ランプはエネルギー変換器です。 二次的な機能を実行することもありますが、その主な目的は、電気エネルギーを可視電磁放射に変換することです。 光を作る方法はたくさんあります。 一般的な照明を作成するための標準的な方法は、電気エネルギーを光に変換することです。
光の種類
白熱
固体と液体が加熱されると、1,000 K を超える温度で可視光線が放出されます。 これは白熱として知られています。
このような加熱は、フィラメント ランプの光生成の基本です。電流は、ランプの種類とその用途に応じて、温度が約 2,500 ~ 3,200 K に上昇する細いタングステン ワイヤを通過します。
この方法には限界があり、これは黒体放射体の性能に関するプランクの法則によって説明されており、放射されるエネルギーのスペクトル分布は温度とともに増加します。 約 3,600 K 以上では、可視放射の放出が著しく増加し、最大出力の波長が可視帯域にシフトします。 この温度は、フィラメントに使用されるタングステンの融点に近いため、実用的な温度限界は約 2,700 K であり、それを超えるとフィラメントの蒸発が過剰になります。 これらのスペクトル シフトの結果の XNUMX つは、放射される放射の大部分が光としてではなく、赤外線領域の熱として放出されることです。 このように、フィラメント ランプは効果的な加熱装置となり、プリントの乾燥、食品の準備、動物の飼育用に設計されたランプに使用されます。
放電
放電は、光をより効率的に生成するため、商業および産業用の最新の光源で使用される技術です。 ランプの種類によっては、放電とフォトルミネッセンスを組み合わせたものがあります。
ガスを通過する電流は、原子と分子を励起して、存在する元素の特徴であるスペクトルの放射を放出します。 ナトリウムと水銀の XNUMX つの金属が一般的に使用されます。これらの金属の特性は、可視スペクトル内で有用な放射線を出すためです。 どちらの金属も連続スペクトルを発せず、放電ランプは選択スペクトルを持ちます。 それらの演色は、連続スペクトルと同じになることはありません。 放電ランプは、高圧または低圧に分類されることがよくありますが、これらの用語は相対的なものであり、高圧ナトリウム ランプは XNUMX 気圧未満で動作します。
発光の種類
フォトルミネッセンス 放射線が固体に吸収され、別の波長で再放出されるときに発生します。 再放出された放射線が可視スペクトル内にある場合、プロセスが呼び出されます 蛍光 or リン光.
エレクトロルミネッセンス 蛍光体材料などの特定の固体を通過する電流によって光が生成されるときに発生します。 自照式標識やインストルメント パネルに使用されていますが、建物や外部の照明用の実用的な光源であるとは証明されていません。
電灯の進化
技術の進歩によりさまざまなランプを製造できるようになりましたが、それらの開発に影響を与えた主な要因は外部市場の力でした。 たとえば、今世紀の初めに使用されていたフィラメント ランプの製造は、優れた真空ポンプが利用可能になり、タングステン ワイヤが引き出されて初めて可能になりました。 しかし、市場の成長を決定づけたのは、電気照明の需要を満たす大規模な発電と配電でした。 電気照明は、ガスや石油で生成された光よりも多くの利点を提供しました。たとえば、頻繁なメンテナンスを必要としない安定した光、炎が露出せず、局所的な燃焼副産物がないという安全性の向上などです。
第二次世界大戦後の復興期には、生産性が重視されました。 蛍光灯は、工場やオフィスの影のない、比較的熱のない照明を可能にし、スペースを最大限に活用できるため、主要な光源になりました。 典型的な 1,500 mm 蛍光管状ランプの光出力とワット数の要件を表 1 に示します。
表 1. 一般的な 1,500 mm 蛍光管ランプの改善された光出力とワット数要件
定格 (W) |
直径(mm) |
ガス充填 |
光出力 (ルーメン) |
80 |
38 |
アルゴン |
4,800 |
65 |
38 |
アルゴン |
4,900 |
58 |
25 |
クリプトン |
5,100 |
50 |
25 |
アルゴン |
5,100 |
1970 年代までに石油価格が上昇し、エネルギー コストが運用コストの重要な部分を占めるようになりました。 同じ光量で少ない消費電力の蛍光灯が市場から求められていました。 ランプのデザインはいくつかの点で洗練されました。 世紀が終わり、地球環境問題への意識が高まっています。 減少する原材料の有効利用、製品のリサイクルまたは安全な廃棄、およびエネルギー消費 (特に化石燃料から生成されるエネルギー) に対する継続的な懸念は、現在のランプ設計に影響を与えています。
パフォーマンス基準
パフォーマンス基準はアプリケーションによって異なります。 一般に、これらの基準の重要性に特定の階層はありません。
光出力: ランプのルーメン出力は、設置の規模と必要な照明の量に関連してその適合性を決定します。
色の見え方と演色性: 色の見え方と演色性には、個別のスケールと数値が適用されます。 数値はあくまでも目安であり、一部は概算にすぎないことを覚えておくことが重要です。 適合性の評価は、可能な限り、実際のランプと、状況に適した色または素材を使用して行う必要があります。
ランプ寿命: ほとんどのランプは、照明設備の使用期間中に数回交換する必要があります。設計者は、奇妙な故障やメンテナンスによる居住者への不便を最小限に抑える必要があります。 ランプは、さまざまな用途で使用されています。 予想される平均寿命は、多くの場合、コストとパフォーマンスの妥協点です。 たとえば、最大光出力は画像の品質にとって重要であるため、スライド プロジェクターのランプの寿命は数百時間です。 対照的に、一部の道路照明ランプは 8,000 年ごとに交換される場合があり、これは約 XNUMX 時間の燃焼に相当します。
また、ランプの寿命は使用条件に左右されるため、すべての条件に当てはまる単純な数値はありません。 また、有効なランプ寿命は、さまざまな障害モードによって決定される場合があります。 フィラメントやランプの破裂などの物理的な故障の前に、光出力の低下や色の変化が生じる場合があります。 ランプの寿命は、温度、振動、始動頻度、電源電圧の変動、向きなどの外部環境条件の影響を受けます。
ランプ タイプの平均寿命は、テスト ランプのバッチで 50% が故障するまでの時間であることに注意してください。 この生命の定義は、多くの商業用または工業用設備には適用できない可能性があります。 したがって、実際のランプ寿命は通常、公開されている値よりも短く、比較のためにのみ使用する必要があります。
効率化: 一般に、特定のタイプのランプの効率は定格電力が増加するにつれて向上します。これは、ほとんどのランプに一定の損失があるためです。 ただし、ランプの種類によって効率が大きく異なります。 サイズ、色、寿命の基準も満たしていれば、最高効率のランプを使用する必要があります。 エネルギーの節約は、視覚的な快適性や居住者のパフォーマンス能力を犠牲にしてはなりません。 いくつかの典型的な効能を表 2 に示します。
表 2. 一般的なランプ効率
ランプ効率 |
|
100Wフィラメントランプ |
14 ルーメン/ワット |
58W蛍光管 |
89 ルーメン/ワット |
400W高圧ナトリウム |
125 ルーメン/ワット |
131 W 低圧ナトリウム |
198 ルーメン/ワット |
メインランプの種類
何年にもわたって、国内および国際的な基準と登録によって、いくつかの命名体系が開発されてきました。
1993 年、国際電気標準会議 (IEC) は、既存の国および地域のコーディング システムを置き換えることを目的とした新しい国際ランプ コーディング システム (ILCOS) を発行しました。 さまざまなランプの ILCOS 短縮形コードのリストを表 3 に示します。
表 3. 一部のランプ タイプの国際ランプ コーディング システム (ILCOS) 短縮形コーディング システム
タイプ(コード) |
共通定格 (ワット) |
カラーレンダリング |
色温度 (K) |
寿命 (時間) |
コンパクト蛍光灯(FS) |
5-55 |
良い |
2,700-5,000 |
5,000-10,000 |
高圧水銀灯(QE) |
80-750 |
フェア |
3,300-3,800 |
20,000 |
高圧ナトリウムランプ(S-) |
50-1,000 |
悪いから良い |
2,000-2,500 |
6,000-24,000 |
白熱灯 (I) |
5-500 |
良い |
2,700 |
1,000-3,000 |
誘導灯 (XF) |
23-85 |
良い |
3,000-4,000 |
10,000-60,000 |
低圧ナトリウムランプ(LS) |
26-180 |
単色の黄色 |
1,800 |
16,000 |
低圧タングステンハロゲンランプ(HS) |
12-100 |
良い |
3,000 |
2,000-5,000 |
メタルハライドランプ(M-) |
35-2,000 |
最良です |
3,000-5,000 |
6,000-20,000 |
管状蛍光灯(FD) |
4-100 |
良~良 |
2,700-6,500 |
10,000-15,000 |
タングステンハロゲンランプ(HS) |
100-2,000 |
良い |
3,000 |
2,000-4,000 |
白熱灯
これらのランプは、ガラス エンベロープを備えた不活性ガスまたは真空中でタングステン フィラメントを使用します。 不活性ガスはタングステンの蒸発を抑制し、エンベロープの黒化を軽減します。 ランプの形状にはさまざまな種類があり、主に装飾的な外観になっています。 典型的な一般照明サービス (GLS) ランプの構造を図 1 に示します。
図 1. GLS ランプの構造
白熱灯も、幅広い色と仕上げで利用できます。 ILCOS コードといくつかの典型的な形状には、表 4 に示すものが含まれます。
表 4. 白熱灯の一般的な色と形状と ILCOS コード
色・形 |
Code |
クリア |
/C |
艶消し |
/F |
ホワイト |
/W |
レッド |
/R |
青 |
/B |
グリーン |
/G |
イエロー |
/Y |
梨型(GLS) |
IA |
キャンドル |
IB |
コニカル |
IC |
球状 |
IG |
キノコ |
IM |
白熱灯は、低コストでコンパクトなサイズのため、家庭用照明として依然として人気があります。 ただし、商用および産業用照明の場合、効率が低いと運用コストが非常に高くなるため、放電ランプが通常の選択です。 100 W 蛍光灯の 14 ルーメン/ワットと比較して、96 W ランプの典型的な効率は 36 ルーメン/ワットです。
白熱灯は、供給電圧を下げることで簡単に調光でき、調光が望ましい制御機能である場合でも使用されています。
タングステン フィラメントはコンパクトな光源で、リフレクターやレンズで簡単に焦点を合わせることができます。 白熱灯は、方向制御が必要なディスプレイ照明に役立ちます。
タングステンハロゲンランプ
これらは白熱灯に似ており、タングステン フィラメントから同じ方法で光を生成します。 ただし、電球にはハロゲンガス (臭素またはヨウ素) が含まれており、タングステンの蒸発を制御します。 図 2 を参照してください。
図 2. ハロゲン サイクル
ハロゲン サイクルの基本は、ハロゲン化タングステンがガス状態のままでバルブ壁に凝縮しないように、バルブ壁の最低温度を 250 °C にすることです。 この温度は、ガラスの代わりに石英で作られた電球を意味します。 石英を使用すると、バルブのサイズを小さくすることができます。
ほとんどのタングステン ハロゲン ランプは、同等の白熱電球よりも寿命が長く、フィラメントはより高い温度にあるため、より明るくより白い色を作り出します。
タングステン ハロゲン ランプは、小型で高性能が主な要件である場合に普及しています。 典型的な例は、方向制御と調光が一般的な要件である、映画やテレビなどの舞台照明です。
低圧タングステンハロゲンランプ
これらは、もともとスライドおよびフィルム映写機用に設計されました。 12 V では、230 V と同じワット数のフィラメントがより小さく、より太くなります。 これにより、より効率的に焦点を合わせることができ、フィラメントの質量が大きいほど、動作温度が高くなり、光出力が増加します。 太いフィラメントはより堅牢です。 これらの利点は、商業用ディスプレイ市場に役立つものとして実現され、降圧トランスが必要であるにもかかわらず、これらのランプは現在ショーウィンドウの照明を支配しています. 図 3 を参照してください。
図 3. 低電圧ダイクロイック リフレクター ランプ
フィルム映写機のユーザーはできるだけ多くの光を求めますが、熱が多すぎると透明媒体が損傷します。 特別なタイプのリフレクターが開発されました。これは可視光線のみを反射し、赤外線 (熱) がランプの背面を通過できるようにします。 この機能は現在、ディスプレイ照明やプロジェクター機器用の多くの低電圧リフレクター ランプの一部となっています。
電圧感度: すべてのフィラメント ランプは電圧変動の影響を受けやすく、光出力と寿命に影響します。 ヨーロッパ全体で供給電圧を 230 V に「調和」させる動きは、発電所が運用できる許容範囲を広げることによって達成されています。 この動きは ±10% に向かっており、これは 207 ~ 253 V の電圧範囲です。白熱およびタングステン ハロゲン ランプは、この範囲では適切に動作しないため、実際の供給電圧をランプの定格に一致させる必要があります。 図 4 を参照してください。
図 4. GLS フィラメント ランプと供給電圧
放電灯もこの大きな電圧変動の影響を受けるため、制御装置の正しい仕様が重要になります。
管状蛍光灯
これらは低圧水銀ランプで、「熱陰極」バージョンと「冷陰極」バージョンがあります。 前者は従来のオフィスや工場用の蛍光管です。 「熱陰極」は、放電を確立するためにガスと水銀蒸気の十分なイオン化を作成するために電極を予熱することによるランプの始動に関連しています。
冷陰極ランプは、主にサイネージや広告に使用されます。 図 5 を参照してください。
図5. 蛍光灯の原理
蛍光灯は、始動およびランプ電流の制御のために外部制御装置を必要とします。 少量の水銀蒸気に加えて、開始ガス (アルゴンまたはクリプトン) があります。
水銀の低圧は、淡い青色の光の放電を生成します。 放射線の大部分は、水銀の特徴的な放射線周波数である 254 nm の UV 領域にあります。 チューブ壁の内側には薄い蛍光体コーティングがあり、UV を吸収してエネルギーを可視光として放射します。 光の色の品質は、蛍光体のコーティングによって決まります。 さまざまな色の外観と演色性のさまざまな蛍光体が利用可能です。
1950 年代に利用可能な蛍光体は、赤と青の光が不足している合理的な効率 (60 ルーメン/ワット) の選択肢を提供するか、効率の低い (40 ルーメン/ワット) の「デラックス」蛍光体から改善された演色性を提供しました。
1970 年代までに、新しい狭帯域蛍光体が開発されました。 これらは赤、青、緑の光を別々に放射しましたが、結合して白色光を生成しました。 プロポーションを調整すると、さまざまな色の外観が得られ、すべて同様の優れた演色性が得られます。 これらの三蛍光体は、以前のタイプよりも効率的であり、ランプがより高価であっても、最も経済的な照明ソリューションを表しています。 有効性の向上により、運用コストと設置コストが削減されます。
三蛍光体の原理は、アート ギャラリーや工業用カラー マッチングなど、重要な演色性が必要なマルチ蛍光体ランプによって拡張されました。
最新の狭帯域蛍光体は、耐久性が高く、ルーメンの維持が良好で、ランプの寿命が延びています。
コンパクト蛍光灯
蛍光管は直線的な形状のため、白熱灯の実用的な代替品にはなりません。 小さくて狭い口径の管は、白熱灯とほぼ同じサイズに構成できますが、これは蛍光体材料にはるかに高い電気的負荷を課します。 許容できるランプ寿命を達成するには、トリ蛍光体の使用が不可欠です。 図 6 を参照してください。
図 6. XNUMX 脚コンパクト蛍光灯
すべてのコンパクト蛍光灯は三蛍光体を使用しているため、線形蛍光灯と一緒に使用する場合は、色の一貫性を確保するために後者も三蛍光体にする必要があります。
一部のコンパクト ランプには、白熱灯用のレトロフィット デバイスを形成するための操作制御装置が含まれています。 範囲が拡大しており、既存の設備をよりエネルギー効率の高い照明に簡単にアップグレードできます。 これらの一体型ユニットは、元のコントロールの一部であった調光には適していません。
高周波電子制御装置: 通常の供給周波数 50 または 60 Hz を 30 kHz に上げると、蛍光管の効率が 10% 向上します。 電子回路は、個々のランプをそのような周波数で動作させることができます。 電子回路は、ランプの電力を抑えて、巻線制御ギアと同じ光出力を提供するように設計されています。 これにより、ルーメン パッケージとの互換性が得られ、ランプの負荷を減らすことでランプの寿命が大幅に延びるという利点があります。 電子制御装置は、さまざまな電源電圧で動作できます。
電子制御装置には共通の規格がなく、ランプの性能はランプ メーカーが発行する公開情報とは異なる場合があります。
高周波電子ギアの使用により、一部の居住者が敏感になる可能性のある通常のちらつきの問題が解消されます。
誘導灯
近年、誘導の原理を利用したランプが市場に出回っています。 それらは三蛍光体コーティングを施した低圧水銀ランプであり、光の発生源は蛍光灯に似ています。 エネルギーは、ランプ内の中央に配置されたアンテナから約 2.5 MHz の高周波放射によってランプに伝達されます。 電球とコイルの間に物理的な接続はありません。 電極やその他のワイヤ接続がないため、放電容器の構造はよりシンプルで耐久性があります。 ランプの寿命は、主に電子部品の信頼性と蛍光体コーティングのルーメン維持によって決まります。
高圧水銀ランプ
高圧放電はよりコンパクトで、電気負荷が高くなります。 したがって、圧力と温度に耐えるために石英アーク管が必要です。 発光管は、酸化とアーク放電を低減するために、窒素またはアルゴン窒素雰囲気の外側ガラス エンベロープに含まれています。 バルブは、発光管からの UV 放射を効果的にフィルタリングします。 図 7 を参照してください。
図 7. 水銀灯の構造
高圧では、水銀放電は主に青色と緑色の放射です。 色を改善するために、外管の蛍光体コーティングが赤色光を追加します。 より高い光出力と改善された演色性を提供する、赤の含有量が増加したデラックスバージョンがあります。
すべての高圧放電ランプは、フル出力に達するまでに時間がかかります。 最初の放電は導電性ガス充填によるもので、ランプの温度が上昇するにつれて金属が蒸発します。
安定した圧力では、ランプは特別な制御装置なしではすぐには再始動しません。 ランプが十分に冷却されて圧力が低下するまでには遅延があり、通常の供給電圧または点火回路でアークを再確立するのに十分です。
放電灯は負性抵抗特性を持っているため、電流を制御するには外部制御装置が必要です。 これらの制御装置コンポーネントによる損失があるため、ユーザーは運用コストと電気設備を検討する際に総ワット数を考慮する必要があります。 高圧水銀ランプには例外があり、XNUMX つのタイプにはタングステン フィラメントが含まれており、電流制限デバイスとして機能し、青/緑の放電に暖色を追加します。 これにより、白熱灯の直接交換が可能になります。
水銀灯の寿命は約20,000時間と長寿命ですが、この期間を過ぎると光出力が初期の約55%まで低下するため、経済寿命が短くなる可能性があります。
メタルハライドランプ
水銀放電ランプの色と光出力は、水銀アークにさまざまな金属を追加することで改善できます。 各ランプの線量は少なく、正確な適用のためには、粉末状の金属をハロゲン化物として扱う方が便利です。 ランプが温まり、金属が放出されると、これが壊れます。
メタルハライドランプは、それぞれが特定の特徴的な色を放つ多くの異なる金属を使用することができます。 これらには以下が含まれます:
- ジスプロシウム—広い青緑色
- インジウム—ナローブルー
- リチウム - 狭い赤
- スカンジウム—広い青緑色
- ナトリウム - 狭い黄色
- タリウム - 狭い緑
- 錫 - 幅広いオレンジレッド
金属の標準混合物がないため、異なるメーカーのメタル ハライド ランプは外観や動作性能に互換性がない場合があります。 定格ワット数が 35 ~ 150 W の低いランプの場合、共通規格との物理的および電気的互換性がより近くなります。
メタルハライドランプには制御装置が必要ですが、互換性がないため、ランプと装置の各組み合わせを一致させて、正しい始動および動作条件を確保する必要があります。
低圧ナトリウムランプ
発光管は、蛍光管と同じサイズですが、内面に耐ナトリウムコーティングを施した特殊なプライガラスで作られています。 発光管は狭い「U」字型に形成され、熱安定性を確保するために外側の真空ジャケットに含まれています。 起動中、ランプはネオンガス充填から強い赤く光ります。
低圧ナトリウム蒸気からの特徴的な放射は単色の黄色です。 これは人間の目のピーク感度に近く、低圧ナトリウム ランプは、ほぼ 200 ルーメン/ワットで利用できる最も効率的なランプです。 ただし、アプリケーションは、幹線道路や地下道、住宅街など、色の識別が視覚的に重要でない場所に限定されます。
多くの場合、これらのランプは高圧ナトリウム ランプに置き換えられています。 サイズが小さいほど、特に空のグローに対する懸念が高まっている道路照明の場合、より優れた光学制御が提供されます。
高圧ナトリウムランプ
これらのランプは高圧水銀ランプに似ていますが、より優れた効率 (100 ルーメン/ワット以上) と優れたルーメン維持を提供します。 ナトリウムの反応性により、アーク管は半透明の多結晶アルミナで製造する必要があり、ガラスや石英は適していません。 外側のガラス球には真空が含まれており、アーク放電と酸化を防ぎます。 ナトリウム放電からの紫外線放射がないため、蛍光体コーティングは無価値です。 一部の電球は、光源を拡散させるためにつや消しまたはコーティングされています。 図 8 を参照してください。
図 8. 高圧ナトリウム ランプの構造
ナトリウム圧が増加すると、放射は黄色のピークの周りに広帯域になり、外観は黄金色になります。 ただし、圧力が高くなると効率が低下します。 現在、表 5 に示すように、高圧ナトリウム ランプには XNUMX つのタイプがあります。
表5 高圧ナトリウムランプの種類
ランプの種類(コード) |
カラー (K) |
効率 (ルーメン/ワット) |
寿命 (時間) |
スタンダード |
2,000 |
110 |
24,000 |
デラックス |
2,200 |
80 |
14,000 |
ホワイト(息子) |
2,500 |
50 |
通常、標準ランプは屋外照明、工業用インテリアにはデラックス ランプ、商用/ディスプレイ アプリケーションにはホワイト SON が使用されます。
放電ランプの調光
ランプ電力を変更すると圧力が変化し、ランプの基本特性が変化するため、高圧ランプを十分に調光することはできません。
蛍光灯は、通常、電子制御装置内で生成される高周波電源を使用して調光できます。 色の見え方は非常に一定です。 さらに、光出力はランプ電力にほぼ比例するため、光出力が減少すると電力が節約されます。 ランプからの光出力を一般的な自然光のレベルと統合することにより、ほぼ一定レベルの照度を室内に提供することができます。