В природе происходит постоянный обмен
энергией между различными телами. В зависимости от того, с каким
явлением связан процесс передачи энергии, можно говорить, например, об
энергии пара, энергии механического движения, энергии электрического
тока и т. д. Один из способов выделения телом накопленной в ней энергии
— излучение.Лучистой энергией
называют энергию, передаваемую лучеиспусканием — электромагнитными
волнами. Энергию излучения оценивают по ее мощности, то есть по энергии,
излучаемой в единицу времени.
Мощность лучистой
энергии называют лучистым потоком.
Световым потоком
называют ту часть лучистого потока, которая, воздействуя на глаз,
вызывает раздражение зрительного нерва, воспринимаемое как световое
ощущение.
В жизни живых организмов
наиболее важную роль играет оптическая часть спектра излучения источника
лучистой энергии. В нее входят: невидимые инфракрасные, невидимые
ультрафиолетовые и видимые световые излучения. Каждое из этих излучений
характеризуется своей длиной волны X, измеряемой в нанометрах (1 нм=10-9
м) и частотой
v, измеряемой в Гц (1 с-1).
Скорость распространения излучений в вакууме С = 3-1017 нм с-1
(300 000 км/с). Эти параметры связаны формулой Л=C/V
Излучения имеют длину волны
Человеческий глаз
наиболее чувствителен к желто-зеленым излучениям с длиной волны А, = 556
нм и
v = 30
000... 40 000
Гц. Эта чувствительность и принята за единицу. Таким образом, при длине
волны Л = 556 нм световой поток численно равен лучистому потоку.
Видимое световое
излучение (свет) используется очень широко во всех сферах человеческой
деятельности.
Кроме основного
источника светового излучения — Солнца, человек с давних времен научился
использовать световое излучение искусственных источников для создания
необходимого в его деятельности искусственного освещения.
В светотехнике широко
используют следующие основные понятия: световой поток, сила света,
освещенность.
Определение светового
потока (Ф) было дано выше. За единицу светового потока принят люмен (лм)
1 лм = 1/683 Вт при однородном излучении с длиной волны Я=556 нм.
Некоторое представление о величине люмена можно получить, если учесть,
что лампа накаливания осветительная общего назначения с номинальным
напряжением 220 В и мощностью 40 Вт имеет световой поток 370 лм, лампа
карманного фонаря — около 6 лм.
Сила света
(
I)
— пространственная плотность светового потока, то есть отношение
лучистого потока Ф к величине телесного угла (со), в котором он
распределен.
Телесным углом
(
w)
называется часть пространства, ограниченная конической поверхностью.
Единица телесного угла — стерадиан (ср).
Стерадиан
— это телесный угол, вырезающий на поверхности сферы, описанный из его
вершины, как из центра, площадь, равную квадрату его радиуса.
Единица силы света —
кандела (кд) 1 кд=1 лм/1 ср;
Освещенность (Е) —это
поверхностная плотность светового потока, то есть отношение светового
потока Ф к площади
S,
на которую он равномерно падает: Е = Ф/5.
Единица освещенности —
Люкс (лк); 1 лк=1 лм/м2.
Источники света можно подразделить на следующие:
1) источники теплового излучения;
2) источники люминесцентного излучения;
3) источники смешанного излучения.
Лампы накаливания.
Это источники света теплового излучения. Они до настоящего времени
наиболее распространены и удобны в эксплуатации. Ниже показан общий вид
и составные части лампы накаливания. Основная часть лампы — тело накала
1. Его удерживают в рабочем положении держатели 2. Они укреплены
на стеклянном стержне (штабике) 3, который вместе с тарелкой
4 и откачной трубкой 5 составляют стеклянную ножку лампы. Нижний конец
ножки специальной изолирующей мастикой крепится в металлической чашке
цоколя 6. К контактам 7 цоколя припаивают выводы 8. Верхние концы
выводов присоединяют к концам тела накала. С помощью выводов через
контакты цоколя и патрон лампа подключается к питающей сети. Тело накала
с нитью лампы помещены в баллон 9, который герметически соединен с
цоколем.
Лампа накаливания в фотосъемке.
Через откачную трубку воздух из баллона откачивается (вакуумная лампа) и
баллон заполняется инертным газом (лампа газополная). Наполнителем может
быть технический аргон или криптоноксеноновая смесь. Заполнение колбы
газом снижает распыление металла тела накаливания.
Тело накала изготовляют из тонкой вольфрамовой проволоки, свитой в
спираль и накаливаемой протекающим по ней током. Температура накала
спирали 2400... 3000°К. Спираль служит источником теплового излучения.
На долю видимых световых излучений, воспринимаемых глазом, при этом
приходится всего 2-4 % от подведенной к лампе мощности. Таким образом,
наибольшая часть потребляемой лампой накаливания энергии тратится на
излучение невидимых инфракрасных излучений.
Световой к. п. д. лампы т)с представляет собой отношение мощности,
превращающейся в лампе в видимое (световое) излучение (Рви), к полной
мощности, затрачиваемой на весь диапазон излучения (Рви), то есть
nC = Рви/Рпи. Для ламп накаливания световой к.
п. д. ламп - ricc3,5-4%.
Экономичность лампы характеризуется также световой отдачей (Нсв),
представляющей отношение светового потока лампы (Ф) к электрической
мощности лампы (Р):
НСВ = Ф/Р, лм/Вт.
Основные параметры лампы: номинальное напряжение UH; номинальная
электрическая мощность Рн; световой поток Фн; световая отдача Нсв;
средняя продолжительность горения Тср =1000 ч.
Лампа накаливания очень чувствительна к величине подводимого к ней
напряжения. При изменении его на + 1 %
световой поток лампы изменяется на +2,7 %, а продолжительность
горения - на +13 %. Промышленность выпускает лампы общего назначения
мощностью от 15 до 1500 Вт на напряжение 127, 220, 135 В и 235 В (ТСр =
2500 ч).
Буквы, принятые для маркировки ламп, расшифровываются так: Н -
накаливания, В - вакуумная, Г - газополная (аргон с азотом),
Б-биспиральная (нить накала выполнена в виде двойной спирали), К - с
криптоновым наполнением. После буквы в обозначении проставляется
номинальное напряжение и после тире - мощность лампы. Лампы накаливания
общего назначения мощностью до 40 Вт изготавливаются вакуумными (НВ),
большей мощности - газополными.
Например: НБК 127-100 - накаливания, биспиральная, с криптоновым
наполнением, номинальное напряжение 127 В, мощность 100 Вт.
Люминесцентные лампы общего назначения относятся к лампам
низкого давления (0,01 мм рт. ст.). Конструктивно смотри рисунок ниже
лампа представляет собой стеклянную трубку 5 из обычного стекла, которое
не пропускает ультрафиолетового излучения. Воздух из трубки откачан,
трубка заполнена техническим аргоном при давлении около 400 Па и
небольшим количеством (каплей) ртути (30... 50 мг). Внутренняя
поверхность трубки покрыта тонким слоем твердого кристаллического
вещества - люминофора 4. В оба конца трубки впаяны стеклянные ножки 1,
на которых смонтированы электроды 2. Одна из ножек имеет откачную
трубку, через которую проводится откачка и наполнение лампы. К
электродам приварены самокалящиеся катоды 3 в форме биспиралей,
изготовленных из вольфрама и покрытых слоем окислов бария, стронция и
кальция (оксидной пастой), обеспечивающих хорошую эмиссию электронов.
Для предохранения оксидного слоя от разрушения при бомбардировке
электронами в анодные полупериоды к электродам приварены никелевые усы
(проволочные экраны). Внешняя часть электродов присоединена к штырькам
(выводам) на цоколе
Слева: Самокалящийся оксидный катод: 1 - катод; 2 - анод,
принимающий на себя электроны в положительный полупериод; 3 - электроды.
Справа: Схема включения люминесцентной лампы: Е - лампа; Ст -
стартер; С1 - конденсатор; L1 - дроссель; Q1 - выключатель.
Принцип действия люминесцентных ламп основан на использовании электро- и
фотолюминесценции.
Электролюминесценция - свечение паров ртути, возникающее в результате
движения в них электронов под влиянием приложенного к катодам
напряжения.
Люминесцентные при
фотосъемке
Фотолюминесценция - свечение люминофора под воздействием
ультрафиолетовых лучей, возникших вследствие разряда в парах ртути.
Одна из наиболее распространенных и простых схем включения
люминесцентной лампы показана на рис. 19. В состав схемы входят:
люминесцентная лампа (Е), дроссель L1, стартер (Ст) и конденсатор (С1).
При подаче переменного напряжения 220 В на входные контакты схемы лампа
мгновенно зажечься не может, так как величина напряжения недостаточна
для пробоя газового промежутка между катодами. В стартере же,
представляющем миниатюрную неоновую лампу, это напряжение вызывает
появление тлеющего разряда между электродами, нагревающего их.
Электроды стартера изготовлены (один или оба) из биметалла (двух
металлов, имеющих различный коэффициент линейного расширения),
вследствие чего они при нагревании изгибаются и замыкаются между собой.
Возникает замкнутая цепь от одного из входных контактов схемы через
обмотку дросселя, первый катод, контакты стартера, второй катод ко
второму входному контакту. Протекающий по этой цепи ток через 1...2 с
нагревает катоды до температуры 850... 900 °С. Возникает достаточно
большая термоэлектронная эмиссия катодов.
В газовом промежутке между катодами лампы появляется значительное
количество свободных электронов.
При замкнутом состоянии электродов стартера тлеющий разряд в нем
прекращается, электроды остывают и мгновенно (щелчком) размыкаются,
прерывая ток в рассмотренной выше цепи с дросселем. Так как дроссель
обладает большой индуктивностью, мгновенное прекращение тока в его
обмотке ведет к индуктированию в ней большой ЭДС самоиндукции и
напряжение порядка 750 ... 1000 В оказывается приложенным между катодами
лампы.
Промежуток, подготовленный ранее, пробивается, и между катодами
возникает дуговой разряд в парах ртути. Этот разряд сопровождается
интенсивным ультрафиолетовым излучением, которое воздействует на
люминофор и преобразуется им в видимое (световое) излучение. Лампа
зажглась. Так как лампа питается переменным напряжением, в первый
полупериод один из катодов имеет положительный потенциал и выполняет
роль анода, а второй отрицательный и является действительным катодом. Во
второй полупериод первый выполняет роль катода, а второй - анода.
Питание лампы переменным напряжением ведет к тому, что в каждый
полупериод разряд зажигается и снова гаснет, чтобы вновь зажечься в
следующий полупериод. Таким образом, световой поток лампы оказывается
пульсирующим.
При возникновении дугового разряда сопротивление дугового промежутка
резко уменьшается, достигая примерно значения сопротивления дросселя.
Вследствие этого напряжение на лампе, а следовательно, и на стартере
становится равным половине напряжения питающей сети. Напряжения такой
величины недостаточно для возникновения тлеющего разряда в стартере.
Таким образом, при удачном зажигании лампы стартер работает однократно.
Если по каким-либо причинам лампа после первого срабатывания стартера не
зажглась, то процесс зажигания может повторяться. Время, проходящее с
момента включения выключателя лампы до начала ее нормальной работы, не
превышает 10... 15 с.
Говоря о роли оборудования, установленного в схеме включения
люминесцентной лампы, необходимо заметить, что дроссель не только
способствует зажиганию лампы. Он также ограничивает ток в ее цепи после
возникновения дугового разряда, при котором, как указывалось выше, резко
уменьшается сопротивление дугового промежутка. При отсутствии дросселя
ток увеличился бы до аварийного значения.
Конденсатор, включенный параллельно стартеру, подавляет радиопомехи,
возникающие при работе стартера, стабилизирует тлеющий в нем
разряд.Состав люминофора, применяемый в лампах, влияет на цветность их
видимого (светового) излучения. Промышленность выпускает люминесцентные
лампы мощностью: 15, 20, 30, 40, 65 и 80 Вт. По цветности: ЛД - дневного
света; ЛХБ - холодного белого света; ЛБ - белого света; ЛТБ -
тепло-белого света; ЛЕ - дневного света с улучшенной цветопередачей.
Чтобы обеспечить надежную компактную и быстро монтируемую схему
включения люминесцентной лампы низкого давления, выпускают специальные
пускорегулирующие аппараты (ПРА), в состав которых входит все
необходимое оборудование с необходимыми соединениями.
Для схем со стартером ПРА приняты обозначения: 1УБИ, 1УБЕ, 1УБК. Здесь
цифра указывает число ламп, которые могут быть включены через один ПРА,
У - стартерный, Б - балласт, И - индуктивный, Е - емкостный, К -
компенсированный (повышающий коэффициент мощности - coscp осветительной
установки до значения 0,9...0,95). Для включения двух ламп -
соответственно 2УБИ, 2УБЕ, 2УБК.
При бесстартерных схемах используют ПРА, имеющие в своем обозначении
букву А: АБИ, АБЕ, АБК-
Один из недостатков люминесцентных ламп - пульсация светового потока,
вызывающая стробоскопический эффект, вследствие которого создается
искаженное представление об истинном состоянии движущихся предметов.
Например, при освещении пульсирующим световым потоком с частотой,
кратной частоте вращения движущихся частей машин, создается впечатление
их неподвижности.
Чтобы устранить или значительно уменьшить стробоскопический эффект при
включении люминесцентных ламп, используют все три фазы питающей сети.
Для той же цели можно использовать специальные ПРА, имеющие в своем
обозначении вторую букву А - антистробоскопический.
ПРА, встроенные в светильник, имеют в обозначении букву В, при
независимой установке - букву Н, с пониженным уровнем шума и радиопомех
- П. В виде дроби даются мощность лампы, на которую ПРА рассчитан (в
числителе), и номинальное напряжение (в знаменателе). Например,
обозначение 2АБК - 40/127 АВП означает, что ПРА рассчитан на включение
двух ламп и бесстартерный балласт компенсированный, на мощность ламп по
40 Вт, с номинальным напряжением 127 В, антистробоскопический,
встроенный в светильник, а также с пониженным уровнем шума и радиопомех.
К основным достоинствам осветительных люминесцентных ламп низкого
давления относятся: благоприятный спектральный состав излучения;
большая, чем у ламп накаливания, световая отдача - до 70 лм/Вт; большой
срок службы - до 10 000 ч.
Люминесцентные (газоразрядные) лампы высокого давления.
Лампа ДРЛ: а - общее устройство; б - электрическая схема
включения четырехэлектродной лампы ДРЛ (I) с дросселем (L1); / - внешняя
стеклянная колба; 2 - ограничительное сопротивление Rl, R3; 3 -
разрядная трубка из прозрачного кварцевого стекла (горелка); 4 -
активированный электрод из вольфрамовой проволоки; 5 - токопроводы; 6 -
цоколь; 7 - поддерживающий хомут; 8 - капля ртути; 9 - зажигающий
электрод; 10 - слой порошкообразного люминофора.
Недостатки этих ламп: сложность схемы включения; чувствительность к
условиям окружающей среды (температура, влажность, лампа надежно
зажигается при температуре 15... 40 °С); пульсация светового потока;
низкий коэффициент мощности - coscp; меньшая надежность в работе;
большие линейные размеры.
Лампы ДРЛ при фотосъемке
К этим лампам относится одна из наиболее распространенных
осветительных ламп типа ДРЛ - дуговая, ртутная, люминесцентная. Эта
лампа (рис. 20) представляет собой толстостенную кварцевую трубку
(горелку) 3, наполненную аргоном и парами ртути. Горелка размещена в
колбе 1, изготовленной из термостойкого стекла. Внутренняя поверхность
колбы покрыта слоем люминофора, преобразующего невидимую часть
ультрафиолетового излучения горелки в видимое световое. Кроме
люминофора, колба содержит аргон с добавкой азота. Для облегчения
зажигания в лампе применены поджигающие электроды 9. В настоящее время
выпускаются четырехэлектродные лампы, устройство которых здесь и
рассмотрено. Схема включения четырехэлектродной лампы изображена на рис.
20 Разряд возникает первоначально между основными и поджигающими
электродами, после чего пробивается основной дуговой промежуток и разряд
устанавливается между основными электродами. Добавочные сопротивления и
дроссель выполняют роль балластных токоограничивающих сопротивлений.
Лампы ДРЛ имеют нормальный резьбовой цоколь. Для их включения используют
специальные ПРА, включаемые в сеть напряжением 220 В, возможно также
включение на 230 и 240 В при использовании соответствующих отпаек
дросселя ПРУ.
Достоинства ламп ДРЛ: большие единичная мощности и яркость по сравнению
с лампами ЛБ и ЛД, отсутствие сколь-либо заметного влияния окружающей
среды на работу ламп, меньшие габариты, чем у ламп ЛД и ЛБ. К
недостаткам следует отнести: неудовлетворительную цветопередачу; большое
время, требующееся на установление полного светового потока (около 7
мин); высокую температуру (200°С) внешней колбы.
Свойства ламп определяют их применение в основном для освещения открытых
пространств: улиц, площадей, территорий, электрических и насосных
станций и т. д.
Возможно применение ламп и для освещения закрытых помещений, где высота
подвеса не менее 6 м и не требуется правильная цветопередача. Лампы ДРЛ
имеют светоотдачу до 50 лм/Вт, срок службы их до 3000 ч. Мощность
выпускаемых ламп 80, 125, 250, 400, 700 и 1000 Вт. Напряжение на лампах
115, 125, 130, 135, 140 В. Лампы работают в комплекте со специальной
арматурой.
В настоящее время выпускают усовершенствованные лампы ДРЛ с вольфрамовой
нитью накала. Их называют ртутно-вольфрамовыми, и они представляют
комбинацию лампы накаливания и лампы ДРЛ. Такие лампы имеют светоотдачу
до 60 лм/Вт, срок службы до 12 000 ч.
Ксеноновые лампы высокого и сверхвысокого давления. Эти лампы используют
особенности дугового разряда в ксеноне, заключающиеся в стабилизации
сопротивления дуги. Они имеют благоприятный спектральный состав
излучения, приближающийся к дневному солнечному. Так как сопротивление
дуги здесь стабильно и имеет постоянное достаточно большое значение, оно
в нужной степени ограничивает ток через лампу и не требуется балластного
сопротивления в схеме. Но ПРА для включения в сеть сложна. Мощные
ксеноновые лампы требуют при работе водяного охлаждения.
Ксеноновые лампы употребляют в основном для специальных видов освещения:
освещения путей и территорий сортировочных железнодорожных участков, при
киносъемках, на телевидении, при прожекторном освещении и т. д. Мощности
этих ламп от сотен до нескольких десятков тысяч Вт и более.
