Лампа - преобразователь энергии. Хотя он может выполнять второстепенные функции, его основной целью является преобразование электрической энергии в видимое электромагнитное излучение. Есть много способов создать свет. Стандартным методом создания общего освещения является преобразование электрической энергии в свет.

Типы света

накаливание

При нагревании твердых тел и жидкостей они испускают видимое излучение при температуре выше 1,000 К; это известно как накал.

Такой нагрев лежит в основе генерации света в лампах накаливания: электрический ток проходит по тонкой вольфрамовой проволоке, температура которой повышается примерно до 2,500—3,200 К в зависимости от типа лампы и области ее применения.

У этого метода есть ограничение, которое описывается законом Планка для работы излучателя черного тела, согласно которому спектральное распределение излучаемой энергии увеличивается с температурой. При температуре около 3,600 К и выше наблюдается заметное усиление эмиссии видимого излучения, а длина волны максимальной мощности смещается в видимый диапазон. Эта температура близка к температуре плавления вольфрама, который используется для нити накала, поэтому практический температурный предел составляет около 2,700 К, выше которого испарение нити становится чрезмерным. Одним из результатов этих спектральных сдвигов является то, что большая часть испускаемого излучения выделяется не в виде света, а в виде тепла в инфракрасной области. Таким образом, лампы накаливания могут быть эффективными нагревательными устройствами и используются в лампах, предназначенных для сушки печати, приготовления пищи и содержания животных.

Электрический разряд

Электрический разряд - это метод, используемый в современных источниках света для торговли и промышленности из-за более эффективного производства света. Некоторые типы ламп сочетают электрический разряд с фотолюминесценцией.

Электрический ток, проходящий через газ, возбуждает атомы и молекулы, излучая излучение спектра, характерного для присутствующих элементов. Обычно используются два металла, натрий и ртуть, потому что их характеристики дают полезное излучение в видимом спектре. Ни один из металлов не излучает непрерывный спектр, а газоразрядные лампы имеют селективный спектр. Их цветопередача никогда не будет идентична непрерывным спектрам. Газоразрядные лампы часто классифицируют как лампы высокого или низкого давления, хотя эти термины являются относительными, а натриевая лампа высокого давления работает при температуре ниже одной атмосферы.

Типы люминесценции

Фотолюминесценция возникает, когда излучение поглощается твердым телом, а затем переизлучается с другой длиной волны. Когда переизлучаемое излучение находится в пределах видимого спектра, этот процесс называется флуоресценция or фосфоресценция.

Электролюминесценция возникает, когда свет генерируется электрическим током, проходящим через определенные твердые тела, такие как люминофоры. Он используется для самосветящихся вывесок и приборных панелей, но не зарекомендовал себя как практичный источник света для освещения зданий или экстерьеров.

Эволюция электрических ламп

Хотя технический прогресс позволил производить различные лампы, основными факторами, повлиявшими на их развитие, были внешние рыночные силы. Например, производство ламп накаливания, использовавшихся в начале этого века, стало возможным только после появления хороших вакуумных насосов и волочения вольфрамовой проволоки. Однако именно крупномасштабное производство и распределение электроэнергии для удовлетворения спроса на электрическое освещение определило рост рынка. Электрическое освещение давало много преимуществ по сравнению с освещением, вырабатываемым газом или маслом, например, постоянный свет, требующий нечастого обслуживания, а также повышенная безопасность за счет отсутствия открытого пламени и местных побочных продуктов сгорания.

В период восстановления после Второй мировой войны упор делался на производительность. Люминесцентная трубчатая лампа стала доминирующим источником света, потому что она сделала возможным бестеневое и сравнительно нетепловое освещение заводов и офисов, позволяя максимально использовать пространство. Требования к светоотдаче и мощности для типичной люминесцентной трубчатой ​​лампы диаметром 1,500 мм приведены в таблице 1.

Таблица 1. Улучшенные требования к светоотдаче и мощности некоторых типичных люминесцентных ламп диаметром 1,500 мм

К 1970-м годам цены на нефть выросли, и затраты на энергию стали значительной частью эксплуатационных расходов. Люминесцентные лампы, дающие такое же количество света при меньшем потреблении электроэнергии, были востребованы рынком. Конструкция лампы была усовершенствована несколькими способами. С приближением века растет осознание глобальных экологических проблем. Более эффективное использование сокращающегося сырья, переработка или безопасная утилизация продуктов, а также постоянная озабоченность по поводу потребления энергии (особенно энергии, вырабатываемой из ископаемого топлива) влияют на современные конструкции ламп.

Критерий производительности

Критерии производительности зависят от приложения. В целом особой иерархии важности этих критериев не существует.

Световой поток: Световой поток лампы определяет ее соответствие размеру установки и требуемому количеству освещения.

Внешний вид и цветопередача: Отдельные шкалы и числовые значения применяются к внешнему виду цвета и цветопередаче. Важно помнить, что цифры служат только ориентиром, а некоторые из них являются приблизительными. Когда это возможно, оценку пригодности следует проводить с реальными лампами и с цветами или материалами, применимыми к ситуации.

Срок службы лампы: Большинство ламп потребуют замены несколько раз в течение срока службы осветительной установки, и проектировщики должны свести к минимуму неудобства для жильцов, связанные со случайными отказами и техническим обслуживанием. Лампы используются в самых разных сферах. Ожидаемый средний срок службы часто представляет собой компромисс между стоимостью и производительностью. Например, срок службы лампы для слайд-проектора составляет несколько сотен часов, потому что максимальный световой поток важен для качества изображения. Напротив, некоторые лампы дорожного освещения можно менять каждые два года, что составляет около 8,000 часов горения.

Кроме того, на срок службы лампы влияют условия эксплуатации, поэтому не существует простой цифры, применимой во всех условиях. Кроме того, эффективный срок службы лампы может определяться различными режимами отказа. Физическому отказу, такому как разрыв нити накала или лампы, может предшествовать снижение светоотдачи или изменение цвета. На срок службы лампы влияют внешние условия окружающей среды, такие как температура, вибрация, частота включения, колебания напряжения питания, ориентация и т. д.

Следует отметить, что средний срок службы, указанный для типа лампы, представляет собой время до 50 % отказов от партии испытательных ламп. Это определение срока службы вряд ли применимо ко многим коммерческим или промышленным установкам; таким образом, практический срок службы лампы обычно меньше опубликованных значений, которые следует использовать только для сравнения.

Эффективность: Как правило, эффективность лампы данного типа повышается по мере увеличения номинальной мощности, потому что большинство ламп имеют фиксированные потери. Однако разные типы ламп имеют заметные различия в эффективности. Должны использоваться лампы с наивысшей эффективностью при условии соблюдения критериев размера, цвета и срока службы. Экономия энергии не должна происходить за счет визуального комфорта или производительности жильцов. Некоторые типичные эффективности приведены в таблице 2.

Таблица 2. Типичная эффективность лампы

Типы основных ламп

За прошедшие годы было разработано несколько номенклатурных систем по национальным и международным стандартам и реестрам.

В 1993 году Международная электротехническая комиссия (МЭК) опубликовала новую Международную систему кодирования ламп (ILCOS), призванную заменить существующие национальные и региональные системы кодирования. Список некоторых кратких кодов ILCOS для различных ламп приведен в таблице 3.

Таблица 3. Система краткого кодирования Международной системы кодирования ламп (ILCOS) для некоторых типов ламп

Лампы накаливания

В этих лампах используется вольфрамовая нить накала в инертном газе или вакууме со стеклянной оболочкой. Инертный газ подавляет испарение вольфрама и уменьшает почернение оболочки. Существует большое разнообразие форм ламп, которые имеют в основном декоративный вид. Конструкция типичной лампы General Lighting Service (GLS) показана на рисунке 1.

Рис. 1. Конструкция лампы GLS

Лампы накаливания также доступны в широком диапазоне цветов и отделки. Коды ILCOS и некоторые типичные формы включают показанные в таблице 4.

Таблица 4. Распространенные цвета и формы ламп накаливания с их кодами ILCOS.

Лампы накаливания по-прежнему популярны для домашнего освещения из-за их низкой стоимости и компактных размеров. Однако для коммерческого и промышленного освещения низкая эффективность приводит к очень высоким эксплуатационным расходам, поэтому газоразрядные лампы являются нормальным выбором. Лампа мощностью 100 Вт имеет типичную эффективность 14 люмен/ватт по сравнению с 96 люмен/ватт для люминесцентной лампы мощностью 36 Вт.

Лампы накаливания легко диммировать, уменьшая напряжение питания, и они до сих пор используются там, где диммирование является желаемой функцией управления.

Вольфрамовая нить накаливания представляет собой компактный источник света, легко фокусируемый отражателями или линзами. Лампы накаливания полезны для освещения витрин, где необходимо управление направлением.

Вольфрамовые галогенные лампы

Они похожи на лампы накаливания и излучают свет таким же образом от вольфрамовой нити. Однако колба содержит газообразный галоген (бром или йод), который эффективно контролирует испарение вольфрама. См. рисунок 2.

Рисунок 2. Галогеновый цикл

Основой галогенного цикла является минимальная температура стенки колбы 250 ° C, чтобы гарантировать, что галогенид вольфрама остается в газообразном состоянии и не конденсируется на стенке колбы. Эта температура означает, что лампы сделаны из кварца, а не из стекла. С кварцем можно уменьшить размер колбы.

Срок службы большинства вольфрамово-галогенных ламп больше, чем у ламп накаливания, а нить накала имеет более высокую температуру, что дает больше света и более белый цвет.

Вольфрамово-галогенные лампы стали популярными там, где главным требованием являются небольшой размер и высокая производительность. Типичными примерами являются сценическое освещение, в том числе кино- и телевизионное, где обычными требованиями являются управление направлением и диммирование.

Низковольтные вольфрамовые галогенные лампы

Первоначально они были разработаны для слайд- и кинопроекторов. При 12 В нить накала той же мощности, что и при 230 В, становится меньше и толще. Это может быть более эффективно сфокусировано, а большая масса нити накала обеспечивает более высокую рабочую температуру, увеличивая светоотдачу. Толстая нить более прочная. Эти преимущества были реализованы как полезные для рынка коммерческих витрин, и хотя необходимо иметь понижающий трансформатор, эти лампы теперь доминируют в освещении витрин. См. рисунок 3.

Рис. 3. Низковольтная дихроичная рефлекторная лампа

Хотя пользователям кинопроекторов нужно как можно больше света, слишком много тепла повреждает прозрачную среду. Был разработан специальный тип рефлектора, который отражает только видимое излучение, позволяя инфракрасному излучению (теплу) проходить через заднюю часть лампы. Эта функция теперь является частью многих низковольтных рефлекторных ламп для освещения дисплеев, а также проекторного оборудования.

Чувствительность к напряжению: все лампы накаливания чувствительны к изменению напряжения, что влияет на светоотдачу и срок службы. Стремление «гармонизировать» напряжение питания по всей Европе на уровне 230 В достигается за счет расширения допусков, с которыми могут работать генерирующие органы. Изменение составляет ±10%, что соответствует диапазону напряжения от 207 до 253 В. Лампы накаливания и вольфрамово-галогенные лампы не могут нормально работать в этом диапазоне, поэтому необходимо согласовать фактическое напряжение питания с номиналами ламп. См. рисунок 4.

Рисунок 4. Лампы накаливания GLS и напряжение питания

На газоразрядные лампы также будут влиять такие широкие колебания напряжения, поэтому важное значение приобретает правильная спецификация механизма управления.

Трубчатые люминесцентные лампы

Это ртутные лампы низкого давления, доступные в версиях с «горячим катодом» и «холодным катодом». Первый — это обычная люминесцентная лампа для офисов и заводов; «Горячий катод» относится к запуску лампы путем предварительного нагрева электродов для создания достаточной ионизации газа и паров ртути для установления разряда.

Лампы с холодным катодом в основном используются для вывесок и рекламы. См. рисунок 5.

Рисунок 5. Принцип работы люминесцентной лампы

Для люминесцентных ламп требуется внешний механизм управления для запуска и управления током лампы. Помимо небольшого количества паров ртути, имеется исходный газ (аргон или криптон).

Низкое давление ртути генерирует разряд бледно-голубого света. Основная часть излучения приходится на УФ-диапазон с длиной волны 254 нм, характерной для ртути частотой излучения. Внутри стенки трубки находится тонкое люминофорное покрытие, которое поглощает УФ-излучение и излучает энергию в виде видимого света. Качество цвета света определяется люминофорным покрытием. Доступен ряд люминофоров с различным внешним видом и цветопередачей.

В течение 1950-х годов доступные люминофоры предлагали выбор разумной эффективности (60 люмен / ватт) с недостатком красного и синего света или улучшенную цветопередачу от «роскошных» люминофоров с более низкой эффективностью (40 люмен / ватт).

К 1970-м годам были разработаны новые узкополосные люминофоры. Они по отдельности излучали красный, синий и зеленый свет, но вместе давали белый свет. Регулировка пропорций дала ряд различных цветовых проявлений с одинаковой превосходной цветопередачей. Эти трилюминофоры более эффективны, чем более ранние типы, и представляют собой лучшее экономичное решение для освещения, даже несмотря на то, что лампы стоят дороже. Повышенная эффективность снижает затраты на эксплуатацию и установку.

Принцип трех люминофоров был расширен за счет ламп с несколькими люминофорами, где необходима критическая цветопередача, например, для художественных галерей и промышленного подбора цветов.

Современные узкополосные люминофоры более долговечны, лучше сохраняют световой поток и увеличивают срок службы лампы.

Компактные люминесцентные лампы

Люминесцентная лампа не является практичной заменой лампы накаливания из-за своей линейной формы. Маленькие трубки с узким отверстием могут иметь примерно такой же размер, как лампа накаливания, но это создает гораздо более высокую электрическую нагрузку на материал люминофора. Использование трилюминофоров необходимо для достижения приемлемого срока службы лампы. См. рисунок 6.

Рисунок 6. Компактная люминесцентная лампа с четырьмя ножками

Все компактные люминесцентные лампы используют три люминофора, поэтому, когда они используются вместе с линейными люминесцентными лампами, последние также должны быть три люминофора, чтобы обеспечить постоянство цвета.

Некоторые компактные лампы включают в себя механизм управления, который можно использовать для модернизации ламп накаливания. Ассортимент расширяется и позволяет легко модернизировать существующие установки для более энергоэффективного освещения. Эти встроенные блоки не подходят для затемнения там, где это было частью исходных элементов управления.

Высокочастотный электронный пускорегулирующий аппарат: Если нормальную частоту питания 50 или 60 Гц увеличить до 30 кГц, эффективность люминесцентных ламп увеличится на 10%. Электронные схемы могут управлять отдельными лампами на таких частотах. Электронная схема спроектирована так, чтобы обеспечить такой же световой поток, как и механизм управления с проволочной обмоткой, за счет пониженной мощности лампы. Это обеспечивает совместимость пакета люменов с тем преимуществом, что уменьшенная нагрузка на лампу значительно увеличивает срок службы лампы. Электронный пускорегулирующий аппарат может работать в диапазоне питающих напряжений.

Общего стандарта для электронных пускорегулирующих аппаратов не существует, и характеристики ламп могут отличаться от информации, опубликованной производителями ламп.

Использование высокочастотного электронного ПРА устраняет обычную проблему мерцания, к которой могут быть чувствительны некоторые пассажиры.

Индукционные лампы

Недавно на рынке появились лампы, работающие по принципу индукции. Это ртутные лампы низкого давления с трифосфорным покрытием и по светоизлучателям аналогичны люминесцентным лампам. Энергия передается на лампу с помощью высокочастотного излучения с частотой примерно 2.5 МГц от антенны, расположенной в центре лампы. Физической связи между колбой лампы и катушкой нет. Без электродов и других проводных соединений конструкция разрядного сосуда проще и долговечнее. Срок службы лампы в основном определяется надежностью электронных компонентов и сохранением светового потока люминофорного покрытия.

Ртутные лампы высокого давления

Разряды высокого давления более компактны и имеют более высокие электрические нагрузки; поэтому им требуются кварцевые дуговые трубки, чтобы выдерживать давление и температуру. Дуговая трубка заключена во внешнюю стеклянную оболочку с азотной или аргонно-азотной атмосферой для уменьшения окисления и искрения. Лампа эффективно фильтрует УФ-излучение дуговой трубки. См. рисунок 7.

Рисунок 7. Конструкция ртутной лампы

При высоком давлении ртутный разряд имеет в основном синее и зеленое излучение. Для улучшения цвета люминофорное покрытие внешней колбы добавляет красный свет. Есть роскошные версии с повышенным содержанием красного, которые дают более высокую светоотдачу и улучшенную цветопередачу.

Всем газоразрядным лампам высокого давления требуется время для достижения полной мощности. Первоначальный разряд осуществляется через токопроводящий газовый наполнитель, а металл испаряется по мере повышения температуры лампы.

При стабильном давлении лампа не включится сразу без специального механизма управления. Существует задержка, пока лампа достаточно остынет и давление уменьшится, так что нормальное напряжение питания или цепь зажигания достаточны для восстановления дуги.

Газоразрядные лампы имеют характеристику отрицательного сопротивления, поэтому для управления током необходим внешний механизм управления. Из-за этих компонентов ПРА возникают потери, поэтому пользователь должен учитывать общую мощность при рассмотрении эксплуатационных расходов и электромонтажных работ. Исключение составляют ртутные лампы высокого давления, и один тип содержит вольфрамовую нить накала, которая действует как устройство ограничения тока и добавляет теплые тона к сине-зеленому разряду. Это дает возможность прямой замены ламп накаливания.

Хотя ртутные лампы имеют длительный срок службы, составляющий около 20,000 55 часов, к концу этого периода световой поток упадет примерно до XNUMX% от первоначального, и, следовательно, экономический срок службы может быть короче.

Металлогалогенные лампы

Цвет и световой поток ртутных газоразрядных ламп можно улучшить, добавляя в ртутную дугу различные металлы. Для каждой лампы доза мала, и для точного нанесения удобнее обращаться с металлами в виде порошка в виде галогенидов. Это ломается, когда лампа нагревается и высвобождает металл.

В металлогалогенной лампе может использоваться несколько различных металлов, каждый из которых дает определенный характерный цвет. К ним относятся:

• диспрозий — широкий сине-зеленый
• индий — темно-синий
• литий — узко-красный
• скандий — широкий сине-зеленый
• натрий — узко-желтый
• таллий — темно-зеленый
• олово — широкий оранжево-красный

Стандартной смеси металлов не существует, поэтому металлогалогенные лампы разных производителей могут быть несовместимы по внешнему виду или рабочим характеристикам. Для ламп с более низкой номинальной мощностью, от 35 до 150 Вт, физическая и электрическая совместимость более близка к общему стандарту.

Для металлогалогенных ламп требуется механизм управления, но отсутствие совместимости означает, что необходимо подобрать каждую комбинацию лампы и механизма для обеспечения правильных условий запуска и работы.

Натриевые лампы низкого давления

Дуговая трубка по размеру аналогична люминесцентной, но изготовлена ​​из специального многослойного стекла с внутренним покрытием, устойчивым к натрию. Дуговая трубка имеет узкую U-образную форму и заключена во внешнюю вакуумную оболочку для обеспечения термической стабильности. Во время запуска лампы имеют сильное красное свечение от неоновой газовой начинки.

Характерное излучение паров натрия низкого давления имеет монохроматический желтый цвет. Это близко к пиковой чувствительности человеческого глаза, а натриевые лампы низкого давления являются наиболее эффективными лампами с мощностью почти 200 люмен/ватт. Однако применение ограничено теми местами, где различение цветов не имеет визуального значения, например, на магистральных дорогах и подземных переходах, а также на жилых улицах.

Во многих случаях эти лампы заменяются натриевыми лампами высокого давления. Их меньший размер обеспечивает лучший оптический контроль, особенно для освещения проезжей части, где растет озабоченность по поводу чрезмерного свечения неба.

Натриевые лампы высокого давления

Эти лампы аналогичны ртутным лампам высокого давления, но обладают большей эффективностью (более 100 люмен/ватт) и превосходным сохранением светового потока. Реакционная природа натрия требует, чтобы дуговая трубка была изготовлена ​​из полупрозрачного поликристаллического оксида алюминия, поскольку стекло или кварц не подходят. Внешняя стеклянная колба содержит вакуум для предотвращения искрения и окисления. От разряда натрия нет УФ-излучения, поэтому люминофорные покрытия не представляют ценности. Некоторые лампы имеют матовое покрытие или покрытие для рассеивания источника света. См. рисунок 8.

Рисунок 8. Конструкция натриевой лампы высокого давления

По мере увеличения давления натрия излучение становится широкой полосой вокруг желтого пика, а внешний вид становится золотисто-белым. Однако с увеличением давления эффективность снижается. В настоящее время доступны три отдельных типа натриевых ламп высокого давления, как показано в таблице 5.

Таблица 5. Типы натриевых ламп высокого давления

Как правило, стандартные лампы используются для наружного освещения, роскошные лампы — для промышленных интерьеров, а лампы White SON — для коммерческих/демонстрационных приложений.

Затемнение газоразрядных ламп

Лампы высокого давления не могут быть удовлетворительно затемнены, так как изменение мощности лампы изменяет давление и, следовательно, основные характеристики лампы.

Люминесцентные лампы можно регулировать с помощью высокочастотных источников, обычно генерируемых электронным пускорегулирующим аппаратом. Внешний вид цвета остается очень постоянным. Кроме того, светоотдача приблизительно пропорциональна мощности лампы, что приводит к экономии электроэнергии при уменьшении светоотдачи. Интегрируя световой поток лампы с преобладающим уровнем естественного дневного света, можно обеспечить почти постоянный уровень освещенности в интерьере.

Назад