Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Светотехнические установки и системы. Учебное пособие для обучающихся образовательных учреждений высшего образования
.pdf
11
2.1 Технические параметры
Технические параметры источников света включают в себя: электрические, световые и механические параметры.
Электрические параметры:
- номинальное напряжение, В;
- номинальная мощность, Вт;
- род тока (для некоторых газоразрядных ламп).
Световые параметры:
- световая отдача, лм/Вт;
- цветовая температура, К;
- индекс цветопередачи.
Световая отдача, η – это отношение светового потока лампы к потребляемой ею мощности, лм/Вт.
Цветовая температура, Тцв – характеризует спектральный состав излучения источника света и определяет ощущаемый глазом цвет предметов при
наблюдении в данном свете; Тцв = 2700 ÷ 6500 К.
Индекс цветопередачи, коэффициент цветопередачи (англ. colour
rendering index, CRI или Ra) – параметр, характеризующий уровень соответствия
естественного цвета тела видимому (кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным источником света.
Чем меньше отклонение видимого цвета от естественного (больше индекс
цветопередачи), тем лучше характеристика цветопередачи тестируемой лампы.
Источник света с показателем цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отображающий все цвета, индекс цветопередачи у солнечного света
также принимается равным 100. Чем ниже значения Ra, тем хуже передаются
цвета освещаемого объекта.
Механические параметры:
- габаритные и установочные размеры;
- тип цоколя;
- положение тела накала или разрядного промежутка (для некоторых
типов ламп);
- масса (если приводится в каталоге).
Цоколь – это элемент электрической лампы, необходимый для крепления
лампы в патроне, а так же для подведения к лампе электрического тока. Существует две основные группы цоколей: штырьковые, резьбовые.
Первая буква в маркировке цоколя определяет его тип:
• E - резьбовой цоколь Эдисона;
• G - штырьковой цоколь;
• R - цоколь с утопленными контактами;
• B - штифтовой цоколь (байонет);
• S - софитный цоколь;
• P - фокусирующий цоколь;
• T - телефонный цоколь;
• K - кабельный цоколь.
12
Число указывает размер цоколя либо расстояние между контактами,
например: E14, E27, G5, G13. Цоколи Е14 и E27 являются самым известным и
распространенным типом цоколя. Этот цоколь в настоящее время используют
в производстве ламп накаливания, галогенных ламп накаливания, энергосберегающих компактных люминесцентных ламп, светодиодных и др.
Маленькие буквы определяют количество соединительных контактов либо пластин:
• s – 1 контакт;
• d – 2 контакта;
• t – 3 контакта;
• q – 4 контакта;
• p – 5 контактов.
Например, цоколь R7s используют в некоторых разновидностях кварцевых галогенных лампах, а также в осветительных приборах высокой интенсивности. Цифра 7 в обозначении цоколя R7s указывает на диаметр штырька лампы – 7 мм, буква s – количество контактов (в данном случае – 1).
2.2 Эксплуатационные параметры
К эксплуатационным параметрам источников света относятся:
- срок службы;
- устойчивость к внешним климатическим факторам; механическим
воздействиям; колебаниям напряжения.
В ГОСТ на лампы накаливания (ГОСТ 2239-79 – стандарт на лампы
накаливания общего назначения) указывается средний срок службы при номинальном напряжении – время работы достаточно большой группы ламп, в
течение которого 50% от их количества может выйти из строя.
Средний срок службы для ламп накаливания принят 1000 часов, причем средний спад светового потока группы ламп не должен превышать 30%.
Срок службы для газоразрядных и светодиодных ламп оценивается по
снижению светового потока. Установлен полезный срок службы – среднее
врем работы ламп в номинальных условиях, в течение которого их эксплуатация экономически оправдана.
Вопросы для самоконтроля:
1. Перечислите параметры источников света.
2. Поясните физический смысл понятия «световая отдача».
3. Что характеризует цветовая температура?
4. Что характеризует параметр индекс цветопередачи?
5. Перечислите механические параметры источников света.
6. Дайте определение среднего срока службы.
7. Дайте определение полезного срока службы.
13
3 ИСТОЧНИКИ СВЕТА
3.1 Тепловые источники света
Лампы накаливания.
Конструкция лампы накаливания (ЛН) представлена на рисунке 3.1.
1 – колба; 2 – полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 – тело накала;
4, 5 – электроды (токовые вводы); 6 – крючки-держатели ТН; 7 – ножка лампы;
8 – внешнее звено токоввода; 9 – корпус цоколя; 10 – изолятор цоколя (стекло);
11 – контакт донышка цоколя
Рисунок 3.1 – Конструкция лампы накаливания
Тело накала 3 – это тонкая проволока из самого тугоплавкого металла,
известного в настоящее время – вольфрама. Диапазон температур нагрева тела
накала 2000-3200 К. При этом очевидно – чем выше температура тела накала,
тем больше будет световая отдача. Но, чем выше температура, тем быстрее испаряется вольфрам и тем меньше будет срок службы.
Если бы нить накала работала на открытом воздухе, она бы мгновенно
окислилась и разрушилась. Поэтому тело накала помещается в герметично запаянную стеклянную или кварцевую колбу 1, из которой воздух удален полностью (вакуум) 2 – полость колбы. Но, в вакууме вольфрам при высоких температурах начинает испаряться и оседать на стенках колбы, вызывая ее потемнение. Поэтому вакуумными выполняют лампы только небольшой мощности – до
25 Вт (тело накала работает при сравнительно низких температурах – не выше
2500 К) [3].
Для уменьшения испарения вольфрама колбы более мощных ламп после
откачки воздуха наполняют инертным газом. Такие лампы называют газополными.
Из шести существующих на Земле инертных газов (гелий, неон, аргон,
криптон, ксенон, радон) для наполнения ЛН используют три – аргон, криптон и
14
ксенон. Более 95% ламп наполняется аргоном, а точнее техническим аргоном –
86% аргона и 14% азота. Менее 5% с криптоновым наполнением и только некоторые кварцевые галогенные лампы – с ксеноновым.
Для увеличения светоотдачи нить накала должна иметь большую длину.
Поэтому для того, чтобы нить накала была более компактной при большой
длине, ее выполняют в виде спирали (биспирали). Длина тела накала зависит от
мощности лампы.
С помощью электродов 4,5 к телу накала подводится напряжение (электроды выполняются из никеля). Тело накала закреплено на крючкахдержателях 6 (из молибдена). 7 – стеклянная ножка, в которую вмонтированы
электроды и крючки-держатели.
К колбе лампы крепится цоколь 9,10. К резьбовой части цоколя припаян
один электрод лампы, другой электрод припаян к центральному контакту цоколя 11. Цоколь выполняется с резьбовым наружным диаметром 14, 27 и 40 мм.
Достоинства:
- относительная дешевизна ламп и простота их включения. Для ламп
накаливания не требуется использование какой-либо пускорегулирующей аппаратуры, как для всех без исключения газоразрядных ламп — они просто
ввинчиваются или вставляются в патроны и включаются обыкновенными выключателями;
- компактность, позволяющая легко управлять распределением светового
потока в пространстве;
- мгновенное включение – номинальный световой поток ламп устанавли-
вается сразу же после подачи на них напряжения;
- практическая независимость параметров от температуры окружающей
среды;
- сплошной спектр излучения, обеспечивающий хорошую цветопередачу
(общий индекс цветопередачи Ra для всех ламп накаливания равен 100).
- достаточно высокая надежность и устойчивость к внешним механиче-
ским воздействиям.
Недостатки:
- низкая световая отдача (13-25 лм/Вт);
- небольшой срок службы (1000 ч);
- зависимость световых и эксплуатационных параметров от колебаний се-
тевого напряжения. Например, падение напряжения в электрической сети на
1% вызывает снижение светового потока на 3,5%. При повышении напряжения
срок службы лампы резко уменьшается. При увеличении напряжения на 5%
срок службы лампы уменьшается в 2 раза;
- большая доля теплового излучения в спектре ламп;
- большие броски тока в момент включения.
Удельное сопротивление вольфрама, как и всех чистых металлов, растет с
температурой и при температурах 2500 - 3200 К отличается от значений при
комнатной температуре в 12-20 раз. Это вызывает резкие броски тока при
включении – ток в момент включения в 12-20 раз превышает установившиеся
значения. Длится такой бросок недолго – всего 0,1 - 0,2 секунды, но создает
15
большие нагрузки на электрические сети. Именно из-за таких бросков тока выход ламп из строя почти всегда происходит в момент включения.
Область применения: общее применение (внутреннее и наружное освещение в частных домах, квартирах, офисах); местное (для подсветки рабочих
мест); в автомобиле (специальные автомобильные лампы накаливания); в поездах, на судах, в самолетах, теплицах, в медицинских приборах и пультах управления, в фонариках и шкалах приборов (миниатюрные лампы накаливания);
также есть коммутационные, маячные и кинопроекционные лампы накаливания. Согласно Федерального закона от 25.06.2002г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в
отдельные законодательные акты Российской Федерации» с 1 января 2011 года
на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд.
Классификация и обозначение ламп накаливания. В обозначениях
ламп общего назначения обязательно присутствуют номинальное напряжение и
мощность. В России такие лампы выпускаются по Государственному стандарту
ГОСТ 2239. В соответствии с этим стандартом на лампах указывается не номинальное напряжение, а диапазон рабочих напряжений (например, 215 - 225 В),
при этом номинальным напряжением является среднее из указанных. В маркировке ламп присутствуют одна или две буквы, обозначающие тип лампы (В –
вакуумная со спиральным телом накала, Б – с аргоновым наполнением и
биспиральным телом накала, БК– с криптоновым наполнением и биспиральным
телом накала, МО – для местного освещения). После букв указывается диапазон рабочих напряжений в вольтах и через дефис – мощность в ваттах.
К лампам общего освещения можно отнести и зеркальные лампы в колбах
специальной формы с отражателем на внутренней или наружной поверхности
части колб, цоколями Е14, Е27 или Е40 (в зависимости от мощности ламп). В
России в маркировке таких ламп присутствует буква З.
Номенклатура ламп специального назначения значительно шире, чем
ламп общего назначения.
К специальным относятся лампы для различных видов транспорта (автомобильные, самолетные, железнодорожные, судовые, трамвайные), для использования в оптических приборах, прожекторные, кинопроекционные, миниатюрные, сверхминиатюрные, коммутаторные, декоративные, светоизмерительные и многие другие — более 4000 типономиналов. Большей частью такие
лампы выпускаются не по Государственным, а по отраслевым стандартам или
по техническим условиям предприятий-изготовителей. Типы цоколей, формы
колб, конструкции тел накала, номинальные напряжения и мощности — самые
разнообразные.
Галогенные лампы накаливания.
Галогенные лампы накаливания (ГЛН) представляют собой усовершенствованную разновидность обычных ламп накаливания, свет в них также получается за счет свечения тела накала – тонкой вольфрамовой проволоки. Кварце-
16
вая колба ГЛН наполнена инертным газом с добавкой галогенов или их соединений, обеспечивающих замедленное испарение тела накаливания.
1 – колба ГЛН – длинная узкая кварцевая трубка;
2 – тело накала – прямолинейная вольфрамовая спираль, закреплѐнная на вольфрамо-
вых держателях 3 по оси колбы; 4 – вольфрамовые вводы соединены с выводами 5 впаянной
в кварц молибденовой фольгой 6
Рисунок 3.2 – Конструкция галогенной лампы накаливания
Строение галогенных ламп идентично со строением обычных ламп накаливания [3]. Однако, для уменьшения испарения вольфрама и осветления стенок колбы в галогенных лампах используется вольфрамово-галогенный цикл.
Полезный эффект достигался за счет того, что пары галогенов способны соединяться с испаряющимися частицами вольфрама, а затем под действием высокой
температуры распадаться, возвращая вольфрам на спираль.
Колба галогенной лампы выполняется из тугоплавкого кварцевого стекла,
которое более устойчиво к высокой температуре и химическим воздействиям.
Кварцевое стекло – жаропрочный материал, а маленькие габариты гарантируют
прочность, достаточную для того, чтобы создавать более высокое давление газа. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газе-наполнителе, и с другой стороны становится возможным применение дорогих инертных газов криптон и ксенон в качестве газов-наполнителей. Все это
позволяет повысить температуру спирали, в результате чего увеличивается в 2
раза световая отдача (13-25 лм/Вт) и срок службы галогенной лампы (в 2–4 раза
выше, чем у ламп накаливания).
Таким образом, применение вольфрамово-галогенного цикла позволяет
улучшить сразу два параметра лампы накаливания:
- существенно замедляется испарение спирали, а, значит, увеличивается
срок службы лампы;
- заметно повышается температура тела накала, следовательно, увеличи-
вается световая отдача.
В остальном, вследствие того, что галогенные лампы являются лишь модифицированным вариантом обычных ламп накаливания, их свойства во многом схожи.
За счет использования в галогенных лампах кварцевой колбы ультрафиолетовое излучение нити накала беспрепятственно выходит наружу, и требуют-
17
ся специальные меры по его блокированию. Эта проблема полностью решена у
сетевых ламп, кварцевая колба которых помещена в стеклянную оболочку.
Частичная фильтрация ультрафиолета также достигается нанесением на
колбу специального фильтрующего покрытия (такие лампы маркируются как
UV-Stop, UV-Block и т. п.). В случае, если предпринятые в конструкции лампы
меры недостаточны для обеспечения ее ультрафиолетовой безопасности, такая
лампа должна устанавливаться только в светильник с защитным стеклом, о чем
делается соответствующая пометка в каталоге и на упаковке – рис. 3.3.
Рисунок 3.3 – Галогенные лампы накаливания
Эксплуатационные особенности галогенных ламп:
- лампы в одинарных кварцевых колбах не допускают прикосновения к
ним голыми руками. Это объясняется способностью кварца кристаллизоваться
вокруг инородных частиц, заносимых при таком контакте. Возникновение очагов кристаллизации приводит к нарушению однородной структуры стенки колбы, из-за чего колба трескается или взрывается;
- многие модели сетевых и специальных галогенных ламп не допускают
произвольного положения горения и требуют специального размещения в светильнике. Например, линейные лампы имеют максимальный срок службы при
горизонтальном положении. Это связано с тем, что громоздкая нить накала
несимметрично закреплена внутри колбы, и при ее неправильной ориентации
может провисать и выпадать из креплений, что ведет к перегоранию лампы;
- температура на стенках галогенных ламп накаливания составляет 400-
450°С в средней части лампы и 130°С в зоне электродов – пожарная опасность.
Область применения: для оснащения фар автомобилей; для оборудования современных потолков; для обустройства точечного освещения; для обустройства прожекторного освещения на стадионах; для монтажа подсветки в
люстрах и светильниках.
Классификация и обозначение галогенных ламп накаливания. Галогенные лампы накаливания также делятся на две большие группы – линейные и
малогабаритные (компактные).
Линейные лампы, как правило, имеют двухстороннюю цоколевку с торцевыми цоколями R7s. Лампы мощностью 2000 Вт и более часто делают без
цоколей с гибкими проволочными выводами или плоскими контактами для зажима «под винт». Диапазон мощностей линейных ламп – от 100 до 20000 Вт;
18
номинальное напряжение – 110, 127, 220 В. Линейные лампы российского производства маркируются буквами КГ или КИ (кварцевые галогенные или йодные) и цифрами, обозначающими номинальное напряжение и мощность. Иногда после мощности через дефис ставится еще одна цифра, указывающая модификацию лампы. Например, КГ 220-1000-5 — кварцевая галогенная лампа
мощностью 1000 Вт на напряжение 220 В, пятая модификация.
Компактные галогенные лампы накаливания на напряжение 220 В мощностью от 500 до 5000 Вт производятся для прожекторов, используемых при
кино- и телевизионных съемках. Эти лампы имеют специальную конструкцию
и различные типы специальных цоколей.
Малогабаритные лампы накаливания производятся на низкие напряжения
(от 6 до 36 В); диапазон мощностей таких ламп – от3до 200 Вт.
В России в обозначении малогабаритных галогенных ламп присутствуют
буквы КГМ или КГМН (кварцевая галогенная малогабаритная или миниатюрная), АКГ (автомобильная кварцевая галогенная), КГСМ (кварцевая галогенная
самолетная малогабаритная), далее — цифры, указывающие номинальное
напряжение, и через дефис — мощность. У автомобильных ламп с двумя телами накала («ближний» и «дальний» свет) указывается мощность каждого из
них. У ламп с отражателями в обозначении, кроме напряжения и мощности,
должны указываться угол рассеяния и диаметр отражателя.
3.2 Газоразрядные лампы
Газоразрядной называют лампу, в которой процесс оптическое излучение
возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.
Газоразрядные лампы (ГЛ) делятся на [3]:
ГЛ низкого давления:
- люминесцентные лампы (ЛЛ);
- компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).
ГЛ высокого давления:
- ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная);
- металлогалогенные лампы (МГЛ);
- натриевые лампы;
- ксеноновые лампы.
Вольт-амперная характеристика разряда имеет падающий характер – рис.
3.4. При снижении напряжения сети Uc напряжение на лампе Uл уменьшатся,
что приводит к увеличению тока лампы Iл, а это в свою очередь приводит к
увеличению потери напряжения в сети U, в результате чего еще больше падает напряжение, то есть процесс идет по схеме: Uc ; Uл ; Iл ; U ; Uc и т.д.
Возрастание тока может привести к выходу из строя лампы, поэтому
необходимо ограничивать ток разряда.
19
U
Uл1
I
Uл2
Iл1 Iл2
Рисунок 3.4 - Вольт-амперные характеристики дугового разряда (1), по-
стоянного сопротивления (2) и лампы накаливания (3)
Стабилизация разряда может быть обеспечена дополнительным балластным сопротивлением, включенным последовательно с газоразрядным промежутком.
Люминесцентные лампы
Традиционная лампа люминесцентного типа — это стеклянный цилиндр
с внешним диаметром 12, 16, 26 и 38 мм. Конструкция люминесцентной лампы
представлена на рис. 3.5.
1 – стеклянная цилиндрическая колба, 2 – стеклянная ножка, 3 – электроды, 4 – контактные
штырьки, 5 – цоколь, 6 – штенгель (отверстие для откачивания воздуха из колбы), 7 –
инертный газ, 8 – капля ртути, 9 – люминофор
Рисунок 3.5 - Конструкция люминесцентной лампы
Люминесцентная лампа (ЛЛ) – это цилиндр из стекла 1 с наружным диаметром 12, 16, 26 мм. Электроды 3 по конструкции подобны биспиральному телу накала ламп накаливания и также выполняются из вольфрама. С наружной
стороны электроды припаяны к штырькам 4 (штырьковой цоколь G).
Из колбы воздух тщательно откачивается – 6. После чего объем колбы
заполняют инертным газом и дозированным количеством ртути – 7, 8. Если к
20
лампе приложено напряжение больше, чем напряжение зажигания, между электродами возникает разряд. В ртутных разрядах низкого давления доля видимого излучения не превышает 2% мощности разряда. Излучение разряда ультрафиолетовое (УФ). С помощью специального вещества – люминофора 9 – УФ
излучение можно превратить в видимое. Меняя соотношение веществ в люминофоре, можно получить белый свет разных цветовых оттенков (от теплого до
дневного).
Длина люминесцентной лампы измеряется в зависимости от еѐ мощности
и типа трубки: для ламп с трубкой T8 (диаметр 26 мм) длина может быть от 590
мм до 1500 мм для мощности 18, 30, 36 и 58 Вт; для ламп с трубкой T5 (диаметр 16 мм) длина может быть от 136 до 517 мм в зависимости от мощности (4,
6, 8 и 13 Вт).
Схема включения люминесцентной лампы приведена на рис. 3.6.
Рисунок 3.6 – Схема включения люминесцентной лампы
Для получения стартового разряда нужен дроссель (балласт). Он выполняет две функции: не только генерирующую пробивной импульс, но и ограничительную.
Стартер работает только при включении лампы (на старте): он создает
начальный импульс для дросселя, запускает лампу, а потом находится в неактивном состоянии; продолжает функционировать только лампа, дроссель и
фильтрующая емкость. В момент размыкания электродов стартера импульс высокого напряжения от дросселя попадает в лампу. Энергии импульса хватает,
чтобы пробить газовый промежуток. При пробое напряжение резко уменьшается, а ток увеличивается, и лампа начинает светить.
Выполнив первую задачу (обеспечив импульс высокого напряжения),
дроссель начинает выполнять вторую. Когда лампа уже горит, ток начинает
течь через лампу, минуя стартер. Лампе для работы нужно напряжение меньше,
чем в сети 220 В. Как реактивный компонент схемы, дроссель создает электромагнитное сопротивление, и тем самым ограничивает силу тока в цепи. Конденсатор служит для компенсации реактивной мощности потребляемой схемой.
Коэффициент мощности некомпенсированной схемы не превышает 0,6; компенсированной – 0,92-0,95.
В результате электрического разряда в парах ртути образуется УФизлучение. Оно попадает на люминофор, меняет спектр излучения и превращается в видимый свет.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]