3 Джерела світла

1. Джерела світла та їх характеристики

Лекція №3
Джерела світла та
їх характеристики

2. Історія розвитку штучних джерел світла

Першим штучним джерелом світла був вогонь.
В якості стаціонарного джерела світла служило
багаття, в якості переносних - смолоскипи,
конструкція яких згодом змінювалася: від простої
головешки, вийнятої з багаття, до рукоятки,
обмотаним тканиною і просоченої нафтою, жиром
або маслом.

3. Свічки і лампи

Крім факела в кам'яному столітті людство винайшло лампу
- глечик, наповнений жиром або маслом, з зануреним в нього
гнітом (мотузковим або тканинним). У третьому тисячолітті до
нашої ери з'явилися перші свічки - бруски з перетопленого
твердого тваринного жиру (сала) з гнітом всередині. В середні
віки в якості матеріалу для свічок застосовували кутовий жир і
бджолиний віск, в даний час для цих цілей використовується
парафін. Смолоскипи, свічки і лампи дають дуже слабке світло.
Спектр відкритого вогню сильно відрізняється від сонячного,
під який природа «заточила» людське око.
Істотна частина випромінювання припадає на тепловий
(ІЧ) діапазон. Видиме світло випромінюють в основному
частинки вуглецю, що нагріваються полум'ям до високої
температури (як раз ці незгорілі частки і утворюють кіптява).
Спектр вогню у видимому діапазоні захоплює лише частину
жовтої і червоної області. Працювати при такому світлі
практично неможливо, і багато середньовічних ремісничих
гільдій далекоглядно забороняли роботу по ночах при
штучному світлі, так як якість виробів при цьому різко падав.

4. Газове освітлення

У XIX столітті
широкого поширення
набуло газове освітлення. У
1807 році перші газові
ліхтарі запалюються на
одній з центральних вулиць
Лондона - Пелл-Мелл. А
вже до 1823 року вулиці
Лондона, загальною
протяжністю 215 миль,
освітлювали сорок тисяч
газових ліхтарів (які було
прийнято називати
ріжками). Запалювалися
вони щовечора вручну
спеціальними людьми ліхтарниками. До речі, ця
посада була в деяких
Газове освітлення
не дуже ефективним. Головна
країнах
виборною і було
вельми
проблема полягала в тому, що газове полум'я, що горить при
почесною.
недостатньому припливі кисню, дає яскраве світло, але при
цьому сильно коптить, а чисте некоптяще полум'я (при
надлишку кисню) практично невидиме.

5. Перше електричне джерело світла

Першим електричним джерелом світла був, як це не
дивно, «ліхтарик на батарейках». Правда, світло
випромівала не лампа розжарювання, а електрична дуга
між вугільними електродами, а батареї займали цілий стіл.
У 1809 році сер Хемфрі Деві продемонстрував дугове
світло в Королівській академії наук у Лондоні. Генераторів
в той час не було (Фарадей відкрив явище
електромагнітної індукції лише в 1832 році), і батареї були
єдиним джерелом електроживлення.

6. Лампа Яблочкова

У 1878 році Павло Яблочков
удосконалив конструкцію,
поставивши електроди
вертикально і розділивши їх
шаром ізолятора. Така
конструкція отримала назву
«свічка Яблочкова» і
використовувалася у всьому
світі: наприклад, Паризький
оперний театр висвітлювався за
допомогою таких «свічок».
Електрична дуга давала
яскравий і досить
збалансований по спектру
світло, що дозволяло
використовувати його дуже
широко. До 1884 року великі
американські міста
висвітлювали понад 90 тис.
дугових ламп.

7. Лампа розжарювання

Перша лампа розжарювання більше нагадувала
ювелірний виріб або твір мистецтва як по
трудомісткості, так і за вартістю. Задовго до Едісона,
в 1820 році, Уоррен Де ла Рю помістив платинову
зволікання в скляну посудину, з якого був відкачано
повітря, і пропустив по ній струм. Лампа вийшла
вдалою, але ... платиновою! Вона була настільки
дорогою, що про широке її використання не могло
бути й мови.

8. Лампа розжарювання

Ще в 1872 році в Україні був представлений зразок
лампи, схожою на сучасну електричну лампочку. Це
була сфера з відкачаним повітрям, в якій між
провідниками була вуглецева нитка. Вона і вважається
прародителькою сучасних ламп розжарювання.
Винайшов першу ниткову лампу розжарювання
Олександр Миколайович Лодигін. Удосконалив
конструкцію російський інженер В. Ф. Дідріхсон, який в
1875 році додав у лампу Лодигіна ще кілька ниток, що
продовжувало її роботу.

9. Лампа розжарювання

Джозеф Вільсон Сван з Великобританії в 1878
році винайшов оригінальну лампу зі зниженим
залишковим киснем всередині колби. Він
розташував в ній вуглецеву нитку, яка горіла
дуже яскраво, але недовго.
1879 рік – патент на електричну лампу з
платинової ниткою, отримав американець Томас
Едісон. У 1880 році він зібрав лампу з вугільним
стрижнем, з ресурсом роботи близько 40 годин.
Питання про розміщення нитки в вакуумному
просторі вирішив працівник американської
компанії «GeneralElectric», вчений – винахідник
Ірвінг Ленгмюр в 1909 році. Він порадив
заповнити вакуум аргоном, що дозволило
продовжити роботу електричної лампочки.

10. Лампа розжарювання

Подальше вдосконалення ламп
відбувалося за двома напрямками:
вугільна нитка була замінена в 1907
році на вольфрамову, а з 1913 року
лампи стали газонаповненими (спочатку
їх заповнювали азотом, потім перейшли
на аргон і криптон). Обидва
вдосконалення були зроблені в
лабораторіях компанії General Electric,
заснованої Томасом Едісоном.

11. Хто винахідник?

Але якщо Едісон шукав матеріал для нитки, що містить вугілля, то Лодигін в цей,
самий період, застосовував для своїх лампочок нитки з тугоплавких матеріалів,
одним з яких був вольфрам. Невдача досліджень Лодигіна полягала в тому, що
вольфрам був тоді матеріалом рідкісним і дорогим, що перешкоджало
впровадженню ламп в виробництво.
У 1893 році Лодигін відкриває свою фірму у Франції з виробництва ламп «Лодигін і
де Ліль», а в 1906 році їде в США, де продає свій патент компанії «GeneralElectric»
.Сам він продовжує працювати над удосконаленням вольфрамової лампочки, по
суті – аналогу сучасних освітлювальних приладів.
Так хто ж винайшов сучасну лампочку – Лодигін або Едісон? Факти говорять, що
Лодигін. Адже навіть патрон для неї придумав не Едісон, хоча про це пишуть в
шкільних підручниках. Цю деталь лампочки розробив співробітник «GeneralElectric»
– Стеріжер. Розетку і вилку винайшов А. Н. Лодигін.

12. Типи джерел світла

Електричні: електричне нагрівання тіл розжарення
або плазми. Тепло Джоуля, вихрові струми,
потоки електронів або іонів.
Ядерні: розпад ізотопів або поділ ядер.
Хімічні: горіння (окислення) палив і нагрівання
продуктів згоряння або тіл розжарення.
Електролюмінесцентні: безпосереднє перетворення
електричної енергії на світлову
у напівпровідниках (світлодіоди, лазерні світлодіоди)
або люмінофорах, які переробляють на світло,
енергію змінного електричного поля, або перетворюють
на світло, енергію потоку електронів (катоднолюмінесцентні).
Тріболюмінесцентні: перетворення механічних впливів у
світло.
Біолюмінесцентні: бактеріальні джерела світла в живій
природі

13. Типи цоколів електричних ламп

14. Колірна температура світла

Колірна температура — характеристика розподілу
інтенсивності випромінення джерела світла як
функція довжини хвилі в оптичному діапазоні,
температура абсолютно чорного тіла, при якій воно
випускає випромінювання з тією ж хроматичністю, що і
дане випромінення. Колірна температура
характеризує спектральний склад випромінювання
джерела світла. Вимірюється в міредах (М)
і Кельвінах (К), «Міред» обернено пропорційний до
«Кельвін».

15. Індекс передавання кольору

Індекс передавання кольору (CRI) є характеристикою фотометричної
величини, якою оцінюють якість відтворення кольорів різними джерелами
світла з однаковою корелятивною колірною температурою. Ця потреба
виникла через появу люмінесцентних ламп, що, на відміну від ламп
розжарення, не мали світлового випромінення з безперервним спектром,
а виробляли світло з обмеженою веселкою кольорів. Тому сучасні
економічні джерела світла, могли освітлювати предмети так, що
змінювалося сприйняття їх кольору, порівняно з їх освітленням,
взірцевим джерелом світла або природним світлом. Джерела світла з
високим рівнем CRI важливі для застосування, насамперед у таких
випадках як, наприклад, догляд за новонародженими, або відновлення
предметів мистецтва. Він визначається Міжнародною комісією з
освітлення (CIE).

16. Теплові джерела світла

У лампі розжарення використовується ефект
нагрівання провідника (нитки розжарення) при протіканні
через нього електричного
струму. Температура вольфрамової нитки розжарення різко
зростає після увімкнення струму. Нитка
випромінює електромагнітне випромінювання відповідно
1. Скляна колба
до закону Планка.
2. Вакуум або інертний газ
3. Нитка розжарення
4. Контактний провід
(з'єднується з ніжкою)
5. Контактний провід
(з'єднується з цоколем)
6. Тримачі
7. Скляна ніжка (лопатка)
8. Вивід контакту на
цоколь
9. Цоколь лампи
10.Ізоляційний матеріал
11.Контактний носик

17. Лампа розжарювання – переваги і недоліки

Переваги
•високий індекс передачі кольору, Ra 100
•безперервний спектр випромінювання
•низька ціна
•відсутність пускорегулювальної апаратури
•нечутливість до іонізуючої радіації
•чисто активний електричний опір (одиничний коефіцієнт
потужності)
•невисока чутливість до збоїв в живленні і стрибків напруги
•відсутність токсичних компонентів і як наслідок відсутність
необхідності в інфраструктурі по збору та утилізації
•можливість роботи на будь-якому виді струму
•можливість виготовлення ламп на різні напруги (від долей
до сотень вольт)
•стійкість до електромагнітного імпульсу

18.

Недоліки
•низька світлова віддача
•відносно малий термін служби
•крихкість, чутливість до удару і вібрації
•різка залежність світлової віддачі і терміну служби від напруги
•кидок струму при увімкненні (приблизно десятикратний)
•при термоударі або розриві нитки під напругою можливий вибух балону
•лампи розжарювання представляють пожежну небезпеку. Через 30
хвилин після увімкнення температура зовнішньої поверхні такої лампи
досягає, залежно від потужності, таких величин:
25 Вт — 100 °C
40 Вт — 145 °C
75 Вт — 250 °C
100 Вт — 290 °C
200 Вт — 330 °C
•При зіткненні ламп з текстильними матеріалами їх колба нагрівається
ще сильніше. Солома, яка торкається поверхні лампи потужністю 60 Вт,
спалахує приблизно через 67 хвилин.
•нагрівання частин лампи вимагає термостійкої арматури світильників
•світловий коефіцієнт корисної дії ламп розжарювання, який
визначається відношенням потужності променів видимого спектра до
потужності, що споживається від електромережі, досить малий і не
перевищує 4%. Увімкнення електролампи через діод, що часто
використовується з метою продовження ресурсу на сходових площадках,
в тамбурах та інших місцях з ускладненою заміною, ще більше посилює
недолік ламп: значно зменшується ККД, а також з'являється значне
мерехтіння світла.

19. Галогенна лампа розжарювання

Галогенна лампа — лампа розжарення, в балон якої додано
буферний газ: пару галогенів (брому або йоду). Це підвищує
тривалість життя лампи до 2000–4000 годин, і дозволяє підвищити
температуру спіралі. При цьому робоча температура спіралі
становить приблизно 3000 К. Світлова віддача галогенних ламп за
масового виробництва, на січень 2012 досягає 15–22 лм/Вт.

20. Галогенний цикл

Однак через високу робочу
температуру атоми вольфраму
випаровуються з поверхні тіла розжарення
(вольфрамової спіралі) й осідають
(конденсуються) на холодніших за спіраль
поверхнях колби, обмежуючи цим термін
служби лампи.
У галогенній лампі йод, що оточує
тіло розжарення (разом із
залишковим киснем), вступає в хімічну
взаємодію з випаровуваними атомами
вольфраму, перешкоджаючи осіданню
останніх на колбі. Цей процес є
зворотнім — за високих температур біля
тіла розжарення утворені хімічні сполуки
розпадаються на складові речовини. Таким
чином, атоми вольфраму вивільняються
або на самій спіралі, або поблизу неї. У
результаті цього атоми вольфраму
повертаються на тіло розжарення, що
дозволяє підвищити робочу температуру
спіралі (для отримання яскравішого
світла), продовжити термін служби лампи,
а також зменшити габарити у порівнянні зі
звичайними лампами розжарення тієї ж
потужності.

21. Переваги та недоліки

Додавання галогенів запобігає осіданню вольфраму на
склі за умови, що температура скла перевищує 250 °C.
Через відсутність почорніння колби галогенні лампи можна
виготовляти дуже компактними. Менший обсяг колби
дозволяє, з одного боку, використовувати більший робочий
тиск (що призводить до додаткового зменшення швидкості
випаровування нитки) і, з іншого боку, без істотного
збільшення вартості, заповнювати колбу важкими інертними
газами, що веде до зменшення втрат енергії за рахунок
теплопровідності. Все це подовжує тривалість служби
галогенних ламп і підвищує їхню ефективність.
Передача кольорів
Галогенні лампи забезпечують дуже добре відтворення
кольорів (Ra 99–100), оскільки їхній безперервний спектр
близький до спектру абсолютно чорного тіла з
температурою 2800-3000 K, тобто такі лампи мають колірну
температуру 2800–3000 К. Cвітло цих ламп підкреслює теплі
тони, хоча і меншою мірою ніж світло звичайних ламп
розжарення.
Ризики для здоров‘я
Нещодавні дослідження показали, що значна частина
ультрафіолетової радіації від вольфрамових галогенних
ламп випромінюється в UVC діапазоні, який є особливо

22. Газорозрядні лампи

Види газорозрядних ламп поділяються на лампи
низького і високого тиску – за тиском усередині колби.
Лампи високого тиску мають в якості основної
переваги вищу ступінь світловіддачі, і поділяються в свою
чергу за типом наповнювача на:
ртутні;
натрієво-ртутні;
йодидо-метало-ртутні(металогалогенні);
інертно-газові.
Лампи низького тиску мають переваги лише при
освітленні приміщень, що не потребують високої
потужності освітлювальних приладів; найчастіше – це
декоративного освітлення джерела світла, які в залежності
від наповнювача бувають такі:
ртутні з інертним газом;
натрієві.

23. Лампи високого тиску

Ртутні газорозрядні лампи високого тиску мають
напилення люмінофора, є люмінесцентними лампами
високого тиску і позначаються абревіатурою ДРЛ.
Натрієво-ртутні газорозрядні лампи високого тиску
іменуються також як просто натрієві і позначаються
абревіатурою ДНаТ.
Йодидо-метало-ртутні газорозрядні лампи, а точніше –
лампи високого тиску з наповнювачем – йодидами,
рідкоземельними металами з вмістом ртутних парів, що
іменуються як металогалогенні лампи і носять
абревіатуру ДРІ.
Інертно-газові газорозрядні лампи високого тиску є суто
газовими лампами, в яких застосовуються аргон,
ксенон, неон, криптон або їх суміші і носять назви
відповідно вмісту газу.

24. Види ламп високого тиску

ДРЛ
ДНаТ
ДРІ (МГЛ)
Ксенонова

25. Лампи низького тиску

Лампи низького тиску з наповнювачем
парів ртуті з домішкою різновидів
інертного газу, іменовані як звичайні
люмінесцентні лампи (ЛЛ), містять ще
шар люмінофору (див. принцип
дії газорозрядних ламп).
Лампи низького тиску з наповнювачем
парів натрію – не є такими як
попередні, зовсім іншого принципу дії,
позначаються абревіатурою ДнаС.

26. Види ламп низького тиску

Люмінесцентні лампи
ДНаС

27. Світлодіодні лампи

LED або світлодіод - це прилад напівпровідниковий, який
перетворює електричну напругу у світло. Від хімічного складу
напівпровідника залежить спектральний діапазон випромінюваного світла.
Переваги світлодіодних ламп – LED:
Низьке енергоспоживання в порівнянні зі звичайним освітленням.
Такий лампі потрібно 10 Вт, щоб освітити приміщення рівносильно
лампі розжарювання в 100 Вт
Немає ультрафіолетового випромінювання. Ультрафіолетова
складова звичайного освітлення може призвести до пошкодження
тканин очей.
Термін служби лампи дуже довгий час, більшість виробників
світлодіодів оцінює їх роботу в 40 000-50 000 годин. Якщо щодня
користуватися по 5годин, то термін служби вичерпається більш ніж
через 10 років.
Вони екологічно безпечні в порівнянні з енергозберігаючими лампами,
в яких містяться пари ртуті.
Маленька вага, ударостійкість.
Миттєве розігрівання.

28. Види світлодіодних ламп

29. Сила світла типових джерел

Джерело
Потужність,
Вт
Свічка
Приблизна сила
світла, кд
Колірна
температура, К
ККД,
%
Термін служби,
год
1
Лампа розжарювання
100
100
1000
Звичайний світлодіод
0.015
0.001
100 000
Над’яскравий світлодіод
2,4
12
100 000
Флюоресцентна (люминесцентна) лампа
20
100
15 000
Електродугова ксенонова лампа
до 100 кВт
Лампа-спалах
до 10 кВт
Електродугова ртутна лампа
до 300 кВт
Атомний вибух (20 Кт)
2,1⋅1021
Термоатомний вибух (50 Мт)
5,3⋅1024
Перший рубіновий лазер
0,1

30.

Категорія
На основе горения
Лампа розжарювання
Люмінесцентна лампа
Світлодіод
Дугова лампа
Газорозрядна лампа
Теоретична межа
тип
Світлова
віддача(Люмен/Ватт)
ККД%
Свеча
0.3
0.04 %
газовая горелка
2
0.3 %
5 Вт лампа розжарювання (120 В)
5
0.7 %
40 Вт лампа розжарювання (120 В)
12.6
1.9 %
100 Вт лампа розжарювання (120 В)
16.8
2.5 %
100 Вт лампа розжарювання (220 В)
13.8
2.0 %
100 Вт галогенна лампа (220 В)
16.7
2.4 %
2.6 Вт галогенна лампа (5.2 В)
19.2
2.8 %
Кварцева галогенна лампа (12-24 В)
24
3.5 %
Високотемпературна лампа
35
5.1 %
5-24 Вт компактная флюоресцентна
45-60
6.6-8.8 %
T12 линійна, с магнітним баластом
60
9%
T8 линійна, с електронним баластом
80-100
12-15 %
T5 линійна
70-100
10-15 %
белый світлодіод
10 — 97
1.5-13 %
білий OLED
102
15 %
Прототип світлодіода
до 254
до 35 %
Ксенонова дугова лампа
30-50
4.4-7.3 %
Дугові ртутні металогалогені лампи
50-55
7.3-8.0 %
Натрієва лампа високого тиску
150
22 %
Натрієва лампа низького тиску
183] — 200
27-29 %
Металогалогенна лампа
65-115
9.5-17 %
1400 Вт Сірчана лампа
100
15 %
683.002
100 %

31. Дякую за увагу!