В настоящее время основными типами являются лампы накаливания и газоразрядные (разрядные).

Широкое применение ламп накаливания (ЛН) объясняется следующими их преимуществами: простотой в изготовлении, компактностью и удобством в эксплуатации. ЛН включаются в сеть без дополнительных пусковых приспособлений, могут работать при снижении напряжения в сети, мало зависят от температуры окружающей среды, световой поток к концу срока службы снижается незначительно (приблизительно на 15 %), глубина пульсации светового потока невелика (величина К_п порядка 7÷9 %). Последнее обусловливает их использование в качестве источников местного освещения (в частности, на металлорежущих станках).

Однако лампы накаливания имеют существенные недостатки, главным из которых является низкая световая отдача (для ламп общего назначения ψ = 7÷20 лм/Вт). При использовании ламп накаливания приходится недопустимо много платить за электроэнергию: получаемый с каждого ватта потребляемой мощности световой поток слишком мал – большая часть мощности расходуется на тепловое (инфракрасное) излучение. Поэтому в настоящее время ЛН практически не применяются на производстве для общего освещения. Кроме того, лампы накаливания имеют сравнительно малый срок службы (до 2,5 тыс. час.). В их спектре преобладают желтые и красные лучи, что сильно отличает спектр от солнечного и ведет к искажению цветопередачи. В известной степени этих недостатков лишены галогенные лампы накаливания, в которых реализован механизм осаждения испаряющегося вольфрама обратно на элемент накаливания. Это позволяет повысить температуру последнего и тем самым приблизить спектр излучения к естественному, увеличив световую отдачу до 40 лм/Вт и одновременно не ухудшив долговечность (свыше 3 тыс. час.). Кроме того, галогенные лампы обеспечивают наименьшую величину К_п – порядка 1÷2 %.

В газоразрядных лампах (ГРЛ) световое излучение генерируется электрическим разрядом в атмосфере инертных газов и паров металлов (чаще всего – ртути), а также в результате явления люминесценции. Эти лампы делятся на два основных вида: газоразрядные лампы высокого давления (ГЛВД) и люминесцентные (ЛЛ), называемые также газоразрядными лампами низкого давления. ГЛВД применяются в условиях, когда требуется высокая световая отдача при компактности источника света (при расчетах их, как и ЛН, можно считать точечными источниками) и стойкости к неблагоприятным условиям внешней среды. Их основные разновидности: дуговые ртутные люминесцентные ДРЛ, металлогалогенные (МГЛ) типа ДРИ (дуговые ртутные с йодидами; не путать с галогенными лампами накаливания), натриевые ДНаТ, ксеноновые ДКсТ. Последние из-за высокой единичной мощности (от 5 кВт) и большого давления в колбе (у горящей лампы – до 12 МПа) внутри зданий не применяются. Общая черта всех ГЛВД – малые размеры светящегося тела (в этом они схожи с лампами накаливания) при, как правило, высокой мощности, т. е. большая яркость, оказывающая ослепляющее действие (у ламп ДРЛ – в несколько меньшей степени, так как свет излучает вся покрытая люминофором колба). Поэтому ГЛВД применяются для больших высот подвеса. В производственных помещениях (цехах) в основном используют лампы типов ДРЛ и ДРИ (МГЛ). Естественно, что ДРЛ (как менее яркие) применяют при меньших высотах подвеса, ДРИ (МГЛ) – при больших. Следует учитывать, что световая отдача МГЛ существенно выше, чем у ДРЛ (в диапазоне мощностей 250÷1000 Вт – в 1,44÷1,54 раза). Еще одним существенным преимуществом ГЛВД типа ДРИ является значительно меньшее значение коэффициента пульсации освещенности K_п (см. ниже). Однако серьезным недостатком МГЛ является гораздо меньший, чем у ДРЛ, срок службы – в 4÷6 (!) раз.

В отличие от ГЛВД, люминесцентные лампы являются протяженными объектами и имеют большие размеры при малой яркости единицы площади светящейся поверхности. Поэтому ЛЛ, учитывая их малую единичную мощность, применяются для небольших помещений при относительно малой высоте подвеса. В ЛЛ генерируемое электрическим разрядом в парах ртути ультрафиолетовое излучение попадает на покрывающий внутреннюю поверхность колбы (трубки) слой люминофора, сообщая ему энергию для свечения в видимом диапазоне. Составом люминофора можно изменять спектр излучения. Основные типы ЛЛ в зависимости от спектра (в порядке его расширения и приближения к естественному): белого света (ЛБ), дневного света (ЛД), естественного света (ЛЕЦ) и дневного света с улучшенной цветопередачей (ЛДЦ). При работах, требующих правильного различения цветовых оттенков, применяют лампы ЛЕЦ и ЛДЦ.

Основным преимуществом всех видов газоразрядных ламп перед лампами накаливания является более высокая световая отдача (40÷110 лм/Вт), что резко снижает потребление ими электроэнергии. Наибольшая световая отдача у натриевых ламп, наименьшая – у ксеноновых; у ламп ДРИ ψ выше, чем у ДРЛ (100 против 60 лм/Вт). Световая отдача люминесцентных ламп в большой степени зависит от ширины спектра излучения. Расширение спектра сопровождается ростом затрат энергии на излучение с близкими к границам видимого диапазона длинами волн (красные и фиолетовые лучи), к которым глаз человека менее чувствителен. Поэтому световая отдача при переходе от ламп ЛБ к ЛЕЦ и ЛДЦ снижается (в зависимости от мощности) с 65÷78 лм/Вт до 41÷52 лм/Вт. Другим важным преимуществом газоразрядных ламп является большой срок службы, достигающий 18÷20 тыс. час. Следует еще раз отметить, что подбором инертных газов, паров металлов и люминофора можно получить любой спектр излучения, в том числе приближающийся к естественному спектру.

Основным недостатком газоразрядных ламп является их малая инерционность, приводящая к существенным пульсациям светового потока и стробоскопическому эффекту. Одиночная лампа ДРИ создает на освещаемой поверхности коэффициент пульсации освещенности от 37 % (лампы с йодидами натрия, индия, таллия) до 48 % (лампы с йодидами натрия, скандия), ДРЛ – 58 %, ДНаТ – 77 %. Не «уступают» им и люминесцентные лампы: ЛБ – 34 %, ЛД – 55 %, ЛЕЦ – 64 %, ЛДЦ – 72 %. Трехфазное подключение уменьшает К_п на порядок: ЛБ – 3 %, ЛД – 5 %, ЛЕЦ – 6 %,

ЛДЦ – 7 %. Другие недостатки газоразрядных ламп: высокая стоимость, необходимость применения пускорегулирующей аппаратуры (для запуска требуется либо разогреть электроды, либо подать на них повышенное «стартовое» напряжение; ЛЛ при температуре ниже 10 ºС могут вообще не зажигаться), сложность утилизации из-за наличия паров ртути. Некоторые типы разрядных ламп имеют длительный период разгорания (до 10÷15 мин), у других (в частности, у ЛЛ) значительно снижается световой поток к концу срока службы. Некоторые типы ГРЛ создают радиопомехи.

Светильники

Светильник представляет собой совокупность источника (источников) света (лампы или нескольких ламп) и осветительной арматуры (отражатели, светорассеивающие или защитные колпаки, устройства для крепления, пускорегулирующая аппаратура).

Важнейшей функцией отражателя является перераспределение светового потока лампы в пространстве. Оно описывается кривой силы света (КСС), т. е. зависимостью силы света J_λ от углового отклонения λ от вертикали (в полярной системе координат). На рис. 1.1 представлены типовые КСС. Равномерная КСС типа М (кривая 1) приведена на рис. 1.1 из методических соображений. Она будет иметь место для источника света при отсутствии отражателя – для лампы без светильника или для используемых в прошлом светильников общего освещения типа «молочный шар» с лампами накаливания: свет равномерно излучается во всех направлениях. Светильники с такой КСС могут быть относительно эффективны лишь при очень светлых потолках и стенах, и для производственных помещений не применяются.

Достаточно редко используются и светильники с широкой (условное обозначение – Ш; кривая 2) и полуширокой (обозначение – Л; на рис. 1.1 не показана) КСС. Слишком большая часть их светового потока (особенно

Рис. 1.1. Кривые силы света: 1 – равномерная (М); 2 – широкая (Ш); 3 – косинусная (Д); 4 – глубокая (Г); 5 – концентрированная (К)

от ближайших к стенам светильников) попадает на стены помещения, коэффициент отражения которых обычно не превышает 50 %. Эффективными светильники с такими КСС будут только в помещениях большой длины и ширины при относительно малой высоте подвеса (при больших значениях индекса формы i). В то же время преимуществом светильников с КСС типов Л и Ш является более равномерное освещение горизонтальной рабочей поверхности – из-за большего перекрытия освещаемых

участков. В цехах промышленных предприятий чаще используют светильники с КСС типов Д (косинусная, кривая 3), Г (глубокая, 4) и К (концентрированная, 5). При этом переход от КСС типа Д к типу Г и, далее, – к типу К, сопровождается концентрацией излучаемого светильниками светового потока в меньшем пространственном угле и более эффективным его использованием: все большая часть светового потока ламп попадает на рабочую поверхность, а меньшая – на стены. Однако равномерность освещения рабочей поверхности при этом ухудшается (увеличивается отношение максимальной освещенности к минимальной Е_макс/Е_мин – см. п. 1.6). Поэтому переходить от использования светильников с КСС типа Д к КСС типа К следует при увеличении высоты подвеса. Для относительно небольших высот подвеса такой переход должен сопровождаться уменьшением расстояния между светильниками (что потребует увеличения их числа и невыгодно с экономической точки зрения).

Полное обозначение КСС в специальной литературе – буквенно-цифровое: Д-1, Д-2; Г-1, …, Г-4; К-1, …, К-3. Увеличение стоящего на второй позиции числа обозначает некоторую трансформацию КСС в направлении от Д к К и соответствующее увеличение коэффициента использования светового потока всей осветительной установки. Однако это, как и переход от типа Д к типу К, сопровождается ухудшением равномерности освещения, требуя уменьшения расстояния между светильниками (в приведенной ниже методике расчета, имеющей все-таки учебный характер, этот фактор не учитывается).

Следует отметить, что для светильников общего освещения с люминесцентными лампами, имеющих в одном направлении во много раз большую протяженность, чем в перпендикулярном ему, и располагаемых как правило непрерывными рядами, КСС определяется только в поперечной плоскости – в сечении, перпендикулярном лампам, т. е. наибольшему габаритному размеру светильника (и ряду светильников).

Другим важным назначением осветительной арматуры является предохранение глаз человека от ослепляющего воздействия источника света – лампы. Лампа не должна сколь либо длительное время находиться в поле зрения работающего (в идеальном случае – вообще не должна). Степень возможного ограничения слепящего воздействия источника света определяется защитным углом светильника α – углом между горизонталью и линией, соединяющей нить накала (электрическую дугу, поверхность колбы лампы) с противоположным краем отражателя (рис. 1.2).

В общем случае правило определения защитного угла можно сформулировать следующим образом. Следует разграничить поверхностью (для светильников с ЛЛ – поверхностями) области пространства, из которых лампа может быть видна и не может быть видна. Угол между этой поверхностью и горизонтальной плоскостью и есть защитный угол α.

Обладающие осевой симметрией светильники с точечными источниками (лампы накаливания, дуговые) (рис. 1.2, а и б) характеризуются одним значением угла α. Если лампа имеет прозрачную колбу, граничная линия

Рис. 1.2. Защитные углы светильников:

а) с лампой накаливания (с прозрачной колбой); б) с лампой накаливания (с колбой молочного стекла) или ДРЛ; в) с люминесцентными лампами без разделительного элемента (в поперечном сечении); г) с люминесцентными лампами при наличии разделительного элемента (в поперечном сечении); д) с люминесцентными лампами (в продольном сечении)

(сторона угла) проводится от нити накала или светящейся дуги (рис. 1.2, а). Если колба лампы не прозрачна (ДРЛ, ЛН с колбой молочного стекла), граничная линия проводится касательно к поверхности колбы (рис. 1.2, б). При определении α по общему правилу для светильников с точечными источниками разграничительной поверхностью будет конус.

Для светильников с протяженными люминесцентными лампами защитный угол определяется в двух плоскостях: в поперечной, т. е. перпендикулярной лампам, плоскости, (рис. 1.2, в и г), и, в случае наличия защитной решетки, – в продольной плоскости (рис. 1.2, д). Наличие защитного угла в поперечной плоскости препятствует ослепляющему воздействию лампы, если взгляд человека направлен перпендикулярно светильнику (ряду светильников). В многоламповых светильниках (а светильники с ЛЛ как правило имеют не менее двух ламп) при отсутствии разделительного отражающего элемента разграничительная линия проводится к краю отражателя от дальней лампы (рис. 1.2, в). При наличии разделительного отражающего элемента может оказаться, что защитный угол светильника имеет два разных значения – α₁ и α₂ на рис. 1.2, г (хотя это следует признать конструктивной недоработкой). В этом случае за защитный угол принимается меньший из них: на рис. 1.2, г α = α₂. Защитная решетка, состоящая из набора перпендикулярных лампам пластин, защищает от слепящего воздействия ламп, если взгляд человека направлен вдоль светильника (ряда светильников) – определение защитного угла в продольной плоскости показано на рис. 1.2, д. Заметим, что при определении α по общему правилу для светильников с ЛЛ разграничительными поверхностями будут плоскости.

Изложенные выше правила определения защитных углов относятся к открытым светильникам, у которых лампу можно увидеть в принципе (даже если для этого требуется посмотреть вверх). Для закрытых светильников, у которых лампы полностью закрыты снизу колпаком из светорассеивающего материала, защитный угол α условно принимается равным 90 º.

С точки зрения защиты глаз от слепящего воздействия ламп с уменьшением высоты подвеса следует использовать светильники с большей величиной защитного угла α – чем ниже расположены светильники, тем более вероятно их нахождение в поле зрения людей. Поэтому местные светильники (в том числе настольные) имеют как правило большой защитный угол. При выборе светильников общего освещения с точки зрения величины защитного угла следует учитывать и габариты помещения: чем больше расстояние до самых дальних светильников, тем под меньшим углом к горизонтали они находятся по отношению к глазу и тем больше вероятность их попадания в поле зрения.

С другой стороны, имеется существенная корреляция между величиной защитного угла светильников и характером КСС. В целом с увеличением α имеет место трансформация КСС от типа Д к типу К, т. е. ухудшение равномерности освещения горизонтальной рабочей поверхности (хотя на КСС существенно влияют еще и форма отражателя, а также коэффициент отражения его внутреннего покрытия). С этой точки зрения уменьшение высоты подвеса требует, наоборот, использовать светильники общего освещения с меньшим защитным углом. Налицо коллизия, требующая разрешения в каждом конкретном случае.

Важной характеристикой светильника является его коэффициент полезного действия (не путать с используемым далее в расчетах коэффициентом полезного действия всей осветительной установки). Осветительная арматура поглощает часть светового потока, излучаемого источником. Отношение фактического светового потока светильника к световому потоку помещенной в нем лампы (ламп) называется коэффициентом полезного действия светильника. В этом отношении более эффективны одноламповые светильники – лампы не светят друг на друга. Для повышения к. п. д. в многоламповых светильниках целесообразно устанавливать между лампами разделительные отражающие элементы (рис. 1.2, г), уменьшать защитный угол, а также использовать светлые отражающие и рассеивающие (полупрозрачные) поверхности. Для повышения к. п. д. в последнее время в конструкциях светильников стали применять зеркально отражающие поверхности. Однако это существенно увеличивает блескость источника света и его ослепляющее воздействие – даже при наличии защитных углов в поле зрения человека оказывается зеркальное отражение лампы, яркость которого практически равна яркости самой лампы.