Техническая информация. Свет. Источники света
Основные определения
Человек и свет
Мы получаем через зрение 80% всей информации об окружающем мире. Избыток или недостаток света, ослепление или неверная цветопередача влияют на наше восприятие, отвлекают внимание и утомляют глаза.
Свет - это излучение, способное возбуждать сетчатку глаза и создавать зрительный образ в мозге человека. Считается, что свет имеет природу электромагнитных волн, амплитуда которых выражается в интенсивности зрительного образа, а длина волны λ и частота колебаний ƒ определяют цвет образа. Эти величины связаны формулой скорости распространения света в вакууме (300000 км/сек): v = λƒ.
Основная мера света – световой поток Ф или F (люмен, лм). Световой поток F - это мощность светового излучения, т.е. световая энергия, излучаемая источником света в течение 1 сек в видимом диапазоне спектра.
Свет распространяется во всех направлениях от источника света. Его можно перераспределить в определенной части пространства, характеризуемого телесным углом ω, измеряемого в стерадианах (ср).
Если световой поток F (лм) сосредоточить в телесном угле ω (ср), то он будет характеризоваться силой света I и измеряться в канделах (кд). Яркость L выражает силу зрительного ощущения, вызываемого источником света, измеряется в кд/кв.м.
Светораспределение светового прибора описывается кривой силы света (КСС).
Освещенность
Освещенность (Е) - это количество света, падающего на данную поверхность. Освещенность равна 1 лк, если световой поток F 1 лм равномерно распределить по площади S 1 кв.м. Освещенность Е прямо пропорциональна силе света I, углу падения света на поверхность (cosα) и обратно пропорциональна квадрату расстояний R до источника света («закон квадратов расстояний»).
Днем под открытым облачным небом освещенность составляет от 10 000 лк, при ясном небе 100 000 лк. Для письма и чтения при искусственном свете освещенность чаще всего равна 500 лк, для черчения и сложной работы освещенность должна быть не меньше 750 лк.
Нормируется минимальная величина освещенности. Чаще всего люди воспринимают более высокую освещенность как приятную и мотивирующую. Особенно зимой, когда доля естественного света сокращается, в помещениях нужно больше света, чтобы уменьшить утомление.
Свет и цвет
Восприятие цвета зависит от качества цветопередачи источников света. Цветовая температура Тцв (Тс) источника света (градус Кельвина, К) описывает цветность света. Цветовой температурой лампы считается температура, до которой необходимо нагреть абсолютно черное тело, чтобы оно излучало свет того же спектрального состава и цветовой окраски, что и данная лампа. Если температура «черного тела» повышается, то синяя составляющая в спектре возрастает, а красная составляющая убывает.
Объективной характеристикой является индекс цветопередачи Ra. Коэффициент цветопередачи отражает уровень соответствия естественного цвета тела с видимым цветом этого тела при освещении его эталонным источником света.
Для определения значения Ra фиксируется сдвиг цвета с помощью 8 стандартных эталонных цветов, который наблюдается при направлении света тестируемого источника света. Чем меньше отклонение цвета, тем лучше характеристики цветопередачи. Источник света с Ra=100 (лампа накаливания) излучает свет, оптимально отражающий все цвета. Чем ниже значение Ra, тем хуже передаются цвета освещаемого объекта (лампы ДНаТ имеют Ra=40).
Существуют три главные цветности света: тепло-белая < 3300К, холодно-белая 3300 – 5000К, дневного света > 5000К. Лампы с одинаковой цветностью могут иметь различные характеристики цветопередачи, что объясняется спектральным составом излучаемого ими света.
Блёскость
К самым неприятным проблемам зрения относится блёскость. Прямая блёскость возникает за счет большого контраста между очень светлыми и очень темными поверхностями. Она напрягает зрение, ведет к утомлению и ошибкам. Ограничение прямой блёскости задается обобщенным показателем дискомфорта UGR.
В РФ в качестве количественного критерия слепящего действия световой установки принят показатель дискомфорта М.
Коэффициент пульсации
Важной характеристикой качества освещения является соответствие нормам по глубине пульсации освещенности Кп=(Еmax-Emin)/2Eсрх100%. Глубина пульсации нормируется для помещения (5-20%). Для источника света измеряется пульсация светового потока (фликер).
Коэффициент пульсации LED с источниками вторичного питания и ЛЛ с высокочастотными ЭПРА составляет незначительную величину (1,0-1,5%).
КПД светильника - это отношение потока светового прибора к световому потоку ламп.
Световая эффективность
Светоотдача (е) источника света - это отношение светового потока (F), излучаемого источником света, к потребляемой этим источником мощности (е = F/P). Единица измерения: лм/Вт.
Коэффициент мощности
Коэффициент мощности - отношение активной мощности к полной мощности системы. Допускается использование светильников мощностью ламп менее 32 Вт без компенсации реактивной мощности. Допускается использование светильников с коэффициентом мощности менее указанного для осветительных установок с групповой компенсацией реактивной мощности.
Светильники для ЛЛ с ЭмПРА с компенсацией имеют коэффициент мощности не менее 0,85, с ЭПРА не менее 0,96.
Источники света
Источник света — любой объект, излучающий электромагнитную энергию в видимой области спектра. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные. Солнце — главный источник тепла и света на Земле.
Основными искусственными источниками света (ИС) являются тепловые, газоразрядные и полупроводниковые. Все лампы имеют фирменные и национальные названия, также существуют международная классификация ИС – ILCOS.
Базовыми техническими параметрами ИС являются номинальное напряжение (Uн, В), номинальный ток (Iн, А), номинальная мощность (Рн, Вт). Эффективность ИС характеризуется световой отдачей (Н) – отношением светового потока лампы к потребляемой мощности и измеряется в лм/Вт. Качество цвета определяется цветом излучения (цветовой температурой Тц, К), общим индексом цветоперадачи (Ra). Эксплуатационные свойства определяются сроком службы в часах. При описании ИС часто используют понятия форма колбы и цоколь (например, люминесцентная лампа в форм-факторе Т8 G13 - труба диаметром 26 мм, тип цоколя G13).
Спектр ламп приведен как пример.
Тепловые источники света
Тепловыми ИС являются лампы накаливания (ЛН). К ним относятся лампы накаливания – термоизлучатели и галогенные лампы накаливания (ГЛН). В них видимое излучение генерируется телом накала, которое нагревается проходящим электрическим током. Достоинства ЛН – хорошая цветопередача, сплошной спектр излучения, относительная компактность, быстрый выход на рабочий режим. Недостатки – низкий КПД, непродолжительный срок службы. Лампы накаливания обычно делят на ЛН общего назначения (ЛОН) и лампы специального назначения. ЛОН постепенно выводятся из коммерческого обращения.
Газоразрядные источники света (ГРИС)
В ГРИС видимый свет возникает благодаря электрическому разряду в газовой среде внутри лампы. Световой поток и спектральный состав излучения определяется составом и давлением газа, рабочим током лампы, применяемыми люминофорами и т.д. Большинство ГРИС требуют пускорегулирующего аппарата (ПРА), который необходим для зажигания лампы и стабилизации тока. Основными группами массовых ГРИС являются лампы низкого давления, в основном люминесцентные, и лампы высокого давления.
Люминесцентные лампы (ЛЛ) – это ГРИС низкого давления. Разряд происходит в парах ртути и инертного газа, при этом генерируется излучение в УФ диапазоне, которое преобразуется люминофором в видимое. ЛЛ делятся на линейные (FL – fluorescent lamp) и компактные КЛЛ (CFL – compact fluorescent lamp). КЛЛ сейчас часто выпускают с интегрированным ЭПРА (CFLI). Линейные люминесцентные лампы чаще всего выпускают в форм-факторах T5 G5 и Т8 G13, различной длины, мощности и цветности.
Линейные люминесцентные лампы специальные для температур -40ºC |
Тип ламп Код ILCOS |
Мощность, Вт |
Цоколь Длина, мм |
Ток, А | Срок службы, ч |
Условные обозначения фирм-изготовителей световой поток |
Philips | ||||||
FD T12 | 18 |
G13 604 |
0,370 | 8000 |
Master TL-D 18W/840 1 SL 1350 лм |
|
FD T8 | 36 |
G13 1213 |
0,430 | 8000 |
Master TL-D 36W/840 1 SL 3250 лм |
|
FD T8 | 58 |
G13 1514 |
0,670 | 8000 |
Master TL-D 58W/840 1 SL 5150 лм |
Характеристики конкретных газоразрядных ламп высокого давления должны быть уточнены у производителя.
Газоразрядные источники света высокого давления (ГРИС)
ГРИС высокого давления (ГЛВД) включают в себя ртутные лампы (например, типа ДРЛ с люминофором), металлогалогенные лампы (МГЛ, типа ДРИ), натриевые лампы (НЛВД, например, типа ДНаТ). Иногда для ГРИС, в основном МГЛ, используется термин HID-лампы (HID - high intensity discharge). Разряд в ГЛВД происходит в компактной горелке из тугоплавкого прозрачного материала (например, кварца или керамики). Состав газовой среды определяет спектр ламп. Внешняя колба (трубчатая, элипсоидная) выполнена из прозрачного или матированного стекла. Для металлогалогенных и натриевых ламп, кроме электромагнитного балласта, требуется специальное импульсное зажигающее устройство (ИЗУ, игнитор).
Характеристики конкретных газоразрядных ламп высокого давления должны быть уточнены у производителя.
Светодиодные источники света (LED)
Филаментные светодиодные лампы
Одно из направлений современной твердотельной свететотехники - филаментные (нитевидные) светодиодные лампы.
Энергосберегающая лампа по технологии Filament LED имеет классическую форму колбы со стандартными цоколями Е14, Е27. Особенности: низкий коэффициент пульсации (0,2%), мгновенное зажигание, низкий уровень выделения тепла.
Светодиодный модуль (LED module) – устройство используемое в качестве источника света, состоящее из одного или более светодиодов, установленных на общей плате с полным набором оптических, механических, теплоотводящих компонентов и устройств коммутации, но не содержащее устройств управления.
Светодиодные модули могут быть независимыми (independent LED module), в том числе со встроенными устройствами управления (self-ballasted), и неразъемными (integral LED module), в общем случае сконструированные как незаменяемая часть светильника. Если светодиодный модуль со встроенным устройством управления имеет цоколь, то его считают лампой (self-ballasted LED lamp). Такие являются ретрофитные светодиодные лампы являются разновидностью LED lighting Engine.