Системы освещения. Тема 2. Источники оптического излучения

1. Системы освещения

Автор: Овсянникова Е.А.

2.

Тема 2. Источники оптического излучения

3. Основные законы и энергетическая оценка излучения

• Тепловое излучение - это излучение, возникающее в
результате теплового движения молекул и атомов
излучающего тела.
• Вращение молекул вокруг своей оси создает длинноволновое
излучение дальней инфракрасной области (ИК-С), колебания
ядер молекул создают излучения ИК-А и ИК-В, а электронное
возбуждение - видимое и УФ-излучение.
• Таким образом, от температуры излучающего тела зависит не
только поток излучения, но и его спектральный состав.

4. Основные законы и энергетическая оценка излучения

• Окружающие нас тела, имеющие одну и ту же температуру, могут
иметь различную энергетическую светимость, если у них
различные коэффициенты поглощения. В отношении излучения
все тела делятся на три типа: черные, серые и избирательные
(селективные).
• Под черным телом (ЧТ) понимают тепловой излучатель, имеющий
при заданной температуре для всех длин волн максимальную
спектральную плотность энергетической светимости. Он
полностью поглощает все падающие на него излучения
независимо от длины волны, направления падения и состояния
поляризации. Коэффициент поглощения такого тела а = 1. Это
теоретический излучатель.

5. Основные законы и энергетическая оценка излучения

• Для серого излучения кривая спектральной плотности
энергетической светимости те(л,1) подобна кривой теs(л,1)
спектральной плотности энергетической светимости черного тела
при равенстве их температур (рис. 2).
• Для селективного излучателя кривая спектральной плотности
энергетической светимости не подобна кривой для ЧТ.
• К основным законам излучения ЧТ относятся: закон Планка, закон
смещения Вина, закон Стефана - Больцмана, закон Кирхгофа.
• Закон Кирхгофа определяет соотношение между излучением и
поглощением теплового излучателя. Согласно закону Кирхгофа,
отношение энергетических светимостей тел с одинаковой
температурой равняется отношению коэффициентов поглощения:

6. Функция спектральной плотности излучения ЧТ и серого тела

7. Основные законы и энергетическая оценка излучения

8. Анализ законов излучения приводит к следующим выводам:

• При повышении температуры излучающего тела происходит
рост потока излучения пропорционально четвертой степени
температуры.
• Повышение температуры излучателя приводит к смещению
максимума кривой спектральной плотности излучения в
область коротких длин волн и к увеличению доли излучения
в видимой и УФ-областях спектра.
• Максимум спектральной плотности излучения ЧТ лежит в
видимой области спектра для температур излучателя в
пределах от 3600 до 7600 К.

9. Классификация источников оптического излучения:

Галогенные лампы накаливания
Низкого давления
Высокого давления
Сверхвысокого давления
В,Г,Б
КГ
ЛЛ
ДРЛ
ДРВ
ДРШ
СВД
ДНаТ
ДКсТ
СВД
И
Т,Д
ЭЛ
Ксеноновые лампы
СПД
Лазеры (газовые, твердотельные, полупроводниковые, жидкостные)
Светосплавы
Газоразрядные лампы
Светоизлучающие диоды
Электролюминесцентные панели
ДНаО
Тлеющего свечения и дугового разряда
Натриевые лампы
Импульсные лампы
Сверхвысокого давления
ДРИ
Высокого давления
Ртутные лампы
Высокого давления
Тепловые
Низкого давления
Металлогалогенные лампы
Вольфрамовые лампы накаливания
Классификация источников оптического излучения:
Источники оптического излучения (ОИ)
Специальные ИОИ

10.

Импульсная лампа – электрическая газоразрядная лампа,
предназначенная для генерации мощных некогерентных
краткосрочных импульсов света;
Лампы тлеющего свечения – электрическая газоразрядная
лампа, часто предназначенная для индикации. Тлеющей разряд –
разряд на электродах, возникающий при малых плотностях тока;
Лампы дугового разряда – лампы, в которых в качестве
источника свечения используется электрическая дуга.
Электролюминесцентные панели – тонкая пластина,
испускающая свечение при подключении к сети.
Светосплавы (светомасса постоянного действия) – соединения
(к примеру, с содержанием радия), которые испускают свечение.

11. Основные светотехнические характеристики источников света:

• Номинальное напряжение;
• Номинальная мощность;
• Номинальный световой
поток;
• Световая отдача;
• Средний срок службы;
• Полезный срок службы;
• Цветовая температура;
• Индекс цветопередачи;

12.

Номинальное напряжение – такое напряжение, на которое
рассчитан источник света в условиях нормальной работы.
Все остальные параметры ламп в большинстве случаев
приводятся при номинальном напряжении;
Номинальная мощность – это мощность, потребляемая
источником света из электрической сети при номинальном
напряжении и номинальной частоте;
Номинальный световой поток – это световой поток,
излучаемый источником света при номинальном напряжении
на зажимах лампы.

13.

Световая отдача – это отношение светового потока,
излучаемого источником света к потребляемой из сети
мощности;
Средний срок службы – это время работы достаточно
большой группы ламп при номинальном напряжении, в
течении которого 50% из от их количества может выйти из
строя (в соответствии с ГОСТ 2239).
Полезный срок службы – среднее время работы ламп в
номинальных условия, в течении которого их эксплуатация
экономически оправдана (спад светового потока не
превышает 40%

14.

Цветовая температура – это условная величина,
приблизительно характеризующая цвет излучения лампы и
определяемая путём сравнения этого цвета с цветом
теплового излучения так называемого «абсолютно чёрного
тела».
Индекс цветопередачи – параметр, характеризующий
уровень соответствия естественного цвета тела видимому
(кажущемуся) цвету этого тела при освещении его данным
источником света.

15.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
Благодаря своему теплому свету, лампа общего
назначения, как и прежде, является самым
распространенным источником света в быту.
Наряду с выпускаемыми миллионными партиями
стандартными лампами накаливания производится
большой ассортимент ламп накаливания специальных
форм и исполнений. Это лампы для специального
освещения, а также для освещения, к которому
предъявляются повышенные требования (с
увеличенной яркостью, с “мягким” белым светом для
различных цветовых адаптаций, цветные и
декоративные лампы).
После придания колбе лампы специальной,
необычной формы, лампа с точки зрения эстетики
может удовлетворять всем требованиям,
предъявляемым к светильникам.
Классические
лампы
накаливания
Лампы с
увеличенной
яркостью
Лампы с
“мягким”
светом
Цветные
лампы
Декоративные
лампы

16.

Из законов теплового излучения известно, что интенсивность излучения
любого нагретого тела пропорциональна его температуре в четвертой степени;
спектр излучения сплошной, а положение максимума интенсивности
излучения определяется температурой нагретого тела и связано с ней простым
соотношением: Лmах = 2896 / Т.
Из этих закономерностей следует, что чем выше температура ТН, тем
интенсивнее, т.е. ярче, оно светит. Для наибольшей эффективности излучения
его максимум должен располагаться как можно ближе к видимой области
спектра или находиться внутри нее. Такого положения можно достичь при
температуре ТН от 3700 до 7600 К. Но на Земле нет металлов, которые
оставались бы твердыми при таких высоких температурах. Световая отдача,
рассчитанная для излучения вольфрама при температуре его плавления, равна
53,5 лм/Вт, и это - тот теоретический предел световой отдачи, который могли
бы иметь ЛН при полном отсутствии потерь и практически жидком ТН.

17.

Излучение вольфрама меньше излучения ЧТ при равной температуре, но
максимум спектральной кривой его излучения смещен в сторону области
видимых излучений. Эта особенность вольфрама - чрезвычайно ценное
свойство, так как его световая эффективность выше, чем световая
эффективность ЧТ при их одинаковой реальной температуре.
Чем выше температура ТН, тем более эффективной будет лампа, т.е. тем
выше ее световая отдача. Но, вместе с тем, чем выше температура, тем быстрее
испаряется вольфрам, даже не переходя в расплавленное состояние, и тем
меньше будет срок службы лампы. Поэтому конструкции ламп, длина и
диаметр ТН всегда выбираются в результате компромисса между двумя
желаниями - увеличить эффективность (световую отдачу) и обеспечить
требуемый срок службы. Из-за этого компромисса лампы работают фактически
на пределе своих возможностей.

18.

На рис. 4 показана зависимость основных параметров
ламп от колебания напряжения относительно номинального.
Из рисунка видно, что, увеличивая световую отдачу ŋл
на несколько процентов путем повышения
напряжения, мы проигрываем в сроке службы t
гораздо больше.
При повышении напряжения на лампе Uл на 1%
ток через лампу увеличится на 0,5%,
мощность Рл - на 1,5%, световой поток Фл - на 4,7%,
световая отдача - на 3,1%, а срок службы снизится на 13%.
Всего при 5%-ном повышении напряжения, что в электрических сетях происходит
довольно часто, срок службы ЛН снижается почти в 3 раза.
Нормальная работа ламп обеспечивается при
колебаниях напряжения не более чем на 5%.
В последнее время использование ЛН крайне ограничено,
их применяют только при наличии специальных требований.

19.

ЛАМПЫ
ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ
Появившись в начале ХХ столетия, лапы накаливания имеют широкое распространение и
по настоящее время (главным образом для освещения жилых помещений), благодаря
своим достоинствам:
• относительно низкая стоимость;
• простота в изготовлении;
• удобство и надежность в эксплуатации (не требуют включения в сеть
дополнительных пусковых устройств, имеют незначительный период разгорания,
компактны, практически не зависят от условий окружающей среды, световой поток
к концу срока службы снижается незначительно);
Однако лампы накаливания имеют и существенные недостатки:
• низкая световая отдача (7...20 лм/Вт), а, следовательно, неэкономичность
эксплуатации;
• небольшой срок службы (до 2,5 тыс. ч.);
• неблагоприятный спектральный состав (преобладание желтой и красной частей
спектра при недостатке в синей и фиолетовой его частях по сравнению с
естественным светом);
• нерациональное распределение светового потока для большинства
ламп, что требует применения осветительной арматуры
(светильников);

20.

ЛАМПЫ
ГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ
НАКАЛИВАНИЯ (ГЛН)
Лампы имеют по сравнению с обычными более высокий срок
службы, значительно меньшие размеры, более высокие
термостойкость и механическую прочность благодаря
применению кварцевой колбы, а также повышенную
светоотдачу.
Принцип действия ГЛН заключается в образовании на стенке
колбы летучих соединений - галогенидов вольфрама, которые
испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и
возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы
вольфрама.
ГЛН применяются в системах общего освещения, прожекторах,
для инфракрасного облучения, кинофотосъемочного и
телевизионного освещения, в автомобильных фарах и
аэродромных огнях и т.п.
Линейные 2-цокольные
галогенные лампы
накаливания
Зеркальные галогенные
лампы накаливания

21.

Газоразрядные лампы - это приборы, в которых излучение оптического
диапазона возникает в результате газового разряда в атмосфере инертных
газов, паров металлов и их смесей.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
Преимущества:
• более высокая, чем у ламп накаливания, светоотдача
• большой срок службы
•спектр излучения (особенно люминесцентных) близок к спектру
естественного света
Недостатки:
• относительно сложная схема включения, необходимость в специальных пусковых
приспособлениях стартерах, поскольку напряжение зажигания у этих ламп значительно
выше напряжения сети
• значительный период разгорания
• пусковые устройства часто создают шум
• ограничение по температуре окружающей среды (для люминесцентных ламп (ЛЛ)); при
температурах близких к 00С и ниже зажигание проходит ненадежно
• малая единичная мощность при больших размерах
• значительное снижение и пульсация светового потока к концу срока службы
• неудобство в обращении (в случае боя ламп, имеющих ртуть, необходимо собрать ртуть
резиновой грушей; при использовании необходимо сдавать лампы специальным

22.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ
Люминесцентные лампы - газоразрядные лампы низкого давления,
которые имеют стеклянную трубку, наполненную дозированным
количеством ртути и инертного газа с впаянными по концам
электродами. Внутренняя поверхность трубки покрыта слоем
люминофора. В качестве люминофора чаще всего применяется
галофосфат кальция, активированный сурьмой и марганцем. Цветность
зависит от концентрации марганца, изменяющейся в пределах от 0,3 до
1,2 % при постоянной концентрации сурьмы (около 1,0 % по массе).
В зависимости от марок люминофора различают несколько типов ЛЛ:
• дневного света (ЛД)
• дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ)
• холодного белого цвета (ЛХБ)
• теплого белого цвета (ЛТБ)
• белого цвета (ЛБ)
• холодного естественного света (ЛХБ)
• естественного света с улучшенной цветопередачей (ЛЕЦ) и др.
Люминесцентные лампы применяются для освещения внутренних
отапливаемых помещений и являются более предпочтительными, чем
лампы накаливания
Компактные ЛЛ
Протяженные ЛЛ

23. Люминесцентные лампы (ЛЛ)

• Люминесцентные лампы (ЛЛ) считаются лампами низкого
давления 1-1,5 Па 1·10-2 мм рт. ст.), потому, что под этим
давлением находятся пары ртути в разрядном промежутке.
• После откачки воздуха из колбы лампы она заполняется,
чаще всего, аргоном (давление около 400 Па) и
дозированным количеством ртути (30-40 мг).
• Преобразование электрической энергии в видимое
излучение происходит в два этапа. Электрический ток,
протекающий между электродами, вызывает электрический
разряд в парах ртути и сопровождается
электролюминесценцией.

24. Люминесцентные лампы (ЛЛ)

• Лучистая энергия, возникающая при этом, воздействует на люминофор и
преобразуется в видимое излучение (фотолюминесценция).
• В люминесцентных лампах используются люминофоры с максимальной
спектральной чувствительностью, в области резонансного излучения ртути
(254 и 185 нм), на которую приходит более 60% энергии ртутного разряда.
В зависимости от требуемой цветности излучения подбирается и
люминофор (вольфрамит кальция - синий или сине-белый, борат кадмия малиново-красный, цинк - бериллий силикат - оранжевый и т.д.).
Некоторые виды люминофоров приведены в табл. 1.
• В люминесцентных лампах мощностью 40 Вт около 63,5% потребляемой
энергии превращается в УФ излучение, 34,5% уходит на тепловые потери
и примерно 2% превращается в видимое излучение.

25. Устройство люминесцентной лампы

Устройство люминесцентной лампы: 1 - штырьки;
2 - цоколь; 3 - стеклянная колба; 4 - биспираль;
5 - колба; 6 - слой люминофора

26. Схемы включения люминесцентных ламп с электромагнитными ПРА

27. Принцип работы схемы

• Cтартер представляет собой миниатюрную лампочку тлеющего
разряда с неоновым наполнением, имеющую два биметаллических
электрода, которые в нормальном положении разомкнуты.
• При подаче напряжения в стартере возникает разряд и
биметаллические электроды, изгибаясь, замыкаются накоротко.
После их замыкания ток в цепи стартера и электродов,
ограниченный только сопротивлением
дросселя, возрастает до двухтрехкратного
значения рабочего тока лампы и происходит
быстрый разогрев электродов люминесцентной лампы.
• В это же время биметаллические электроды стартера, остывая,

28. Принцип работы схемы

• В момент разрыва цепи стартером в дросселе возникает импульс
повышенного напряжения, вследствие которого происходят разряд
в газовой среде люминесцентной лампы и ее зажигание. После
того как лампа зажглась, напряжение на ней составляет около
половины сетевого. Такое напряжение будет и на стартере, однако
этого оказывается недостаточно для его повторного замыкания.
Поэтому при горящей лампе стартер разомкнут и в работе схемы
не участвует.

29.

Преимущества ЛЛ: высокая экономичность, разнообразная цветность излучения, большой
срок службы.
Недостатки ЛЛ: сложность включения, ограниченная мощность, зависимость световых
характеристик от температуры окружающей среды, пульсации светового потока, ухудшающие
условия зрительного восприятия движущихся предметов («стробоскопический эффект»).
ЛЛ рассчитаны на работу при температуре 18-25 °С. При низких температурах снижается
световая отдача и ухудшается их зажигание. При повышенной температуре их световая отдача
также падает. Для таких условий применяют специальные амальгамные лампы (ЛБА),
дающие максимальную светоотдачу при повышенной температуре. Для зажигания и
обеспечения устойчивой работы ламп применяют включение последовательно с ними
пускорегулирующих аппаратов (ПРА). Схемы ПРА подразделяют на стартерные аппараты (УБ) и
бесстартерные (АБ). Кроме того, они разделяются на индуктивные (И), емкостные (Е) и
компенсированные (К) с пониженным (П) и особо низким (ПП) уровнями шума. В одноламповых
светильниках устанавливают аппараты УБИ и АБИ, в светильниках с четным числом ламп двухламповые компенсированные аппараты 2УБК, 2АБК.

30.

Компактные люминесцентные лампы КЛЛ.
Эти лампы являются разновидностью ЛЛ. В них длинная цилиндрическая колба многократно
изгибается, тем самым, приводя к уменьшению общего габарита лампы. Конечно, КЛЛ мощностью 80 Вт и
более относятся к компактным несколько условно. Компактные люминесцентные лампы с цоколем Е27 и Е14
идут на прямую замену ЛН.
Область применения КЛЛ:
в потолочных и встроенных светильниках в ОУ общественных зданий;
в светильниках торговых залов магазинов, примерочных кабин, витрин;
в поворотных светильниках,
предназначенных для акцентирующего
освещения;
в настольных светильниках для местного освещения;
в бытовых светильниках.
Достоинства ЛЛ и КЛЛ:
большая световая отдача;
большой срок службы;
широкий диапазон мощностей;
большой диапазон цветовых температур;
хорошая и отличная цветопередача.

31.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ДУГОВЫЕ РТУТНЫЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ (ДРЛ)
ДРЛ – газоразрядная лампа высокого давления. Она состоит из внутренней
кварцевой колбы (пропускающей ультрафиолетовые лучи), которая заполнена
парами ртути под давлением 0,2...0,4 МПа, и внешней стеклянной колбы,
покрытой люминофором. Газовый разряд в парах ртути сопровождается
мощным ультрафиолетовым излучением, которое с помощью люминофора
преобразуется в видимое.
Существенным недостатком ламп ДРЛ является преобладание в спектре
сине-зеленой части, что исключает их применение, когда объектами
различения являются лица людей или окрашенные поверхности.
Преимущество ламп ДРЛ перед ЛЛ заключается в независимости их работы
от температуры окружающей среды. Поэтому они применяются для
освещения территорий предприятий, населенных пунктов, а также
производственных помещений большой высоты.
Мощность,
Вт
Цоколь
50, 80,125
Е27
250, 400,
1000
Е40

32.

Лампы с разрядом высокого и сверхвысокого давления отличаются от ламп низкого давления более
высокой плотностью излучения, и поэтому их часто называют лампами высокой интенсивности.
В конструктивном отношении лампы ДРЛ представляют собой ртутно кварцевую горелку в форме
трубки, размеры которой зависят от мощности лампы. С противоположных концов в трубку впаяны
активированные вольфрамовые электроды. Для облегчения зажигания помимо основного электрода
впаяны зажигающие электроды в виде проволочек. Горелка монтируется внутри внешней колбы из
тугоплавкого стекла, покрытой изнутри тонким слоем люминофора. Размеры внешней колбы и ее форма
подбираются с таким расчетом, чтобы при работе лампы колба имела оптимальную температуру для
свечения люминофора (обычно это около 250°С), форма колбы эллипсоидальная. Диаметр внешней
колбы у лампы мощностью 80 Вт равен 75 мм, а у лампы 1000 Вт - 180 мм, полная длина ламп
соответственно равна 160 и 400 мм (рис. 11).
В качестве люминофора чаще применяется фосфат - ванадат иттрия, активированный европием, с
помощью которого удается повысить «красное соотношение» до 12-15%. В нормальных условиях, при
температуре 20°С, давление газов в горелке составляет 2700 Па (20 мм рт. ст.).

33.

34.

Дроссель L, включенный последовательно с источником излучения; кнопка SB и емкость Cl, включенные параллельно лампе,
служат для создания зажигающего импульса высокого напряжения за счет взаимодействия дросселя и конденсатора; проводящая
полоса (по длине колбы лампы) подключена через разделительный конденсатор С2. Ранее отмечалось, что электрические
характеристики ламп ДРЛ и ДРТ аналогичны, но характеристики излучения существенно отличаются как по спектру, так и по
характеру
изменения эффективного
потока. Например, отклонение напряжения питания на 1% изменяет
эффективный (световой) поток ламп ДРЛ на 2%.
Такое же отклонение напряжения для ламп ДРТ приводит к изменению эффективного (витального) потока на 4%.
Поскольку для нормальной работы лампы ДРЛ необходимо иметь определенное установившееся давление в горелке, то
процесс «разгорания» лампы занимает несколько минут. Повторное включение лампы возможно после остывания кварцевой
горелки, т. е. через 10-15 минут, когда давление в горелке снизится.

35.

ЛАМПЫ
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ МЕТАЛЛОГАЛОГЕННЫЕ ЛАМПЫ (МГЛ)
(МГЛ) общего назначения типа ДРИ (дуговая ртутная с
излучающими добавками) по своей конструкции
аналогична лампе ДРЛ. Для заполнения колб ламп
применяются галогениды (йодиды) натрия, скандия,
индия и других редкоземельных элементов. Внешне
лампа ДРИ отличается от лампы ДРЛ отсутствием
люминофорного покрытия колбы. Лампы ДРИ излучают
практически сплошной спектр, приближающийся к
естественному (преимущество перед ДРЛ; кроме того,
они имеют более высокую светоотдачу). Однако МГЛ
имеют меньший срок службы и более сложную систему
включения. Применяются в основном для освещения
территорий, а также и внутренних помещений (работы,
связанные с большим освещением – сборка
радиоаппаратуры, намотка проволоки).
Мощность,
Вт
Цоколь
софитны
х
Цоколь
трубчатых и
эллипсоидн.
50, 70, 100,
150
RX7s
Е27, G12
250, 400,
Fc2
E40
1000, 2000
кабель
Е40

36.

ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ НАТРИЕВЫЕ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ (НЛВД)
НЛВД содержат смесь паров натрия, ртути
при высоком давлении и зажигающий газ –
ксенон. Натрий является основным рабочим
веществом, ртуть вводится для повышения
температуры разряда, ксенон повышает
световую отдачу. НЛВД имеет
цилиндрическую разрядную трубку,
смонтированную в вакуумированной
внешней колбе, которая изготавливается из
стекла вольфрамовой группы или кварца .
Лампы НЛВД в основном применяются для
уличного освещения.
Мощность,
Вт
Цоколь
50, 70
Е27
100, 150,
250, 400,
1000
Е40

37. Заполнить таблицу

Тип
лампы
Облать
применения
преимущества
недостатки