Вопрос 5. Источники искусственного света и светильники

Электрический светильник – это совокупность источника света и осветительной арматуры, предназначенной для выполнения ряда функций (рис.7). Светильник обеспечивает крепление лампы, присоединение к ней электрического питания.

Рисунок 7 – Классификация светильников

Степень возможного ограничения слепящего действия источника света определяется защитным углом светильника, под которым понимают угол между горизонталью и линией, соединяющей край светящей нити (поверхность лампы) с противоположным краем отражателя (рис.8, 9, табл.2). Чем больше защитный угол, тем лучше защитное действие светильника. Снижение слепящего действия люминесцентных ламп достигается применением в светильниках разнообразных экранирующих решеток.

Рисунок 8 - Защитные углы для различных типов светильников, лампы которых полностью или частично видны (или их отражение), когда на них смотрят под критическим углом

Таблица 2 - Минимальные защитные углы, требуемые для светильников, лампы которых видны полностью или частично, когда на них смотрят под критическим углом

Диапазоны средних яркостей ламп, кд/м	Классы качества по ограничению блескости	Тип лампы
А, В, С	D, E
<20x10	20°	10°	Трубчатые люминесцентные лампы
20x10 < <500x10	30°	20°	Газоразрядные лампы высокого давления в люминесцентных или рассеивающих колбах
500х10 <	30°	30°	Газоразрядные лампы высокого давления с прозрачными горелками, лампы накаливания в прозрачных колбах

Рисунок 9 – Функции защитной арматуры светильника.

По распределению светового потока различают следующие типы светильников:

- светильники прямого света, когда в нижнюю полусферу излучается не менее 80 процентов всего потока;

- светильники преимущественно прямого света, когда в нижнюю полусферу излучается от 60 процентов до 80 процентов светового потока;

- рассеянного света, когда в каждую полусферу излучается от 40 до 60 процентов светового потока;

- преимущественно отраженного света, когда в нижнюю полусферу излучается от 20 до 40 процентов светового потока;

- отраженного света, когда в нижнюю полусферу излучается менее 20 процентов светового потока.

В зависимости от степени защиты от окружающей среды согласно ГОСТу 13828-68 "Светильники. Виды и обозначения" различают светильники по степени защиты от пыли: незащищенные, незащищенные (перекрытые); пылезащищенные и пыленепроницаемые, а по степени защиты от воды - незащищенные, брызгозащищенные, струезащищенные, водонепроницаемые и герметичные.

При выборе светильников руководствуются следующими параметрами:

- условиями производственной среды (например, микроклиматические параметры ограничивают возможность использования газоразрядных ламп в светильнике, поскольку они чувствительны к температуре воздуха и при 0ºC их зажигание затруднено);

- требованиями безопасности в зависимости от особенностей производственного процесса (наличие в помещении химически активной среды, характеристики помещения по пожарной и взрывной опасности обусловливают необходимость использования взрывозащищенного светильника);

- требованиями к освещению в соответствии с разрядом зрительных работ;

- размеры помещения (в высоких помещениях используют светильники концентрированного светораспределения);

- вид отделки помещения (если в помещении стены и потолок обладают высокими отражающими свойствами, используют светильники преимущественно прямого света, направляющие часть светового потока на потолок);

- удобство эксплуатации и обслуживания;

- экономичность;

- эстетическими требованиями.

Светильники местного освещения предназначены для освещения места выполнения работы. Они крепятся на шарнирных кронштейнах, обеспечивающих возможность их перемещения и изменения направления светового потока. Т.к. светильники местного освещения располагаются в непосредственной близости от глаз работающего, необходимо чтобы защитный угол светильника был не менее 30 градусов, а при расположении светильника на уровне глаз – не менее 10 градусов, что исключит ослепление и будет правильно освещать рабочую поверхность.

Особую группу осветительных приборов составляют прожекторы, в которых с помощью системы линз и зеркал свет концентрируется узким лучом. Прожекторы широко используются для освещения открытых пространств, карьеров, территорий предприятий, строительных площадок, складов и т.д.

Для создания искусственного освещения применяют различные электрические источники света: лампы накаливания и газоразрядные лампы (рис. 10). При выборе и сравнении источников света друг с другом пользуются следующими параметрами:

1) Излучение источника (световой поток, излучаемый лампой (лм) или максимальная сила света (кд); яркость и ее распределение, спектральный состав потока, световая отдача (лм/Вт));

2) Электрический режим источника (номинальное напряжение питания (В); электрическая мощность лампы (Вт); сила тока и род тока (постоянный, переменный с определенной частотой и т.д.));

3) Конструктивные характеристики (габаритные и присоединительные размеры; высота светового центра; форма колбы, ее оптические свойства (прозрачная, матированная, зеркализованная и т.д.); конструкция ввода и т.д.);

4) Эксплуатационные параметры (эффективность, надежность, экономичность).

Рисунок 10 – Классификация источников света

Лампа накаливания – это лампа, в которой свечение создается путем подогрева тела накаливания (вольфрамовой спирали). Подогрев в лампе накаливания осуществляется пропусканием через спираль электрического тока. Впервые световую энергию таким образом получил русский ученый А.Н.Лодыгин в 1872 году. В 1879 году американский изобретатель Т.А. Эдисон создал удобную для промышленного изготовления и достаточно долговечную конструкцию – лампу накаливания с угольной нитью. В начале 20 века появились лампы накаливания с зигзагообразной вольфрамовой нитью, а затем появились лампы накаливания, наполненные различными газами, вольфрамовая нить же стала спиралеобразной. Лампы накаливания делятся на следующие типы:

- лампа накаливания с угольной нитью;

- лампа накаливания с танталовой нитью;

- лампа накаливания с вольфрамовой нитью (вакуумная);

- лампа накаливания с вольфрамовой биспиралью (газополная, технический криптон);

- лампа накаливания с вольфрамовой биспиралью (галогенная);

- лампа накаливания с вольфрамовой плоской спиралью (галогенная).

Для увеличения температуры тела накала и снижения его скорости распыления,

вместо угольной нити в современных лампах применяется спиральная или биспиральная вольфрамовая нить и в подавляющем большинстве типов ламп вместо вакуума используются инертные газы: криптон или аргон. Также разработан класс ламп с зеркальным отражателем. Их называют лампами- светильниками. Лампы накаливания очень чувствительны к колебаниям напряжения в сети. При скачках напряжения резко снижается срок службы, а недостаточное напряжение ведёт большой потере светового потока, хотя срок службы при этом возрастает. Стабильная работа ламп обеспечивается при колебаниях напряжения не более чем на 5 %. Для сетей с постоянным перенапряжением в России производятся лампы с маркировкой 230-240 В. Лампы накаливания одинаково хорошо работают на переменном и постоянном токе.

Практически для всех типов ламп средний срок службы составляет примерно 1000 ч. На самом деле он может быть меньшим в зависимости от условий эксплуатации и конструктивного исполнения светильника. При работе в среднем 8 ч в день лампа служит обычно 3-5 месяцев.

Лампы имеют относительно невысокую световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт. Этот показатель возрастает при повышении мощности лампы и снижении напряжения, на которое она рассчитана. Выделить лучшую по энергоэкономичности лампу можно по её белому излучению.

Лампы накаливания – источник света в жилых помещениях и общественных зданиях. Их невысокий срок службы и световая отдача бывают не имеют большого значения в помещениях с кратковременным пребыванием людей и при низких нормированных значениях освещённости.

В последнее время большое распространение получили галогенные лампы. По принципу действия они такие же, как и другие лампы накаливания. Основное отличие в том, что внутренний объём лампы заполнен парами йода или брома – т.е. галогенных элементов, что и выражено в названии ламп. В этих лампах применяется химическая способность этих элементов непрерывно «собирать» осевшие на колбе испарившиеся частицы вольфрама и возвращать их на вольфрамовую спираль. Этот «галогенно-вольфрамовый цикл» дает возможность повысить температуру и срок службы тела накала и тем самым повысить в 1,5-2 раза световую отдачу. Другим важным отличием является то, что колба выполнена не из обычного, а из кварцевого стекла, более устойчивого к высокой температуре и химическим взаимодействиям. В результате, размеры галогенных ламп можно уменьшить в несколько раз по сравнению с обычными лампами такой же мощности. Некоторые типы ламп имеют также фильтры, не пропускающие УФ лучи. Как и все лампы накаливания, галогенные лампы резко реагируют на изменение напряжения в сети. Увеличенное на 5-6% напряжение может привести к почти двукратному сокращению срока службы. Энергоэкономичность в 1,5-2 раза выше, чем у других ламп накаливания. Большинство ламп имеют срок службы 2000 ч. Это в 2 раза больше, чем обычные лампы накаливания.

Люминесцентные (газоразрядные) лампы – наиболее распространенный источник света для создания общего освещения в помещениях общественных зданий: офисах, школах, учебных и проектных институтах, больницах, магазинах, банках, предприятиях текстильной и электронной промышленности и др.. Так же целесообразно их применение в жилых помещениях для освещения рабочих поверхностей на кухне, общего или местного освещения прихожей и ванной комнаты. Нецелесообразно применение ламп в высоких помещениях, при температуре воздуха ниже 5°C и при затруднённых условиях обслуживания. Лампы характеризуются высоким сроком службы, достигающим 15000 ч. В режиме частых включений срок службы лампы резко снижается. Главное преимущество люминесцентных ламп – энергоэкономичность. Их световая отдача, в зависимости от цветности, качества цветопередачи, мощности и типа ПРА расположена в пределах от 50 до 90 лм/Вт. Наименее экономичны лампы небольшой мощности и высоким качеством цветопередачи.

Газоразрядная лампа представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда некоторое количество металла или др. вещества (например, галоидной соли) с достаточно высокой упругостью пара. Принцип действия газоразрядных ламп состоит в применении электролюминесценции и фотолюминесценции. Электролюминесценция – это свечения паров металлов и газов при прохождении через них электрического тока. Фотолюминесценция – это свечение вещества люминофора при его облучении другим, например, невидимым УФ светом. В люминесцентной лампе электрический разряд образуется при низком давлении ртути и некоторых инертных газов. Электролюминесценция характеризуется очень слабым видимым и сильным УФ излучением. Световой поток лампы создается в основном за счёт фотолюминесценции – преобразования УФ излучения в видимый свет слоем люминофора, который покрывает изнутри стенки трубчатой стеклянной колбы. В результате, лампа является своеобразным трансформатором невидимого света в видимый.

Горелки лампы содержат зажигающий газ аргон или ксенон, а так же пары металлов при высоком давлении:

- ртути (у дуговых ртутных люминесцентных ламп),

- ртути и смеси галоидов некоторых металлов (у металлогалогенных – отсюда название этих ламп),

- ртути и паров натрия (у натриевых ламп высокого давления).

В оболочку лампы герметично вмонтированы (например, впаяны) электроды, между которыми под действием приложенного к электродам горелки напряжения происходит разряд. Существуют и газоразрядные лампы с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа, например угольная дуга.

В большинстве газоразрядных ламп используется излучение положительного столба дугового разряда (реже тлеющего разряда, например в газосветных трубках), в импульсных лампах – искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким давлением, например натриевая лампа низкого давления; с высоким и сверхвысоким давлением, например ксеноновые газоразрядные лампы

Традиционные области применения дуговых ртутных люминесцентных ламп: освещение открытых территорий, производственных, сельскохозяйственных, складских помещений. Если речь идет о необходимости большой экономии электроэнергии, эти лампы постепенно вытесняются натриевые лампы высокого давления. Их область применения: освещение городов, больших строительных площадок, высоких производственных цехов. Основные области применения металлогалогенных ламп: открытые и закрытые спортсооружения, некоторые помещения зального типа в общественных зданиях, высокие производственные цеха с высокими требованиями к цветопередаче. Все типы ламп зачастую используются для наружного освещения и светового оформления городов: фасады зданий, фонтаны, памятники, зелёные насаждения.

В газоразрядных лампах для общего освещения важны: высокая световая отдача, приемлемый цвет, простота и надёжность в эксплуатации. Для специальных же целей важны такие характеристики газоразрядных ламп как:

- яркость и цвет (например, газоразрядные ксеноновые лампы сверхвысокого давления для киноаппаратуры),

- спектральный состав и мощность (газоразрядные ртутно-таллиевые лампы погруженного типа для промышленной фотохимии),

- мощность и идентичность спектрального состава излучения солнечному (газоразрядные ксеноновые лампы в металлической оболочке для имитаторов солнечного излучения),

- амплитудные и временные характеристики излучения (газоразрядные импульсные лампы для скоростной фотографии, стробоскопии и т. д.).

Светодиодные лампы

На сегодняшний день светильники, использующие светодиоды, также получили широкое распространение. Их ключевой особенностью является низкое энергопотребление, что, безусловно, придется по душе каждому хозяину.

К достоинствам светодиодных светильников можно также отнести высокую светоотдачу и большой срок службы. В последнее время российский рынок пополнился еще и автономными светильниками на светодиодах, работающих на солнечных батареях и аккумуляторах.

Включение таких светильников происходит автоматически с наступлением темноты, а подзаряжаются они от солнечного света в продолжение всего светового дня. Эти светильники могут подвергаться как низким (до -30), так и высоким (до +50) температурам без нарушения работоспособности.

При растущих ценах на электроэнергию лампы накаливания системы Эдисона, больше не могут конкурировать на рынке освещения.

Однако заменившие их люминесцентные светильники тоже не являются идеалом экономичности. Их надежность и экологичность вообще не выдерживают никакой критики.

Совершенно другое дело - лампы на основе LED (светодиодные лампы).