Dima Orlov (dimorlus) wrote in engineering_ru,
Dima Orlov
dimorlus
engineering_ru

Про лампочки.

Про лампочки. Я расскажу про наиболее массовые источники общего освещения.




  • Лампы накаливания (incandescent). CRI = 100, CCT 2500..2800K

    • Стандартные. Типичный представитель 100W E27, 1000 часов, 13.4lm/W

      Лампа накаливания представляют собой вольфрамовую спираль в вакууме или инертном газе. Из преимуществ – непрерывный спектр и низкая стоимость. Все остальное – недостатки: низкая светоотдача, низкая цветовая температура (мало синего в свете), низкий срок службы (из-за этого в промышленном освещении и освещении общественных мест практически полностью вытеснены уже лет 40 как).






    • Галогенные 1000..2000 часов, 16..18lm/W


      Отличаются от обычных более высокой температурой спирали,  наличием галогенидов в колбе из кварцевого стекла. Имеют несколько большую, чем у обычных ламп накаливания светоотдачу, срок службы и цветовую температуру.

      Имеется несколько распространенных заблуждений, связанных с лампами накаливания. Так бытует легенда о «вечных» лампочках, о том, что срок их службы производитель занижает намеренно, чтобы обеспечить спрос. Это полная ерунда. Да, с недокалом, давая желто-красный свет и хорошо, если 5lm/W светоотдачу лампа накаливания может светиться годами, но такой источник света никому не нужен (впрочем, как печка, например в порошковом принтере) такая конструкция вполне может использоваться. Абсурдна идея и на счет производителя. Все ссылки тут на сайт Филипс, который делает все типы ламп, от обычных ламп накаливания с 1000 часов сроком службы до светодиодов со сроком службы 100 000 часов. Странно было бы занижать  срок службы одной продукции, и тратить огромные усилия для его увеличения у другой.



  • Люминесцентные (fluorescent).



    • Обычные, типичный представитель 20W, T8, 15000 часов,  50lm/W

    • Компактные (CFL) Типичный представитель 25W, 15000 часов, 70lm/W

      Люминесцентные лампы состоят из трубчатой колбы, с двумя катодами прямого накала на концах. Заполнена люминесцентная лампа инертным газом и металлической ртутью (в новых типах ламп в связанном виде). Люминесцентная  лампа относится к газоразрядным лампам. Работает она так. Импульс высокого напряжения вызывает ионизацию инертного газа (аргон, обычно). Разряд в инертном газе вызывает нагрев и испарение ртути, после чего, дуга горит уже в парах ртути, что сопровождается излучением света в ультрафиолетовом диапазоне. Люминофор, точнее, смесь люминофоров, которой покрыта внутренняя поверхность колбы, преобразует ультрафиолетовый свет в видимый. Покрытые металлами с низкой работой выхода спирали являются (попеременно) катодами, эмитирующими электроны для поддержания дугового разряда. Подогреваются они или током самой лампы и ионной бомбардировкой, или, принудительно. Предпусковой прогрев катодов повышает срок службы лампы.

      Классическая схема питания лампы с электромагнитным дросселем и стартером.



      При включении в сеть ток течет через дроссель, спирали катодов лампы,  и стартер, представляющий из себя неонку с электродом, выполненным из биметаллической пластины. Эта пластина нагревается, изгибается,  и замыкает стартер. В цепи катодов начинает протекать ток, а стартер остывает. Когда стартер размыкается, за счет самоиндукции дросселя  возникает импульс высокого напряжения (благодаря конденсатору, параллельному стартеру, это не одиночный импульс, а высокочастотные затухающие колебания). Этот импульс ионизирует инертный газ в лампе, и она зажигается.

      Более эффективен электронный балласт. При всем их разнообразии, силовая часть у них почти одинакова.



      Это полумост (два ключа, работающие попеременно), подключенный к выпрямленному напряжению сети (иногда после PFC). К средней точке (и общему минусу) подключены последовательно конденсатор дроссель, один накал лампы, конденсатор поджига, второй накал лампы. Катушка и конденсатор образуют последовательный колебательный контур, обеспечивая приблизительно синусоидальный ток через лампу. Иногда эта цепь апериодическая, тогда ток через лампу примерно треугольный. Катушка и конденсатор поджига образуют другой колебательный контур, на более высокую, чем рабочая частоту. Пока лампа не горит, ток протекает через катушку, последовательный конденсатор и поджигающий конденсатор. Напряжение на нем растет, так как частота работы полумоста близка к резонансной (или кратна ей), катоды прогреваются, повышенное напряжение пробивает лампу. Это где-то 500-800 вольт. После этого напряжение на лампе падает до нескольких десятков (сотни с небольшим) вольт.

      Встречаются различные варианты, например, с дополнительными обмотками на дросселе для постоянного прогрева катодов, особенно это актуально для балластов с диммингом (регулировкой яркости). Отдельно выполненные балласты как правило имеют PFC. Это импульсный повышающий преобразователь (boost, step-up), спроектированный так, чтобы потреблять из сети синусоидальный ток  в фазе с напряжением. Так как его потребляет активная нагрузка.

      Балласты компактных ламп обычно не имеют PFC, поэтому их яркость модулирована частотой 100Гц (удвоенной частотой сети). Кроме того, имеется и высокочастотная модуляция яркости, с удвоенной частотой работы балласта, которая обычно составляет 20..40кГц (соответственно частота мерцания 40..80кГц, может сглаживаться послесвечением люминофора).

      Для управления яркостью используется или аналоговое напряжение 0..10В (источник в балласте, снаружи только пассивная цепь), или цифровой протокол DALI, позволяющий включать в сеть до 64 балластов и других сопутствующих устройств.

      Люминесцентные лампы позволяют регулировать яркость в широком диапазоне, где-то от 3%  номинальной.

      Люминесцентные лампы плохо работают при низких температурах. Из-за большой площади колбы они мало нагреваются, ртуть не испаряется, и мощность разряда падает – лампа еле светит.



      По соотношению светоотдачи и цены люминесцентные лампы по-прежнему вне конкуренции.

      Распространенные заблуждения о вредности света люминесцентных ламп не находят практического подтверждения. Линейчатость спектра, выражаемая интегральным показателем Color Rendering Index (0..100) у распространенных ламп обычно составляет 60..80, хотя есть лампы и с CRI равным 98. Влияет это только на восприятие некоторых цветов. Мерцание ламп тоже не так страшно, как об этом иногда говорят.



      Я решил проверить как оно на самом деле с этими лампочками. Взял на работе относительно простой ваттметр, люксметр TES-1335 Digital Light Meter,
      нашел дома несколько лампочек, подвесил в кладовке патрон, и
      померил сколько света какая лампа дает. CFL1 - новая, не
      использовавшаяся. Светит холодным светом,
      заявлена как 6400K, так, примерно, на вид и есть. CFL2 - висит в этой
      кладовке уже минимум год, а скорее больше. Каждый день по нескольку раз
      включается не на долго. Свет "теплый", на глаз не выше 4000K. При
      измерении я ждал пока лампа прогреется и показания направленного в стену
      люксметра устаканятся. Это до полного прогрева занимало 2-3 минуты, но
      на 90% они меньше минуты выходят. Последняя строка в таблице, это во
      сколько раз на ватт потребляемой мощности дает больше света CFL. Как
      видно, потребляемая и заявленная отличаются, но чтобы сказать на
      сколько, мне надо использовать другой прибор.


      Type Incadescent CFL1 CFL2
      Name Philips Home Electric Mini Spiral 15W 6400K

      Osram Duluxstar compact 11W/840 Cool White

      Nominal power 100W 15W 11W
      Measured power 97W 14W 12W
      Light on whall 40lux 32lux 18lux
      Incadescent 1 5.5 3.66


      Нашел данные на CFL2.
      По ним, цветовая температура 4000K (я не ошибся), заявленная
      эффективность 54lm/W, что примерно соответствует коэффициенту к лампе
      накаливания 3.86. Близко к измеренным мною значениям (и опровергает
      конспирологическую теорию о том, что нас дурят - что есть, то и пишут,
      надо только уметь читать). У лампочки заметно потемнела колбы в зоне
      электродов, так что снижение вполне закономерно.

      Type Incadescent CFL1 CFL2
      Name Philips Home Electric Mini Spiral 15W 6400K

      Osram Duluxstar compact 11W/840 Cool White

      Nominal power 100W 15W 11W
      Measured power 97W 14W 12W
      Light on whall 40lux 32lux 18lux
      Incadescent 1 5.5 3.66

      Сейчас посмотрим на пульсации света. CFL2 дороги на работу не пережила, я ее грохнул, так что продолжу с тем, что есть:
      Incadescent CFL1

      Как
      видно, у CFL общий уровень пульсаций (двойная амплитуда) составляет
      49%, у 100W лампочки накаливания она 17.5% (заметно от нуля отличается).
      У CFL кроме модуляции с удвоенной частотой сети, есть еще высокочастотная модуляция
      на частоте 75..80kHz (это удвоенная частота работы электронного
      дросселя). Глазами я не вижу никаких пульсаций, да и вообще, для глаз
      надо бы это в логарифмическую шкалу по вертикали перевести, но мне лень
      :)






    • Натриевые высокого давления HPS

      Типичный представитель 400W, 20000 часов (38000 50%), 140lm/W, CCT=2100K, CRI=10.


      Не считая натриевых ламп низкого давления (LPS), HPS – самые распространенные лампы для уличного освещения. Они дают интенсивный желтый свет с беспрецедентной светоотдачей, и хоть и с очень низким CRI, но все же это не монохромный свет LPS, основные цвета различить можно. Существуют модификации натриевых ламп, дающих практически белый свет. Выпускаются лампы от нескольких десятков ватт до 1000 ватт. На высоких ~15m столбах на скоростных трассах стоят обычно 400W лампы, для освещения городских улиц используются 150 или 250 ватт лампы.


      Физически, эти лампы представляют собой керамическую (окись алюминия) трубку, заполненную натрием, инертным газом для инициации разряда, большим или меньшим количеством ртути (бывают вообще без нее), и, возможно, какими-то еще добавками, обеспечивающими спектр излучаемого света. Эта трубка с вольфрамовыми электродами  размещается внутри вакуумированной стеклянной колбы.


      Как и все газоразрядные лампы, натриевые лампы имеют круто растущую вольт-амперную характеристику, и ток через них должен ограничиваться дросселем. Напряжение на работающей лампе обычно 50..150 вольт, поджигаются они импульсным напряжением порядка 3kV, для чего используется специальная схема.


      Как и в большинстве газоразрядных ламп, разряд начинается в инертном газе, по мере прогрева, вступают в действие другие составляющие, что видно по изменению цвета.


      Все газоразрядные лампы высокого давления (десятки атмосфер) в горячем состоянии требуют десятков киловольт для поджига, что конструкцией большинства ламп (и пускорегулирующей аппаратуры) не предусмотрено. Поэтому после выключения надо около 10 минут ждать перед повторным включением, пока лампа остынет, и давление в ней упадет.




Производитель металл-галогенные ламп не рекомендует, но производители балластов реализуют димминг (регулировку мощности) дуговых ламп. Металл-галогенные позволяют регулировать в диапазоне от 50% номинальной мощности, в ряде случаев, от 30%, примерно такой же диапазон и у HPS. У металл-галогенных ламп при этом заметно меняется цвет.

Отдельным классом балластов для дуговых ламп являются высокочастотные балласты с похожей на балласты для люминесцентных ламп топологией.

Высокое напряжение получается в них (впрочем, как и в ряде конструкций низкочастотных балластов) при помощи резонанса, ток через лампу синусоидальный или треугольный с частотой 100 и выше килогерц. Такая топология проще и имеет более высокий, чем у низкочастотных балластов КПД, но имеется целый букет сложностей. Начиная от акустического резонанса в горелке (может привести к ее взрыву) и заканчивая т. н. капиллярным эффектом в керамических горелках при поджиге ламп, вызывающем повреждение горелки возле того места, где из нее выходит электрод.

Процесс поджига всех HID ламп происходит одинаково. Напряжение поджига вызывает ионизацию инертного газа (обычно аргона) и в нем начинается тлеющий разряд. Ионная бомбардировка электродов вызывает их нагрев и термоэлектронную эмиссию (для облегчения этого процесса электроды покрывают металлами с малой работой выхода). Разряд из тлеющего становится дуговым. Дальше начинают испаряться различные добавки, давление растет и лампа выходит на стационарный режим работы. Если смотреть на напряжение, то в момент поджига оно достигает киловольт, тлеющий разряд протекает при сотнях вольт, потом напряжение падает до пары десятков вольт и с прогревом лампы растет до рабочего в 50..150 вольт (обычно).

Электромагнитные балласты (дроссели, или комбинации дросселя с трансформатором) не обеспечивают стабильной мощности. Она зависит как от состояния лампы, так и от напряжения в сети. Электронные балласты стабилизируют мощность, независимо от напряжения сети и состояния лампы (по мерее старения, напряжение на лампе растет).

Следует внимательно смотреть на данные производителя по сроку службы, обычно приводятся цифры для 10% и 50% отказов. Отказом считается или полный выход лампы из строя, или падение светоотдачи вдвое.

Дуговые лампы с высокочастотным питанием отличаются в 1.5 .. 2 раза большим сроком службы и меньшим падением светоотдачи в течение этого срока.



    • Металл-галогенные MH

      Это очень широкий класс ламп с мощностью от единиц десятков до нескольких тысяч ватт. Классический вариант – кварцевая горелка с вольфрамовыми электродами, сейчас сменяется керамической (оксид алюминия) горелкой, позволяющей использовать добавки, которые разрушают кварцевое стекло. Светоотдача MH ламп порядка 100lm/W (80..120), CRI 60..96, CCT 3000..6000K, срок службы 15000..30000 часов.


      Кварцевые лампы бывают с третьим поджигающим электродом, для которого внутри колбы выполнена схема, обычно состоящая из резистора и биметаллического размыкателя. Такие лампы зажигаются от примерно 500 вольт, для получения которых используется конденсатор, параллельно лампе, образующий с дросселем колебательный контур. Прочие лампы, как и HPS требуют 3kV импульса, или 20..30kV, для горячего поджига.


      Разряд начинается в инертном газе, далее испаряется ртуть и прочие добавки, что сопровождается изменением цвета. Рабочее напряжение ламп обычно около 120 вольт. Пускорегулирующая аппаратура примерно такая же, как и для HPS.


      Бывают так же ртутные лампы высокого давления, представляющие собой кварцевую горелку и покрытую изнутри люминофором колбу вокруг нее. По электрическим характеристикам эти лампы близки к MH, но имеют более низкую светоотдачу, порядка 50lm/W.


      Некоторые керамические лампы изначально предназначены для работы с электронными балластами. Классический электронный балласт обеспечивает прямоугольный переменный ток частотой несколько сот герц. Все такие балласты снабжены PFC.





  • Светодиоды LED, SSL (solid state lamp).

    Это относительно новое в освещении направление. Светодиодная лампа представляет собой синий светодиод и смесь люминофоров, дающих остальные части спектра. Светоотдача современных светодиодов достигает 120lm/W, перспективных – до 250lm/W. CRI достигает 98, цветовая температура может быть практически любой. Люминофор может быть как частью светодиода, так и частью лампы (светильника), т. н. remote phosphor. Для специального освещения часто используют комбинации из светодиодов разного цвета. Так же в дополнение к люминофорам могут использоваться разноцветные светодиоды для повышения непрерывности спектра. Цветовая температура таких светодиодов может изменяться путем изменения тока через отдельные светодиоды.


    Светодиод питается постоянным током, на одном кристалле при номинальной мощности падает около 3 вольт. Круто растущая вольт-амперная характеристика диода (в том числе и светодиода) диктует необходимость ограничения тока через него. Разброс прямого падения напряжения и отрицательная температурная характеристика (около -3mV/°C) ограничивают возможность параллельного соединения светодиодов, наилучшие показатели у последовательных цепочек.


    Светодиоды почти лишены недостатков, они имеют отличные показатели светоотдачи, срок службы достигает 100000 часов, яркость можно регулировать практически от 0 без изменения цветовой температуры, включать и выключать можно в любой момент. Топология источников постоянного тока отточена годами и не представляет технических проблем.


    Проблема есть только одна (кроме пока относительно высокой цены). Рабочая температура кристалла не должна превышать 120°C, что значит, что температура охладителя должна быть ниже 85°C. Это приводит к тому, что светодиодные лампочки под эдиссоновский патрон не получается сделать мощнее 10W, что эквивалентно примерно 60W лампы накаливания. Зато из светодиодов можно делать светильники, в которых вопрос охлаждения решается комплексно. Не вызывает сомнений, что за светодиодными (или твердотельными, как их иногда называют) источниками света будущее. Но на сегодняшний день эффективные и неприхотливые газоразрядные лампы мощностью 250 и более ватт остаются хорошей альтернативой светодиодам.



Tags: освещение, электричество
Subscribe
promo engineering_ru april 14, 2014 13:47 105
Buy for 200 tokens
В 50-х годах Советский Союз вел грандиозные стройки, одной из которых был невиданный по тем временам проект — подземный тоннель на остров Сахалин, получивший рабочее название «Строительство № 506″. В конце 40-х, начале 50-х годов XX века остров Сахалин переживал бурный…
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 263 comments