Билет 1.
- Основные светотехнические величины. Единицы их измерения.
Световой поток
Характеризует мощность видимого излучения по её воздействию на глаз человека в специальных единицах – люменах [Лм]. Обычная лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1300 Лм, а металлогалогенная лампа мощностью 70 Вт – 6000 Лм.
Освещённость
Это поверхностная плотность светового потока, падающего на площадку заданной величины. Единица освещённости – люкс [Лк]. Чаще всего нормируется горизонтальная освещённость (в горизонтальной плоскости). Диапазон уровней освещённости составляет при искусственном освещении от 1 до 20 Лк на улице и от 20 до 5000 Лк в помещении. В природных условиях освещённость E=0,2 Лк в полнолуние, 5000 – 10000 Лк днём при сплошной облачности и до 100000 Лк в ясный солнечный день.
Сила света
Это пространственная плотность светового потока, ограниченная телесным углом. Единица измерения силы света – кандела [кд].
Яркость
равна отношению силы света в направлении точки наблюдения к видимой из этой точки площади светящей поверхности (проекции). Единица яркости – кд/м2. Яркость непосредственно связана с уровнем зрительного ощущения, а распределение яркости в поле зрения (например, в интерьере) характеризует качество освещения. В полной темноте человек реагирует на яркость в одну миллионную долю кд/м2. Сплошной светящий потолок при яркости более 500 кд/м2 оказывает дискомфортное влияние. Яркость солнца – около 1 000 000 000 кд/м2, а люминесцентной лампы – 5-11 тысяч кд/м2.
Коэффициенты отражения [ρ] и пропускания [τ]
Определяются как отношение отраженного [ρ] или пропущенного [τ] материалом светового потока к упавшему световому потоку.
При светлой отделке помещений (особенно при малых по отношению к высоте размерах) очень заметно возрастают уровни освещенности. По нормам России фон считается светлым при коэффициенте отражения более 0,4, средним – от 0,2 до 0,4 и тёмным – менее 0,2. При увеличении коэффициента отражения фона – видимость объекта улучшается.
Световая отдача
Это главная характеристика энергоэкономичности ламп и она равна отношению светового потока лампы к её мощности. Применение ламп с высокой световой отдачей – основной путь экономии электроэнергии в осветительных установках. Например, путём замены ламп накаливания, световая отдача которых 7-22 лм/Вт, компактными люминесцентными лампами (50-90 лм/Вт) можно снизить расход электроэнергии в среднем в 5-6 раз, не уменьшая уровня освещённости.
Показатели ослеплённости и дискомфорта
Эти показатели характеризуют прямое слепящее действие источников света или светильников. По показателю ослеплённости можно судить о степени ухудшения видимости при действии блёских источников света. Например, при значении этого показателя, равном 100, видимость снижается на 10%. По российским нормам для точных производственных работ значение показателя ослеплённости должно быть не выше 20. Показатель дискомфорта (М) характеризует степень неудобства или напряженности при наличии в поле зрения источников повышенной яркости.
Цилиндрическая освещенность [Ец]
Характеризует насыщенность помещения светом и определяется (в люксах) как средняя вертикальная освещенность, создаваемая в заданной точке наблюдения. В России эта величина нормируется в таких помещениях как холлы, парадные вестибюли, зрительные, выставочные, читальные и торговые залы, залы заседания и приёмов и т.п. Повышенная насыщенность светом создаётся при уровнях Ец не менее 100 лк.
Цвет и цветность
Понятие цвета определяется, как свойство видимого излучения вызывать зрительное ощущение цветности (цветовой тон + насыщенность) и яркости предметов. Цветовой тон (красный, оранжевый и т.д.) характеризуется длиной волны видимого излучения, а насыщенность – чистотой цвета, связанной со степенью приближения к спектрально чистому цвету от точки белого.
Цветовая температура [Тц]
характеристика источников света, определяющая цветность ламп и цветовую тональность (тёплую, нейтральную или холодную) освещаемого этими лампами пространства. Она примерно равна температуре нагретого тела одинакового по цвету с заданным источником света. Выражается в температурной шкале Кельвина: Т = (градусы Цельсия +273) К.
Индекс цветопередачи [Ra]
Одна из основных цветовых характеристик качества разрядных ламп. Характеризует степень воспроизведения цветов различных материалов при их освещении лампой при сравнении с эталонным источником света. Наивысшее значение Ra=100. Наихудшие по цветопередаче натриевые лампы высокого давления имеют Ra=25.
Коэффициент пульсации освещенности [Кп]
Характеризует относительную глубину пульсации освещенности (в %) в заданной точке помещения при питании ламп от сети переменного тока. Неконтролируемая пульсация освещенности приводит к повышенной опасности травматизма при работе с движущимися и, в особенности, с вращающимися объектами, а также к зрительному утомлению. В нормах России для большинства зрительных работ установлено значение Кп не более 20.
- Градостроительные, архитектурно-планировочные и конструктивно-технические мероприятия по регулированию уровня инсоляции в зданиях и на открытых площадках.
Инсоля́ция — (in-sol, in — внутрь, solis — солнце) — облучение поверхностей солнечным светом (солнечной радиацией). Инсоляцией называют облучение поверхности, пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент времени центр солнечного диска.
Архитектурные способы регулирования:
1)расположение окон с учетом сторон света;
2)размер окон с учетом светоклиматеческой зоны
Градостроительные способы регулирования:
1)расстояние между сооружениями и их взаиморасположение;
Так же играет роль конструкция самого окна – тип переплета (материал, размеры), количество стеклопакетов, толщина стекла.
- Механизмы теплопередачи: теплопроводность и конвективный теплообмен. Их законы
Конвективный теплообмен - процесс переноса тепла, происходящий в движущихся текучих средах (жидкостях либо газах) и обусловленный совместным действием двух механизмов переноса тепла — собственно конвективного переноса и теплопроводности. Таким образом, в случае конвективного теплообмена распространение тепла в пространстве осуществляется за счёт переноса тепла при перемещении текучей среды из области с более высокой температурой в область с меньшей температурой, а также за счёт теплового движения микрочастиц и обмена кинетической энергией между ними. Обычно при инженерных расчетах определяется конвективный теплообмен между жидкостью и твердой стенкой, называемый теплоотдачей. Согласно закону Ньютона—Рихмана, тепловой поток Q от стенки к жидкости пропорционален поверхности теплообмена и разности температур между температурой твердой стенки tc и температурой жидкости tж:
Q=α*F(tc-tж)
Главная трудность расчета заключается в определении коэффициента теплоотдачи α, зависящего от ряда факторов: физических свойств омывающей поверхность жидкости (плотности, вязкости, теплоемкости, теплопроводности), формы и размеров поверхности, природы возникновения движения среды, скорости движения.
По природе возникновения различают два вида движения — свободное и вынужденное. Свободное движение происходит вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц жидкости, находящейся в поле действия сил тяжести; оно называется также естественной конвекцией и зависит от рода жидкости, разности температур, объема пространства, в котором протекает процесс.
Вынужденное движение возникает под действием посторонних побудителей (насоса, вентилятора, ветра). В общем случае наряду с вынужденным движением одновременно может развиваться и свободное. Относительное влияние последнего тем больше, чем больше разность температур в отдельных точках жидкости и чем меньше скорость вынужденного движения.
Движение жидкости может быть ламинарным или турбулентным. При ламинарном режиме частицы жидкости движутся послойно, не перемешиваясь. Турбулентный режим характеризуется непрерывным перемешиванием всех слоев жидкости.
Билет 2
- Световой климат. Светоклиматические зоны (светоклиматические группы) на территории СНГ и России. Коэффициент «m» светового климата и коэффициент солнечности «С». Особенности учета коэффициента «С» при нормировании к.е.о. по СНиПу 1995г.
Всю территорию СНГ делили на 5 светоклиматических зон; три из них (северные) подразделяли ещё на два района (каждая) в зависимости от состояния (устойчивости) снежного покрова. Смысл последнего деления в том, что, при прочих одинаковых условиях, из-за высокого альбедо снега яркость диффузного неба повышается, а, следовательно, повышается и освещенность в помещении. Коэффициент «m» светового климата определяется по таблице и является своим для каждого пояса светового климата. За единицу принимают 3 светоклиматическую зону, к которой относится Москва.
- Расчет сопротивления теплопередачи однослойной и многослойной плоской ограждающей конструкции.
Передача теплоты от одной подвижной среды (жидкости или газа) к другой через разделяющую их твердую стенку любой формы называется теплопередачей.
Требуемое сопротивление теплопередаче ограждающих конструкций,
отвечающих санитарно-гигиеническим и комфортным условиям, определяем по
формуле:
R0тр=(n×(tв-tн))/ϫtн×αв
- Координаты Солнца на небосводе (высота, азимут). Траектории Солнца на небосводе в характерные дни года (осенне-весеннего равноденствия, летнего и зимнего солнцестояния)
Система небесных координат используется в астрономии для описания положения светил на небе или точек на воображаемой небесной сфере. Координаты светил или точек задаются двумя угловыми величинами (или дугами), однозначно определяющими положение объектов на небесной сфере. Таким образом, система небесных координат является сферической системой координат, в которой третья координата — расстояние — часто неизвестна и не играет роли.
Горизонтальная система координат
В этой системе центр помещается в месте нахождения наблюдателя на поверхности земли, основной плоскостью является плоскость математического горизонта. Одной координатой при этом является либо высота светила h, либо его зенитное расстояние z. Другой координатой является азимут A.
Высотой h светила называется дуга вертикального круга от математического горизонта до светила, или угол между плоскостью математического горизонта и направлением на светило. Высоты отсчитываются в пределах от 0° до +90° к зениту и от 0° до −90° к надиру.
Зенитным расстоянием z светила называется дуга вертикального круга от зенита до светила, или угол между отвесной линией и направлением на светило. Зенитные расстояния отсчитываются в пределах от 0° до 180° от зенита к надиру.
Азимутом A светила называется дуга математического горизонта от точки юга до вертикального круга светила, или угол между полуденной линией и линией пересечения плоскости математического горизонта с плоскостью вертикального круга светила. Азимуты отсчитываются в сторону суточного вращения небесной сферы, то есть к западу от точки юга, в пределах от 0° до 360°. Иногда азимуты отсчитываются от 0° до +180° к западу и от 0° до −180° к востоку. (В геодезии азимуты отсчитываются от точки севера.)
Билет 3
- Нормирование искусственного освещения производственных, общественных, административных и жилых помещений (зданий).
Нормируемыми параметрами при искусственном освещении являются горизонтальная освещенность рабочей поверхности Ен, а также пульсация светового потока. Для общественных зданий нормируется также цилиндрическая освещенность, которая характеризует общую светонасыщенность помещения.
При нормировании освещения в производственных зданиях в зависимости от размера объекта различения делятся в соответствии со СНиП 25.05-95 на 8 разрядов в зависимости от размера объекта различения (I - наивысшей точности, II - очень высокой точности, III - высокой точности и т.п.), причем разряды с I по V разбиваются на 4 подразряда (а, б, в, г) в зависимости от контраста детали различения с фоном и коэффициента отражения фона. Для каждого подразряда установлены определенные значения освещенности, понижающиеся по мере увеличения размера объекта различения, увеличения контраста с фоном, увеличения коэффициента отражения фона.
Для общественных зданий вводятся три разряда зрительной работы, каждый из которых делится на два подразряда в зависимости от времени непрерывной зрительной работы (не менее 75% от рабочего времени и менее 75%).
- Спектральный состав света. Видимая область, инфракрасное (ИК) и ультрафиолетовое (УФ) излучения. Диапазоны УФ излучения.
СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ СВЕТА
Оптическая область спектра электромагнитные излучений состоит из трех участков: невидимых ультрафиолетовых излучений (длина волн 10—400 нм), видимых световых излучений (длина волн 400—750 нм), воспринимаемых глазом как свет и невидимых инфракрасных излучений (длина волн 740 нм — 1—2 мм).
Световые излучения, воздействующие на глаз и вызывающие ощущение цвета, подразделяют на простые (монохроматические) и сложные. Излучение с определенной длиной волны называют монохроматическим.
Простые излучения не могут быть разложены ни на какие другие цвета.
Спектр — последовательность монохроматических излучений, каждому из которых соответствует определенная длина волны электромагнитного колебания.
При разложении белого света призмой в непрерывный спектр цвета в нем постепенно переходят один в другой. Принято считать, что в некоторых границах длин волн (нм) излучения имеют следующие цвета:
390—440 – фиолетовый
440—480 - синий
480—510 – голубой
510—550 – зеленый
550—575 - желто-зеленый
575—585 - желтый
585—620 – оранжевый
630—770 – красный
Глаз человека обладает наибольшей чувствительностью к желто-зеленому излучению с длиной волны около 555 нм.
Различают три зоны излучения: сине-фиолетовая (длина волн 400—490 нм), зеленая (длина 490—570 нм) и красная (длина 580—720 нм). Эти зоны спектра являются также зонами преимущественной спектральной чувствительности приемников глаза и трех слоев цветной фотопленки. Свет, излучаемый обычными источниками, а также свет, отраженный от несветящихся тел, всегда имеет сложный спектральный состав, т. е. - состоит из суммы различных монохроматических излучений. Спектральный состав света — важнейшая характеристика освещения. Он непосредственно влияет на светопередачу при съемке на цветные фотографические материалы.
Один и тот же цвет может быть получен смешением различных излучений. Цвета излучений, имеющие различный спектральный состав, но визуальна воспринимающиеся одинаковыми, называются метамерными.
Метамерные цвета играют большую роль в практике цветных съемок, так как источники света, имеющие одинаковый цвет, но различный спектральный состав, могут давать заметные изменения цветовых соотношений на цветной пленке. Это важно учитывать при использовании смешанного освещения.
Фотопленки же в зависимости от назначения могут иметь наибольшую чувствительность к любым участкам спектра.
3. Тепловая инерционность ограждающих конструкций (и помещения в целом) при периодических изменениях теплового потока. Коэффициент теплоусвоения.
Тепловая инерционность – это свойство ограждения сохранять относительно постоянную температуру внутренней поверхности при периодических изменениях внешних тепловых воздействий (колебания температуры наружного воздуха и солнечной радиации).
Характеризуется D=R1s1+R2s2+…+Rnsn, где R – коэффициент сопротивления теплопередачи слоев ограждения, а s - коэффициенты теплоусвоения материалов отдельных слоёв за период в 24 ч.
Билет 4
- Светоцветовое зонирование территории города, формирование светопространств и световых ансамблей с учетом масштаба восприятия (ландшафтного, ансамблевого и интимного (камерного)).
Одной из главных нормативных задач генерального плана города является функциональное зонирование его территории. Вечером эта светопланировочная задача может решаться с помощью светоцветового зонирования как трехчастная на разных стадиях проектирования:
* светоцветовое макрозонирование всей территории города или его фрагмента на генеральном плане на основные структуроформирующие системы;
* мезозонирование внутри функциональной зоны или крупной структурно-планировочной единицы (центр города, жилой район) с выделением структуроформирующих систем и основных типов светопространств разного иерархического уровня (в составе проекта планировки);
* микрозонирование в пределах небольших планировочных образований (микрорайон, квартал, жилая группа) по типам светопространств с акцентом на освещение поверхности земли и на масштабные характеристики светопространств (на стадии проекта застройки).
Задачи светоцветового зонирования решаются в основном установками функционального освещения, обеспечивающими регламентированное количество и качество света на земле.
В результате планировочная структура города получает четкое визуальное выражение – в проекте как световой генплан, в натуре как «пятый световой фасад» – за счет создания воспринимаемых глазом различий в характере освещения – в величине, рисунке, интенсивности и цветности залитых светом территорий, разных по функции и значимости, вечером и ночью, в будни и праздники, в разные сезоны года.
Решение второй, светопространственной задачи тесно связано с первой, при этом освещение приобретает трехмерность. Формируется структура световой среды города как система модулированных светом пространств разного масштаба, назначения, иерархического уровня, а также создается система световых ансамблей и доминант. Светомодулировка осуществляется на базе проведенного светоцветового зонирования выбором соответствующих средств и режимов освещения поверхности земли и объектов, образующих архитектурные пространства ансамблей, расчетным обеспечением необходимой светонасыщенности пешеходных пространств. Световые архитектурные ансамбли и доминанты рассчитываются на восприятие их с ближних, средних и дальних дистанций при разной скорости движения пешехода и человека в транспорте. В соответствии с этой задачей на разных стадиях проектирования разрабатываются как крупномасштабные эстетические категории градостроительной формы, так и соразмерные человеку параметры ближайшего окружения.
В решении задачи светопространственной организации городской среды используются все три группы установок – функционального и архитектурного освещения и световой информации.
Содержанием образно-художественной задачи освещения является зрительное выявление и творческая интерпретация выразительных черт и характерных признаков архитектурной формы зданий, сооружений, монументов, ландшафтных объектов и создание их оригинальных световых образов.
- Различные способы теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение и поглощение радиации. Их законы.
- Тепловые и газоразрядные источники света: лампы накаливания, галогенные ламы (йодистые), люминесцентные лампы, лампы ДРЛ, натривые и ксеноновые лампы высокого давления, мегалогалогенные лампы; принцип их действия и сравнительная характеристика достоинств и недостатков.
Тепловые и газоразрядные источники света
Электрические источники света с самого начала развивались по двум направлениям: «лодыгинское» — использование теплового действия электрического тока для разогрева тел до такой температуры, при которой они создают достаточно яркий свет, и «яблочковское» — использование для генерации света электрического разряда между двумя электродами. Первое направление привело к созданию тепловых источников света, второе — газоразрядных. Именно эти два типа до недавнего времени (конец 90-х годов 20-го века) охватывали все многообразие искусственных источников света — от сверхминиатюрных ламп накаливания мощностью в сотые доли ватта до разборных ксеноновых ламп мощностью до 150 кВт.
Полупроводниковый источник света
В последние годы, кроме этих двух типов, появился и начал все активнее вторгаться во все области третий тип электрических источников света — полупроводниковый. По прогнозам специалистов, именно этому новому типу принадлежит будущее — уже лет через 10 - 12 может начаться массовое повсеместное внедрение полупроводниковых источников света — светодиодов — не только для световой сигнализации, где они уже сегодня составляют серьезную конкуренцию традиционным лампам накаливания, но и для общего освещения.
Искусственные источники света
Следует сказать, что в настоящее время существуют и неэлектрические искусственные источники света — химические, в которых свет создается при протекании некоторых химических реакций; фотолюминесцентные, где свет образуется за счет длительного послесвечения некоторых люминофоров после освещения их естественным или искусственным светом; радиолюминесцентные, в которых свет возбуждается под действием радиоактивного облучения. Но все эти источники, хотя и находят достаточно широкое применение, со-здаютлишь мизерные доли суммарного светового потока, вырабатываемого искусственными источниками, и далее нами не рассматриваются. Также не рассматриваются и электролюминесцентные источники света, используемые в ряде устройств отображения информации, но не для общего освещения.
Прежде чем перейти к рассмотрению принципов работы электрических источников света, их особенностей, параметров и областей применения, познакомимся с общими параметрами, по которым и можно сравнивать различные источники, чтобы выбирать наиболее подходящие из них в конкретных случаях.
Параметры сравнения источников света
Все параметры источников света можно разбить на две группы: технические и эксплуатационные. Технические параметры — это те, которые характеризуют сам источник света безотносительно к условиям его применения. К техническим относятся все электрические, световые и механические параметры ламп.
Основные электрические параметры источников света:
1. Номинальное напряжение — напряжение, на которое рассчитана конкретная лампа или на которое она может вклю чаться с предназначенной для этого специальной аппаратурой. Для ламп накаливания все остальные параметры снимаются именно при номинальном напряжении. Номинальное напряжение (впрочем, как и любое другое) измеряется в вольтах (сокращенное обозна чение — В, V).
2. Номинальная мощность лампы — расчетная мощность, потребляемая лампой накаливания при ее включении на номиналь ное напряжение. Для газоразрядных ламп номинальная мощность — это расчетная мощность, которую потребляет лампа при ее включении со специально предназначенной для этого аппаратурой. Мощность измеряется в ваттах (сокращенное обозначение — Вт, W).
3. Для газоразрядных ламп иногда оговаривается род питающего тока — переменный или постоянный, так как отдельные типы ламп могут работать только на постоянном токе (например, шаровые ксе-ноновые или ртутные). Если такой оговорки в документации на лампу нет, то лампы должны включаться только на переменное напряжение. При работе на постоянном токе обязательно указывается полярность включения: к какому выводу лампы должен подключаться положительный полюс сети (+), ккакому — отрицательный (-). Электрод лампы, к которому подключается положительный полюс напряжения, называется анодом, отрицательный — катодом.
4. Для некоторых типов ламп (например, для эталонных или образцовых ламп накаливания) вместо номинальной мощности указывается номинальный ток (1Н), который измеряется в амперах (А) или миллиамперах (мА, тА; 1 А - 1000 мА). Из световых параметров в каталогах и справочниках чаще всего указывается номинальный световой поток Ф, то есть поток, который создает лампа при ее номинальной мощности. Единица измерения светового потока, как уже было сказано, — люмен {лм, 1т).
Тепловые источники света
К тепловым источникам света относятся все лампы накаливания, в том числе галогенные и зеркальные. За 130 лет со времени появления первой лампы А. Н. Лодыгина с телом накала в виде угольного стержня лампы накаливания прошли несколько революционных этапов развития: снабжение ламп резьбовым цоколем (1879 год); использование вольфрама для тела накала (1909 год); наполнение ламп инертным газом и спирализация тела накала (1913 год); создание ламп с биспиральным телом накала и криптоновым наполнением (1936 год); создание ламп с вольфрамо-во-галогенным циклом (1959 год). Можно сказать, что к настоящему времени технические параметры ламп накаливания близки к теоретическим пределам, и ожидать какого-либо существенного прорыва здесь не приходится. Сейчас в мире ежегодно производится более 4 миллиардов ламп накаливания примерно 5000 типоразмеров — значительно больше, чем всех газоразрядных источников света вместе взятых. Чем же объясняется столь широкое распространение ламп накаливания, параметры которых значительно хуже, чем у лучших газоразрядных ламп? Например, световая отдача обычных осветительных ламп не превышает 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов, в то время как световая отдача последних разработок линейных люминесцентных ламп превысила 100 лм/Вт при сроке службы 18000 часов.
Главными причинами этого, безусловно, являются относительная дешевизна ламп и простота их включения. Для ламп накаливания не требуется использование какой-либо пускорегулирующей аппаратуры, как для всех без исключения газоразрядных ламп — они просто ввинчиваются или вставляются в патроны и включаются обыкновенными выключателями. Другими важными достоинствами ламп накаливания являются: компактность, позволяющая легко управлять распределением светового потока в пространстве; мгновенное включение — номинальный световой поток ламп устанавливается сразу же после подачи на них напряжения; практическая независимость параметров от температуры окружающей среды; достаточно высокая надежность; устойчивость к внешним механическим воздействиям; сплошной спектр излучения, обеспечивающий хорошую цветопередачу (как было сказано выше, общий индекс цветопередачи Ra для всех ламп накаливания равен 100). Основные недостатки ламп накаливания: низкая световая отдача; относительно небольшой срок службы; сильная зависимость световых и эксплуатационных параметров от колебаний сетевого напряжения; большая доля теплового излучения в спектре ламп; большие броски тока в момент включения.
Газоразрядные источники света
К газоразрядным или просто разрядным источникам света относятся все люминесцентные лампы (в том числе компактные и безэлектродные), металлогалогенные, натриевые высокого и низкого давления, ксеноновые, неоновые и другие. Все разрядные лампы делятся на три группы: низкого, высокого и сверхвысокого давления. Эти группы достаточно сильно различаются по физике протекающих в них процессов, параметрам, областям применения. Чем же отличаются разрядные источники света от тепловых? Если в тепловых источниках свет образуется за счет нагрева вольфрамовой проволоки до очень высоких температур, то в разрядных источниках свет возникает в результате электрического разряда между двумя электродами. Спектральный состав возникающего при разряде излучения определяется составом газа, в котором происходит разряд. Яркость свечения зависит не только от состава газа, но и от его давления и от величины тока разряда.
Люминесцентные лампы
Люминесцентные лампы — второй в мире по распространенности источник света, а в Японии они занимают даже первое место, обогнав лампы накаливания. Ежегодно в мире производится более одного миллиарда люминесцентных ламп. Первые образцы люминесцентных ламп современного типа были показаны американской фирмой General Electric на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1938 году. За 65 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.
Ртутные лампы высокого давления
Рассмотренные в предыдущем разделе люминесцентные лампы — это лампы низкого давления. Разряд в них происходит при давлении паров ртути не более 0,1 мм ртутного столба или 10 паскалей [Па). Спектр излучения разряда при таких давлениях имеет линейчатый характер, причем, как уже было сказано, до 80 % мощности разряда приходится на две УФ линии: 257 и 185 нм, а на долю пяти линий видимой части спектра лишь около 2 %. Если давление паров ртути повышается, то вначале все линии «расплываются» и превращаются в полосы, затем происходит перераспределение энергии: излучение в УФ области ослабевает, а в видимой — увеличивается. При давлении паров ртути около 1000 мм ртутного столба доля видимого излучения возрастает настолько, что световая отдача разряда достигает 20-25 лм/Вт, то есть становится больше, чем у ламп накаливания общего назначения. Но при этом все видимое излучение сосредоточено в сине-зеленой части спектра, а желтый и красный свет отсутствуют полностью. Многим знаком свет медицинских УФ облучателей — довольно неприятного сине-зеленого цвета, сильно искажающий вид освещаемых предметов, в частности, человеческих лиц. В этих облучателях применяются как раз ртутные лампы высокого давления типа ДРТ (дуговая, ртутная, трубчатая).
Металлогалогенные лампы
В 1964 году американская фирма General Electric для освещения павильонов Всемирной выставки Экспо-64 в Нью-Йорке впервые применила новый тип ламп — металлогалогенные (МГЛ). С 1969 года выпуск таких ламп освоили фирмы Philips и Osram, в 70-е годы Саранский электроламповый завод в СССР. Срок службы ртутных ламп высокого давления не менее 15000 часов. По устройству МГЛ похожи на ртутные лампы высокого давления, но внешняя колба у них не покрыта люминофором, а сделана из прозрачного или (гораздо реже) из матового стекла. Первичным источником излучения, как и в лампах ДРЛ, служит горелка из кварца или поликристаллической окиси алюминия, наполненная инертным газом и ртутью. Но если в лампах ДРЛ для исправления цветности и повышения световой отдачи применяется люминофор, то в МГЛ для этой же цели применяются специальные светоизлучающие добавки: галогенные соединения различных металлов (чаще всего — натрия и скандия, а также галлия, индия, таллия и редкоземельных элементов — диспрозия, гольмия, тулия и др.).
Натриевые лампы
Электрический разряд в парах натрия при низком давлении создает яркое желтое свечение с длиной волны 590 нм. Так как эта длина волны лежит близко к максимуму спектральной чувствительности глаза (555 нм), то световая отдача излучения натриевого разряда может быть очень высокой (теоретически более 250 лм/Вт). Первые натриевые лампы были созданы еще в начале 30-х годов 20-го века. Они действительно имели очень высокую световую отдачу, но очень плохую цветопередачу, большие габариты и малый срок службы, и практического применения в те годы не нашли.
В начале 60-х годов фирма General Electric на базе военно-промышленных технологий создала первые натриевые лампы высокого давления (НЛВД). По существу НЛВД — это одна из разновидностей МГЛ, в которой в качестве с вето излучающей добавки используется натрий. Однако из-за очень высокой химической активности натрия и более высокой температуры в разряде для изготовления горелки применяется не кварц, а поликристаллическая окись алюминия.
Безэлектродные люминесцентные лампы
Срок службы обычных люминесцентных ламп определяется двумя факторами: спадом светового потока за счет «отравления» люминофора атомами ртути и продуктами распыления электродов и потерей эмиссионной способности электродов из-за полного расхода активирующего покрытия. Если раньше решающим был первый из этих факторов, то в последние годы научились делать лампы с защитной пленкой на люминофоре, значительно уменьшившей спад светового потока, и срок службы ламп нового поколения (Т5) определяется, в основном, уже только эмиссионной способностью электродов. Поэтому создание ламп без электродов — это реальный путь повышения срока службы люминесцентных ламп.
Возбуждение атомов до высокого энергетического уровня и связанное с этим свечение могут происходить не только при протекании электрического тока через разрядный промежуток, но и при воздействии высокочастотного электромагнитного поля. Спектр излучения при этом остается таким же, как и при возбуждении атомов протекающим электрическим током. Это давно известное явление удалось претворить в реальные и жизнеспособные конструкции источников света только в 90-е годы минувшего века благодаря достижениям полупроводниковой электроники. Сейчас три мировых лидера в области источников света (Philips, Osram, General Electric) производят безэлектродные люминесцентные лампы низкого давления трех разных типов.
Другие типы газоразрядных ламп
Все рассмотренные типы разрядных ламп содержат ртуть, что делает их экологически опасными изделиями. С другой стороны, наличие ртути обусловливает сильную зависимость параметров ламп, особенно низкого давления, от окружающей температуры. От этих недостатков свободны безртутные газоразрядные лампы, среди которых наиболее распространены лампы с наполнением инертными газами неоном и ксеноном.
Светодиоды
Электрические источники света появились более 130 лет назад, и за все эти годы люди использовали два типа источников света — тепловые и газоразрядные. И только в самом конце 20-го века появился третий тип электрических источников света — полупроводниковые источники света или светоизлучающие диоды (светодиоды). В светодиодах используется принцип генерации света при прохождении электрического тока через границу полупроводникового и проводящего материалов. Прохождение электрического тока можно представить как поток электронов в определенном направлении, движущийся под действием напряжения между концами проводника. Проводящие материалы или проводники можно сравнить с каналом, по которому течет поток воды, а полупроводники — с порогом на пути потока. В одну сторону («сверху вниз») поток без проблем преодолевает порог, при этом даже выделяя какое-то количество энергии. Но чтобы заставить этот поток преодолеть порог в обратную сторону, надо затратить какое-то усилие, необходимое для подъема потока на высоту порога.
В полупроводниках электрический ток в одну сторону (в проводящем направлении) течет при приложении даже небольшого напряжения (как бы уклона в канале с водой), свободно преодолевая порог. В потоке воды энергия, выделяющаяся при преодолении порога, может вращать турбины, мельничные колеса и т. п. — все зависит от высоты порога и количества протекающей воды. Точ