3.Виды электрических источников света

С физической точки зрения источником света может быть названа любая материальная система, излучающая электромагнитную энергию в оптической области спектра. В технике источниками света называют приборы, служащие для преобразования какого-либо вида энергии в энергию оптического излучения.

Электрические источники света делятся на три больших класса:

• Тепловые

• Люминесцентные

• Смешанного излучения.

К тепловым электрическим источникам оптического излучения относятся прежде всего разнообразные лампы накаливания, в которых свет излучается проводником (вольфрамовым телом накала), накаленным протекающим через него электрическим током. К этому классу можно также отнести: электрические дуги между угольными электродами, основным источником излучения которых является поверхность электрода; газокалильные лампы, в которых излучают сетки, накаленные внешней теплотой; электрические инфракрасные излучатели.

К люминесцентным источникам света относятся такие источники, свечение которых основано на явлении люминесценции. По определению, люминесценция — это «... избыток излучения над температурным излучением, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью» Люминесценция не подчиняется законам теплового излучения. В основе ее лежит индивидуализированный перевод атомов и молекул вещества в возбужденное состояние, возвращаясь из которого в нормальное состояние, они излучают накопленную энергию в виде света. В зависимости от рода применяемой первичной (возбуждающей) энергии, люминесценция делится на различные виды: электролюминесценция (свечение веществ под действием электрического поля), фотолюминесценция (свечение веществ при облучении их светом), хемилюминесценция (свечение в результате химической реакции) и др.

Типичными представителями люминесцентных источников света являются трубчатые люминесцентные лампы низкого давления, а также дуговые ртутные лампы типа ДРЛ, в которых одновременно с электролюминесценцией паров ртути в плазме электрического разряда используется фотолюминесценция нанесенного на стенку колбы люминофора под действием излучения столба разряда. К этому же классу относятся различные безлюминофорные газоразрядные лампы тлеющего, дугового, высокочастотного и импульсного разрядов (трубки тлеющего разряда, лампы с парами натрия, импульсные лампы и др.).

Источниками света смешанного излучения называются такие, в которых имеют место одновременно и люминесценция, и тепловое излучение. Представителем этого класса источников света является, например, дуга высокой интенсивности, в которой свечение дуги обусловлено явлением электролюминесценции редкоземельных элементов, поступающих из фитиля анода в межэлектродное пространство, а свечение раскаленного анода является тепловым излучением.

По назначению все электрические источники света можно разделить на следующие основные классы:

1) общего назначения — для общего освещения помещений и открытых пространств

2) местного освещения — для освещения индивидуальных рабочих мест;

3) транспортные

4) для сигнализации и индикации

5) для оптических систем и приборов

6) метрологические

7) для технологических целей

8) для специальных светотехнических систем и установок

По конструктивно-технологическим признакам источники света разделяют прежде всего на три крупных класса:

Лампы накаливания;

Наиболее распространены электрические лампы накаливания. Принцип их действия основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через ее нить, в энергию видимых излучений, воздействующих на органы зрения человека и создающих у него ощущение света, близкого к белому.

Этот процесс происходит при нагреве нити лампы до 2600—2700°С. Нить лампы не перегорает, так как температура плавления вольфрама, из которого сделана нить, значительно выше (3200—3400°С) температуры накала нити, а также вследствие того, что из колбы лампы удален воздух либо колба заполнена инертными газами (смесью азота, аргона, ксенона), в среде которых металл не окисляется.

Срок службы ламп накаливания колеблется в широких пределах, поскольку зависит от условий работы, в том числе от стабильности номинального напряжения, наличия или отсутствия механических воздействий на лампу (сотрясения, вибрации), температуры окружающей среды и др. Средний срок службы ламп накаливания общего назначения составляет 1000—1200 ч.

При продолжительной работе лампы накаливания ее нить под воздействием высокой температуры нагрева постепенно испаряется, уменьшается в диаметре и, наконец, перегорает.

Чем выше температура нагрева нити накала, тем больше света излучает лампа, но при этом интенсивнее протекает процесс испарения нити и сокращается срок службы лампы. В связи с этим для ламп накаливания устанавливается такая температура накала нити, при которой обеспечиваются необходимая светоотдача лампы и определенная продолжительность ее службы. [8]

Разновидности ламп накаливания

• Вакуумные (самые простые)

• Аргоновые (азот-аргоновые)

• Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых)

• Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых)

• Галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы)

• Галогенные с двумя колбами

• Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых)

• Ксенон-галогенные с отражателем ИК ( инфро – красного) излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)

• Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр. [9]

Специальные лампы накаливания:

• лампы накаливания прожекторные

• лампы накаливания кинопроекционные

• лампы накаливания сигнальные

• лампы накаливания транспортные и пр. [5]

Преимущества:

• малая стоимость

• небольшие размеры

• отсутствие пускорегулирующей аппаратуры

• нечувствительность к ионизирующей радиации

• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)

• быстрый выход на рабочий режим

• невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения

• отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации

• возможность работы на любом роде тока

• нечувствительность к полярности напряжения

• возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)

• отсутствие мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях).

• отсутствие гудения при работе на переменном токе

• непрерывный спектр излучения

• приятный и привычный в быту спектр

• устойчивость к электромагнитному импульсу

• возможность использования регуляторов яркости

• не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату

Недостатки:

• низкая световая отдача

• относительно малый срок службы

• хрупкость, чувствительность к удару и вибрации

• бросок тока при включении

• при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона

• резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения

• лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 25 Вт-100 °C, 40 Вт — 145 °C, 75 Вт — 250 °C, 100 Вт — 290 °C, 200 Вт — 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

• нагрев частей лампы требует термостойкой арматуры светильников

• световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности, потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %. Включение электролампы через диод, что часто применяется с целью продления ресурса на лестничных площадках, в тамбурах и прочих затрудняющих замену местах, ещё больше усугубляет её недостатки. [9]

По виду различают:

• классические лампы накаливания (грушевидные, витые, свечеобразные, каплевидные)

• лампы с увеличенной яркостью

• лампы с мягким светом

• цветные и декоративные лампы [6]

Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания. Но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. 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.

Газоразрядные лампы низкого давления

Лампы с колбами, заполненными инертными газами, называют газополными.

Газополные лампы при равных условиях имеют большую светоотдачу, чем вакуумные, так как газ, находящийся в колбе под давлением, препятствует испарению нити накала, что позволяет повысить ее рабочую температуру.

Люминесцентная лампа — газоразрядный источник света, в котором видимый свет излучается в основном люминофором, который, в свою очередь, светится под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; сам разряд тоже излучает видимый свет, но в значительно меньшей степени.

Световая отдача люминесцентной лампы в несколько раз больше, чем у ламп накаливания аналогичной мощности. Срок службы люминесцентных ламп может в 10 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу включений и выключений.

Люминесцентные лампы нашли широкое применение в освещении общественных зданий: школ, больниц, офисов и т. д. С появлением компактных люминесцентных ламп с электронными балластами, которые можно включать в патроны вместо ламп накаливания, люминесцентные лампы завоёвывают популярность и в быту.

Люминесцентные лампы наиболее целесообразно применять для общего освещения, прежде всего помещений большой площади, позволяющими улучшить условия освещения и при этом снизить потребление энергии на 50-83 % и увеличить срок службы ламп. Люминесцентные лампы широко применяются также и в местном освещении рабочих мест, в световой рекламе, подсветке фасадов.

До начала применения светодиодов являлись единственным источником для подсветки жидкокристаллических экранов.

Принцип работы

При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает тлеющий разряд. Лампа заполнена инертным газом и парами ртути, проходящий ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора, можно менять оттенок свечения лампы. В качестве люминофора используют в основном галофосфаты кальция и ортофосфаты кальция-цинка.

Широкое применение в осветительных электроустановках предприятий, учреждений, учебных и лечебных заведений получили люминесцентные лампы, которые представляет собой герметически закрытую стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой покрыта тонким слоем люминофора. Люминофорами называются химические вещества, в которых под действием внешних факторов (электрического разряда и др.) возникает свечение, или люминесценция. Из трубки удаляется воздух и вводится небольшое количество газа (аргона) и определенное количество ртути. Внутри трубки в ее стеклянных ножках укреплены биспиральные электроды из вольфрама, соединенные с двухштырьковыми цоколями, служащими для присоединения лампы к электрической сети. При подаче к лампе напряжения между ее электродами в парах ртути возникает электрический разряд, и лампа начинает излучать свет. Чтобы обеспечить более интенсивное излучение электронов, электроды люминесцентных ламп покрывают активирующими веществами (оксидами стронция, бария или кальция). [8]

Световой поток, излучаемый люминесцентными лампами, не одинаков по цвету. В зависимости от цветности излучаемого лампой светового потока различают:

• лампы дневного света (ЛД)  

• белого света (ЛБ)

• холодно-белого света (ЛХБ)

• тепло-белого света (ЛТБ) [5]