Световые величины и их единицы измерений.

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 5Следующая ⇒

В системе световых величин в качестве единицы эффективного светового потока Ф_С (1.3), воздействующего на глаз человека, принят люмен (лм).

Экспериментально установлено, что 1 лм составляет мощность 1/683 ватта светового излучения с длиной волны 555 нм, которая соответствует максимальной спектральной чувствительности человеческого глаза и воспринимается им желто-зеленого цвета (см. рис.1.1).

Пространственную плотность светового потока (1.4) называют силой света I_C. За единицу силы света принята кандела (кд), одна из основных единиц измерения системы СИ.

В системе СИ 1 кд определяется как сила света, излучаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности в виде абсолютно чёрного тела площадью 1/600 000 м² при нормальном давлении 101 325 Па (Н/м²) и температуре затвердевания платины Т = 2045 К .

Таким образом, единица светового потока в один люмен равна силе света в одну канделу, распределённую в пределах пространственного угла в один стерадиан (ср). То есть, имеем 1 лм = 1 кд× ср.

Единичный пространственный (телесный) угол в один стерадиан – это угол, у которого площадь основания на сферической поверхности равна квадрату радиуса данной сферы. Наибольший телесный угол образован самой сферой и равен 4p » 12, 56 ср.

Значение силы света источника или светильника в различных направлениях принято представлять радиус-векторами, длина которых в принятом масштабе определяет значение силы света в заданных направлениях пространства. Если излучатель или светильник круглосимметричный, то его светораспределение достаточно полно характеризуется продольной кривой силы света (КСС), представленной, например, для правой полуплоскости (рис.1.3).

В случае несимметричных излучателей, например светильник с трубчатыми люминесцентными лампами, который имеет две плоскости симметрии, то им соответствуют продольная и поперечная КСС.

Соотношение (1.5) в системе световых величин принято называть освещенностью Е_С. За единицу освещенности принят люкс (лк), 1 лк = 1 лм/м². Освещённость можно трактовать, как плотность светового потока.

Значение освещённости в отдельной точке поверхности Е_О подчиняется закону обратных квадратов:

Е_О = I_a cos a / r², (1.10)

где I_a - сила света источника в направлении рассматриваемой точки, кд; a - угол между нормалью (перпендикуляром) воспринимающей плоскости и направлением к точечному источнику излучения; r – расстояние от рассматриваемой точки до источника, м (См. рис. обложки).

Уровень светового ощущения характеризуется яркостью. Яркость – это плотность силы света по площади проекции излучающего тела в направлении a, кд/м² = нит.

Для светящейся поверхности конечных размеров значение средней яркости равно:

В_a = I_a / (S_П× cos a ) (1.11)

где I_a - сила света (кд), излучаемая поверхностью S_П (м²) в направлении a.

Поверхность излучающих тел, обеспечивающих одинаковую яркость во всех направлениях, называют диффузионной. Для них справедлива запись:

В_a = I_a / (S_П× cos a ) = const (1.12)

Источники света, светильники и их характеристики

Тепловые источники света.

Электрическим источником оптического излучения, и в частности источником света, называют устройство для преобразования электрической энергии в лучистую энергию оптического спектра.

В применяемых электрических источниках оптического излучения электрическая энергия преобразуется в лучистую двумя основными способами: нагревом тела электрическим током и электрическим разрядом в газах и парах металлов. В соответствии с этим электрические источники оптического излучения (лампы) подразделяют на тепловые и разрядные. Возможна и комбинация указанных способов в одном источнике. Различные лампы отличаются между собой электроэнергетическими, светотехническими и эксплуатационными параметрами и характеристиками.

Тепловые источники света выполняют в виде различных ламп накаливания. Несмотря на многообразие ламп накаливания, все они работают по единому физическому принципу преобразования электрической энергии в оптическое излучение путем нагрева электрическим током вольфрамовой нити до температуры 2200...2800 °С, а также имеют сходные основные конструктивные элементы.

Для защиты от окисления тело накала лампы, выполненное в виде вольфрамовой нити, помещают в стеклянную колбу, из которой удаляют воздух и которую для газонаполненных ламп заполняют инертным газом (аргоном, криптоном, азотом или их смесью). Для включения лампы в электрическую цепь её снабжают цоколем, который для различных условий эксплуатации может быть резьбовым, штифтовым, цилиндрическим фиксирующимся и т. д. Наряду с прозрачными стеклянными колбами для снижения яркости лампы применяют матированные, опаловые или " молочные" колбы. Однако в таких колбах теряется до 20% светового потока лампы. В отдельных случаях цокольная часть внутренней поверхности колбы имеет отражатель, выполненный в виде зеркального напыления.

Излучательная способность тела нагрева согласно закону Стефана—Больцмана зависит от температуры его нагрева в четвертой степени. С другой стороны, закон смещения Вина устанавливает связь положения максимума в спектре излучения черного тела с температурой его нагрева

l_max = С /Т, (2.1)

l_max - длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения черного тела, нм;

С = 2898× 10³ нм× К - постоянная Вина; Т — абсолютная температура тела, К.

Из анализа формулы (2.1) следует, что с увеличением температуры нагрева максимум излучения черного тела смещается в более коротковолновую часть спектра. Установлено, что при максимуме излучения в видимой части спектра световой КПД потока излучения, выражаемый как отношение светового потока Фс к полному лучистому Фл, достигает максимума 14, 5% при температуре около 6500 К. Реальные тела, используемые в качестве тепловых излучателей, не могут быть нагреты до такой температуры из-за нарушения их механической прочности (температура плавления вольфрама 3665 К). Поэтому реальный световой КПД ламп накаливания Фс /Фл с вольфрамовой нитью не превышает 4%. При этом в видимой части спектра ламп накаливания преобладают оранжево-красные излучения с длинами волн 600...760 нм. Сине-фиолетовых излучений с длинами волн 380...480 нм примерно в 10 раз меньше (рис.2.1).

Рис. 2.1. Спектральные характеристики типовых видов электрических источников излучения: 1 – разрядного (в ксеноне); 2 – теплового.

Так как максимум излучения ламп накаливания расположен в инфракрасной части спектра излучения и в целом у них высокое значение энергетического КПД Фл /Рл ⁼ 0, 7...0, 9, то они также находят широкое применение для различных целей инфракрасного нагрева. У специальных инфракрасных ламп температура тела накала меньше, чем у обычных осветительных. Поэтому их срок службы в б... 10 раз больше, чем у осветительных, для которых номинальный срок службы (средняя продолжительность горения) составляет 1000 ч.

Для уменьшения отрицательного влияния распыления вольфрамовой нити накала на показатели лампы накаливания внутрь стеклянной колбы вводят в ряде случаев небольшое количество йода или брома. Такие лампы называют галогенными.

Внешнее отличие галогенных осветительных ламп накаливания состоит в том, что их колба выполнена из кварцевого стекла в виде цилиндрической трубки малого объема, у которой на концах имеются выводы для подключения. Вольфрамовая спираль на поддержках вытянута по оси трубки. Поэтому для нормальной работы галогенные лампы устанавливают только в горизонтальном положении.

Галогенные лампы накаливания по сравнению с лампами накаливания общего назначения имеют большую световую отдачу: 20... 35 лм/Вт против 8...20 лм/Вт. Их номинальный срок службы в 2 раза больше. Световой поток к концу срока службы у галогенных ламп снижается всего на 2% вместо 20% у ламп накаливания общего назначения.

Существенные преимущества ламп накаливания — простота устройства, удобство в эксплуатации и относительно малая стоимость.

Отклонения питающего напряжения от номинального значения существенно влияют на характеристики ламп накаливания и, прежде всего, на их срок службы. Например, повышение температуры нити накала всего на 1 % увеличивает распыление вольфрама почти в 2 раза. Учитывая это обстоятельство, лампы накаливания выпускают на определенные диапазоны питающего напряжения: 125...135, 215...225, 220...230 В и т. д.

Мощность ламп накаливания общего назначения от долей ватта до 1000 Вт, галогенных — до 20 кВт.

Обозначение ламп накаливания общего назначения состоит из одной или нескольких букв: В — вакуумная, Г — газонаполненная (86% аргон, 14% азот); БК — биспиральная криптоновая (86% криптон, 14% азот) и т. д. Цифры после буквенного обозначения показывают диапазон уровней питающего напряжения в вольтах, далее номинальную мощность лампы в ваттах и затем порядковый номер разработки. Например, Г-215-225-200 — лампа накаливания газонаполненная моноспиралная на диапазон напряжений 215...225 В номинальной мощностью 200 Вт при среднем расчетном напряжении питания 220 В.

Линейные галогенные лампы накаливания осветительные обозначают буквами КГ (кварцевая галогенная), инфракрасные — КГТ (кварцевая галогенная теплоизлучающая).

Лампы накаливания инфракрасные негалогенные обозначают буквами ИК, лампы с зеркальным отражателем дополнительно имеют букву 3, и, если колба цветная, далее следует буква цвета колбы: К — красная, С — синяя. Например, ИКЗК-215-225-250-1 — лампа накаливания инфракрасная (ИК), с зеркальным отражателем (3), колба красная (К), диапазон напряжений питания 215...225 В, мощностью 250 Вт, номер разработки 1.

Разрядные источники света.

Разрядные источники оптического излучения, в том числе светового, работают по принципу преобразования в оптическое излучение энергии дугового электрического разряда.

Тихий и тлеющий электрические разряды из-за крайне малого КПД излучения для целей освещения и облучения не используют.

В зависимости от давления внутри разрядной колбы различают лампы: низкого (0, 1...10⁴ Па), высокого (3× 10⁴…10⁶ Па) и сверхвысокого (более 10⁶ Па) давления. От значения рабочего давления в колбе зависят КПД и спектр излучения разрядной лампы.

У разрядных ламп низкого давления энергетический КПД (Фл/Рл) высокий, а световой КПД потока излучения (Фс/Фл) мал, так как значительная часть их излучения сосредоточена в невидимой УФ-зоне спектра. Для разрядных ламп высокого давления наоборот: энергетический КПД меньше, а световой КПД больше.

Так как эффективный световой КПД лампы (Фс/Рл) равен произведению КПД энергетического (Фл/Рл) и светового (Фс/Фл), то это обусловило равноценную применимость обоих типов ламп.

В отличие от ламп накаливания, имеющих сплошной спектр излучения, разрядные лампы обладают ступенчатым или полосовым спектром, состав излучения которого зависит от состава газа и паров металла, наполняющих разрядную колбу (рис.2.1).

Рис.2.2. Устройство (а) и типовая стартерная схема включения (б) трубчатой разрядной лампы низкого давления:
1 – колба; 2 – стеклянная ножка; 3 – спиральный электрод; 4 – цоколь; 5 – штыревые токоподводы.

Разрядные лампы низкого давления имеют разрядную колбу 1 в виде стеклянной трубки, на концах которой в цоколь 4 вмонтированы штыревые токоподводы 5 (рис.2.2 а ). В оба цоколя 4 лампы через стеклянные ножки 2 впаяны оксидированные электроды 3, выполненные в виде моноспирали из вольфрама. У осветительных ламп внутренняя часть колбы из обычного стекла, которое не пропускает УФ-излучение, покрыта слоем люминофора. У ламп для УФ-облучения колбы выполняют из специального кварцевого или увиолевого стекла, которое имеет высокий коэффициент пропускания УФ-излучения соответствующей зоны УФ-спектра. Внутренний объем колбы заполняют аргоном и вводят небольшое количество ртути. Электрический разряд в лампе начинается в атмосфере инертного газа аргона, а затем по мере испарения ртути продолжается в её парах.

В люминесцентных разрядных лампах преобразование электрической энергии в видимое излучение происходит в два этапа.

На первом этапе электрический разряд в парах ртути сопровождается УФ-излучением в виде двух монохроматических потоков с длинами волн 253, 7 и 184, 9 нм, которые сами по себе являются мощными источниками бактерицидного излучения.

На втором этапе возникающее коротковолновое УФ-излучение преобразуется в слое люминофора колбы в видимое. То есть, в излучение с большей длиной волны и, соответственно, согласно (1.1) и (1.2) с меньшей энергией фотонов, так как что часть энергии фотонов теряется в слое люминофора на втором этапе преобразования. Изменяя состав люминофора, изменяют спектральный состав видимого излучения лампы.

Маркировка люминесцентных ламп низкого давления содержит буквенное обозначение, начинающееся с буквы Л (люминесцентная) и второй буквы, раскрывающей особенности ее спектра излучения: Б — белая, ТБ — тепло-белая, ХБ — холодно-белая, Д — дневная, Е — естественная, БЕ — белая естественная, ХЕ — холодная естественная. Ц — с повышенной цветопередачей, УФ — ультрафиолетовая, Ф — фотосинтезная, Р — рефлекторная, У — U – образная, К – кольцевая. После буквенного обозначения следуют цифры, указывающие мощность лампы в ваттах, и через дефис — номер разработки. Например, ЛБР-80 — лампа люминесцентная белая рефлекторная мощностью 80 Вт.

Средняя продолжительность горения осветительных люминесцентных ламп низкого давления составляет 12...15 тыс.ч, светоотдача — 40...80 лм/Вт, мощность — от 3 до 200 Вт (наиболее массовые мощностью 15...80 Вт).

Из-за падающей волътамперной характеристики электрического разряда для стабилизации режима в цепь разрядной лампы необходимо включать токоограничивающее балластное сопротивление, которое может быть активным (например лампы типа ДРВЛ), индуктивным (большинство ламп), емкостным или их комбинацией. Поэтому в сеть разрядные лампы включают через специальный пускорегулирующий аппарат (ПРА), который обеспечивает зажигание лампы и стабилизацию её дугового разряда в рабочем режиме.

На схеме, показанной на рисунке 2.2 б, представлен типовой вариант включения люминесцентной лампы низкого давления с использованием дроссельного ПРА и лампового стартера тлеющего разряда. Схема содержит осветительную люминесцентную лампу низкого давления EL, индуктивное балластное сопротивление в виде дросселя LL, ламповый стартер VL, помехоподавляюший конденсатор С2 и компенсирующий конденсатор С1, повышающий коэффициент мощности установки с 0, 4...0, 6 до 0, 92...0, 95. Сопротивление R предназначено для разряда конденсаторов С1 и С2 после отключения лампы от сети.

При включении схемы и незагоревшейся лампе EL сетевое напряжение практически полностью оказывается приложенным к стартеру, выполненному в виде лампы тлеющего разряда VL. Под действием высокого напряжения в стартере VL возникает тлеющий электрический разряд. Под действием выделяющегося в результате разряда тепла биметаллические электроды стартера VL изгибаются и в конечном итоге замыкаются. Разряд прекращается, и спиральные электроды лампы EL за счет замыкания контактов стартера VL разогреваются током, примерно в 1, 5 раза превышающим номинальный ток лампы. Процесс разогрева длится 0, 5...3 с, пока биметаллические электроды стартера не остынут и не разомкнут цепь разогрева. В результате размыкания цепи разогрева со стороны дросселя LL возникает ЭДС самоиндукции, которая, накладываясь на напряжение сети, вызывает электрический разряд и загорание предварительно разогретой лампы EL, обладающей к этому моменту повышенной электронной эмиссией нагретых электродов. За счет протекания тока загоревшейся лампы EL на дросселе LL возникает дополнительное падение напряжения, которое уменьшает напряжение на электродах стартера VL ниже значения его зажигания, и работа стартера VL при зажженной лампе EL прекращается.

В настоящее время выпускаются энергоэконмичные люминесцентные лампы низкого давления пониженной мощности: 18 Вт вместо 20 Вт, 36 Вт вместо 40 Вт и 58 Вт вместо 65 Вт. Они имеют уменьшенный диаметр трубчатой колбы (25 мм вместо 40 мм) и повышенную световую отдачу.

Наряду с трубчатыми люминесцентными лампами низкого давления для целей электроосвещения широкое применение нашли дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления типа ДРЛ.

На рисунке 2.3 а показано устройство четырехэлектродной люминесцентной лампы высокого давления типаДРЛ, а на рисунке, б — типовая схема её включения в сеть.

Зажиганию четырехэлектродной разрядной лампы типа ДРЛ способствует предварительный тлеющий разряд между основным 11 и поджигающим б электродами (рис. 2.3 а). Период разгорания лампы типа ДРЛ длится около 5 мин. За это время происходит разогрев внутренней колбы 8 и испарение находящейся в ней ртути с одновременным повышением давления внутри колбы 8. При этом электрический разряд распространяется на основные электроды. Лампа выходит на нормальный режим со стабилизацией всех её параметров.

После отключения разрядной лампы высокого давления её повторное зажигание возможно только после остывания лампы и соответствующего снижения давления во внутренней разрядной колбе до значения, при котором возможен повторный процесс зажигания.

Рис. 2.3. Четырёхэлектродная разрядная лампа высокого давления типа ДРЛ: а — устройство: 7 - центральный токоподвод; 2 - композиционный изолятор; 3 - резьбовой токоподвод; 4 - стеклянная ножка; 5 и 12 - встроенные токопроводы; 6 - поджигающий электрод; 7— встроенный токоограничивающий резистор поджигающего электрода; 8 - внутренняя кварцевая колба; 9 - внешняя колба; 10 - люминофор; 11 - основной электрод; б — типовая схема включения.

Срок службы ламп ДРЛ от 6 до 12 тысяч часов в зависимости от мощности, которая может быть от 80 Вт до 1000 Вт, а светоотдача составляет 40…60 лм/Вт.

Для зажигания двухэлектродных разрядных лампы высокого давления типа ДРЛ, металлогалогенных типа ДРИ и натриевых типа ДНаТ применяют специальные ПРА, генерирующие дополнительно на начальном этапе зажигания высоковольтные импульсы, обеспечивающие возникновение в лампе дугового разряда и её последующее зажигание.

В колбу металлогалогенных ламп тип ДРИ вводятся добавки в виде галогенидов разных металлов. Это позволяет широко варьировать спектральное излучение этих ламп и вследствие этого увеличить их световую отдачу по сравнению с лампами ДРЛ до 100 лм/Вт при улучшенной цветопередаче и большем сроке службы.

Наиболее экономичными источниками света из газоразрядных ламп высокого давления являются натриевые типа ДНаТ, единичная мощность которых может составлять от 0, 25 кВт до 50 кВт. В них используется резонансное излучение с длинами волн 589 и 589, 6 нм. Этим обеспечивается их высокая световая отдача достигающая 130 лм/Вт. Однако, эти лампы несколько неудовлетворительны по цветопередаче, так как их жёлтое излучение почти монохраматично.

Для освещения больших закрытых площадей и открытых территорий наряду с лампами ДРЛ, ДРИ и ДНаТ нашли применение мощные ксеноновые трубчатые лампы типа ДКсТ, которые не нуждаются в токоограничивающем балластном сопротивлении из-за их возрастающей вольтамперной характеристики. Их спектр излучения является сплошным и близким к солнечному, что обеспечивает правильную цветопередачу. Однако, для зажигания ламп ДКсТ требуется сложное пусковое устройство (ПУ), генерирующее высоковольтные импульсы напряжением до 30 кВ. Поэтому лампы ДКсТ, как правило, выпускаются на единичные мощности 6, 10, 20 и более кВт. Их светоотдача составляет 30…35 лм/Вт при нормированном сроке службы 1000 часов.

Люминесцентные лампы как низкого, так и высокого давления, лампы типов ДРИ, ДНаТ и ДКсТ значительно экономичнее ламп накаливания из-за более высокой световой отдачи и большего срока службы. Поэтому, несмотря на большую первоначальную стоимость светотехнических установок с этими лампами, они являются перспективными, рекомендуются к применению и широко применяются как для внутреннего, так и наружного освещения.

Таблица 2.1.

Основные характеристики электроосветительных ламп накаливания (ЛН), галогенные лампы накаливания (ГЛН),
разрядных люминесцентных низкого давления (РЛНД) и разрядных высокого давления ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и ДКсТ.

Тип лампы. Показатели.	ЛН	ГЛН	РЛНД	ДРЛ	ДРИ	ДНаТ	ДКсТ
Единичная мощность, Вт.	1-	6-	3-	80-	250-	250-	2000-
Преобладающий цвет свечения.	светло- жёлт.	светло- жёлт.	светл. коррект.	сине- зелёный	светл. коррект.	желто- оранжевый	естествен-ный
Средний срок горения, тыс. ч.
Световая отдача, лм/Вт.	8-	20-	40-	40-	80-100	100-	30-
Наличие ПРА и ПУ.	нет	нет	ПРА	ПРА	ПРА+ ПУ	ПРА+ ПУ	ПУ

Основными достоинствами светотехнических установок с лампами накаливания: являются: низкая стоимость, простота монтажа и эксплуатации, способность сохранять работоспособность в тяжёлых условиях окружающей среды. Поэтому они применяются, когда по условиям окружающей среды или по экономическим соображениям (малое число часов использования, недостаточная квалификация обслуживающего персонала и др.) применение других светотехнических установок нецелесообразно.

Основные характеристики осветительных электроламп приведены в таблице 2.1.

К новым типам осветительных ламп относятся спиральные компактные люминесцентные (СКЛ) лампы энергосберегающие (ЭН) с резьбовым цоколем типа Е27 на напряжения постоянного тока 12 В и переменного тока 127 и 220 В, которые экономически выгодно использовать для замены ламп накаливания. Их технические данные производства АО «Московский электроламповый завод» приведены в табл.2.2. Аналогичные лампы выпускают и другие страны (Польша, Китай и др.).

Таблица 2.2

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒