосування освітлюючих пристроїв тієї епохи. Зокрема, великих люстр із кришталю або з венеціанського ліпного скла, бра, торшерів та інших приладів, які самі по собі збагачували інтер’єр завдяки багаторазовому відбиттю світлових потоків у дзеркалах, створювали насиченість приміщень світлом.

Електричний період засобів освітлення пов’язується з появою ламп розжарювання і триває до сьогодення.

Висока яскравість електричних ламп, засліплююче їх випромінювання при попаданні в поле зору примусило до пошуків нових світлотехнічних матеріалів (опалового і молочного скла, світлотехнічного паперу, пластмаси та ін.), із яких виготовляються плафони, ковпаки, панелі, абажури. Вони дозволяють знизити яскравість, видозмінити спектр і розподілити світлові потоки згідно із призначенням приміщення й художніми задумами щодо освітлення.

Рис. 2.2. Схема до означення прямої (а), периферійної (б)

і відбитої (в) блисткості

Електричні лампи мають геометричні, електричні, світлотехнічні, санітарно-гігієнічні та деякі інші характеристики.

Геометричними характеристиками ламп є їх геометричні розміри (наприклад, діаметр і висота колби), висота світлового центра і тип (розміри)цоколя. Останній визначається типом патрона для лампи, встановленого у світильнику.

Електричними характеристиками ламп є:

– потужність у ватах (Вт);

– напруга живлення у вольтах (В).

Потужність визнається необхідним значенням світлового потоку. Напруга дорівнює напрузі мережі живлення (220 В), а при послідовному ввімкненні кількох ламп зменшується у стільки разів, скільки ламп ввімкнено послідовно. Слід зазначити, що не можна послідовно вмикати лампи різної потужності, оскільки вони споживають різний струм. В усіх випадках сумарна потужність і напруга живлення ламп не повинні перевищувати відповідну потужність та напругу, на які розрахований світильник.

Найважливішими експлуатаційними характеристиками ламп є:

- світловий потік;

- світлова віддача;

- питома потужність;

- спектр випромінювання;

- термін служби.

Серед інших характеристик ламп найважливішими є коефіцієнт пульсації (для розрядних ламп), а також можливість регулювання світлового потоку.

Світлова віддача – це відношення світлового потоку лампи в люменах (лм) до її електричної потужності у ватах (Вт). Світлова віддача характеризує ефективність роботи лампи як перетворювача електричної енергії в світлову.

Іноді для характеристики лампи використовують обернено пропорційну світловій енергії величину – питому потужність. Це відношення потужності лампи до її сили світла в канделах (кд), але ця величина не набула поширення в спеціальній технічній літературі.

Очевидно, що світловий потік (сила світла), який випромінює лампа, пов’язаний з її світловіддачею і потужністю (питомою потужністю):

Ф = Н×Р, (2.10)

І = Р/η, (2.11)

де Ф – світловий потік (лм); І – сила світла (кд); Р – електрична потужність (Вт); Н – світлова віддача (лм/Вт); η – питома потужність (Вт/кд).

Спектр випромінювання лампи характеризує розподіл випромінюваної енергії по довжинах світлових хвиль, які лежать у межах від 400 нм до 760 нм. Спектр може бути суцільним, коли довжина випромінюваних хвиль безперервно змінюється в межах оптичного діапазону, і лінійчастим, коли випромінюється сукупність хвиль певної довжини. Своєю назвою ці спектри завдячують спектральним приладам, у яких кожній довжині хвилі відповідає певна лінія. Оскільки в суцільному спектрі є хвилі будь-якої довжини, ці лінії зливаються, утворюючи суцільну смугу (спектр), в іншому випадку спектр являє собою ряд окремих спектральних ліній.

Очевидно, оптимальним для людського зору є спектр сонячного випромінювання поблизу поверхні Землі, в якому максимум випромінювання припадає на довжину хвилі 555 нм (зелений колір). Зміщення спектра відносно природного в бік довгих або коротких хвиль, відсутність у спектрі хвиль певної довжини (кольору) спотворює колір предметів, зменшує різкість зору і посилює втому під час зорової роботи.

Терміни служби ламп поділяються на середній та корисний:

– середній – тривалість горіння партії ламп (у годинах) від моменту вмикання до моменту перегорання;

– корисний – час, протягом якого економічно доцільно експлуатувати лампу.

Корисний термін служби визначається як час, протягом котрого світлова віддача, або світловий потік, зменшується не нижче від допустимого держстандартами (ГОСТ) рівня (наводиться в технічній документації лампи). Так, для ламп розжарювання допускається зменшення світлового потоку на 20% від початкового значення, а для люмінесцентних ламп – на 30%.

Експлуатація ламп після закінчення корисного терміну служби призводить до збільшення витрат електроенергії при заданій величині світлового потоку або (що буває частіше) до зменшення світлового потоку нижче від розрахованих значень при тому ж самому рівні споживання електроенергії.

Для врахування зменшеності освітленості в процесі експлуатації вводиться коефіцієнт запасу К, який ураховує як зниження світловіддачі ламп, так і зменшення в результаті старіння й забруднення ККД світильників та відбиваючих властивостей поверхонь приміщення. Нормами встановлюється К_з = 1,3 – 2 для промислових освітлювальних установок і К_з = 1,3 – 1,5 для освітлювальних установок громадських будівель. Для розрядних ламп К_з беруть більшим, для ламп розжарювання – меншим.

Усі існуючі на сьогодні джерела світла поділяються на лампи розжарювання і розрядні (застаріла назва – газорозрядні) лампи.

Лампи розжарювання

У лампах розжарювання використовується теплове випромінювання нагрітої вольфрамової спіралі (табл. 2.1).

Таблиця 2.1

Порівняльні характеристики деяких джерел теплового випромінювання

1) мінімальне значення відповідає лампам потужністю 40 Вт, максимальне – лампам потужністю 1000 Вт.

2) лампи потужністю 15 і 25 Вт.

Найбільш поширені лампи розжарювання загального призначення [39] вакуумні – потужністю 15 Вт і 25 Вт та газонаповнені – потужністю від 40 Вт до 1000 Вт. Ці лампи мають номінальну напругу живлення 130 В, 220 В, 225 В, 235 В і 240 В. Тип лампи вказує перший елемент (буква) в умовному позначенні: В – вакуумна, Б і Г – заповнені аргоном, БК – із підвищеною світловіддачею, заповнені криптоном. Лампи мають прозорі або світлорозсіюючі колби (мають додаткові букви в першому елементі умовного позначення): матові (МТ), молочні (МЛ), опалові (О). Другий елемент умовного позначення – два тризначних числа вказують допустимі значення напруги живлення (у вольтах), третій – число, яке вказує на номінальну потужність лампи. Всі числа розділяються дефісом. Додатковий четвертий елемент (цифра 1) указує на відмінну особливість (діаметр колби) лампи. Наприклад, Б 215-225-75 означає заповнену аргоном лампу розжарювання потужністю 75 Вт, розраховану на напругу живлення 215-225 В. Для місцевого освітлення застосовуються також лампи напругою 12 і 36 В. На 12 В виготовляються лампи потужністю 15, 25, 40 і 60 Вт зі світловими віддачами відповідно 12; 13; 14 лм/Вт, на 36 В – потужністю 25, 40, 60 та 100 Вт зі світловіддачами 9,4; 11,2; 13,3 і 15,5 лм/Вт [30]. Також випускаються лампи розжарювання спеціального призначення: проекційні, прожекторні, транспортні тощо; з віддзеркалюючим та дифузним покриттям колби; кварцові, кольорові лампи, а також галогенні лампи з йодно-вольфрамовим циклом.

Галогенні лампи мають, як правило, витягнуті в довжину колби, паралельно стінкам котрих розташовані одна або декілька спіралей нитки розжарювання. Вони характеризуються великою потужністю при малих розмірах, підвищеною світловою віддачею (табл. 2.1) і терміном служби. Це зумовлює їх використання у фарах автомобілів, проекційній апаратурі, кіно- й телепроекторах. Галогенні лампи для загального освітлення (виробництва Росії) типу КГ розраховані на напругу живлення 220 і 240 В потужністю 100, 1000, 1500, 2000 та 5000 Вт, мають світловіддачу 22 лм/Вт і термін служби 2000 год [47].

Малогабаритні галогенні лампи типу КГМ (виробництва Полтавського заводу ГРЛ) напругою живлення 12 та 24 В мають потужність 20, 35, 50 і 60 Вт і випромінюють світловий потік відповідно 350, 595, 850 та 1000 лм (для обох значень напруги), термін служби 2000 год.

Позначення, наприклад КГМ 12-50, означає малогабаритну галогенну лампу розжарювання напругою живлення 12 В, потужністю 50 Вт.

Виробляються галогенні лампи з підвищеною світловіддачею (24-29 лм/Вт), але малим терміном служби (це досягається внаслідок підвищеної температури нитки розжарювання). Їх параметри наведені в таблиці 2.2.

Головною перевагою, яка зумовлює широке використання ламп розжарювання, особливо в побуті і для місцевого освітлення, є простота та низька вартість їх установки й заміни. Також перевагами ламп розжарювання є суцільний спектр випромінювання, який забезпечує прийнятну кольоропередачу для більшості зорових робіт, широкий діапазон потужностей ламп від часток Вт до 100 кВт, практична відсутність періоду розгорання (на відміну від розрядних ламп), низький рівень пульсацій світлового потоку, спричинений інерційністю процесу нагрівання й охолодження нитки розжарювання. Так, при живленні змінним струмом частотою 50 Гц коефіцієнт пульсації для лампи розжарювання потужністю 100 Вт становить 5%, що дозволяється будівельними нормами для всіх видів робіт. Головним недоліком ламп розжарювання є низька світлова віддача (дещо зростає із підвищенням потужності лампи, але є найнижчою серед існуючих джерел світла) (табл. 2.1) і малий термін служби (найменший серед усіх джерел світла). Це пов’язано з тим, що максимум енергії випромінювання лампи припадає на інфрачервоний (тепловий) діапазон хвиль, який не сприймає око людини. Внаслідок цього спектр випромінювання ламп розжарювання зсунутий відносно природного сонячного спектра в область більш довгих (червоних) хвиль, що є ще одним із недоліків ламп розжарювання. Власне, щоб отримати максимальну світловіддачу і найближчий до природного спектр випромінювання розжареного тіла, його слід було б нагріти до температури, близької до температури сонячної поверхні, що звичайно ж неможливо. Підвищення температури нитки розжарювання ламп хоч і підвищує світловіддачу, але зменшує термін служби ламп, бо при цьому посилюється випаровування вольфраму з поверхні нитки і його осідання на стінках скляної колби, що зменшує її прозорість. Саме ці фактори обмежують термін служби лампи й зумовлюють погіршення її світлотехнічних характеристик (зменшення світлового потоку і світловіддачі) в процесі експлуатації. Оскільки світлотехнічні характеристики та термін служби ламп розжарювання взаємообумовлені: поліпшення одного параметра погіршує інший, навряд чи можна сподіватися на значне поліпшення їх параметрів, які в останні десятиріччя практично не змінюються. Тому в лампах розжарювання за заданим середнім терміном служби (1000 год) [30] установлюють відповідну температуру нитки розжарювання. У галогенних лампах із йодно-вольфрамовим циклом, унаслідок хімічних реакцій, вольфрам, що випарувався, зі стінок колби лампи частково повертається і виділяється на спіралі нитки розжарювання. Це у 2 рази підвищує їх термін служби порівняно із звичайними лампами розжарювання і світловіддачу за рахунок вищої температури нитки розжарювання (табл. 2.1).

Таблиця 2.2

Параметри галогенних ламп розжарювання підвищеної світлової віддачі (виробництва Полтавського заводу ГРЛ)

Указаний вище недолік, пов’язаний із тим, що в спектрі ламп розжарювання порівняно із природним (сонячним) світлом посилені довгохвильові (червоний і жовтий кольори) й послаблені короткохвильові частини спектра (синій та фіолетовий кольори), призводить до спотворення передачі кольорів, і тому забороняється використання ламп розжарювання для освітлення при виконанні ряду робіт, що пов’язані з точним відтворенням кольорів, наприклад, фарбування тканин, вибракування тканин, кольорова поліграфія тощо.

Недоліком ламп розжарювання є також сильна залежність терміну служби від коливань напруги. Так, якщо при підвищенні напруги на 20% термін служби люмінесцентних ламп зменшується вдвічі, то у ламп розжарювання він зменшується у 20 разів.

Світловий потік ламп розжарювання легко регулюється зміною напруги живлення від 100% до нуля. Але зі зменшенням напруги максимум випромінювання ще більше зсувається в область інфрачервоних хвиль, унаслідок чого значно зменшується світловіддача, тому таке регулювання використовується лише для створення спеціальних світлових ефектів: плавного гасіння світла в театрах, кінотеатрах і концертних залах, у світломузичній апаратурі та ін. Тривала експлуатація ламп при знижених напругах не застосовується, оскільки зменшення світлової віддачі призводить до значних перевитрат електроенергії.