Види ламп: як працюють і що приховано всередині

Будь-яка лампа насамперед - це перетворювач енергії. Хоча вона може виконувати і другорядні функції, але основне призначення - перетворення електричної енергії у видиме електромагнітне випромінювання. Існує безліч способів створення світла. Відповідно, і видів ламп величезна безліч. Пропоную розібратися в цій темі з користю - прочитавши цю статтю, ви напевно зрозумієте, які саме лампи будуть найоптимальнішими для ваших потреб. Почнемо з самої суті - світлового випромінювання. Розберемося в його видах.

Види світла

Свічення

Коли тверді та рідкі речовини нагріваються, вони випромінюють видиме випромінювання при температурі вище 1 000 К - це називається розжарюванням. Таке нагрівання лежить в основі генерації світла в лампах розжарювання. Електричний струм проходить через тонкий вольфрамовий дріт, температура якого підвищується приблизно до 2 500-3 200 К, залежно від типу лампи та її застосування.

У цього методу є межа, яка описується законом Планка для роботи випромінювача чорного тіла, згідно з яким спектральний розподіл випромінюваної енергії збільшується зі зростанням температури. За температури близько 3 600 К і вище спостерігається помітне посилення емісії видимого випромінювання, а довжина хвилі максимальної потужності зміщується у видимий діапазон. Ця температура близька до температури плавлення вольфраму, який використовується для нитки розжарювання, тому практична межа температури становить близько 2 700 К, вище якої випаровування нитки стає надмірним. Унаслідок такого спектрального зсуву значна частина випромінювання виділяється не у вигляді світла, а у вигляді тепла в інфрачервоній ділянці. Таким чином, лампи розжарювання можуть бути ефективними нагрівальними приладами і використовуються в лампах, призначених для сушіння друкованої продукції, приготування їжі та вирощування тварин.

Електричний розряд

Електричний розряд - це метод, який використовується в сучасних джерелах світла для торгівлі та промисловості завдяки більш ефективному виробництву світла. У деяких типах ламп електричний розряд поєднується з фотолюмінесценцією.

Електричний струм, пропущений через газ, збуджує атоми і молекули, які випромінюють світло спектра, характерного для присутніх елементів. Зазвичай використовують два метали, натрій і ртуть, оскільки їхні характеристики дають корисне випромінювання у видимому спектрі. Жоден з металів не створює безперервний спектр, тому газорозрядні лампи мають вибірковий спектр. Їхня передача кольору ніколи не буде ідентичною безперервному спектру. Газорозрядні лампи часто класифікують як лампи високого або низького тиску, хоча ці терміни лише умовні, а натрієва лампа високого тиску працює за тиску нижче однієї атмосфери.

Люмінесценція

Фотолюмінесценція виникає, коли випромінювання поглинається твердим тілом і потім перевипромінюється на іншій довжині хвилі. Якщо випромінювання знаходиться у видимому спектрі, процес називається флуоресценцією або фосфоресценцією.

Електролюмінесценція виникає, коли світло генерується під час проходження електричного струму через деякі тверді тіла, наприклад, люмінофорні матеріали. Вона використовується для рекламних вивісок, але не зарекомендувала себе як практичне джерело світла для освітлення будівель і екстер'єрів.

Еволюція електричних ламп

Першу лампу було винайдено Томасом Едісоном у його власній лабораторії в Нью-Джерсі в січні 1879 року. Це була скляна лампа, в якій він створив вакуум, а як нитку розжарювання використовував два вугільні стрижні. 

Незважаючи на те що технічний прогрес дав змогу створювати різноманітні лампи, основними факторами, що впливають на їхній розвиток, були зовнішні ринкові сили. 

Наприклад, виробництво ламп розжарювання, використовуваних на початку цього століття, стало можливим тільки після появи хороших вакуумних насосів і волочіння вольфрамового дроту. 

У період відновлення після Другої світової війни акцент було зроблено на продуктивності. Люмінесцентна лампа стала домінуючим джерелом світла, оскільки вона дала змогу створити безтіньове і порівняно теплове освітлення фабрик і офісів, що дало змогу максимально ефективно використовувати простір. 
До 1970-х років ціни на нафту зросли, і витрати на електроенергію стали становити значну частину експлуатаційних витрат. Ринок став вимагати люмінесцентні лампи, що дають стільки ж світла за меншого споживання електроенергії. Дизайн ламп було вдосконалено за кількома напрямками. Під кінець століття все більшу увагу почали приділяти глобальним екологічним проблемам.  Більш ефективне використання сировини, що скорочується, переробка або безпечна утилізація продукції, а також постійна стурбованість споживанням енергії (особливо енергії, одержуваної з викопного палива) впливають на сучасні конструкції ламп.

Критерії ефективності ламп

Критерії ефективності залежать від сфери застосування. Загалом, не існує певної ієрархії важливості цих критеріїв. Тому перелічимо їх у довільному порядку.

• Світловий потік лампи визначає її придатність залежно від необхідної площі освітлення.
• Зовнішній вигляд і передача кольору.  Для визначення цього показника застосовуються окремі шкали і числові значення. Важливо пам'ятати, що ці цифри служать тільки рекомендацією, а деякі з них є лише приблизними.
• Термін служби лампи. Більшість ламп потребують заміни кілька разів протягом терміну служби освітлювальної установки. Передбачуваний середній термін служби часто є компромісом між вартістю і продуктивністю. 

Наприклад, термін служби лампи для слайд-проектора становить кілька сотень годин, оскільки максимальний світловий потік важливий для якості зображення. На відміну від цього, деякі лампи для освітлення дорожнього полотна можна міняти кожні два роки, що становить близько 8 000 годин горіння.

Крім того, термін служби лампи залежить від умов експлуатації, тому не існує простої цифри, яка була б застосовна в усіх умовах. На термін служби лампи впливають зовнішні умови навколишнього середовища, як-от температура, вібрація, частота запуску, коливання напруги живлення тощо.

Цікаво: середній термін служби ламп являє собою час, протягом якого відбувається 50 % відмов із партії випробувальних ламп. Таке визначення терміну служби навряд чи можна застосувати до багатьох комерційних або промислових установок, тому практичний термін служби ламп зазвичай менший за опубліковані значення.

• Ефективність. Різні типи ламп мають помітні відмінності в ефективності. Економія енергії не повинна йти на шкоду візуальному комфорту або працездатності.

Основні типи ламп

Лампи залежно від принципу їхньої роботи можна розділити на три основні типи. По-перше, це лампи розжарювання, серед яких можна виділити підтип ламп галогенних. Вони використовуються для створення світла за рахунок нагрівання нитки розжарювання. По-друге, є газорозрядні лампи, які функціонують за допомогою газу або пари металу, що дає світло під час розряду. Нарешті, третім типом є світлодіодні лампи, які використовують світлодіоди для створення світла і вирізняються високою енергоефективністю та тривалістю роботи. Таке розмаїття дає змогу вибрати лампу, яка найкраще відповідає вашим потребам та умовам використання. Але в кожній із трьох груп існує багато підвидів. Давайте розбиратися.

Лампи розжарювання

У цих лампах використовується вольфрамова нитка в інертному газі або вакуумі зі скляною оболонкою. Інертний газ знижує  випаровування вольфраму і зменшує почорніння оболонки. Існує велика різноманітність форм ламп, які здебільшого мають декоративний вигляд. Конструкція типової лампи розжарювання наведена на малюнку нижче

Лампи розжарювання також випускаються з широким спектром кольорів і форм. 
Однак для комерційного та промислового освітлення низька ефективність призводить до дуже високих експлуатаційних витрат, тому звичайним вибором стали газорозрядні, а потім і світодіодні лампи. 

Наприклад: лампа розжарювання потужністю 100 Вт має типову ефективність 14 люмен/ват порівняно з 96 люмен/ват для люмінесцентної лампи потужністю 36 Вт.

Вольфрамові галогенні лампи

Вони схожі на лампи розжарювання і виробляють світло таким самим чином із вольфрамової нитки. Однак колба містить галогенний газ (бром або йод), який активно контролює випаровування вольфраму. 

Основою галогенного циклу є мінімальна температура стінки колби 250 °C, щоб галогенід вольфраму залишався в газоподібному стані і не конденсувався на стінці колби. При такій температурі замість скла використовуються колби з кварцу. При використанні кварцу можна зменшити розмір колби.

Термін служби більшості вольфрамових галогенних ламп вищий, ніж у аналогів розжарювання, а температура нитки розжарювання вища, що створює більше світла і біліший колір.

Вольфрамові галогенні лампи стали популярними там, де головною вимогою є невеликий розмір і висока продуктивність. Типовий приклад - сценічне освітлення, включно з кіно і телебаченням, де часто потрібне керування напрямком і регулювання яскравості.

Низьковольтні вольфрамові галогенні лампи

Спочатку вони були розроблені для слайд- і кінопроекторів. За напруги 12 В нитка розжарення за тієї самої потужності, що і за 220 В, стає меншою і товщою. Вона може бути більш ефективно сфокусована, а велика маса нитки розжарювання забезпечує більш високу робочу температуру, збільшуючи світловий потік. Товста нитка розжарювання міцніша. Ці переваги були оцінені як корисні для ринку комерційних вітрин, і, незважаючи на необхідність використання понижувального трансформатора, ці лампи досі використовують в освітленні вітрин. 

Цікаво: для них було розроблено спеціальний тип відбивача, який відбиває тільки видиме випромінювання, дозволяючи інфрачервоному випромінюванню (теплу) проходити через задню частину лампи. Цю особливість тепер використовують у багатьох низьковольтних лампах із відбивачем для освітлення дисплеїв, а також проекційного обладнання.

Газорозрядні лампи

Трубчасті люмінесцентні лампи

Це ртутні лампи низького тиску, які випускаються у двох версіях: з "гарячим катодом" і "холодним катодом". 

1. "Гарячий катод" означає запуск лампи шляхом попереднього нагріву електродів для створення достатньої іонізації газу і парів ртуті для створення розряду. Це і є та сама звичайна люмінесцентна лампа для офісів і заводів.
2. Лампи з холодним катодом використовують переважно для вивісок і реклами. 

Люмінесцентні лампи вимагають зовнішнього пускорегулювального пристрою для запуску і контролю струму лампи. Крім невеликої кількості парів ртуті, в лампі присутній стартовий газ (аргон або криптон).

Низький тиск ртуті створює розряд блідо-блакитного світла. Більша частина випромінювання припадає на ультрафіолетову область з довжиною хвилі 254 нм - характерна частота випромінювання ртуті. Усередині стінки трубки знаходиться тонке люмінофорне покриття, яке поглинає ультрафіолет і випромінює енергію у вигляді видимого світла. Якість кольору світла визначається люмінофорним покриттям. Існує ціла низка люмінофорів, що розрізняються за кольором і передачею кольору.

Цікаво: у 1950-х роках люмінофори пропонували вибір між прийнятною ефективністю (60 люмен/ват) з нестачею червоного і синього світла і поліпшеним кольоропередаванням люмінофорів класу "люкс" з нижчою ефективністю (40 люмен/ват). До 1970-х років було розроблено нові вузькосмугові люмінофори. Вони випромінювали окремо червоне, синє і зелене світло, а в поєднанні давали біле світло. 

Регулюючи пропорції люмінофора, можна отримати цілу низку різних кольорів, але всі вони мають однаково чудову передачу кольору. Сучасні вузькосмугові люмінофори довговічніші, краще зберігають люмен і збільшують термін служби лампи.

Компактні люмінесцентні лампи

Люмінесцентна трубка не є практичною заміною лампи розжарювання через свою лінійну форму. Маленькі вузькостовбурні трубки можна сконфігурувати так, щоб вони були приблизно такого ж розміру, як лампа розжарювання, але це створює набагато більше електричне навантаження на люмінофор.
Усі компактні люмінесцентні лампи використовують трифосфор, тому, коли їх використовують разом із лінійними люмінесцентними лампами, останні також мають бути трифосфорними, щоб забезпечити узгодженість кольорів.

 Якщо звичайну частоту живлення 50 або 60 Гц збільшити до 30 кГц, ефективність люмінесцентних ламп підвищиться на 10 %. Електронні схеми можуть керувати окремими лампами на таких частотах. Використання високочастотної електронної апаратури також усуває і проблему мерехтіння таких ламп.

Індукційні лампи

Лампи, що використовують принцип індукції, з'явилися на ринку порівняно недавно. Вони являють собою ртутні лампи низького тиску з трифосфорним покриттям і схожі на люмінесцентні лампи. Енергія передається лампі за допомогою високочастотного випромінювання з частотою близько 2,5 МГц від антени, розташованої по центру лампи. Між колбою лампи і котушкою немає фізичного з'єднання. Без електродів або інших дротяних з'єднань конструкція розрядника простіша і довговічніша. Термін служби лампи в основному визначається надійністю електронних компонентів і збереженням люмінофорного покриття.

Ртутні лампи високого тиску

Розряди високого тиску компактніші і мають більш високе електричне навантаження, тому для них потрібні кварцові дугові трубки, що витримують тиск і температуру. Дугова трубка укладена в зовнішню скляну оболонку з азотною або аргонно-азотною атмосферою для зменшення окислення і дугоутворення. Колба ефективно фільтрує УФ-випромінювання від дугової трубки. 

За високого тиску ртутний розряд випромінює переважно синій і зелений кольори. Для поліпшення кольору люмінофорне покриття зовнішньої колби додає червоне світло. 
Усім газорозрядним лампам високого тиску потрібен час для досягнення повної потужності. Початковий розряд відбувається через провідний газ, а метал випаровується в міру підвищення температури лампи.

За стабільного тиску лампа не відразу перезапускається без спеціальних пристроїв управління. Існує затримка, поки лампа достатньо охолоне і тиск знизиться, щоб звичайна напруга живлення або ланцюг запалювання були достатніми для відновлення дуги.

Важливо: хоча ртутні лампи мають тривалий термін служби - близько 20 000 годин, світловіддача після закінчення цього терміну падає приблизно до 55 % від початкової, тому термін служби може бути коротшим.

Металогалогенні лампи

Колір і світловіддачу ртутних газорозрядних ламп можна поліпшити шляхом додавання різних металів у ртутну дугу. Доза для кожної лампи невелика, і для точного застосування зручніше використовувати метали у вигляді порошку галогенідів. Вони руйнуються під час нагрівання лампи і вивільняють метал. У металогалогенних лампах може використовуватися кілька різних металів, кожен з яких дає певний характерний колір. До них належать:

• диспрозій - широкий синьо-зелений
• індій - вузький синій
• літій - вузький червоний
• скандій - широкий синьо-зелений
• натрій - вузький жовтий
• талій - вузький зелений
• олово - широкий оранжево-червоний

Натрієві лампи низького тиску

Дугова трубка за розміром схожа на люмінесцентну, але виготовлена зі спеціального листкового скла з внутрішнім натрієвим покриттям. Дугова трубка має вузьку U-подібну форму і укладена в зовнішню вакуумну оболонку для забезпечення термостабільності. Під час запуску лампи мають сильне червоне світіння від неонового газу.

Характерне випромінювання від парів натрію низького тиску - монохроматичне жовте. Це близько до пікової чутливості людського ока, а натрієві лампи низького тиску - найефективніші з наявних ламп із яскравістю майже 200 люмен/ват. Однак їх застосування обмежене тими місцями, де колірна дискримінація не має візуального значення, наприклад, магістральними дорогами і підземними переходами.

У багатьох ситуаціях ці лампи замінюються натрієвими лампами високого тиску. Їхній менший розмір забезпечує кращий оптичний контроль, особливо для освітлення проїжджої частини, де зростає стурбованість з приводу надмірного світіння неба.

Натрієві лампи високого тиску

Ці лампи схожі на ртутні лампи високого тиску, але вирізняються вищою ефективністю (понад 100 люмен/ват) і чудовою підтримкою світлового потоку. Реактивна природа натрію вимагає виготовлення дугової трубки з напівпрозорого полікристалічного глинозему, тому що скло або кварц не підходять. Зовнішня скляна колба містить вакуум для запобігання утворенню дуги й окислення. Ультрафіолетове випромінювання від натрієвого розряду відсутнє, тому люмінофорні покриття не мають значення. Деякі лампи мають матову поверхню або покриття для розсіювання світла. 

При збільшенні тиску натрію випромінювання перетворюється на широку смугу навколо жовтого піку, а зовнішній вигляд стає золотисто-білим. Однак зі збільшенням тиску ефективність знижується. Нині існує три окремих типи натрієвих ламп високого тиску. Зазвичай стандартні лампи використовують для зовнішнього освітлення, лампи класу люкс - для промислових інтер'єрів, а білі - для комерційних/вітринних застосувань.

Лампи високого тиску не вміють плавно затемнюватися без додаткової електроніки, оскільки зміна потужності лампи змінює тиск і, отже, основні характеристики лампи.

Люмінесцентні лампи можна регулювати за допомогою високочастотних джерел живлення, які зазвичай генеруються в електронному блоці управління. При цьому колірна гамма залишається незмінною. Крім того, світловий потік приблизно пропорційний потужності лампи, що дає змогу заощаджувати електроенергію під час зменшення світлового потоку. Інтегруючи світловий потік від лампи з переважним рівнем природного денного світла, можна забезпечити практично постійний рівень освітленості в інтер'єрі.

LED (Light Emitting Diodes) - світлодіодні лампи

Принцип роботи світловипромінювальних діодів полягає у випусканні світла напівпровідником під час проходження через нього електричного струму.

Кілька років тому світлодіодна технологія застосовувалася тільки в тих випадках, коли була потрібна невелика потужність, наприклад, у сигнальних системах, світлофорах, покажчиках виходу або аварійному освітленні. Тепер цей тип ламп застосовується, без перебільшення, у всіх сферах.

Класифікацію світлодіодних ламп можна здійснити відповідно до таких ознак:

• Використання певного цоколя.
• Конструктивне виконання.
• Вид встановлених світлодіодів.

Цоколі

Найпоширенішими цоколями можна назвати Е27 і Е14. Е - отримало позначення від англійського EdisonScrewtype (цоколь Едісона). Два ці типи абсолютно ідентичні за конструкцією - по суті це різьблення з однаковими висотою і діаметром - 27 мм і 14 мм відповідно.

Крім того, існують цоколі зі штирьковими контактами. Їх маркування починається з літери G. Цифрове значення після символу G вказує на міжконтактну відстань у міліметрах. Найпопулярніші цоколі G4 і GU10, для яких відстань між контактами становить 4 і 10 мм відповідно. Ви напевно могли їх бачити в приміщеннях з організованим точковим підсвічуванням. 
Для трубчастих світлодіодних ламп зазвичай використовують варіанти з цоколями G13 і G5. А для повноцінної заміни типових галогенних ламп було розроблено цоколь GU 5.3 або G5.3.

Конструкційне виконання світлодіодних ламп: 

Найпопулярнішими варіантами виконання є такі: лампи "кукурудза", "колба", світлодіодні трубки (Т8 або G13), а також моделі для заміни різних галогенних ламп.

1. Світлодіодні трубки - чудовий вибір, якщо необхідно замінити світильник, призначений для трубчастих люмінесцентних ламп. Вони повністю відповідають за розмірами і контактними майданчиками, а світлодіоди в таких трубках розміщені на довгій платі по всій довжині лампи.
2. Лампа у формі колби, аналогічна лампам розжарювання, є найбільш звичною. Вони доступні як з SMD, так і з COB світлодіодами. Найчастіше вони випускаються з матовою колбою для забезпечення рівномірного розсіювання світла в приміщенні. Лампи з нитковими світлодіодами (filament led) являють собою цікавий варіант - вони зовні схожі на звичайні лампи розжарювання, але замість спіралей у них розташовані довгі світлодіоди COB.
3. Лампи у формі "кукурудза" отримали свою назву завдяки циліндричній формі. На їхній поверхні розміщені SMD світлодіоди, що забезпечує рівномірний розподіл світла. Ця технологія дає змогу виробникам створювати дуже потужні лампи.

Тепер же завдяки розвитку і доступності потужних світлодіодів (кілька ват на компонент) виробники світлотехніки пропонують комплексні та універсальні рішення. Фактично, LED - це перша технологія освітлення, здатна бути впровадженою в будь-які умови з належним рівнем ефективності.

Світлодіоди є низьковольтними і слабкострумовими пристроями, тому підходять для живлення від батарей. Для живлення від мережі потрібен перетворювач, званий драйвером.

Основними перевагами світлодіодів є низьке енергоспоживання, міцність, довгий термін служби і можливість необмеженого управління. (регулювання яскравості, перемикання, дуже низька напруга, відсутність часу затримки для повного світлового потоку).

Крім того, світлодіоди легше утилізувати, ніж флуокомпактні технології.

Порівняно з лампами розжарювання, термін служби світлодіодних ламп більший.
Деякі світлодіодні лампи є альтернативою люмінесцентним лампам/лампам розжарювання. У таких лампах може використовуватися кілька світлодіодних блоків для поліпшення розсіювання світла, загальної вартості та тепловіддачі. 

Розшифровка на упаковці роздрібних світлодіодних ламп може ілюструвати вихід світла в люменах, використання потужності у ватах, температуру кольору в Кельвінах, інакше колірне зображення, як денне світло, холодний білий або теплий білий.

Діапазон робочих температур і іноді еквівалентна потужність лампи розжарювання забезпечують аналогічну потужність у люменах.

Типи світлодіодів

Зазвичай у лед лампах використовують переважно SMD і COB світлодіоди. Крім того, існують світлодіоди DIP і Superflux ("піранья"), але їх не використовують, оскільки вони не відповідають сучасним вимогам.

• SMD (Surface Mounting Device) або технологія поверхневого монтажу - це назва методу. У промисловості вона значною мірою замінила технологію наскрізних отворів, за якої компоненти з дротовими виводами встановлюються в отвори в друкованій платі. SMD-компонент зазвичай менший від свого аналога з наскрізним отвором, тому що у нього або менше виводів, або їх взагалі немає. Він може мати короткі виводи або виводи різних типів, плоскі контакти, матрицю кульок припою (BGA) або виводи на корпусі компонента.

У такому вигляді світлодіоди монтуються прямо на поверхню плати з проміжками. Кожен діод покривається люмінофором, знаходиться в маленькому корпусі, який безпосередньо контактує з платою. 

Лампи цього типу створюють розсіяне світло без застосування оптичних систем. Цифри після знаків "SMD" вказують на габарити кристала, призначеного для конкретного світлодіода. Серед найпоширеніших варіантів:

SMD3528 - розмір кристала 3,5х2,8 мм, що складається з одного кристала на 2 виводи;
SMD5050 - розмір 5х5 мм, що складається з 3 кристалів на 6 виводів.

• Технологія COB (Chip On Board) - можна перекласти як "багатокристальна плата". У цій технології використовують світлодіоди без корпусів і керамічних підкладок, встановлених дуже щільно, що забезпечує потужний спрямований світловий потік. Такий тип світлодіодних ламп чудово підходить для використання в точкових світильниках, але на сьогодні вони менш широко поширені.

Важливі аспекти

Є кілька ключових моментів, на які варто звернути увагу перед купівлею світлодіодної лампи:

• Напруга живлення: нині доступні моделі, що працюють від 220 і 12 В. Це полегшує вибір лампи для заміни застарілих ламп розжарювання, галогенних і люмінесцентних (при замовленні за кордоном зверніть увагу, щоб не придбати модель для роботи від напруги 110 В).
• Спрямованість світіння. Цей параметр визначає кут розсіювання світлового потоку від лампи.
• Світловий потік/потужність лампи. Показує, скільки світла може створити лампа.
• Колірна температура. Характеризує колір, який випромінює лампа. Температура в діапазоні 2200-3000 К відповідає кольору ламп розжарювання, 3400-4500 К - яскравому білому світлу, лампи з температурою 6500 К створюють холодне світло.
• Габарити. Слід врахувати розміри, якщо ви плануєте встановити світлодіодну лампу замість іншої.