Лекция 1 1. Краткий исторический обзор

На протяжении всей жизни человек познает окружающий мир. Львиную долю информации человек получает через органы зрения (>80%). Качество поступающей информации зависит от освещенности естественного или искусственного света. К естественным источникам относятся Солнце, Луна и звезды, а также природные тела, имеющие температуру выше 0°К. Естественное излучение может быть прямым и отраженным. Практически всю визуальную информацию об окружающем мире мы получаем за счет отраженного излучения от объектов, которые нас окружают.

Такие естественные излучатели, как Луна, небесные тела, атмосфера, ландшафт, облака и т.п. обязаны излучению Солнца. Солнце, с высокой степенью приближения, излучает как черное тело (ЧТ) с температурой около 6000К. Если предположить, что излучение Солнца равномерно рассеивается в атмосфере Земли, т.е. небо имеет одинаковую яркость, то эта яркость составит около 10^-5 от яркости Солнца (1,5 Гкд/м²).

Поверхность Солнца окружена короной, представляющей собой высокотемпературную плазму, состоящую из ионов и свободных электронов. Излучение короны имеет сплошной спектр. Общий свет от короны составляет одну миллионную долю света Солнца. Обычно видимый с Земли размер короны равен примерно радиусу, а при максимуме солнечной активности – 15 -20 радиусам Солнца. Солнце находится на расстоянии около 26000 световых лет от центра Галактики и вращается вокруг него, делая один оборот более чем за 200 миллионов лет. Орбитальная скорость Солнца 217 км/с. Расстояние от плоскости Галактики 48 световых лет. Экваториальный радиус 6,955*10⁸ м. масса 1,9891*10³⁰кг. Температура: поверхности 5778К; короны ~1500000К; ядра ~13500000К. Жизненный цикл Солнца более 8 млрд лет. К настоящему времени возраст Солнца оценивается примерно в 4,57 млрд лет.

Искусственные источники света в древнее время представляли собой свечи, лучины и лампады. Самым первым из используемых людьми в своей деятельности источником света был огонь (пламя) костра. С течением времени и ростом опыта сжигания различных горючих материалов люди обнаружили, что большее количество света может быть получено при сжигании каких либо смолистых пород дерева, природных смол, масел и воска. С точки зрения химических свойств подобные материалы содержат больший процент углерода по массе и при сгорании сажистые частицы углерода сильно раскаляются в пламени и излучают свет.

В дальнейшем при развитии технологий обработки металлов, развития способов быстрого зажигания с помощью огнива позволили создать и в значительной степени усовершенствовать первые независимые источники света, которые можно было устанавливать в любом пространственном положении, переносить и перезаряжать горючим. А также определенный прогресс в переработке нефти, восков, жиров и масел и некоторых природных смол позволил выделять необходимые топливные фракции: очищенный воск, парафин, стеарин, пальмитин, керосин и т. п. Такими источниками стали прежде всего свечи, факелы, масляные, а позже нефтяные лампы и фонари.

Дальнейший прогресс и развитие знаний в области химии, физики и материаловедения, позволили людям использовать также и различные горючие газы, отдающие при сгорании большее количество света. Газовое освещение было достаточно широко развито в Англии и ряде европейских стран. Особым удобством газового освещения было то, что появилась возможность освещения больших площадей в городах, зданий и др., за счёт того что газы очень удобно и быстро можно было доставить из центрального хранилища (баллонов) с помощью прорезиненных рукавов (шлангов), либо стальных или медных трубопроводов, а также легко отсекать поток газа от горелки простым поворотом запорного крана. Важнейшим газом для организации городского газового освещения стал так называемый «светильный газ», производимый с помощью пиролиза жира морских животных (китов, дельфинов, тюленей и др.), а несколько позже производимый в больших количествах из каменного угля при коксовании.

Кероси́новая ла́мпа — светильник на основе сгорания керосина. Принцип действия лампы примерно такой же, что и у масляной лампы: в ёмкость заливается керосин, опускается фитиль. Другой конец фитиля зажат поднимающим механизмом в горелке, сконструированной таким образом, чтобы воздух подтекал снизу. В отличие от масляной лампы, у керосиновой фитиль плетёный. Сверху горелки устанавливается ламповое стекло — для обеспечения тяги, а также для защиты пламени от ветра. Керосиновые лампы используются в основном там, где часто отключают электричество, а также дачниками и туристамипоследнего на газосветильных заводах.

Разработкой электрических источников света начали в 19 веке. В 1802 г. русский ученый В.В.Петров впервые получил дуговой разряд между двумя угольными стержнями. В 1872 г. русский изобретатель А.Н.Лодыгин создал первую лампу накаливания, в которой в качестве тела накала использовал угольный стержень, заключенный в стеклянный баллон. В 1879 г. американский инженер Томас Эдисон усовершенствовал конструкцию лампы Лодыгина и разработал технологию массового производства. В дальнейшем усовершенствование ламп накаливания шло по пути создания более надежных тел накала (использовались осьмий, тантал и др.). С 1909 г. и до настоящего времени в качестве тел накала в основном используют вольфрам или сплавы на его основе.

Генрих Гайсслер (1856 г.), Никола Тесла (1891 г.), Томас Эдисон (1893 г.), Питер Купер Хьюитт (1901г.) занимались проектированием газоразрядных ламп. Основоположником современной ЛЛ является Эдмунд Гермер (1926), предложивший покрывать колбу флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой, в белый свет. Промышленный выпуск ЛЛ начат General Electric с 1938 года. В СССР разработкой первых люминесцентных ламп занимались В. А. Фабрикант и С. И. Вавилов с сотрудниками.

Дальнейшее усовершенствование ламп накаливания и газоразрядных ламп шло по пути повышения их световой отдачи. В конце 50-х годов были разработаны галогенные лампы, световая отдача которых более 30 лм/Вт. Созданы ртутные лампы высокого давления, металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления.

Для зажигания и стабилизации дугового разряда газоразрядных источников света созданы специальные балластные и зажигающие устройства– пускорегулирующая аппаратура (ПРА). На исходе 20-го века электронной промышленностью разработаны электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА), благодаря которым были созданы компактные люминесцентные лампы.

Применение разнообразных ламп последнего поколения в народном хозяйстве обеспечило существенное снижение расхода электроэнергии. В настоящее время ассортимент галогенных и газоразрядных ламп весьма разнообразен по спектральному составу излучения, форме, размерам и световым параметрам.

Вначале 21-го века интенсивно развивается светодиодные источники света, которые по электрическим и светотехническим параметрам значительно превосходят предыдущие источники света. Первое известное сообщение об излучении света твёрдотельным диодом было сделано в 1907 году британским экспериментатором Генри Раундом, а первые работы по электролюминесценции в карбиде кремния выполнил в 1923 году советский физик Олег Лосев.

Первый в мире практически применимый светодиод, работающий в световом (красном) диапазоне, разработал американский ученый Ник Холоньяк в 1962 году. Долгое время светодиоды использовались в качестве индикаторных источников. Лишь в 1989 году доктор Ш. Накамура из фирмы Nichia Chemical, получил светодиод с голубым свечением, а в январе 1998 года фирма приступила к выпуску белых светодиодов. С этих пор началась интенсивная работа по проектированию и производству разнообразных светодиодных источников света, которые успешно внедряются в различные сферы человеческой деятельности.

2. Классификация источников света

По принципу преобразования электрической энергии в энергию видимых излучений современные источники света подразделяются на три основные группы: тепловые, разрядные и твердотельные.

Основные параметры источников света

Электрические источники света характеризуются рядом параметров, определяющих их основные электрические, световые и эксплуатационные свойства.

Основными электрическими параметрами источников света являются: номинальное напряжение; номинальный ток; род тока; номинальная мощность; коэффициент мощности.

Основными световые параметрами источников света являются: световой поток; сила света; яркость; стабильность светового потока; яркостная температура; коэффициент цветопередачи.

Основными эксплуатационными параметрами источников света являются: световая отдача; срок службы; геометрические размеры.

Основные световые параметры

Световой поток—это мощность светового излучения, измеренная не в привычных ваттах или лошадиных силах, а в специальных единицах, называемых люменами (русскоязычное — лм, в иностранной—lm). Люмен—это 1/683 ватта светового монохроматического излучения с длиной волны 555нм, соответствующей максимуму кривой спектральной чувствительности глаза. Величина 1/683 появилась исторически, когда основным источником света были обычные свечи, и излучение только появлявшихся электрических источников света сравнивалось со светом таких свечей. В настоящее время эта величина (1/683) узаконена многими международными соглашениями и принята повсеместно.

Телесный угол ω равен отношению площади S, вырезаемой этим углом на сфере произвольного радиуса r, к квадрату этого радиуса – ω = S/r². Площадь измеряют по среднему диаметру d светящегося пятна – S = πd²/4. В международной системе единиц СИ телесный угол измеряется в стерадианах (ср).

Сила света — это отношение светового потока, заключенного в каком-либо телесном угле, к величине это угла: I = Ф/ω .

Если источник света светит равномерно по всему пространству, то есть в телесном угле 4π (так как площадь сферы равна 4πR²), то сила света такого источника равна Ф/4π, т.е.Ф/12,56. Сила света измеряется в канделах (сокращенно –кд, иностран-ное—cd). Одна кандела—это сила света источника, излучающего световой поток 1 лм в телесном угле 1 ср. Примерно такую силу света имеет обычная стеариновая свеча (отсюда ясно, что световой поток такой свечи равен примерно 12,56 лм).

Освещенность—это величина светового потока, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности. Если световой поток Ф падает на какую-то площадь S, то средняя освещенность этой площади (обозначается буквой Е) равна: Е = Ф/S .

Единица измерения освещенности называется люксом (обозначение—лк, в иностранной—lx). Один люкс— это освещенность, при которой световой поток 1лм падает на площадь в 1 квадратный метр: 1 лк = 1 лм/ 1 м² .

Яркость поверхности S—это отношение силы света I, излучаемой этой поверхностью в каком-либо направлении, к площади проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению. В технической литературе яркость обозначается буквой L: L = I / S cos α .

За единицу измерения ярости сейчас во всех странах принята яркость плоской поверхности, излучающей силу света в 1 кд с одного квадратного метра в направлении, перпендикулярном светящейся поверхности, то есть 1кд/м².

Отчего же зависит яркость предметов? Прежде всего, конечно, от величины светового потока попадающего на них и от свойств самих предметов, а именно—от их способности отражать падающий свет.

Способность предметов отражать падающий на них свет характеризуется коэффициентом отражения: ρ = Фотраженный / Фпадающий.

Доля света, которая проходит сквозь материал, характеризуется коэффициентом пропускания, а доля, которая поглощается—коэффициентом полощения:

τ = Фпрошедший / Фпадающий; α = Фпоглощенный / Фпадающий .

Соотношения между этими коэффициентами: ρ + τ + α = 1 .

К оэффициент пульсаций освещённости характеризует колебания во времени светового потока, падающего на единицу поверхности. Коэффициент пульсаций освещённости определяется отношением амплитуды колебаний освещённости к их среднему значению и вычисляются по формуле:

С ветовая отдача лампы (КПД) показывает, какой световой поток испускает лампа на единицу мощности, потребляемой из электрической сети (лм·Вт^–1). Световая отдача определяется выражением .

Индекс цветопередачи – безразмерная величина, численное значение которой находится в интервале от 0 до 100. Чем меньше отклонение видимого цвета от естественного (больше индекс цветопередачи), тем лучше характеристика цветопередачи этого источника света. Источник света с индексом цветопередачи R_a = 100 излучает свет, оптимально отображающий все цвета. Но такую цветопередачу могут иметь только источники света, аналогичных абсолютно черному телу. Все реальные источники света имеют Ra < 100. В мире принята такая система оценки качества цветопередачи:

Ra ≥90—отличное; 90>Ra>80—очень хорошее; 80>Ra>70—хорошее; 70>Ra>60—удовлетворительное; 60>Ra>40—приемлемое; Ra<40—плохое.

В российских нормах освещения установлено, что для предприятий полиграфической, текстильной, лакокрасочной отраслей промышленности, а также для хирургических отделений больниц Ra должен быть не ниже 90.

Лекция 2,3 3. Люминесцентные лампы низкого давления