Статии

Източници на светлина

(Обзор)

По какво се различават отделните лампи?

Интерес представляват редица параметри на лампите, които определят доколко те са подходящи за един или друг проект (конкретна система за осветление). Преди всичко това са параметрите, характеризиращи количеството светлина, което дава една или друга лампа. На първо място е светлинният поток в лумени (lm), чиято стойност винаги се съдържа в каталозите. Например, монтирана в полилей лампа с нажежаема жичка с мощност 100 W може да има светлинен поток 1200 lm, халогенна лампа с мощност 35 W – 600 lm, а монтирана в осветително тяло натриева лампа с мощност 400 W, осветяваща пътя – 48000 lm. Не е трудно да се забележи, че различните видове лампи имат различно светлоотдаване, което определя ефективността на преобразуване на електрическата енергия в светлина и следователно различна икономическа ефективност при използването им.

Няколко думи за светлоотдаването

Светлоотдаването на лампите се измерва в lm/W (техниците казват "лумени на един ват", като имат предвид, че всеки ват електроенергия се "превръща" в известен брой лумени светлинен поток). Това е най-важният параметър на лампите по отношение на енергийната ефективност и развитието на източниците на светлина до голяма степен е повишаване на тяхното светлоотдаване, приближавайки се до теоретичната граница. Тази граница, т.е. максималната стойност на светлоотдаването при "идеално" преобразуване на електрическата енергия в светлина, може да се определи за различните видове лампи. За да се направи това не трябва да забравяме връзката между възприеманата от човешкото око светлина (системата от характеристики на светлината, в това число и светлинния поток, измерван в лумени) и излъчваната мощност (измерена във ватове, както се полага за мощност). Това съотношение, или чувствителността на средното човешкото око, зависи от дължината на вълната на излъчване и е с максимум в жълто-зелената част на спектъра (555 nm).

Графиката на тази зависимост – добре познатата "крива на видимостта" - определя колко лумена "видима светлина" носи в себе си всеки ват лъчиста енергия на монохромен ("едноцветен") източник с определена дължина на вълната. При идеално (без загуби) преобразуване на електрическата енергия в светлина кривата на видимостта показва максималното светлоотдаване на източника на светлина с даден цвят. Така за 555 nm, ще получим "абсолютен рекорд" за светлинна ефективност - 683 lm/W, а за 630 nm (червен цвят) - само 180 lm/W. Лампи, даващи бяла светлина, която е смес от различни излъчвания, може да имат различен спектър: линеен, на ивици, непрекъснат. В зависимост от спектъра максимално възможното светлоотдаване може да бъде различно.

Преразпределяне на потоците

И така, ние определихме нужните енергитични и спектрални характеристики на лампата, осигурявайки необходимото количество и качество светлина. Оказва се, че това не е достатъчно. Нашата цел е създаването на визуален образ, светлинна сцена, просто казано - "картинка", която да отразява нашите художествени идеи. За целта е необходимо да се организира правилното разпределение на светлината в пространството. Разбира се, преобладаваща роля тук играе не лампата, а осветителното тяло, което отговаря за преразпределяне на потока светлина, както и избора на тип осветяване. Все пак, източникът на светлина играе твърде важна роля. На първо място, важни са размерите на излъчвателя (нажежаемата спирала, горелка и т.н.). Точковидният източник дава рязка, подчертаваща светлина, акцентира текстурата на повърхността, създава "драматични" контрасти. Колкото по-малко е тялото, излъчващо светлина, толкова по-лесно е да се използва помощна оптика - рефлектори и лещи за постигане на точно преразпределяне на светлиния поток в пространството, например, да се фокусира светлината в един тесен лъч. От друга страна, лампи с голяма светеща повърхност (например луминесцентните лампи), създават обратен светлинен ефект. "Меката" светлина омекотява контрастите, размива сенките, създава приятен и уютен образ, който обаче може да бъде неизразителен. Съответно такава светлина трудно се фокусира. Зтова луминесцентните лампи обикновено не се използват в прожектори.

Сериозно за експлоатацията

Лампите изгарят. Освен това, светлинният поток на лампите намалява в процеса на работата им. Срокът на годност е важен експлоатационен параметър, който отразява тези два неприятни факта. Различават пълен (докато лампата изгори) и полезен (докато светлинният поток не падне под определена граница) срок на годност. Проектирайки дадена система за осветление не трябва да забравяме за нейната експлоатация, по-конкретно за подмяната на лампите. Честата замяна на лампи в трудно достъпни места може да превърне в кошмар поддържането на системата за осветление. Още по-лоша алтернатива е продължителната работа на системата с изгорели лампи, унищожаващи образа на светлината, което е доста актуално за екстериорни архитектурни осветителни инсталации.

Съвременните източници на светлина значително се различават по своя срок на годност. Абсолютен лидер тук са светодиодите: лампата с нажежаема жичка е трябвало да се смени стотици пъти, а светодиодите светят и светят...

Колко лампи са необходими за осветяване на света?

Източниците на светлина са един от най-популярните продукти, произвеждани от човека. Ежегодно се произвеждат и консумират няколко милиарда лампи, по-голямата част от които са с нажежаема жичка. Стремително нараства потреблението на съвременни лампи – компактни луминисцентни, натриеви, металхалогенни. Ултрасъвременните светодиоди дават примамливи перспективи както по отношение на енергийната ефективност, така и за дизайна на осветителни прибори. Продължаващите качествени изменения ни позволяват да се надяваме, че източниците на светлина през новото хилядолетие ще бъдат важно средство за архитекти, проектанти и просто творчески личности - главните герои на настъпващата ера на дизайна.

Лампи с нажежаема жичка

Принципът на действие на лампите с нажежаема жичка е следният. Волфрамова спирала, поставена в колба, от която се изпомпва въздуха, се нагрява с електрически ток. За повече от 120-годишната им история е създаден огромен брой лампи с нажежаема жичка – от миниатурни лампи за джобни фенерчета до лампи за прожектори с мощност 0,5 kW. Типичното за лампите с нажежаема жичка светлоотдаване от 10-15 lm/W изглежда много необедително на фона на рекордните постижения на другите видове лампи. Лампите с нажежаема жичка са по-скоро нагреватели, отколкото осветители: лъвският пай от консумираната електроенергия се превръща в топлина, а не в светлина. В тази връзка, непрекъснатият спектър на лампите с нажежаема жичка е с максимум в инфрачервената област и постепенно пада с намаляването на дължината на вълната. Този спектър определя топлият тон на излъчваната светлина (цветна температура 2400-2700 K) при отлично цветопредаване (Ra=100).

Срокът на годност на лампите с нажежаема жичка обикновено не превишава 1000 часа, което по международни стандарти е много малко. Какво принуждава хората да си купуват (15 милиарда евро годишно!) толкова неефективни и краткотройни източници на светлина? Освен силата на навика и много ниската първоначална цена (което, между другото, не означава, че използването на лампи с нажежаема жичка е икономически ефективно) причината за това е, че има огромен избор от декоративни видове стъклени колби за лампите с нажежаема жичка.

Халогенни лампи

Добре познатите на интериорните дизайнери халогенни лампи са съвременен вариант на лампите с нажежаема жичка. Добавянето на халогениди в колбата на лампата, използването на специални видове кварцово стъкло, «спирането» на ултравиолетовите лъчи, «връщането» на топлинното излъчване към спиралата на лампата чрез специални отразители – тези технологични постижения позволиха да се направи сериозна крачка напред, отделяйки халогенните лампи в нов клас източници на светлина. Типичната за халогенните лампи цветна температура е Tцв=3000 K. Съществуват и халогенни лампи за «дневна светлина» с Tцв=4000-4200 K и дори 6000 K. Те имат отлично цветопредаване (Ra=100). «Точковата» форма на лампата позволява да се управлява широчината на «лъча» в широки граници с помощта на миниатюрни отражатели. Получената по този начин светлина прави халогенните лампи приоритетни в интериорния дизайн, където те де факто са стандарт. Въпреки това, негативни фактори като нагряването на халогенните лампи ограничават областта на тяхното приложение. Обичайни в интериора поради възможността за използване на миниатюрни осветителни прибори, халогенните лампи изместват традиционните лампи-прожектори PAR в ландшафтните инсталации за външно осветление (осветление на растителност, подводно осветление и т.н.).

Недостатъците на халогенните лампи са очевидни: недостатъчно светлоотдаване и сравнително кратък живот (средно 2000-4000 часа). Когато естетическия аспект е по-важен от икономическия приемаме тези недостатъци. В останалите случаи прибягваме до лампите, описани по-долу.

Луминесцентни лампи

Луминисцентните лампи (разрядните лампи с ниско налягане) са цилиндрични тръби с електроди, в които са впръснати живачни пари.

Под въздействието на електрическия разряд живачните пари излъчват ултравиолетови лъчи, които от своя страна предизвикват излъчване на видима светлина от нанесения върху стените на тръбата луминофор. Два различни типа луминисцентни лампи са класически пример за компромис в техниката. Лампите с трислоен луминифор са по-икономични (светлоотдаване до 104 lm/W), но имат по-лошо цветопредаване (Ra=80), лампите с петслоен луминифор имат отлично цветопредаване (Ra=90-98) при по-малко светлоотдаване (до 88 lm/W). Луминисцентните лампи предоставят мека равномерна светлина, но разпределението на светлината в пространството е трудно управляемо поради голямата повърхност на излъчване. За работата на луминисцентните лампи е необходим специален баласт. Най-икономични са съвременните електронни баласти, чиято разработка е една от най-перспективните насоки за развитие на модерно осветление.

Едно от основните предимства на луминисцентните лампи е тяхната дълготрайност (срок на годност до 20000 часа). Благодарение на своята икономичност и дълготрайност луминисцентните лампи са най-разпространените източници на светлина в офиси и предприятия. В страни с мек климат луминисцентните лампи широко се използват за осветяване на градовете. В студените райони тяхното разпространение е възпрепятствано от намаляването на светлинния поток при понижаване на температурата. При «усукване» на тръбата на луминисцентната лампа в спирала се получава компактна луминисцентна лампа. Нейните параметри са близки до тези на линейната луминисцентна лампа (светлоотдаване до 75 lm/W, Тцв=2700-6000 К, Ra=80 и повече). Компактните луминисцентни лампи са предназначени преди всичко за замяна на лампите с нажежаеми жичка в най-различни приложения.

Газоразрядни лампи с високо налягане

Принципът на работа на газоразрядните лампи с високо налягане – веществото в разрядната тръба свети под въздействие на електрическа дъга.

Дъговите разрядни лампи са доста по-стари от лампите с нажежаема жичка – електрическата дъга е на повече от 200 години. Две са основните вещества, които се използват в лампите с високо налягане – живак и натрий. И двете имат достатъчно тясна лента на излъчване: живакът - в синята област на спектъра, натрият - в жълтата, така че цветопредаването на живачните (Ra = 40-60) и особенно на натриевите лампи (Ra=20-40) е незадоволително. Добавянето в разрядните тръби на живачните лампи на халогениди на различни метали създаде нов клас източници на светлина – металхалогенните лампи, характеризиращи се с много широк спектър на излъчване и прекрасни параметри: голямо светлоотдаване (100 lm/W), добро и дори отлично цветопредаване Ra=80-98, Tцв варира от 3000 K до 6000 K, средният срок на годност е около 15 000 часа.

Един от малкото недостатъци на металхалогенните лампи – ниската стабилност на параметрите им в течение на срока на годност, успешно е преодолян с изобретяването на лампите с керамични горелки. Металхалогенните лампи успешно се прилагат в различни случаи – архитектурно, ландшафтно, техническо и спортно осветление. Още по-широко приложение намират натриевите лампи. Днес те са едни от най-икономичните източници на светлина (до 150 lm/W). Огромен брой натриеви лампи се използват за осветление на пътища. В Москва натриеви лампи често се използват по икономически съображения за осветяване на пешеходни зони, което не винаги е уместно поради преоблеми с цветопредаването.

Светодиоди

Полупроводниковите светлоизлъчватели – светодиодите – са източниците на светлина на бъдещето. Ако говорим за сегашното състояние на «твърдотелната светлотехника», можем да кажем, че тя излиза от периода на ранното си детство. Постигнатите характеристики на светодиодите (светодиоди за бяла светлина със светлоотдаване до 25 lm/W при мощност на устройството до 5 W, Ra=80-85, срок на годност 100 000 часа) вече са им осигурили лидерство в светлинната сигнализация, автомобилната и авиационна техника. Светодиодите са на ръба на инвазията на пазара за общо осветление и това ще се случи в близките години.