Искусственные источники света

О спектре солнечного света, проблемах искусственных источников света и новейших лампочках...

Изобретение газовых ламп

Разработанный в Англии в 1790 и представленный Соединенным Штатам вскоре после Уильяма Мердока, газовые лампы сначала освещали улицы в Ньюпорте, Род-Айленд в 1972. Спустя всего несколько десятилетий газовые лампы Мердока освещали улицы в крупных городах США на восточном побережье, включая Балтимор и Филадельфию. В течение этого периода различные версии были созданы с использованием различных видов газа, включая метан, бутан, пропан, водород, ацетилен и природный газ.

Изобретение ламп накаливания электрических ламп

Первый электрический светильник был изобретен англичанином Хамфри Дэви. В 1809 создание Дэви пришло в себя после подключения двух проводов к батарее, а затем прикрепления его к полоске древесного угля между другими концами проводов. То, что он создал, было тем, что обычно называют светом дуги, с современными современными версиями, которые используются сегодня.

Вскоре после этого в 1879 Томас Эдисон разработал первую лампу накаливания. Эдисон хотел изобрести что-то, чтобы заменить газовые лампы того времени, и это также можно использовать в помещении. Его первая успешная лампочка сгорела за полные часы 13.5, но она не была идеальной для толкания электричества вперед в качестве основного источника питания. После нескольких попыток он, наконец, создал версию лампочки, которая использовала карбонизированную бамбуковую нить и сжигалась в течение 1,200 часов. Это был момент, когда начались достижения в современном освещении, и именно это привело индустрию освещения к тому, где она сегодня.

Изобретение высокоинтенсивных разрядных (HID) ламп

Во время 20^th век, инновации в индустрии освещения взорвались. Вскоре после того, как Эдисон изобрел долговечную лампу накаливания, Дэниел Макфарлан Мур создал флуоресцентный свет вокруг 1904 для коммерческого использования. Эти лампы в первые дни были очень энергоэффективными, но для правильной работы требовалось высокое напряжение и специальные разъемы. Изобретения таких огней побуждали других производителей света, таких как General Electric, перепроектировать их лампы накаливания, чтобы быть более энергоэффективными, чтобы они могли конкурировать с новой технологией флуоресцентного света.

Примерно в это же время в начале 20^th что Питер Купер Хьюитт разработал первый высокоэффективный свет ртутного пара, который был совместим со стандартной электрической инфраструктурой. Оттуда были созданы другие лампы HID с использованием той же технологии, в том числе натриевые лампы высокого давления и низкого давления и металлогалогенные лампы. Все эти HID работали одинаково, но был один, который выделялся из остальных - светодиод или светодиод.

Современная технология освещения

Сегодня наиболее широко используемой технологией освещения является светодиод, который впервые был изобретен в 1960 ученым по имени Ник Холоньяк, который работал в компании General Electric. Этот тип света - это так называемый твердотельный свет (SSL), поскольку он создает свет, преобразуя электрический ток с использованием полупроводника, и он не требует того же типа стеклянного корпуса, что и традиционные лампы накаливания.

Что ждет будущее индустрии освещения

Изобретение долговечной электрической лампочки изменило то, как люди жили и занимались бизнесом во времена Эдисона. Он также проложил путь вперед для индустрии освещения и добрался до того места, где он находится сегодня. Создание светодиодного света доказало, что в ближайшие десятилетия в индустрии освещения есть много возможностей для инноваций и роста. По мере того как современное освещение продолжает улучшаться по всем направлениям, светодиодные индикаторы по-прежнему демонстрируют наибольшую перспективу в свете выбора 21^st века. У них есть срок службы, который в четыре раза превышает средние традиционные лампочки и обеспечивает высокое качество света с гораздо более высокой скоростью.

Трудно представить, что чуть более века назад дома были освещены газовыми и масляными лампами. Прогрессирование технологий освещения и инноваций выросло по экспоненте, что позволило двигаться вперед еще быстрее. Некоторые говорят, что лазеры могут заменить светодиоды, поскольку они более компактны, производят до 1,000 раз больше света и потребляют 1 / 3 электроэнергии. Хотя эта технология все еще нова для индустрии освещения, она многообещающая.

Другое предсказание - использование «умного» освещения, которое автоматически включается и выключается с помощью датчиков движения или других технологий. Это может работать как дома, так и в крупных городах для экономии энергии. Представьте себе город с уличными фонарями, которые затемнялись, когда дороги были пустыми или меняли цвет на опасных перекрестках. Возможности для будущего индустрии освещения практически бесконечны.

Пока что светодиодные индикаторы по-прежнему остаются в списке самых эффективных и долговечных. 

История лампочки

1803 — 1809 – создана первая дуговая лампа

Хэмфри Дэви в Королевском институте в Великобритании продемонстрировал первую лампу накаливания, используя блок батарей и два угольных стержня. Дуговые лампы впервые осветили улицы множества городов.

1835 – продемонстрирована первая постоянная система освещения

Джеймс Боуман Линдсей на открытом заседании в Шотландии продемонстрировал постоянно действующую систему освещения. Некоторые приписывают ему изобретение лампы накаливания.

1850 — 1859 – свет в трубке

В 19 веке два немца обнаружили, что можно получить свет, удалив почти весь воздух из длинной стеклянной трубки и пропустив через нее электрический ток. Названное трубкой Гейслера, это устройство стало основой для многих технологий освещения, включая лампы дневного света (CFL).

1877 — 1885 – соревнование среди изобретателей ламп накаляется

Изобретатели всего мира — в том числе Уильям Сойер и Албон Мэн в США и Джозеф Суон в Англии — работали над созданием электрической лампы накаливания.

1878 – Эдисон начинает работать над лампой накаливания

В 1878 году Эдисон и его исследователи в Менло-Парк обратили своё внимание на лампы накаливания. Они сосредоточились на улучшении нити — сначала они пробовали углерод, затем платину, и в конце концов вернулись к углеродной нити.

1882 – развитие систем освещения

Эдисон сосредотачивается на системах освещения, показывая, что можно провести электричество из расположенного в центре источника электроэнергии с Холборн Виадук в Лондоне, и разрабатывает первую коммерческую электросеть в нижнем Манхэттене.

1901 – предшественники лампы дневного света

Питер Купер Хьюитт создал сине-зеленую лампу, пропуская электрический ток через пары ртути. Лампа не нашла применения в освещении из-за цвета, но стала одной из предшественниц люминесцентных ламп.

1904 – замена углеродной нити на вольфрамовую

В 1904 году лампы накаливания с вольфрамовой нитью появляются на европейском рынке. Эти лампочки работали дольше, были ярче и эффективнее, чем лампы с углеродной нитью.

1908 – цоколь Эдисона становится универсальным

Частью вклада Эдисона в изобретение современной лампочки, был разработанный им цоколь, который сегодня называется цоколем Эдисона (Edison Screw). К 1908 году это был самый часто используемый цоколь, и сегодня он используется почти для всех бытовых лампочек.

1913 – эффективность ламп накаливания удваивается

Ирвинг Ленгмюр обнаруживает, что заполнение лампочки инертным газом, таким как азот вместо использования вакуума, повышает эффективность лампочки в два раза.

1926 — 1934 – неоновая трубка + фосфор = флуоресцентная лампа

К концу 1920-х и в начале 1930-х европейские исследователи проводили эксперименты с неоновыми трубками, покрытыми фосфором. Результаты этих экспериментов помогли «зажечь» разработку флуоресцентных ламп в США.

1939 – представлены флуоресцентные лампы

В 1939 году General Electric и Westinghouse представили люминесцентные лампы на нью-йоркской Всемирной выставке и на выставке Золотые Ворота в Сан-Франциско.

1951 – люминесцентные лампы обгоняют лампы накаливания

К 1951 году количество света от люминесцентных ламп в США превысило количество света от ламп накаливания – это эффективные изменения, которые были необходимостью во время Второй мировой войны.

1963 – изобретены первые светодиоды

Во время работы в General Electric Ник Холоньяк-младший изобрел первый красный светодиод в видимом спектре. Бледно-желтые и зеленые диоды были изобретены в последующем.

1973 – конец дешевой энергии

Нефтяной кризис 1973 года стал переломной точкой в энергопотреблении — пришел конец дешевых энергоресурсов. Исследователи приняли вызов и начали разработку люминесцентных ламп для бытового использования.

1976 – люминесцентная лампа в форме спирали

В 1976 году Эдвард Хаммер в General Electric придумал как скрутить люминесцентную лампу в форме спирали, создав первый компактную люминесцентную лампу (CFL).

1978 – диоды появляются в товарах народного потребления

Как только исследователи улучшили красные диоды и процесс их изготовления, компании начали использовать их в товарах народного потребления (дисплеи калькуляторов, различные индикаторы).

1985 – первые люминесцентные лампы выходят на рынок

Первые люминесцентные лампы, появившиеся на рынке в середине 1980-х, стояли от $25 до $35 за лампочку.

1994 – первые голубые и белые диоды

За изобретением синего диода в 1990-х последовало изобретение белых светодиодов. Вскоре после этого, исследователи продемонстрировали, белый свет с помощью красного, зеленого и синего светодиодов.

2002 — 2008 – первые светодиодные лампочки появляются на потребительском рынке

К 2008 году на рынке было всего несколько производителей светодиодных лампочек, большинство из этих лампочек потребляли 25-40 ватт.

2013 – люминесцентные лампы стоят дешевле $2

Почти через 30 лет после выхода на рынок люминесцентных ламп, их стоимость упала до минимальной — $1,74 за лампочку (в США). Они используют на 75% меньше энергии, чем лампы накаливания и работают в 10 раз дольше.

2013 – стоимость светодиодов существенно снижается 

КРАТКО - Источники искусственного света:

• Лампы накаливания

• Галогенная лампа

• Газоразрядные источники света

• Натриевая лампа

• Люминесцентные лампы

• Светодиоды

Лампы накаливания являются наиболее распространённым видом источников света. Они широко применяются в различных видах помещений, как во внутренних, так и в наружных.

Лампа накаливания

Принцип действия: свет в лампах накаливания создается путем прохождения электрического тока через тонкую проволоку, обычно изготовляемую из вольфрама. Принцип действия основан на тепловом действии электрического тока.

Преимущества лампы: низкие первоначальные затраты, удовлетворительное качество воспроизведения цвета, возможность управления степенью концентрации и направлением распространения света, разнообразие конструкций, удобство применения, отсутствие систем электронного запуска и стабилизации.

Недостатки: срок службы обычно не более 1000 часов; 95% производимой ими энергии преобразуется в тепло и только 5 % - в свет! Лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт — 145°C, 75 Вт — 250°C, 100 Вт — 290°C, 200 Вт — 330°C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

Применение: предназначены для внутреннего и наружного освещения при параллельном включении ламп в электрические сети напряжением 127 и 220 В.

Галогенная лампа 

Галогенные лампы, как и лампы накаливания, излучают тепло.

Принцип действия: спираль, изготовленная из жаропрочного вольфрама, находится в колбе, заполненной инертным газом. При прохождении через спираль электрического тока она накаляется, вырабатывая тепловую и световую энергию. Частички вольфрама при температуре 1400˚ С еще до достижения поверхности колбы соединяются с частичками галогена. Благодаря термической циркуляции эта галогенно-вольфрамовая смесь приближается к раскаленной спирали и под воздействием более высокой температуры разлагается. Частички вольфрама снова осаждаются на спирали, а частички галогена возвращаются в процесс циркуляции.

Преимущества: Спираль имеет более высокую температуру, что позволяет получить больше света при той же мощности лампы, спираль постоянно обновляется, что увеличивает срок службы лампы, колба не чернеет, и лампа дает постоянный световой поток в течение всего срока эксплуатации.
При одинаковой способности к цветопередаче с лампами накаливания, имеют компактную конструкцию.

Недостатки: низкая светоотдача, маленький срок службы

Газоразрядные источники света

Газоразрядные источники света представляют собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку, содержащую газ, некоторое количество металла или др. вещества с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы электроды, между которыми происходит разряд. Существуют газоразрядные источники света с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа.
Различают:

• газосветные лампы - излучение создаётся возбуждёнными атомами, молекулами, рекомбинирующими ионами и электронами;
• люминесцентные лампы - источником излучения являются люминофоры, возбуждаемые излучением газового разряда;
• электродосветные лампы - излучение создаётся электродами, разогретыми разрядом.

Люминесцентные лампы

Принцип действия: свет в этих лампах возникает за счет преобразования ультрафилeтoвoгoо излучения люминофорным покрытием в видимый cвeт пocлe вoзникнoвeния в ниx газoвoгo pазpяда.

Преимущества: этo эффективный cпocoб пpeoбpазoвания энepгии; в cлeдcтвиe бoльшoй излучающей пoвepxнocти создаваемый люминесцентными лампами cвeт не столь яркий, как у "тoчeчныx" итoчникoв cвeта (лампы накаливания, галoгeнныe и газоразpядныe лампы выcoкoгo давления); по энepгeтичecкoй эффeктивнocти
люминecцeнтныe лампы являются идеальными для ocвeщeния бoльшиx oткpытыx пoмeщeний (oфиcы, кoммepчecкиe, пpoмышлeнныe и oбщecтвeнныe здания).
Свет ламп может быть белым, тёплых и холодных цветов, а также цвета, близкого к естественному дневному свечению.

Недостатки: все люминесцентные лампы содержат ртуть (в дозах от 40 до 70 мг), ядовитое вещество. Эта доза может причинить вред здоровью, если лампа разбилась, и если постоянно подвергаться пагубному воздействию паров ртути, то они будут накапливаться в организме человека, нанося вред здоровью.

Срок службы: достигает 15000 часов, что в 10-15 раз больше по сравнению с лампами накаливания.

Лампа дневного света

Одна из разновидностей люминесцентных ламп с голубоватым цветом свечения. Выделяют 2 типа таких ламп — ЛДЦ (дневного света, с правильной цветопередачей) и ЛД (дневного света).

Лампы ЛД не обеспечивают правильной передачи цвета освещаемых объектов; используются для целей общего освещения, особенно в южных районах.

Лампы ЛДЦ служат для освещения объектов, для которых важно точное воспроизведение цветовых оттенков, преимущественно в синей и голубой областях спектра. Их световая отдача на 10—15% ниже, чем у ламп ЛД. Такие лампы применяют для освещения производственных помещений.

Энергосберегающие лампы

Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), благодаря специальной технологии и дизайну, могут быть сравнимы в размерах или равны лампам накаливания. Эти современные лампы имеют все передовые характеристики люминесцентных ламп.

Преимущества: экономия электроэнергии составляет до 80% в зависимости от производителя и конкретной модели; энергосберегающие лампы слабо нагреваются.

Недостатки: высокая стоимость и содержание в них ядовитых веществ.

Срок службы: приблизительно в 5-6 раз дольше, чем ламп накаливания, но может до 20 раз превышать его при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае быстро выходят из строя.

Натриевая лампа

Газоразрядный источник света, в котором излучение оптического диапазона возникает при электрическом разряде в парах Na. Выделяют лампы низкого давления и лампы высокого давления.

Принцип действия: лампа высокого давления изготовляется из светопропускающего поликристаллического состава Al2O3, устойчивого к воздействию электрического разряда в парах Na до температур выше 1200 °С. Внутрь разрядной трубки после удаления воздуха вводят дозированные количества Na, Hg и инертный газ при давлении 2,6—6,5 кн/м2 (20—50 мм рт. ст.). Существуют натриевые лампы высокого давления «с улучшенными экологическими свойствами» — безртутные.

Натриевые лампы низкого давления (далее - НТЛД) отличаются рядом особенностей, существенно затрудняющих как их производство, так и эксплуатацию. Во-первых, пары натрия при высокой температуре дуги весьма агрессивно воздействуют на стекло колбы, разрушая его. Из-за этого горелки НЛНД обычно выполняются из боросиликатных стёкол. Во-вторых, эффективность НЛНД сильно зависит от температуры окружающей среды. Для обеспечения приемлемого температурного режима горелки последняя помещается во внешнюю стеклянную колбу, играющую роль «термоса».

Преимущества: большой срок службы, применяют для наружного и внутреннего освещения; лампы дают приятный золотисто-белый свет.

Недостатки: включаются в электрическую сеть через пускорегулирующие аппараты; для обеспечения наибольшего выхода резонансного излучения Na разрядные трубки натриевой лампы утепляют, помещая их внутри стеклянного баллона, из которого откачан воздух.

Светодиод

Светодиод — это полупроводниковый прибор, преобразующий электрический ток непосредственно в световое излучение. Минимальное потребление энергии обеспечивается за счёт свойств специально выращенного кристалла.

Применение светодиодов: в качестве индикаторов (индикатор включения на панели прибора, буквенно-цифровое табло). В больших уличных экранах, в бегущих строках применяется массив (кластер) светодиодов. Мощные светодиоды используются как источник света в фонарях. Так же используются в качестве подсветки небольших жидкокристаллических экранов (на мобильных телефонах, цифровых фотоаппаратах).

Преимущества:

• Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL).

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

• Длительный срок службы. Но и он не бесконечен — при длительной работе и/или плохом охлаждении происходит «отравление» кристалла и постепенное падение яркости.

• 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, но в ближайшие 2-3 года ожидается снижение цен на светодиодную продукцию.

Срок службы: среднее время полной выработки для светодиодов составляет 100000 часов, это в 100 раз больше ресурса лампочки накаливания. С учетом того, что в году 8 760 или 8784 часов, светодиодные лампы могут работать несколько лет.

Похожие публикации