Библиотека

В настоящее время для общего освещения применяются, в основном, источники света, которые используют различные электрические явления - тепловые, газоразрядные и полупроводниковые. Тепловые источники света используют явление теплового действия электрического тока – разогрев током тел до такой температуры, при которой они создают достаточно яркий свет. Газоразрядные источники используют для генерации света электрический разряд между двумя электродами. Полупроводниковые - эффект излучения света при прохождении электрического тока через границу проводник-полупроводник.

Тепловые источники света
К тепловым источникам света относятся все лампы накаливания, в том числе галогенные и зеркальные. Свет ламп накаливания создается за счет нагрева до высокой температуры тела накала протекающим через него электрическим током. Интенсивность излучения любого нагретого тела пропорциональна четвертой степени его температуры (закон Стефана-Больцмана). Другими словами, чем выше температура тела, тем интенсивнее, т.е. тем ярче оно светит. Положение максимума интенсивности излучения определяется температурой нагретого тела и определяется соотношением (закон смещения Вина)

где λ_max – длина волны в области максимума излучения в микрометрах, Т – температура тела в Кельвинах.

Видимый диапазон длин волн – от 380 до 760 нм. Для наибольшей эффективности излучения его максимум должен лежать внутри видимой части спектра, а именно 3800 – 7600К.

Температурный интервал в Кельвинах	Цвет
до 1000	Красный
1000-1500	Оранжевый
1500—2000	Жёлтый
2000—4000	Бледно-жёлтый
4000—5500	Желтовато-белый
5500—7000	Чисто белый
7000—9000	Голубовато-белый
9000—15000	Бело-голубой
15000 и более	Голубой

На Земле нет металлов, которые оставались бы в твердом состоянии при столь высоких температурах: температура плавления самого тугоплавкого металла – вольфрама – около 3600К. Поэтому нити накала всех современных ламп накаливания делают только из него. Удельное сопротивление вольфрама, как и всех чистых металлов, растет с температурой и при Т = 2500-3200К отличается от значений при комнатной температуре в 12-20 раз. Это вызывает резкие броски тока при включении – ток в момент включения в 12-20 раз превышает установившееся значение. Длится такой бросок недолго, 0,1-0,2 сек, но создает большие нагрузки на электросеть. Именно из-за таких бросков тока выход ламп из строя почти всегда происходит в момент включения.

Хотя существует великое множество конструктивных исполнений ламп накаливания, принцип устройства всех одинаков. «Сердцем» всех ламп служит тело накала – это тонкая проволока из вольфрама. При прохождении по проволоке электрического тока расчетной величины она нагревается до температуры 2000-32000К (1700-2900°С) и начинает светиться. Если бы при таких высоких температурах нить работала на воздухе, она мгновенно бы окислилась и разрушилась. Поэтому тело накала помещается в герметично запаянную стеклянную или кварцевую колбу, из которой полностью откачан воздух. В вакууме при высоких температурах вольфрам начинает испаряться и оседать на стенках колбы, вызывая ее потемнение. Для уменьшения испарения вольфрама колбы после откачки наполняют инертным газом. Инертный газ значительно снижает испарение вольфрама, и чем тяжелее газ (чем больше атомный номер), тем больше эффект. Из всех инертных газов для наполнения колб ламп накаливания используют три – аргон, криптон и ксенон. Добывают их из воздуха, в котором содержится 0,94% аргона, 0,0011% криптона и 0,000008% ксенона. Более 95% всех ламп наполняется аргоном, а точнее техническим аргоном – 86% аргона и 14% азота, давление в лампе составляет 600-650 мм ртутного столба.

Наполнение колб инертным газом уменьшает скорость испарения вольфрама, но увеличивает тепловые потери от тела накала. Количество тепла, отводимого через газ, прямо пропорционально длине тела накала. Для сокращения длины тела накала вольфрамовую нить свисают в спираль (в некоторых лампах в биспираль).

Для подвода тока к лампе служат электроды, которые чаще всего делаются из никеля. Электроды выполняют функцию и основных крепящих элементов, поддерживающих тело накала. Дополнительно тело накала поддерживается специальными крючками (держателями), которые производятся из молибдена.

С помощью специальной мастики к колбе крепится цоколь. У обычных осветительных ламп цоколь делается с наружным диаметром 14, 27 или 40 мм, со специальной резьбой с крупным шагом. Такие цоколи называются соответственно Е14, Е27 и Е40.

Зеркальные лампы отличаются от обычных только формой колбы, на часть которой нанесено отражающее покрытие. Особенно широко такие лампы используются в «точечных» светильниках. Несколько иначе устроены галогенные лампы накаливания. В этих лампах для испарения вольфрама и осветления стенок колбы используется вольфрамово-галогенный цикл. В состав наполняющего газа вводится небольшое количество галогенов – соединений элементов седьмой группы. К этим элементам относятся фтор, хлор, бром и йод. При температурах 300-1200°С (наиболее активно при 500-600°С) эти вещества образуют с вольфрамом летучие соединения, которые при температуре свыше 1600°С разлагаются на вольфрам и галоген. Получается замкнутый цикл: на стенках колбы, куда оседают атомы вольфрама, происходит их взаимодействие с галогенами с образованием летучих соединений. При попадании на горячую спираль с температурой выше 1600°С эти соединения эти соединения разлагаются на вольфрам и галоген. Вольфрам остается на теле накала, а галоген снова входит в состав наполняющего газа. Благодаря такому циклу происходит очищение стенок колбы от вольфрама и частичное возвращение вольфрама на тело накала.

Высокая температура на колбах галогенных ламп заставила отказаться от использования резьбовых цоколей. Линейные лампы цоколюются с двух сторон специальными торцевыми цоколями R7s, выдерживающими высокие температуры.

Газоразрядные источники света

К газоразрядным (или просто разрядным) источникам света относятся все люминесцентные лампы (в том числе компактные и безэлектродные), металлогалогенные, натриевые высокого и низкого давления, ксеноновые, неоновые и др.

Все разрядные лампы делятся на три группы: низкого, высокого и сверхвысокого давления. Эти группы достаточно сильно различаются по физике протекающих в них процессов, параметрам и областям применения.

В разрядных источниках свет возникает в результате электрического разряда между двумя электродами. Спектральный состав возникающего при разряде излучения определяется составом газа, в котором происходит разряд. Яркость свечения зависит не только от состава газа, но и от его давления и от величины тока разряда.

Во время горения лампы напряжение на ней гораздо ниже сетевого. Но для того, чтобы возник разряд, к электродам должно быть приложено напряжение выше сетевого, которое называется напряжением зажигания. Напряжение на лампе в рабочем режиме называется напряжением горения.

Если каким-либо образом не ограничить ток разряда, то он будет увеличиваться до тех пор, пока прибор не выйдет из строя. Это свойство, а также наличие напряжения зажигания большего, чем напряжение сети – являются теми самыми определяющими факторами, которыми электрический разряд в газах отличается от всех остальных потребителей электроэнергии. Из-за этих факторов разрядные источники света не могут включаться в электрическую сеть непосредственно. Для включения любого разрядного источника света необходимы дополнительные устройства, которые выполняют две обязательные функции: обеспечивают подачу напряжения не меньше напряжения зажигания и ограничивают ток разряда на требуемом уровне.

Люминесцентные лампы

Люминесцентная лампа – это типичный разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа, чаще всего аргона. Колба лампы – это всегда цилиндр из стекла (см. рисунок) с наружным диаметром 38, 26, 16 или 12 мм. Цилиндр может быть прямым или изогнутым в виде кольца, буквы U или более сложной фигуры. В торцевые концы цилиндра впаяны стеклянные ножки, на которых с внутренней стороны смонтированы электроды.

Электроды по конструкции подобны биспиральному телу накала ламп накаливания и также делаются из вольфрамовой проволоки. С наружной стороны электроды подпаяны к штырькам цоколя. В прямых и U-образных лампах используется два типа цоколя – G5 и G13 (цифры 5 и 13 указывают расстояние между штырьками в мм).

После откачки объем колбы заполняется инертным газом и в него вводится ртуть в виде небольшой капли (масса ртути в одной лампе обычно около 30 мг) или в виде амальгамы (сплав ртути с висмутом, индием и другими металлами).

Если к лампе приложено напряжение большее, чем напряжение зажигания, то в ней между электродами возникает электрический разряд. Атомы ртути возбуждаются и ионизируются в разряде гораздо легче, чем атомы инертного газа, поэтому и ток через лампу, и ее свечение определяются именно ртутью.

В ртутных разрядах низкого давления доля видимого излучения не превышает 2% от мощности разряда, а световая отдача ртутного разряда – всего 5-7 Лм/Вт. Но более половины мощности, выделяемой в разряде, превращается в невидимое ультрафиолетовое излучение с длинами волн 254 и 185 нм. С помощью люминофоров ультрафиолетовое излучение превращается в видимое. Вся цилиндрическая часть колбы с внутренней стороны покрыта тонким слоем люминофора. В большинстве современных люминесцентных ламп в качестве люминофора используется галофосфат кальция с добавками сурьмы и марганца. Спектр излучения люминофора – сплошной с двумя максимумами 480 и 580 нм, определяемые сурьмой и марганцем, соответственно. Меняя соотношение этих веществ, можно получить белый свет с цветовыми оттенками от теплого до дневного.

Для достижения наибольшей эффективности разряда, то есть для наибольшего выхода ультрафиолетового излучения, необходимо поддерживать необходимую температуру колбы. Диаметр колбы выбирается именно из этого требования. Лампы разной мощности в колбах одного диаметра, как правило, работают при равных номинальных токах. Падение напряжения на лампе прямо пропорционально ее длине, отсюда следует, что при одинаковом диаметре колб мощность ламп прямо пропорциональна длине. Поэтому создатели ламп пытались уменьшить их габариты за счет изменения формы – длинную цилиндрическую трубу сгибали пополам (U-образные лампы) или в кольцо (кольцевые лампы).

Кардинально решить проблему уменьшения габаритов ламп удалось в 80-е годы, когда начали использовать люминофоры, допускающие большие электрические нагрузки, что позволило значительно уменьшить диаметр колб. Колбы стали делать из стекляных трубок с наружным диаметром 12 мм и многократно их изгибать, сокращая тем самым общую длину ламп. Появились так называемые компактные люминесцентные лампы (КЛЛ). По принципу работы и устройству КЛЛ не отличаются от линейных ламп.

С появлением электронных аппаратов включения массу и габариты КЛЛ удалось уменьшить настолько, что лампы с резьбовыми цоколями Е27 и Е14 стали вполне конкурентноспособными. КЛЛ последнего поколения в колбах диаметром 16 мм значительно превосходят лампы накаливания по световой отдаче (104 лм/Вт) и сроку службы (40000 часов).

Однако люминесцентные лампы имеют и недостатки, которые нужно учитывать:
 - большие габариты часто не позволяют перераспределять световой поток нужным образом;
 - световой поток сильно зависит от окружающей температуры;
 - содержание ртути – очень экологически опасный металл;
 - световой поток устанавливается не сразу после включения, а спустя некоторое время, зависящее от конструкции светильника, окружающей температуры и самих ламп;
 - глубина пульсации светового потока значительно выше, чем у ламп накаливания, что отрицательно сказывается на самочувствии людей, работающих при таком освещении.
 - люминесцентные лампы, как и все газоразрядные приборы, требуют для включения в сеть использования дополнительных устройств.

Ртутные лампы высокого давления

Рассмотренные выше люминесцентные лампы – это лампы низкого давления, разряд в них происходит при давлении паров ртути не более 0,1 мм ртутного столба или 10 Па. Спектр излучения разряда при таких давлениях имеет линейчатый характер, 80% мощности разряда приходится на две УФ линии 257 и 185 нм, а на долю пяти линий видимой части спектра всего около 2%.

При повышении давления паров ртути все линии «расплываются» и превращаются в полосы, затем происходит перераспределение энергии: излучение в УФ области ослабевает, а видимой увеличивается. При давлении паров ртути 1000 мм ртутного столба доля видимого излучения возрастает настолько, что световая отдача разряда достигает 20-25 лм/Вт, т.е. становится больше, чем у ламп накаливания общего назначения. Но при этом все видимое излучение сосредоточено в сине-зеленой части спектра, а желтый и красный свет отсутствуют полностью.

УФ излучение все же остается в спектре разряда в довольно большом количестве (около 40% подводимой мощности), которое с помощью люминофора может быть превращено в видимое. Но если в обычных люминесцентных лампах температура стенок колбы немногим выше температуры окружающего воздуха, то в лампах высокого давления размеры колб гораздо меньше, и температура на стенках достигает 500-600°С. Найти люминофоры, эффективно работающие в таких условиях, до сих пор так и не удалось.

Для решения этой проблемы малогабаритную лампу высокого давления помещают внутрь другой, значительно большей по размеру колбы, а уже на внутреннюю поверхность этой колбы наносят люминофор, имеющий наибольшую эффективность при 200-300°С и излучающий преимущественно в красной области.

Устройство ртутной лампы высокого давления (см. рисунок): стеклянный баллон 1, снабжённый резьбовым цоколем 2. В центре баллона укреплена кварцевая горелка (трубка) 3, заполненная аргоном с добавкой капли ртути. Четырёхэлектродные лампы имеют главные катоды 4 и дополнительные электроды 5, расположенные рядом с главными катодами и подключенные к катоду противоположной полярности через добавочный угольный резистор 6. Дополнительные электроды облегчают зажигание лампы и делают её работу более стабильной.

В лампах высокого давления количество ртути строго дозировано, и при работе ламп ртуть в горелках находится только в газообразном состоянии при давлении паров 1000-1500 мм ртутного столба. Для получения таких высоких давлений паров ртути температура стенок горелки должна быть не менее 500°С, поэтому горелки ламп высокого давления делают только из кварца. Пространство между горелкой и внешней колбой заполняется газом (техническим аргоном).

Достоинства ртутных ламп высокого давления:
 - высокая световая отдача: 40-60 лм/Вт;
 - большой срок службы: до 24000 ч;
 - относительная компактность;
 - простота включения;
 - широкий диапазон мощностей;
 - очень слабая зависимость параметров от окружающей температуры.

Недостатки:
 - низкое качество цветопередачи;
 - большие пульсации светового потока: 65-75%;
 - большое время запуска: до 10 мин;
 - невозможность повторного включения горячей лампы;
 - высокая температура на внешней колбе: 250-300°С.

Металлогалогенные лампы

Внешняя колба у металлогалогенных ламп сделана из прозрачного или матового стекла и не покрывается люминофором. Первичным источником излучения служит горелка из кварца или поликристаллической окиси алюминия, наполненная инертным газом и ртутью. Благодаря тому, что источником света является малогабаритная горелка, световой поток значительно легче перераспределяется в пространстве с помощью отражателей или линз. Это свойство позволило создавать глубокоизлучающие светильники и прожекторы с очень узким световым пучком.

Для исправления цветности и повышения световой отдачи применяются специальные светоизлучающие добавки: галогенные соединения различных металлов (натрий, скандий, галлий, индий, таллий и редкоземельные элементы - диспрозий, гольмий, тулий и др.). Изменяя состав светоизлучающих добавок, можно в широких пределах изменять цветность излучения ламп - от тепло-белого (3000 К) до дневного (6500 К), а также создавать цветные лампы.

Параметры металлогалогенных ламп мало зависят от температуры окружающего воздуха, но гораздо больше - от колебаний сетевого напряжения. Изменение напряжения даже в относительно небольших пределах (± 5 %) вызывает заметное изменение цветности излучения. Изменение цветности происходит также и самопроизвольно в процессе работы ламп, причем у разных экземпляров ламп по-разному. Это особенно заметно в многоламповых осветительных установках, когда при сдаче установки в эксплуатацию все лампы светят одинаково, а спустя некоторое время освещение становится «разноцветным». По стандартам разных стран цветовая температура излучения металлогалогенных ламп в течение срока службы может меняться на 500 К. Это происходит от того, что светоизлучающие добавки по-разному взаимодействуют с кварцем и вольфрамом и за счет этого состав наполнения в процессе работы ламп постепенно изменяется. Цветность излучения некоторых типов металлогалогенных ламп зависит и от рабочего положения ламп, поэтому лампы должны эксплуатироваться только в том положении, которое регламентировано документацией для каждого конкретного типа.

Для повышения стабильности параметров металлогалогенных ламп горелки делаются не из кварца, а из поликристаллической окиси алюминия Al₂O₃. По химической и тепловой стойкости поликристаллическая окись алюминия превосходит кварц, поэтому вполне годится для создания горелок разрядных ламп высокого давления, у которых, в отличие от кварцевых, все геометрические размеры будут выдержаны с очень высокой точностью. Это значительно повысило стабильность световых параметров металлогалогенных ламп. Изменение цветовой температуры к концу срока службы ламп с керамическими горелками не превышает ±200К, спад светового потока за 4000 часов не более 20%.

Срок службы отдельных типов современных металлогалогенных ламп достигает 15000 часов. Так как для зажигания разряда в металлогалогенной лампе требуется напряжение в несколько киловольт, то лампы включаются только со специальными зажигающими устройствами. Как и все газоразрядные лампы, металлогалогенные лампы могут работать только вместе с балластным дросселем, создающим сдвиг фаз между током и напряжением. Поэтому требуется компенсация коэффициента мощности, то есть включение компенсирующего конденсатора.

Недостатки металлогалогенных ламп:
 - высокая стоимость;
 - большое время разгорания: до 10 минут;
 - большая глубина пульсаций светового потока;
 - невозможность повторного включения горячей лампы;
 - необходимость применения зажигающих устройств.

Натриевые лампы высокого давления

По существу натриевые лампы высокого давления - это одна из разновидностей металлогалогенных ламп, в которой в качестве светоизлучающей добавки используется натрий. Электрический разряд в парах натрия при низком давлении создает яркое желтое свечение с длиной волны 590 нм. Так как эта длина волны лежит близко к максимуму спектральной чувствительности глаза (555 нм), то световая отдача излучения натриевого разряда может быть очень высокой (теоретически более 250 лм/Вт). Однако из-за очень высокой химической активности натрия и более высокой температуры в разряде для изготовления горелки применяется не кварц, а поликристаллическая окись алюминия в виде тонкостенной трубки диаметром от 5 до 9 мм и длиной от 45 до 150 мм в зависимости от мощности.

Керамика не позволяет создавать герметичные токовводы методом заштамповки фольги или проволоки, как это делается у всех других источников света. Поэтому для токовводов используются специальные конструкции (в виде дисков или колпачков из редкого металла ниобия), герметично впаянные в трубочки из поликристаллической окиси алюминия стекпоцементом (смесь окисей алюминия АL2O3 и кальция CaO). Для самих электродов используется вольфрам, активированный торием. Горелка помещается внутри внешней колбы, откачанной до высокого вакуума. Она наполняется инертным газом (аргоном или ксеноном) и в нее вводится небольшое количество амальгамы натрия - сплава натрия и ртути.

При работе лампы температура стенок горелки-трубочки повышается за счет тока разряда, ртуть и натрий испаряются, повышается давление их паров, и разряд начинает светиться ярким желтым светом. Трубочка из поликристаллической окиси алюминия внешне похожа на матовое стекло, но ее коэффициент пропускания для света разряда очень высок - примерно 92%, поэтому свет выходит наружу почти без потерь. За счет небольшого диаметра трубки время разогрева горелки до установившейся температуры составляет 5-7 минут. За счет исключительно высокой химической и термической стойкости поликристаллической окиси алюминия натриевые лампы имеют очень большие сроки службы - до 28500 часов.

Для включения натриевых ламп используются специальные зажигающие устройства, дающие на лампу импульсы с напряжением 2-5 кВ.

Натриевые лампы высокого давления - это один из самых экономичных источников света: световая отдача ламп мощностью 600 Вт достигает 150 лм/Вт.

Недостатки натриевых ламп:
 - плохая цветопередача;
 - большое время разгорания;
 - большая глубина пульсаций светового потока: >80%;
 - рост напряжения на лампе в течение срока службы (примерно на 2 вольта за каждые 1000 часов), это приводит к тому, что лампы к концу срока службы перестают зажигаться.

Светодиоды

В светодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материала. Электроны при преодолении энергетического барьера выделяют определенную энергию, которая выделяется в виде тепла, но при определенных условиях может превращаться в свет. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его спектральные характеристики зависят во многом от химического состава использованных в нём полупроводников.

Основу светодиодов составляет полупроводниковый кристалл, расположенный на проводящей подложке. К кристаллу и подложке подводится напряжение через электроды. Кристалл окружен отражателем (рефлектором), направляющим свет в одну сторону.

Верхняя часть корпуса, как правило, делается в виде купола и исполняет роль линзы, формирующей световой поток. Поэтому в светильниках со светодиодами не требуется применения дополнительной оптической системы.

Для питания светодиодов нужен постоянный ток низкого напряжения, величина которого зависит от цветности излучения: у красных – 1,9-2,1 В, у зеленых – 2,5-3 В, у синих и белых – около 4 В.

Преимущества светодиодов:
 - большой срок службы;
 - высокая надежность;
 - высокая устойчивость к внешним факторам;
 - малые габариты;
 - высокий коэффициент использования светового потока;
 - легкая управляемость;
 - широкая цветовая гамма;
 - разнообразие углов излучения;
 - экологическая безопасность.

Сегодня светодиоды (LED - Light-emitting diode) – наиболее перспективное и развивающееся направление в области источников света. На сегодняшний день созданы светодиоды всех цветов радуги, а также диоды, излучающие в инфракрасной области.

Несомненно, что в ближайшие десятилетия светодиоды вытеснят с рынка и тепловые, и разрядные источники света.