Какой источник света выбрать для проекта?

Когда заглядываешь в каталог производителя ламп и читаешь описания продукции, складывается впечатление, будто каждая лампа — идеальна: покупай, вкручивай и наслаждайся светом. Однако не все так просто.

Лампы — это искусственный источник света. Они делятся на три вида: тепловые излучатели, газоразрядные и светодиодные лампы. У каждого вида свои особенности и принцип работы. И если их не знать, легко допустить ошибку и выбрать совершенно неподходящие источники света.

В этом уроке детально разберем каждый вид ламп, чтобы вы могли легко определять, какие источники света больше подойдут к тому или иному проекту.

Чтобы вас не утомлять, разделили урок на две части. В этой расскажем об основных характеристиках источников света и опишем принцип работы тепловых излучателей и газоразрядных ламп. Вторую часть посвятим твердотельным источникам света — светодиодам.

Интересный факт

Человек тоже является источником света. Простыми словами, мы тоже светимся. Однако мы не видим нашего свечения, потому что оно слишком тусклое для зрения.

У каждой лампы свои особенности. Чтобы проще было подбирать нужные, придумали специальные критерии: световой спектр, цветовая температура и спектральное распределение энергии.

Цветовая температура показывает, какой свет излучается: теплый или холодный. Чем ниже цветовая температура, тем свет теплее — в нем содержится больше инфракрасного излучения. И наоборот: чем выше цветовая температура, тем свет холоднее — в нем больше синих и ультрафиолетовых лучей. Цветовая температура измеряется в Кельвинах.

Изменение цвета излучения с изменение цветовой температуры

Световой спектр — это состав излучаемого света. Он показывает, лучи каких цветов присутствуют в свете. Например, в излучении лампы накаливания присутствуют все цвета, а в светодиодах, излучающих белый свет, только три: красный, синий и желтый.

Спектральное распределение энергии показывает, сколько энергии приходится на каждый цвет излучения. Вместе со световым спектром оно влияет на цвет света и зависит от цветовой температуры. Эту зависимость мы показываем ниже, в разделе про тепловые излучатели. А подробно о влиянии светового спектра и распределения энергии на цвет света рассказываем в 6-ом уроке.

Изменение цвета излучения с изменение цветовой температуры

Тепловой излучатель — это твердое тело, которое при нагреве начинает излучать электромагнитные волны (в том числе и свет). Если нагреть такое тело до 525°С, оно начнет излучать тускло-красный свет. Если продолжить нагрев, то излучение станет сначала ярко-красным, потом оранжевым, желтым и белым.

В природе тепловым излучателем является солнце. По такому же принципу работают лампы накаливания и галогенные лампы. А в качестве твердого тела, излучающего свет, используется нить накала.

Световой спектр тепловых излучателей включает электромагнитные волны всех длин из видимого диапазона. То есть — все цвета радуги. При этом в излучении нет четкой границы перехода от одного цвета к другому. Смена происходит плавно. Поэтому спектр тепловых излучателей называют сплошным или непрерывным.

Непрерывный (сплошной) спектр

Откуда взялся термин цветовая температура?

Этот термин пошел от тепловых излучателей, потому что с изменением температуры нагрева менялся цвет их излучения.

Другие источники света (газоразрядные лампы и светодиоды) светятся не за счет тепла, там используются другие процессы. Но чтобы было представление о том, какой свет они излучают, к ним тоже применяют термин цветовой температуры.

Что касается спектрального распределения энергии тепловых излучателей, то оно показано ниже:

Этот график сообщает о следующем:

• энергия излучения тепловых излучателей распределяется в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах;
• чем выше цветовая температура, тем больше энергии приходится на короткие волны (свет становится более синим и холодным);
• больше всего энергии приходится на видимый свет при температуре 3700-7600 К.

Также из графика выше вытекает главный недостаток ламп накаливания и галогенных ламп. Нить накала в них нагревается до температуры 2700-3000 К. При такой температуры большая часть энергии уходит на образование тепла, и лишь малая часть — на образование света.

Тепловые излучатели самые неэффективные источники света

Из-за небольшой эффективности тепловых излучателей изобретатели стали искать другие способы заставить что-то светиться. И подсмотрели такой способ у природы, когда та метала молнии. Так родились домашние молнии - газовые разряды.

Молнии образуются за счет того, что через газы, находящиеся в воздухе, проходит поток электронов. Этот принцип был перенесен в газоразрядные лампы. Рассмотрим их подробнее.

Свет в газе образуется, когда его атомы сталкиваются со свободно движущимися электронами. Вопрос: откуда взяться электронам в газе?

Для этого газ закачивают в прозрачную трубку — она называется разрядная трубка. На концах этой трубки закреплены по одному электроду: положительный (анод) и отрицательный (катод). На анод подают положительный заряд, а на катод — отрицательный. Когда между катодом и анодом возникает разность напряжений, электроны отделяются от катода и движутся к аноду. По пути они сталкиваются с атомами газа. В результате образуется свечение.

Принцип работы газоразрядных источников света

У газоразрядных ламп спектральное распределение мощности не сплошное, как у тепловых излучателей, а дискретный — это когда происходит резкий переход от одного цвета к другому. На рисунке ниже показана разница:

Газоразрядные лампы в 8-15 раз эффективнее ламп накаливания

Газоразрядные лампы делятся на 2 вида: низкого (ГРЛНД) и высокого давления (ГРЛВД). Различие состоит в давлении газа внутри разрядной трубки:

• в ГРЛНД оно близко к давлению в вакууме — около 10^-5 атмосфер;
  
• в ГРЛВД — около 1 атмосферы, при этом температура газа внутри ламп может доходить до 4000-6000 °С.

Кроме этого, газоразрядные лампы бывают ртутными (люминесцентные и металлогалогенные) и натриевыми. Ртутные наполнены парами ртути, а натриевые — парами натрия.

Ртутные лампы высокого давления (ДРЛ) или люминесцентные лампы применяют для освещения цехов, дворов промышленных предприятий и других мест, где главное, чтобы была хорошая освещенность, а цветопередача и цветовая температура неважна.

Ртутные (люминесцентные) лампы

Металлогалогенные лампы высокого давления (ДРИ) используют в освещении улиц и спортивных сооружений, для наружной подсветки зданий, витрин и щитов, во внутреннем освещении. У них хорошая цветопередача. Кроме паров ртути, в них присутствуют специальные добавки, благодаря которым можно изменять цвет свечения.

Металлогалогенное освещение «Русских горок». Спроектировано и построено «Азбукой Света»

Натриевые лампы низкого давления (НЛНД) применяются в основном в Европе для освещения загородных автострад. Они обладают желтым свечением и обеспечивают хорошую освещенность. В других целях их лучше не использовать, потому что под светом таких ламп невозможно различить цвета предметов.

Автострада, освещенная натриевыми лампами низкого давления

Натриевые лампы высокого давления (НДВД) обычно используются в промышленном растениеводстве для дополнительного освещения растений, чтобы они росли круглый год.

Теплица для выращивания роз, освещенная натриевыми лампами высокого давления

Слева: 4 разных люминесцентных порошка под белым светом. Справа: те же порошки под ультрафиолетовым излучением

Ртутные лампы идеальны для медицинских учреждений. Они излучают ультрафиолетовый свет и уничтожают микробы. Именно их используют в кварцевании.

Чтобы использовать ртутные лампы в быту, придумали способ преобразовать ультрафиолет в видимый свет. Для этого используют люминофор — его еще называют люминесцентными или флуоресцентным порошком. Им покрывают внутреннюю часть разрядной трубки. Отсюда и пошло название люминесцентные светильники.

Люминофоры бывают разные. Чтобы лампа излучала свет нужного цвета, несколько видов люминофора смешивают в определенных пропорциях.

Если взять разрядную трубку, подсоединить к ней анод и катод, закачать газ и подключить к сети, гореть она не будет. Чтобы она начала излучать свет и делала это исправно положенный срок, требуется 2 вспомогательных оборудования: импульсное зажигающее устройство и балласт.

Импульсное зажигающее устройство. Во многих газоразрядных лампах разности напряжения бывает недостаточно, чтобы заставить электроны отделяться от катода. Поэтому им нужен помощник в виде специального устройства для запуска. Это как в сказке «Репка» — в одиночку дед не смог вытащить репку, поэтому позвал на помощь домочадцев. В роли помощника для запуска газоразрядной лампы выступает импульсное зажигающее устройство (ИЗУ).

ИЗУ работает следующим образом: при включении он начинает порциями выдавать высокое напряжение, благодаря которому образуется электрическая дуга. Подобное устройство может быть отдельным элементом на лампе, а в более современных исполнениях его задачу выполняет электронный балласт.

Балласт. Ударная ионизация, которая происходит внутри разрядной трубки, увеличивает число свободных электронов. С увеличением числа свободных электронов увеличивается ток, проходящий через трубку. Если его не ограничить, лампа быстро выйдет из строя. Для ограничения тока используют балласт.

Газоразрядные лампы очень эффективны. Однако они содержат токсичные вещества, которые могут навредить здоровью человека и экологии. Поэтому ими нужно пользоваться аккуратно и утилизировать особым образом. Сейчас мир постепенно отказывается от их производства и применения.

Газоразрядные лампы эффективны,
но токсичны

1. Источники света имеют 3 характеристики:

• световой спектр, показывающий из электромагнитных волн какой длины состоит излучение;
• цветовая температура, дающая представление о том, теплый или холодный свет излучает светильник;
• спектральное распределение энергии показывает, как распределена энергия между электромагнитными волнами излучения — грубо говоря, на электромагнитные волны какой длины уходит большая часть энергии.

2. Тепловые излучатели образуют свет за счет нагрева. В их излучении присутствуют все цвета из видимого диапазона. А главный их недостаток — низкая эффективность: большая часть энергии уходит на образование тепла, а не света.

3. Газоразрядные лампы образуют свет за счет электрического разряда. Разряд образуется в результате столкновения электронов с атомами газа, который закачивают в лампы. Газами служат пары ртути и натрия — это и есть их главный недостаток. Они токсичны.

4. Газоразрядные лампы бывают низкого и высокого давления, натриевые и ртутные.

5. В ртутных лампах образуется ультрафиолетовое излучение. Чтобы преобразовать ультрафиолет в свет, используется люминофор. Это порошок, которым покрывают колбу лампы.

7. Для работы газоразрядных ламп необходимо дополнительное оборудование:

• импульсное зажигающее устройство, которое вырабатывает порции высокого напряжения, чтобы заставить электроны отделяться от катода и сталкиваться с атомами газа;
• балласт, который ограничивает ток внутри лампы.

8. Срок службы:

• лампы накаливания — 1000 часов;
• галогенной лампы — 1000-6000 часов;
• газоразрядной лампы — 10-25 тыс. часов.

На сегодня все. В следующей части поговорим о твердотельных излучателях, которые более известны как светодиоды.

Всегда ваша,
команда Азбуки Света

Отписаться от бесплатного курса по основам света можно здесь