Системы освещения, основные понятия. Источники излучения
Лучистая энергия передается от тела к телу в виде фотонов электромагнитных волн различной длины (частоты). Значение энергии фотона связано с частотой электромагнитных колебаний соотношением
e = hn = (h×c)/l ,
где e - энергия фотона, Дж; h - постоянная Планка, h = 6,6245´10 -34 Дж´с; n - частота электромагнитных колебаний, Гц; l - длина электромагнитной волны, м.
Частота n и длина волны l, электромагнитного излучения взаимосвязаны со скоростью распространения электромагнитных волн в пространстве (со скоростью света) с = 3×108 м/с соотношением:
с = lv ,
Излучения оптического диапазона спектра электромагнитных колебаний в зависимости от длины волны l делят: на видимое (от 380 до 760 нм), ультрафиолетовое (от 1 до 380 нм) и инфракрасное (от 760 до 106 нм), [1 нм = 10-9 м] (см. рис. 1).
Видимый солнечный свет - это сочетание излучений семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового, которые приведены в порядке уменьшения длины электромагнитной волны.
В оптической области спектра электромагнитных колебаний перед красным излучением находится инфракрасное (ИК - излучение), а за фиолетовым – ультрафиолетовое (УФ - излучение). (По-латыни «инфра» означает «впереди», а «ультра» — «за»). Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи невидимы для человеческого глаза.
В свою очередь, ультрафиолетовое (УФ) излучение подразделяют: на длинноволновое зоны А (от 315 до 380 нм), средневолновое зоны В (от 280 до 315 нм) и коротковолновое зоны С (от 100 до 280 нм). УФ - излучение с длиной волны менее 100 нм интенсивно поглощается воздухом земной атмосферы и не достигает поверхности земли.
Длинноволновое УФ - излучение зоны А обладает крайне низкой фотобиологической активностью, но способно вызывать видимое свечение некоторых веществ. Поэтому его используют для люминесцентного анализа химического состава различных веществ и биологического состояния продуктов питания.
Рисунок 1.
Средневолновое УФ - излучение зоны В оказывает благоприятное действие на живые организмы, вызывает эритему и загар, способствует лучшему усвоению витамина D, обладает мощным антирахитным действием. Для большинства растений УФ - излучение зоны В неблагоприятно.
Коротковолновое УФ - излучение зоны С обладает бактерицидным действием. Поэтому его применяют для обеззараживания продуктов питания, воды, воздуха, для дезинфекции и стерилизации различного инвентаря и посуды.
Инфракрасное (ИК) излучение также в зависимости от длины волны подразделяют на три зоны: коротковолновую А (от 760 до 1400 нм), средневолновую В (от 1400 до 3000 нм) и длинноволновую С (от 3000 нм до 1 мм).
ИК - излучение практически не поглощается воздухом и большую часть энергии своих фотонов расходует на образование теплоты в поверхностном слое тела нагрева. Глубина проникновения ИК - излучения в поверхностный слой составляет в среднем для воды 30...45 мм, для древесины - 3...7 мм, для сырого картофеля - до 6 мм, для тела животного — 2,5 мм, для зерна — 2 мм. В сельскохозяйственном производстве ИК - излучение используют для местного обогрева молодняка животных и птицы, сушки сельскохозяйственной продукции, лакокрасочных и других покрытий, для дезинсекции.
Электрическим источником оптического излучения, и в частности источником света, называют устройство для преобразования электрической энергии в лучистую энергию оптического спектра.
В применяемых электрических источниках оптического излучения электрическая энергия преобразуется в лучистую двумя основными способами: нагревом тела электрическим током и электрическим разрядом в газах и парах металлов. В соответствии с этим электрические источники оптического излучения (лампы) подразделяют на тепловые и разрядные. Возможна и комбинация указанных способов в одном источнике. Различные лампы отличаются между собой электроэнергетическими, светотехническими и эксплуатационными параметрами и характеристиками.
Тепловые источники света выполняют в виде различных ламп накаливания. Несмотря на многообразие ламп накаливания, все они работают по единому физическому принципу преобразования электрической энергии в оптическое излучение путем нагрева электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200...2800 °С, а также имеют сходные основные конструктивные элементы.
Так как максимум излучения ламп накаливания расположен в инфракрасной части спектра излучения и в целом у них высокое значение энергетического КПД Фл /Рл = 0,7...0,9, то они также находят широкое применение для различных целей инфракрасного нагрева. У специальных инфракрасных ламп температура тела накала меньше, чем у обычных осветительных. Поэтому их срок службы в б... 10 раз больше, чем у осветительных, для которых номинальный срок службы (средняя продолжительность горения) составляет 1000 ч.
Для уменьшения отрицательного влияния распыления вольфрамовой нити накала на показатели лампы накаливания внутрь стеклянной колбы вводят в ряде случаев небольшое количество йода или брома. Такие лампы называют галогенными.
Внешнее отличие галогенных осветительных ламп накаливания состоит в том, что их колба выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической трубки малого объема, у которой на концах имеются выводы для подключения. Вольфрамовая спираль на поддержках вытянута по оси трубки. Поэтому для нормальной работы галогенные лампы устанавливают только в горизонтальном положении.
Галогенные лампы накаливания по сравнению с лампами накаливания общего назначения имеют большую световую отдачу: 20... 35 лм/Вт против 8...20 лм/Вт. Их номинальный срок службы в 2 раза больше. Световой поток к концу срока службы у галогенных ламп снижается всего на 2% вместо 20% у ламп накаливания общего назначения.
Существенные преимущества ламп накаливания — простота устройства, удобство в эксплуатации и относительно малая стоимость. Мощность ламп накаливания общего назначения от долей ватта до 1000 Вт, галогенных — до 20 кВт.
Обозначение ламп накаливания общего назначения состоит из одной или нескольких букв: В — вакуумная, Г — газонаполненная (86% аргон, 14% азот); БК — биспиральная криптоновая (86% криптон, 14% азот) и т. д. Цифры после буквенного обозначения показывают диапазон уровней питающего напряжения в вольтах, далее номинальную мощность лампы в ваттах и затем порядковый номер разработки. Например, Г-215-225-200 — лампа накаливания газонаполненная моноспиралная на диапазон напряжений 215...225 В номинальной мощностью 200 Вт при среднем расчетном напряжении питания 220 В.
Разрядные источники оптического излучения, в том числе светового, работают по принципу преобразования в оптическое излучение энергии дугового электрического разряда.
В зависимости от давления внутри разрядной колбы различают лампы: низкого (0,1...104 Па), высокого (3×104…106 Па) и сверхвысокого (более 106 Па) давления. От значения рабочего давления в колбе зависят КПД и спектр излучения разрядной лампы.
У разрядных ламп низкого давления энергетический КПД (Фл/Рл) высокий, а световой КПД потока излучения (Фс/Фл) мал, так как значительная часть их излучения сосредоточена в невидимой УФ-зоне спектра. Для разрядных ламп высокого давления наоборот: энергетический КПД меньше, а световой КПД больше.
Так как эффективный световой КПД лампы (Фс/Рл) равен произведению КПД энергетического (Фл/Рл) и светового (Фс/Фл), то это обусловило равноценную применимость обоих типов ламп.
В отличие от ламп накаливания, имеющих сплошной спектр излучения, разрядные лампы обладают ступенчатым или полосовым спектром, состав излучения которого зависит от состава газа и паров металла, наполняющих разрядную колбу (рис.2).
Разрядные лампы низкого давления имеют разрядную колбу 1 в виде стеклянной трубки, на концах которой в цоколь 4 вмонтированы штыревые токоподводы 5 (рис. 2, а). В оба цоколя 4 лампы через стеклянные ножки 2 впаяны оксидированные электроды 3, выполненные в виде моноспирали из вольфрама. У осветительных ламп внутренняя часть колбы из обычного стекла, которое не пропускает УФ-излучение, покрыта слоем люминофора. У ламп для УФ-облучения колбы выполняют из специального кварцевого или увиолевого стекла, которое имеет высокий коэффициент пропускания УФ-излучения соответствующей зоны УФ-спектра. Внутренний объем колбы заполняют аргоном и вводят небольшое количество ртути. Электрический разряд в лампе начинается в атмосфере инертного газа аргона, а затем по мере испарения ртути продолжается в её парах.
Рисунок 2 - Устройство (а) и типовая стартерная
схема включения (б) трубчатой разрядной лампы
низкого давления:1 – колба; 2 – стеклянная ножка;
3 – спиральный электрод; 4 – цоколь;
5 – штыревые токоподводы.
В люминесцентных разрядных лампах преобразование электрической энергии в видимое излучение происходит в два этапа.
На первом этапе электрический разряд в парах ртути сопровождается УФ-излучением в виде двух монохроматических потоков с длинами волн 253,7 и 184,9 нм, которые сами по себе являются мощными источниками бактерицидного излучения.
На втором этапе возникающее коротковолновое УФ-излучение преобразуется в слое люминофора колбы в видимое. То есть, в излучение с большей длиной волны и, соответственно с меньшей энергией фотонов, так как что часть энергии фотонов теряется в слое люминофора на втором этапе преобразования. Изменяя состав люминофора, изменяют спектральный состав видимого излучения лампы.
Маркировка люминесцентных ламп низкого давления содержит буквенное обозначение, начинающееся с буквы Л (люминесцентная) и второй буквы, раскрывающей особенности ее спектра излучения: Б — белая, ТБ — тепло-белая, ХБ — холодно-белая, Д — дневная, Е — естественная, БЕ — белая естественная, ХЕ — холодная естественная. Ц — с повышенной цветопередачей, УФ — ультрафиолетовая, Ф — фотосинтезная, Р — рефлекторная, У — U – образная, К – кольцевая. После буквенного обозначения следуют цифры, указывающие мощность лампы в ваттах, и через дефис — номер разработки. Например, ЛБР-80 — лампа люминесцентная белая рефлекторная мощностью 80 Вт.
Средняя продолжительность горения осветительных люминесцентных ламп низкого давления составляет 12...15 тыс.ч, светоотдача — 40...80 лм/Вт, мощность — от 3 до 200 Вт (наиболее массовые мощностью 15...80 Вт).
Из-за падающей вольтамперной характеристики электрического разряда для стабилизации режима в цепь разрядной лампы необходимо включать токоограничивающее балластное сопротивление, которое может быть активным (например лампы типа ДРВЛ), индуктивным (большинство ламп), емкостным или их комбинацией. Поэтому в сеть разрядные лампы включают через специальный пускорегулирующий аппарат (ПРА), который обеспечивает зажигание лампы и стабилизацию её дугового разряда в рабочем режиме.
На схеме, показанной на рис. 2. б, представлен типовой вариант включения люминесцентной лампы низкого давления с использованием дроссельного ПРА и лампового стартера тлеющего разряда. Схема содержит осветительную люминесцентную лампу низкого давления EL, индуктивное балластное сопротивление в виде дросселя LL, ламповый стартер VL, помехоподавляюший конденсатор С2 и компенсирующий конденсатор С1, повышающий коэффициент мощности установки с 0,4...0,6 до 0,92...0,95. Сопротивление R предназначено для разряда конденсаторов С1 и С2 после отключения лампы от сети.
Для освещения больших закрытых площадей и открытых территорий наряду с лампами ДРЛ, ДРИ и ДНаТ нашли применение мощные ксеноновые трубчатые лампы типа ДКсТ, которые не нуждаются в токоограничивающем балластном сопротивлении из-за их возрастающей вольтамперной характеристики. Их спектр излучения является сплошным и близким к солнечному, что обеспечивает правильную цветопередачу. Однако, для зажигания ламп ДКсТ требуется сложное пусковое устройство (ПУ), генерирующее высоковольтные импульсы напряжением до 30 кВ. Поэтому лампы ДКсТ, как правило, выпускаются на единичные мощности 6, 10, 20 и более кВт. Их светоотдача составляет 30…35 лм/Вт при нормированном сроке службы 1000 часов.
Лекция 12.