Источники света

Лампа накаливания (ЛН) – это появившаяся в конце ХIХ века лампа, в которой в результате пропускания через спираль электрического тока создается свечение за счет подогрева вольфрамовой спирали до ее накаливания. Главные достоинства ламп накаливания: сравнительно небольшая стоимость; простота в изготовлении; компактность; удобство и надежность в эксплуатации. Существенные недостатки: низкая световая отдача и вытекающая отсюда неэкономичность эксплуатации; небольшой (до 1000 часов) срок службы; высокая (до 200°С) температура нагрева, требующая бережного обращения с лампой во избежание ожога рук и в определенной мере ограничивающая область ее применения. Лампы накаливания имеют цветовую температуру менее 3000 К (теплая белая), самый высокий, по сравнению с другими лампами, индекс цветопередачи 100 Ra и самую низкую световую отдачу 8…17 лм/Вт.

Галогенная лампа (ГЛ) представляет собой заполненную газом лампу накаливания, в которой имеется вольфрамовая нить (спираль) и небольшое количество галогенов (неметаллические химические элементы: фтор, хлор, бром, йод и астатин), препятствующих осаждению испаряющихся с нити накала атомов вольфрама на поверхность стеклянной колбы, как это имеет место в традиционных лампах накаливания. На рис. 3.10 представлена схема работы галогенной ламп. Полезный эффект достигается за счет того, что пары галогенов способны соединяться с испаряющимися частицами вольфрама, а затем под действием высокой температуры распадаться, возвращая вольфрам на спираль. Вылетающие с раскаленной спирали атомы вольфрама, таким образом, не долетают до стенок колбы лампы (за счет чего и снижается почернение), а возвращаются обратно химическим путем. Это явление получило название галогенного цикла. Таким образом, газовая среда на основе галогенов обеспечивает сохранение прозрачности колбы лампы. За счет этого светоотдача лампы достигает 25 лм/Вт, срок службы увеличивается.

Галогенные лампы накаливания нового поколения, с отражающим инфракрасное излучение покрытием ламповой колбы, характеризуются значительным повышением световой отдачи. Это обусловлено тем, что благодаря структуре покрытия часть инфракрасного излучения возвращается на спираль, где оно частично поглощается. Это вызывает повышение температуры спирали, вследствие чего световая отдача возрастает.

Главные достоинства галогенных ламп заключаются в бoльшем сроке службы по сравнению с обычными лампами накаливания, в 2 раза превышающий срок службы последних; в экономии электроэнергии, составляющей до 80% от электроэнергии, потребляемой лампами накаливания при той же самой силе света; в более высоких показателях термостойкости и механической прочности; в повышенной светоотдаче по сравнению с лампами накаливания.

Основной недостаток галогенных ламп:высокая (до 200°С) температура нагрева при работе, ограничивающая область их применения.

Люминесцентная лампа (ЛЛ) - это лампа, относящаяся к категории газоразрядных ламп: в ней свечение создается непосредственно или опосредованно от электрического разряда в газе, парах металла или в смеси газа и пара. Люминесцентные лампы имеют высокую светоотдачу до 96 лм/Вт, т.е. почти в 10 раз больше, чем лампы накаливания. Поэтому люминесцентные лампы являются хорошими источниками сбережения энергии. Основная область применения: промышленные зоны, общественные и административные здания.

В люминесцентных лампах свет производится с помощью ртути и нанесенного на внутренней стороне колбы лампы люминесцентного слоя (люминофоры). В качестве люминофоров служат инертные газы, например, неон, аргон или гелий. Возбуждаемые электронами атомы ртути производят внутри колбы лампы невидимое для человека ультрафиолетовое излучение, которое люминофоры преобразуют в видимый свет, при этом различные люминофоры имеют различные цвета света и свойства цветопередачи (рис. 3.11). Светоотдача различных люминофоров также отличается друг от друга. Люминесцентные лампы функционируют только с пускорегулирующей аппаратурой (ПРА).

Срок службы люминесцентных ламп определяется многими факторами. Физическое перегорание лампы происходит в момент разрушения активного слоя либо обрыва одного из ее электродов. Наиболее интенсивное распыление электродов наблюдается при зажигании лампы, поэтому полный срок службы сокращается при частых включениях. Полезным сроком службы принято считать период, в течение которого лампа дает не менее 70% от начального светового потока. Этот период может истекать задолго до перегорания лампы. Средний полезный срок службы современных люминесцентных ламп в зависимости от модели составляет 8000…15000 ч.

Находят применение более совершенные люминесцентные лампы с диаметром колбы 26 мм (лампы Т8) и 16 мм (лампы Т5). Светотехнические и энергетические характеристики таких ламп существенно отличаются.

Основные достоинства люминесцентных ламп по отношению к лампам накаливания состоят: в большем (в 5…20 раз) сроке службы, в высокой светоотдаче (в 5…10 раз); в невысокой (до 50…60°С) температуре нагрева при работе; в широком диапазоне цветовой температуры (от 2700 до 8000К); в небольшом, практически незаметном, влиянии отклонения напряжения в пределах допустимого.

Недостатки люминесцентных ламп заключаются: в необходимости установки пускорегулирующей аппаратуры (ПРА); малая единичная мощность ламп при больших линейных размерах; значительное снижение светового потока и его пульсация к концу срока службы; критичность к температуре окружающей среды – при температуре ниже +5 °С зажигание лампы становится проблематичным.

Компактная люминесцентная лампа (энергосберегающая лампа) - это люминесцентная лампа, предназначенная для замены ламп накаливания в осветительных системах (рис. 3.12). Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) имеют в 8…10 раз больший срок службы и в 3…5 раз большую световую отдачу по сравнению с ЛН и выпускаются трех цветовых температур 2700 К (тепло-белый свет), 4200 К (нейтральный свет) и 6400 К (дневной свет), что предопределило их использование в промышленном, общественно-административном и жилом секторах. КЛЛ имеют малые размеры, сопоставимыми с размерами ЛН, встроенные малогабаритные электронные ПРА и стандартный резьбовой цоколь (Е14, Е27), и могут напрямую заменять в существующих светильниках ЛН мощностью от 20 до 100 Вт.

Основные достоинства КЛЛ:высокий КПД – обычная лампа накаливания 92…94% электроэнергии преобразует в тепло и лишь 6…8% в свет, тогда как КЛЛ с таким же световым потоком расходует в 4 раза меньше электроэнергии; мгновенное включение без мерцаний; равномерное распространение света по колбе (отсутствие ослепляющего действия света); низкая (до 40 °С) температура нагрева во время работы; большой (до 15000 часов) срок службы; «гарантированное предсказание о выходе лампы из строя» – от начала потемнения основания колбы КЛЛ до выхода ее из строя примерно пять дней.

Основные недостатки КЛЛ: в первую очередь их высокая стоимость, в 10 и более раз превышающая стоимость ЛН; как и ЛЛ не могут плавно изменять яркость свечения; чувствительны к частоте включения, что снижает срок службы ламп.

Дуговые ртутные лампы (ДРЛ) – относятся к газоразрядным лампам высокого давления и представляют собой электрический источник света, в котором для генерации оптического излучения используется газовый разряд в парах ртути. Лампы ДРЛ применяют для освещения больших наружных и внутренних площадей. На рис. 3.13 представлена конструктивная схема четырехэлектродной лампы ДРЛ, которая представляет собой горелку (трубку) 1, наполненную аргоном с дозированным количеством ртути. В трубку впаяны два рабочих электрода 2 и два дополнительных зажигающих электрода 3. Каждый зажигающий электрод соединен с противоположным электродом через высокоомное сопротивление (позистор) 4. Горелка помещается внутри стеклянной заполненной азотом колбы 5 изнутри покрытой слоем люминофора. Лампа снабжена резьбовым цоколем 6. Горелка лампы изготавливается из тугоплавкого и химически стойкого прозрачного материала (кварцевого стекла или специальной керамики). Светящимся телом ДРЛ является столб дугового электрического разряда.

При подаче на лампу питающего напряжения между близко расположенными основным и зажигающим электродом возникает тлеющий разряд. В полости горелки возникают достаточно большое количество свободных электронов и положительных ионов, которые способствуют пробою промежутка между основными электродами и зажиганию между ними тлеющего разряда, который практически мгновенно переходит в дуговой. Стабилизация электрических и световых параметров лампы наступает через 7…15 минут после включения. В течение этого времени ток лампы существенно превосходит номинальный и ограничивается только высокоомным сопротивлением. Продолжительность пускового режима существенно зависит от температуры окружающей среды – чем она ниже, тем дольше будет разгораться лампа.

Электрический разряд в горелке ДРЛ создаёт бело-зеленоватое и невидимое мощное ультрафиолетовое излучение. Последнее возбуждает свечение люминофора на внутренней стенке внешней колбы лампы. Красноватое свечение люминофора, смешиваясь с бело-зеленоватым излучением горелки, даёт яркий свет, близкий к белому.

Изменение напряжения питающей сети в пределах допустимого мало изменяет световой поток. Однако, при отклонении напряжения -10…-15 % световой поток снижается на 25…30 %, а при -20% лампа может не зажечься, а горящая – погаснуть. Кроме того, при горении лампа сильно нагревается, что вызывает существенное повышение давления в горелке и, соответственно, повышение напряжения пробоя. По этой причине повторное включение лампы возможно после длительной паузы ее остывания.

Находят применение также трёхэлектродные лампы ДРЛ, оснащённые только одним зажигающим электродом. Эта конструкция отличается только большей технологичностью в производстве, не имея никаких иных преимуществ перед четырёхэлектродными.

Основные достоинства лампы ДРЛ заключаются: относительно высокая светоотдача – до 60 лм/Вт; компактность при высокой единичной мощности; длительный срок службы – до 12000 час.

Основной недостаток заключается в низком, до 40 Ra, индексе цветопередачи и чувствительность к колебаниям напряжения в питающей сети.

Дуговые ртутные металлогалогенные лампы (МГЛ) - конструктивно во многом схожи с лампами ДРЛ (рис. 3.14). Отличие заключается в том, что в ее горелку, помимо аргона и ртути, вводятся строго дозированные порции специальных добавок – галогенидов некоторых металлов (натрия, таллия, индия и др.), за счёт чего значительно увеличивается световая отдача при достаточно хорошей цветности излучения.

В МГЛ используются в основном керамические горелки, обладающие большей, по сравнению с кварцевой, стойкостью к реакциям с их функциональным веществом. Благодаря этому со временем горелки затемняются гораздо меньше.

Для зажигания ламп МГЛ необходим пробой межэлектродного пространства импульсом высокого напряжения. Поэтому в схемах включения ламп, помимо индуктивного балластного дросселя (как у ламп ДРЛ), предусматривается импульсное зажигающее устройство (ИЗУ).

Отличительной особенностью ламп МГЛ является то, что меняя состав галогенидов металлов можно получить свечения различных цветов, что существенно расширяет их область применения.

Принцип действия ламп МГЛ основан на том, что различные химические элементы (натрия, таллия, индия и др.) в виде их галоидных соединений (соединения с йодом или бромом) испаряются легче, чем сами металлы. После зажигания разряда галогениды металлов частично переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда, молекулы галогенидов разлагаются на галоген и металл. Атомы металла возбуждаются и излучают характерные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в галогениды, которые вновь испаряются, образуя замкнутый цикл.

Различные металлы генерируют различные спектры излучений как в узком, так и в широком диапазонах длин волн. Узким спектром излучений обладают, например, натрий (589 нм), таллий (535 нм), индий (435 и 410 нм). Металлы, например, скандий, титан и диспрозий имеют излучения широкого спектра. Комбинируя галогениды отдельных металлов, можно получить различную цветопередачу. Широкое применение нашли лампы МГЛ со следующими комбинациями галогенидов металлов: натрий, таллий, индий и натрий, скандий и торий.

Основными достоинствами ламп МГЛ являются: высокая светоотдача до 90 лм/Вт; более высокий по сравнению с лампами ДРЛ индекс цветопередачи – до 95 Ra, позволяющий реалистично передавать множество цветов и оттенков; большой, до 10000 часов, срок службы; практически неизменная в течение всего срока службы величина светового потока.

Основные недостатки: существенная зависимость цветовых характеристик от положения горения, напряжения сети, окружающей температуры и температуры лампы.

Натриевые лампы высокого давления (НЛВД) – источник света, светящимся телом которого служит газовый разряд в парах натрия. Преобладающим в спектре таких ламп является резонансное излучение натрия. По этой причине лампы дают яркий оранжево-жёлтый свет. Эта специфическая особенность НЛВД (монохроматичность излучения) вызывает при освещении ими неудовлетворительное качество цветопередачи. Из-за особенностей спектра НЛВД применяются в основном для уличного освещения, утилитарного, архитектурного и декоративного. Применение НЛВД для освещения производственных и общественных зданий крайне ограничено и обуславливается, как правило, требованиями эстетического характера.

Конструктивно НЛВД (или аббревиатура ДНаТ «дуговая натриевая трубчатая лампа) во многом схожа с другими газоразрядными лампами (рис. 3.15). В качестве горелки применяется прозрачная, химически стойкая трубка из оксида алюминия Al₂O₃. Горелка наполнена зажигающим газом ксеноном и дозируемым амальгамой натрия (сплав натрия с ртутью) и помещена во внешнюю колбу из термостойкого стекла. Полость внешней колбы вакуумируется и дегазируется. Для пуска и работы НЛВД требуется ИЗУ и ПРА.

Основные достоинства НЛВД заключаются: в высокой светоотдаче – до 160 лм/Вт; в длительном сроке службы – 12000…25000 ч; в высоком КПД – до 30%; в небольшом спаде светового потока в течение срока службы (например, спад составляет 10…20 % за 15000 ч при 10-часовом цикле горения).

Основными недостатками являются: невысокое качество цветопередачи, что существенно ограничивает их область применения; длительное – 6…10 мин время включения; чувствительность к температуре окружающей среды – при снижении температуры светоотдача падает (светит хуже); чувствительность к частоте включения (спад светового потока на 25% при двукратном цикле горения); низкий индекс цветопередачи – 25…28 Ra и невысокая цветовая температура 2000…2200 К; требование специальных методов борьбы с пульсацией излучения, достигающей 70…80%.

Серная лампа (СЛ) – это лампа квазисолнечного спектра с широким спектром излучения, генерируемого серой, находящейся в состоянии плазмы.

Принцип действия СЛ состоит в следующем. В кварцевой колбе в атмосфере аргона располагается сера. Часть колбы находится внутри магнетрона (устройства, излучающего электромагнитные колебания сверхвысокой частоты – подобное устройство, в частности, ис пользуется в микроволновых печах). Под действием СВЧ излучения сера нагревается и переходит в плазменное состояние. При этом она излучает свет с непрерывным спектром, по форме близким к спектру Солнца. По светоотдаче плазменные светильники находятся на уровне МГЛ, а по качеству спектра сопоставимы с галогенными лампами накаливания. При этом, что немаловажно, в ЛС полностью отсутствует ртуть, уровень ультрафиолетового излучения минимален, пульсации отсутствуют, а скорость загорания СЛ на порядок быстрее, чем у МГЛ. В связи с этим СЛ позволяют идеально различать контуры и движение объектов, идеально передавая естественные цвета.

Принцип действия СЛ предполагает наличие таких конструктивных элементов как: собственно лампа с колбой, генератор энергии электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты и электродинамическая система, передающая СВЧ-энергию к лампе и формирующая динамически изменяющуюся зону электромагнитного поля. Кроме того, необходимы рефлекторные и оптические элементы для формирования определенной направленности излучения (рис. 3.16).

СЛ являются экологически чистыми и обладают высокой, до 150…200 лм/Вт светоотдачей, сроком службы более 50000 час и индексом цветопередачи 79…85 Ra.

Основными достоинствами СЛ являются: самая высокая из разрядных ламп светоотдача; сплошной квазисолнечный спектр оптического излучения с существенно низким уровнем в ультрафиолетовом и инфракрасных диапазонах и с максимумом спектра, совпадающим с максимумом кривой видимости человеческого глаза; высокий срок службы (при работе 8 часов в сутки срок службы составляет более 17 лет); возможность регулировки силы света в широких пределах.

Основные недостатки: высокая температура колбы горелки, вызывающая необходимость использования высококачественного кварцевого стекла и защиты от пыли; большой диаметр светящегося тела 25…30 мм, усложняющий фокусировку и использование в оптических системах; для обеспечения стабильной работы требуется соответствующая система питания; срок службы магнетрона ниже, чем непосредственно СЛ; требуется система охлаждения.

Несмотря на отличные характеристики СЛ они не нашли пока широкого применения. СЛ эффективно работают, начиная с единиц кВт и более, и применяются в прожекторных системах для освещения больших площадей. Разработка маломощных СЛ связана с существенными трудностями.

Светодиодные источники света – все современные виды электроламп имеют довольно высокий уровень электропотребления. Причина высокого уровня электропотребления электролампами кроется в используемом в них способе преобразования электрической энергии в световую: свет в этих лампах получают с помощью нити накала, электрического разряда или световой дуги. Если же свет получать на основе принципиально иной технологии на основе по лупроводниковой оптики (светодиоды), то для создания в такой лампе светового потока потребуется значительно меньшее количество потребляемой электроэнергии, чем в традиционных лампах. Светодиоды находят все более широкое применение. Нередки заявления, такие как: «Светодиоды – основа освещения будущего…».

Светодиоды представляют собой полупроводниковые приборы (рис. 3.17), непосредственно преобразующие с высоким КПД электрическую энергию в энергию оптического некогерентного излучения. Это излучение, в отличие от тепловых источников света, имеет более узкий спектр, вследствие чего излучение в видимой области спектра воспринимается человеческим глазом как одноцветное.

При подаче напряжения смещения – плюс источника подсоединить к полупроводнику р-типа (избыток «дырок»), а минус – к n-типа (избыток электронов) через p-n-переход начинает протекать электрический ток (рис. 3.18). В процессе протекания тока происходит рекомбинация, т.е. слияние и взаимная компенсация электронов и «дырок». Рекомбинация есть процесс энергетических преобразований, так как носители заряда переходят с более высокого энергетического уровня на более низкий. При этом избыток энергии излучается в виде кванта энергии. В обычных полупроводниках высвобожденная энергия превращается в тепло. Чтобы кванты энергии соответствовали фотонам, т.е. квантам видимого света, ширина так называемой запрещенной зоны исходного полупроводника должна быть относительно большой (Е_g > 1,8 эВ). Изменение ширины запрещенной зоны и, следовательно, цвета излучаемого светодиодом света, достигается за счет применения специальных составов полупроводниковых материалов. При этом цвет излучения имеет довольно узкий спектр, что позволяет получать светодиоды различных цветов свечения. Так, например, на основе фосфида галлия, легированного определенным количеством цинка, кислорода или азота, получают светодиоды зеленого, желтого, красного, синего и других цветов свечения. Применение совместно светодиодов различных цветов возможно получение свечения различных оттенков. Так получение наиболее комфортного для человеческого глаза белого света возможно с помощью трех светодиодов красного, синего и зеленого цветов или трехкристаллического светодиода, объединяющего кристаллы таких же цветов в одном корпусе, или посредством нанесения специального желтого люминофора на светодиод синего цвета, или использование трехслойного люминофора, возбуждаемого светодиодом ультрофиолетового спектра, и др.

Мощность светодиодов, содержащих один полупроводниковый кристалл, ограничена и дальнейшее ее увеличение технически затруднительно. В настоящее время максимальная мощность однокристалльных светодиодов составляет 5 Вт. С целью наращивания единичной мощности применяют многокристальные светодиоды.

Конструктивно такие светодиоды представляют набор полупроводниковых кристаллов в одном корпусе с единой первичной оптикой или без, с общим люминофором (рис. 3.19).

Основные достоинства светодиодных источников света заключаются в следующем: существенно больший, по сравнению с традиционными источниками света, срок службы, декларированный производителями до – 50000…100000 час; высокая светоотдача до – 80…100 лм/Вт; высокая экономичность электропотребления – снижение до 50%, по сравнению со светильниками с традиционными лампами; высокий уровень надежности, который достигается за счет отсутствия стеклянных деталей и колб, что обеспечивает высокую стойкость светодиодов к ударам и вибрациям; экологическая безопасность и отсутствие необходимости утилизации из-за отсутствия ртути; возможность плавного регулирования яркости и цветности; отсутствие пульсаций света; безопасность для глаз человека из-за отсутствия ультрафиолетового и инфракрасного излучений; мгновенное включение светодиода при подаче напряжения и независимость от частоты включения; практически не чувствительны к низким температурам; практически не требуют обслуживания.

Имеющиеся недостатки обусловлены: высокой чувствительностью к изменению величины рабочего тока – необходим специальный источник тока; ростом тепловыделения с увеличением мощности светодиодного источника света, сравнимыми с тепловыделениями современных процессоров; их высокой стоимостью – утверждается, что отношение цена/лм до 50…100 раз больше чем у ЛН.

Таблица 3.3