Классификация источников света

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Классификация источников света. Основные характеристики

 

Источники света могут  быть как естественными (светящие небесные тела, молния и др.), так и искусственными (свеча, электрическая лампа и  др.). В современных искусственных источниках света для преобразования в свет используется преимущественно электрическая энергия. Такие источники света называются электрическими.

Электрические источники  света можно классифицировать (разделить  на классы, группы) по многим признакам, однако главными из инх являются: механизм генерирования света (вид излучения); назначение (область применения); конструктивно-технологические особенности.

По первому признаку (вид  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. 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) энергию 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 (областям применения) 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;

- газоразрядные лампы низкого давления;

- газоразрядные лампы высокого давления.

Каждый из этих классов  имеет специфические конструктивно-технологические  особенности. Для ламп накаливания  такими особенностями, объединяющими  все лампы накаливания в один Класс, являются: вольфрамовое спирализованное  тело накала, относи тельно малые габариты, высокий уровень механизации  и автоматизации сборочных операций. Газоразрядные лампы низкого давления, входящие во второй класс, объединяет наличие анода и катода, обеспечивающих электрический разряд в лампе; присутствие ртутных паров в лампе и наличие люминофора на колбе; как правило, относительно большая длина ламп.

Класс газоразрядных ламп высокого давления отличается следующими общими признаками: специфическая конструкция  анода и катода; наличие деталей из кварца и тугоплавкого стекла, а также других тепло- и термостойких материалов; использование в большинстве случаев двух колб (кварцевая горелка и наружная колба); применение фольговых молибденовых впаев усложненной конструкции; сравнительно невысокая производительность технологического оборудования.

Основные характеристики:

1) Цветовая температура. Единица измерения: Кельвин [K]. Цветовая температура источника света определяется путем сравнивания с так называемым "черным телом" и отображается "линией черного тела". Если температура "черного тела" повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает. Лампа накаливания с тепло-белым светом имеет, например, цветовую температуру 2700 K, а люминесцентная лампа с цветностью дневного света - 6000 K.

2) Цветность света. Цветность света очень хорошо описывается цветовой температурой. Существуют следующие три главные цветности света: тепло-белая < 3300 K, нейтрально-белая 3300 - 5000 K, белая дневного света > 5000 K. Лампы с одинаковой цветностью света могут иметь весьма различные характеристики цветопередачи, что объясняется спектральным составом излучаемого им света.

3) Цветопередача. В зависимости от места установки ламп и выполняемой ими задачи искусственный свет должен обеспечивать возможность наиболее лучшего восприятия цвета (как при естественном дневном свете). Данная возможность определяется характеристиками цветопередачи источника света, которые выражаются с помощью различных степеней "общего коэффициента цветопередачи" Ra.

4) Коэффициент цветопередачи  отражает уровень соответствия  естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света. Для определения значения фиксируется Ra сдвиг цвета с помощью восьми указанных в DIN 6169 стандартных эталонных цветов, который наблюдается при направлении света тестируемого источника света на эти эталонные цвета. Чем меньше отклонение цвета излучаемого тестируемой лампой света от эталонных цветов, тем лучше характеристики цветопередачи этой лампы. Источник света с показателем цветопередачи Ra = 100 излучает свет, оптимально отражающий все цвета, как свет эталонного источника света. Чем ниже значение Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта.

5) КПД светильника. КПД светильника является важным критерием оценки энергоэкономичности светильника. КПД светильника отражает отношение светового потока светильника к световому потоку установленной в нем лампы.

 

 

2. Лампы накаливания

 

Лампа накаливания — электрический источник света, в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама.

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической  энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 5770 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется цветовая температура.

В обычном воздухе при  таких температурах вольфрам мгновенно  превратился бы в оксид. По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения — до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

Лампы накаливания подразделяют на:

- лампы накаливания общего назначения ГОСТ 2239-79;

- лампы накаливания декоративные;

- лампы накаливания малогабаритные коммутаторные (КМ);

- лампы накаливания миниатюрные (МН);

- лампы накаливания для светильников местного освещения;

- лампы накаливания зеркальные;

- лампы накаливания для холодильников и швейных машин (ПШ, РН);

- лампы накаливания галогенные;

- лампы накаливания среднегабаритные иллюминационные;

- лампы накаливания сверхминиатюрные.

 

Маркировка ламп накаливания:

 

ДС - декоративная -свеча;

ДШ - декоративная -шар;

О - опалиновая;

ИЛ - иллюминационная;

МО - местного освещения (на напряжение 12 и 36В);

РН - различного назначения (прожекторы, электрические и газовые  плиты)

МН - миниатюрная (карманные  фонарики и подсветки);

К - с колбой из кварцевого стекла;

А - автомобильная;

АКТ - автомобильная кварцевая  галогенная;

КГИ - кварцевая галогенная с интерференционным отражателем.

 

 

3. Ксеноновая дуговая лампа

 

Ксеноновая дуговая лампа — источник искусственного света, в котором светится электрическая дуга в колбе, заполненной ксеноном. Дает яркий белый свет, близкий по спектру к дневному.

Ксеноновые лампы можно  разделить на следующие категории:

- длительной работы с короткой дугой;

- длительной работы с длинной дугой;

- ксеноновая лампа-вспышка.

Лампа состоит из колбы  из обычного или кварцевого стекла с вольфрамовыми электродами с каждого конца. Колба вакуммируется и затем заполняется ксеноном. Ксеноновые лампы-вспышки имеют третий поджигающий электрод, опоясывающий колбу.

В ксеноновой лампе основной поток света излучается плазмой  возле катода. Светящаяся область имеет форму конуса, причём яркость её свечения падает по мере удаления от катода по экспоненте. Спектр ксеноновой лампы приблизительно равномерный по всей области видимого света, близкий к дневному свету. В лампах высокого давления могут быть несколько пиков вблизи инфракрасного диапазона, примерно 850—900 нм, которые могут составлять до 10 % всего излучения по мощности.

Существуют также ртутно-ксеноновые лампы, в которых кроме ксенона  в колбе находятся пары ртути. В них светящиеся области есть как возле катода, так и возле  анода. Они излучают голубовато-белый  свет с сильным выходом ультрафиолета, что позволяет использовать их для  физиотерапевтических целей, стерилизации и озонирования.

Благодаря малым размерам светящейся области, ксеноновые лампы  могут использоваться как точечный источник света, позволяющий производить  достаточно точную фокусировку, а хороший спектр обуславливает широкое применение в кино- и фотосъёмке. Ксеноновые лампы также используются в климатических камерах — установках, моделирующих солнечное излучение для испытания материалов на светостойкость.

 

Короткодуговые лампы (Шаровые  лампы)

 

Наиболее распространены короткодуговые лампы. В них электроды  расположены на небольшом расстоянии, а колба имеет шарообразную, или близкую к шарообразной форму.