Эволюция источников света

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский государственный колледж имени И.И. Ползунова

ЭВОЛЮЦИЯ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА

Бондарь. Г.П.

Ревда 2017

Введение

Со времен изобретения первой угольной лампы накаливания прошло около 180 лет. Революция в мире освещения того времени уже давно осталась позади и мало кто задумывается, как все начиналось. Со временем технологии менялись: лампу с угольной спиралью сменила лампа накаливания с платиновой спиралью, затем лампа с обугленной бамбуковой нитью в вакуумированном сосуде и великое множество других модификаций ламп. Каких только материалов не было испробовано для создания более эффективной лампы накаливания, однако это не принесло существенных результатов. В современных лампах накаливания используется спираль из вольфрама, но и этот редкий материал позволяет добиться, что всего 5% энергии преобразуется в свет. Глобальный переворот пришелся лишь на эпоху энергосберегающих и светодиодных ламп. Основанные на совершенно ином принципе свечения, данные лампы позволили человечеству в разы улучшить качество освещения и сократить на него расходы.

В наши дни все лампы можно поделить на три основные группы: накаливания, газоразрядные и светодиодные. Люди «старой закалки» наотрез отвергают последние два вида, что напрасно. Но пойдем по порядку.

1. Лампы накаливания

Лампа накаливания представляет собой электрический источник света, светящимся телом которого служит проводник, нагреваемый протеканием электрического тока до высокой температуры. Все лампы накаливания можно разделить на пять видов:

Рисунок 1. Виды ламп.

К преимуществам ламп накаливания можно отнести их низкую стоимость, небольшие размеры, мгновенность включения, отсутствие токсичных компонентов, работа при низкой температуре окружающей среды. Но их недостатки, все же, не сопоставимы с современными требованиями к источникам света. К ним относятся: низкая эффективность (КПД не более 5%), короткий срок службы, резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения, цветовая температура в пределах от 2300 до 2900 К, высокая пожароопасность.

Лампы накаливания постепенно остаются в прошлом, но отдадим должное истории, проложившей тропу от истоков к современным источникам освещения:

1838-1854 гг. -- первые лампы, работающие от электрического тока (Рис.2). Изобретатели: бельгиец Жобар, англичанин Деларю, немец Генрих Гебель.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент на нитевую лампу (Рис. 3). В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд. В 1876 году российский изобретатель и предприниматель Павел Николаевич

Рисунок 2.

Яблочков разработал электрическую свечу и получил на неё французский патент. Свеча Яблочкова оказалась проще, удобнее и дешевле в эксплуатации, чем угольная лампа Лодыгина. Изобретение Яблочкова можно отнести также к разрядным лампам.

В 1879 году американский изобретатель Томас Эдисон патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл патрон, цоколь и выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

Рисунок 3.

В 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.

В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити (Рис. 4). Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме General Electric, придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.(Рис. 5).

Рисунок 4.

Рисунок 5.

Рисунок 6. Коэффициент полезного действия источников света.

источник свет лампа

1.1 Принцип действия

Принцип действия ламп накаливания основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через нить, в световую. Температура разогретой нити достигает 2600...3000 "С. Но нить лампы не плавится, потому что температура плавления вольфрама (3200...3400 °С) превышает температуру накала нити. Спектр ламп накаливания отличается от спектра дневного света преобладанием желтого и красного спектра лучей.

Колбы ламп накаливания вакуумируются или заполняются инертным газом, в среде которого вольфрамовая нить накала не окисляется: азотом; аргоном; криптоном; смесью азота, аргона, ксенона.

1.2 Устройство и работа ламп накаливания

Лампа накаливания (рис.7) светится потому, что нить из тугоплавкой вольфрамовой проволоки раскаляется проходящим через нее током. Чтобы спираль быстро не перегорела, из стеклянного баллона выкачан воздух либо баллон заполнен инертным газом. Спираль укреплена на электродах. Один из них припаян к металлической гильзе цоколя, другой -- к металлической контактной пластине. Их разделяет изоляция. Один из проводов присоединен к гильзе цоколя, а другой -- к контактной пластине, как показано на рис. Тогда ток, преодолевая электрическое сопротивление НИТИ, раскаляет ее.

Рисунок 7.

1.3 Обозначения ламп накаливания

В обозначении ламп накаливания буквы означают: В -- вакуумная; Г -- газонаполненная; Б -- биспиральная; БК -- биспиральная криптоновая (имеет повышенную светоотдачу и меньшие размеры по сравнению с лампами В, Б и Г, но стоит дороже); ДБ -- диффузная (с матовым отражательным слоем внутри колбы); МО -- местного освещения.

За буквами следуют две группы цифр. Они указывают диапазон напряжений и мощность лампы.

Пример. «В 220...230-25» обозначает напряжение 220...230 В, мощность 2-5 Вт. В обозначении может также присутствовать дата выпуска лампы, например, IX 2005.

Лампы мощностью до 150 Вт выпускаются: в бесцветных прозрачных баллонах (световой поток ламп не уменьшается); в матированных изнутри баллонах (световой поток ламп уменьшается на 3%); в опаловых колбах;

Лампы мощностью, до 200 Вт изготавливают как с резьбовыми, так и со штифтовыми нормальными цоколями. Лампы мощностью более 200 Вт выпускаются только с резьбовыми цоколями. Лампы мощностью более 300 Вт выпускаются с цоколем диаметром 40 мм.

1.4 Примеры исполнения стандартных ламп накаливания

Рисунок 8. Примеры исполнения ламп накаливания.

Примеры исполнения ламп накаливания приведены на рис. 2. На рис. 2.а,б -- лампы одинаковой мощности, но на рис. 2.а -- газонаполненная с аргоновым, а на рис. 2.б -- с криптоновым наполнителем (криптоновая). Размеры криптоновой лампы меньше. Лампа на рис. 2.в напоминает свечу. Такие лампы часто применяют в люстрах и настенных светильниках. На рис. 2.г,д,е изображены, соответственно, биспиральная, биспиральная, криптоновая, и зеркальная лампы.

2. Газоразрядные лампы

Опыты по созданию свечения в заполненных газом трубках начались в 1856 году. Свечение большей частью было в невидимом диапазоне спектра. И лишь в 1926 году Эдмунд Джермер предложил увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбуждённой плазмой, в однородный белый свет. В результате, началась эпоха газоразрядных ламп.

В настоящее время Э.Джермер признан как изобретатель лампы дневного света. General Electric позже купила патент Джермера, и к 1938 году довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования.

1927-1933 гг. -- венгерский физик Дэнис Габор, работая в компании Siemens&Halske AG (сегодня компания Siemens), разработал ртутную лампу высокого давления, которая сегодня повсеместно используется в уличном освещении.

Серьезный вклад в совершенствование флуоресцентного порошка, позже названного люминофором, сделал в 30-х годах прошлого века советский физик Сергей Иванович Вавилов.

1961 год -- создание первых натриевых ламп высокого давления. В конце 70-х годов прошлого века компания General Electric первой выпустила на рынок натриевые лампы, а немного позже и металлогалогенные.

В начале 80-х годов появились первые компактные люминесцентные лампы (КЛЛ).

В 1985 году компания OSRAM первой представила лампу со встроенным электронным ПРА.

Рисунок 9. Газоразрядная лампа.

Многообразие газоразрядных ламп можно представить следующей схемой:

Рисунок 10. Схема многообразия газоразрядных ламп.

2.1 Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы -- второй в мире по распространенности источник света, а в Японии они занимают даже первое место. Ежегодно в мире производится более одного миллиарда люминесцентных ламп.

Рисунок 11.Схема питания люминесцентной лампы.

Первые образцы люминесцентных ламп современного типа были показаны американской фирмой General Electric на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1938 году.

За 70 лет существования они прочно вошли в нашу жизнь, и сейчас уже трудно представить какой-нибудь крупный магазин или офис, в котором не было бы ни одного светильника с люминесцентными лампами.

Люминесцентная лампа -- это типичный разрядный источник света низкого давления, в котором разряд происходит в смеси паров ртути и инертного газа, чаще всего аргона. Устройство лампы показано на рис. 1.

Колба лампы -- это всегда цилиндр 1 из стекла с наружным диаметром 38, 26, 16 или 12 мм. Цилиндр может быть прямым или изогнутым в виде кольца, буквы U или более сложной фигуры. В торцевые концы цилиндра герметично впаяны стеклянные ножки 2, на которых с внутренней стороны смонтированы электроды 3. Электроды по конструкции подобны биспиральному телу накала ламп накаливания и также делаются из вольфрамовой проволоки. В некоторых типах ламп электроды сделаны в виде триспирали, то есть спирали из биспирали. С наружной стороны электроды подпаяны к штырькам 4 цоколя 5. В прямых и U-образных лампах используется только два типа цоколей: G5 и G13 (цифры 5 и 13 указывают расстояние между штырьками в мм).

Рисунок 12. Устройство лампы: 1- цилиндр из стекла, 2- стеклянные ножки, 3- электроды, 4- штыри, 5-цоколь, 6- штенгель, 7- инертный газ.

Как и в лампах накаливания, из колб люминесцентных ламп воздух тщательно откачивается через штенгель 6, впаянный в одну из ножек. После откачки объем колбы заполняется инертным газом 7 и в него вводится ртуть в виде небольшой капли 8 (масса ртути в одной лампе обычно около 30 мг) или в виде так называемой амальгамы, то есть сплава ртути с висмутом, индием и другими металлами.

На биспиральные или триспиральные электроды ламп всегда наносится слой активирующего вещества -- это обычно смесь окислов бария, стронция, кальция, иногда с небольшой добавкой тория.

Если к лампе приложено напряжение большее, чем напряжение зажигания, то в ней между электродами возникает электрический разряд, ток которого обязательно ограничивается какими-либо внешними элементами. Хотя колба наполнена инертным газом, в ней всегда присутствуют пары ртути, количество которых определяется температурой самой холодной точки колбы. Атомы ртути возбуждаются и ионизируются в разряде гораздо легче, чем атомы инертного газа, поэтому и ток через лампу, и ее свечение определяются именно ртутью.

В ртутных разрядах низкого давления доля видимого излучения не превышает 2 % от мощности разряда, а световая отдача ртутного разряда -- всего 5-7 лм/Вт. Но более половины мощности, выделяемой в разряде, превращается в невидимое ультрафиолетовое излучение с длинами волн 254 и 185 нм. Из физики известно: чем короче длина волны излучения, тем большей энергией это излучение обладает. С помощью специальных веществ, называемых люминофорами, можно превратить одно излучение в другое, причем, по закону сохранения энергии, «новое» излучение может быть только «менее энергичным», чем первичное. Поэтому ультрафиолетовое излучение можно превратить в видимое с помощью люминофоров, а видимое в ультрафиолетовое -- нельзя.

Вся цилиндрическая часть колбы с внутренней стороны покрыта тонким слоем именно такого люминофора 9, который и превращает ультрафиолетовое излучение атомов ртути в видимое. В большинстве современных люминесцентных ламп в качестве люминофора используется галофосфат кальция с добавками сурьмы и марганца (как говорят специалисты, «активированный сурьмой и марганцем»). При облучении такого люминофора ультрафиолетовым излучением он начинает светиться белым светом разных оттенков. Спектр излучения люминофора -- сплошной с двумя максимумами, около 480 и 580 нм (рис. 2).

Рисунок 13. Спектр излучения люминофора.

Первый максимум определяется наличием сурьмы, второй -- марганца. Меняя соотношение этих веществ (активаторов), можно получить белый свет разных цветовых оттенков, от теплого до дневного. Так как люминофоры превращают в видимый свет более половины мощности разряда, то именно их свечение определяет светотехнические параметры ламп.

В 70-е годы минувшего века начали делать лампы не с одним люминофором, а с тремя, имеющими максимумы излучения в синей, зеленой и красной областях спектра (450, 540 и 610 нм). Эти люминофоры были созданы первоначально для кинескопов цветного телевидения, где с их помощью удалось получить вполне приемлемое воспроизведение цветов. Комбинация трех люминофоров позволила и в лампах добиться значительно лучшей цветопередачи при одновременном увеличении световой отдачи, чем при использовании галофосфата кальция. Однако новые люминофоры гораздо дороже старых, так как в них используются соединения редкоземельных элементов: европия, церия и тербия. Поэтому в большинстве люминесцентных ламп по-прежнему применяются люминофоры на основе галофосфата кальция.

Электроды в люминесцентных лампах выполняют функции источников и приемников электронов и ионов, за счет которых и протекает электрический ток через разрядный промежуток. Для того чтобы электроны начали переходить с электродов в разрядный промежуток (как говорят, для начала термоэмиссии электронов), электроды должны быть нагреты до температуры 1100 - 1200 градусов по Цельсию. При такой температуре вольфрам светится очень слабым вишневым цветом, испарение его очень мало. Но для увеличения количества вылетающих электронов на электроды наносится слой активирующего вещества, которое значительно менее термостойко, чем вольфрам, и при работе этот слой постепенно распыляется с электродов и оседает на стенках колбы. Обычно именно процесс распыления активирующего покрытия электродов определяет срок службы ламп.

Для достижения наибольшей эффективности разряда, то есть для наибольшего выхода ультрафиолетового излучения ртути, необходимо поддерживать определенную температуру колбы. Диаметр колбы выбирается именно из этого требования. Во всех лампах обеспечивается примерно одинаковая плотность тока -- величина тока, деленная на площадь сечения колбы. Поэтому лампы разной мощности в колбах одного диаметра, как правило, работают при равных номинальных токах. Падение напряжения на лампе прямо пропорционально ее длине. А так как мощность равна произведению тока на напряжение, то при одинаковом диаметре колб и мощность ламп прямо пропорциональна длине.

У самых массовых ламп мощностью 36 (40) Вт длина равна 1210 мм, у ламп мощностью 18 (20) Вт -- 604 мм.

Большая длина ламп постоянно заставляла искать пути ее уменьшения. Простое уменьшение длины и достижение нужных мощностей за счет увеличения тока разряда нерационально, так как при этом увеличивается температура колбы, что приводит к увеличению давления паров ртути и снижению световой отдачи ламп. Поэтому создатели ламп пытались уменьшить их габариты за счет изменения формы: длинную цилиндрическую колбу сгибали пополам (U-образные лампы) или в кольцо (кольцевые лампы). В СССР уже в 50-е годы делали U-образные лампы мощностью 30 Вт в колбе диаметром 26 мм и мощностью 8 Вт в колбе диаметром 14 мм.

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

В середине 90-х годов на мировом рынке появилось новое поколение люминесцентных ламп, в рекламной и технической литературе называемое «серией Т5» (в Германии -- Т16). У этих ламп наружный диаметр колбы уменьшен до 16 мм (или 5/8 дюйма, отсюда и название Т5). По принципу работы они также не отличаются от обычных линейных ламп. В конструкцию ламп внесено одно очень важное изменение: люминофор с внутренней стороны покрыт тонкой защитной пленкой, прозрачной и для ультрафиолетового, и для видимого излучения. Пленка защищает люминофор от попадания на него частиц ртути, активирующего покрытия и вольфрама с электродов, благодаря чему исключается «отравление» люминофора и обеспечивается высокая стабильность светового потока в течение срока службы. Изменены также состав наполняющего газа и конструкция электродов, что сделало невозможной работу таких ламп в старых схемах включения. Кроме того. впервые с 1938 года были изменены длины ламп таким образом, чтобы размеры светильников с ними соответствовали размерам стандартных модулей очень модных сейчас подвесных потолков.

Люминесцентные лампы, особенно последнего поколения, в колбах диаметром 16 мм, значительно превосходят лампы накаливания по световой отдаче и сроку службы. Достигнутые сегодня значения этих параметров равны 104 лм/Вт и 40000 часов.

Однако люминесцентные лампы имеют и множество недостатков, которые необходимо знать и учитывать при выборе источников света:

1. Большие габариты ламп часто не позволяют перераспределять световой поток нужным образом.

2. В отличие от ламп накаливания, световой поток люминесцентных ламп сильно зависит от окружающей температуры.

3. В лампах содержится ртуть -- очень ядовитый металл, что делает их экологически опасными.

4. Световой поток ламп устанавливается не сразу после включения, а спустя некоторое время, зависящее от конструкции светильника, окружающей температуры и самих ламп. У некоторых типов ламп, в которые ртуть вводится в виде амальгамы, это время может достигать 10-15 минут.

5. Глубина пульсаций светового потока значительно выше, чем у ламп накаливания, особенно у ламп с редкоземельными люминофорами. Это затрудняет использование ламп во многих производственных помещениях и, кроме того, отрицательно сказывается на самочувствии людей, работающих при таком освещении.

Как было сказано выше, люминесцентные лампы, как и все газоразрядные приборы, требуют для включения в сеть использования дополнительных устройств.

2.2 Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)

Лампа КЛЛ представляет собой люминесцентную лампу изогнутой формы со встроенным электронным балластом. Измененная форма дает возможность более широкого и удобного применения, появилась возможность использовать в меньших светильниках, а так же заменять лампочки накаливания (ввинчивается в цоколи бытовых светильников).

Цоколи компактных люминесцентных ламп разнообразны: 2D, G53, G24Q1, G24Q2, G24Q3, G23, 2G7. А так же Е14 (миньон), Е27 и Е40, которые широко применяются в стандартных светильниках (бытовых патронах). Из-за наличия встроенной ЭПРА, габариты КЛЛ такие же, как и у ламп накаливания при одинаковом световом потоке.

Рисунок 14 - Компактная люминесцентная лампа

Применение встроенного электронного балласта (ЭПРА) увеличивает габариты КЛЛ, но при этом не требует установки никакой дополнительной пусковой аппаратуры. С помощью ЭПРА люминесцентная лампа избавляется от нескольких своих недостатков:

- отсутствует жужжание лампы;

- пропадает видимое человеческому глазу мерцание в связи с повышением частоты питающего напряжения.

Принцип работы КЛЛ ничем не отличается от принципа действия люминесцентной лампы.

Очень часто компактные люминесцентные лампы называют энергосберегающими или же экономичными. Действительно ли их использование способствует экономии денег? Для решения данного вопроса приведем сравнительную таблицу (Рис.15) показателей КЛЛ и ЛН (лампы накаливания):

Рисунок 15. Сравнительная таблица показателей КЛЛ и ЛН.

Исходя из приведенных данных видно, что при гораздо меньшей мощности компактной люминесцентной лампы, ее световой поток такой же, как и у лампы накаливания. Эффективность или КПД их находится в примерном соотношении 1:5. То есть, при применении КЛЛ экономия электрической энергии будет приблизительно 80%.

Но, к сожалению, КЛЛ обладают несколькими недостатками, к которым относятся:

· Значительное снижение срока службы при работе в сетях с перепадами напряжения, а также при частых включениях и выключениях.

· Спектр такой лампы -- линейчатый. Это приводит не только к неправильной цветопередаче, но и к повышенной усталости глаз.

· Компактные люминесцентные лампы содержат 3-5 мг ртути.

· Использование выключателей с подсветкой приводит к периодическому, раз в несколько секунд, кратковременному зажиганию ламп (в качественных лампах невидимому для глаз), что приводит к скорому выходу из строя лампы.

· Обычные компактные люминесцентные лампы несовместимы с диммерами. Стоимость диммируемых ламп примерно в 2 раза выше.

По этим причинам вопрос о новых технологиях при изготовлении источников света оставался открытым. В свет широко шагнули светодиодные лампы.

Размещено на Allbest.ru