Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Электроснабжение промышленных предприятий

Электромеханика и электротехническое оборудование

Конспект лекций

для студентов всех форм обучения

специальности 050718 – Электроэнергетика

Алматы 2007

СОСТАВИТЕЛЬ: Н.А. Туканова. Электромеханика и электротехническое оборудование. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2007. – 40 с.

Данная разработка включает конспект лекций по курсу «Электромеханика и электротехническое оборудование» для студентов специальности 050718 – Электроэнергетика (по дисциплине «Светотехника и источники света»).

Содержание

Введение	4
1 Лекция № 1. Основные понятия и величины	4
2 Лекция № 2. Функции и параметры зрения. Несветовые характеристики источников оптического излучения	8
3 Лекция № 3. Нормирование осветительных установок. Источники оптического излучения	12
4 Лекция № 4. Электрические вольфрамовые лампы накаливания	17
5 Лекция № 5. Газоразрядные лампы	21
6 Лекция № 6. Газоразрядных лампы высокого и сверхвысокого давления	25
7 Лекция № 7. Специальные источники оптического излучения	30
8 Лекция № 8. Основные принципы проектирования светотехнической части осветительных установок. Методы расчета освещения	34
Список литературы	39

Введение

Согласно учебному плану студенты специальности 050718 - Электроэнергетика изучают курс «Электромеханика и электротехническое оборудование», в который входит дисциплина: «Светотехника и источники света», включающая следующий объём часов: аудиторные занятия – 17 часов, самостоятельная работа студентов – 28 часов. По данной дисциплине предусмотрена расчетно-графическая работа, состоящая из заданий, предполагающих самостоятельное закрепление студентами пройденных разделов дисциплины.

К сдаче экзамена по курсу студенты допускаются после успешного выполнения и защиты расчетно-графической работы.

1 Лекция № 1. Основные понятия и величины

Содержание лекции:

- основные понятия и величины, используемые в светотехнике;

- энергетическая и световая системы величин;

- оптические и светотехнические характеристики тел;

- характеристики светового поля.

Цели лекции:

- изучить основные понятия и величины, а также методы и формулы их определения.

1.1 Оптическое излучение

Излучение (радиация) является одной из форм существования материи в виде электромагнитного поля. Характерной особенностью излучения является корпускулярно - волновой дуализм. Фотон - элементарная частица излучения, энергия которой (квант) равна

e=hn

где h = 6.626´10^-34 Дж´с - постоянная Планка;

n- частота излучения, Гц. В вакууме фотоны движутся со скоростью света с₀ » 2.9979-10⁸ м/с. Корпускулярные свойства фотона определяются его массой и импульсом

m_ф = e/с₀, Р_ф= hn/c, l= с_0/n.

Генераторами излучения являются движущиеся молекулы и атомы вещества. Монохроматическое (однородное) излучение получить на практике нельзя, но под ним принято понимать совокупность выделяемых источником излучения фотонов, обладающих практически одинаковой длиной волны. Сложное излучение представляют состоящим из совокупности монохроматических излучений. Светотехника имеет дело с оптическим излучением, т.е. электромагнитным излучением с длинами волн примерно от 1 нм до 1 мм - лежащими в области между рентгеновскими лучами и радиоизлучением (рисунок 1.1). Оптическая область спектра делится на ультрафиолетовую (УФ) видимую и инфракрасную (ИК). Ультрафиолетовое излучение - оптическое излучение, длины волн монохроматических составляющих которого лежат в пределах от 1 до 380 нм. Видимое излучение (свет) - излучение, которое, попадая на сетчатую оболочку глаза, может вызвать зрительное ощущение (ощущение - превращение энергия внешнего раздражителя в факт сознания). Видимое излучение имеет длины волн монохроматических составляющих в пределах 380 – 780 нм. Инфракрасное излучение имеет длины волн монохроматических составляющих, больше длин волн видимого излучения (но не более 1 мм).

Спектр излучения - совокупность монохроматических излучений, входящих в состав сложного излучения.

Сплошной спектр – спектр, у которого монохроматические составляющие заполняют без разрывов интервал длин волн, в пределах которого происходит излучение.

Полосатый спектр – спектр, монохроматические составляющие которого образуют дискретные группы (полосы), состоящие из множества тесно расположенных линий.

Линейчатый спектр – спектр, состоящий из отдельных, не примыкающих друг к другу монохроматических излучений.

Поток излучения Ф – мощность излучения или мощность световой энергии, эффективная величина измеряется в люменах

Ф = dQ/dt.

Ф_е(l,dl) = dQ_e(l,dl)/dt,

где dQ_e, dQ_e(l,dl) - энергия сложного и монохроматического излучений, испускаемые за время dt;

Ф_е и Ф_е(l,dl) - потоки сложного и монохроматического излучений, Вт. Единица светового потока - люмен (лм). 1 лм соответствует световому потоку, излучаемому в единичном телесном угле точечным изотропным источником с силой света 1 кд (кандела). Т.к. во многих случаях размеры источника излучения намного меньше расстояния от него до облучаемого объекта, то можно рассматривать условный точечный источник излучения, т.е. такой, размеры которого настолько малы по сравнению с расстоянием до приёмника, что ими можно пренебречь при расчетах.

1.2 Энергетическая и световая системы величин

Сила излучения (энергетическая сила света или сила света) I_e_ab - пространственная плотность потока излучения, равная отношению потока излучения dФ_e к телесному углу dw, в пределах которого поток распространяется и равномерно распределяется I_e_ab = dФ_e/dw.

За направление I_e_ab принимают ось телесного угла dw, ориентированную углами a и b в продольной и поперечной плоскостях (рисунок 1.2). Кандела (кд) - единица силы света (одна из основных единиц системы СИ).

Фотометрическое тело - часть пространства, ограниченного поверхностью, проведенной через концы радиус-векторов силы излучения. Если фотометрическое тело имеет ось симметрии, источник излучения характеризуют КСС - сечением плоскости, проходящей через начало координат (через точечный источник) в продольной плоскости (рисунок 1.3).

Светимость - отношение светового потока, исходящего от рассматриваемого малого участка поверхности, к площади этого участка. Светимость измеряется в лм/м² - это световой поток, испускаемый с 1 м².

Энергетическая освещенность (облученность) - плотность лучистого потока по облучаемой поверхности

Е_еср = Ф_е/А

где Е_е_ср - соответственно облученность участка поверхности dA и средняя облученность поверхности А, люкс (лк).Освещенность в 1 лк имеет поверхность, на 1 м² которой падает и равномерно по ней распределяется световой поток в 1 лм..

Энергетическая яркость тела или участка его поверхности в направлении a - отношение силы излучения в направлении a к проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению (рисунок 1.4)

L_e_aср = I_e_a/s

где L _e_аср - яркость участка поверхности dA и поверхности А в направлении a, проекции которых на плоскость, перпендикулярную этому направлению, соответственно равны dA cosa и a;

d I_e_a - соответственно силы света, испускаемые поверхностями dA и А в направлении a. Излучения различного спектрального состава, одинаковые по яркости для дневного зрения, будут для глаза разнояркимй (эффект Пуркине), например, голубое будет ярче красного. В области сумеречного зрения используется понятие эквивалентной яркости. Существует излучение определенного спектрального состава, для которого яркость на всех уровнях принимается пропорциональной мощности излучения, но при ином спектральном составе, равносветлое с опорным, будет иметь одинаковую с ним эквивалентную яркость, хотя стандартные яркости излучений будут различными. Эквивалентная яркость позволяет сравнивать различные излучения по их световому действию даже в условиях неопределенности функции относительной спектральной чувствительности.

1.3 Оптические и светотехнические характеристики тел

Преломлением излучения называется изменение его направления при переходе из одной прозрачной среды в другую (рисунок 1.5).

Отражением называется возвращение излучения объектом без изменения длин волн его составляющих монохроматических излучений. Имеют место следующие виды отражений: а) зеркальное - без рассеяния отраженного потока; при зеркальном отражении: 1) падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к элементу отражающей поверхности в точке падения луча; 2) угол падения луча равен углу отражения его; 3) закон квадратов расстояний для отраженного пучка соблюдается от источника света, а не от отражающей поверхности; б) диффузное, при котором отраженный поток излучения рассеивается так, что энергетическая яркость во всех направлениях полупространства одинакова; в) смешанное, при котором наблюдается частично зеркальное и частично диффузное отражение; г) направленно-рассеянное, при котором фотометрическое тело отраженных от участка поверхности сил света можно приближенно описать вытянутым эллипсоидом вращения, большая ось которого располагается в направлении зеркального отражения.

Коэффициент яркости - отношение яркости освещенной поверхности к яркости идеального рассеивателя, находящегося в тех же условиях освещения

L_ид = Е/p.

Пропусканием называется прохождение излучения сквозь среду без изменения длин волн, составляющих его монохроматических излучений.

Наблюдаются следующие виды пропускания:

а) направленное - без рассеяния;

б) диффузное, при котором прошедший поток излучения рассеивается так, что энергетическая яркость во всех направлениях полупространства одинакова

L_t = Еt/p = const

где Е - освещенность поверхности, на которую падает световой поток;

L_t - яркость поверхности, пропустившей поток излучения и световой поток;

t - коэффициент пропускания слоя среды;

в) смешанное, при котором наблюдается частично направленное и частично диффузное пропускание;

г) направленно-расеянное, при котором индикатриса сил света приближенно описывается вытянутым эллипсоидом вращения.

1.4 Характеристики светового поля

Световое поле - область пространства, в которой имеет место перенос световой энергии данного источника света [1]. Функция ценности излучения ¦(j,b), определяющая эффективность излучения, поступающего от источника на выбранную поверхность, зависит от положения элемента источника, освещающего выбранную поверхность, и формы этой поверхности.

2 Лекция № 2. Функции и параметры зрения. Несветовые характеристики источников оптического излучения

Содержание лекции:

- установившиеся зрительные процессы;

- неустановившиеся зрительные процессы, зрительное утомление и дискомфорт;

- зрительная работоспособность;

- несветовые характеристики источников оптического излучения (ламп).

Цели лекции:

- изучение функций и параметров зрения;

- изучение несветовых характеристик источников оптического излучения.

2.1 Установившиеся зрительные процессы

Преобразование излучения в зрительное ощущение является сложным процессом, состоящим из ряда этапов, каждый из которых обладает конечной длительностью.

Абсолютным порогом или пороговой яркостью называют минимальную яркость объекта L_nop, обеспечивающую его обнаружение с заданной вероятностью р на фоне с коэффициентом отражения r_ф = 0 или появление (исчезновение) объекта на том же фоне.

Пороговый блеск - освещенность зрачка (Е_п,_бл), создаваемая точечным источником света (a£15¢), впервые обнаруживаемым с данной вероятностью р на фоне с яркостью, близкой к нулю. Пороговый блеск не зависит от размера пятна:

Если объект находится на освещенном фоне, то минимальную разность яркостей DL_пор объекта L₀ и фона Lф, обеспечивающую обнаружение объекта с заданной вероятностью р или появление (исчезновение) объекта, называют разностным порогом (пороговой разностью яркостей); при L₀>Lф и L_p<Lф соответственно

DL_пор = ±( L₀ -Lф).

Дифференциальным порогом или пороговым контрастом называют отношение пороговой разности яркости к яркости фона

К_пор = DL_пор/Lф.

Величина, обратная пороговой разности яркости, называется контрастной чувствительностью.

Для определения порогов используются, в основном, два метода их измерения: метод пределов и метод постоянных стимулов.

Острота зрения - способность органа зрения воспринимать раздельно две точки, линии, квадраты или иные фигуры, расположенные очень близко друг к другу (в угловой мере). Количественно острота зрения оценивается значением, обратным значению предельно малого угла (обычно в угловых минутах) между двумя объектами (точками, линиями), которые еще воспринимаются раздельно. Острота зрения u=1/a, где a - разрешающий угол, т.е. предельно малый угол, при котором точки (линии) воспринимаются раздельно. При a = 1¢ u=1. Острота зрения зависит от диаметра зрачка, который влияет на четкость границ изображения предмета на сетчатке глаза. Максимальная острота зрения наблюдается при диаметре зрачка 3¸4 мм. При освещении монохроматическим излучением острота зрения повышается и достигает максимума при желтом излучении с l = 580 нм.

Видимость объекта - отношение контраста объекта наблюдения с фоном к его пороговому контрасту. Видимость измеряется числом порогов и характеризует способность зрительного анализатора обнаруживать объекты наблюдения без различения их формы или опознания объектов, т.е. отношения к определенному классу. Видимость объекта наблюдения

V_вид = К/К_пор

где К и К_пор - контраст с фоном и пороговый контраст объекта наблюдения с вероятностью обнаружения р=0.5.

Видимость одноцветного с фоном объекта предлагается оценивать следующим выражением

V_вид = lg(10К/К_пор).

Максимальное значение видимости объекта будет иметь место при таких условиях освещения, когда он имеет минимальный пороговый контраст.

2.2 Неустановившиеся зрительные процессы, зрительное утомление и дискомфорт

Адаптация - приспособление глаза к изменившимся условиям освещения. Благодаря механизму адаптации зрительная система обладает способностью работать в широком диапазоне освещенностей зрачка. Различают два вида адаптации - темновую и световую. Темновая адаптация - приспособление глаза к работе в условиях низких яркостей поля зрения. Темновая адаптация происходит при понижении яркостей в поле зрения, т.е. при переходе от условий дневного зрения к условиям ночного зрения. Световая адаптация - приспособление глаза к работе в условиях высокой яркости поля зрения. Световая адаптация происходит при повышении яркостей в поле зрения.

Зрительная индукция. Действие побочных световых раздражителей, приводящее к усилению или ослаблению эффекта прямого раздражителя, называется индукцией. Усиление светового эффекта прямого раздражителя - явление положительной индукции; ослабление светового эффекта прямого раздражителя - отрицательная индукция. Примером отрицательного индуктивного действия является снижение функции зрения при неравномерном распределении яркости в поле зрения, а также при наличии в поле зрения ярких источников. Последнее принято называть ослепленностью.

Снижение зрительных функций при повышенной яркости периферии поля зрения по сравнению с яркостью его центральной части принято объяснять возникновением вуалирующей пелены.

Отношение пороговых разностей яркостей при наличии в поле зрения блескового источника (∆L_пор) и при равномерном распределении яркости в поле зрения (∆L_пор)_s принято называть коэффициентом ослепленности

S = (∆L_пор)_s /∆L_пор = 1 + β/L_ад.

Часто пользуются показателем ослепленности

P = (S—1)×10^-3.

Другим примером отрицательного индуктивного действия является явление дискомфорта, классифицируемое как ощущение неудобства или напряженности, возникающее при неудовлетворительном распределении яркости в освещаемом пространстве. При этом снижении зрительных функций не обязательно, нарушаются только условия комфортности зрения, наиболее проявляющиеся со временем: длительное пребывание в условиях, вызывающих ощущение дискомфорта, приводит к отвлечению внимания, уменьшению сосредоточенности, а также может привести к зрительному и общему утомлению.

2.3 Зрительная работоспособность

Зрительная работоспособность (ЗР) - способность выполнять зрительную работу и поддерживать высокую степень мобилизации зрительных функций. Зрительная работоспособность определяет возможность органа зрения совершать какую-либо работу за определенный промежуток времени и влияет на производительность труда и качество работы, может оцениваться состоянием различных функций: критической частотой слияния мельканий, остротой зрения, быстротой различения, видимостью, временным порогом адиспаропии и т. д.

Блеск - величина, применяемая при визуальном наблюдении источника света, когда наблюдатель не воспринимает размеры источника. Блеск измеряется освещенностью, которую создает источник в плоскости, перпендикулярной лучам и проходящей через зрачок наблюдателя.

Эффективный блеск

где t_эф - время инерции;

E(t) - функция изменения во времени блеска;

f(t) - функция зрительной инерции;

t - время проблеска.

Стробоскопический эффект - кажущееся изменение или прекращение движения предмета, освещаемого светом, периодически изменяющимся с определенной частотой. Если вращающийся белый диск с черным сектором освещать вспышками, то сектор будет казаться: неподвижным при ν_всп = ν_вращ медленно движущимся в обратную сторону при ν_всп > ν_вращ; медленно движущимся в ту же сторону при ν_всп < ν_вращ, где ν_всп и ν_вращ - соответственно частоты вспышек и вращения диска. Стробоскопический эффект наблюдается при освещении вращающегося или периодически перемещающегося предмета источником света, поток которого изменяется с определенной частотой от нулевого до максимального значений, например, ЛЛ, питаемой от сети переменного напряжения.

Быстрота различения (скорость обнаружения) - величина, обратная минимальному времени t_min, в течение которого объект должен находиться в поле зрения для того, чтобы наблюдатель заметил объект. Время различения принято измерять в секундах. Быстрота различения описывается выражением

1/t_min = a + b´lgL_ф.

Интенсивная и длительная зрительная работа или воздействие неблагоприятных факторов условий труда приводит к временному снижению ЗР, т.е. зрительному утомлению.

2.4 Несветовые характеристики источников оптического излучения (ламп)

Механические и климатические: параметры: вибростойкость и вибропрочность; ударопрочность; прочность крепления цоколя к колбе; стойкость к внешнему давлению и разрежению; стойкость к температуре окружающей среды; стойкость против воздействия влаги и химически агрессивных сред. Численные значения этих параметров указываются в стандартах и технических условиях на лампы.

Параметры долговечности, надежности и стабильности: полный срок службы Т_полн - суммарное время горения лампы в часах от момента включения до момента прекращения функционирования; средний или номинальный срок службы Т - среднеарифметическое из полных сроков службы всех ламп, входящих в партию; гарантированный срок службы т_г - суммарное время горения любой лампы, выпущенной предприятием, полезный срок службы Т_п - экономически и технически целесообразное суммарное время горения лампы или совокупности ламп; реальный срок службы Т_р - средняя продолжительность горения ламп в реальных условиях эксплуатации; наработка на отказ - суммарное время горения до отказа, т.е. до снижения светового потока ниже установленного уровня или до нуля вследствие перегорания тела накала или незажигания лампы; вероятность безотказной работы; коэффициент стабильности светового потока v - число, на которое нужно умножить номинальное значение светового потока, чтобы получить среднее его значение за срок службы (v = Ф_СР/Ф).

Экономичность ламп характеризуется световой отдачей h_n, т.е. отношением светового потока, излучаемого лампой, к ее электрической мощности

h_n = Ф/Р.

При эксплуатации ламп должно соблюдаться следующие:

- использование ламп в соответствии с назначением, т.е. в тех СП, для которых они предназначены, поэтому на каждом светильнике или в паспорте на него указываются максимально допустимая мощность лампы, ее тип и другие данные;

- обеспечение полного соответствия напряжения, указанного на лампе, напряжению сети;

- соответствие климатических факторов, предусмотренным ТУ на лампы, например, ЛН нормального исполнения рассчитаны для работы при относительной влажности не более 98 % в интервале от - 60 до + 50 °С и при внешнем давлении 680 - 1010 гПа (550 - 760 мм рт. ст.). Для многих специальных ламп эти интервалы значительно шире;

- обращение с лампами как с хрупкими электро- и пожароопасными изделиями;

- соблюдение рекомендованного рабочего положения лампы в пространстве.

3 Лекция № 3. Нормирование осветительных установок. Источники оптического излучения

Содержание лекции:

- цели и задачи нормирования освещения;

- выбор критериев нормирования естественного освещения.

Цели лекции:

- изучение принципов нормирования осветительных установок.

3.1 Цели и задачи нормирования освещения

Нормирование искусственного или естественного освещения - это установление норм и правил выполнения осветительных установок (ОУ), обеспечивающих требуемые в процессе эксплуатации уровни количественных и качественных показателей этих установок. Правила и нормы освещения регламентируются соответствующими нормативными документами, в основу которых заложены обычно материалы научных исследований в области физики излучений, физиологии зрения, гигиены труда, техники и экономики освещения и других смежных наук, при этом учитываются материальные и энергетические ресурсы страны. Целью и задачей нормирования является создание в освещаемом помещении световой среды, обеспечивающей зрительную эффективность ОУ с учетом требований физиологии зрения, гигиены труда, техники безопасности и т.п. при минимальных затратах электроэнергии и других материальных ресурсов, а также трудовых затрат на монтаж и эксплуатацию ОУ. Выбор показателей эффективности ОУ определяется ее функциональным назначением. Световая (светоцветовая) среда помещения определяется спектральными характеристиками и распределением во времени и пространстве прямых и отраженных световых потоков, излучаемых видимой частью спектра искусственных или естественных источников света, а ее психофизиологическое действие оценивается по критериям, характеризующим общее состояние человека.

При промышленном освещении, назначением которого является обеспечение решения зрительных задач, вытекающих из технологии производства, или при освещении помещений общественных зданий, где проводятся точные зрительные работы, эффективность ОУ может определяться уровнем производительности труда (ПТ), заданной вероятностью правильного решения зрительной задачи, уровнем видимости и т.д. Эффективность установок наружного освещения (НО) городов может оцениваться по уровню видимости у водителей транспорта или по безаварийности работы последнего. Непосредственная регламентация в нормативных документах показателей эффективности ОУ называется методом прямого нормирования и является наиболее совершенным способом установления параметров, регламентируемых нормами. В мировой практике при разработке нормативных документов показатели эффективности ОУ используются лишь как критерии нормирования, а в качестве регламентируемых характеристик освещения принимаются такие величины, как освещенность, цилиндрическая освещенность, коэффициент естественной освещенности (КЕО), яркость и т.п. Такой способ установления регламентируемых показателей ОУ и их уровней называется косвенным методом нормирования.

Т.к. глаз реагирует на яркость, то при установлении в качестве нормируемого параметра характеристики освещенности, обычно учитывается коэффициент отражения рабочей поверхности. Выбор освещенности в качестве нормируемого параметра ОУ объясняется наличием большого количества исследований, устанавливающих связь между показателями эффективности ОУ (ПТ, зрительной работоспособностью - ЗР, видимостью и т.п.) и яркостью. Это позволяет по выбранным критериям нормирования устанавливать уровни освещенности для различных зрительных задач. Предмет, его часть или дефект на нем, которые необходимо обнаружить или различить в процессе производственной деятельности, называются объектом наблюдения (обнаружения, различения). Распределение яркости (освещенности) по освещаемому объекту (микрораспределение) определяет контраст различаемой детали с фоном, что особенно важно при освещении объемных деталей; мерой этого качественного параметра может являться контрастность освещения.

Неравномерное распределение яркости в освещаемом пространстве (макрораспределение), оцениваемое коэффициентом неравномерности N, приводит к снижению контрастной чувствительности и сказывается отрицательно на ЗР. Светящие поверхности, обладающие высокой яркостью, расположенные на периферии поля зрения работающих, вызывают ослепленность или ощущение дискомфорта и снижают контрастную чувствительность и другие функции зрения. Это показатель ослепленности Р или показателем дискомфорта М. Изменение Фл во времени, в частности, его периодические колебания с частотой выше критической частоты мельканий, вызываемые ГЛ, приводят к повышению утомления и снижению ЗР, которая характеризуется коэффициент пульсации освещенности Кп. Независимо от принятого способа нормирования задачей нормативных документов является обеспечить совокупной регламентацией количественных и качественных показателей комфортные условия световой среды в освещаемом помещении, т.е. максимально возможную высокую работоспособность при минимальном утомлении, а также эстетическое восприятие интерьера.

Расход электроэнергии и других - материальных ресурсов на освещение зависит не только от уровней регламентируемых параметров ОУ, но и от выбранных проектных решений. В настоящее время при помощи ЭВМ имеется возможность принимать оптимальные по технико-экономическим показателям проектные решения ОУ, обеспечивающие выполнение нормативных требований. Эти решения зависят, главным образом, от эффективности источников света и стабильности излучаемого ими светового потока в процессе эксплуатации.

3.2 Выбор критериев нормирования естественного освещения

Вследствие непостоянства естественного освещения в течение дня и в различное время года количественная оценка этого вида освещения проводится по относительной величине - коэффициенту естественной освещенности (КЕО), который равен отношению естественной освещенности, создаваемой в некоторой точке помещения светом неба (непосредственно или после отражений), к одновременному значению наружной горизонтальной освещенности, создаваемой полностью открытым небосводом. Обычно КЕО выражается в процентах.

При разработке норм естественного освещения в качестве критерия нормирования принимается видимость. Уровень видимости для работ различной точности для промышленных ОУ принимается по значению этой величины для работ соответствующей точности при искусственном освещении.

Уровень видимости при естественном освещении приравнивается к той же величине при искусственном освещении, для минимального значения нормируемой освещенности можно получить требуемое минимальное значение КЕО.

Проведенные расчеты показали, что расхождение в уровнях видимости при естественном и искусственном освещении не превышают 10 %. Нормированные значения КЕО зависят от светового климата, места расположения проектируемых зданий и сооружений. В случаях, когда по условиям технологии, организации производства или климата места строительства требуются объемно-планировочные решения, которые не позволяют обеспечить в помещениях естественное освещение в соответствии с требованиями норм, используется совмещенное освещение. Нормированные значения КЕО при совмещенном освещении установлены из условий минимума приведенных суммарных затрат на естественное и искусственное освещение с учетом разряда зрительных работ, системы естественного освещения, светоактивности световых проемов, параметров ОУ искусственного освещения, расходов на отопление, вентиляцию и климатической зоны, в которой расположены здания или сооружения.

Определения и принцип действия. Искусственным источником света (ИС) называют устройство, предназначенное для превращения какого-либо вида энергии в ОИ (электромагнитное излучение с длинами волн от 1 до 10^бнм). По физической природе различают два вида ОИ: тепловое и люминесценцию.

Тепловым называют ОИ, возникающее при нагревании тел. У твердых тел оно имеет непрерывный спектр, зависящий от температуры тела и его оптических свойств. Тепловыми излучателями являются все источники, свечение которых обусловлено нагреванием: электрические ЛН, простые угольные дуги, все пламенные источники света.

Люминесценцией называют спонтанное излучение, избыточное над тепловым излучением, если его длительность значительно превышает период колебаний электромагнитной волны соответствующего излучения. Люминесценция наблюдается в газообразных, жидких и твердых телах. Твердые или жидкие вещества, способные излучать свет под действием различного рода возбуждений, называют люминофорами. Спектр люминесценции может состоять из отдельных линий (излучение отдельных -атомов и ионов), полос (излучение молекул) и непрерывных участков (излучение твердых тел и жидкостей). При люминесценции возможно более эффективное преобразование подводимой энергии в ОИ, чем при тепловом возбуждении, поскольку люминесценция в принципе не требует нагрева тел. В ИС используются следующие виды люминесценции. Электролюминесценция - ОИ атомов, ионов, молекул, жидких и твердых тел под действием ударов электронов (ионов), движущихся со скоростями, достаточными для возбуждения. Излучение разрядных ИС (газоразрядных ламп - ГЛ) представляет собой электролюминесценцию газов и паров. Различные виды электролюминесценции твердых тел используются в электролюминесцентных панелях и светоизлучающих диодах. Свечение люминофоров под действием пучка электронов достаточной скорости называют катодолюминесценцией (ионов - ионолюминесценцией). Она используется в электронно-лучевых трубках, кинескопах и других приборах. Фотолюминесценция - ОИ, возникающее в результате поглощения телами ОИ. В парах и газах наблюдается множество видов фотолюминесценции, определяемых энергией поглощаемых фотонов и строением поглощающих атомов, ионов или молекул, например, резонансная флюоресценция паров и газов и многие другие виды, играющие большую роль в излучении ГЛ. Фотолюминесценция люминофоров широко применяется в люминесцентных и некоторых других ГЛ. Радиолюминесценция - ОИ некоторых веществ (люминофоров) под действием продуктов радиоактивного распада.

Параметры источников света (ламп). Излучение ламп характеризуется потоком (световым) Ф_е (Фu), силой излучения 1_е (силой света I_v), энергетической (световой) яркостью L_e(L_v), ее распределением по поверхности светящегося тела и направлениям, спектральной плотностью вышеперечисленных величин (спектром излучения). Цвет излучения ламп дополнительно характеризуется цветовыми параметрами: координатами цветности х и у, цветовой температурой Т_цви индексами цветопередачи, общим R_a и специальными Ri; цвет излучения ламп ДРЛ оценивается так называемым «красным отношением». Электрический режим характеризуется мощностью лампы Р_л, рабочим напряжением на лампе U_л, напряжением питания U_с, током I и родом тока (постоянный, переменный с частотой f и т.д.). При рассмотрении электрического режима ГЛ вводят следующие понятия: потери мощности в пускорегулирующем аппарате (ПРА), коэффициенты мощности лампы (Kл) и лампы с ПРА (cosj), целый ряд напряжений, связанных с зажиганием и погасанием разряда, токи пускового режима и др.

Основные типы источников света (ИС), области применения и тенденции развития. Подавляющее большинство современных ИС относится к категории электрических. По принципу действий их можно разделить на две большие группы, которые вместе вырабатывают около 98 - 99 % всего светового потока. Это ЛН и ГЛ. Наиболее массовыми ИС являются осветительные лампы, применяемые для искусственного освещения, на которое расходуется около 13 % всей вырабатываемой электроэнергии. Отсюда ясно, какое важное значение имеют повышение световой отдачи и срока службы, уменьшение спада светового потока в процессе горения и снижение стоимости осветительных ламп. По массовому применению ЛН занимают первое место среди всех ИС. Непрерывно расширяется применение ламп не только для освещения, но и во всевозможных облучательных и светосигнальных установках, при этом широко используются различные свойства не только видимого, но также УФ и ИК излучения. Особенно расширились эти области специального применения в связи с разработкой ГЛ, позволяющих создавать источники с самым различным сочетанием параметров.

4 Лекция № 4. Электрические вольфрамовые лампы накаливания

Содержание лекции:

- основные этапы развития ЛН;

- устройство ЛН;

- галогенные лампы накаливания.

Цели лекции:

- знакомство с лампами накаливания и их основными параметрами.

4.1 Основные этапы развития ЛН. Опыты по получению света путем накаливания проводников током начались вскоре после открытия в 1800 г. теплового действия электрического тока. Многочисленные работы в этой области многие годы не давали удовлетворительных результатов. Лишь в 1873 г. успех сопутствовал русскому изобретателю А. Н. Лодыгину (1847 - 1923), который предложил источник света, в принципе схожий с современной лампой накаливания. Угольный стержень в стеклянном баллоне, из которого кислород удалялся за счет сгорания части угля при прохождении через него тока, благодаря чему оставшаяся часть угля работала относительно долго, излучая свет. В 1879 г. американский изобретатель Т. А. Эдисон (1847 - 1931) на основе принципиальных идей, заложенных в лампе Лодыгина, создал лампу серийного производства, применив для тела накала угольную нить, полученную обугливанием длинных и тонких бамбуковых волокон. Кроме того, он ввел откачку воздуха из баллона. В 1913 г. американский физик И. Ленгмюр предложил наполнять ЛН нейтральным газом и применять спирализованное тело накала вместо нитевидного. Эти меры позволили уменьшить высокотемпературное распыление вольфрамовой проволоки и за счет этого увеличить срок службы лампы. Крупным событием, открывшим новую страницу в развитии тепловых источников света, явилось создание в 1959 г. галогенных ЛН в кварцевой колбе (ГЛН), получивших в настоящее время широкое распространение.

4.2 Устройство ЛН показано на рисунке 4.1. Главной частью является тело накала 1. Оно может представлять собой нить, спираль, биспираль, триспираль, иметь разнообразные размеры и форму. Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки, имеющей высокую температуру плавления (3650±50 К) и малую скорость испарения 9.9-10^-3 г/(м²с) при 3000 К, он формоустойчив при высокой рабочей температуре и устойчив к механическим нагрузкам; обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, что позволяет получать из него нити весьма малых диаметров путем протяжки проволоки через калиброванные отверстия; гонкие проволоки хорошо спирализуются.

Тело накала 1 фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев токовых вводов (электродов) 2 и держателей 3. В зависимости от типа ламп вводы могут быть одно-, двух- и трехзвенными. Трех-звенные вводы состоят из внутреннего звена, изготовленного из никеля, ферроникеля, меди или платинита - в зависимости от вида ламп, среднего звена, впаиваемого в стекло (большей частью из платинита) 4 и внешнего звена (вывода) 5, обычно медного или платинового.

Вводы и держатели являются частью так называемой ножки. Это стеклянный конструктивный узел лампы, который, кроме вводов и держателей, включает в себя стеклянный цельный или пустотелый штабик 6 с линзой 7, стеклянный пустотелый штенгель 8 и стеклянную трубку-тарелку 9, развернутую в нижней части (развертка 10), соединенные в единую конструкцию расплавлением и заштамповкой стеклянных элементов в зоне лопатки 11. Ножка служит опорой для тела накала лампы и вместе с колбой 12 обеспечивает герметизацию лампы.

Для обеспечения нормальной работы ножку с телом накала помещают в стеклянную колбу 12; горло колбы 13 герметично спаивают с разверткой тарелки; через штенгель и откачное отверстие 14 из пространства внутри колбы откачивают воздух (в случае газополной лампы затем вводят инертный газ); на конец запаивают штенгель, обеспечивая полную герметичную изоляцию внутреннего пространства лампы от окружающей среды.

Для удобства эксплуатации на горле лампы 15 с помощью цоколевочной мастики укрепляют цоколь, к корпусу 16 и контактной пластине 17 которого припаивают или приваривают выводы электродов.

Приведенные на рисунке 4.1 узлы и детали имеют все ЛН, но в некоторых типах ЛН отдельные узлы и детали упрощены или отсутствуют. Однако главные функции отдельных узлов и деталей для всех электрических ЛН остаются неизменными.

Классификация ЛН чаще всего производится по двум признакам: по назначению и по конструкции (технологии изготовления). Все ЛН разделяют обычно на лампы общего назначения и лампы специального назначения. В основе классификации по конструкции лежит принцип группировки ламп, которые можно изготавливать на однотипном технологическом оборудовании. Это, прежде всего, определяется размером и формой колб, от которых зависят размер и конструкция ножек, тела накала, вводов, тип цоколя, а значит, и характер соответствующего технологического оборудования.

Лампы накаливания могут классифицироваться и по другим признакам, например, по напряжению, мощности, по характеру среды, окружающей тело накала (вакуумные, газополные, т.е. аргоновые, криптоновые, ксеноновые с разным содержанием азота, галогенные - с добавкой к наполняющему газу определенной доли галогенов).

Спектральные и цветовые параметры. ЛН имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения. Из-за относительно невысоких рабочих температур тела накала (2400 - 2600 К, при этом Т_цв » 2500¸2700 К) в видимом излучении ЛН преобладают оранжево - красные лучи. Поэтому при освещении такими лампами усиливаются «теплые» цветовые тона и ослабляются «холодные», что не позволяет обеспечить высокое качество цветопередачи.

Геометрические и конструктивные параметры - это габаритные размеры (полная длина лампы l, диаметр колбы d_K); присоединительные размеры, определяемые выбранными цоколем и патроном; высота светового центра h; форма и расположение тела накала; конструкция ножки; форма колбы; тип цоколя.

4.3 Галогенные лампы накаливания. 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.

Галогенные ЛН по сравнению с обычными лампами имеют более стабильный по времени световой поток и, следовательно, повышенный полезный срок службы, а также значительно меньшие размеры, более высокие термостойкость и механическую прочность благодаря применению кварцевой колбы. Малые размеры и прочная оболочка позволяют наполнять лампы до высоких давлений дорогостоящим ксеноном и получать на этой основе более высокую яркость и повышенную световую отдачу (либо увеличенный физический срок службы).

Галогенная добавка в ЛН с вольфрамовым телом накала вызывает замкнутый химический цикл. Пример такого цикла показан схематично на рисунке 4.2 на примере йода. Для йодно-вольфрамового цикла требуются следующие условия:

а) температура внутренней стенки колбы повсюду должна быть не ниже 250 и не выше 1200 °С; наиболее предпочтительна температура 500 – 600 °С, поэтому колбу изготавливают из кварца и придают ей необходимую форму для обеспечения лучшей равномерности температуры;

б) минимальная температура тела накала должна быть выше 1600°С;

в) йод не должен образовывать на стенке лампы какие-либо другие химические соединения, кроме WI₂, поэтому в галогенной лампе недопустимо применение никеля и молибдена, алюминиевого, циркониевого и фосфорного газопоглотителей, с которыми йод активно взаимодействует;

г) количество йода дозировано; излишек йода для компенсации потерь не допускается, так как пары йода заметно поглощают видимое излучение, особенно в области 500 - 520 нм.

Йодно-вольфрамовый цикл препятствует осаждению вольфрама на колбе, но не обеспечивает возвращения его частиц в дефектные участки тела накала. Поэтому механизм перегорания тела накала в йодных лампах остается таким же, как и в обычных ЛН. Применение йода в ГЛН выявило некоторые его недостатки: агрессивность по отношению к металлическим деталям, трудность дозировки, некоторое поглощение излучения в желто-зеленой области. Другие галогены (бром, хлор, фтор), будучи более агрессивными, в чистом виде не могли его заменить. В настоящее время в подавляющем большинстве ГЛН применяют химические соединения галогенов.

Устройство ГЛН показано на рисунке 4.3. Колба лампы - длинная узкая кварцевая трубка 1; тело накала - прямолинейная вольфрамовая спираль 2, закрепленная на вольфрамовых держателях 3 по оси колбы. Расположенные по обоим концам трубки вольфрамовые вводы 4 соединены с выводами 5 впаянной в кварц молибденовой фольгой 6. Место отпая штенгеля 7 расположено на боковой стенке колбы. Диаметр трубки-колбы, и расположение тела накала в ней выбираются так, чтобы при горении ГЛН температура стенки была равна 500 – 600 °С, не менее 250 и не более 1000°С.

Рисунок 4.3 - Трубчатая лампа накаливания с йодно-вольфрамовым циклом

Тело накала ГЛН изготавливается из специальных марок вольфрамовой проволоки, преимущественно в виде спирали, которой в лампе с помощью электродов и держателей придается необходимая форма.

Основные типы ГЛН. Галогенные лампы применяются для светильников общего освещения и прожекторов; инфракрасного облучения; кинофотосъемочного и телевизионного освещения; автомобильных фар; аэродромных огней; оптических приборов; специальных применений. По конструктивным признакам ГЛН делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала при соотношении длины ГЛН к диаметру более 10 - линейные или трубчатые лампы; с компактным телом накала при отношении длины ГЛН к диаметру менее 8 - эти ГЛН подразделяются, в свою очередь, на мощные и малогабаритные, в которых электроды размещены обычно с одной стороны.

Лампы для светильников и прожекторов выпускаются преимущественно на 220 В мощностью от 1 до 20 кВт; световая отдача 22÷26 лм/Вт; срок службы 2000 ч; лампы трубчатые; положение горения горизонтальное.

Лампы для инфракрасного облучения выпускаются на напряжения 127÷380 В мощностью 0,5÷5 кВт; срок службы повышенный (2500÷5000 ч), так как тела накала этих ламп работают при низких температурах 2400÷2700 К; лампы трубчатые; положение горения горизонтальное.

Малогабаритные лампы разного назначения выпускаются на напряжения до 30 В мощностью 15÷650 Вт; лампы имеют компактную форму тела накала. Поскольку от большинства этих ламп требуется высокая яркость, они выпускаются с температурой тела накала 3000÷3200 К, и имеют срок службы несколько десятков или сотен часов; положение горения любое.

5 Лекция № 5. Газоразрядные лампы

Содержание лекции:

- общие свойства газоразрядных ламп;

- люминесцентные лампы.

Цели лекции:

- ознакомиться с основными принципами работы ГЛ, их свойствами и параметрами.

5.1 Общие свойства газоразрядных ламп

Газоразрядной лампой (ГЛ) называют лампу, в которой оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в газах, парах или их смесях.

Особенности ГЛ и области применения определяются тем, что ГЛ имеют самую высокую световую отдачу и большой срок службы по сравнению с ЛН, а также могут иметь разнообразные спектры излучения и широкий диапазон значений мощности, яркости и других параметров. Поэтому современные ГЛ все шире применяются для освещения, оттесняя ЛН. Уже сегодня в передовых странах мира ГЛ создают более половины светового потока, так, например, в США на законодательном уровне потребителей электроэнергии обязывают переходить даже в домашнем освещении на ГЛ.

Применение ГЛ во многих отраслях народного хозяйства, в медицине, новейшей технике и др., объясняется особенностями электрического разряда, которые позволяют создавать источники излучения с весьма разнообразным сочетанием параметров. Подбирая соответствующие наполнение и условия разряда, удается создавать высокоэффективные источники излучения практически в любой части не только видимого, но также УФ и ИК спектров. При этом можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий, многолинейчатые и непрерывные. Это достоинство ГЛ открыло им исключительно широкие возможности применения не только для освещения, но также для многочисленных специальных целей.

Разряды высокого и особенно сверхвысокого давления имеют высокую яркость, в десятки и сотни раз превосходящую яркость ЛН. Поэтому ГЛ с успехом применяются в светооптических приборах и установках. Малая инерционность излучения ГЛ позволяет применять их там, где требуется модуляция излучения, например, в звукозаписи, оптической телефонии и других случаях. Широкое и весьма разнообразное применение находят импульсные лампы (ИЛ), дающие вспышки излучения исключительно высокой яркости и очень малой длительности. Они применяются в многочисленных приборах и установках для наблюдения и изучения быстродвижущихся частей машин и механизмов (стробоскопы), фотографирования и изучения быстропротекающих процессов, аэрофотосъемки, оптической дальномерии и т.д. В последнее время ИЛ широко применяются для оптической накачки лазеров.

Недостатком ГЛ является некоторая сложность их включения в сеть, связанная с особенностями разряда. Для его зажигания требуется более высокое напряжение, чем для устойчивого горения. Для обеспечения устойчивого горения в цепь каждой лампы включается балласт, ограничивающий ток разряда требуемыми пределами. Другой недостаток ГЛ с парами обусловлен зависимостью характеристик от их теплового режима, поскольку температура определяет давление паров рабочего вещества лампы. Номинальный режим устанавливается только спустя некоторое время после включения. Повторное зажигание ламп с разрядом в парах металла при высоком и сверхвысоком давлении без специальных приемов возможно только по истечении некоторого времени после выключения.

Принцип действия ГЛ основан на электрическом разряде между двумя электродами, запаянными в прозрачную для оптического излучения колбу той или иной формы. Иногда для облегчения зажигания впаивают дополнительные электроды. Внутреннее пространство колбы после удаления воздуха и тщательного обезгаживания лампы (удаление сорбированных в материале колбы и электродах паров воды и других газов при помощи нагрева под откачкой) наполняется определенным газом (чаще всего инертным) до заданного давления или инертным газом и небольшим количеством металла с высокой упругостью паров, например, ртутью, натрием и др.

Существует категория ГЛ с электродами, работающими в открытой атмосфере, с разрядом в проточном газе или с высокочастотным безэлектродным разрядом.

Вид разряда в ГЛ может быть дуговой, тлеющий и импульсный. В ГЛ стационарного действия используются дуговой и тлеющий вид разряда. В источниках импульсного действия (ИЛ) - импульсный разряд. Вид разряда определяется параметрами элементов внешней цепи (питающим напряжением и балластным сопротивлением), типом катода и давлением газа или пара, наполняющего лампу.

Классификация ГЛ возможна по физическим, конструктивным признакам, эксплуатационным свойствам и областям применения. Здесь предлагается классификация по физическим признакам, которые определяют важнейшие свойства ГЛ, такие, как спектр и цветность излучения, яркость, градиент потенциала, энергетический КПД. Для них определяющими факторами являются состав газовой среды (рабочее вещество), парциальные давления компонентов газовой смеси и ток.

Зажигание разряда возможно лишь при напряжении выше определенного значения, когда становится возможным лавинное образование зарядов в газовом межэлектродном промежутке. Это приводит к резкому, практически внезапному (10^-5 - 10^-7 с) возрастанию тока и появлению свечения. Этот процесс называется зажиганием самостоятельного разряда, а соответствующее ему напряжение - напряжением зажигания. При меньшем напряжении межэлектродный промежуток является диэлектриком. Напряжение зажигания самостоятельного разряда U₃ определяет нижнюю границу напряжения, которое необходимо приложить к ГЛ для возникновения самостоятельного разряда и зависит от рода газа, наполняющего колбу, его давления р, расстояния между электродами d_эл материала и свойств катода, а также от ряда других причин. Напряжение, необходимое для стабилизации разряда после его возникновения, как правило, ниже U₃.. Рабочее напряжение на ГЛ определяется расстоянием между электродами и условиями разряда, а ток, необходимый для получения заданной мощности, обеспечивается подбором сопротивления балласта, с которым ГЛ включается в сеть.

Стабилизация разряда необходима потому, что подавляющее большинство ГЛ работает на падающих (или горизонтальных) участках вольтамперной характеристики, на которой с ростом тока напряжение на ГЛ падает. Поэтому устойчивая работа ГЛ возможна только при наличии в схеме устройств, ограничивающих силу тока в заданных пределах.

Преобразование излучения разряда при помощи люминофоров открыло широкие возможности создания ГЛ с самыми различными спектрами излучения. Обычно для возбуждения люминофора используется УФ излучение разряда, которое люминофор преобразует с определенными потерями в более длинноволновое излучение, лежащее в УФ или видимой областях спектра.

Электроды являются одним из основных конструктивных узлов ГЛ. Имеются два основных электрода: катод и анод. Катод обеспечивает поступление электронов, необходимое для поддержания разряда; анод является приемником электронов из разрядного промежутка. При работе на постоянном токе катод и анод имеют, как правило, различную конструкцию с тем, чтобы обеспечить оптимальную работу каждого из них. У ГЛ, использующих излучение столба и работающих на переменном токе, оба электрода, как правило, имеют одинаковые конструкцию и размеры, поскольку каждые полпериода они меняются ролями. В зависимости от типа разряда применяют холодные, накаленные или пленочные катоды.

5.2 Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы (ЛЛ) представляют собой разрядные источники света низкого давления, в которых УФ излечение ртутного разряда преобразуется люминофором в более длинноволновое излучение. Основные достоинства ЛЛ: а) высокой световой отдачей и большим сроком службы; б) малой себестоимостью, связанной с высокой степенью механизации, простотой конструкции и с доступностью сырья и материалов; в) благоприятным спектром излучения, обеспечивающим высокое качество цветопередачи; г) низкой яркостью и температурой поверхности лампы. В то же время существует ряд недостатков ЛЛ - малопригодны для наружного освещения и освещения высоких помещений, что обусловлено малой мощностью (в пределах от 4 до 150 Вт), большими размерами ЛЛ, трудностью перераспределения и концентрации их светового потока в пространстве, а также ненадежной работой при низких температурах окружающей среды.

Классификация ЛЛ по характеру разряда в них позволяет выделить ЛЛ дугового разряда с горячими катодами и лампы тлеющего разряда с холодными катодами. Лампы дугового разряда, зажигаемые от стандартного сетевого напряжения с предварительным подогревом катодов, наиболее экономичны, просты в эксплуатации и получили самое широкое применение в осветительной технике. В зависимости от способа зажигания ЛЛ могут быть стартерного, быстрого или мгновенного зажигания. Лампы тлеющего разряда зажигаются мгновенно и применяются для сигнализации и световой рекламы. ЛЛ дугового разряда можно подразделить на лампы общего и специального назначения. Лампы общего назначения - это ЛЛ стартерного зажигания для сетей напряжением 127 и 220 В в прямой колбе и с удельной электрической мощностью не более 0.05 Вт/см². Лампы специального назначения имеют особые эксплуатационные свойства, обусловленные особенностями конструкции: малогабаритные ЛЛ, ЛЛ с фигурной колбой, амальгамные, быстрого зажигания, высокоинтенсивные, рефлекторные (лампы-светильники), панельные, цветные и со специальным спектром излучения (для фотосинтеза, для ультрафиолетового облучения, эритемные). Существуют ЛЛ с разрядом в инертных газах - безртутные ЛЛ, которые имеют важные преимущества: они нетоксичны и могут работать при низких температурах. Однако у них значительно ниже световая отдача и мал срок службы. Наиболее удовлетворительны эти параметры у неоновых красных ЛЛ. Наиболее перспективными являются люминофоры на основе редкоземельных элементов, дающие люминесценцию в узких спектральных полосах, обеспечивающие большую световую отдачу, чем галофосфатные люминофоры.

Цветные ЛЛ предназначены для декоративного освещения и световой рекламы, главным образом, внутри помещений. По размерам они взаимозаменяемы со стандартными лампами, но рассчитаны на работу в схеме быстрого пуска. Сигнальные малогабаритные ЛЛ тлеющего разряда с рабочим током около 3 мА предназначены для систем автоматики и радиоэлектроники, выпускаются с различными люминофорами, определяющими цвет свечения лампы: оранжевый, зеленый, голубой и желтый. Цвет отмечается последней буквой в обозначении типа лампы. Газосветные лампы (трубки), применяемые в световой рекламе, представляют собой лампы тлеющего разряда, в которых используются излучение положительного столба разряда и свечение люминофора, нанесенного на трубку и возбуждаемого излучением разряда.

Пульсация светового потока при питании ЛЛ переменным током вызвана пульсацией УФ излучения столба разряда и несколько сглаживается за счет послесвечения люминофора. Для сглаживания пульсации освещенности ЛЛ включают так, чтобы их токи были сдвинуты по фазе относительно друг друга, за счет чего коэффициент пульсации доводится до нормы. Наиболее заметна пульсация яркости свечения концевых участков ЛЛ, так как здесь частота пульсации вдвое ниже - 50 Гц вместо 100 Гц в середине ЛЛ, а коэффициент пульсации соответственно выше. Поэтому рекомендуется экранировать концы ЛЛ. Радикальным средством снижения пульсации является переход на высокочастотное питание. Радиопомехи генерируются ЛЛ всех типов и мощностей в диапазоне от 0,15 до 1,5 МГц, т.е. в диапазоне длинных и средних волн. В момент зажигания ЛЛ радиопомехи на порядок интенсивнее, чем при горении. Для снижения радиопомех служат фильтры, являющиеся элементом электрической схемы светильника. При эксплуатации ЛЛ с фильтрами радиопомехи не превышают нормы.

Утилизацию отработавших ЛЛ нужно проводить с учетом токсичности ртути, содержащейся в наполнении ЛЛ.

6 Лекция № 6. Газоразрядных лампы высокого и сверхвысокого давления

Содержание лекции:

- лампы типа ДРЛ и ртутно-вольфрамовые лампы;

- ртутные лампы сверхвысокого давления;

- металлогалогенные лампы;

- натриевые лампы;

- ксеноновые лампы.

Цели лекции:

- ознакомиться с основными типами ГЛВД и ГЛСВД их областями применения и особенностями эксплуатации.

6.1 Лампы типа ДРЛ и ртутно-вольфрамовые лампы. Д - дуговая, Р - ртутная, Л – люминесцентная, цифры после букв: мощность ламп в ваттах, далее в скобках - «красное отношение», %, через дефис, цифра - номер разработки или с вольфрамовой спиралью. Принцип действия и устройство ДРЛ основаны на преобразовании при помощи люминофора УФ излучения ртутного разряда ГЛВД, составляющего » 40 % всего потока излучения, в недостающее излучение в красной части спектра. Качество исправления цветопередачи ДРЛ определяется относительным содержанием «красного излучения» - отношением светового потока в красной области спектра к общему световому потоку лампы («красное отношение»). При освещении ДРЛ без люминофора возникает сильное искажение цвета предметов, особенно человеческой кожи, что объясняется отсутствием излучения в оранжево-красной части спектра. Современные ДРЛ представляют собой ртутную горелку в виде трубки из прозрачного кварцевого стекла, смонтированную в колбе из тугоплавкого стекла. Внутренняя поверхность внешней колбы покрыта тонким слоем порошкообразного люминофора и снабжена резьбовым цоколем. Большинство ДРЛ выпускается с горелками, имеющими, кроме двух основных электродов, еще один или два так называемых зажигающих электрода, служащих для облегчения зажигания разряда и включающимися в сеть через дроссель. Схемы включения двухэлектродных ДРЛ имеют, кроме дросселя, специальную зажигающую часть. Положение горения допускается любое. Однако при горизонтальном положении дуга в горелке из-за конвекционных потоков слегка выгибается кверху, что приводит к небольшому снижению мощности и световой отдачи. Срок службы при этом из-за перегрева кварцевого стекла в верхней части горелки несколько снижается. Рабочая температура центральной части внешней колбы от 220 до 280 °С. Температура на цоколе не должна превышать окружающую на 110°С - 150 °С в зависимости от мощности лампы. Температура горелки достигает 700 - 750 °С. Температура окружающей среды t_окр влияет на напряжение зажигания Uз. При минусовых температурах давление паров ртути становится настолько малым, что зажигание разряда происходит в чистом аргоне и требуется более высокое напряжение, чем при наличии паров ртути. Напряжение сети Uс определяет рабочий режим лампы. При медленном изменении Uс в пределах ± (10 - 15) % изменение светового потока рассчитывается из соотношения DФ_u/Ф_u@ 2.5DUс/Uс, мощность DРл/Pл @ 2DUс/Uс. Пульсация светового потока происходит с двойной частотой сети. При работе отдельной ДРЛ в сети с частотой 50 Гц в схеме со стандартным дросселем коэффициент пульсации составляет 63 - 74 %. При этой частоте (100 Гц) пульсации на глаз незаметны, но при наличии вращающихся деталей машин они могут вызывать опасный стробоскопический эффект. Пульсации суммарного потока могут быть уменьшены при включении ламп в разные фазы трехфазной сети. Срок службы 12 - 15 тыс.ч при стендовых испытаниях и уменьшается при увеличении числа включении. В процессе работы ДРЛ происходит постепенное снижение светового потока и красного отношения. Скорость спада у маломощных и мощных ДРЛ больше, чем у ламп средней мощности. Основные области применения: НО, освещение промышленных предприятий с потолками выше 3 - 5 м, не требующих высокого качества цветопередачи.

6.2 Ртутные лампы сверхвысокого давления наиболее распространены в виде шаровых ртутных ламп типа ДРШ; реже применяются трубчатые лампы типа СВД. Д - дуговая, Р - ртутная, Ш – шаровая. Цифры после букв - мощность в ваттах, цифры после дефиса - номер разработки. Отличаются высокой яркостью при довольно удобной для проекционной оптики веретенообразной или бочкообразной форме светящего тела. Большинство ламп выпускается для работы на переменном токе. Они представляют собой толстостенную (2 – 3 мм) колбу шаровой или близкой к ней формы из прозрачного кварцевого стекла, в которую с противоположных сторон впаяны два вольфрамовых электрода. В лампах постоянного тока анод более массивный, чем катод. Катоды обычно активированы. Расстояние между концами электродов 4 - 8 мм (или в специальных типах 0,3 -0,5 мм). Для фиксации положения дуги концы электродов имеют конусообразную форму. Выводы имеют сравнительно большую длину с тем, чтобы концы фольги и цоколи не перегревались. Световая отдача РЛСВД 50 - 55 лм/Вт. С уменьшением расстояния между электродами она падает из-за увеличения доли околоэлектродных потерь и экранировки электродами. Зажигание ламп с двумя электродами (без зажигающего электрода) осуществляется путем подачи на электроды высокочастотных импульсов высокого напряжения. Время разгорания составляет 2 - 5 мин и определяется скоростью испарения ртути. После испарения всей ртути давление ее паров доходит до нескольких мегапаскалей, а температура колбы достигает 750 - 850 °С. Положение горения лампы выбирается с таким расчетом, чтобы не допустить перегрева электродов или колбы, и должно соответствовать указанному в инструкции по эксплуатации. Лампы рассчитаны на вертикальное положение горения, а при работе в любом положении срок службы снижается. Спектр излучения имеет линейчатый характер, но с более интенсивным, чем у РЛВД, непрерывным фоном, благодаря чему красное отношение достигает 4 - 6 %. Температура окружающей среды и условия охлаждения существенно влияют на параметры ламп ДРШ. При низких температурах и усиленном охлаждении может происходить конденсация ртути и резкое изменение всех параметров. Повышение температуры за счет излишнего утепления может вызвать опасный перегрев колбы, сопровождающийся кристаллизацией кварца и разрушением колбы, поэтому температурные условия эксплуатации ламп должны строго соблюдаться. Срок службы (полезный) ламп типа ДРШ составляет несколько сот часов и определяется спадом яркости из-за потемнения колбы и нестабильности положения дуги, вызванной разрушением электродов. Меры предосторожности должны быть приняты для защиты обслуживающего персонала от облучения мощным УФ излучением, а также от горячих осколков кварцевого стекла на случай разрыва колбы. Области применения - светолучевые осциллографы, фотолитография, люминесцентный анализ и люминесцентная микроскопия, проекционные системы и другие случаи, когда требуются источники высокой яркости в видимой области спектра или в ближнем и среднем УФ излучении.

6.3 Металлогалогенные лампы. Перспективы их использования определяются исключительно широкими возможностями варьирования спектральным распределением излучения от практически однородного до непрерывного при высоком КПД и высокой удельной мощности. Устройство и принцип действия МГЛ основаны на том, что галогениды многих металлов испаряются легче, чем сами металлы, и не разрушают кварцевое стекло. Поэтому внутрь разрядных колб МГЛ, кроме ртути и аргона, как в ртутных ЛВД, дополнительно вводятся различные химические элементы в виде их галоидных соединений. После зажигания разряда, когда достигается рабочая температура колбы, галогениды металлов частично переходят в парообразное состояние. Попадая в центральную зону разряда с температурой в несколько тысяч Кельвинов, молекулы галогенидов диссоциируют на галоген и металл. Атомы металла возбуждаются и излучают характерные для них спектры. Диффундируя за пределы разрядного канала и попадая в зону с более низкой температурой вблизи стенок колбы, они воссоединяются в галогениды, которые вновь испаряются. Этот замкнутый цикл обеспечивает два принципиальных преимущества: а) в разряде создается достаточная концентрация атомов металлов, дающих требуемый спектр излучения, потому что при рабочей температуре кварцевой колбы 800 - 900 °С давление паров галогенидов многих металлов значительно выше, чем у самих металлов, таких, как таллий, индий, скандий, диспрозий и др.; б) появляется возможность вводить в разряд щелочные (натрий, литий, цезий) и другие агрессивные металлы (например, кадмий, цинк), которые в чистом виде вызывают весьма быстрое разрушение кварцевого стекла при температурах выше 300 - 400 °С, а в виде галогенидов не вызывают такого разрушения. Применение галогенидов резко увеличило число химических элементов, используемых для генерации излучения, и позволило создавать МГЛ с весьма различными спектрами, особенно в случае использования смеси галогенидов. Ртутный пар играет роль буфера, обеспечивая высокую температуру в разряде, высокий градиент потенциала, малые тепловые потери и др. Классификация МГЛ осуществляется по применению: а) МГЛ общего назначения; б) трубчатые и шаровые МГЛ с улучшенным качеством цветопередачи (например, для цветных телепередач и киносъемок) и в) МГЛ для многочисленных специальных применений, в основном технологических.

6.4 Натриевые лампы. Натриевые лампы являются одной из самых эффективных групп источников видимого излучения: они обладают самой высокой световой отдачей среди всех известных ГЛ и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы. Поэтому натриевые лампы, в первую очередь, высокого давления, все шире применяются для экономичного освещения, особенно наружного. Недостатком этих ламп является низкое качество цветопередачи. Принцип действия натриевых ламп основан на использовании резонансного излучения D-линий натрия. По рабочему давлению натрия выделяют два типа натриевых ламп - низкого НЛНД и высокого давления НЛВД. Кривая зависимости световой отдачи излучения натриевого разряда от давления паров натрия имеет два максимума. Область первого максимума соответствует давлению около 0,2 Па и достигается при температуре жидкой фазы 270 - 300°С; второй максимум световой отдачи достигается в НЛВД при давлении около 10 кПа. Это давление имеют насыщенные пары натрия при температуре 650 - 750 °С в разрядной трубке из светопропускающего высокотемпературного материала, устойчивого к длительному воздействию агрессивных паров натрия при 1300 - 1400 °С и представляющего собой керамику на основе поликристаллической окиси алюминия. Области применения. НЛНД - освещение автострад, туннелей, перекрестков, складов и товарных станций, промышленных объектов; архитектурное и декоративное освещение. Благодаря желтому монохроматическому свету, обеспечивающему превосходную видимость и разрешающую способность глаза при низких уровнях освещенности и хорошее прохождение излучения в тумане, НЛНД находят применение в светосигнальных установках. Значительное улучшение качества цветопередачи и более приятное зрительное впечатление можно получить путем сочетания в осветительной установке НЛВД с другими эффективными источниками, дающими преимущественное излучение в сине-зеленой части спектра, например, с РЛВД. Несмотря на то, что цена НЛВД в 7 - 10 раз превышает цены РЛВД типа ДРЛ и МГЛ типа ДРИ, их применение дает заметную экономию капитальных и эксплуатационных затрат как для проектируемых новых осветительных установок, так и для реконструируемых существующих.

6.5 Ксеноновые лампы. В ксеноновых лампах используется разряд в ксеноне при высоком и сверхвысоком давлении и плотности тока, составляющей десятки и сотни А/см². Разряд этого типа имеет ряд особенности: а) непрерывность спектра излучения, в видимой области спектр близок к солнечному и обеспечивает высококачественную цветопередачу, в близкой ИК области имеется несколько интенсивных спектральных линий; б) возрастающая ВАХ в диапазоне больших токов, что дает возможность стабилизировать разряд малым балластом, а длинные трубчатые лампы включать в сеть даже без балласта; в) отсутствие периода разгорания; г) высокое напряжение зажигания, обусловленное тем, что в момент зажигания давление газа в лампе далеко от минимума по кривой Пашена; лампы требуют сложной схемы поджига; д) независимость параметров ламп от рабочей температуры колбы и от tокр, способность работать при низких температурах (до -50 °С) без изменения параметров; е) большой разрядный ток, обусловленный низким значением градиента потенциала в ксеноне, примерно в 3 - 4 раза меньшим, чем в парах ртути; вследствие этого электроды и вводы приходится делать более массивными; ж) подверженность действию конвекции и внешних магнитных полей, что необходимо учитывать при конструировании и эксплуатации ламп. Классификация ламп основана на конструктивных признаках: а) трубчатые ГЛВД с естественным и водяным охлаждением; б) ЛСВД с короткой дугой с естественным и принудительным (воздушным или водяным) охлаждением. Помимо этого имеются еще специальные типы ламп, например, металлические разборные лампы-светильники большой мощности, безэлектродные лампы и др. Маркировка ламп: Д - дуговая, Кс - ксеноновая, Т - трубчатая, Ш - шаровая, РБ - разборная, М - металлическая, Э – эритемная, В - с водяным охлаждением. Цифры соответствуют мощности в ваттах, цифра через дефис - порядковый номер разработки.

7 Лекция № 7. Специальные источники оптического излучения

Содержание лекции:

- импульсные лампы;

- лампы-вспышки одноразового действия;

- лампы тлеющего свечения;

- спектральные лампы;

- электролюминесцентные панели;

- светоизлучающие диоды;

- источники света с радиоактивными изотопами и светосоставы постоянного действия;

- лазеры.

Цели лекции:

- изучить основные принципы работы специальных источников оптического излучения.

7.1 Импульсные лампы. ИЛ - это ГЛ, рассчитанная на мощные импульсные электрические разряды, сопровождающиеся интенсивным оптическим излучением. Лампы имеют герметичный баллон из стекла или кварца, наполненный химически неактивным газом. Зажигание ИЛ осуществляется с помощью третьего расположенного внутри или на поверхности лампы управляющего электрода с подачей высоковольтного импульса. В некоторых случаях ИЛ не имеет управляющего электрода и зажигается кратковременным увеличением напряжения на основных электродах. Схемы включения ИЛ содержат накопитель, заряжаемый от источника постоянного тока, и устройства управления, синхронизации и защиты, регулирующие работу зарядного устройства, генератора зажигающих импульсов и разрядного контура. По конструктивным признакам позволяет выделить трубчатые и шаровые ИЛ. Характеристики излучения шаровых ИЛ имеют особенности, обусловленные существенно меньшей продолжительностью и меняющейся от импульса к импульсу формой светящего канала разряда в неограниченном стенками разрядном промежутке малой длины. В основном, предназначенны для оптической накачки лазеров. Дополнительными параметрами ламп являются: t_ин - интервал времени между вспышками; t_max - наибольшая длительность непрерывной работы; Р_ср=Wpf - средняя электрическая мощность; f_m_ах - наибольшая частота вспышек; N - число вспышек за срок службы.

7.2 Лампы-вспышки одноразового действия (ЛВ) дают импульс излучения за счет реакции горения магниевой или циркониевой фольги в атмосфере кислорода. Международными стандартами установлены конструкция, классификация, световые параметры и методы измерения параметров ЛВ для фотографирования. Эффективная длительность вспышки фотографических ламп лежит в пределах 10 и 30 мкс. Промышленностью выпускается фотографическая вспышка-куб, состоящая из четырех ЛВ, размещенных за гранями прозрачного пластмассового куба.

7.3 Лампы тлеющего свечения (ЛТС) предназначены для использования, главным образом, в качестве индикаторов. Кроме того, они находят множество других специальных применений.

Устройство и принцип их действия основаны на использовании катодного тлеющего свечения. В стеклянный баллон лампы впаяны два электрода, расположенные на близком расстоянии друг от друга. Лампа наполняется обычно неоно-гелиевой смесью с небольшой примесью аргона для снижения напряжения зажигания. Форма электродов зависит от назначения ЛТС. Часто электроды покрываются тонкой пленкой активирующего вещества, снижающего напряжение зажигания. При работе на переменном токе свечение попеременно покрывает оба электрода (с частотой сети). Излучение обладает весьма малой инерционностью и может модулироваться с частотой до 20 - 22 к Гц. Световой поток ЛТС в зависимости от типа ламп составляет от 0.02 до 5 лм. Яркость свечения - от 10² до 10⁴ кд/м². Световая отдача - от 0.2 до 1 лм/Вт, мощность ЛТС - от 0.01 до 10 Вт. Срок службы ЛТС свыше 1000 ч и ограничивается поглощением наполняющего лампу газа и потемнением колбы от распыления электродов. Включение ламп в сеть осуществляется через небольшой резистор, соединяемый последовательно с лампой.

7.4 Спектральные лампы (СЛ) служат источниками излучения с точно определенными длинами волн или с непрерывным спектром с известной спектральной плотностью потока излучения. По устройству и принципу действия спектральные лампы подразделяются на несколько групп.

7.4.1 Лампы дугового разряда с парами металлов и инертными газами содержат излучатель в виде небольшой разрядной трубки, наполненной смесью паров какого-либо металла с зажигающим газом и каким-либо металлом или инертным газом. Излучатель помещен во внешнюю стеклянную колбу, снабженную цоколем. Размеры трубки излучателя и сорт стекла выбираются, исходя из наполнения и теплового режима, с таким расчетом, чтобы обеспечить интенсивное излучение линий наполняющего металла, необходимый электрический режим и достаточный срок службы. Лампы излучают линейчатые спектры, характерные для атомов наполняющего горелку металла или газа.

7.4.2 Дуговые низковольтные водородные лампы дают непрерывное интенсивное излучение в области близкой к УФ. В некоторых лампах применяются активированный подогревный катод, заключенный в экранирующий цилиндр, и анод в виде диска с отверстием для наблюдения разряда. Пространство между катодом и анодом отделено экраном с небольшим отверстием (около 1 - 2 мм) для прохождения разряда. Концентрация плазмы в малом отверстии повышает плотность тока и энергетическую яркость излучения. Колба лампы имеет специальное окно, обеспечивающее выход УФ излучения. Лампа имеет плоское окно из монокристалла фтористого магния, расположенное на торце колбы. Такая конструкция позволяет вакуумно-плотно присоединять лампу при помощи грибкового уплотнения к камере спектрального прибора для непосредственного попадания излучения в вакуум прибора. В лампах с парами металлов нормальный режим устанавливается через 7 - 10 мин после включения. В лампах с газами период разгорания практически отсутствует.

7.4.3 Высокочастотные безэлектродные лампы типа ВСБ-2 представляют собой стеклянную колбочку сферической формы Æ 20 мм, наполненную инертным газом при давлении в несколько сот паскалей и содержащую небольшое количество металла. Лампа помещается в высокочастотное поле (» 100 МГц), создаваемое генератором, и излучает при этом узкие спектральные линии соответствующего металла. Лампы используются в атомно-абсорбционных, атомно-флюоресцентных спектрофотометрах, рефрактометрах и подобных им приборах.

7.4.4 Неоновые дуговые лампы являются эффективным и мощным источником оранжево-красного излучения. Лампа работает от сети 220 В, частотой 50 Гц и включается последовательно с дросселем. Для зажигания применен предварительный накал активированных электродов в сочетании с импульсом высокого напряжения по схеме, подобной схеме включения люминесцентных ламп со стартером. С этой целью у каждого электрода выведены оба конца. Средняя продолжительность горения 1000 ч. Лампы надежно работают при tокр от - 40 до +40°С и применяются, главным образом, для сигнального освещения аэродромов.

7.5 Электролюминесцентные панели. Электролюминесцентная панель (ЭЛП) представляет собой плоский конденсатор, в электрическое поле которого помещен люминофор. Электролюминесценция возбуждается при напряженности поля порядка 10⁴- 10⁵ В/см. Плоскопараллельные обкладки электролюминесцентного конденсатора находятся на расстоянии нескольких десятков микрометров друг от друга. Пространство между ними заполнено прозрачным диэлектриком, в котором взвешены частицы люминофора. Одна или обе обкладки делаются прозрачными, обычно из стекла (иногда на керамике) или на гибкой основе. В последнем случае ЭЛП легко могут изгибаться. Стандартные ЭЛП на стекле предназначены для работы от сети 220 В на частотах 50, 400, 1000 и 1200 Гц и имеют вид прямоугольных пластин размером от 10´20 до 300´300 мм², толщиной 4 - 5 мм. В качестве люминофоров применяют сульфиды цинка и сульфиды, селениды цинка, кадмия. При необходимости ЭЛП могут иметь форму простых или сложных знаков. Области применения - в светящихся знаках для систем сигнализации и отображения информации, а также в качестве маломощных источников излучения различного назначения.

7.6 Светоизлучающие диоды представляют собой микроминиатюрные полупроводниковые источники света, в которых излучение возникает на полупроводниковом переходе в результате рекомбинации электронов и «дырок». В светоизлучающих диодах используются полупроводниковые материалы высокой чистоты, легированные малыми количествами контролируемых примесей, создающих либо избыток электронов (материал n-типа), либо их недостаток, т.е. избыток «дырок», которые ведут себя подобно положительным зарядам (материал р-типа). В месте контакта материалов р- и n-типов образуется полупроводниковый р-n переход. Если к р-n переходу приложить постоянное напряжение в несколько вольт прямой полярности (т.е. к n-материалу минус, а р-материалу плюс), то приложенное поле будет заставлять перемещаться электроны и «дырки» навстречу друг другу, и они будут рекомбинировать в зоне контакта, частично испуская при этом фотоны. Спектр излучения зависит от материала полупроводника и вводимой примеси. Светоизлучающие диоды применяют, главным образом, в качестве малогабаритных осветителей, различных индикаторов и элементов в оптронах; их часто называют оптическими изоляторами (ОИ).

7.7 Источники света с радиоактивными изотопами и светосоставы постоянного действия (СПД), Источники света этого типа не требуют внешних источников питания, взрывобезопасны, имеют большой срок службы, но дают малые световые потоки и яркости, достаточные только для освещения шкал приборов, создания светящихся знаков и тому подобных целей. Они представляют собой запаянную стеклянную колбочку или трубку диаметром 1 - 3 см, покрытую изнутри слоем люминофора и наполненную тритиевым газом - изотопом водорода (³Н).

СПД представляют собой люминофор, смешанный с радиоактивными веществами. В настоящее время для возбуждения используют радиоактивные изотопы, дающие только р-излучение: тритий или прометий 147. Их достоинство в том, что электроны полностью задерживаются даже тонкими защитными слоями вещества и не разрушают основу люминофора. Компания «Изотоп» поставляет СПД на тритиевой основе различных цветов. Яркости в зависимости от цвета составляют от 0.05 до 0.2 кд/м². СПД употребляются для изготовления самосветящихся красок. Они практически безвредны, так как тонкий слой лака полностью поглощает b-излучение трития. Спад яркости определяется периодом полураспада трития.

7.8 Лазеры. Лазеры представляют собой генераторы оптического излучения, обладающего совершенно уникальными свойствами: 1) высокой когерентностью в пространстве и во времени, 2) исключительно узкой направленностью (расходимость до 0.4'), 3) огромной концентрацией мощности (до 10¹¹ Вт/см² в непрерывном режиме до 10¹⁸ Вт/см² в импульсе), 4) высокой степенью монохроматичности (_Dl = 10^-9 нм при l = 500 нм), 5) способностью фокусироваться в исключительно малые объемы порядка l³. Первые лазеры были созданы в 1960 г. Принцип действия лазеров основан на использовании процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотона возбужденным атомом или молекулой под воздействием излучения, имеющего ту же частоту. Самое важное и замечательное в этом процессе заключается в том, что фотон, возникший при вынужденном испускании, совершенно тождествен с вызвавшим его внешним фотоном по направлению, частоте, фазе и поляризации. На языке волновой оптики это означает, что вынужденное излучение когерентно со стимулирующим. Этот принцип справедлив для всего спектра электромагнитного излучения. Лазер состоит из трех основных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, а также вспомогательных устройств, обеспечивающих его нормальную работу и управление лазерным излучением. Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки в лазерное излучение. Активный элемент является основной функциональной частью излучателя, содержащей лазерное вещество, в котором в процессе накачки может быть создана активная среда. Лазерное вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Соответственно различают: а) газовые; б) жидкостные; в) твердотельные; г) полупроводниковые лазеры. Режим работы лазеров бывает непрерывный и импульсный, причем в последнем случае различают импульсно-периодический, дающий непрерывную серию импульсов, и импульсный, дающий одиночные импульсы излучения.

Основные принципы проектирования светотехнической части осветительных установок. Методы расчета освещения

Содержание лекции:

- выбор системы освещения;

- виды освещения;

- выбор освещенности и коэффициента запаса;

- выбор типа светильника;

- основные методы расчета освещения.

Цели лекции:

- изучить основные принципы проектирования светотехнической части осветительных установок и методы расчета освещения.

8.1 Выбор системы освещения

При устройстве осветительных установок применяются две системы освещения: общего освещения и комбинированного. Качество и экономичность осветительной установки во многом зависят от правильности выбора системы освещения.

Система общего освещения применяется для освещения всего помещения, в том числе и рабочих поверхностей и может осуществляться двумя способами: с равномерным размещением светильников под потолком освещаемого помещения и неравномерным.

Система комбинированного освещения применяется в помещениях с тонкими зрительными работами, требующими высокой освещенности. При такой системе одна часть светильников освещает только рабочие места (светильники местного освещения), а другая - все помещение, главным образом, проходы и коридоры (общее освещение).

8.2 Виды освещения

Электрическое освещение может быть следующих видов: рабочее, аварийное и эвакуационное.

Рабочее освещение устраивается во всех помещениях и создает на рабочих поверхностях нормированную освещенность. Аварийное освещение необходимо там, где при внезапном отключении рабочего освещения возможно возникновение взрыва или пожара, массового травматизма, длительного расстройства технологического процесса и т.д., а также нарушение работы ответственных объектов (электростанции, узлы радиопередачи, водоснабжения, теплофикации и т.д.). Аварийное освещение в аварийном режиме должно создавать на рабочих местах 5% освещенности, нормируемой для рабочего освещения при системе общего освещения, но не менее 2 лк. Эвакуационное освещение служит для безопасной эвакуации людей из помещений при аварийном погасании рабочего освещения. Эвакуационное освещение должно обеспечивать освещенность основных проходов и ступеней лестниц не менее 0,5 лк. Для аварийного и эвакуационного освещения разрешается использовать люминесцентные лампы (с ограничениями) и лампы накаливания. Применение других типов ГЛ для аварийного и эвакуационного освещения запрещается. Светильники в большинстве случаев выделяют из числа светильников рабочего освещения и при нормальном режиме они участвуют в создании нормируемой освещенности помещения и рабочих поверхностей. Светильники аварийного и эвакуационного освещения присоединяются отдельными линиями к независимому источнику питания или переключаются на него автоматически при внезапном отключении рабочего освещения. Кроме того, они должны отличаться от светильников рабочего освещения типом, размером или специально нанесенными знаками.

8.3 Выбор освещенности и коэффициента запаса.

Выбор минимальной освещенности для внутреннего и наружного освещения производят по СНиП или отраслевым нормам, а также по качественным показателям.

На значение показателя ослепленности влияют следующие факторы: а) характер светораспределения светильников и мощность ламп; б) высота подвеса светильников над рабочей поверхностью и соотношение расстояния между светильниками или между их рядами; в) соотношение сторон освещаемого помещения.

В осветительных установках общественных зданий для оценки дискомфортной блескости источников света, вызывающей неприятные ощущения при распределении яркостей в поле зрения, принят показатель дискомфорта М, определяемый яркостью светильников, телесным углом, под которым виден светильник, положением светильника по отношению к глазу наблюдателя, яркостью адаптации и количеством светильников в помещении.

Для ограничения слепящего действия нормами регламентируются в зависимости от условия зрительной работы максимально допустимые значения показателя дискомфорта. Его значение нормируется в точке, расположенной у середины торцовой стены помещения на высоте 1,5 м от пола.

Указатель дискомфорта не регламентируется для помещений, длина которых не превышает двойной высоты установки осветительных приборов над полом, и для помещений, предназначенных для кратковременного пребывания или прохода людей.

Характеристикой ощущения насыщенности помещения светом является цилиндрическая освещенность Е_ц, определяемая как средняя плотность светового потока на боковой стороне цилиндра с вертикально расположенной осью, радиус и высота которого стремятся к нулю.

Цилиндрическая освещенность зависит от характеристики светильников, их размещения, геометрических размеров освещаемого помещения и отражающих свойств потолков, стен и пола.

Для создания насыщенности светом необходимо, чтобы расчетная цилиндрическая освещенность для данного помещения была не меньше нормируемой, т.е. Е_црасч £ Е_цнорм.

Значения коэффициентов запаса учитывают снижение освещенности в процессе эксплуатации.

8.4 Выбор типа светильника

Для надежной работы осветительной установки и ее экономичности большое значение имеет правильный выбор светильника. При выборе проектировщик должен учитывать условия окружающей среды, в которой будет работать светильник, требуемое распределение светового потока в зависимости от назначения и характера отделки помещения и экономичность самого светильника. Если выбранный светильник конструктивно не соответствует условиям внешней среды, то это может привести к его чрезмерному запылению, вследствие чего уменьшится световой поток, излучаемый им; возникновению коррозии металлических частей и преждевременному выходу его из строя; к повреждению изоляции проводов; в пожароопасных и взрывоопасных помещениях - к пожару или взрыву.

При выборе типов светильников для освещения помещений в зависимости от их технологического назначения необходимо учитывать и светотехническую классификацию светильников (классы по светораспределению в пространстве и формы кривых силы света).

8.5 Основные методы расчета освещения. При расчете освещения осветительной установки определяют число и мощность источников света, необходимых для создания нормированной освещенности на освещаемой поверхности или фактическую освещенность в любой точке поверхности от установленных источников света. Рассмотрим основные методы расчета.

8.5.1 Расчет освещения методом коэффициента использования светового потока. Для помещений, в которых предусматривается общее равномерное освещение горизонтальных поверхностей, освещение рассчитывают методом коэффициента использования светового потока.

По этому методу расчетную освещенность на горизонтальной поверхности определяют с учетом светового потока, падающего от светильников непосредственно на поверхность и отраженного от стен, потолка и самой поверхности. Т.к. этот метод учитывает и долю освещенности, создаваемую отраженным световым потоком, его применяют для расчета освещения помещений, где отраженный световой поток играет существенную роль, т.е. для помещений со светлыми стенами и потолками при светильниках рассеянного, отраженного и преимущественно отраженного света.

С учетом коэффициентов К_зап и неравномерности падения светового потока на освещаемую поверхность z получим основное уравнение метода

По значению Фл в зависимости от напряжения сети выбирают стандартную лампу с ближайшим значением светового потока (для ламп накаливания).

8.5.2 Приближенный метод расчета по удельной мощности. Удельной мощностью Р_уд называется отношение суммарной мощности всех ламп, установленных в данном помещении, к площади освещаемой поверхности (пола) (Вт/м²)

В проектной практике широко применяют метод удельной мощности, позволяющий без выполнения светотехнических расчетов определять мощность всех ламп общего равномерного освещения, требуемого в данном помещении. Кроме того, метод удельной мощности применяют для приблизительной оценки правильности произведенного светотехнического расчета осветительной установки.

Порядок расчета по методу удельной мощности следующий. Для освещаемого помещения выбирают тип светильника и расчетную высоту его подвеса. При светильниках с лампами накаливания намечают наивыгоднейшее число светильников N_c_в; в зависимости от величины нормируемой освещенности Е_норм, площади освещаемого помещения S, расчетной высоты подвеса h_расч и коэффициентов отражений по соответствующей таблице находят удельную мощность Р_уд, определяют суммарную установленную мощность ламп (Р_уд=Р_удS) и мощность одной лампы (Р_л =Р_уст/N). При светильниках с люминесцентными лампами порядок расчета несколько изменяется, так как заранее известна мощность ламп в каждом светильнике. Поэтому после определения мощности осветительной установки (Р_уст = Р_удS) определяют число светильников N_c_в = Р_уст/(NР_л), где N - число ламп в светильнике.

8.5.3 Расчет освещения точечным методом. Точечный метод в отличие от метода коэффициента использования позволяет определить освещенность любой точки на рабочей поверхности, как угодно распложенной в пространстве, например, горизонтально, вертикально или наклонно. Расчет освещения точечным методом производят, когда невозможно применить метод коэффициента использования, например, расчеты локализованного или наружного освещения, освещения наклонных или вертикальных поверхностей. Точечный метод также часто применяют в качестве проверочного расчета, когда необходимо оценить фактическое распределение освещенности на освещаемой поверхности. Однако точечный метод имеет существенный недостаток: не учитывает освещенность, создаваемую световым потоком, отраженным от стен и потолков, вследствие чего освещенность получается несколько заниженной.

Порядок расчета для точечных и линейных излучателей незначительно отличается.

Расчет производят в следующем порядке. 1. По кривым для выбранного типа стандартного светильника в зависимости от высоты его подвеса h и расстояния d, определенного по плану, для каждого значения находят близлежащую кривую, на которой указана условная освещенность. Если точка, заданная координатами h и d, не попадает на кривую, то значение освещенности определяется посредством интерполирования между двумя ближайшими кривыми. 2. Найденные по кривым условные освещенности от различных светильников для расчетной точки суммируются. 3. Если установленные светильники однотипны, с ЛН одинаковой мощности, значение светового потока одной лампы при заданной освещенности Ег определяют как

где m - коэффициент, учитывающий дополнительную освещенность в заданной точке от удаленных светильников, не учтенных при определении åе_n, и от отражения стен, потолка и расчетной поверхности помещения. Значение m в зависимости от коэффициентов отражения поверхностей помещения принимают в пределах 1 – 1.2.

Список литературы

1. ГОСТ 16703-79. Приборы и комплексы световые. Термины и определения.

2. ГОСТ 26695-85. Светильники. Общие технические требования.

3. ГОСТ 26092-84. Приборы световые. Установочные и присоединительные размеры.

4. ГОСТ 15597-82. Светильники для производственных зданий. Общие технические условия.

5. ГОСТ 8607-82. Светильники для освещения жилых и общественных помещений. Общие технические условия.

6. Справочная книга по светотехнике / Под ред. Ю.Б. Айзенберга – 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Энергоатомиздат, 1995.

7. Энергосбережение в освещении / Под ред. Ю.Б. Айзенберга /, изд. Дом Света.- М.: «Знак», 1999.

8. Рохлин Г.Н. Разрядные источники света.- М.: Энергоатомиздат, 1991.

9. Трембач В.В. Световые приборы (теория и расчет).- М.: Высшая школа, 1991.

10. Оболенцев Ю.В., Гиндин Э.Л. Электрическое освещение общепромышленных помещений.- М.: Энергоатомиздат, 1990.

11. Афанасьева Е.И., Скобелев В.М. Источники света и пускорегулирующая аппаратура.- М.: Энергоатомиздат, 1986.

12. Азалиев В.В., Варсанофьева Г.Д., Кроль Ц.Е. Эксплуатация осветительных установок промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1984.

13. Кнорринг Г.М. Светотехнические расчеты в установках искусственного освещения. - Л.: «Энергия», 1973.

14. Справочная книга для проектирования электрического освещения. Под ред. Г.М. Кнорринга. - Л.: «Энергия», 1976.

15. Живов М.С. Монтаж осветительных электроустановок. - М.: Высшая школа, 1984.

16. Лесман Е. А. Освещение административных зданий и помещений. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.

17. Правила устройства электроустановок, 6-е изд. - М.: Энергоатомиздат, 2001.

18. Пикман И.Я. Электрическое освещение взрывоопасных и пожароопасных зон. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

19. Пособие по расчету и проектированию естественного, искусственного и совмещенного освещения (к СНиП 11-4-79)/ НИИСФ. - М.: Стройиздат, 1985.

Наталья Анатольевна Туканова

6 Лекция № 6. Газоразрядных лампы высокого и сверхвысокого давления

7 Лекция № 7. Специальные источники оптического излучения

8 Лекция № 8. Основные принципы проектирования светотехнической части осветительных установок. Методы расчета освещения

Список литературы

1.3 Оптические и светотехнические характеристики тел

2 Лекция № 2. Функции и параметры зрения. Несветовые характеристики источников оптического излучения

- неустановившиеся зрительные процессы, зрительное утомление и дискомфорт;

- зрительная работоспособность;

- несветовые характеристики источников оптического излучения (ламп).

2.3 Зрительная работоспособность

2.4 Несветовые характеристики источников оптического излучения (ламп)

3 Лекция № 3. Нормирование осветительных установок. Источники оптического излучения

5 Лекция № 5. Газоразрядные лампы

6 Лекция № 6. Газоразрядных лампы высокого и сверхвысокого давления

7 Лекция № 7. Специальные источники оптического излучения

Основные принципы проектирования светотехнической части осветительных установок. Методы расчета освещения