Что же представляют собой искусственные источники света? Какими бывают искусственные источники света
Существуют природные, или естественные, источники света. Это Солнце, звезды, атмосферные электрические разряды (например, молния). Луну также причисляют к источникам света, хотя правильнее было бы отнести её к отражателям света, так как она сама свет не излучает, а лишь отражает падающие на нее солнечные лучи. Естественные источники света существуют в природе независимо от человека.
Источники света. Люминесцентная пампа: 1 - контакты; 2 - стеклянная трубка, изнутри покрытая люминофором и наполненная инертным газом. Лампа накаливания: 1 - баллон; 2 - нить накала; 3 - держатель; 4 - цоколь. Ртутная газоразрядная лампа.
Электрическая дуга тоже может быть источником света.
Но есть множество источников света, создаваемых человеком. Это тела, вещества и устройства, в которых энергия любого вида при определенных, зависящих от человека условиях преобразуется в свет. Простейшие и древнейшие из них - костер, факел, лучина. В древнем мире (Египте, Риме, Греции) в качестве светильников использовали сосуды, наполненные животным жиром. В сосуд опускали фитиль (кусок веревки или скрученную в жгут тряпицу), который пропитывался жиром и горел довольно ярко.
В дальнейшем, вплоть до конца XIX в., основными источниками света служили свечи, масляные и керосиновые лампы, газовые фонари. Многие из них (например, свечи и керосиновые лампы) дожили до наших дней. Все эти источники света основаны на сжигании горючих веществ, поэтому их еще называют тепловыми. В таких источниках свет излучают мельчайшие раскаленные твердые частицы углерода. Их световая отдача очень мала - всего около 1 лм/Вт (теоретический предел для источника белого света около 250 лм/Вт).
Величайшим изобретением в области освещения было создание в 1872 г. русским ученым А. Н. Лодыгиным электрической лампы накаливания. Лампа Лодыгина представляла собой стеклянный сосуд с помещенным внутрь его угольным стержнем; воздух из сосуда откачивался. При пропускании по стержню электрического тока стержень разогревался и начинал светиться. В 1873 - 1874 гг. А. Н. Лодыгин проводил опыты по электрическому освещению кораблей, предприятий, улиц, домов. В 1879 г. американский изобретатель Т. А. Эдисон создал удобную для промышленного изготовления лампу накаливания с угольной нитью. С 1909 г. стали применять лампы накаливания с зигзагообразно расположенной вольфрамовой проволочкой (нить накаливания), а спустя 3–4 года вольфрамовую нить начали изготовлять в виде спирали. Тогда же появились первые лампы накаливания, наполненные инертным газом (аргоном, криптоном), что заметно повысило срок их службы. С начала XX в. электрические лампы накаливания благодаря экономичности и удобству в эксплуатации начинают быстро и повсеместно вытеснять другие источники света, основанные на сжигании горючих веществ. В настоящее время лампы накаливания стали наиболее массовыми источниками света.
Все многочисленные разновидности ламп накаливания (более 2000) состоят из одинаковых частей, различающихся размерами и формой. Устройство типичной лампы накаливания показано на рисунке. Внутри стеклянной колбы, из которой откачан воздух, на стеклянном или керамическом штенгеле при помощи держателей из молибденовой проволоки закреплена спираль из вольфрамовой проволоки (тело накала). Концы спирали прикреплены к вводам. В процессе сборки из колбы лампы через штенгель откачивают воздух, после чего её наполняют инертным газом и штенгель заваривают. Для крепления в патроне и подключения к электрической сети лампу снабжают цоколем, к которому подводят вводы.
Лампы накаливания различают по областям применения (осветительные общего назначения, для фар автомобилей, проекционные, прожекторные и т. д.); по форме тела накала (с плоской спиралью, биспиральные и др.); по размерам колбы (миниатюрные, малогабаритные, нормальные, крупногабаритные). Например, у сверхминиатюрных ламп длина колбы меньше 10 мм и диаметр меньше 6 мм, у крупногабаритных ламп длина колбы достигает 175 мм и более, а диаметр больше 80 мм. Лампы накаливания изготовляют на напряжения от долей до сотен вольт, мощностью до десятков киловатт. Срок службы ламп накаливания от 5 до 1000 ч. Световая отдача зависит от конструкции лампы, напряжения, мощности и продолжительности горения и составляет 10–35 лм/Вт.
В 1876 г. русский инженер П. Н. Яблочков изобрел дуговую угольную лампу переменного тока. Это изобретение положило начало практическому использованию электрического заряда для целей освещения. Созданная П. Н. Яблочковым система электрического освещения на переменном токе с применением дуговых ламп - «русский свет» - демонстрировалась на Всемирной выставке в Париже в 1878 г. и пользовалась исключительным успехом; вскоре во Франции, Великобритании, США были основаны компании по её использованию.
Начиная с 30‑х гг. XX в. получают распространение газоразрядные источники света, в которых используется излучение, возникающее при электрическом разряде в инертных газах или парах различных металлов, особенно ртути и натрия. Первые образцы ртутных ламп в СССР были изготовлены в 1927 г., а натриевых ламп - в 1935 г.
Газоразрядные источники света представляют собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, а иногда и некоторое количество паров металлов или других веществ. В оболочку впаяны электроды, между которыми и возникает электрический разряд.
Наиболее широко для освещения зданий и сооружений применяются люминесцентные лампы, в которых ультрафиолетовое излучение электрического разряда в парах ртути преобразуется при помощи особого вещества - люминофора - в видимое, т. е. в световое, излучение. Световая отдача в срок службы люминесцентных ламп в несколько раз больше, чем ламп накаливания того же назначения. Среди подобных источников света наибольшее распространение получили ртутные люминесцентные лампы. Выполняется такая лампа в виде трубки из стекла (см. рис.) с нанесенным на её внутреннюю поверхность слоем люминофора. С двух концов в трубку впаяны вольфрамовые спиральные электроды для возбуждения электрического разряда. В трубку же вводят каплю ртути и немного инертного газа (аргона, неона и др.), который увеличивает срок службы и улучшает условия возникновения электрического разряда. При подключении лампы к источнику переменного тока между электродами лампы возникает электрический ток, возбуждающий ультрафиолетовое свечение паров ртути, которое в свою очередь вызывает свечение люминофорного слоя лампы. Световая отдача люминесцентных ламп достигает 75–80 лм/Вт. Мощность их колеблется в пределах от 4 до 200 Вт. Срок службы превышает 10 тыс. ч. Длина люминесцентных ламп составляет от 130 до 2440 мм. По форме трубки различают лампы прямые, V‑образные, W‑образные, кольцевые, свечеобразные. Такие лампы широко применяются для освещения помещений, в копировальных аппаратах, в световой рекламе и т. д. Для освещения автострад применяют натриевые лампы со световой отдачей до 140 лм/Вт. Улицы освещаются обычно ртутными лампами со световой отдачей 80–95 лм/Вт. Для газоразрядных источников света кроме высокой световой отдачи характерны простота и надежность в эксплуатации.
Совершенно новый тип источника света представляют собой лазеры, которые дают световые пучки с острой направленностью, исключительно яркие и однородные по цвету. А будущее осветительных приборов лежит за светодиодами.
Лампа накаливания – источник света с излучателем в виде проволоки (нити или спирали) из тугоплавкого металла (обычно вольфрама), накаливаемой электрическим током до температуры 2 500– 3 300 К, близкой к температуре плавления вольфрама (рис. 5). Световая отдача лампы накаливания 10– 35 лм/Вт; срок службы до 2 тыс. ч. Этот вид ламп все еще преобладает и производится в широком ассортименте, несмотря на имеющиеся в производстве более экономичные источники света. По конструкции лампы накаливания бывают вакуумные (НВ), газонаполненные (НГ), биспиральные (НБ), биспиральные с криптоно-ксеноновым наполнением (НБК). Имеются также зеркальные лампы , являющиеся лампами-светильниками.
Все большее распространение получают галогенные лампы накаливания. Наличие в колбе лампы паров галогенов (йода или брома), уменьшающих количество испарения вольфрама, позволило повысить температуру накала вольфрамовой нити, в результате чего световая отдача увеличивается до 40 лм/Вт и спектр излучаемого света приближается к естественному. Кроме того пары вольфрама, испаряющегося с нити накала, соединяются с йодом и вновь оседают на нить, препятствуя ее истощению. Срок службы этих ламп увеличился до 3– 5 тыс. ч. Двухцокольные линейные галогенные лампы (рис. 5, г ) используются для освещения широких поверхностей. Благодаря применению упрочненных держателей, нити накала обладают высокой устойчивостью к механическим воздействиям. Лампы совмещают в себе высокую светоотдачу, отличный коэффициент цветопередачи, постоянный световой поток в течение всего срока службы, мгновенное перезажигание, возможности регулировки яркости.
Преимущества ламп накаливания:
– малая стоимость;
– отсутствие необходимости пускорегулирующей аппаратуры, при включении зажигаются практически мгновенно;
– возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном;
– возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт);
– отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости инфраструктуры по сбору и утилизации;
– отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе;
– непрерывный спектр излучения;
– устойчивость к электромагнитному импульсу;
– возможность использования регуляторов яркости;
– независимость работы от условий окружающей среды и температуры;
– световой поток к концу срока службы снижается незначительно (на 15 %).
Недостатки:
– низкая световая отдача (в три–шесть раз меньше, чем у газоразрядных ламп);
– относительно малый срок службы;
– зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения;
– цветовая температура лежит в пределах 2 300–2 900 K (преобладают желтые и красные лучи, что искажает цветопередачу, поэтому их не применяют при работах, требующих различения цветов );
– 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 %;
– температура колбы галогенных ламп может достигать 500 °С, поэтому при установке ламп следует соблюдать нормы противопожарной безопасности (например, обеспечить достаточное расстояние между поверхностью перекрытия и подвесным потолком);
– обладают большой яркостью, но не дают равномерного распределения светового потока, для исключения прямого попадания света в глаза и вредного воздействия большой яркости на зрение нить накаливания лампы необходимо закрывать;
– при применении открытых ламп почти половина светового потока не используется для освещения рабочих поверхностей, поэтому ЛН необходимо устанавливать в осветительной арматуре.
Ограничения импорта, закупок и производства. В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу, во многих странах введен или планируется ввод запрета на производство, закупку и импорт ламп накаливания, с целью стимулирования замены их на энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные лампы и др.).
С 1 сентября 2009 г. в Евросоюзе вступил в силу поэтапный запрет на производство, закупку магазинами и импорт ламп накаливания (за исключением специальных ламп). С 2009 г. запрет коснется ламп мощностью ≥ 100 Вт, ламп с матовой колбой ≥ 75 Вт и др.; ожидается, что к 2012 г. будет запрещен импорт и производство ламп накаливания меньшей мощности.
23 ноября 2009 г. президент России подписал принятый ранее Госдумой закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Согласно документу, с 1 января 2011 г. к обороту на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более; с 1 января 2013 г. – электроламп мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 г. – ламп мощностью 25 Вт и более.
Основные характеристики ламп накаливания (ЛН) :
– номинальное значение напряжения;
– номинальное значение мощности;
– номинальное значение светового потока (иногда силы света);
– срок службы;
L , диаметр D ).
Технические данные ламп накаливания приведены в табл. 1 прил. 2 .
В настоящее время все большее применение находят газоразрядные лампы , в которых излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции. Основным преимуществом газоразрядных ламп является их экономичность. Световая отдача этих ламп колеблется в пределах 40...110 лм/Вт. Срок их службы доходит до 12 тыс. ч. С их помощью легче создать равномерное освещение, спектр их излучения ближе к естественному свету.
По составу среды различают следующие газоразрядные лампы:
– с газом;
– с парами металлов и различных соединений.
По давлению :
– газоразрядные лампы низкого давления (от 0,1 до 25 кПа);
– газоразрядные лампы высокого давления (от 25 до 1000 кПа);
– газоразрядные лампы сверхвысокого давления (от 1000 кПа).
По типу разряда :
– дуговые;
– тлеющие;
– импульсные.
По источнику излучения :
– газоразрядные лампы, у которых источником света являются атомы, ионы или молекулы;
– фотолюминесцентные лампы, у которых источником света являются люминофоры, возбуждаемые разрядом;
– электродосветные лампы, у которых источником света являются электроды, раскаленные до высокой температуры.
По охлаждению :
– газоразрядные лампы с естественным охлаждением;
– газоразрядные лампы с принудительным охлаждением.
Н
аиболее
распространены газоразрядные лампынизкого
давления
–
люминесцентные
(рис. 6).
Световая отдача – до 100 лм/Вт. Они имеют
форму цилиндрической стеклянной трубки
с двумя электродами. Трубка наполнена
дозированным количеством ртути (30–
80
мг) и смесью инертных газов (часто аргон)
при давлении около 400 Па (3 мм рт. ст.). По
обоим концам трубки закреплены электроды.
При включении электрический ток,
протекающий между электродами, вызывает
в парах ртути электрический разряд,
сопровождающийся излучением
(электролюминесценция). Внутренняя
поверхность трубки покрыта тонким слоем
люминофора, который преобразует
ультрафиолетовое излучение, возникающее
при газовом электрическом разряде, в
видимый свет. В зависимости от состава
люминофора люминесцентные лампы обладают
различной цветностью. В настоящее время
промышленность выпускает несколько
типов люминесцентных ламп, отличающихся
по цветности: лампы дневного света (ЛД),
лампы дневного света с улучшенной
цветопередачей (ЛДЦ), лампы наиболее
близкие к естественному свету (ЛЕ), лампы
белого цвета (ЛБ), лампы теплого белого
цвета (ЛТБ), лампы холодного белого цвета
(ЛХБ), лампы дневного света с исправленной
цветопередачей (ЛДЦ), лампы рефлекторные
–
с
внутренним отражающим слоем (ЛР) и др.
Преимущества люминесцентных ламп:
– широкий диапазон цветности;
– благоприятные спектры излучения, обеспечивающие высокое качество цветопередачи;
– по сравнению с лампами накаливания обеспечивают такой же световой поток, но потребляют в 4– 5 раз меньше энергии;
– имеют низкую температуру колбы;
– повышенный срок службы (до 6– 15 тыс. ч.).
Недостатки люминесцентных ламп:
– относительная сложность схемы включения, шум дросселей;
– ограниченная единичная мощность и большие размеры при данной мощности;
– невозможность переключения ламп, работающих на переменном токе, на питание от сети постоянного тока;
– зависимость характеристик от температуры внешней среды (световой поток снижается при повышенных температурах);
– значительное снижение потока к концу срока службы;
– относительная дороговизна;
– вредные для зрения пульсации светового потока с частотой 100 Гц при переменном токе 50 Гц;
– срок действия компактных ЛЛ не всегда соответствует заявленному и может быть сравним со сроком ламп накаливания при существенно большей стоимости.
Пульсация светового потока возникает вследствие малой инерционности свечения люминофора. Это может привести к появлению стробоскопического эффекта , который проявляется в искажении зрительного восприятия движущихся или вращающихся объектов. При кратности или совпадении частоты пульсации светового потока и частоты вращения объекта вместо одного предмета видны изображения нескольких, искажаются скорость и направление движения. Стробоскопический эффект очень опасен, так как вращающиеся части механизмов, детали, инструмент могут показаться неподвижными и стать причиной травматизма.
Основные характеристики люминесцентных ламп :
– номинальная мощность;
– номинальное напряжение;
– номинальный ток лампы;
– световой поток;
– габаритные размеры (полная длина L , диаметр D );
– пульсации светового потока.
Технические данные основных типов ЛЛ приведены в табл. 2 Приложения 2 .
К газоразрядным лампам высокого и сверхвысокого давления относят лампы: ДРЛ – дуговые ртутные люминесцентные; ДРЛР – рефлекторные дуговые ртутные лампы с отражающим слоем; ДРИ – ртутные лампы высокого давления с добавкой иодидов металла; ДКсТ – дуговые ксеноновые трубчатые и др.
П
ринцип
действия ламп ДРЛ (рис. 7): в горелке из
прочного тугоплавкого химически стойкого
прозрачного материала в присутствии
газов и паров металлов возникает свечение
разряда–
электролюминесценция. При подаче
напряжения на лампу между близко
расположенными главным катодом и
дополнительным электродом обратной
полярности на обоих концах горелки
начинается ионизация газа. Когда степень
ионизации газа достигает определенного
значения, разряд переходит на промежуток
между главными катодами, так как они
включены в цепь тока без добавочных
сопротивлений, и поэтому напряжение
между ними выше. Стабилизация параметров
наступает через 10–
15
минут после включения (в зависимости
от температуры окружающей среды, чем
холоднее, тем дольше будет разгораться
лампа).
Электрический разряд в газе создает видимое белое, без красной и голубой составляющих спектра, и невидимое ультрафиолетовое излучение, вызывающее красноватое свечение люминофора. Эти свечения суммируются, в результате получается яркий свет, близкий к белому.
При изменении напряжения сети на 10– 15 % в большую или меньшую сторону работающая лампа отзывается соответствующим повышением или потерей светового потока на 25– 30 %. При напряжении менее 80 % сетевого лампа может не зажечься, а в горящем состоянии погаснуть.
При горении лампа сильно нагревается, после выключения должна остыть перед следующим включением.
Лампы ДРЛ позволяют создавать большие уровни освещенности и рекомендуются к применению при высоте помещения более 12...14 м, при наличии в воздухе дыма, пыли и копоти. Однако по спектральному составу излучения они сильно отличаются от люминесцентных. Их нельзя применять там, где недопустимо искажение цветовосприятия.
Наиболее экономичными являются ДРИ – ртутные лампы высокого давления с добавкой иодидов металла , их часто называют металлогалогенными. Светоотдача этих ламп достигает 80 лм/Вт.
Трубчатые ксеноновые газоразрядные лампы высокого давления ДКсТ (дуговые ксеноновые трубчатые), имеющие высокую мощность (от 2 до 100 кВт), применяются в основном для наружного освещения в связи с опасностью ультрафиолетового облучения работающих в помещении. Разработаны специальные ксеноновые лампы ДКсТЛ в колбе из легированного кварца, предназначенные для применения в производственных помещениях, расположенных на Севере нашей страны, где они служат одновременно и для ультрафиолетового облучения работающих.
Натриевые газоразрядные лампы высокого давления ДНаТ (дуговые натриевые трубчатые) обладают наивысшей эффективностью и удовлетворительной цветопередачей. Применяются для освещения помещений с большой высотой, где требования к цветопередаче невысоки или в декоративных целях.
Преимущества ламп ДРИ:
– большой срок службы (до 12–20 тыс. ч.);
– большая световая отдача;
– компактность при большой единичной мощности;
– обеспечивают более равномерное освещение и рекомендованы для применения в светильниках общего освещения.
Недостатки :
– преобладание в спектре сине-зеленой части, ведущее к неудовлетворительной цветопередаче;
– возможность работы только на переменном токе;
– длительность разгорания при включении (примерно 7 мин) и начало повторного зажигания после даже очень кратковременного перерыва питания лампы лишь после остывания (примерно 10 мин);
– пульсации светового потока больше, чем у люминесцентных ламп;
– значительное снижение светового потока к концу срока службы (до 70 %);
– наличие ртути (от 20 до 150 мг ртути).
Повреждения герметичности лампы ДРЛ вполне хватит, чтобы серьезно загрязнить, например, цех авиационного завода размерами сто на триста метров и с высотой потолков до 10 метров.
Технические данные ламп ДРЛ приведены в табл. 3 прил. 2 .
Светодиодное освещение – одно из перспективных направлений технологий искусственного освещения, основанное на использовании светодиодов в качестве источника света. Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED – англ. Light-emitting diode ) – полупроводниковый прибор, излучающий свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.
Светодиодное освещение, благодаря эффективному расходу электроэнергии и простоте конструкции, нашло широкое применение в ручных осветительных приборах, в светотехнике для создания дизайнерского освещения специальных современных дизайн-проектов. Надежность светодиодных источников света позволяет использовать их в труднодоступных для частой замены местах (встроенное потолочное освещение и т. д.).
Преимущества светодиодного освещения:
– экономичность – световая отдача светодиодных систем уличного освещения достигает 140 лм/Вт;
– срок службы в 30 раз больше по сравнению с лампами накаливания;
– возможность получать различные спектральные характеристики без применения светофильтров;
– малые размеры;
– отсутствие ртутных паров (в сравнении с люминесцентными лампами);
– малое ультрафиолетовое и инфракрасное излучение;
– незначительное относительное тепловыделение (для маломощных устройств);
– высокая прочность.
Недостатки :
– высокая цена (отношение цена/люмен у сверхъярких светодиодов в 50–100 раз больше, чем у обычной лампы накаливания);
– низкая предельная температура: мощные осветительные светодиоды требуют внешнего радиатора для охлаждения;
– необходимость низковольтного источника питания постоянного тока для обеспечения питания светодиодов от сети;
– высокий коэффициент пульсаций светового потока при питании напрямую от сети промышленной частоты.
Создание в производственных помещениях качественного и эффективного освещения невозможно без рациональных светильников .
Электрический светильник – это совокупность источника света и осветительной арматуры, предназначенной для перераспределения излучаемого источником светового потока в требуемом направлении, предохранения глаз рабочего от слепящего действия ярких элементов источника света, защиты источника от механических повреждений, воздействия окружающей среды и эстетического оформления помещения.
Тип светильников определяется характером производственного помещения и технологического процесса, необходимой безопасностью, качеством освещения и удобством обслуживания . Слепящее действие света устраняется при правильном выборе высоты подвеса определенного типа светильника.
Важной
характеристикой светильника является
его коэффициент полезного действия –
отношение фактического светового потока
светильника
Ф ф
к световому потоку помещенной в него
лампы Ф л,
т. е.
.
По распределению светового потока в пространстве различают светильники прямого, преимущественно прямого, рассеянного, отраженного и преимущественно отраженного света.
Что же представляют собой искусственные источники света?
Это технические устройства, которые могут иметь самую различную конструкцию и при этом служат для преобразования энергии различными способами. В источниках света, как правило, используется электроэнергия, однако в некоторых случаях может использоваться химическая энергия или другой способ генерации света. По большому счету все источники света делятся на два вида: естественные и искусственные. О вторых мы поговорим в нашей сегодняшней статье более подробно.
История развития искусственных источников света берет свое начало еще в глубокой древности. Самым первым источником света был огонь (пламя) костра. Однако со временем люди стали понимать, что свет можно получать при сжигании каких-либо смолистых пород дерева, причем в больших количествах. Уже позже люди научились переносить источники света, перезаряжать горючим, а также устанавливать в любом пространственном положении.
В дальнейшем для получения источников света (искусственных) люди стали использовать газ. На протяжении долгого периода времени было востребовано газовое освещение. Главная особенность данного вида освещения заключалась в том, что с его помощью можно было освещать большие городские улицы или даже целые здания. Позже для городского газового освещения стали использовать «светильный газ». Люди стали придумывать различные конструкции для того чтобы усилить отдачу света и питания. Сначала это были фитили, которые, кстати, позже были усовершенствованы путем добавления минералов и пропитке борной кислотой.
Дальнейший прогресс в области изобретения и использования искусственных источников света был связан с тем, что было открыто электричество, а также появились источники тока. Но и над электрическими источниками была проведена огромная работа, ведь было очевидно, что для увеличения яркости требуется поднятие температуры конкретно той области, которая излучает свет. А для увеличения долговечности электрических источников люди стали размещать рабочие тела в различных баллонах.
Параллельно с развитием ламп накаливания, уже в эпоху открытия электричества начались работы по электродуговым источникам света, а также по источникам света на основе тлеющего разряда. Первые, в свою очередь, позволили получить очень мощные потоки света, а с помощью вторых источников удалось достичь чрезвычайной экономичности. Кстати, сегодня самыми яркими и мощными источниками света являются лазеры.
Источники света применяются во всех областях жизнедеятельности человека. От области применения напрямую зависят и требования, которые предъявляются к источникам света (технические, эстетические и экономические).
Рассмотрим искусственный источник света на примере светильника.
Светильник – искусственный источник света, прибор, который перераспределяет свет лампы внутри больших телесных углов, а также обеспечивает угловую концентрацию потока света. Сфера применения светильников достаточно обширна; они используются как для освещения, так и в качестве сигнализации. К тому же, их очень часто используют просто в качестве декоративных предметов.
К основным типам электрических ламп и осветительных устройств относятся:
1. Лампы накаливания: в такой лампе электрический ток протекает через тонкую металлическую нить и нагревает ее, в результате чего нить испускает электромагнитное излучение. Стеклянная колба, заполненная инертным газом, предотвращает быстрое разрушение нити вследствие окисления кислородом воздуха. Преимуществом ламп накаливания является то, что лампы этого типа могут производиться для широкого диапазона напряжений – от нескольких вольт до нескольких сот вольт. В силу низкой эффективности («светового КПД», учитывающего только энергию излучения в видимом диапазоне) ламп накаливания эти устройства во многих применениях постепенно вытесняются люминесцентными лампами, газоразрядными лампами высокой интенсивности, светодиодами и другими источниками света.
2. Газоразрядные лампы: этот термин охватывает несколько видов ламп, в которых источником света является электрический разряд в газовой среде. Основу конструкции такой лампы составляют два электрода, разделенные газом. Как правило, в таких лампах используется какой-либо инертный газ (аргон, неон, криптон, ксенон) или смесь таких газов. Помимо инертных газов, газоразрядные лампы в большинстве случаев содержат и другие вещества, например, ртуть, натрий и/или галогениды металлов. Конкретные виды газоразрядных ламп часто называются по используемым в них веществах – неоновые, аргоновые, ксеноновые, криптоновые, натриевые, ртутные и металлогалогенные. К наиболее распространенным разновидностям газоразрядных ламп относятся:
Люминесцентные лампы;
Металлогалогенные лампы;
Натриевые лампы высокого давления;
Натриевые лампы низкого давления.
Газ, заполняющий газоразрядную лампу, должен быть ионизирован под действием электрического напряжения, чтобы приобрести необходимую электропроводность. Как правило, для запуска газоразрядной лампы («зажигания» разряда) требуется более высокое напряжение, чем для поддержания разряда. Для этого используется специальные «стартеры» или другие зажигающие устройства. Кроме того, для нормальной работы лампы необходима балластная нагрузка, обеспечивающая стабильность электрических характеристик лампы. Стартер в сочетании с балластом образуют пускорегулирующий аппарат (ПРА). Газоразрядные лампы характеризуются длительным сроком службы и высоким «световым КПД». Недостатки этого типа ламп включают относительную сложность их производства и необходимость дополнительных электронных устройств для их стабильной работы.
Серные лампы: серная лампа представляет собой высокоэффективное осветительное устройство полного спектра без электродов, в котором источником света служит плазма серы, нагреваемая микроволновым излучением. Время разогрева серной лампы значительно меньше, чем у большинства типов газоразрядных ламп, за исключением люминесцентных, даже при низких температурах окружающей среды. Световой поток серной лампы достигает 80% максимальной величины в течение 20 с после включения; лампа может быть перезапущена примерно через пять минут после отключения электроэнергии;
Светодиоды, в т.ч. органические: светодиод представляет собой полупроводниковый диод, излучающий некогерентный свет в узком спектральном диапазоне. Одним из преимуществ светодиодного освещения является его высокая эффективность (световой поток в видимом диапазоне на единицу потребленной электроэнергии). Светодиод, в котором эмиссионный (излучающий) слой состоит из органических соединений, называется органическим светодиодом (OLED). Органические светодиоды легче, чем традиционные, а преимуществом полимерных светодиодов является их гибкость. Коммерческое применение обоих указанных типов светодиодов уже начато, однако их использование в промышленности пока ограничено.
Наиболее эффективным электрическим источником света является натриевая лампа низкого давления. Она испускает практически монохромный (оранжевый) свет, сильно искажающий зрительное восприятие цветов. По этой причине данный тип ламп используется, главным образом, для наружного освещения. «Световое загрязнение», создаваемое натриевыми лампами низкого давления, может быть легко отфильтровано в отличие от света других источников с широким или непрерывным спектром.
Санитарные нормы, предъявляемые к освещенности учебных помещений. Приборы и методы определения (измерения) освещенности в школьных кабинетах и лабораториях. Коэффициент естественной освещенности и его определение.
Все учебные помещения должны иметь ЕО. Наилучшими видами ЕО в учебных являются боковое левостороннее. При глубине помещения более 6м необходимо устройство правостороннего подсвета. Направление основного светового потока справа, спереди и сзади недопустимо, т.к. уровень ЕО на рабочих поверхностях парт снижается в 3-4 раза.
Стекла окон следует ежедневно протирать влажным способом с внутренней стороны и мыть снаружи не менее 3-4 раз в год и со стороны помещений не менее1-2 раз в месяц. Нормирование ЕО осуществляется по СниП.
Для окраски парт рекомендуется зеленая гамма цветов, а также цвет натуральной древесины с Q (коэф. отражения) 0,45. Для классной доски - темно зеленый или коричневый цвет с Q=0,1 - 0,2. Стекла, потолки, полы, оборудование учебных помещений должны иметь матовую поверхность во избежание образования бликов. Поверхности интерьера учебных помещений следует окрашивать в теплые тона, потолок и верхние части стен окрашивают в белый цвет. Нельзя помещать растения на подоконники.
ИО обеспечивается люминесцентными лампами (ЛБ, ЛЕ) или лампами накаливания. На помещение площадью 50м2 должно быть установлено 12 действующих люминесцентных светильников. Классная доска освещается двумя установленными параллельно ей светильниками (на 0,3м выше верхнего края доски и на 0,6 в сторону класса перед доской). Общая электромощность на класс в этом случае составляет 1040Вт.
При освещении лампами накаливания помещения площадью 50м2 должно быть установлено 7-8 действующих световых точек общей мощностью 2400Вт.
Светильники в учебном помещении располагают двумя рядами параллельно линии окон при расстоянии от внутренней и наружной стен 1,5м, от классной доски 1,2м, от задней стены 1,6м; расстояние между светильниками в рядах 2,65м.
Светильники очищают не реже одного раза в месяц (запрещается привлекать учащихся к очистке осветительной арматуры).
Учебные помещения школ должны иметь естественное освещение. Без естественного освещения допускается проектировать: снарядные, умывальные, душевые, уборные при гимнастическом зале; душевые и уборные персонала; кладовые и складские помещения (кроме помещений для хранения легковоспламеняющихся жидкостей), радиоузлы; кинофотолаборатории; книгохранилища; бойлерные, насосные водопровода и канализации; камеры вентиляционные и кондиционирования воздуха; узлы управления и другие помещения для установки и управления инженерным и технологическим оборудованием зданий; помещения для хранения дезсредств. В учебных помещениях следует проектировать боковое левостороннее освещение. При двустороннем освещении, которое проектируется при глубине учебных помещений более 6 м, обязательно устройство правостороннего подсвета, высота которого должна быть не менее 2,2 м от потолка. При этом не следует допускать направление основного светового потока впереди и сзади от учащихся. В учебно-производственных мастерских, актовых и спортивных залах также может применяться двустороннее боковое естественное освещение и комбинированное (верхнее и боковое).
Следует использовать следующие цвета красок:
Для стен учебных помещений - светлые тона желтого, бежевого, розового, зеленого, голубого;
Для мебели (парты, столы, шкафы) - цвета натурального дерева или светло-зеленый;
Для классных досок - темно-зеленый, темно-коричневый;
Для дверей, оконных рам - белый.
Для максимального использования дневного света и равномерного освещения учебных помещений рекомендуется:
Сажать деревья не ближе 15 м, кустарник - не ближе 5 м от здания;
Не закрашивать оконные стекла;
Не расставлять на подоконниках цветы. Их следует размещать в переносных цветочницах высотой 65 - 70 см от пола или подвесных кашпо в простенках окон;
Очистку и мытье стекол проводить 2 раза в год (осенью и весной).
Минимальное значение КЕО нормируется для наиболее удаленных от окон точек помещения при одностороннем боковом освещении. Определяют освещенность в жилых помещениях на полу или высоте 0,8 м от пола. Одновременно измеряют освещенность рассеянным светом под открытым небом. КЕО рассчитывают по выше приведенной формуле и сопоставляют с нормативными значениями.
Среднее значение КЕО нормируется в помещениях с верхним комбинированным освещением. В помещении определяют освещенность в 5 точках на высоте 1,5 м над полом и одновременно определяют освещенность под открытым небом (с защитой от прямых солнечных лучей). Затем рассчитывают КЕО для каждой точки.
Среднее значение КЕО рассчитывают по формуле:
где: KEO1, КЕО2... КЕО5 - значение КЕО в различных точках; n - количество точек измерения.
Похожая информация.
Введение
1. Виды искусственного освещения
2 Функциональное назначение искусственного освещения
3 Источники искусственного освещения. Лампы накаливания
3.1Типы ламп накаливания
3.2 Конструкция лампы накаливания
3.3 Преимущества и недостатки ламп накаливания
4. Газоразрядные лампы. Общая характеристика. Область применения. Виды
4.1 Натриевая газоразрядная лампа
4.2 Люминесцентная лампа
4.3 Ртутная газоразрядная лампа
Список литературы
Введение
Назначение искусственного освещения – создать благоприятные условия видимости, сохранить хорошее самочувствие человека и уменьшить утомляемость глаз. При искусственном освещении все предметы выглядят иначе, чем при дневном свете. Это происходит потому, что изменяется положение, спектральный состав и интенсивность источников излучения.
История искусственного освещения началась тогда, когда человек стал использовать огонь. Костер, факел и лучина стали первыми искусственными источниками света. Затем появились масляные лампы и свечи. В начале XIX века научились выделять газ и очищенные нефтепродукты, появилась керосиновая лампа, которая используется по сегодняшний день.
При зажигании фитиля возникает светящееся пламя. Пламя испускает свет только тогда, когда твердое тело нагревается этим пламенем. Не горение порождает свет, а лишь вещества, доведенные до раскаленного состояния, излучают свет. В пламени свет излучают раскаленные частички сажи. В этом можно убедиться, если поместить стекло над пламенем свечи или керосиновой лампы.
На улицах Москвы и Петербурга осветительные масляные фонари появилось в 30-х годах XVIII века. Затем масло заменили спиртово-скипидарной смесью. Позднее, в качестве горючего вещества, стали использовать керосин и, наконец, светильный газ, который получали искусственным путем. Световая отдача таких источников была очень мала из-за низкой цветовой температуры пламени. Она не превышала 2000К.
По цветовой температуре искусственный свет сильно отличается от дневного, и это различие давно было замечено по изменению цвета предметов при переходе от дневного к вечернему искусственному освещению. В первую очередь было замечено изменение цвета одежды. В ХХ веке с широким распространением электрического освещения изменение цвета при переходе к искусственному освещению уменьшилось, но не исчезло.
Сегодня редкий человек знает о заводах, производивших светильный газ. Газ получали при нагревании каменного угля в ретортах. Реторты – это большие металлические или глиняные полые сосуды, которые наполняли углем и нагревали в печи. Выделившийся газ очищали и собирали в сооружениях для хранения светильного газа – газгольдерах.
Более ста лет назад, в 1838 году, «Общество освещения газом Санкт-Петербурга» построило первый газовый завод. К концу XIX века почти во всех крупных городах России появились газгольдеры. Газом освещали улицы, железнодорожные станции, предприятия, театры и жилые дома. В Киеве инженером А.Е.Струве газовое освещение было устроено в 1872году.
Создание электрогенераторов постоянного тока с приводом от паровой машины позволило широко использовать возможности электричества. В первую очередь изобретатели позаботились об источниках света и обратили внимание на свойства электрической дуги, которую впервые наблюдал Василий Владимирович Петров в 1802 году. Ослепительно яркий свет позволял надеяться, что люди смогут отказаться от свечей, лучины, керосиновой лампы и даже газовых фонарей.
В дуговых светильниках приходилось постоянно пододвигать поставленные «носами» друг к другу электроды – они достаточно быстро выгорали. Сначала их сдвигали вручную, затем появились десятки регуляторов, самым простым из которых был регулятор Аршро. Светильник состоял из неподвижного положительного электрода, закрепленного на кронштейне, и подвижного отрицательного, соединенного с регулятором. Регулятор состоял из катушки и блока с грузом.
При включении светильника через катушку протекал ток, сердечник втягивался в катушку и отводил отрицательный электрод от положительного. Дуга поджигалась автоматически. При уменьшении тока втягивающее усилие катушки уменьшалось и отрицательный электрод поднимался под действием груза. Широкого распространения эта и другие системы не получили из-за низкой надежности.
В 1875 году Павел Николаевич Яблочков предложил надежное и простое решение. Он расположил угольные электроды параллельно, разделив их изолирующим слоем. Изобретение имело колоссальный успех, и «свеча Яблочкова» или «Русский свет» нашел широкое распространение в Европе.
Искусственное освещение предусматривается в помещениях, в которых недостаточно естественного света, или для освещения помещения в часы суток, когда естественная освещенность отсутствует.
1.Виды искусственного освещения
Искусственное освещение может быть общим (все производственные помещения освещаются однотипными светильниками, равномерно расположенными над освещаемой поверхностью и снабженными лампами одинаковой мощности) и комбинированным (к общему освещению добавляется местное освещение работах мест светильниками, находящимися у аппарата, станка, приборов и т. д.). Использование только местного освещения недопустимо, так как резкий контраст между ярко освещенными и неосвещенными участками утомляет глаза, замедляет процесс работы и может послужить причиной несчастных случаев аварий.
2.Функциональное назначение искусственного освещения
По функциональному назначению искусственное освещение подразделяется на рабочее , дежурное , аварийное .
Рабочее освещение обязательно во всех помещениях и на освещаемых территориях для обеспечения нормальной работы людей и движения транспорта.
Дежурное освещение включается во вне рабочее время.
Аварийное освещение предусматривается для обеспечения минимальной освещенности в производственном помещении на случай внезапного отключения рабочего освещения.
В современных многопролетных одноэтажных зданиях без световых фонарей с одним боковым остеклением в дневное время суток применяют одновременно естественное и искусственное освещение (совмещенное освещение). Важно, чтобы оба вида освещения гармонировали одно с другим. Для искусственного освещения в этом случае целесообразно использовать люминесцентные лампы.
3. Источники искусственного освещения. Лампы накаливания.
В современных осветительных установках, предназначенных для освещения производственных помещений, в качестве источников света применяют лампы накаливания, галогенные и газоразрядные.
Лампа накаливания - электрический источник света, светящимся телом которого служит так называемое тело накала (тело накал- проводник, нагреваемый протеканием электрического тока до высокой температуры). В качестве материала для изготовления тела накала в настоящее время применяется практически исключительно вольфрам и сплавы на его основе. В конце XIX - первой половине XX в. Тело накала изготавливалось из более доступного и простого в обработке материала - углеродного волокна.
3.1 Типы ламп накаливания
Промышленность выпускает различные типы ламп накаливания:
вакуумные , газонаполненные (наполнитель смесь аргона и азота), биспиральные , с криптоновым наполнением .
3.2 Конструкция лампы накала
Рис.1 Лампа накаливания
Конструкция современной лампы. На схеме: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.
Конструкции лампы накала весьма разнообразны и зависят от назначения конкретного вида ламп. Однако общими для всех ламп накала являются следующие элементы: тело накала, колба, токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.
3.3 Преимущества и недостатки ламп накаливания
Преимущества:
Малая стоимость
Небольшие размеры
Ненужность пускорегулирующей аппаратуры
При включении они зажигаются практически мгновенно
Отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
Возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном
Возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
Отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе
Непрерывный спектр излучения
Устойчивость к электромагнитному импульсу
Возможность использования регуляторов яркости
Нормальная работа при низкой температуре окружающей среды
Недостатки:
Низкая световая отдача
Относительно малый срок службы
Резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения
Цветовая температура лежит только в пределах 2300-2900 K, что придаёт свету желтоватый оттенок
Лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 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 еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.
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%