ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ - преобразование электроэнергии в свет в целях создания гигиенически благоприятных, комфортных и безопасных условий для зрительного восприятия.
ВНУТРЕННЕЕ ОСВЕЩЕНИЕ
На изложенных общих принципах должно базироваться освещение любого внутреннего помещения. Однако в таких общественных помещениях, как магазины и театры, где не ставятся крайне ответственные задачи зрительной работы и где воздействие на воображение и привлекательность более приоритетны, чем комфортность и эффективность зрительного восприятия, качество освещения имеет менее важное значение. Оно весьма существенно там, где приходится иметь дело с очень ответственными задачами зрительной работы, - в операционных, учреждениях, механических цехах, школьных классах, студенческих аудиториях. В качестве источников света для внутреннего освещения применяются в основном лампы накаливания и газоразрядные лампы (люминесцентные, ртутные и др.). Большинство учреждений, школ и общественных зданий освещается люминесцентными лампами или лампами накаливания, тогда как во многих производственных помещениях, особенно с высокими потолками, используются ртутные, а также люминесцентные лампы. Но во всех случаях источники света должны быть закрыты экранами, исключающими прямую блескость, а там, где это возможно, - и отраженную. В одном из конструктивных вариантов светильник с минимальной прямой и отраженной блескостью посылает почти весь свой выходной световой поток вверх, на потолок, который выполняет роль вторичного источника большой площади с малой яркостью. Еще один важный способ повышения качества внутреннего освещения - применение матового отделочного покрытия с высокой отражающей способностью для потолка, стен, пола и мебели. Это превращает потолок, стены, пол и мебель во вторичные источники света большой площади, благодаря чему не только повышается коэффициент использования света в помещении, но и увеличивается доля рассеянного света, а также устраняются резкие тени. Исследования условий оптимального освещения помещений, требующих комфортности, привели к следующим выводам: потолки лучше всего делать белыми с высоким коэффициентом отражения, порядка 85%; коэффициент отражения стен должен составлять 40-60% (при этом возможен широкий спектр приятных оттенков); коэффициент отражения мебели должен составлять около 35%, пола - не менее 20%.
Эти требования подразумевают, в частности, что на окнах должны быть предусмотрены неяркие занавеси, задергиваемые в темное время суток, а поверхность стола должна иметь достаточно высокий коэффициент отражения, чтобы по яркости она не контрастировала с белой бумагой. Высокие коэффициенты отражения способствуют созданию идеальных условий для зрительной работы.
НАРУЖНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Изложенные выше общие принципы относятся и к наружному освещению. Рекомендуемое количество света здесь обычно меньше, так как задачи зрительной работы менее ответственны и высокий уровень освещенности экономически неоправдан. Качество освещения тоже менее существенно, особенно при очень низких уровнях освещенности, но прямая блескость должна устраняться или сводиться к минимуму.
Освещение дорог. Главная цель освещения дорог - обеспечение хорошей видимости в ночное время, необходимой для безопасного и удобного движения пешеходов и транспорта. При проектировании дорог обычно учитываются такие факторы, как интенсивность движения, рельеф, статистика дорожно-транспортных происшествий, типы транспортных средств, ожидаемые скорости движения, правила парковки, строительные характеристики (размеры, материалы) и наличие особых участков - пересечений, развязок, мостов, путепроводов, подъездных путей. Источниками света на улицах городов и автомагистралях служат в основном газоразрядные лампы.
Заливающий свет. Заливающий свет, создаваемый лампами (накаливания и газоразрядными) с рефлекторами, применяется для наружного освещения зданий, а также для освещения стадионов, автомобильных стоянок и других открытых многолюдных зон. В широких масштабах такое освещение впервые было применено на Панамерикано-Тихоокеанской международной выставке в Сан-Франциско в 1915, где полная затрачиваемая на это мощность составляла около 8 МВт. С появлением более совершенных источников света стало возможно освещение заливающим светом многих видов спортивных сооружений - для игры в бейсбол, футбол, теннис.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА
Существуют два основных вида электрических источников света - лампы накаливания и газоразрядные лампы. Среди газоразрядных ламп особое место занимают люминесцентные.
ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ
В лампах накаливания свет испускает металлическая проволочка (нить), раскаленная добела проходящим по ней током.
Устройство лампы. Типичная бытовая лампа накаливания (общего назначения) состоит из следующих частей (рис. 1): нити накала в виде спирали из вольфрамовой проволочки, стеклянного баллона (который откачивается и заполняется инертным газом) и цоколя, который является объединяющей и силовой деталью лампы и имеет контакты для подключения нити накала к электропитанию. Все эти три элемента конструкции могут быть разного размера и различной формы в зависимости от назначения - лампа общего назначения, с внутренним отражателем, витринная, для уличного освещения, для автомобильных фар, для карманного фонаря, фотографическая лампа-вспышка. В бытовых лампах с тремя режимами накаливания имеются две нити накала, которые можно включать по отдельности и вместе, получая разную яркость. Средний срок службы большинства бытовых ламп при номинальном напряжении составляет 750-1000 ч.
Рис. 1. ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ. 1 - нить накала (в некоторых лампах монтируется вертикально - вдоль оси стеклянной опорной ножки); 2 - цоколь; 3 - стеклянный баллон.
ПЕРВАЯ ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ - копия лампы, изобретенной Т. Эдисоном в 1879. Нить накала лампы, полученная обугливанием хлопковой нитки, светила в течение 40 ч.
Достоинства и недостатки. Достоинства лампы накаливания таковы: низкая начальная стоимость лампы и необходимого для нее оборудования, компактность, благодаря которой она хорошо подходит для регулирования светового потока, надежная работа при низких температурах и довольно высокий при ее размерах световой выход. К недостаткам же, способным при некоторых обстоятельствах перевесить достоинства, относятся низкий световой КПД, высокая рабочая температура и заметные колебания светового выхода при изменениях напряжения питания.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ЛАМПЫ
В газоразрядных лампах электроэнергия преобразуется в свет при прохождении электрического тока через газ или пары металла. Цвет светового излучения зависит от рода газа, его давления и от вида люминофора, нанесенного на внутренние стенки стеклянного баллона лампы. Газоразрядные лампы наполняются инертными газами (неоном, аргоном, криптоном или ксеноном), а также парами ртути или натрия.
Ртутные лампы. Ртутные лампы типа применяемых в промышленности состоят из следующих частей (рис. 2): кварцевой трубки дугового разряда, наполненной аргоном и парами ртути; наружной стеклянной колбы (с внутренним люминофорным покрытием), окружающей трубку дугового разряда, закрывающей ее от воздействия потоков окружающего воздуха и предотвращающей окисление; цоколя, на котором держится вся лампа и имеются электрические контакты для подвода напряжения питания. Размеры и форма этих конструктивных элементов могут быть разными в зависимости от типа лампы - общего назначения (с прозрачной колбой, с люминесцентным покрытием, с исправленной цветностью, рефлекторная, полурефлекторная лампы), ультрафиолетовые, солнечного света и фотохимические лампы. Средний срок службы ртутных ламп общего назначения составляет 6000-12 000 ч. После того как ртутная лампа включена и в ней установился дуговой разряд, ток разряда через пары ртути сам по себе непрерывно нарастает. Поэтому его приходится ограничивать внешним балластным устройством.
Рис. 2. РТУТНАЯ ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ЛАМПА - типичная конструкция 40-Вт лампы с люминофорным покрытием. 1 - наружная колба; 2 - рабочий электрод; 3 - токопроводящие стойки; 4 - кварцевая трубка дугового разряда; 5 - рабочий электрод; 6 - пусковой электрод; 7 - опорные траверсы трубки дугового разряда; 8 - пусковые резисторы; 9 - опорные элементы; 10 - внутреннее люминофорное покрытие.
Достоинства и недостатки. Ртутные лампы отличаются высоким световым КПД (в 2-3 раза большим, чем у ламп накаливания общего назначения), большим сроком службы и компактностью, благодаря чему они хорошо подходят для регулирования светового потока. Их недостатки - высокая стоимость лампы и вспомогательного оборудования, синевато-зеленый оттенок свечения и медленный повторный пуск. Цветность ртутной лампы исправляется применением внутреннего люминофорного покрытия.
Люминесцентные лампы. Люминесцентные лампы состоят из следующих основных деталей (рис. 3): стеклянного баллона, двух цоколей (с выводными контактами) на обоих концах баллона и двух подогревных катодов (электронных эмиттеров) из вольфрамовой нити или стальной трубки. Баллон наполнен парами ртути и инертным газом (аргоном); на внутренние стенки баллона нанесено люминофорное покрытие, преобразующее ультрафиолетовое излучение газового разряда в видимый свет. Конструкция лампы, представленная на рис. 3, типична для самых распространенных 40-Вт ламп.
Рис. 3. ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА - типичная конструкция лампы с холодными катодами, рассчитанной на токи ниже средних. 1 - ртуть; 2 - штампованная стеклянная ножка с электровводами; 3 - трубка для откачки (при изготовлении); 4 - выводные штырьки; 5 - концевая панелька; 6 - катод с эмиттерным покрытием. Трубка наполнена инертным газом и парами ртути. Внутренние стенки трубки покрыты люминофором.
Лампа действует следующим образом. Электрод на одном из концов лампы испускает электроны, которые с большой скоростью летят вдоль лампы, пока не произойдет столкновение со встретившимся атомом ртути. При этом они выбивают электроны атома на более высокую орбиту. Когда выбитый электрон возвращается на прежнюю орбиту, атом испускает ультрафиолетовое излучение. Последнее, проходя через люминофор, преобразуется в видимый свет.
Типы ламп. Люминесцентные лампы делятся на две группы соответственно типу электродов: с подогревными катодами и с холодными катодами. В лампах с подогревными катодами, которые рассчитываются на большие токи (1-2 А), как правило, используются спиральные активированные вольфрамовые нити накала. В лампах же с холодными катодами предусматриваются цилиндрические электроды с покрытием из эмиттерных материалов, и они рассчитываются на меньшие токи. Средний срок службы ламп с подогревными катодами зависит от наработки на один пуск: 7500 ч при 3 ч наработки на один пуск и более 18 000 ч в непрерывном режиме. Для ламп же с холодными катодами срок службы не зависит от числа пусков и достигает 25 000 ч. Лампы с подогревными катодами по способу их пуска делятся на лампы с предварительным прогревом, быстрого и моментального пуска. Как и все другие газоразрядные приборы, лампы с подогревными катодами нельзя присоединять к источнику питания без балластного устройства, ограничивающего ток (рис. 4). Лампы с предварительным прогревом нуждаются также в стартере; при пуске такой лампы замыкается стартер, и катоды, соединенные последовательно, подключаются к сети питания, так что по ним проходит ток. После того как катоды разогреются настолько, что могут эмиттировать электроны, стартер автоматически размыкается, и лампа загорается. В благоприятных условиях весь пуск занимает несколько секунд. В лампах быстрого пуска катоды нагреваются постоянно, а разряд возникает при повышении напряжения. Стартеры не требуются, и время пуска значительно меньше, чем у ламп с предварительным прогревом. В лампах моментального пуска не требуется ни прогрева катодов, ни стартера. Просто на катод подается повышенное напряжение, которое вызывает эмиссию электронов и зажигание разряда в лампе.
Рис. 4. ЛЮМИНЕСЦЕНТНАЯ ЛАМПА с подогревными катодами, рассчитанная на большие токи.
Достоинства и недостатки. К достоинствам люминесцентных ламп относятся высокая световая отдача (до 77 лм/Вт) и большая долговечность. Недостатки - высокая начальная стоимость лампы и светильника, шум дросселя стартера и мерцание. Хотя перечень недостатков обширнее, достоинства столь велики, что уже к 1952 лампы накаливания в США были вытеснены люминесцентными лампами в качестве основного электрического источника света.
Электролюминесцентные лампы. В отличие от люминесцентных ламп (в которых свет испускается при возбуждении люминофора ультрафиолетовым излучением газового разряда), в электролюминесцентных лампах, изобретенных в 1936, электроэнергия преобразуется непосредственно в свет благодаря применению специальных люминофоров. Лампа представляет собой многослойную конструкцию из слоя люминофора (цинк-сульфидного, активированного медью или свинцом) и двух электропроводящих пластин, одна из которых прозрачна. Устройство электролюминесцентных ламп двух типов показано на рис. 5. Цвет свечения лампы (синий, зеленый, желтый или розовый) зависит от частоты напряжения питания, а яркость - от частоты и напряжения. Электролюминесцентные лампы пока что не отличаются большой световой отдачей.
См. также ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ.
Рис. 5. ЭЛЕКТРОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ ЛАМПЫ двух разных типов в поперечном разрезе.
ПИКАДИЛЛИ - одна из центральных площадей Лондона.
ЛИТЕРАТУРА
Епанешников М.М. Электрическое освещение. М., 1973 Кнорринг Г.М. и др. Справочная книга для проектирования электрического освещения. Л., 1976 Лозовский Л.И. Проектирование электрического освещения. Минск, 1976 Кунгс Я.А., Фаермарк М.А. Экономия электрической энергии в осветительных установках. М., 1984