где ω — телесный угол, стерадиан (СР); ω = S/r; S — освещаемая площадь, м2
r — расстояние от светильника до освещаемой поверхности, м.
Для количественной оценки неравномерности излучения, генерируемого реальными источниками света, введено понятие пространственной плотности светового потока, которую называют силой света I. В МСС сила света определена как отношение светового потока Ф, исходящего от источника и распространяющегося внутри элементарного телесного угла ω, к этому элементарному углу
За единицу измерения силы света канделу (кд) принимают силу света, излучаемого в перпендикулярном направлении с поверхности черного тела при температуре затвердевания платины (Т = 2045 К) и давлении 1013,25 гПа (760 мм рт. ст.).
1 кд = 1 лм·ср–1.
Поверхностную плотность светового потока, падающего на освещаемую плоскость, называют освещенностью Е.
Освещенность есть отношение светового потока, падающего на элемент поверхности, содержащий данную точку, к площади этого элемента
S
Единицей измерения освещенности является люкс (лк): 1 лк = 1 лм/м2.
Освещенность является важной расчетной характеристикой. Однако зрительное восприятие человека бывает тем сильнее, чем больше плотность светового потока, отражаемого освещенным телом по направлению к наблюдателю. Но поскольку пространственную плотность светового потока оценивают силой света, освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света излучает каждый элемент поверхности в направлении к глазу. Отношение силы света dI, излучаемого элементом светящей поверхности dS в данном направлении α, к площади проекции этой поверхности
dS·cos α, называют яркостью поверхности (или просто яркостью) L. В общем случае ее можно записать в виде
|
Lα = |
dI α |
, кд/м2. |
(10.4) |
|
dS cos α |
|
|
|
|
Другими словами, яркость характеризует поверхностную плотность силы света в данном направлении. Единица измерения яркости — кандела на метр квадратный (кд·м–2) — специального названия не имеет. Яркость — одна из всех световых величин, непосредственно воспринимаемая глазом наблюдателя.
В инженерных решениях очень часто пользуются понятиями коэффициентов отражения ρ, поглощения α и пропускания τ, которые представляют собой отношение отраженного от поверхности Фρ, поглощенного Фα или прошедшего через нее Фτ светового потока к падающему потоку Фп:
ρ = Фρ , α = Фα , τ = Фτ . |
Фп |
Фп |
Фп |
Коэффициенты ρ, α и τ размеренности не имеют и выражаются |
либо в долях единицы (ρ + α + τ = 1), либо в процентах. |
В инженерной практике оценка световых величин в основном |
сводится к измерению освещенности на рабочих местах с помо- |
|
щью |
люксметров. Основные |
|
части люксметра — фотоэле- |
|
мент и миллиамперметр, гра- |
|
дуированный в единицах осве- |
|
щенности — люксах. Наиболее |
|
широко применяют люксметры |
|
Ю-116 или Ю-117 с селеновым |
|
фотоэлементом. Принципиаль- |
|
ная схема фотоэлектрического |
|
объективного люксметра пока- |
|
зана на рис. 10.1. |
|
Светочувствительный слой |
|
селена (фотоэлемента) наносят |
|
на стальную пластину. На по- |
Рис. 10.1. Принципиальная схема |
верхность селена напыляют тон- |
люксметра |
чайший (5 нм) полупрозрачный |
412 |
|
|
слой золота или платины. Между этими двумя слоями образуется так называемый запирающий слой с односторонней проводимостью.
Стальная пластина и полупрозрачный слой являются двумя электродами. При освещении фотоэлемента между этими электродами возникает фототок, пропорциональный падающему световому потоку Ф. Фототок измеряют миллиамперметром со шкалой, проградуированной в люксах. При измерениях освещенности от источников, отличных по цветности от лампы накаливания, следует вводить поправочный коэффициент. Для люминесцентных ламп ЛД он составляет 0,88, для ЛДЦ — 0,95, для ЛБ — 1,15, для ДРЛ — 1,20. При измерениях естественной освещенности этот коэффициент принимают равным 0,8.
10.2. Основные характеристики электрических источников света и осветительных приборов
Электрические источники света. Наиболее важными характеристиками электрических источников света являются удельная световая отдача, оцениваемая световым потоком, приходящимся на 1 Вт мощности источника света (лм/Вт), и средний срок службы, определяемый как математическое ожидание числа часов работы t отдельных ламп до выхода их из строя (перегорания). Кроме того, к основным характеристикам электрических источников света относят напряжение сети, мощность лампы и излучаемый ею световой поток.
Лампы накаливания до сих пор остаются самым распространенным видом электрических источников света. Во многих странах мира на их долю приходится от 80 до 90 % и более. К преимуществам ламп накаливания следует отнести возможность подключения их непосредственно в сеть без дополнительных аппаратов, устойчивую работоспособность при значительных колебаниях напряжения и различных состояниях среды. Недостатками являются ограниченный средний срок службы (1000 ч), преобладание в спектре желто-красного излучения и низкая световая отдача (не более 20 лм/Вт).
Люминесцентные лампы. Так называют трубчатые ртутные лампы низкого давления. Они имеют ряд положительных качеств — высокую световую отдачу (до 75 лм/Вт и более), продолжительный
нофоры, работающие в желто-красном спектре. Подбором люминофора создают ту или иную цветность светового потока ламп.
Современные лампы ДРЛ обладают хорошими эксплуатационными свойствами, высокой световой отдачей (до 55 лм/Вт), большим сроком службы (до 10 000 ч), способностью работать при низких температурах. Основными недостатками этих ламп являются значительная пульсация светового потока, длительность разгорания лампы до номинального потока (5—7 мин) и необходимость включения лампы в сеть через ПРА специальной конструкции.
Натриевые лампы генерируют световой поток при газовом разряде в парах натрия. Различают натриевые лампы низкого и высокого давления. Лампы низкого давления дают практически монохроматическое излучение с длиной волны 589 нм (желтая часть спектра). Световая отдача этих ламп равна 100 лм/Вт, а срок службы — 3000—5000 ч. Натриевые лампы высокого давления имеют почти непрерывный спектр в видимой области с возрастанием спектральной интенсивности вблизи длины волны 589 нм. Это обусловливает желто-розовую цветность излучения. Световая отдача составляет 140 лм/Вт, срок службы — до 3000 ч.
Оба типа натриевых ламп, обладающие резко выраженной цветностью потока излучения, имеют ограниченное применение. Их используют главным образом для освещения автомобильных магистралей и улиц. На железнодорожном транспорте натриевые лампы могут применяться лишь там, где их свет невозможно спутать со световыми сигнальными огнями.
Галогенные лампы накаливания, помимо вольфрамовой нити, содержат в замкнутом объеме трубки пары того или иного галогена (отсюда и название ламп), чаще всего йода. Пары йода и вольфрам в колбе образуют при работе лампы так называемый йодно-воль- фрамовый цикл, который повышает температуру тела накала и практически исключает его испарение. Два этих обстоятельства определяют основные преимущества галогенных ламп накаливания — повышенную по сравнению с обычными лампами накаливания световую отдачу, доходящую до 22 лм/Вт, и более продолжительный срок службы — до 2000 ч. Кроме указанных преимуществ, лампы обладают улучшенной цветопередачей и особой компактностью, что позволяет использовать их в специальных светильниках для освещения территорий путевого развития станций.
Лампы имеют трубчатую форму с торцовыми контактами (центральными или ножевыми). Материалом трубки, как правило, служит кварцевое стекло. Лампы КГ (кварцевые галогенные) в настоящее время выпускают в пяти вариантах по мощности 1; 1,5; 2; 5 и 10 кВт.
Всем газоразрядным источникам света присущ стробоскопический эффект — явление искажения зрительного восприятия предметов в пульсирующем световом потоке. Это объясняется тем, что при включении лампы в сеть переменного тока промышленной частоты 50 Гц возникают моменты, когда в лампе отсутствует ток, и световой поток ее значительно снижается.
Стробоскопический эффект весьма опасен, так как в этом случае человек не может визуально контролировать скорость и направление движения и при определенных условиях может стать одной из причин производственного травматизма, а также резкого утомления зрения.
Компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) — люминесцентная лампа с изогнутой формой колбы, что позволяет разместить лампу в светильнике меньших размеров. Такие лампы нередко имеют встроенный электронный дроссель. Компактные люминесцентные лампы разработаны для применения в конкретных специфических типах светильников либо для замены ламп накаливания.
Часто компактные люминесцентные лампы называют энергосберегающими лампами, что не совсем точно, поскольку существуют энергосберегающие лампы и на других физических принципах, например светодиодные или люминесцентные лампы линейного типа с пониженным содержанием ртути и меньшим диаметром трубки.
Также выпускаются лампы с шарообразной колбой без спиралей накаливания (слабое место обычных КЛЛ). Для инициации разряда используется индуктор. Компактная люминесцентная лампа показана на рис. 10.3.
Светодиодное освещение — одно из перспективных направлений технологий искусственного освещения,
Рис. 10.3. Компактная люминес- основанное на использовании свето- центная лампа диодов в качестве источника света.
416
Рис. 10.4. Светодиодная лампа
Развитие светодиодного освещения непосред-ственно связано с технологической эволюцией светодиода. Разработаны так называемые сверхъяркие светодиоды, специально предназначенные для искусственного освещения. Светодиодная лампа показана на рис. 10.4.
Светодиодные источники света в настоящее время широко применяются на железнодорожном транспорте.
По сравнению с обычными лампами накаливания светодиоды обладают следующими преимуществами:
•Экономно используют энергию по сравнению с предшествующими поколениями электрических источников света — дуговых, накальных и газоразрядных. Так, световая отдача светодиодных систем уличного освещения с резонансным источником питания достигает 120 лм/Вт, что сравнимо с отдачей натриевых газоразрядных ламп — 150—220 лм/Вт. Люминесцентные лампы имеют световую отдачу 60—100 лм/Вт, а лампы накаливания — 10—24 лм/Вт (включая галогенные).
•При оптимальной схемотехнике источников питания и использовании качественных компонентов средний срок службы светодиодных систем освещения может быть доведен до 100 тыс. ч, что в 50—200 раз больше по сравнению с массовыми лампами накаливания и в 4—16 раз больше, чем у большинства люминесцентных ламп.
•Возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров (как в случае ламп накаливания).
•Безопасность использования.
•Малые размеры.
•Высокая прочность.
•Отсутствие ртутных паров (в отличие от газоразрядных люминесцентных ламп и других приборов), что исключает отравление ртутью при переработке и при эксплуатации.
•Слабое ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.
•Незначительное тепловыделение (для маломощных устройств).
•Антивандальность.
Среди производителей именно светодиодные источники света считаются наиболее функционально-перспективным направлением как с точки зрения энергоэффективности, так и затратности и практического применения. В основном применяются приборы на белых светодиодах. Характеристики электрических источников света приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1
Характеристики электрических источников света
|
|
|
Характеристики источников света |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Источник света |
Светоот- |
Коэффици- |
Индекс цве- |
Срок служ- |
Нагрев |
|
|
дача, |
ент пульса- |
топередачи |
бы, ч |
колбы |
|
|
лм/Вт |
ции, % |
R, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Лампы |
|
|
|
|
|
|
накаливания |
12—15 |
Не более 7 |
90 |
1000 |
Сильный |
|
(обыкновенные) |
|
|
|
|
|
|
Лампы |
|
|
Близок к |
|
|
|
накаливания |
20—30 |
1 |
4000 |
То же |
|
100 |
|
(галогенные) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Дуговые ртутные |
55 |
65 |
80 |
10 000 |
>> >> |
|
Лампы (ДРЛ) |
|
|
|
|
|
|
|
Ксеноновые |
|
|
|
|
|
|
трубчатые лампы |
35 |
130 |
Близок к |
500—700 |
>> >> |
|
(ДКсТ) |
100 |
|
|
|
|
|
|
|
Люминесцентные |
40—80 |
До 30 |
85 |
10 000 |
Ниже |
|
лампы (трубка) |
среднего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Компактная |
|
|
|
|
|
|
люминесцентная |
|
|
|
|
|
|
лампа (КЛЛ) с |
|
|
|
|
|
|
винтовым цоко- |
80—90 |
1 |
90 |
6000—10 000 |
Средний |
|
лем |
|
|
|
|
|
|
Светодиодные |
|
|
Подбор лю- |
|
|
|
лампы |
До 100 |
1—5 |
бой цвето- |
До 100 000 |
Слабый |
|
|
|
|
передачи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пульсация светового потока при работе газоразрядных ламп связана с тем, что излучение определяется мгновенным значением мощности, поглощаемой газом. При питании ламп переменным
током излучение становится пульсирующим с частотой, вдвое большей частоты сети.
Четкость стробоскопического эффекта зависит от глубины пульсации светового потока. Так как основным количественным показателем любой осветительной установки является освещенность, пульсацию удобнее оценивать коэффициентом пульсации освещенности на рабочей поверхности:
K |
|
= |
Emax − Emin |
100, |
(10.5) |
п |
|
|
|
2Eср |
|
|
|
|
|
где Еmax, Еmin — максимальное и минимальное значения освещенности за период Т, лк;
T ∫ E(t )dt
0
Для снижения (подавления) стробоскопического эффекта следует уменьшать пульсацию путем сокращения глубины провалов (заштрихованная область на рис. 10.5) светового потока. Это достигается благодаря применению в газоразрядных лампах люминофоров с увеличенным эффектом последействия, когда после прекращения тока в лампе люминофор продолжает еще светиться.
Наибольший эффект снижения коэффициента пульсации достигается при включении трех ламп с одинаковыми типами пус-
Рис. 10.5. Схема к расчету коэффициента пульсации освещенности
корегулирующей аппаратуры в три разные фазы трехфазной сети. Меньшее, но все же существенное подавление стробоскопического эффекта можно получить, используя двухламповый светильник, включенный по схеме со сдвигом фаз на 120°. В этом случае суммарный световой поток ламп имеет меньший коэффициент пульсации, чем каждая лампа в отдельности.
При выборе источника света всегда надо иметь в виду, что разные типы газоразрядных ламп имеют разные коэффициенты пульсации: для люминесцентных ламп ЛБ этот коэффициент в среднем равен 25 %, для ЛД — 50, ЛДЦ — 40, ЛТБ — 22, ЛХБ — 35, ДРЛ — 65 и ДКсТ — 130 %. Для сравнения средние значения коэффициента пульсации ламп накаливания можно оценить в 7 %, а галогенных ламп накаливания — в 1 %.
Вышедшие из строя люминесцентные и другие ртутные лампы не должны бесконтрольно выбрасываться, они подлежат утилизации. В каждой такой лампе имеется определенное количество металлической ртути, которая при механическом разрушении (бое) лампы освобождается и загрязняет окружающее пространство (воздух, почву), что чрезвычайно опасно для здоровья людей. Поэтому до утилизации негодные лампы хранят на складах в старой упаковочной таре. Перед вывозом ламп на свалку ртуть из них должна быть изъята или нейтрализована.
Осветительные приборы
Совокупность источника света и осветительной арматуры называют осветительным прибором. Различают осветительные приборы ближнего действия — светильники и дальнего действия — прожекторы. Осветительная арматура служит для:
–перераспределения излучаемого источником света потока в необходимом направлении;
–предохранения глаз работающего человека от слепящего действия чрезмерно ярких элементов источника света;
–предохранения источника света от механических воздействий, которые могут привести к разрушению его хрупких частей;
–предохранения источника света от загрязнений, снижающих коэффициент пропускания колбы или трубки;
–изоляции источника света от окружающей среды для предупреждения коррозии токоведущих частей (цоколей, патронов) и возникновения взрыва при работе во взрывоопасной среде;
