Использование искусственных источников света

Современные искусственные источники света

Д. Д. Юшков, канд. техн. наук, ученый секретарь Всероссийского светотехнического института им. С. И. Вавилова (ВНИСИ)

Сегодня на рынок активно продвигаются энергоэффективные полупроводниковые источники света – светодиоды. Однако в большом количестве осветительных приборов до сих пор широко используются лампы накаливания. Разберемся, какие вообще на сегодняшний день существуют искусственные источники света и какова их энергоэффективность, а значит, и перспектива дальнейшего использования.

Лампы накаливания

Лампы накаливания – это тепловые источники света. На сегодняшний день эффективные лампы накаливания – это галогенные лампы, в которых используется буферный газ в виде паров галогенов. Пары галогена в колбе лампы позволяют увеличить ее ресурс до 2 тыс. ч и более и повысить световую отдачу до 20–24 лм/Вт 1 .

Предпринимались неоднократные попытки повысить эффективность ламп накаливания, например создать лампу накаливания, в которой часть длинноволнового ИК-излучения преобразовывалась бы в более коротковолновое видимое излучение с помощью так называемых антистоксовых люминофоров 2 .

Кроме того, предлагались интерференционные покрытия на колбу лампы, которые возвращают тепловую энергию на нить накаливания, подогревая ее. Таким образом, для нагрева нити требуется меньше электрической энергии.

Сейчас пытаются использовать в лампах накаливания новые технологии, в том числе нанотехнологии, которые позволяют эффективно выделить из теплового излучения лампы видимый диапазон, который воспринимается человеческим глазом. Применение таких технологий позволяет уменьшить тепловые потери и, соответственно, повысить эффективность лампы накаливания. Специалисты говорят о трехкратном повышении световой отдачи.

Если удастся создать лампу со световой отдачей более 60 лм/Вт при тех же достоинствах, которыми отличаются современные лампы накаливания: спектр излучения, привычный для человека, отсутствие пульсаций и приемлемая стоимость,– это будет хороший и эффективный источник света. «Хоронить» лампу накаливания неэтично, неправильно.

Разрядные источники света

Лампы с электродами

Разрядные источники света делятся на две большие группы. Это лампы высокого давления и лампы низкого давления. Обычно они имеют два электрода для введения энергии в разряд, а для включения их в сеть требуется пускорегулирующий аппарат.

Лампы низкого давления наиболее широко представлены трубчатыми люминесцентными лампами различной объемной конфигурации. Это могут быть линейные лампы или сложно изогнутые конструкции. Принцип их действия таков: электрический разряд в насыщенных парах ртути с инертным газом создает ультрафиолетовое излучение, которое трансформируется люминофором в свет видимого диапазона. Световая отдача люминесцентных ламп от 60 до 115 лм/Вт.

В лампах высокого давления используются разные виды заполнения колбы. Например, в металлогалогенных лампах (МГЛ) это смесь паров ртути, инертных газов и галогенидов металлов, состав которых и определяет спектр лампы. Наиболее высокими параметрами обладают лампы с керамическими горелками, их световая отдача превышает 100 лм/Вт при хорошей цветопередаче. В натриевых лампах, главными областями применения которых являются освещение дорог и растениеводство, используется амальгама натрия. Световая отдача превышает 130 лм/Вт, и на сегодня это самое высокое значение среди разрядных ламп.

Безэлектродные лампы

Наряду с упомянутыми выше разрядными лампами, в последнее время расширяется класс безэлектродных ламп. Необходимо сразу пояснить: безэлектродность – это просто другой способ ввода электрической энергии в объем разрядной колбы ламп. Соответственно, существуют безэлектродные лампы как низкого, так и высокого давления. Главным преимуществом этих ламп является отсутствие вакуумноплотных вводов в колбу, распыления электродов при работе, и особенно при зажигании, и, как следствие, больший срок службы по сравнению с аналогичными электродными лампами.

Для передачи мощности в объем разрядной колбы в лампах высокого давления используются более высокие частоты, низкого давления – переменное напряжение более низких частот. Это связано как со свойствами электромагнитного поля, так и с условиями, которые нужно создать в разрядной колбе. Низкая частота в данном случае – это десятки и сотни килогерц, вплоть до 10 МГц. Для ламп высокого давления эта цифра достигает порядка 1000 МГц. Это частоты сантиметрового СВЧ-диапазона, то есть длина волны соизмерима с размером разрядной колбы.

Люминесцентные безэлектродные лампы состоят из колбы тороидальной или подобной ей замкнутой формы, разряд в которой представляет собой вторичный виток высокочастотного трансформатора – индуктора (иногда их называют индукционными лампами). Существуют лампы, имеющие шарообразную колбу 3 , принцип их действия такой же. На колбу лампы нанесен люминофор, наполнение вполне традиционное – ртуть или ее амальгама с инертным газом. Частота питания «низкая», световая отдача более 80 лм/Вт при сроке службы выше 35 тыс. часов.

Плазменные лампы имеются двух типов. Один из них – «высокочастотная» безэлектродная МГЛ с кварцевой колбой, ее мощность до 250 Вт. Это компактная полупроводниковая СВЧ-техника, ее световая отдача до 130 лм/Вт. Срок службы таких ламп может составлять свыше 20 тыс.ч.

Ко второму типу относятся плазменные лампы, имеющие спектр излучения, близкий к солнечному. Мощность ламп от 500 Вт до нескольких киловатт. Применяются они, как правило, для освещения больших пространств. СВЧ-излучение большой мощности генерируют магнетроны. Ресурс магнетронного генератора определяет срок службы этой системы; один из производителей указывает значение 10 тыс. ч 4 .

Потенциал срока службы безэлектродных ламп во многом определяется ресурсом радиоэлектронных компонентов.

Светодиоды

Один из самых перспективных и динамично развивающихся сейчас источников искусственного света – это светодиоды, полупроводниковые приборы с электронно-дырочным переходом, создающие оптическое излучение при пропускании через них тока в прямом направлении. Быстрое развитие и применение светодиодов для освещения началось с конца 1990-х годов, после разработки относительно дешевых синих светодиодов. Сочетание таких светодиодов с люминофором позволило создать компактный белый источник света. Главные их достоинства – высокая эффективность и механическая прочность, длительный срок службы. Световая отдача коммерческих изделий достигает 130 лм/Вт при сроке службы более 30 тыс.ч. С применением светодиодов созданы конструкции ламп-ретрофитов, повторяющих по внешнему виду лампы накаливания и предназначенных для их прямой замены в диапазоне мощности 5 до 75 Вт.

Основные области применение светодиодной техники – это наружное и архитектурное освещение, административные здания и крупные предприятия. Сегодня главным ограничивающим фактором более широкого применения полупроводниковых источников света является их высокая стоимость.

Читать еще: Специальность Экология и природопользование кем работать

1 Каталог. Источники света 2013–2014. Osram.

2 Согласно эмпирическому правилу Стокса – Ломмеля, длина волны фотолюминесценции больше, чем длина волны возбуждающего света. Однако существуют так называемые антистоксовые люминофоры, излучающие более коротковолновое излучение, чем падающее. С помощью антистоксовых люминофоров можно преобразовывать инфракрасное излучение в видимый свет.

3 Каталог. Источники света. Philips.

4 Каталог. GE Electronics. Группа светотехники.

5 Каталоги: Источники света 2013–2014. Osram и Источники света. Philips.

Искусственное освещение и виды ламп

Искусственное освещение – это получение света от неестественных источников. В их число входит: огонь, газовые установки, электрические лампы и светильники, прожектора и прочее.

Наиболее распространенными источниками искусственного света на данный момент являются следующие виды ламп освещения:

1) Накаливания. Это первый в истории электрический источник, в котором поток света получается за счет накаливания специальной нити — спирали из тугоплавкого металла. Основной недостаток этого принципа действия – большие потери электроэнергии на выделяемое тепло и, как следствие, неэкономичность.

2) Люминесцентные. Представляют собой стеклянные колбы, покрытые внутри люминофором. Выделяют свет за счет устойчивого горения паров, которое и вызывает свечение этого покрытия. Люминесцентный вид источника экономичнее лам накаливания в 5-7 раз, имеет более продолжительный эксплуатационный срок и мягкое, рассеянное свечение. К недостаткам можно отнести: мерцание, чувствительность к низким температурам и более сложная конструкция (наличие пускового устройства, стартера и т.д.).

3) Энергосберегающие. Это усовершенствованные люминесцентные лампы, выделенные в самостоятельный вид. Они выпускаются со стандартными цоколями и не требуют дополнительного оборудования для подключения к электросети. Внешне представляют собой компактную свернутую в спираль люминесцентную лампу со стандартным цоколем. Все виды ламп освещения, основанные на люминесцентном принципе, сохранили те же преимущества и недостатки.

4) Галогеновые. Это разновидность ламп накаливания, в которых за счет буферного газа значительно повышена эффективность элемента накала. Пары галогенов значительно увеличивают эксплуатационный срок и повышают температуру спирали. К недостаткам можно отнести повышенную рабочую температуру и зависимость от перепадов напряжения.

5) Светодиодные лампы. Наиболее передовой и современный вид ламп освещения. Источником света служит светодиод, который при прохождении электрического тока начинает светиться. К преимуществам можно отнести: самый высокий показатель экономии электроэнергии, наиболее длительный эксплуатационный срок, устойчивость к перепадам температур и напряжения электросети, экологичность и отсутствие ультрафиолетового излучения. Практически единственным недостатком является его цена. Но при длительном использовании ламп этого вида освещения, первоначальная стоимость окупается во много раз.

Виды искусственного освещения. Классификация

Основные виды искусственного освещения, различаемые по расположению и предназначению источников света:

1) Общее. В помещениях любого типа (жилые, офисные, производственные) этот вид освещения предполагает наличие светильников в верхней зоне или на потолке. При организации общего вида свет должен равномерно распределяться по всей площади помещения. Для небольшой жилой комнаты это может быть люстра или потолочный светильник. В офисе или производственном помещении обычно используется система светильников.

2) Местное. Этот вид освещения предназначен для выделения определенных зон путем расположения источников света непосредственно на выделенном участке помещения. Для местного освещения жилья применяют следующие виды светильников: напольные, настенные, подвесные, настольные, встраиваемые. В производственных или офисных помещениях используют специальные светильники, направляющие свет непосредственно на рабочее место.

3) Комбинированное. Предполагает одновременное использование общего и местного видов искусственного освещения. Эффективно для всех типов помещений: жилых, офисных, общественных и производственных.

Основные виды искусственного освещения, различаемые по направлению светового потока:

1) Направленное или прямое. Предполагает направление источника света на определенную поверхность или предмет. В результате направленного освещения предмет визуально увеличивается, за счет акцентирования его объема и формы. В жилом помещении для этого используют настольные лампы, споты, встроенные светильники, торшеры с плафонами и т.д.

2) Непрямое. Этот вид искусственного освещения называют еще отраженным, так как получается при направлении светового потока на потолок или стены, от которых он отражается и освещает помещение. В жилой комнате может быть реализован при помощи светильников с направленным вверх или на стены световым потоком. Отраженный свет зрительно увеличивает площадь комнаты и наиболее эффективен в светлом интерьере.

3) Рассеянное освещение получается в результате прохождения света через полупрозрачный или матовый плафон и рассеивается по всему помещению. Один потолочный светильник с рассеянным светом способен осветить небольшую комнату.

4) Смешанное. Получается совмещением выше перечисленных видов искусственного освещения. Светильник со смешанным освещением может распространять световой поток в разные стороны и через полупрозрачный плафон или абажур.

Основные виды искусственного освещения в производственных помещениях различаются по функциональному назначению:

1) Рабочее. Предназначается для обеспечения нормированных условий труда в зданиях и прилегающих территориях. Обязательно для всех видов производств, движения автотранспорта, прохода персонала.

2) Дежурное или охранное. Создается для освещения в нерабочее время или для охраны территории.

3) Аварийное. Предназначено для обеспечения видимости в случае аварийной эвакуации и для поддержания производственного процесса при полном отключении основного освещения.

4) Сигнальное — применяется для освещения зон повышенной опасности.

5) Бактерицидное — это ультрафиолетовое освещение для обеззараживания воздуха, воды и продуктов.

6) Эритемное — ультрафиолетовое облучение с длиной волны 297 нм, благоприятно влияющее на человеческий организм. Применяется в помещениях с дефицитом дневного света, стимулирует жизненно важные физиологические процессы.

Искусственное освещение.

Под понятием искусственное освещение подразумевается получение света от неестественных источников (ламп). Данное освещение сегодня осуществляется в основном двумя типами: с использованием люминесцентных ламп или ламп накаливания. В народе люминесцентные источники света часто еще называют «экономками», из-за их низкого потребления электроэнергии. Сейчас представлен широкий выбор спектров видимого излучения такого вида ламп, найти можно лампы дневного света, белого либо тепло-белого. Обладая достаточно высокой светоотдачей, люминесцентные лампы излучают равномерно мягкий свет.

На рисунке представлены фото лампы накаливания, люминесцентной и светодиодной ламп.

Не всем известен тот факт, что на солнечный свет похож больше именно люминесцентный свет и он полезнее для зрения. Хотя лампы накаливания у людей создают ощущение комфорта, они горят очень ярко, но полученного света отдают гораздо меньше при этом, чем люминесцентные.

Читать еще: Выращивание гортензии посадка полив уход подкормка

Существует также немало других типов источников искусственного света: натриевые, галогенные, ртутные, которые по разным причинам широкого применения не получили.

На смену «экономкам» в последнее время пришли светодиодные типы ламп, обладающие отличными характеристиками, однако в быту их пока применяют редко, так как они имеют высокую стоимость.

Для простого расчета необходимого числа ламп воспользуйтесь Калькулятором расчета количества ламп.

Нормы освещенности или сколько требуется человеку света?

Если излучаемый источником освещения свет раздражает сетчатку человеческого глаза, то такой свет считается некачественным. Не всегда наилучшим вариантом может быть самая дорогая лампа, к примеру, фитолампы стоят достаточно дорого, но для людей они не подходят. Единицей измерения освещения принято считать – 1 люкс (лк). Разницы между 100 и 200 Лк человеческий глаз не улавливает, но при этом организм может пострадать. Во дворе в солнечную погоду может быть 100.000 Лк, а возле окна – только 100 Лк, но такой колоссальной разницы человек не заметит. Это приводит ктому, что людям часто катастрофически не хватает света у себя дома.

Зависит норма освещенности от того, для каких целей будет использоваться помещение. Должно быть больше всего света – 200 Лк в гостиных, кухнях, ванных комнатах и гардеробах. По санитарным нормам на лестничных пролетах искусственное освещение необходимо устанавливать с источником света, излучающим 150 Лк, а в коридорах, прихожих и комнатах отдыха достаточно 100 Лк. Для чтения требуется освещение 30−50 Лк.

Для нежилых помещений устанавливаются другие нормы. Чтобы пребывание в спортзале было наиболее комфортным, должен быть уровень света выше 300 Лк, для офисов нужно от 300 до 500 Лк, на складе же хватит и 200 Лк.

Ради экономии электричества, приведены данные минимальные нормы, но этого освещения некоторым людям может быть недостаточно, поэтому в таких случаях, искусственное освещение подбирается индивидуально, принимая нормы во внимание.

Основные виды искусственного освещения.

В зависимости от места нахождения источника света, принято различать несколько основных видов искусственного освещения:

Свет равномерно рассеивается по всему помещению при общем освещении. Люстра посредине потолка – это стандартный вариант общего освещения, хотя в определенной точке свет может быть ярче, происходит освещение всего помещения. Светильников иногда бывает несколько штук, тогда для правильного распределения света, их располагают через равные промежутки друг от друга.

Локальное искусственное освещение предполагает выделение определенной зоны при помощи светильника, который располагается на конкретном участке: над рабочим или кухонным столом, а также на стене. Необходимым количеством света позволяет обеспечить нужную зону локальное расположение ламп, поэтому данный тип освещения получил широкое применение в офисах, школах, больницах или на производствах.

Когда же выполняется совместное применение общего и локального искусственного освещения, такой вид освещения называется комбинированным.

Пример локального освещения в спальне над кроватью.

Акцентное освещение применяют, чтобы привлечь внимание людей к отдельным предметам. Такой тип освещения наиболее часто применяется для оснащения витрин магазинов, автосалонов, музеев или арт-галерей.

Было доказано при проведении исследований, что наличие в торговых точках акцентного освещения, помогает на 30% повысить продажи. Создается такое освещение благодаря использованию прожекторов (для внешнего и внутреннего подсвечивания) и светильников направленного света. С целью акцента на конкретные предметы, существует несколько типов акцентного освещения: галогенный, светодиодный, металлогалогенный и люминесцентный.

Декоративный вид освещения используют для создания праздничной атмосферы и украшения помещения, иллюминацию при этом можно устанавливать как внутри помещения, так и снаружи. Обычные или ленточные светодиоды и прожектора применяют с этой целью.

Виды искусственного освещения по направлению светового потока.

Освещение общего типа предназначается для того, чтобы было комфортно и светло во всем помещении, оно бывает нескольких типов: прямое (направленное), непрямое, смешанное, рассеянное.

При прямом или направленном освещении источник света направляется на определенную поверхность или объект, благодаря чему они визуально увеличиваются. Такого эффекта можно добиться при помощи настольных ламп, светильников-плафонов, некоторых встроенных или подвесных моделей осветительных приборов.

Непрямое освещение также называют отраженным, так как свет, который излучается располагающимися по периметру помещения софитами, отбивается от стен и потолка, освещая равномерно помещение. Благодаря использованию непрямого освещения, пространство вокруг кажется невесомым, а дом – комфортным.

При рассеянном освещении свет равномерно рассеивается во всем помещении (радиус может быть 360 градусов), проходя через полупрозрачный плафон. Такой эффект можно получить при использовании люстр или подвесных светильников.

Смешанное освещение сочетает в себе все виды перечисленного освещения, но свет при этом распространяется в нескольких направлениях.

Сочетание рассеянного и непрямого освещения.

Функциональное назначение видов искусственного освещения.

Искусственное освещение на производственных объектах используется достаточно широко, оно подразделяется на виды в зависимости от области его назначения. Принято выделять такие виды систем искусственного освещения: рабочие, аварийные и охранные.

Рабочее освещение в здании и на прилегающей территории обеспечивает нормальные условия труда.

Подсветку границ территории охраняемого объекта предполагает охранное освещение.

Аварийное освещение предусматривает при повреждении основного источника питания, подключение системы освещения к генератору или другому альтернативному источнику. Очень важную роль играет данный тип освещения при возникновении чрезвычайных ситуаций, этим типом освещения обязательно должны быть оснащены больницы, вокзалы, школы, промышленные и другие стратегические объекты. Аварийные светильники могут осуществлять работу от центральной аварийной системы или же автономно (от аккумулятора установленного внутри). В жилых домах аварийное освещение устанавливается редко, хотя это могло бы многих проблем помочь избежать. Часто при временных отключениях электроэнергии бывают случаи травматизма на лестничных пролетах.

Указатель аварийного освещения.

Итак, функции излучаемого света очень разные, а от правильного выбора типа освещения зависит не только здоровье человека, но и безопасность.