§ 11.2. Електричне освітлення

Оптимальні світлові умови для праці й відпочинку людей створюють освітлювальні установки.

Освітлювальні установки — це електротехнічні пристрої, при­значені для освітлення територій, будинків, споруд. Крім того, їх використовують у технологічних процесах (опромінювання в медичних установках, опромінювання сільськогосподарської про­дукції, сушіння, одержання хімічних речовин, в інформаційній техніці та ін.).

Основні елементи освітлювальних електроустановок — джерела світла, світильники і прилади для керування освітленням.

Для внутрішнього освітлення використовують системи загаль­ного і комбінованого освітлення.

Системи загального освітлення призначаються для одночасного освітлення всього приміщення разом з робочими місцями. Сві­тильники для загального освітлення розміщують в основному у верхній зоні приміщення.

Система комбінованого освітлення призначається тільки для освітлення робочих місць і складається із загального та місцевого освітлення. При комбінованому освітленні використовують од-

ночасно світильники загального і місцевого освітлення. Світиль­ники місцевого освітлення встановлюють безпосередньо на ро­бочих місцях.

Для освітлення невиробничих приміщень використовують, як правило, загальне освітлення.

Електричне освітлення поділяється на три види: робоче, ава­рійне та евакуаційне.

Робоче освітлення служить для створення на робочих поверхнях освітленості відповідно до визначених норм.

Аварійне освітлення дозволяє продовжувати роботу, якщо в освітлювальній мережі виникне аварія.

Використання евакуаційного освітлення дає можливість людям вийти з будинків або споруд під час аварії загального освітлення.

Живлення робочого, аварійного та евакуаційного освітлення повинно виконуватися від різних, незалежних, джерел живлення.

Світлові величини та співвідношення між ними. Світловий потік F — ефективний потік випромінювання, який визначається спектральною чутливістю ока. Це — потужність випромінювання, визначається в люменах (лм).

Освітленість Е — щільність світлового потоку по освітлю­вальній поверхні. Освітленість визначається в люксах (лк) і ста­новить відношення світлового потоку F до освітлюваної ним площини S:

Сила світла І — щільність світлового потоку в заданому на­прямку. Вона характеризує розподіл світлового потоку у заданому напрямку, оскільки джерела світла випромінюють світловий потік з різною інтенсивністю у різних напрямках. Сила світла визна­чається в канделах (кд).

Яскравість І — величина, яка характеризує світіння джерела світла у даному напрямку. Визначається в канделах на квадратний метр (кд/м²).

Електричні джерела світла — це тіла, які випромінюють світло внаслідок перетворення в них електричної енергії.

За способом генерування оптичного випромінювання електри­чні джерела світла поділяються на теплові та газорозрядні. До теплових джерел світла належать лампи розжарювання (теплове випромінювання), а також вугільні дуги, електричні інфрачервоні нагрівачі; до газорозрядних — люмінісцентні, ртутні лампи та ін. (випромінювання внаслідок електричного розряду в газах, парах або їх сумішах).

Основними параметрами джерел світла є номінальна потуж­ність, номінальний струм, світлова віддача, світловий потік, його зниження в кінці строку служби, номінальний строк служби.

Лампи розжарювання широко використовують через їхню про­стоту експлуатації, відсутність спеціальних пристроїв для ввімкнення їх в електричну мережу та низьку вартість.

У лампах розжарювання електрична енергія перетворюється у світлову внаслідок розжарювання тугоплавкого провідника.

Для випромінювання світлової енергії в лампах використовують вольфрамову нитку, яка розміщується в скляній колбі. Темпера­тура плавлення вольфраму близько 3400 °С. При нагріванні вольфраму до температури більше ніж 400 °С і зіткненні його з киснем він інтенсивно окислюється, що призводить до перего­ряння вольфрамової нитки. Для запобігання окисленню воль­фраму з колби відкачують повітря або заповнюють її інертним газом (ксеноном, криптоном, аргоном, аргоном з азотом та ін.).

Інертним газом колбу заповнюють під тиском для запобігання випаровування вольфраму при температурі, близькій до темпе­ратури його плавлення.

При відсутності кисню нитка лампи не перегоряє при значно вищій температурі, але при температурі, близькій до температури плавлення вольфраму, нитка випаровується. Пари вольфраму осі­дають на стінці колби, зменшуючи її прозорість, нитка стає тоншою і перегорає. Внаслідок заповнення колби лампи інертним газом під тиском підвищується температура розжарювання воль­фрамової нитки, збільшується світловий потік і поліпшується колір випромінювання лампи.

Для зниження тепловіддачі зменшують розмір нитки лампи, звиваючи її в спіраль (моноспіраль). У деяких типах ламп ви­користовують біспіраль або триспіраль.

Крім вольфраму, при виготовленні ламп використовують ту­гоплавкий матеріал реній.

Держаки, що підтримують нитку розжарювання, виготовляють з молібдену, який зберігає високу пружність при високій тем­пературі.

Основний недолік ламп розжарювання — низька світловіддача.

За призначенням лампи розжарювання поділяються на лампи загального призначення та спеціального призначення.

Лампи загального призначення використовуються для внутріш­нього і зовнішнього освітлення.

Лампи спеціального призначення використовуються в рухомих транспортних засобах (для автомобілів, літаків, залізниці), у пе­реносних ліхтарях, шкалах приладів (мініатюрні), в пультах ке­рування, сигнальних пристроях (понадмініатюрні індикатори), у світлофорах (світлофорні), у маяках, морському навігаційному устаткуванні (маячні), у проекційній, копіювальній, кіноапаратурі (кінопроекційні).

Для підвищення світловіддачі й строку служби ламп розжа­рювання колбу лампи заповнюють ксеноном зі сполуками гало­генів (брому, фтору, йоду, хлору) з воднем. Такі лампи називають галогенними (рис. 11.9). При високих температурах розжарювання вольфрамової нитки пари галогенів перешкоджають випаровуван­ню вольфраму.

Оскільки температура галогенної лампи значно вища, ніж звичайної лампи розжарювання, то її колбу виготовляють з кварцу.

Рис. 11.9. Галогенна лампа розжарювання:

1 — вивід; 2 — фольга для з'єднання; 3 — увід; 4 — колба; 5 — нитка розжарювання.

Перевагою галогенних ламп перед звичайними є по­рівняно малі розміри.

Газорозрядні джерела світ­ла. До них належать люмі-нісцентні лампи, дугові ртут­ні лампи (ДРЛ), дугові ртутні лампи з йодидами (ДРИ), ду­гові натрієві лампи високого тиску (ДНаТ), дугові ксенонові лампи (ДКсТ).

Люмінісцентна лампа (рис. 11.10) складається зі скляної трубки, яка може мати пряму, U-подібну, кільцеву або іншу форму. Всередині лампа вкрита тонким шаром люмінофора. З трубки лампи відкачане повітря, всередину введено інертний газ і не­велику кількість парів ртуті. На кінцях трубки в скляних ніжках впаяно електроди з вольфрамовою ниткою.

Для інтенсивнішого випромінювання вольфрамову нитку вкри­то лужноземельними металами (кальцієм, барієм, стронцієм).

При вмиканні люмінісцентної лампи в електромережу елек­троди нагріваються, ртуть випаровується і між електродами ви­никає електричний розряд. Розряд у парах ртуті утворює інтен­сивне невидиме ультрафіолетове випромінювання, яке в люмі­нофорі перетворюється в спектр видимого випромінювання. Це явище називається люмінісценцією.

Трубчасті люмінісцентні лампи за кольором випромінювання поділяються на лампи білого світла, тепло-білого світла, холод­но-білого світла, денного світла, денного світла з правильною кольоропередачею.

Особливістю люмінісцентних ламп є періодична пульсація сві­тлового потоку з частотою, що дорівнює подвійній частоті елек­тричного струму. При збігу частоти обертання деталі з частотою імпульсів світла деталь, яка обертається, може здатися нерухомою або такою, що повільно обертається у протилежному напрямку. Це явище називають стробоскопічним ефектом. Щоб позбутися його, лампи вмикають у різні фази, і пульсація світла буде виникати в різні напівперіоди.

Світловий потік люмінісцентних ламп значно вищий, ніж ламп

розжарювання. Наприклад, світло­вий потік лампи розжарювання по­тужністю 40 Вт досягає 340 — 530 лм, а люмінісцентних ламп такої самої потужності — 2 200 — 3 200 лм.

Строк служби люмінісцентних ламп низького тиску досягає приб­лизно 12 тис. год.

Люмінісцентні лампи можуть працювати в обмеженому діапазоні температур.

Рис. 11.10. Люмінісцентна лампа низького тиску:

1 — контактні штирі; 2 — цоколь; З — скляна трубка; 4 — люмінофор; 5 — нитка розжарювання; 6 — скля­ні ніжки.

Рис. 11.11. Дугова ртутна люмінісцентна лампа:

1 — люмінофор; 2 — кол­ба; 3 — резистори; 4 — допоміжні електроди; 5 — кварцовий пальник; 6 — основні електроди; 7 — різьбовий цоколь.

Дугові ртутні люмінісцентні лампи ви­користовуються в основному для зовніш­нього освітлення, а також для освітлення високих приміщень, де відсутні вимоги до барвистості передачі.

Дугова ртутна люмінісцентна лампа (рис. 11.11) складається з кварцового паль­ника у вигляді трубки з термостійкого ви­сокоміцного скла, заповненої під тиском аргоном із додаванням дозованої краплі ртуті. У трубку впаяно два основні воль­фрамові електроди, вкриті активованим ша­ром, і два допоміжні (підпалюючі). Квар­цовий пальник розміщено в колбі, внутрі­шні стінки якої вкриті шаром люмінофора, який перетворює інтенсивне ультрафіоле­тове випромінювання у видиме світло.

Лампи ДРЛ можуть використовуватися в широкому діапазоні температур.

Дугові ртутні металогалогенні лампи з йодидними добавками — (ДРЙ) (рис. 11.12) — це різновид ламп ДРЛ.

У кварцовий пальник, крім аргону й ртуті, введено галогеніди металів. Залежно

від металу лампа випромінює світло, характерне для введеного металу. Наприклад, при введенні йодиду талію лампа випромінює зеленкуватий колір, йодиду індію — блакитний відтінок, йодиду натрію — жовтуватий колір.

Оскільки металогалогенні лампи дають видиме світло, відпадає потреба в люмінофорі, тому колби лампи прозорі.

Металогалогенні лампи порівняно з лампами ДРЛ мають більшу світлову віддачу.

Натрієві газорозрядні лампи. Дугові натрієві га­зорозрядні лампи (ДНаТ) — найекономічніші дже­рела світла. Вони використовуються переважно там, де відсутні вимоги до кольоровості освітлення об'­єктів (автостради, тунелі, товарні станції тощо).

ДНаТ можуть бути низького та високого тиску. У лампах низького тиску газорозрядні трубки (паль­ники) виготовляють із спеціального скла, стійкого до пари натрію. У трубку вводяться інертний газ та невелика кількість металевого натрію. Під час проходження струму по електродах лампи натрій випаровується і виникає електричний дуговий роз­ряд.

Натрієві лампи випромінюють жовте світло. У натрієвих лампах високого тиску газорозрядні трубки виготовляють з полікристалічного оксиду

Рис. 11.12. Ду­гова ртутна металогалогенна лампа:

1 — прозора колба; 2 — кварцовий паль­ник; 3 — елек­троди; 4 — ек­ран.

алюмінію, стійкого до парів натрію. Ці лампи випромінюють світло інших кольорів видимого спектра, наприклад, золотисто-білий колір.

Світловий потік ламп типу ДНаТ перевищує світловий потік ламп ДРЛ та ДРЙ. Наприклад, світловий потік лампи ДНаТ потужністю 250 Вт досягає 25 клм, лампи ДРЛ — 12,5 клм, лампи ДРЙ — 19 клм.

Дугові трубчасті ксенонові лампи (ДКсТ) випускають великої потужності — від 2 000 до 50 000 Вт.

Спектральний склад світла ксенонових ламп близький до при­родного, тому їх використовують там, де є необхідність правильно передавати кольори освітлювальних об'єктів.

Світловий потік ламп типу ДКсТ значно менший від інших дугорозрядних джерел світла, але їхнє використання різко ско­рочує число освітлювальних приладів через високу потужність.

Правильна кольоропередача і велика потужність ламп ДКсТ дає можливість використовувати їх на спортивних спорудах, май­данах міст, у кар'єрах, у біології, проекційних установках при зйомках фільмів та ін.

Дугові газоосвітлювальні трубки. Газоосвітлювальні трубки — це безінерційні джерела світла. Вони використовуються в рек­ламному та сигнальному освітленні.

Газоосвітлювальна трубка будь-якої форми являє собою скля­ний циліндр завдовжки від 0,1 до 3 м. На її кінцях впаяно електроди, до яких під'єднується джерело високої напруги. Трубки наповнюють різними наповнювачами — неоном, аргоном, арго­ном із ртуттю, внаслідок чого досягають різного за кольоровістю освітлення: жовто-золотистого, червоного, малинового, синього, фіолетово-червоного, рожевого, блакитного, темно-зеленого та ін.

Електричні освітлювальні прилади. Освітлювальні прилади скла­даються з джерела світла та оптичного пристрою, який перероз­поділяє світловий потік джерела світла в просторі.

Освітлювальні прилади поділяються на світильники й прожек­тори.

Світильники — це прилади ближньої дії. Використовуються для освітлення об'єктів, віддалених на відстань лише в десятки раз більшу, ніж їхні розміри.

Прожектори — це прилади дальньої дії. Використовуються для освітлення об'єктів, віддалених на відстань, яка в сотні й тисячі разів перебільшує їхні діаметри. Прожектори є приладами концентрованого світлорозподілу.

Залежно від призначення світильники поділяються на проми­слові, громадські, побутові, вуличні. За способом встановлення — на підвісні, настельні, настінні, для встановлення на столі, підлозі та ін. За способом захисту від дії навколишнього середовища світильники поділяються на відкриті, бризкозахисні, пилонепро­никні та пилозахищені, ущільнювані та водозахисні, вибухонеп-роникні й вибухозахисні.

Світловий потік світильників розподіляється в нижню і верхню напівсферу залежно від їхньої конструкції. Тому світильники поділяються на п'ять класів: прямого, переважно прямого, роз­сіяного, переважно відбитого й відбитого світла. Наприклад, світловий потік світильника прямого освітлення розподіляється так: 80 — 100% — у нижню напівсферу, а 20 — 0% — у верхню. Світильники відбиваючого світла розподіляють світловий потік у відсотковому відношенні навпаки, порівняно із світильниками прямого освітлення.

Керування освітленням. Залежно від освітлюваних об'єктів ке­рування освітленням здійснюється різними способами: місцевим, централізованим, дистанційним і автоматичним.

Місцеве керування використовується для освітлення невеликих і середніх за розмірами приміщень при ввімкненні освітлення частинами. Для цього використовують вимикачі, перемикачі, які встановлюють поблизу освітлювальних апаратів.

Централізоване керування освітленням застосовується у великих приміщеннях, де загальне освітлення вмикається й вимикається одночасно і де недоцільно встановлювати велику кількість ви­микачів. Здійснюється за допомогою автоматичних вимикачів групових щитків.

Дистанційне керування освітленням може виконуватися з одного або декількох місць залежно від особливостей виробничих кор­пусів. Дистанційне увімкнення освітлення виконується автома­тичними вимикачами або магнітними пускачами, керування яки­ми здійснюється з пультів або шаф керування.

Автоматичне керування освітленням може бути фотоавтомати-чне або програмне.

Фотоавтоматичне керування використовується переважно для зовнішнього освітлення. Для цього застосовують виносні датчики освітленості, які встановлюють у місцях контролю освітленості, орієнтованих на північ. їх можна встановити у приміщеннях перед вікном, а також ззовні приміщень на стінах будинків. Сигнал датчика надходить на фотоавтомат, який здійснює вми­кання освітлення.

Програмне керування використовується переважно для внутрі­шнього освітлення і здійснюється програмними реле часу. Воно передбачає увімкнення освітлення залежно від тривалості робочої зміни, перерви на обід та ін.

Сигнал на ввімкнення освітлення з пульта керування подається по спеціально виділених жилах телефонних кабелів або по кон­трольних кабелях.

При використанні телефонних кабелів лінії керування живлять постійним струмом для запобігання перешкодам телефонного зв'язку.