Популярно о светотехнике

Популярно о светотехнике.
Днём, в нормальных условиях и при естественном освещении на зрение не принято
жаловаться. Воистину, для естественных условий обитания природа наделила нас всем
необходимым. Но всё реже мы отдыхаем и ещё реже работаем в естественных условиях.
Поэтому нам так необходимо качественное искусственное освещение.
Удивительно, но насколько естественно мы воспринимаем свет, настолько до сих пор загадочно
и неоднозначно это явление с научной точки зрения. Светотехника серьёзная и сложная дисциплина,
специфична её терминология, но в нашей рубрике попробуем ограничиться только основными
характеристиками искусственного освещения.
Конечно, мы все и всё знаем про электрические лампочки, поэтому лишь вкратце
остановимся на самых основных моментах.
Источником света называют преобразователь какого-либо вида энергии в излучение,
воспринимаемое человеком как свет. С точки зрения физических процессов источники света бывают:
тепловыми; люминесцентными, светодиодными и лазерами. По принципу действия условно их
можно разделить на лампы накаливания, разрядные лампы и светодиоды...
Но начинать нужно с естественного источника света, на земле это Солнце. Солнце – тепловой
источник света с температурой около 6000°K.
А единственным источником искусственного
освещения в течение тысячелетий был огонь. Только в 1802 году, с одной стороны Г. Дэви
обнаружил свечение проволоки, разогретой при прохождении электрического тока, с другой стороны
профессор В.В. Петров открыл излучение электрической дуги, что положило начало развитию
тепловых и разрядных электрических источников света.
Тепловые источники света
Лампы накаливания
Успех в непрекращающихся исследованиях пришёл только в 1873 году, к русскому
изобретателю А.Н. Лодыгину, а в 1879 году американский предприниматель Т.А. Эдисон,
непринципиально доработав его изобретение, запустил в серийное производство лампы накаливания.
Эти лампы работали уже относительно долго, хотя, в качестве тела накала использовалась угольная
нить. Естественно, что надёжность и эффективность лампы были невысоки. Поэтому все дальнейшие
исследования и усовершенствования были направлены на увеличение продолжительности работы и
повышение эффективности лампы накаливания.
Излучения, возникающее при нагревании тел, описываются законами Планка, Стефана–
Больцмана, Вина... В «сухом остатке» следующее. У твёрдых тел излучение имеет непрерывный
спектр, зависящий от его свойств и температуры. Причём, чем температура больше, тем более
максимум излучения из инфракрасной области смещается в область видимой части спектра,
соответственно эффективность нагретого тела, как источника света, при этом повышается.
Температура, при которой максимум излучения приходится на видимую часть спектра, для
идеализированного чёрного тела (т.е. в теории), составляет 6600°K, это примерно соответствует
температуре Солнца. Естественно, что на земле достичь такой температуры твёрдое тело не может, а
всё излучение, которое выходит за границы видимого, если речь идёт об источнике света, однозначно
– потери. Кроме того, не весь спектр видимого излучения глаз воспринимает одинаково. Поэтому,
для определения эффективности источника света, его излучение в видимой части спектра должно
быть проинтегрировано со спектральной эффективностью глаза, как приёмника излучения. И только
такой вот маленький кусочек излучения воспринимается глазом как свет и называется световым
потоком источника света (Ф, лм). Отношение светового потока ко всей электрической мощности,
затрачиваемой на нагрев, в случае теплового источника света, называют световой отдачей
(η = Ф/Р, лм/Вт).
Световая отдача ламп накаливания является самой низкой из всех источников света общего
назначения и составляет от 7 до 19 лм/Вт у обычной, и от 22 до 30 лм/Вт у галогенной лампы
накаливания. Основным путём повышения эффективности ламп накаливания считают использование
новых
высокотемпературных
материалов
для
изготовления
тела
накала.
По массовости лампы накаливания занимают первое место среди всех источников света. Их
выпуск в 2003 году составил 1 млрд. шт. только в России, и около 4 млрд. шт. в Китае. Это
объясняется универсальностью применений, исключительной простотой и удобством эксплуатации,
самой никой ценой, обусловленной высокомеханизированным массовым производством. Главными
недостатками ламп накаливания считают низкую энергетическую эффективность и
непродолжительный срок службы – 1000 часов у обычных ламп накаливания и до 3000 часов у
галогенных.
Повышать эффективность лампы накаливания не прекращают и сейчас, когда их оборот и
использование на территории России запрещены, невзирая на то, что во многих областях применения
лампы накаливания не имеют равноценной замены.
Разрядные источники света
Разрядные источники света, после открытия свечения дугового разряда академиком
В.В. Петровым в 1802 году, тоже не сразу покорились человечеству. Только в 1874 году изобретение
инженера В.Н. Чиколева, автоматически поддерживающее межэлектродное расстояние, фактически –
поддерживающее горение дуги, и гениальное решение этой же проблемы электротехником
П.Н. Яблочковым в 1876 году, позволило «Русскому свету» триумфально прошествовать по Европе и
миру.
При люминесценции (по физике к ней относят все источники света, кроме тепловых и лазеров)
возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в оптическое излучение, чем при
тепловом возбуждении, поскольку люминесценция в принципе не требует нагрева. Вообще же в
разрядных лампах оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах,
парах или их смесях. Дальнейшее преобразование первичного оптического излучения (часто
невидимого – ультрафиолетового) в видимый свет осуществляется с помощью свечения
люминофоров под воздействием этого первичного излучения.
Таким образом, световая отдача современных разрядных источников света в 5...10 раз
превышает световую отдачу ламп накаливания, а срок службы у них в 10...20 раз больше, чем у тех
же ламп накаливания.
Однако по качеству света люминесценция уступает лампам накаливания, поскольку спектр
люминесценции состоит, из отдельных линий.Здесь необходимо прояснить в отношении
эффективности разрядных ламп. Естественно, что при определении световой отдачи разрядных ламп,
к их спектру излучения необходимо применять те же правила, что и при определении световой
отдачи ламп накаливания, то есть интегрирование спектра излучений разрядной лампы со
спектральной эффективностью глаза, как приёмника излучения. Вот только, если лампа излучает
единственную линию с длиной волны 555 нм, то всё её излучение будет отнесено к световому потоку,
а он, как это было показано при неоднократных измерениях, при потребляемой мощности 1 Вт
составляет 683 лм. 683 лм/Вт и есть теоретический предел эффективности для оптического
излучения. Вот только использовать такой „источник света“ не представляется целесообразным. А
теоретический предел световой отдачи для источника белого света составляет всего около 240 лм/Вт.
Кроме качества света, к недостаткам разрядных источников относят то, что ни один из них не
может быть включен в сеть напрямую, как лампа накаливания, им всем нужны дополнительные
устройства для инициации разряда и поддержания рабочих параметров. Вот в отношении удобства,
надёжности, цветопередачи и, конечно, эффективности, не прекращаются исследования и
усовершенствования разрядных источников света.
Люминесцентные лампы
Первые образцы из наиболее массовых — линейных люминесцентных ламп, были созданы в
СССР в 1936 ... 1940 годах под руководством С.И. Вавилова, и в США в 1938 году на фирме «General
Electric». Сначала люминесцентные лампы выпускались в колбах диаметром 38 мм (по зарубежной
классификации — T12) с галофосфатными люминофорами. Световая отдача составляла 70...75 лм/Вт,
средний срок службы 5...8 тыс. часов.
В 80-х годах созданы новые редкоземельные люминофоры, а для их экономии освоено
производство люминесцентных ламп в трубках ø 26 мм (T8). Использование редкоземельных
люминофоров позволило повысить световую отдачу до 92...95 лм/Вт и снизить спад светового
потока, к концу срока службы не более 15 % от начального светового потока после первых 100 часов
работы. Применение трёхкомпонентных смесей редкоземельных люминофоров позволило
значительно улучшить качество цветопередачи (Ra > 80). В настоящее время галофосфатные
люминофоры серьёзными светотехническими компаниями не применяются.
В 1993...1994 г.г. передовые светотехнические компании начали выпуск люминесцентных
ламп с защитной плёнкой люминофора, что позволило достичь исключительно высокой стабильности
светового потока и резко снизить содержание ртути, с 30 до 3...5 мг. Срок службы люминесцентных
ламп составил 16...20 тыс. часов при спаде светового потока после 10 тыс. часов работы не более 5%.
В 1995...1996 г.г. начался выпуск нового поколения люминесцентных ламп в тонких, ø 16 мм
(T5) и в сверхтонких трубках ø 7 мм. В одной из серий ламп T5 достигнута рекордная световая отдача
— 104 лм/Вт, в другой серии достигнут самый высокий световой поток на единицу длины. Все эти
люминесцентные лампы работают только со специальным электронным пускорегулирующим
аппаратом (ЭПРА).
Сокращение диаметра колбы позволило применять пятиполосные смеси люминофоров, такие
лампы имеют действительно хорошую цветопередачу (Ra > 90).
В конце 90-х годов научились инициировать и поддерживать разряд в безэлектродных
люминесцентных лампах с помощью высоких и сверхвысоких частот, это позволило
люминесцентным лампам достичь срока службы 60 тыс. часов.
Поскольку линейные люминесцентные лампы, из-за своих габаритов и, соответственно,
низкой механической прочности не могли быть применены в ряде мест, таких как автотранспорт, в
быту и т.п., в 80-х годах трубки люминесцентных ламп стали складывать и скручивать, получились
компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), «в народе» — „энергосберегающие“. Однако,
появились они в результате компромисса между эффективностью и удобством использования, а
компактные люминесцентные лампы с интегрированным ПРА и стандартным винтовым цоколем ещё
больший компромисс.
Разрядные лампы высокого давления
Разряды в лампах высокого и сверхвысокого давления имеют в десятки и сотни раз большую
яркость чем разряды в лампах низкого давления и яркость ламп накаливания.
В начале 50-х годов впервые удалось синтезировать термостойкий „красный“ люминофор, что
позволило начать выпуск ртутных ламп высокого давления с „исправленной“ цветопередачей —
ДРЛ.
Революционным прорывом в конце 50-х, начале 60-х годов стало открытие позволившее
добавлять в кварцевую горелку ртутной лампы высокого давления натрия и галоидных (главным
образом йодистых) соединений других металлов. Первое обеспечило высочайшую световую отдачу
ДНаТ — до 140 лм/Вт, при относительно жёлтом свете, второе обеспечило лучшую цветопередачу в
разрядных источниках света МГЛ (у нас — ДРИ).
Иногда приходится слышать о появлении ламп ДНаТ с хорошей цветопередачей и столь–же
высокой эффективностью. Надеюсь вы–то помните, что эффективность ДНаТ и определяется её
желтизной, а если она менее жёлтая, стало быть и менее эффективная.
Светодиоды
Впервые свечение на границе металла и полупроводника наблюдал русский инженер
О.В. Лосев в 1923 году. Свечение имело голубовато–зелёный цвет. В 1939 году он дал физическое
объяснение этого эффекта.
Только в начале 60-х годов зарубежные компании начали выпуск светодиодов в качестве
индикаторных элементов в различной аппаратуре. Сначала красных, а к концу 60-х, зелёных и
жёлтых. Эти светодиоды имели световой поток не более 0,02 лм, а световую отдачу около 0,1...0,2
лм/Вт.
Прорыв произошёл в начале 90-х, в работах под руководством Ж.И. Алфёрова. Световая
отдача красных и зелёных светодиодов увеличилась в 100 раз и достигла 10...20 лм/Вт.
В 1994 году в Японии были созданы синие светодиоды. Именно с этого момента стало
возможным говорить о получении белого свечения на основе светодиодов. Поскольку в природе
белого, как и чёрного, цвета не бывает, белый свет это наличие всех цветов, а чёрный, соответственно
— отсутствие всех цветов. Светодиоды, же дают узкую полоску в спектре оптических излучений.
Поэтому белое свечение светодиодов можно получить, либо смешением красного, зелёного и синего
цветов, либо с использованием люминофоров, возбуждаемых излучением одного коротковолнового,
т.е. синего, светодиода.
К 2006 году световая отдача серийных светодиодов достигла 65 лм/Вт для
цветных, и 45...55 лм/Вт для белых светодиодов. Причём, индекс цветопередачи белых светодиодов
составил значение 85.
По некоторым оценкам специалистов, световая отдача белых светодиодов к 2020 году может
достигнуть 200 лм/Вт.
При сборе материала использованы статьи Ланцова Андрея Владимировича находящиеся в
свободном доступе на http://www.e-audit.ru/author.shtml