Любая лампа прежде всего - это преобразователь энергии. Хотя она может выполнять и второстепенные функции, но основное назначение - преобразование электрической энергии в видимое электромагнитное излучение. Существует множество способов создания света. Соответственно и видов ламп огромное множество. Предлагаю разобраться в этой теме с пользой - прочтя эту статью вы наверняка поймете, какие именно лампы будут самыми оптимальными для ваших потребностей. Начнем с самой сути - светового излучения. Разберемся в его видах.
Виды света
Свечение
Когда твердые и жидкие вещества нагреваются, они испускают видимое излучение при температуре выше 1 000 К - это называется накаливанием. Такой нагрев лежит в основе генерации света в лампах накаливания. Электрический ток проходит через тонкую вольфрамовую проволоку, температура которой повышается примерно до 2 500-3 200 К, в зависимости от типа лампы и ее применения.
У этого метода есть предел, который описывается законом Планка для работы излучателя черного тела, согласно которому спектральное распределение излучаемой энергии увеличивается с ростом температуры. При температуре около 3 600 К и выше наблюдается заметное усиление эмиссии видимого излучения, а длина волны максимальной мощности смещается в видимый диапазон. Эта температура близка к температуре плавления вольфрама, который используется для нити накаливания, поэтому практический предел температуры составляет около 2 700 К, выше которого испарение нити становится чрезмерным. В результате такого спектрального сдвига значительная часть излучения выделяется не в виде света, а в виде тепла в инфракрасной области. Таким образом, лампы накаливания могут быть эффективными нагревательными приборами и используются в лампах, предназначенных для сушки печатной продукции, приготовления пищи и выращивания животных.
Электрический разряд
Электрический разряд - это метод, используемый в современных источниках света для торговли и промышленности благодаря более эффективному производству света. В некоторых типах ламп электрический разряд сочетается с фотолюминесценцией.
Электрический ток, пропущенный через газ, возбуждает атомы и молекулы, которые испускают излучение спектра, характерного для присутствующих элементов. Обычно используются два металла, натрий и ртуть, поскольку их характеристики дают полезное излучение в видимом спектре. Ни один из металлов не излучает непрерывный спектр, поэтому газоразрядные лампы имеют избирательный спектр. Их цветопередача никогда не будет идентична непрерывному спектру. Газоразрядные лампы часто классифицируют как лампы высокого или низкого давления, хотя эти термины лишь условны, а натриевая лампа высокого давления работает при давлении ниже одной атмосферы.
Люминесценция
Фотолюминесценция возникает, когда излучение поглощается твердым телом и затем переизлучается на другой длине волны. Если излучение находится в видимом спектре, процесс называется флуоресценцией или фосфоресценцией.
Электролюминесценция возникает, когда свет генерируется при прохождении электрического тока через некоторые твердые тела, например, люминофорные материалы. Она используется для самосветящихся вывесок, но не зарекомендовала себя как практичный источник света для освещения зданий и экстерьеров.
Эволюция электрических ламп
Первая лампа была изобретена Томасом Эдисоном в его собственной лаборатории в Нью-Джерси в январе 1879 года. Это была стеклянная лампа, в которой он создал вакуум, а в качестве нити накаливания использовал два угольных стержня.
Несмотря на то что технический прогресс позволил создавать различные лампы, основными факторами, влияющими на их развитие, были внешние рыночные силы.
Например, производство ламп накаливания, используемых в начале этого века, стало возможным только после появления хороших вакуумных насосов и волочения вольфрамовой проволоки.
В период восстановления после Второй мировой войны акцент был сделан на производительности. Люминесцентная лампа стала доминирующим источником света, поскольку она позволила создать бестеневое и сравнительно тепловое освещение фабрик и офисов, что позволило максимально эффективно использовать пространство.
К 1970-м годам цены на нефть выросли, и затраты на электроэнергию стали составлять значительную часть эксплуатационных расходов. Рынок стал требовать люминесцентные лампы, дающие столько же света при меньшем потреблении электроэнергии. Дизайн ламп был усовершенствован по нескольким направлениям. На исходе века все большее внимание начало уделяться глобальным экологическим проблемам. Более эффективное использование сокращающегося сырья, переработка или безопасная утилизация продукции, а также постоянная озабоченность потреблением энергии (особенно энергии, получаемой из ископаемого топлива) влияют на современные конструкции ламп.
Критерии эффективности ламп
Критерии эффективности зависят от области применения. В целом, не существует определенной иерархии важности этих критериев. Поэтому перечислим их в произвольном порядке.
- Световой поток лампы определяет ее пригодность в зависимости от требуемого количества освещения.
- Внешний вид и цветопередача. Для определения этого показателя применяются отдельные шкалы и числовые значения. Важно помнить, что эти цифры служат только руководством, а некоторые из них являются лишь приблизительными.
- Срок службы лампы. Большинство ламп требуют замены несколько раз в течение срока службы осветительной установки. Предполагаемый средний срок службы часто является компромиссом между стоимостью и производительностью.
Например, срок службы лампы для слайд-проектора составляет несколько сотен часов, поскольку максимальный световой поток важен для качества изображения. В отличие от этого, некоторые лампы для освещения дорожного полотна можно менять каждые два года, что составляет около 8 000 часов горения.
Кроме того, срок службы лампы зависит от условий эксплуатации, поэтому не существует простой цифры, которая была бы применима во всех условиях. На срок службы лампы влияют внешние условия окружающей среды, такие как температура, вибрация, частота запуска, колебания напряжения питания и так далее.
Интересно: средний срок службы ламп, представляет собой время, в течение которого происходит 50 % отказов из партии испытательных ламп. Такое определение срока службы вряд ли применимо ко многим коммерческим или промышленным установкам, поэтому практический срок службы ламп обычно меньше опубликованных значений.
- Эффективность. Различные типы ламп имеют заметные различия в эффективности. Экономия энергии не должна идти в ущерб визуальному комфорту или работоспособности.
Основные типы ламп
Лампы в зависимости от принципа их работы можно разделить на три основных типа. Во-первых, это лампы накаливания, среди которых можно выделить подтип ламп галогенных. Они используются для создания света за счет нагревания нити накаливания. Во-вторых, есть газоразрядные лампы, которые функционируют при помощи газа или пара металла, дающего свет во время разряда. Наконец, третьим типом являются светодиодные лампы, которые используют светодиоды для создания света и отличаются высокой энергоэффективностью и продолжительностью работы. Такое разнообразие позволяет выбрать лампу, которая лучше всего соответствует вашим потребностям и условиям использования. Но в каждой из трех групп существует много подвидов. Давайте разбираться
Лампы накаливания
В этих лампах используется вольфрамовая нить в инертном газе или вакууме со стеклянной оболочкой. Инертный газ подавляет испарение вольфрама и уменьшает почернение оболочки. Существует большое разнообразие форм ламп, которые в основном имеют декоративный вид. Конструкция типичной лампы накаливания приведена на рисунке ниже
Лампы накаливания также выпускаются с широким спектром цветов и форм.
Однако для коммерческого и промышленного освещения низкая эффективность приводит к очень высоким эксплуатационным расходам, поэтому обычным выбором становятся газоразрядные лампы.
Например: лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет типичную эффективность 14 люмен/ватт по сравнению с 96 люмен/ватт для люминесцентной лампы мощностью 36 Вт.
Яркость лампы накаливания легко регулировать путем снижения напряжения питания, поэтому они по-прежнему используются там, где регулировка яркости является желаемой функцией управления.
Вольфрамовые галогенные лампы
Они похожи на лампы накаливания и производят свет таким же образом из вольфрамовой нити. Однако колба содержит галогенный газ (бром или йод), который активно контролирует испарение вольфрама.
Основой галогенного цикла является минимальная температура стенки колбы 250 °C, чтобы галогенид вольфрама оставался в газообразном состоянии и не конденсировался на стенке колбы. При такой температуре вместо стекла используются колбы из кварца. При использовании кварца можно уменьшить размер колбы.
Срок службы большинства вольфрамовых галогенных ламп выше, чем у аналогов накаливания, а температура нити накаливания выше, что создает больше света и более белый цвет.
Вольфрамовые галогенные лампы стали популярны там, где главным требованием является небольшой размер и высокая производительность. Типичный пример - сценическое освещение, включая кино и телевидение, где часто требуется управление направлением и регулировка яркости.
Низковольтные вольфрамовые галогенные лампы
Изначально они были разработаны для слайд- и кинопроекторов. При напряжении 12 В нить накала при той же мощности, что и при 220 В, становится меньше и толще. Она может быть более эффективно сфокусирована, а большая масса нити накаливания обеспечивает более высокую рабочую температуру, увеличивая световой поток. Толстая нить накаливания более прочная. Эти преимущества были оценены как полезные для рынка коммерческих витрин, и, несмотря на необходимость использования понижающего трансформатора, эти лампы до сих пор используют в освещении витрин.
Интересно: для них был разработан специальный тип отражателя, который отражает только видимое излучение, позволяя инфракрасному излучению (теплу) проходить через заднюю часть лампы. Эта особенность теперь используется во многих низковольтных лампах с отражателем для освещения дисплеев, а также проекционного оборудования.
Газоразрядные лампы
Трубчатые люминесцентные лампы
Это ртутные лампы низкого давления, которые выпускаются в двух версиях: с "горячим катодом" и "холодным катодом".
- "Горячий катод" означает запуск лампы путем предварительного нагрева электродов для создания достаточной ионизации газа и паров ртути для создания разряда. Это и есть та самая обычная люминесцентная лампа для офисов и заводов.
- Лампы с холодным катодом используются в основном для вывесок и рекламы.
Люминесцентные лампы требуют внешнего пускорегулирующего устройства для запуска и контроля тока лампы. Помимо небольшого количества паров ртути, в лампе присутствует стартовый газ (аргон или криптон).
Низкое давление ртути создает разряд бледно-голубого света. Большая часть излучения приходится на ультрафиолетовую область с длиной волны 254 нм - характерная частота излучения ртути. Внутри стенки трубки находится тонкое люминофорное покрытие, которое поглощает ультрафиолет и излучает энергию в виде видимого света. Качество цвета света определяется люминофорным покрытием. Существует целый ряд люминофоров, различающихся по цвету и цветопередаче.
Интересно: в 1950-х годах люминофоры предлагали выбор между приемлемой эффективностью (60 люмен/ватт) с недостатком красного и синего света и улучшенной цветопередачей люминофоров класса "люкс" с более низкой эффективностью (40 люмен/ватт). К 1970-м годам были разработаны новые узкополосные люминофоры. Они излучали отдельно красный, синий и зеленый свет, а в сочетании давали белый свет.
Регулируя пропорции люминофора, можно получить целый ряд различных цветов, но все они обладают одинаково превосходной цветопередачей. Современные узкополосные люминофоры более долговечны, лучше сохраняют люмен и увеличивают срок службы лампы.
Компактные люминесцентные лампы
Люминесцентная трубка не является практичной заменой лампы накаливания из-за своей линейной формы. Маленькие узкоствольные трубки можно сконфигурировать так, чтобы они были примерно такого же размера, как лампа накаливания, но это создает гораздо большую электрическую нагрузку на люминофор.
Все компактные люминесцентные лампы используют трифосфор, поэтому, когда они используются вместе с линейными люминесцентными лампами, последние также должны быть трифосфорными, чтобы обеспечить согласованность цветов.
Если обычную частоту питания 50 или 60 Гц увеличить до 30 кГц, эффективность люминесцентных ламп повысится на 10 %. Электронные схемы могут управлять отдельными лампами на таких частотах. Использование высокочастотной электронной аппаратуры также устраняет и проблему мерцания таких ламп.
Индукционные лампы
Лампы, использующие принцип индукции, появились на рынке сравнительно недавно. Они представляют собой ртутные лампы низкого давления с трехфосфорным покрытием и похожи на люминесцентные лампы. Энергия передается лампе с помощью высокочастотного излучения с частотой около 2,5 МГц от антенны, расположенной по центру лампы. Между колбой лампы и катушкой нет физического соединения. Без электродов или других проволочных соединений конструкция разрядника проще и долговечнее. Срок службы лампы в основном определяется надежностью электронных компонентов и сохранением люминофорного покрытия.
Ртутные лампы высокого давления
Разряды высокого давления более компактны и имеют более высокую электрическую нагрузку, поэтому для них требуются кварцевые дуговые трубки, выдерживающие давление и температуру. Дуговая трубка заключена во внешнюю стеклянную оболочку с азотной или аргонно-азотной атмосферой для уменьшения окисления и дугообразования. Колба эффективно фильтрует УФ-излучение от дуговой трубки.
При высоком давлении ртутный разряд излучает в основном синий и зеленый цвета. Для улучшения цвета люминофорное покрытие внешней колбы добавляет красный свет.
Всем газоразрядным лампам высокого давления требуется время для достижения полной мощности. Первоначальный разряд происходит через проводящий газ, а металл испаряется по мере повышения температуры лампы.
При стабильном давлении лампа не сразу перезапускается без специальных устройств управления. Существует задержка, пока лампа достаточно остынет и давление снизится, чтобы обычное напряжение питания или цепь зажигания были достаточны для восстановления дуги.
Важно: хотя ртутные лампы имеют длительный срок службы - около 20 000 часов, светоотдача по истечении этого срока падает примерно до 55 % от первоначальной, поэтому срок службы может быть короче.
Металлогалогенные лампы
Цвет и светоотдача ртутных газоразрядных ламп могут быть улучшены путем добавления различных металлов в ртутную дугу. Доза для каждой лампы невелика, и для точного применения удобнее использовать металлы в виде порошка галогенидов. Они разрушаются при нагревании лампы и высвобождают металл.
В металлогалогенных лампах может использоваться несколько различных металлов, каждый из которых дает определенный характерный цвет. К ним относятся:
- диспрозий - широкий сине-зеленый
- индий - узкий синий
- литий - узкий красный
- скандий-широкий сине-зеленый
- натрий - узкий желтый
- таллий - узкий зеленый
- олово - широкий оранжево-красный
Натриевые лампы низкого давления
Дуговая трубка по размеру похожа на люминесцентную, но изготовлена из специального слоеного стекла с внутренним натриевым покрытием. Дуговая трубка имеет узкую U-образную форму и заключена во внешнюю вакуумную оболочку для обеспечения термостабильности. Во время запуска лампы имеют сильное красное свечение от неонового газа.
Характерное излучение от паров натрия низкого давления - монохроматическое желтое. Это близко к пиковой чувствительности человеческого глаза, а натриевые лампы низкого давления - самые эффективные из существующих ламп с яркостью почти 200 люмен/ватт. Однако их применение ограничено теми местами, где цветовая дискриминация не имеет визуального значения, например, магистральными дорогами и подземными переходами, а также жилыми улицами.
Во многих ситуациях эти лампы заменяются натриевыми лампами высокого давления. Их меньший размер обеспечивает лучший оптический контроль, особенно для освещения проезжей части, где растет озабоченность по поводу чрезмерного свечения неба.
Натриевые лампы высокого давления
Эти лампы похожи на ртутные лампы высокого давления, но отличаются более высокой эффективностью (более 100 люмен/ватт) и превосходным поддержанием светового потока. Реактивная природа натрия требует изготовления дуговой трубки из полупрозрачного поликристаллического глинозема, так как стекло или кварц не подходят. Внешняя стеклянная колба содержит вакуум для предотвращения образования дуги и окисления. Ультрафиолетовое излучение от натриевого разряда отсутствует, поэтому люминофорные покрытия не имеют значения. Некоторые лампы имеют матовую поверхность или покрытие для рассеивания света.
При увеличении давления натрия излучение превращается в широкую полосу вокруг желтого пика, а внешний вид становится золотисто-белым. Однако с увеличением давления эффективность снижается. В настоящее время существует три отдельных типа натриевых ламп высокого давления. Как правило, стандартные лампы используются для наружного освещения, лампы класса люкс - для промышленных интерьеров, а белые - для коммерческих/витринных приложений.
Лампы высокого давления не умеют плавно затемняться без дополнительной электроники, поскольку изменение мощности лампы изменяет давление и, следовательно, основные характеристики лампы.
Люминесцентные лампы можно регулировать с помощью высокочастотных источников питания, обычно генерируемых в электронном блоке управления. При этом цветовая гамма остается неизменной. Кроме того, световой поток примерно пропорционален мощности лампы, что позволяет экономить электроэнергию при уменьшении светового потока. Интегрируя световой поток от лампы с преобладающим уровнем естественного дневного света, можно обеспечить практически постоянный уровень освещенности в интерьере.
LED (Light Emitting Diodes) - светодиодные лампы
Принцип работы светоизлучающих диодов заключается в испускании света полупроводником при прохождении через него электрического тока.
Несколько лет назад светодиодная технология применялась только в тех случаях, когда требовалась небольшая мощность, например, в сигнальных системах, светофорах, указателях выхода или аварийном освещении.
Классификацию светодиодных ламп можно осуществить в соответствии со следующими признаками:
- Использование определенного цоколя.
- Конструктивное исполнение.
- Вид установленных светодиодов.
Цоколи
Наиболее распространенными цоколями можно назвать Е27 и Е14. Е - получило обозначение от английского EdisonScrewtype (цоколь Эдисона). Два данных типа совершенно идентичны по конструкции - по сути это резьба с одинаковыми высотой и диаметром - 27 мм и 14 мм соответственно.
Кроме того, существуют цоколи со штырьковыми контактами. Их маркировка начинается с буквы G. Цифровое значение после символа G указывает на межконтактное расстояние в милиметрах. Наиболее популярны цоколи G4 и GU10, для которых расстояние между контактами составляет 4 и 10 мм соответственно. Вы наверняка могли их видеть в помещениях с организованной точечной подсветкой.
Для трубчатых светодиодных ламп как правило используют варианты с цоколями G13 и G5. А для полноценной замены типичных галогенных ламп был разработан цоколь GU 5.3 или G5.3.
Конструкционное исполнение светодиодных ламп:
Самыми популярными вариантами исполнения являются следующие: лампы "кукуруза", "колба", светодиодные трубки (Т8 или G13), а также модели для замены различных галогенных ламп.
- Светодиодные трубки – отличный выбор, если необходимо заменить светильник, предназначенный для трубчатых люминесцентных ламп. Они полностью соответствуют по размерам и контактным площадкам, а светодиоды в таких трубках размещены на длинной плате по всей длине лампы.
- Лампа в форме колбы, аналогичная лампам накаливания, является самой привычной. Они доступны как с SMD, так и с COB светодиодами. Чаще всего они выпускаются с матовой колбой для обеспечения равномерного рассеивания света в помещении. Лампы с нитевыми светодиодами (filament led) представляют собой интересный вариант – они внешне похожи на обычные лампы накаливания, но вместо спиралей у них расположены длинные светодиоды COB.
- Лампы в форме "кукуруза" получили свое название благодаря цилиндрической форме. На их поверхности размещены SMD светодиоды, что обеспечивает равномерное распределение света. Эта технология позволяет производителям создавать очень мощные лампы.
Теперь же благодаря развитию и доступности мощных светодиодов (несколько ватт на компонент) производители светотехники предлагают комплексные и универсальные решения. Фактически, LED - это первая технология освещения, способная быть внедренной в любые условия с должным уровнем эффективности.
Светодиоды являются низковольтными и слаботочными устройствами, поэтому подходят для питания от батарей. Для питания от сети требуется преобразователь, называемый драйвером.
Основными преимуществами светодиодов являются низкое энергопотребление, прочность, долгий срок службы и возможность неограниченного управления. (регулировка яркости, переключение, очень низкое напряжение, отсутствие времени задержки для полного светового потока).
Кроме того, светодиоды легче утилизировать, чем флуокомпактные технологии.
По сравнению с лампами накаливания, срок службы светодиодных ламп больше.
Некоторые светодиодные лампы являются альтернативой люминесцентным лампам/лампам накаливания. В таких лампах может использоваться несколько светодиодных блоков для улучшения рассеивания света, общей стоимости и теплоотдачи.
Расшифровка на упаковке розничных светодиодных ламп может иллюстрировать выход света в люменах, использование мощности в ваттах, температуру цвета в Кельвинах, иначе цветовое изображение, как дневной свет, холодный белый или теплый белый.
Диапазон рабочих температур и иногда эквивалентная мощность лампы накаливания обеспечивают аналогичную мощность в люменах.
Типы светодиодов
Как правило в лед лампах используют преимущественно SMD и COB светодиоды. Кроме того, существуют светодиоды DIP и Superflux ("пиранья"), но их не используют, поскольку они не соответствуют современным требованиям.
- SMD (Surface Mounting Device) или технология поверхностного монтажа - это название метода. В промышленности она в значительной степени заменила технологию сквозных отверстий, при которой компоненты с проводными выводами устанавливаются в отверстия в печатной плате. SMD-компонент обычно меньше своего аналога со сквозным отверстием, потому что у него либо меньше выводов, либо их вообще нет. Он может иметь короткие выводы или выводы различных типов, плоские контакты, матрицу шариков припоя (BGA) или выводы на корпусе компонента.
В таком виде светодиоды монтируются прямо на поверхность платы с промежутками. Каждый диод покрывается люминофором, находится в маленьком корпусе, который непосредственно контактирует с платой.
Лампы этого типа создают рассеянный свет без применения оптических систем. Цифры после знаков ”SMD” указывают на габариты кристалла, предназначенного для конкретного светодиода. Среди наиболее распространенных вариантов:
SMD3528 - размер кристалла 3,5х2,8 мм, состоящий из одного кристалла на 2 вывода;
SMD5050 - размер 5х5 мм, состоящий из 3 кристаллов на 6 выводов.
- Технология COB (Chip On Board) - можно перевести как "многокристальная плата". В этой технологии используются светодиоды без корпусов и керамических подложек, установленных очень плотно, что обеспечивает мощный направленный световой поток. Такой тип светодиодных ламп отлично подходит для использования в точечных светильниках, но на сегодняшний день они менее широко распространены.
Важные аспекты
Есть несколько ключевых моментов, на которые стоит обратить внимание перед покупкой светодиодной лампы:
- Напряжение питания: в настоящее время доступны модели, работающие от 220 и 12 В. Это облегчает выбор лампы для замены устаревших ламп накаливания, галогенных и люминесцентных (при заказе за границей обратите внимание, чтобы не приобрести модель для работы от напряжения 110 В).
- Направленность свечения. Этот параметр определяет угол рассеивания светового потока от лампы.
- Световой поток/мощность лампы. Показывает, сколько света может создать лампа.
- Цветовая температура. Характеризует цвет, который излучает лампа. Температура в диапазоне 2200-3000 К соответствует цвету ламп накаливания, 3400-4500 К - яркому белому свету, лампы с температурой 6500 К создают холодный свет.
- Габариты. Следует учесть размеры, если вы планируете установить светодиодную лампу вместо другой.