Источник света

Источники света

Источник света – это тело, которое излучает энергию в световом диапазоне.

Различные типы источников света

Классификация источников света проводится в зависимости от разных характеристик. Таким образом, в физике определяющим является разделение источников света на 2 вида:

1. Точечные;
2. Непрерывные (модели источников света).

Встречается подразделение на и на такие виды источников света как:

1. Естественные (солнце, звёзды, атмосферные электрические разряды и т.п.);
2. Искусственные (пламя, разнообразные лампы, светодиоды, лазерные приспособления).

Искусственные источники света подразделяют в зависимости от вида энергии, переходящей в излучение, на:

1. Тепловые источники (свет в них возникает в результате нагревания до высоких температур);
2. Люминесцентные источники (световое излучение в них появляется благодаря превращению разных видов энергии, но не тепловой).

Также искусственные источники света выделяются по конструктивным особенностям.

Основные характеристики источников света

Сила света

Точечный источник света – это такой световой источник, размеры которого можно не принимать во внимание, по сравнению с расстоянием от источника до места наблюдения. В оптически однородной и изотропной среде волны, излучаемые точечным источником, являются сферическими.

Для характеристики точечного источника используют понятие силы света ( I ) , которая определяется как:

где d Ф – это световой поток, излучаемый источником в пределах телесного угла d Ω . При рассмотрении сферической системы координат можно сказать, что в общем-то сила света зависит от полярного ( ν ) и азимутального φ углов I = I ν , φ .

Источник света называется изотропным, если на его силу света не оказывает влияние направление. Для изотропного источника света запишем:

где Ф – это суммарный световой поток, излучаемый источником во всех направлениях. Величина силы источника, которая вычисляется как ( 2 ) , также называется средней сферической силой света источника.

Если источник света не является точечным (протяженный источник), тогда применяют понятие силы света элемента его поверхности ( d S ) . В данном случае в формуле ( 1 ) величина d Ф – это световой поток, излучаемый элементом поверхности источника ( d S ) в пределах телесного угла ( d Ω ) .

Основная единица измерения силы света в системе измерения – кандела ( к д ) (старое название – свеча ( с в ) ). 1 к д излучает световой эталон как абсолютно черное тело при температуре T = 2046 , 6 K (температура, при которой затвердевает чистая платина) и давлении 101325 П а .

Световой поток

Основной единицей измерения светового потока является люмен ( л м ) , который равняется световому потоку, испускаемому источником в 1 к д внутрь телесного угла 1 стерадиан.

Освещенность

Величина ( E ) , равная E = d Φ p a d d S ( 5 ) , называется освещенностью. В выражении ( 5 ) d Φ p a d – это величина светового потока, падающего на элемент поверхности d S . Освещенность измеряется с системе измерения в люксах ( л к ) 1 л к = 1 л м 1 м 2 ( 6 ) , при равномерном распределении потока по поверхности.

Светимость

Протяженный источник света характеризуют светимостью ( R ) его участков. Она описывает излучение (отражение) света выделенным элементом поверхности во всех направлениях.

Светимость проявляется из-за отражения поверхностью падающего на нее светового потока. Тогда под d Φ i s p понимают в выражении ( 8 ) поток, отражаемый элементарной поверхностью d S во всех направлениях.

Светимость измеряется в люксах.

Яркость

Яркость ( B ) используют для описания излучения (отражения) света в заданном направлении. Направление причем задается полярным углом ν , который откладывают от внешней нормали n → к излучающей площадке и азимутальным углом φ .

Ламбертовскими источниками света (или косинусные, подчиняющиеся закону Ламберта), называются источники, яркость которых не меняется в зависимости от направления. Для ламбертовских светильников d I элементарной площадки пропорциональна cos ν .

Единица яркости кандела на квадратный метр к д м 2 .

Необходимо найти световой поток, излучаемый элементарной поверхностью d S внутрь конуса, ось которого расположена перпендикулярно выделенному элементу. Угол конуса равен ν 0 . Будем считать, что светящаяся поверхность подчинена закону Ламберта и ее яркость равняется В .

Решение

Для решения задачи используем определение яркости и из него выделим элемент светового потока:

B = d Φ d Ω d S cos ν → d Φ = B d Ω d S cos ν ( 1 . 1 ) .

Элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 1 . 2 ) .

Подставим выражение для телесного угла в выражение ( 1 . 1 ) , получаем:

d Φ = B sin ν d ν d φ d S cos ν ( 1 . 3 ) .

Определим полный световой поток интегрированием выражения ( 1 . 3 ) :

Φ = B d S ∫ 0 v 0 sin ν cos ν d ν ∫ 0 2 π d φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Ответ: Φ = π B d S sin 2 ν 0 .

Яркость однородного светящегося диска радиуса r меняется по закону B = B 0 cos ν , B 0 = c o n s t , ν – это угол с нормалью к поверхности. Необходимо найти световой поток ( Ф ) , испускаемый диском.

Решение

Выразим элемент светового потока с помощью уравнения из условий задачи для ярости как:

d Φ = B d Ω d S cos ν = B 0 cos ν 2 d Ω d S ( 2 . 1 ) ,

где элементарный телесный угол в сферических координатах равняется:

d Ω = sin ν d ν d φ ( 2 . 2 ) .

Световой поток вычислим как интеграл от выражения ( 2 . 1 ) при использовании ( 2 . 2 ) :

Φ = B 0 d S ∫ 0 π 2 sin ν cos 2 ν d ν ∫ 0 π 2 d φ = 2 π B 0 d S ∫ 0 π 2 d ( – cos ν ) cos 2 ν = 2 3 πB 0 dS = = 2 3 B 0 π 2 r 2 .

Ответ: Φ = 2 3 B 0 π 2 r 2 .

Источники света

Общие понятия

Свет — это результат физического процесса, происходящего в атомах вещества. Атомы, получая энергию извне (нагрев, облучение), часть ее передают электронам. Электроны сначала возбуждаются, а затем начинают терять энергию, переходя на нижние энергетические уровни. Каждый переход происходит с излучением фотонов — частиц света, которые воспринимает наш глаз. Фотоны могут проявлять себя либо как волна, либо как частица.

Одной из главных характеристик электромагнитного излучения является длина волны. К видимому свету относятся излучения с длиной волны от 8*10 -7 до 4*10 -7 м, то есть от красного до фиолетового света.

Свет распространяется в вакууме со скоростью 300 000 км/с или 3*10 8 см/с. Это самая большая скорость в природе для любых частиц и взаимодействий.

Первые источники видимого света, которые человек изобрел для собственных нужд, использовали разные виды горючего топлива: дерево, жир, сало. В конце XIII швейцарец Аргант изобрел лампу с фитилем, в которую в качестве топлива заливался керосин. Американец Томас Эдисон изобрел лампочку накаливания в конце XIX века. И если лампа с фитилем давно превратилась в настоящий антиквариат, то лампочка накаливания до сих пор верой и правдой служит человеку.

Естественные источники света

К естественным относятся источники света, дарованные нам природой:

• Солнце;
• Луна. Правда, сама она не излучает, а только отражает солнечный свет, но это не мешает считать ее прекрасным, естественным источником света в ночное время. Кстати, из космоса наша Земля смотрится также, отражая солнечный свет;
• Звезды на ночном небосклоне;
• Метеориты, кометы, болиды;
• Полярное сияние;
• Разряды атмосферного электричества (гроза, молния);
• Объекты животного (глубоководные медузы, моллюски, планктон, лесные светлячки) и растительного миров (некоторые грибы), способные излучать свет.

Рис. 1. Примеры естественных источников света.

Искусственные источники света

Этот вид источников является результатом интеллектуальной деятельности многих поколений учений и изобретателей:

• Лампы накаливания. Они излучают свет вследствие разогрева нити накаливания из тугоплавких металлов (например, вольфрам) до температуры в несколько тысяч градусов. Нить накаливания помещена в стеклянную колбу, из которой предварительно откачивают воздух и наполняют инертным газом (гелий, неон), предотвращающим перегорание нити;
• Галогеновые лампы. Это усовершенствованный вариант ламп накаливания. В них вместе с инертным газом добавляют галогеновый газ (бром или йод). Этот прием позволяет продлить срок эксплуатации лампы. Еще вместо обычного стекла для корпуса используют толстое кварцевое, которое выдерживает более высокие температуры, чем обычное стекло;
• Газоразрядные лампы. Этот вид источников создает видимое излучение за счет электрического разряда в смеси газов с добавлением паров некоторых металлов. Эти лампы чаще всего используются для уличного освещения и освещения производственных помещений. Неоновую световую рекламу изготавливают по этой технологии;
• Люминесцентные лампы. Внутренняя поверхность таких ламп покрыта специальным химическим составом, который называется люминофором. Сначала происходит электрический разряд в газе, как в обычных газоразрядных лампах. В разряде есть высокоэнергетичные фотоны ультрафиолетового диапазона, невидимые глазу. Эти фотоны возбуждают атомы и молекулы люминофора, которые излучают видимый на выходе свет. Эти лампы массово используются для освещения офисов, магазинов, производственных помещений.
• Светодиоды или LED-источники. Это самый современный, массовый полупроводниковый источник света. Излучение возникает в результате протекания электрического тока через p–n переход полупроводникового диода. Выпускаются лампочки дающие основные цвета: белый (дневной), зеленый, красный, синий, голубой. Использование этих ламп дает существенную экономию электроэнергии при эксплуатации осветительных приборов. Светодиоды имеют огромный срок службы (свыше 50000 часов) по сравнению с прочими источниками;
• Лазеры. Этот источник света для видимого диапазона в последние годы становится массовым в связи с использованием малогабаритных полупроводниковых лазеров, которые позволили создать полезные, безопасные в обращении устройства.

Рис. 2. Примеры искусственных источников света.

Примером использования современного источника света может служить лазерный нивелир, который позволяет быстро производить измерение расстояний, углов, выставлять уровни (горизонтальные, вертикальные).

Рис. 3. Лазерный нивелир.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что источники света бывают искусственные и естественные. Естественные источники существуют независимо от деятельности человека. Искусственные источники появились благодаря умственной деятельности человека, разработке новых технологий и материалов. Большой прогресс в последние годы произошел в области производства светодиодов.

Виды источников света и их характеристики

Дата публикации: 20 июня 2015 .
Категория: Лампы.

Пример источника света относящийся к первому классу. Лампа накаливания общего применения в прозрачной колбе

Пример источника света относящийся ко второму классу. Дуговая натриевая лампа в прозрачной колбе

Пример источника света относящийся к третьему классу. Лампа смешанного типа в колбе покрытой люминофором

Пример источника света относящийся к четвертому классу. Светодиодная лампа выполненная в форме лампы накаливания общего применения

Классификация источников света

Нет ни одной отрасли народного хозяйства, где бы ни использовалось искусственное освещение. Начало развития отрасли производства источников света было положено в 19 веке. Поводом для этого послужило изобретение дуговых ламп и ламп накаливания.

Тело, излучающее свет в результате преобразования энергии называется источником света. Почти все производимые в настоящее время типы источников света являются электрическими. Это значит, что для создания светового излучения в качестве первичной затрачиваемой энергии используют электрический ток. Источниками света считают приборы с излучением света не только в видимой части спектра (длинны волн 380 – 780 нм), но и ультрафиолетовой (10 – 380 нм) и инфракрасной (780 – 10 6 нм) областях спектра.

Различают следующие виды источников света: тепловые, люминесцентные и светодиодные.

Тепловые источники излучения являются самыми распространенными. Излучение в них появляется вследствие нагревания тела накала до темпер, при которых появляется не только тепловое излучение в инфракрасном спектре, но и наблюдается видимое излучение.

Люминесцентные источники излучения способны излучать свет не зависимо от того в каком состоянии находится их излучающее тело. Свечение в них возникает через преобразование различных видов энергии непосредственно в оптическое излучение.

В светодиодных источниках излучения свет образуется в полупроводниковом кристалле при переходе электронов с одного энергетического уровня на другой, в результате чего происходит излучение фотонов. Подробнее об этом можно прочесть в статье “Светодиодные лампы”.

На основании изложенных различий источники света делят на четыре класса.

Тепловые

Сюда относят всевозможные типы ламп накаливания, включая галогенные, а также электрические инфракрасные нагреватели и угольные дуги.

Люминесцентные

К ним относят следующие виды электрических ламп: дуговые ртутные лампы, различные лампы тлеющего разряда, люминесцентные лампы низкого давления, лампы дугового, импульсного и высокочастотного разряда, в том числе и те, в которые добавлены пары металлов или на колбу которых нанесено люминофорное покрытие.

Смешанного излучения

Такие виды ламп освещения одновременно используются тепловое и люминесцентное излучение. Примером могут служить дуги высокой интенсивности.

Светодиодные

Кроме того, существуют другие признаки по которым производится классификация ламп (по области применения, конструктивно-технологическим признакам и тому подобные).

Основные параметры источников света

Световые, электрические и эксплуатационные свойства электрических источников света характеризуют рядом параметров. Сравнение параметров нескольких источников света, для их использования в той или иной области применения, позволяет остановиться на наиболее подходящем из них. Сопоставляя параметры отдельных экземпляров одного и того же источника света, обращая внимание на место и время изготовления, можно судить о качестве и технологическом уровне их производства.

Перечислим основные электрические характеристики ламп и в целом всех источников света:

Номинальное напряжение – напряжение, при котором лампа работает в наиболее экономичном режиме и на которое она рассчитывалась для ее нормальной эксплуатации. Для лампы накаливания номинальное напряжение равно напряжению питающей электрической сети. Обозначается такое напряжение U_л.н и измеряется в вольтах. Газоразрядные лампы такого параметра не имеют, так как напряжение разрядного промежутка определяется характеристиками примененного для ее стабилизации пускорегулирующего аппарата (ПРА).

Номинальная мощность P_л.н – расчетная величина характеризующая мощность потребляемую лампой накаливания при ее включении на номинальное напряжение. Для газоразрядных ламп, в цепь которых включают пускорегулирующие аппараты, номинальная мощность считается основным параметром. Основываясь на ее значении, путем экспериментов, определяются остальные электрические параметры ламп. Нужно учесть, что для определения мощности потребляемой из сети нужно сложить мощности лампы и пускорегулирующего аппарата.

Номинальный ток лампы I_л.н – ток потребляемый лампой при номинальном напряжении и номинальной мощности.

Род тока – переменный или постоянный. Данный параметр нормируется только для газоразрядных ламп. Он влияет на другие параметры (кроме указанных ранее), которые изменяются с изменением рода тока, причем это относится к лампам, работающим только на постоянном или только на переменном токе.

Основными световыми параметрами источников света являются:

Световой поток, излучаемый лампой. Для измерения светового потока лампы накаливания ее включают на номинальное напряжение. У газоразрядных ламп измерение производят когда она работает на номинальной мощности. Световой поток обозначается буквой Ф (латинская фи). Единицей измерения светового потока является люмен (лм).

Сила света. Для некоторых видов специальных ламп накаливания вместо светового потока используются параметры средняя сферическая сила света или яркость тела накала. Для таких ламп они являются основными светотехническими параметрами. Используемые обозначения для силы света I_v, I_vΘ, для яркости – L, их единицы измерения – соответственно кандела (кд) и кандела на квадратный метр (кд/м 2 ).

Световая отдача лампы, это отношение светового потока лампы к ее мощности

Единица световой отдачи – единица измерения параметра люмен на ватт (Лм/Вт). С помощью этого параметра можно оценить эффективность применения источников света в осветительных установках. Однако в качестве характеристики облучательных ламп используют другой параметр – величину отдачи потока излучения.

Стабильность светового потока – процентное отношение величины снижения светового потока в конце срока службы лампы к первоначальному световому потоку.

К эксплуатационным параметрам источников света относят параметры, характеризующие эффективность источника в определенных эксплуатационных условиях:

Полный срок службы τ_полн – продолжительность горения в часах источника света, включенного при номинальных условиях, до полного отказа (перегорание лампы накаливания, отказ в зажигании для большинства газоразрядных ламп).

Полезный срок службы τ_п – продолжительность горения в часах источника света, включенного при номинальных условиях, до снижения светового потока до уровня, при котором дальнейшая его эксплуатация становится экономически невыгодной.

Средний срок службы τ – основной эксплуатационный параметр лампы. Он представляет собой среднеарифметическое полных сроков службы групп ламп (не менее десяти) при условии, что среднее значение светового потока ламп группы к моменту достижения среднего срока службы осталось в пределах полезного срока службы, то есть при заданной стабильности светового потока. Это параметр особенно важен для ламп накаливания, так как увеличение их световой отдачи при прочих равных условиях приводит к сокращению срока службы. Так как экспериментальное определение срока службы приводит к выходу из строя испытуемых ламп, этот параметр определяется на определенном числе ламп с заданной степенью вероятности, рассчитываемой по законам математической статистики.

Динамическая долговечность – параметр, характеризующий срок службы ламп накаливания в условиях вибрации и тряски. Лампы с требуемой динамической долговечностью должны выдерживать определенное число циклов испытаний в установленном диапазоне частот.

Для уточнения работоспособности ламп кроме понятия среднего срока службы используют понятие гарантийного срока службы, определяющего минимальное время горения всех ламп в партии. Этому понятию иногда придают коммерческий смысл, считая гарантийный срок службы временем, в течение которого должна гореть любая лампа.

Сравнительно ограниченная продолжительность горения источников света, особенно ламп накаливания, устанавливает требование к их взаимозаменяемости, что может быть осуществлено только при повторяемости параметров отдельных ламп.

Для обеспечения экономичности осветительной установки важны как начальный световой поток лампы, так и зависимость его спада от времени эксплуатации. С увеличением длительности эксплуатации осветительной установки снижается роль капитальных затрат в стоимости световой энергии. Отсюда следует, что осветительные установки с малым числом часов горения в год целесообразно выполнять, используя более дешевые лампы накаливания и, наоборот, в промышленных осветительных установках, где продолжительность горения составляет 3000 часов и более, рационально использовать более дорогие, чем лампы накаливания, газоразрядные источники света с высокой световой отдачей. Стоимость единицы световой энергии определяется также тарифом на электроэнергию. При низких тарифах оправдано применение в осветительных установках ламп с относительно низкой световой отдачей и повышенным сроком службы.

Источники света и какие они бывают

Что такое источник света

При разговоре об источнике света, мы подразумеваем любой объект, излучающий электромагнитное излучение в видимой части спектра. Элементарной частицей света является фотон. Именно отсюда и идет двойственная природа света – корпускулярно-волновой дуализм. Фотон может вести себя подобно частице, а может и подобно излучению. Это зависит от конкретных физических условий. Видимый диапазон находится в пределах от 360 нм до 830 нм. Световое излучение возникает из-за различных физических процессов, происходящих в атомах. Если длина волны находится в диапазоне – мы видим свет. От длины волны зависит цвет.

Если атом получает энергию, то он переходит на более высокий энергетический уровень. Это возбужденное состояние. Он неустойчиво. Электроны стремятся вернуться на более низкие энергетические уровни. В результате этого и рождается фотон. А это и есть свет.

Если все атомы испускают фотоны одновременно, то это уже лазерное излучение. Оно когерентно. Луч лазера не обязательно должен быть видимым. Причем оно существует и в природе. В 1981 году лазерное излучение было обнаружено в атмосфере Марса и Венера. Длина волны составила 10 мкм. На такой длине волны работают лазеры с углекислым газом в качестве рабочего тела.

Какие бывают источники света

Все источники света делятся на естественные (природные) и искусственные (созданные руками человека). К природным источникам можно отнести Солнце, светящийся планктон. К искусственным – различные виды ламп, осветительные диоды и т.д.

Основные параметры и единицы измерения источников света

Световое излучение характеризуется многими параметрами:

• Яркость (L). Измеряется в кд/м 2 – кандела на квадратный метр. Это основной фактор светоощущения.
• Освещенность (E). Измеряется в лк – люкс. 1лк равнозначен потоку излучения в 1 люмен, равномерно распределенному по площади 1м 2 .
• Световой поток (Ф). Измеряется в лм – люмен. Характеризует мощность излучения, оценивается по световому ощущению глазом человека. В системе единиц СИ обозначается именно буквой Ф и рассчитывается по формуле:
• Сила света (I). Измеряется в кд – кандела. Характеризует интенсивность светового потока. Рассчитывается по формуле:

для изотропного источника:

для не изотропного источника:

• Световая отдача. Измеряется в лм/Вт – люмен на Ватт. Эта величина может характеризовать экономичность искусственного источника света, грубо говоря, сколько электрической мощности преобразуется в свет.

Для искусственных источников света важна цветопередача. Цвета у предметов будут различаться лучше, если он освещается сплошным равномерным спектром. В идеале чем ближе излучение ламп к солнечному свету, тем она лучше и дороже. При индексе цветопередачи свыше 90 предметы будут казаться необычайно насыщенными.

При малом индексе будет затруднительно определить цвет предмета, однако контуры будут видны. От яркости это практически не зависит.

Виды и классификации источников света

Все искусственные электрические световые излучатели можно разделить по физическим принципам работы:

Тепловые источники света. Это различные классические лампы накаливания. Принцип действия основан на разогреве рабочего тела (обычно – проволочная нить, изготовленная из вольфрама) до температур, при которых появляется и ИК-излучение, и видимый свет. Они обладают достаточно хорошей цветопередачей, но крайне низким КПД. Не более трех процентов. Энергия расходуется на разогрев и поддержание рабочей температуры вольфрамовой проволоки. Срок службы редко превышает две тысячи часов. На работоспособность внешняя среда не оказывает существенного влияния. Сейчас уже признаны морально устаревшими, но до сих пор производятся. Цена низка. Сюда ж можно отнести и галогеновые лампы, и угольные дуги, и инфракрасные излучатели. Им не требуется дополнительных устройств для запуска.

Подробнее о лампе накаливания-тут

Люминесцентные. Сюда можно отнести все газоразрядные лампы. Это и лампы с тлеющим разрядом (в результате разряда в парах ртути возникает свечение люминофорного покрытия), ртутные дуговые осветители, лампы с дуговым разрядом (низкого и высокого давления). Этому типу ламп требуется специальная схема для запуска. Например, у лампы дневного света напряжение горения ниже напряжения зажигания. Т.е. недостаточно просто подать напряжение. Этот тип освещения имеет уже более чем полувековую историю. До сих пор имеется востребованность. Примечательно, что многим осветителям данного типа можно придать практически любую форму колбы. Дизайнерам есть поле для творчества. Энергопотребление существенно ниже, чем у лам накаливания. Срок службы продолжителен.

Подробнее о люминесцентных лампы вы можете прочесть- тут

Смешанного излучения. В основу положена дуга высокой интенсивности. Это дорогие специализированные излучатели, сочетающие одновременно и тепловой физический принцип, и мощную электрическую дугу. В основном они применяются в прожекторных установках (например, авиационных и корабельных). В производстве весьма сложны. В свободной продаже отсутствуют. Требуется сложная схема на мощных элементах, в ее задачу входит розжиг и поддержание разряда. Среда эксплуатации накладывает свои сложности на инженерные решения. Энергопотребление высокое.

Светодиодные. Сюда можно отнести все источники света, построенные на светодиодах. Принцип действия заключается в появлении светового потока в точке соприкосновения двух разных материалов. Через них пропускается постоянный ток. Причем оба материала – полупроводники. Они пропускают ток в одну сторону. Обратный ток тоже есть, но он ничтожно мал, что им можно пренебречь. Экспериментальным путем были получены материалы, способные испускать фотоны при смене электроном энергетического уровня. Первые светодиоды имели малую яркость и ограниченный набор цветов. Поэтому использовались только в основном как индикаторы. Сейчас синтезированы материалы, которые позволяют дать большую яркость, охватить почти весь спектр. Но тем не менее в определенных участках спектра может наблюдаться завал, либо преобладание свечения. Современные светодиоды успешно применяются в качестве осветительных приборов, характеризуются наибольшей энергоэффективностью (потребляемая мощность очень низка в сравнении с другими источниками света) и длительным сроком службы. Их относят к холодным источникам света. В большинстве случаев они все низковольтные, не более 12 В нужно для диода.

К сожалению, большинство не совсем честных производителей преднамеренно снижает срок службы таких осветителей, за счет повышения номинального тока. Работа на предельном токе весьма негативно сказывается на сроке службы осветительного диода.

В составе ламп всегда находится схема – блок питания (или драйвер). Его задача строго поддерживать параметры питания – напряжение и силу тока. Применительно к автомобилестроению, светодиоды показывают хорошие результаты, но просто менять галогеновую лампу на светодиод не стоит, без драйвера срок службы будет минимален в виду нестабильности питания в бортовой сети автомобиля.

Более подробная информация о led лампах-тут

Лазеры. Оптический квантовый генератор. Лазер расшифровывается light amplification by stimulated emission of radiation. В переводе с английского – усиление света с помощью вынужденного излучения. Смысл процесса состоит в том, что атом рабочего тела в возбужденном состоянии может излучит фотон под действием другого фотона. Поглощения в этом случае не произойдет. При этом фотоны когерентны. Фотон излученный – это точная копия фотона, который вынудил его появление. Это и есть явление усиления света. Идентичность фотонов обуславливает и монохроматичность излучения. Лазер не используется в качестве осветителя. Он нашел широкое применение – от считывания компакт-диска до лазерной резки металлов. Применяется он и в медицине, в качестве лучевого скальпеля. А ведь это тоже свет! В качестве рабочего тела может применятся углекислый газ, моно-галогениды, и так далее.

Вполне возможно, что со временем появятся источники света, основанные и на других физических принципах.

Источники света: что нам светит

Источники света — один из самых массовых товаров. Ежегодно производят и потребляют миллиарды ламп, значительную долю которых пока составляют лампы накаливания и галогенные лампы.

Стремительно растёт потребление современных ламп — компактных люминесцентных и светодиодных. Происходящие изменения в качестве дают надежду на то, что источники света станут важным инструментом дизайнера, архитектора, проектировщика.

Об освещённости и цветовой температуре света

Ряд параметров ламп определяет насколько они применимы в том или ином проекте.

Световой поток определяет количество света, которое дает лампа (измеряется в люменах). Установленная в люстре лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет световой поток 1200 лм, 35-ватная «галогенка» — 600 лм, а натриевая лампа мощностью 100 Вт — 10 000 лм.

У разных типов ламп разная световая отдача, определяющая эффективность преобразования электрической энергии в свет и, следовательно, разную экономическую эффективность применения. Световую отдачу лампы измеряют в лм/Вт (светотехники говорят «люменов с ватта», имея в виду, что каждый ватт потребляемой электроэнергии «преобразуется» в некоторое количество люменов светового потока).

Переходя от количества к качеству, рассмотрим цветовую температуру (Т_цв, единица измерения — градус Кельвина) и индекс цветопередачи (Ra). При выборе ламп дизайнер обязательно учитывает цветовую температуру для той или иной установки. Комфортная среда сильно зависит от того, какой свет в помещении «тёплый» или «холодный» (чем выше цветовая температура, тем «холоднее» свет).

Цветопередача — важный параметр, о котором часто забывают. Чем более сплошной и равномерный спектр у лампы, тем различимее цвета предметов в её свете. У Солнца сплошной спектр излучения и наилучшая цветопередача, при этом Т_цв меняется от 6000К в полдень до 1800К в рассветные и закатные часы. Но далеко не все лампы могут сравниться с Солнцем.

Если у искусственных источников теплового излучения сплошной спектр и нет проблем с цветопередачей, то разрядные лампы, имеющие в своем спектре полосы и линии, сильно искажают цвета предметов.

Индекс цветопередачи тепловых источников равен 100, для разрядных он колеблется от 20 до 98. Правда, индекс цветопередачи не даёт сделать вывод о характере передачи цветов, а иногда способен запутать дизайнера. Так, у люминесцентных ламп и у белых светодиодов хорошая цветопередача (Ra=80), но при этом они неудовлетворительно передают некоторые цвета.

Другой крайний случай, когда индекс цветопередачи более 90 — в этом случае некоторые цвета воспроизводятся неестественно насыщенными.

Лампы выходят из строя. Кроме того, световой поток лампы уменьшается в процессе работы. Срок службы — основной эксплуатационный параметр источников света.

Проектируя осветительную установку нельзя забывать об обслуживании, т. к. частая замена ламп увеличивает стоимость эксплуатации и вносит дискомфорт.

Лампы накаливания

Вольфрамовая спираль в колбе разогревается под действием электрического тока. Для сокращения скорости распыления вольфрама и соответственно увеличения срока службы лампы колба наполняется инертным газом. По принципу действия лампа накаливания относится к тепловым источникам света, т. е. значительная доля потребляемой энергии расходуется на тепловое и инфракрасное излучение.

Типичная для ламп накаливания световая отдача 10–15 лм/Вт, а срок службы редко превышает 2000 часов. Достоинства этих ламп: низкая цена и качество света (Т_цв=2700, Ra=100). Сплошной спектр качественно воспроизводит цвета окружающих предметов. Лампы накаливания постепенно вытесняются разрядными источниками света и светодиодными лампами.

Галогенные лампы накаливания

Добавление галогенов в колбу лампы накаливания и использование кварцевого стекла позволили сделать серьезный шаг вперёд, получив новый класс источников света — галогенные лампы накаливания. Световая отдача современных ГЛН составляет 30 лм/Вт. Типичное значение цветовой температуры 3000К и индекс цветопередачи 100. «Точечная» форма источника света с помощью отражателей даёт управлять пучком света.

Получающийся при этом искристый свет определил приоритет таких ламп в интерьерном дизайне, где они заняли лидерство. Ещё одно преимущество в том, что количество и качество света лампы постоянно на протяжении срока службы. Популярны низковольтные «галогенки» мощностью 10–75 Вт с отражателем, который фокусирует луч в угле 10–40°.

Недостатки ГЛН очевидны: малая световая отдача, короткий срок службы (в среднем 2000–4000 часов), необходимость использования (для низковольтных) понижающих трансформаторов. Там, где эстетический компонент важнее экономического, с ними приходится мириться.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы (ЛЛ) — разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, которая наполнена инертным газом и малым количеством ртути. При включении в трубке возникает дуговой разряд, и атомы ртути начинают излучать видимый свет и ультрафиолет. Нанесённый на стенки трубки люминофор под действием ультрафиолетовых лучей излучает видимый свет.

Основа светового потока лампы — излучение люминофора, видимые линии ртути составляют лишь малую часть. Многообразие люминофоров (смесей люминофоров) позволяет получить источники света с различным спектральным составом, который определяет цветовую температуру и индекс цветопередачи.

Люминесцентные лампы дают мягкий, равномерный свет, но его распределением в пространстве трудно управлять из-за большой поверхности излучения. Для работы люминесцентных ламп необходима специальная пускорегулирующая аппаратура. Лампы долговечны — срок службы до 20 000 часов.

Световая отдача и срок службы сделали их самыми распространёнными источниками света в офисном освещении.

Компактные люминесцентные лампы

Развитие люминесцентных ламп привели к созданию компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Это источник света похожий на миниатюрную люминесцентную, иногда с встроенным электронным пускорегулирующим аппаратом и резьбовым цоколем Е27 (для непосредственной замены ламп накаливания), Е14 и др.

Различие заключается в уменьшенном диаметре трубки и использовании другого типа люминофора. Компактная люминесцентная лампа может с успехом заменить лампы накаливания.

Разрядные лампы высокого давления

Последние разработки позволяют использовать для освещения разрядные лампы высокого давления. По ряду показателей подходят металлогалогенные (МГЛ). У этих ламп во внешней колбе размещается горелка с излучающие добавки. В горелке присутствует некоторое количество ртути, галоген (чаще йод) и атомы химических элементов (Tl, In, Th, Na, Li и др.).

Сочетание излучающих добавок достигает интересных параметров: высокая световая отдача (до 100 лм/Вт), отличная цветопередача Rа=80–98, диапазон Тцв от 3000 К до 6000 К, средний срок службы до 15 000 часов. Для работы этих ламп требуется пускорегулирующие аппараты и специальные светильники. Рекомендуется использовать эти источники для освещения помещений с большой площадью, с высокими потолками, просторных залов.

Светодиодные лампы

Светодиоды — полупроводниковые светоизлучающие приборы, называют источниками света будущего. Если говорить о современном состоянии «твердотельной светотехники», можно утверждать, что она вышла из периода младенчества. Достигнутые характеристики светодиодов (световая отдача до 140 лм/Вт, Rа=80–95, срок службы 70 000 часов) уже обеспечили лидерство во многих областях.

Диапазон мощностей светодиодных источников, реализация в лампах разных типов цоколей, управление лампами позволили в короткий срок удовлетворить растущие требования к источникам света. Главными преимуществами светодиодов остаются компактные размеры и управления цветовыми параметрами (цветодинамика).

Источники света

Искусственные источники света — технические устройства различной конструкции, преобразовывающие энергию в световое излучение. В источниках света используется в основном электроэнергия, но так же иногда применяется химическая энергия и другие способы генерации света (например, триболюминесценция, радиолюминесценция, биолюминесценция и др.).

Источники света, наиболее часто применяемые для искусственного освещения, делят на три группы – газоразрядные лампы, лампы накаливания и светодиоды. Лампы накаливания относятся к источникам света теплового излучения. Видимое излучение в них получается в результате нагрева электрическим током вольфрамовой нити. В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов и паров металлов, а также за счет явлений люминесценции, которое невидимое ультрафиолетовое излучение преобразует в видимый свет.

В системах производственного освещения предпочтение отдается газоразрядным лампам. Использование ламп накаливания допускается в случае невозможности или экономической нецелесообразности применения газоразрядных.

Основные характеристики источников света:

· номинальное напряжение питающей сети U, B;

· электрическая мощность W, Вт;

· световой поток Ф, лм;

· световая отдача (отношение светового потока лампы к ее мощности) лм/Вт;

· срок службы t, ч;

· Цветовая температура Tc, К.

Лампы накаливания

Лампа накаливания – источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника (вольфрамовой нити). Эти приборы предназначаются для бытового, местного и специального освещения. Последние, как правило, отличаются внешним видом – цветом и формой колбы. Коэффициент полезного действия (КПД) ламп накаливания составляет около 5-10%, такая доля потребляемой электроэнергии преобразуется в видимый свет, а основная ее часть превращается в тепло. Любые лампы накаливания состоят из одинаковых основных элементов. Но их размеры, форма и размещение могут сильно отличаться, поэтому различные конструкции не похожи друг на друга и имеют разные характеристики.

Существуют лампы, колбы которых наполнены криптоном или аргоном. Криптоновые обычно имеют форму “грибка”. Они меньше по размеру, но обеспечивают больший (примерно на 10%) световой поток по сравнению с аргоновыми. Лампы с шаровой колбой предназначены для светильников, служащих декоративными элементами; с колбой в форме трубки – для подсветки зеркал в стенных шкафах, ванных комнатах и т. д. Лампы накаливания имеют световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт и срок службы около 1000 часов. Они относятся к источникам света с теплой тональностью, поэтому создают погрешности при передаче сине-голубых, желтых и красных тонов. В интерьере, где требования к цветопередаче достаточно высоки, лучше использовать другие типы ламп. Также не рекомендуется применять лампы накаливания для освещения больших площадей и для создания освещенности, превышающей уровень 1000 Лк, так как при этом выделяется много тепла и помещение “перегревается”.

Несмотря на эти ограничения, такие приборы все еще остаются классическим и излюбленным источникам света.

Галогенные лампы накаливания

Лампы накаливания со временем теряют яркость, и происходит это по простой причине: испаряющийся с нити накаливания вольфрам осаждается в виде темного налета на внутренних стенках колбы. Современные галогенные лампы не имеют этого недостатка благодаря добавлению в газ-наполнитель галогенных элементов (йода или брома).

Лампы бывают двух форм: трубчатые – c длинной спиралью, расположенной по оси кварцевой трубки, и капсульные – с компактным телом накала.

Цоколи малогабаритных бытовых галогенных ламп могут быть резьбовыми (тип Е), которые подходят к обычным патронам, и штифтовые (тип G), которые требуют патронов другого типа.

Световая отдача галогенных ламп составляет 14-30 лм/Вт. Они относятся к источникам с теплой тональностью, но спектр их излучения ближе к спектру белого света, чем у ламп накаливания. Благодаря этому прекрасно “передаются” цвета мебели и интерьера в теплой и нейтральной гамме, а также цвет лица человека.

Галогенные лампы применяются повсюду. Лампы, имеющие цилиндрическую или свечеобразную колбу и рассчитанные на сетевое напряжение 220В, можно использовать вместо обычных ламп накаливания. Зеркальные лампы, рассчитанные на низкое напряжение, практически незаменимы при акцентированном освещении картин, а также жилых помещений.

Люминесцентные лампы

Люминесцентные лампы (ЛЛ) — разрядные лампы низкого давления — представляют собой цилиндрическую трубку с электродами, в которую закачаны пары ртути. Эти лампы значительно меньше расходуют электроэнергию, чем лампы накаливания или даже галогенные лампы, а служат намного дольше (срок службы до 20 000 часов). Благодаря экономичности и долговечности эти лампы стали самыми распространенными источниками света. В странах с мягким климатом люминесцентные лампы широко применяются в наружном освещении городов. В холодных районах их распространению мешает падение светового потока при низких температурах. Принцип их действия основан на свечении люминофора, нанесенного на стенки колбы. Электрическое поле между электродами лампы заставляет пары ртути выделять невидимое ультрафиолетовое излучение, а люминофор преобразует это излучение в видимый свет. Подбирая сорт люминофора, можно изменять цветовую окраску испускаемого света.

Разрядные лампы высокого давления

Принцип действия разрядных ламп высокого давления — свечение наполнителя в разрядной трубке под действием дуговых электрических разрядов.

Два основных разряда высокого давления, применяемых в лампах — ртутный и натриевый. Оба дают достаточно узкополосное излучение: ртутный — в голубой области спектра, натрий — в желтой, поэтому цветопередача ртутных (Ra=40-60) и особенно натриевых ламп (Ra=20-40) оставляет желать лучшего. Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света — металлогалогенные лампы (МГЛ) , отличающиеся очень широким спектром излучения и прекрасными параметрами: высокая световая отдача (до 100 Лм/Вт), хорошая и отличная цветопередача Ra=80-98, широкий диапазон цветовых температур от 3000 К до 20000К, средний срок службы около 15 000 часов. МГЛ успешно применяются в архитектурном, ландшафтном, техническом и спортивном освещении. Еще более широко применяются натриевые лампы . На сегодняшний день это один самых экономичных источников света благодаря высокой светоотдаче (до 150 Лм/Вт), большому сроку службы и демократичной цене. Огромное количество натриевых ламп используется для освещения автомобильных дорог. В Москве натриевые лампы часто из экономии используются для освещения пешеходных пространств, что не всегда уместно из-за проблем с цветопередачей.

Светодиоды

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток в световое излучение. Специально выращенные кристаллы дают минимальное потребление электроэнергии. Великолепные характеристики светодиодов (световая отдача до 120 Лм/Вт, цветопередача Ra=80-85, срок службы до 100 000 часов) уже обеспечили лидерство в светосигнальной аппаратуре, автомобильной и авиационной технике.

Светодиоды применяются в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло). В больших уличных экранах и в бегущих строках применяется массив (кластер) светодиодов. Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях и прожекторах. Так же они применяются в качестве подсветки жидкокристаллических экранов. Последние поколения этих источников света можно встретить в архитектурном и интерьерном освещении, а так же в бытовом и коммерческом.

· Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных составляющих).

· Длительный срок службы.

· Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий. Для нужд индикации и передачи данных это — достоинство, но для освещения это недостаток. Более узкий спектр имеет только лазер.

· Малый угол излучения — также может быть как достоинством, так и недостатком.

· Безопасность — не требуются высокие напряжения.

· Нечувствительность к низким и очень низким температурам. Однако, высокие температуры противопоказаны светодиоду, как и любым полупроводникам.

· Отсутствие ядовитых составляющих (ртуть и др.) и, следовательно, лёгкость утилизации.

· Недостаток – высокая цена.

· Срок службы: среднее время полной выработки для светодиодов составляет 100000 часов, это в 100 раз больше ресурса лампочки накаливания.