Диплом / Книги / В. Б. Козловская. В. Н. Радкевич, В. Н. Сацукевич

5. Источники света

единственный вариант «упаковки» кристалла. Например» для сверхярких светодиодов» рассчитанных на большие токи» требуется массивный медный или алюминиевый теплоотвод (рис. 5.9, б).

Линза фокусирует свет кристалла и защищает кристалл от вла­ ги и коррозии. Присоединение контакта к аноду обычно осуще­ ствляется с помощью пайки либо электропроводящего клея. Кон­ такт к катоду выполняется с помощью тонкой золотой проволоки.

Для обычного освещения интерес представляют светодиоды, которые излучают белый свет. В настоящее время существуют сле­ дующие способы создания таких светодиодов. Первый способ пред­ полагает смешение излучения трех или более цветов. Но для прак­ тических применений этот способ доставляет неудобства, посколь­ ку нужно иметь несколько источников различного напряжения, мно­ го контактных вводов и устройства, смешивающие и фокусирую­ щие свет от нескольких и более светодиодов. Наиболее простыми и экономичными способами являются: смешение голубого излуче­ ния от светодиода с излучением желто-зеленого люминофора, воз­ буждаемого этим голубым светом, или возбуждение синим свето­ диодом зеленого и красного люминофоров. Смешиваясь, эти цвета дают свет, близкий по спектру к белому. Кристалл покрывается сло­ ем геля с порошком люминофора так, чтобы часть голубого излучения возбуждала люминофор, а часть - проходила без поглощения. Форма держателя, толщина слоя геля и форма пластикового купола рассчиты­ ваются и подбираются так, чтобы спектр имел белый цвет в нужном телесном угле (конусе света). В настоящее время существуют около десятка различных люминофоров для белых светодиодов.

Еще один способ основан на смешении излучения трех люми­ нофоров (красного, зеленого и голубого), размещенных слоями. Люминофоры возбуждаются ультрафиолетовым светодиодом. При таком способе используются люминофоры, разработанные в тече­ ние многих лет для люминесцентных ламп, в которых излучение света происходит по тому же принципу. Требуется только два контак­ тных ввода на один излучатель. Однако такой способ связан с суще­ ственными потерями энергии при преобразовании света в люмино­ форах. Эффективность данного способа снижается из-за того, что каждый из люминофоров имеет свой определенный спектр возбуж­ дения люминесценции, не точно соответствующий спектру излуче­ ния кристалла ультрафиолетового светодиода.

60

5.4. Светодиоды

Принято следующее деление светодиодов на группы [21]:

♦ светодиоды с током питания менее 30 мА, силой света 5001ООО мкд, которые применяются для сигнализации в системах ото­ бражения информации;

♦светодиоды с током питания 30-100 мА, силой света 1-3 кд, используемые как для сигнализации в системах отображения ин­ формации, так и для освещения;

♦светодиоды с током питания более 100 мА, световой поток которых составляет более 10 лм, предназначенные для освещения;

♦светодиоды со специальными устройствами для оптимизации рабочих режимов.

Основными показателями светодиодов, определяющими их эф­ фективность, являются квантовый выход, коэффициент полезного действия, долговечность и световая отдача.

Подквантовым выходом понимается количество излученных кван­

тов света на одну рекомбинировавшую электронно-дырочную пару, выраженное в процентах. Различают внутренний и внешний кванто­ вый выход. Внутренний - это характеристика самого р-н-перехода, его конструкции и материала, внешний квантовый выход опреде­ ляет характеристику прибора в целом. Разница между внутрен­ ним и внешним квантовым выходом обусловлена потерями в матери­ але светодиода. Внутренний квантовый выход для кристаллов с хоро­ шим теплоотводом достигает почти 100 %. Максимальное значение внешнего квантового выхода для красных светодиодов составляет 55 %, а для синих - 35 %. Внешний квантовый выход - одна из основных характеристик эффективности светодиода.

Коэффициент полезного действия (КПД) также является пока­ зателем эффективности использования светодиодом электрической энергии. КПД сильно зависит от формы спектра и может быть при­ ближенно определен через значение энергии кванта света в спект­ ральном максимуме.

К основным достоинствам светодиодов относят их высокую надежность и долговечность. Срок службы светодиодов достига­ ет 100 тыс. ч.

По достигнутым значениям световой отдачи светодиоды давно обогнали лампы накаливания и вплотную приблизились к люми­ несцентным лампам. Так, созданы светодиоды белого цвета со све­ тоотдачей 25-30 лм/Вт, цветовой температурой Г = 6000-8500 К

61

5.Источники света

иобщим индексом цветопередачи Ra =■80, а цветные (красные) - со световой отдачей 50 лм/Вт.

Светодиод должен питаться от источника стабилизированного тока. Для питания светодиода от батарейки необходим токоограни­ чивающий резистор Л (рис. 5.10).

Я

Рис. 5.10. Схема подключения светодиода к источнику постоянного тока

Светодиод можно питать и от источника переменного тока. При этом последовательно со светодиодом должен быть включен вып­ рямительный диод. Схема подключения светодиодов к источнику переменного тока представлена на рис. 5.11.

VD\ R1

Рис. 5.П. Схема подключения светодиода к источнику переменного тока

Светодиоды также допускается питать в импульсном режиме. В этом случае импульсный ток, протекающий через прибор, может быть выше, чем значения постоянного тока (до 150 мА при дли­ тельности импульсов 100 мке и частоте импульсов 1 кГц). Для уп­ равления яркостью светодиодов (и цветом, в случае смешения цве­ тов) используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) - метод, очень распространенный в современной электронике. Это позволя­ ет создавать специальные управляющие устройства - контроллеры

62

5.5.Достоинства и недостатки различных источников света

сфункцией плавного изменения яркости (диммеры) и цвета (колорчейнджеры), что можно эффективно использовать в системах деко­ ративного освещения.

5.5.Достоинства и недостатки различных источников света

Косновным достоинствам ламп накаливания следует отнести невысокую стоимость, удобство и простоту эксплуатации, наличие разнообразных конструкций на разные напряжения и мощности, возможность работы как на переменном, так и на постоянном токе,

атакже отсутствие пульсации светового потока.

Недостатками этого вида источников света являются низкие зна­ чения световой отдачи и средней продолжительности горения, не­ высокий уровень цветопередачи (кроме галогенных), недостаточ­ ная механическая прочность и чувствительность к колебаниям напряжения.

Газоразрядные лампы имеют высокую световую отдачу, доста­ точно большой срок службы, а также хорошие уровни цветопереда­ чи (особенно у люминесцентных ламп низкого давления и ламп типа ДРИ), что является их несомненным достоинством.

Однако газоразрядные лампы как высокого, так н низкого дав­ ления обладают рядом существенных недостатков, обусловленных принципом действия данных источников света и устраняемых при­ менением соответствующих рабочих схем или с помощью некото­ рых технических приемов. Отметим основные недостатки, сопро­ вождающие работу большинства газоразрядных ламп.

Для зажигания и горения ламп необходимы специальные схемы включения, предусматривающие использование последовательно включенных пускорегулирующих аппаратов. Газоразрядные лам­ пы имеют небольшой набор номинальных мощностей по сравне­ нию с лампами накаливания и относительно большие габариты, что особенно характерно для люминесцентных ламп низкого давления. Лампы, работающие на переменном токе, не могут работать на по­ стоянном токе с той же схемой включения. Эту особенность необ­ ходимо учитывать при проектировании системы аварийного осве­ щения в случае, когда питание светильников аварийного освеще­ ния, работающих и в нормальном режиме, предполагается переклю­ чать на источник постоянного тока.

63

5. Источники света

Все газоразрядные лампы при питании переменным тоном дают световой поток, пульсирующий с удвоенной частотой тока, что вы­ зывает повышенную утомляемость глаз и может приводить к воз­ никновению стробоскопического эффекта, который заключается в следующем. Если включить одну лампу в сеть переменного тока и наблюдать за каким-либо вращающимся или движущимся пред­ метом, то при определенной частоте его вращения может создаться иллюзия, что предмет вращается в противоположном направлении или находится в неподвижном состоянии. При перемещении объек­ та с постоянной скоростью создается неверное представление, что он движется как бы скачкообразно.

Стробоскопические явления вредны для зрения и особенно опас­ ны в производственных условиях, так как могут быть причиной травматизма. Для устранения явлений стробоскопии могут приме­ няться многоламповые светильники с пускорегулирующими аппа­ ратами, создающими искусственный сдвиг фазы напряжения пере­ менного тока, электронные пускорегулирующие аппараты, специ­ альные схемы включения газоразрядных ламп, а также подключе­ ние соседних светильников к разным фазам трехфазной сети [17].

Газоразрядные лампы являются источниками высших гармоник тока, что неблагоприятно сказывается на режимах электрической сети. Кроме того, работа ламп создает радиопомехи, распространя­ емые как по эфиру, так и по сети. Схемы с газоразрядными лампа­ ми потребляют помимо активной также и реактивную мощность, поэтому коэффициент мощности в сети с газоразрядными лампами высокого давления и люминесцентными лампами низкого давления с некомпенсированными ПРА находится в пределах 0,35-0,5. Одна­ ко для ламп низкого давления требуется выполнение индивидуаль­ ной компенсации потребляемой реактивной мощности до значения cos ф не ниже 0,9 [ 1].

Влияние отклонения напряжения на работу газоразрядных ламп меньшее, чем для ламп накаливания, но при напряжении ниже 90 % номинального устойчивое зажигание ламп не обеспечивается.

Поскольку многие виды газоразрядных ламп содержат ртуть, их необходимо утилизировать централизованно.

Следует обратить внимание на различную степень зависимости рабочих характеристик ламп высокого и низкого давления от тем­ пературы окружающей среды. Режим работы большинства люми­

64

5.6. Выбор источников света

несцентных ламп низкого давления (особенно со стартерной схе­ мой зажигания) сильно зависит от температуры воздуха, так как ее понижение или повышение относительно оптимального значения нарушает тепловой баланс лампы, что снижает ее эффективность. Для газоразрядных ламп высокого давления такая зависимость ра­ бочих характеристик от температуры окружающей среды практи­ чески отсутствует, так как их разрядная трубка помещена в защит­ ную стеклянную колбу. Такая особенность делает возможным эф­ фективное применение газоразрядных ламп высокого давления для наружного освещения.

Нужно иметь в виду, что лампы высокого давления обычно име­ ют продолжительное время зажигания как из горячего, так и из хо­ лодного состояния. Оно обусловлено скоростью установления теп­ лового режима колбы и составляет в среднем 2-10 мин.

К основным достоинствам светодиодов относится их длитель­ ный срок службы, поэтому они не нуждаются в частой замене. Кро­ ме того, они очень компактны, при низком напряжении и очень не­ больших токах создают высокий уровень освещенности, имеют большую ударную прочность, не дают ни инфракрасного, ни ульт­ рафиолетового излучения.

5.6. Выбор источников света

Выбор типа источника света определяется следующими основ­ ными факторами[17]:

♦электрическими характеристиками (напряжением, мощнос­ тью, родом тока, силой тока);

♦функциональными светотехническими параметрами (свето­ вым потоком, силой света, цветовой температурой, спектральным составом излучения);

♦конструктивными параметрами (диаметром колбы, полной длиной ламп);

♦средней продолжительностью горения;

♦стабильностью светового потока;

♦экономичностью (стоимостью и световой отдачей источни­ ка света).

С учетом указанных факторов в осветительных установках там, где это возможно, в первую очередь следует применять газоразряд­ ные лампы высокого и низкого давления.

5. Источники света

Выбор источников света определяется их характеристиками

итребованиями к освещению. Применение газоразрядных ламп ис­ ключается, если питание установки осуществляется от сети посто­ янного тока или если возможно понижение напряжения более чем на 10 %от номинального. Необходимость быстрого включения ламп после кратковременного исчезновения напряжения не позволяет применять лампы ДРЛ и ДРИ, При температуре окружающей сре­ ды ниже +5 °С освещение с помощью люминесцентных ламп мо­ жет оказаться неэффективным. Для местного освещения на напря­ жении 12-42 В применяют лампы накаливания.

Важное значение в выборе источников света имеют их цветопе­ редача и экономичность. В некоторых отраслях промышленности, таких, как машиностроение, металлургия и др., для большинства помещений, как правило, не предъявляются жесткие требования

кцветопередаче. Основное требование в данном случае сводится

кразличению окружающих предметов и лиц людей, работающих в помещении, а не к правильной цветопередаче. Поэтому в данном случае при выборе ламп для освещения решающую роль играют их технико-экономические характеристики.

Когда к цветопередаче предъявляются повышенные требования,

инеобходимо, чтобы цвета воспринимались, как при дневном свете (цеха швейных и меховых фабрик, магазины тканей и верхней одеж­ ды, музеи и выставки), применение ламп накаливания не обеспечи­ вает желаемого результата. В таких случаях можно использовать люминесцентные лампы (кроме ЛТБ), которые значительно лучше осуществляют цветопередачу, чем лампы накаливания. Люминес­

центные лампы по цветопередаче можно расположить в следующей очередности от лучших к худшим: ЛЕ, ЛДЦ, ЛД, ЛХБ, ЛБ [8].

Галогенные лампы накаливания типа КГ обеспечивают неплохую цветопередачу и могут по этому показателю конкурировать с люми­ несцентными лампами типа ЛХБ. Экономические показатели газоразрядного освещения в последние годы улучшаются, чему спо­ собствует сближение норм освещенности для газоразрядных ламп и ламп накаливания. Расходэлектроэнергии при газоразрядныхлампах значительно меньше, чем при лампах накаливания, а их повышенная стоимость компенсируется более продолжительным сроком службы.

Основным источником света для общего освещения производ­ ственных помещений являются газоразрядные лампы. Нормы тре-

66

5.6. Выбор источников света

буют применения их, как правило, для общего освещения помеще­ ний с работами разрядов J-V и VII, помещений без достаточного естественного света с постоянным пребыванием работающих и для общего освещения в системе комбинированного освещения. Так как производственные помещения промышленных объектов имеют, как правило, значительную высоту, то для их освещения обычно при­ меняются газоразрядные лампы высокого давления. В обществен­ ных зданиях и служебно-бытовых помещениях промышленных предприятий чаще всего применяются люминесцентные лампы низ­ кого давления.

Лампы накаливания сохраняют свое значение в основном толь­ ко для помещений, где производятся грубые работы или осуществ­ ляется общий надзор за работой оборудования, особенно если эти помещения не предназначены для постоянного пребывания людей: подвалы, туннели, проходы между фундаментами машин, склады, вентиляционные установки и т. д. Эти лампы применяются также в тех случаях, когда использование газоразрядных ламп технически невозможно, например когда для данных условий среды выпуска­ ются только светильники с лампами накаливания. Для прямой за­ мены ламп накаливания выпускаются компактные люминесцентные лампы типаКЛС мощностью 9, 13,18 и 25 Вт. Лампа КЛС выпол­ няется в пластмассовом корпусе, оснащенном резьбовым цоколем и состыкованным с ним светорассеивающим колпаком. Внутри кор­ пуса находится источник люминесцентного излучения, ПРА и стар­ тер с конденсатором. Применение ламп типа КЛС вместо ламп на­ каливания позволяет сэкономить до 70 % электроэнергии.

Определяющее значение при выборе типа источников света имеют высота помещения и требования к цветопередаче. При использова­ нии люминесцентных ламп число светильников всегда значитель­ но больше, чем при использовании ламп типа ДРЛ, и повышенная трудоемкость их обслуживания особенно сказывается в высоких помещениях, заставляя уже по одной этой причине отдавать пред­ почтение лампам типа ДРЛ или ДРИ. С другой стороны, лампы типа ДРЛ имеют высокий коэффициент пульсации светового по­ тока, а при малых высотах его снижение трудно осуществимо.

Применение люминесцентных ламп низкого давления может быть обоснованно в помещениях высотой не более 6-8 м при по­ вышенных требованиях к цветопередаче и при выполнении работ

67

5. Источники света

высокой точности, при которых лампы типа ДРЛ противопоказаны. В основном применяются лампы типа ЛБ как наиболее экономич­ ные, и только при специальных требованиях к цветопередаче - дру­ гие типы ламп, кроме ЛТБ.

Галогенные лампы накаливания в установках промышленного освещения не получили широкого применения. Они рекомендуют­ ся для высоких помещений при технической невозможности при­ менения газоразрядных ламп, если потребная единичная мощность лампы превышает 1000 Вт, но могут применяться также при повы­ шенных требованиях к цветопередаче, если по какой-то причине нельзя использовать люминесцентные лампы низкого давления.

Газоразрядные лампы высокого давления типа ДРЛ и ДРИ ис­ пользуются для освещения помещений высотой 6-20 м, а также для наружного освещения.

Натриевые лампы типа ДНаТ вследствие высокой пульсации их светового потока и специфического спектра оптического излучения, имеющего выраженную желто-оранжевую составляющую, для внут­ реннего освещения на промышленных предприятиях применяются ограниченно, в основном в сочетании с лампами типа ДРЛ и ДРИ. Основная область использования натриевых ламп - освещение тер­ риторий промышленных объектов, автострад, улиц, площадей и т. п.

Ксеноновые лампы предназначены для освещения больших от­ крытых пространств (карьеров, мостов, погрузочно-разгрузочных площадок), архитектурных сооружений и т. д.

Выбор источников света по цветовым характеристикам следует производить с учетом данных, приведенных в табл. 5.11.

Таблица 5.11

Цветовые характеристики излучения электрических ламп

68

5.6. Выбор источников света

Окончание табл. 5Л1

Общее (независимо от принятой системы освещения) искусст­ венное освещение производственных помещений, предназначенных для постоянного пребывания людей, должно обеспечиваться раз­ рядными источниками света [2]. Применение ламп накаливания допускается в отдельных случаях, когда по условиям технологии, среды или требований оформления интерьера, использование раз­ рядных источников света невозможно или нецелесообразно. Для местного освещения кроме разрядных источников света рекомен­ дуется использовать лампы накаливания, в том числе галогенные. Выбор типа источников света для освещения производственных помещений по цветовым характеристикам рекомендуется произво­ дить в соответствии с табл. 5.12-5.13.

Следует иметь в виду, что в таблицах все зрительные работы по требованию к цветоразличению разбиты на четыре основные группы:

I - контроль цвета с очень высокими требованиями к цветоразличению (контроль готовой продукции на швейных фабриках, тка­ ней на текстильных фабриках, сортировка кожи, подбор красок для цветной печати и т. п.);

II - сопоставление цветов с высокими требованиями к цветоразличению (ткачество, швейное производство, цветная печать и т. п.);

III- различение цветных объектов при невысоких требованиях

кцветоразличению (сборка радиоаппаратуры, прядение, намотка проводов и т. п.);

IV - требования к цветоразличению отсутствуют (механическая обработка металлов, пластмасс, сборка машин, инструментов и т. п.).

69