Электрическое освещение: люминесцентные и светодиодные светильники против ламп накаливания - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Техника и технологии

5399
Электрическое освещение: люминесцентные и светодиодные светильники против ламп накаливания

  течение нескольких последующих столетий величайшие умы человечества, включая Леонардо да Винчи, трудились над изобретением керосиновой лампы. Однако безопасная конструкция такой лампы, пригодная для массового производства, появилась лишь в середине XIX века. А всего лишь четверть века спустя на смену ей пришла электрическая лампа, которую, а также ее предшественницу – электрическую свечу, представлявшую собой один из вариантов электрической угольной дуговой лампы, изобретенной в 1876 г. Павлом Яблочковым и получившей название «русский свет», или «свеча Яблочкова», изобрел знаменитый русский электротехник Павел Яблочков.

Именно помещенная в фонарь электрическая свеча Яблочкова (рис.1, где обозначено: а – фонарь для свечи Яблочкова; б – держатель для свечи), которая стоила 20 коп. и горела всего лишь 1,5 часа, положила начало электрическому освещению, представленному в настоящее время тремя источниками электрического света – лампами накаливания, люминесцентными и светодиодными светильниками.

 

Краткая история возникновения и дальнейшего развития электрического освещения

Историю электрического освещения можно условно разделить на три этапа:

• середина XIX – начало XX века;

• 1930 – 1960-е годы;

• 1960-е годы – по настоящее время.

Первый этап – этап становления электрического освещения(середина XIX – начало XX века)

 В течение этого этапа была изобретена и постоянно усовершенствовалась электрическая лампа накаливания, пришедшая на смену свечам и газовым фонарям. Несмотря на то, что еще в 1802 г. русский физик Василий Петров открыл явление электрической дуги между угольными электродами и, отметив ее световые свойства, подсказал возможность использования этого явления для целей освещения, в период с 1840 по 1870 г. многочисленные опыты многих изобретателей, стремившихся получить свет путем накаливания проводников током, так и не привели к созданию электрической лампы накаливания. Лишь в 1872 г. успех в этой области сопутствовал русскому изобретателю Александру Лодыгину, который предложил источник света, в принципе, схожий с современной лампой накаливания. Горела лампа Лодыгина всего лишь полчаса, но когда из стеклянной колбы начали откачивать воздух, она стала долговечней. И уже в 1873 г. две лампы Лодыгина загорелись на улицах Петербурга, а спустя год, в июле 1874 г., Лодыгин получил патент на нитевую лампу, в которой в качестве нити накала использовался угольный стержень, помещенный в вакуумированный сосуд.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон, знавший о лодыгинских опытах, провел обширные исследования, в которых он, опробовав вместе со своими помощниками в качестве нити накала лампы различные материалы, запатентовал в 1879 г. лампу с платиновой нитью. В 1880 г. он вновь вернулся к угольному волокну и впервые создал лампу накаливания  с продолжительным (свыше 40 ч) сроком службы, пригодную для массового производства, которая после окончания работ по ее совершенствованию стоила всего лишь 22 цента USD.

В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов –  вольфрама (именно лампы накаливания с нитями из этого материала применяются во всех современных лампах) и молибдена. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина.

С конца 1890-х годов появились электролампы с нитями накаливания, изготовленными из различных тугоплавких материалов:

• лампа Нернста с нитью из окиси магния, тория, циркония и иттрия;

• лампа Ауэра с нитью из металлического осмия;

• лампа Больтона и Фейерлейна с нитью из тантала и др.

Дальнейшее усовершенствование лампы накаливания связано с именами таких ученых, как Вильям Д.Кулидж и Ирвинг Ленгмюр. Первый из них изобрел в 1910 г.  улучшенный метод производства вольфрамовой нити, впоследствии вытеснившей все другие типы нитей, а второй предложил в 1913 г. наполнять лампу накаливания нейтральным газом и применять спирализованное тело накала вместо нитевидного, что позволило уменьшить температурное распыление вольфрамовой проволоки и за счет этого увеличить срок службы лампы.

Следует также отметить, что в 1914 г. были изобретены газополные лампы накаливания с биспиральным телом накала. Такие лампы были экономичнее по сравнению с моноспиральными вследствие меньших тепловых потерь на нагревание окружающего газа и в связи с возможностью большего нагревания тела накала по сравнению с вакуумными лампами. Однако эти лампы долго практически не применялись из-за сильного провисания тела накала. И только в 1935 г., после разработки технологии изготовления формоустойчивого вольфрама, началось  массовое производство таких ламп.

В заключение краткого обзора первого этапа развития электрического освещения, основанного на безраздельном господстве электрических ламп накаливания, приведем хорошо известные основные преимущества ламп накаливания, верно служащих людям почти 140 лет:

• непрерывный спектр излучения с преобладанием желто-оранжевой компоненты;

• тепло-белый оттенок света с цветовой температурой 2700 К;

• хорошее качество цветопередачи;

• мгновенное разгорание;

• простота плавного регулирования светового потока;

• низкая розничная цена.

К сожалению, лампы накаливания имеют и некоторые недостатки, ставшие весомым аргументом для их запрещения. К числу таких недостатков относятся:

• низкая (не более 14 лм/Вт) световая отдача;

• довольно низкое (не более 5%) преобразование подводимой мощности в видимый свет;  

• небольшой (около 1000 ч) средний срок службы.

Второй этап развития электрического освещения (1930 – 1960-е годы)

Этот этап характеризуется повсеместным распространением электрических ламп накаливания и изобретением люминесцентной лампы, представляющей собой газоразрядный источник света, в котором видимый свет излучается в основном люминофором, светящимся под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; сам разряд также  излучает видимый свет, однако в значительно меньшей степени.

Изобретателем первой газоразрядной лампы – предшественницы люминесцентной лампы считается Генрих Гайсслер, получивший в 1856 г. синее свечение от заполненной газом трубки, которая возбуждалась с помощью соленоида. Предшественниками люминесцентной лампы также были: Никола Тесла, запатентовавший в 1891 г. систему электрического освещения газоразрядными лампами, состоящую из источника высокого напряжения высокой частоты и газоразрядных аргоновых ламп; М. Моор, создавший в 1894 г. лампу, в которой использовался азот и углекислый газ, испускающий розово-белый свет, а также Питер К.Хьюитт, продемонстрировавший в 1901 г. ртутную лампу, испускавшую сине-зеленый свет.

Наконец, в 1926 г. Эдмунд Гермер с сотрудниками предложил увеличить операционное давление в пределах колбы газоразрядной лампы и покрывать ее флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбужденной плазмой,в более однородно бело-цветной свет. Именно Э.Гермер в настоящее время признан изобретателем лампы дневного света, конструкция которой к 1938 г. была доведена сотрудниками компании General Electric, выкупившей патент Гермера,  до широкого коммерческого использования. В бывшем Советском Союзе изобретателями лампы дневного света считаются академик С.Вавилов с сотрудниками В.Фабрикантом, Ф.Бутаевой и др.

Следует отметить, что световая отдача люминесцентных ламп в несколько раз превышает светоотдачу ламп накаливания аналогичной мощности, а срок их службы примерно в 10 раз превышать срок службы ламп накаливания. Кроме того, такие лампы экономичны, люминесцентные технологии лучше защищены от внешних повреждений, а свет таких ламп воспринимается человеческим глазом гораздо лучше, чем свет обычной лампы накаливания. Существенный недостаток люминесцентных ламп – необходимость применения особого способа их утилизации, поскольку основное вещество лампы – ртуть – токсична и вредна для человека.

Третий этап развития электрического освещения (1960-е годы – по настоящее время)

Отличительная особенность этого этапа – появление в его начальный период первых светодиодов, а затем и первых светодиодных светильников.

Светодиодили светоизлучающий диод (СД, СИД, LED – от англ. Light-emitting diode) представляет собой полупроводниковый прибор, который при пропускании через него электрического тока излучает некогерентный свет, лежащий в узком участке спектра с цветовыми характеристиками, зависящими от химического состава использованного в СИД полупроводника. Впервые излучение света твердотельным диодом получил английский экспериментатор Генри Раунд в 1907 г., случайно заметивший, что вокруг точечного контакта работающего детектора возникает свечение. Позже, в 1923 г., молодой советский физик Олег Лосев, экспериментируя с карбидокремниевым кристаллом и стальной проволокой, обнаружил слабое голубоватое свечение  на стыке этих двух материалов, которое получило в физике название «электролюминесценция» или  «свечение Лосева».  

Лишь 28 лет спустя всерьез занялись проблемой «полупроводникового света», когда в США в 1951 г. был создан Центр по разработке «полупроводниковых лампочек», действующих на основе «свечения Лосева». Спустя 10 лет, в 1961 г., Роберт Байард и Гари Питтман из компании Texas Instruments открыли и запатентовали технологию инфракрасного светодиода, а в 1962 г. Ник Холоньяк из компании General Electric изобрел фосфидо-галлиевый светодиод красного цвета для промышленного производства, имевший два существенных недостатка –малую  (1–2 Лм/Вт) светоотдачу и слишком  высокую (около 200 USD за штуку) стоимость.

В 1972 г. Джордж Крафорд изобрел первый в мире желтый светодиод и улучшил яркость красных и красно-оранжевых светодиодов в 10 раз. А уже в начале 1970-х годов появились зеленые светодиоды, которые использовались в наручных часах, калькуляторах, а также световых указателях.

Эффективность светодиодов по световому потоку постоянно увеличивалась, и к 1990 г. световой поток красных, желтых и зеленых светодиодов достиг значения 1 лм.  Наконец, в 1991 г. японский ученый Суджи Накамура из компании Nichia Chemical изобрел дешевую технологию производства синих и фиолетовых светодиодов высокой яркости, что существенно расширило области использования светодиодных полупроводников. Это изобретение  стало важным толчком для создания светодиодных дисплеев, так как формирование полноцветного изображения, в том числе любых цветовых оттенков на экране телевизора,  происходит путем смешивания трех основных цветов – синего, красного и зеленого, как это показано на рис.2

Таким образом, в начале XXI века светодиоды,  уровень светового потока которых достиг 100 лм и выше, стали постепенно заменять лампы накаливания там, где требовался окрашенный свет.

Пагубное влияние на зрение многих современных конструкций светодиодных источников освещения

Достигнутые к настоящему времени технические характеристики осветительных светодиодных ламп, такие как их достаточно высокая экономичность, высокая светоотдача, компактность, безопасность, экологичность и ряд других, которыми не обладают лампы накаливания и люминесцентные лампы, далеко не означают, что светодиодные источники света сразу же могут заменить все другие источники освещения. И даже очень высокая цена светодиодных ламп является далеко не единственным препятствием на пути такой замены. Просто «эра светодиодов» в технике освещения массового жилья еще не наступила. Жителям Евросоюза придется подождать до наступления этой эры, по крайней мере, как минимум до сентября 2016 г., когда согласно [3] истечет срок допуска галогенных ламп накаливания в бытовом секторе. И даже по достижении этого срока эксперты не гарантируют полное господство светодиодов в области освещения, поскольку до настоящего времени еще не созданы источники светодиодного освещения, не оказывающие вредного влияния на здоровье людей [1, 2].

Ввиду ограниченности объема статьи приведем лишь один из примеров, подробно описанных в вышеуказанных статьях, подтверждающих опасность для глаз светодиодных светильников, практически повсеместно выпускаемых на основе белых светодиодов. Входящий в состав таких светильников синий светодиод имеет сине-голубую полосу с длиной волны максимума излучения 455–465 нм, которая наиболее опасна для глаз (особенно глаз детей и подростков, поскольку кумулятивно накапливающиеся фототоксичные эффекты сине-голубого све­та при­водят к медленному необратимому падению зрительных функций, вплоть до наступления слепоты). Поэтому применение светодиодных светильников в быту и особенно в детских учреждениях требует самого серьезного профессионального офтальмо-физиологического обоснования.

Приведенная на рис.3 зависимость спектральной плотности осевой силы излучения Iот длины волны λ при различных цветовых температурах (1– 3000 К; 2– 4000 К;   3– 5000 К;   4– 5500 К) для белых светодиодов ЗАО «Оптоган» является хорошей иллюстрацией  необходимость такого обоснования, поскольку, как следует из приведенных на рис.3 графиков, все белые светодиоды с различной цветовой температурой имеют в области 455–465 нм максимальное излучение, пагубно влияющее на зрение.

 

 

Литература

1. Дейнего В. Выбор концепции построения безопасной энергосберегающей системы освещения // КАБЕЛЬ-news. – 2012. – №2.

2. Зак П.П., Островский М.А. Потенциальная опасность освещения светодиодами для глаз детей и подростков // Светотехника. – 2012. – №3.

3. Klimawandel und Energieeffizienz. –www.litg.de/aktuell/kurzinfo/data/232/

Klimawandel_und_Energieeffizienz.pdf.

 

Многие страны мира вводят запрет на электрические лампы накаливания(врезка1)

С целью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах мира введен или планируется ввод запрета на производство, закупку и импорт ламп накаливания – с целью стимулирования замены их на энергосберегающие лампы (компактные люминесцентные лампы, светодиодные лампы и др.).

С 1 сентября 2009 г. в Евросоюзе согласно директиве 2005/32/EG – «Eco-Design Requirements for Energy Using Products (EUP)» по повышению энергоэкономичности приборов и систем, потребляющих электроэнергию, начато выполнение предписания № 244/2009 DIM1 – «Domestic Lighting Implementing Measure» по поэтапному исключению из продажи и запрещению использования ламп накаливания. В соответствии с этой директивой с 2009 г.  запрещены лампы накаливания мощностью 100 Вт и более, лампы с матовой колбой 75 Вт и более (с 1 сентября 2010 г.) и др. В последующие 3 года – до 01.09.2012 запрет постепенно распространится на лампы накаливания мощностью менее 100 Вт, а с 01.09.2016 – на галогенные лампы накаливания.

В Австралии и Новой Зеландии подобный запрет начал действовать еще в 2008 г., а на Кубе ограничение использования ламп накаливания мощностью более 15 Вт начало действовать еще раньше – с 2005 г.

В США в соответствии с подписанным президентом Дж. Бушем в декабря 2007 г. законом о замене традиционных ламп накаливания энергосберегающими предусматривается, что лампы накаливания мощностью 100 Вт будут выведены из употребления к 2012 г., 75 Вт – к 2013 г., а 60- и 40-ваттные – к 2014 г.

В Китае Национальная комиссия развития и реформирования страны ввела запрет на продажу ламп накаливания: с 1 октября 2012 г. мощностью более 100 Вт; с 1 октября 2014 г. – 60 Вт; с 1 октября 2016 г. – 15 Вт. 

На территории России с 1 января 2011 г. не допускается продажа ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а с 1 января 2013 г. планируется введение запрета на электролампы мощностью 75 Вт и более, с 1 января 2014 года – на лампы мощностью 25 Вт и более.

 

 

Энергоэкономичные источники света, предлагаемые промышленностью вместо выводимых из употребления ламп накаливания (врезка 2)

Согласно рекомендациям Светотехнического общества Германии (LiTG), изложенным в документе «Klimawandel und Energieeffizienz» («Изменение климата и энергоэффективность») [3], экономия электроэнергии за счет применения в домашних хозяйствах вместо ламп накаливания энергоэффективных ламп не должна ухудшать качество освещения.

При этом в бытовом секторе наиболее значимыми должны быть следующие требования к осветительным средствам:

• приятный (привычный) цветовой оттенок освещения и хорошее качество цветовоспроизведения;

• отсутствие слепящего действия;

• достаточная освещенность сразу же после включения светильника;

• плавное регулирование светового потока ламп;

• максимально возможный срок службы.

Исходя из этих требований в ближне- и среднесрочной перспективе на смену лампам накаливания придут:

• галогенные лампы накаливания (ГЛН), способные обеспечить экономию электроэнергии до 30% по сравнению с обычными лампами накаливания. Такие лампы имеют более высокую (3000 К) цветовую температуру излучения, «более белый» и яркий свет, хорошую цветопередачу, большой  (2000–3000 ч) срок службы, в 2–3 раза превышающий срок службы обычных ламп накаливания. Однако вследствие некоторых недостатков ГЛН с резьбовыми цоколями на напряжение 230 В их применение в бытовом секторе допущено только до 1.09.2016; 

• интегрированные компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) (со встроенным электронным ПРА и резьбовым цоколем). Такие лампы, имея световую отдачу 50–60 лм/Вт, позволяют экономить до 80% электроэнергии при их установке вместо  ламп накаливания (например, КЛЛ мощностью 15 Вт эквивалентна по световому потоку лампе накаливания 75 Вт, а КЛЛ 20 Вт – лампе накаливания 100 Вт), они в 4–5 раз экономичней и примерно в 10 раз долговечней, чем лампы накаливания. Недостатки КЛЛ: их худшая (хотя и приемлемая для освещения в жилых интерьерах) цветопередача, чем у ламп накаливания, непригодность большинства типов КЛЛ для плавной регулировки их светового потока, наличие ртути в КЛЛ, создающее определенные проблемы при их утилизации, и др.;

• лампы на базе светодиодов. Несмотря на то, что светодиоды в несколько раз экономичней энергосберегающих ламп, обладают высокой (150 Лм/Вт) световой отдачей, компактны, безопасны, экологичны (в них отсутствуют такие вредные вещества, как ртуть или фосфор), «эра светодиодов», в технике освещения массового жилья по ряду причин, в том числе из-за их очень высокой стоимости, еще не наступила, хотя в последние годы созданы первые образцы бытовых ламп на базе белых светодиодов.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus