3.1 Системы и виды освещения

Основными световыми величинами являются световой поток ,освещенность и сила света .

Мощность излучения, которая оценивается по световому ощу­щению, производимому на глаз человека, называется световым по­током. Единицей измерения светового потока Ф служит люмен (лм).

Одной из основных единиц светотехнических величин в систе­ме СИ принята единица силы света — кандела (кд).

Понятие сила света служит для характеристики распределения светового потока в заданном направлении. Это понятие необходи­мо, так как некоторые источники света излучают световой поток неравномерно: с различной интенсивностью в разных направле­ниях.

Световой поток Ф, приходящийся на единицу освещаемой по­верхности S, называется ее освещенностью: Е = F/S. Об интенсив­ности освещенности судят по плотности, с которой световой по­ток распределяется по освещаемой поверхности. Единицей осве­щенности является люкс (лк).

Величина освещенности помещения зависит от точности выполняемой в нем работы, размера деталей, окраски стен помещения и др.

В практике возникает необходимость определить количество и мощность лам для освещения какого-либо помещения. В этом случае производят расчет мощности, расходуемой на освещение: выбирают тип светильника для данного помещения; намечают количество и расположение светильников; определяют мощность каждого светильника по формуле

P=p*S/n ,

где P – мощность светильника, Вт; n– число светильников; S– площадь помещения, м ² ;p– удельная мощность на освещение, Вт/ м ² .

Некоторые значения удельной мощности на освещение приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Помещения	Удельная мощность, Вт/ м 2	Средняя мощность одной лампы, Вт
Жилые	16	100
Офисные	16	100
Торговые предприятия	21	100
Учебные классы и аудитории	30	150
Детские дошкольные учреждения	24	150
Библиотеки	17	100
Производственные общего назначения	11…13	150

***

В зависимости от назначения источника света различают общее, местное, комбинированное освещение.

Общим называется освещение всего или части помещения.

Местным является освещение рабочих мест, предметов или по­верхностей, например специальное освещение обрабатываемой детали или инструмента на токарном станке.

Комбинированное сочетает в себе общее и местное освещения. Применяется при высокой точности работ, малой площади рабочих мест и редком расположении последних.

Виды освещения:

- рабочее - для создания необходимых условий видения (его разновидность - охранное освещение);

- аварийное – предусматривается в помещениях, где отсутствие света может послужить причиной несчастного случая (взрыва, пожара).

Различают аварийное освещение для продолжения работы и аварийное освещение для эвакуации людей.

Основным требованием, предъявляемым к освещению, явля­ется обеспечение нормируемых параметров освещенности, кото­рые определяются условиями работы, в том числе: размерами ок­ружающих предметов, возможностью различать их, контрастом их с фоном и коэффициентом отражения фона; наличием доступных, опасных для прикосновения предметов, а также наличием светя­щихся поверхностей большой яркости (при электро- или газосвар­ке, плавке металла).

Осветительные сети могут работать на различных напряжениях с учетом ограничений, связанных с требованиями правил техники безопасности.

В помещениях без повышенной опасности для питания светильников независимо от высоты установки может применяться напряжение не выше 220 В. В помещениях с повышенной или особой опасность напряжение 220 В разрешается применять при высоте установки светильников не менее 2,5 м над полом или при любой высоте установки, если конструкция светильника исключает прикосновение к лампе и токопроводящим частям. Во всех остальных случаях следует применять напряжение не выше 42 В. При наличии особо неблагоприятных условий (темнота, неудобное положение рабочего, соприкосновение с большими хорошо заземленными металлическими массами) для питания ручных переносных светильников применяют напряжение не выше 12 В.

Большое значение для нормальной работы осветительных приборов, особенно ламп накаливания, имеет постоянный уровень напряжения в сети освещения, поэтому расчет и устройство осветительных сетей проводят таким образом, чтобы снижение напряжения у наиболее удаленных ламп не превышало 2,5% в промышленных и общественных зданиях, 5% - в жилых зданиях и 10% - в сетях напряжением 12…36 В. Повышение напряжения сверх номинального должно составлять не более 5%.

4.2. Основные световые величины

4.3. Источники света

Разнообразные источники света по способу преобразования электроэнергии в световое излучение разделяются на две основ­ные группы: тепловые (лампы накаливания) и газоразрядные (лю­минесцентные, ртутные).

Тепловые источники света используют свойство тел излучать при нагревании лучистую энергию. При достаточно большой темпера­туре это излучение переходит в область видимого — тело начинает светиться. Световое излучение увеличивается с увеличением тем­пературы тела.

Действие ламп накаливания основано на тепловом излучении. Это наиболее простой и распространенный вид излучения, при котором потери атомами энергии на излучение света компенси­руются за счет энергии теплового движения атомов излучающего тела. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся атомы, и световое излучение увеличивается. При столкновении быстрых ато­мов друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения, и эти атомы затем также излучают свет.

Лампа накаливания (рис. 4.3) - малоэкономичный источник, так как только 12 % всей энергии, выделяемой в ее нити электри­ческим током, преобразуется в световую энергию.

При повышении температуры излучающего тела t изменяется и цветовой состав излучения. Это хорошо видно при нагреве ста­ли: сначала она становится красной, а затем раскаляется добела.

В первых моделях ламп накаливания использовалась угольная нить, в совре­менных лампах применяется нить из вольфрама. Температура плавления вольфрама (около 3400 °С) позволяет раскалить нить до 2500...2700°С при условии предохранения ее от сгорания.

Защита от сгорания может быть реше­на или полным удалением воздуха из стеклянной колбы, в которой разме­щена раскаленная нить, или заполне­нием ее инертным газом. В обоих слу­чаях из-за отсутствия кислорода сго­рания нити не происходит.

Вольфрам относится к группе ту­гоплавких металлов и широко приме­няется в электротехническом произ­водстве. Вольфрам — металл серого цвета с очень высокой температурой плавления и большой твердостью. По­лучают его методом порошковой ме­таллургии, т. е. в результате спекания спрессованных частиц металла. Прес­сованием частиц вольфрама в стальных пресс-формах получают заготовки — стержни, которые затем подвергают спеканию при t = 1300 °С. Спе­ченные вольфрамовые стержни имеют зернистое строение и яв­ляются хрупкими, поэтомуд-бх нагревают до 3000 °С и подвергают ковке и волочению. В результате такой обработки вольфрам при­обретает волокнистое строение, обеспечивающее ему высокую ме­ханическую прочность и пластичность.

Скорость испарения вольфрама при t = 3000 °С составляет около 9 -10"9 мг/(с • см ² ), однако при температуре нагрева нити близкой к температуредшавления она резко повышается. Пары вольфрама оседают на внутренней поверхности стекла колбы и делают ее менее прозрачной. Такое потемнение хорошо видно у перегоревших ламп. При испарении вольфрама нить делается тоньше и перегорает.

Для уменьшения тепловых потерь в лампах нить свертывают в плотную спираль, а в некоторых типах ламп эту спираль сверты­вают еще раз в двойную спираль. Такие лампы называют биспи- ральными.

Лампы накаливания могут быть типа В127-15, В220-15, В127-25 и т. д.

Срок службы ламп накаливания колеблется в широких преде­лах, так как зависит от условий работы, в том числе от стабиль-

ности питающего напряжения, наличия механических воздей­ствий, температуры окружающей среды. Средний срок службы ламп накаливания общего назначения 1000... 1200 ч.

Основная причина быстрого перегорания ламп накаливания - повышенное напряжение питания. Так при напряжении 230 В срок службы лампы составляет 570 ч, а при напряжении 240 В — 200 ч.

В помещениях, где часто перегорают лампы, необходимо пос­ледовательно с группой ламп, управляемых одним выключателем, включить дополнительное сопротивление. Хотя в сопротивлениях и теряется часть мощности, но все же устанавливать их экономи­чески выгодно. Необходимое значение этого сопротивления мож­но определить по формуле

где U_H0M — номинальное напряжение, В; U_m — напряжение на ши­нах в производственных помещениях в часы пик, В; и _я — напря­жение, которое мы желаем получить на лампах (его принимают на 2 % ниже номинального), В; /_ном — номинальный ток группы ламп, управляемых одним выключателем.

Номинальный ток, например в группе из 20 ламп по 60 Вт, определяется следующим образом: /_ном = (60 • 20) / 220 = 5,46 А.

В качестве сопротивлений используются высокоомные матери­алы диаметром 0,8... 1,0 мм или обычная стальная проволока диа­метром 1,2 мм. Размещают их в отрезке асбоцементной трубы дли­ной 25... 30 см. Трубу устанавливают вертикально. Снизу и сверху ее закрывают крышками, в которых сверлят отверстия для кон­тактных болтов.

Основным электрическим параметром ламп накаливания явля­ется напряжение питания. При повышении номинального напря­жения на 10 % срок службы лампы снижается в пять раз, а на каж­дый процент изменения напряжения приходится 4 % изменения светового потока. Напряжение питающих электрических сетей в условиях эксплуатации колеблется. В целях улучшения эксплуата­ционных характеристик ламп ГОСТом допускается колебание на­пряжения питания в пределах ±5%.

Лампы накаливания, из внутреннего объема которых удален воз­дух, называются вакуумными, а лампы с колбами, заполненны­ми инертным газом, — газополными. Газополные лампы при про­чих равных условиях имеют большую светоотдачу, чем вакуумные, так как находящийся под давлением газ препятствует испарению тела накала, что позволяет повысить его рабочую температуру.

Материалом для тела накала в газополных лампах служит воль­фрам. Колбы их наполняются ксеноном с добавкой соединения га-

логенного элемента с водородом. При высоких температурах тела накала эти добавки образуют химическое соединение с вольфра­мом, препятствуя его испарению. В настоящее время галогенные лампы применяются для светильников общего и киносъемочного освещения, прожекторов, аэродромных огней.

В целях снижения тепловых потерь газополные лампы заполня­ются малотеплопроводным газом. Одним из способов сокращения тепловых потерь является также уменьшение размеров и измене­ние конструкции нити накала, например выполнение ее в виде плотной винтообразной или двойной спирали.

Более совершенны по сравнению с лампами накаливания лю­минесцентные лампы, широко применяемые для освещения.

Люминесцентные лампы (рис. 4.4) представляют собой стеклян­ную герметически закрытую трубку, внутренняя поверхность ко­торой покрыта слоем люминофора — искусственно приготовлен­ного химического вещества, в котором под действием внешних факторов (электрического разряда) возникает свечение (люминес­ценция). Люминофоры под воздействием ультрафиолетовых лучей электрического разряда излучают свет в спектре видимого излу­чения.

Внутри трубки 4 в стеклянных ножках 2 укреплены биспираль- ные электроды 3 из вольфрама, соединенные с двухштырьковым цоколем 1, служащим для присоединения лампы к электрической сети посредством специальных патронов.

Для обеспечения возможности предварительного подогрева электродов и облегчения начала разряда они выполняются в виде двойной или тройной спирали из вольфрамовой проволоки, по­крытой слоем окиси щелочноземельных металлов (бария, кальция).

Из лампы откачивают воздух и заполняют минимальным коли­чеством инертного газа (аргойа) с каплей ртути. Давление газа ус­танавливается в пределах нескольких паскалей. При подаче напря­жения или импульса повышенного напряжения на предваритель­но подогретые электроды в лампе начинается разряд в парах ртути, и она начинает излучать потоки света. Напряжение питания к лампе подается через штыревые контакты, расположенные в цоколе.

В зависимости от цвета излучаемого лампой светового потока различают лампы дневного (ЛД), белого (ЛБ), холодно-белого

(ЛХБ) и тепло-белого (ЛТБ) света. В жилых или производствен­ных помещениях при необходимости точного определения цвето­вых оттенков, например в типографии при изготовлении цветных репродукций или в художественной мастерской, применяются лампы дневного света, обеспечивающие правильную цветопере­дачу.

Люминесцентные лампы низкого давления являются газораз­рядными электрическими источниками света. Их изготавливают на напряжение 127 В мощностью 15 и 20 Вт и на напряжение 220 В мощностью 30, 40, 80 и 125 Вт. Срок нормальной службы люми­несцентных ламп около 5000 ч при условии нечастых включений, стабильности напряжения питания и обеспечения оптимальной ок­ружающей температуры.

Чтобы использовать люминесцентную лампу, у которой пере­горела нить накала, надо включить ее по схеме, предложенной ин­женером В. Хоризаменовым. В этой схеме (рис. 4.5) применяются емкостный балласт и выпрямительные элементы. Устойчивое за­жигание при отсутствии у лампы одной или обеих нитей накала, а также у ламп с изношенным эмиссионным покрытием нитей достигается при подаче повышенного в 4,2 раза напряжения сети в результате возникновения ударной ионизации в газе.

Резистор R1 служит для стабилизации режима работы лампы. При включении схемы конденсатор С1 заряжается через диод Д2 до амплитудного значения напряжения сети. В следующий полупериод напряжение сети, складываясь с напряжением конденсатора С1, заряжает конденсатор СЗ, удваивая напряжение. Аналогично дей­ствует и вторая половина схемы (С2, С4, ДЗ, Д4). Напряжения кон­денсаторов СЗ и С4 складываются и достигают значения, необхо­димого для зажигания лампы. Когда зажигание произошло, конден­саторы С1 и С2 начинают работать как балластные сопротивления, обеспечивающие устойчивый газовый разряд в лампе. В совре­менных осветительных элек­троустановках промышлен­ных предприятий широкое применение находят дуго­вые ртутные лампы (ДРЛ) высокого давления.

Эти лампы выпускают­ся с двумя и четырьмя элек­тродами.

Основными элементами четырехэлектродной дуго­вой ртутной лампы (рис. 4.6) являются резьбовой цоколь 1, колба 3 и кварцевая го- редка 6. Внутри горелки находятся до­зированная капля ртути и газ аргон; в конце горелки впаяны активированные основной 5 и дополнительный 7 элек­троды из вольфрама. Внутренняя по­верхность колбы покрыта люминофо­ром 8.

При подаче напряжения к электро­дам лампы происходит электрический разряд в парах ртути высокого давле­ния, сопровождаемый интенсивным излучением света, в спектре которого отсутствуют оранжево-красные лучи.

Отсутствие оранжево-красных лучей делает лампу непригодной для освеще­ния, так как искажает естественные цвета всех предметов, поэтому состав люминофора, покрывающего внутрен­нюю поверхность колбы, подбирается так, чтобы под воздействием спектра ультрафиолетовых лучей он излучал оранжево-красный цвет, который, сме­шиваясь с основным световым потоком лампы, будет образовывать свет, вос­принимаемый человеческим глазом как белый с легким зеленоватым от­тенком.

Четырехэлектродная ДРЛ отличает­ся от двухэлектродных наличием двух дополнительных электродов, цбдключенньгх к основным через до­бавочные сопротивления. Наличие этих электродов облегчает за­жигание лампы, так как при подаче напряжения питания между основным и ближайшим к нему дополнительным электродами возникает тлеющий разряд, под действием которого пары ртути ионизуются, способствуя разряду между основными электрода­ми лампы.

ДРЛ с цоколем диаметром 40 мм ² выпускаются мощностью 250... 1000 Вт.

Газоразрядные ртутные лампы высокого и сверхвысокого давле­ний используются в качестве мощных источников света. Источни­ком лучистой энергии в этих лампах является электрический раз­ряд между электродами. Их колбы выполняются из кварца, способ­ного выдерживать значительные давления при высоких температурах (300... 900 °С). Эти лампы взрывоопасны в рабочем и нерабочем со­стояниях.

ДРЛ в основном применяются для наружного освещения и ос­вещения высоких производственных помещений при отсутствии требования правильной цветопередачи. Они выпускаются типов ДРЛ80, ДРЛ 125 и др.

Газоразрядные источники света (люминесцентные лампы и ДРЛ) значительно экономичнее ламп накаливания, так как у них в несколько раз выше светоотдача и срок службы.

Более высокую световую отдачу имеют также натриевые лам­пы высокого давления, что достигается за счет ввода в разрядную колбу, кроме ртути и аргона, натрия. Частицы натрия, попадая в зону разряда, разлагаются, что и приводит к дополнительному из­лучению.

Натриевые лампы, ввиду некоторого искажения цветопереда­чи, используются в основном для наружного освещения.

Процесс совершенствования газоразрядных ламп продолжает­ся, и следует рассчитывать на их более широкое распространение.

4.4. Устройства для присоединения осветительных электроустановок

Осветительные электроустановочные устройства (ОЭУ) служат для присоединения источников света к электрической сети, уп­равления этими источниками и обеспечения требуемых режимов работы освещения, определяемых окружающими условиями, на­пример характером производства.

К наиболее распространенным ОЭУ относятся патроны, вык­лючатели и переключатели, штепсельные розетки с вилками и стартерные устройства для пуска люминесцентных ламп.

По конструкции, назначению и способу установки различают патроны (рис. 4.7) подвесные арматурные с ниппелем или нип­пельной шейкой, подвесные полугерметические с металлическим ушком, потолочные и стенные. В соответствии с размерами цоко­лей ламп они бывают с резьбой 14, 27 и 40 мм.

Часто электрические лампы накаливания припекаются к пат­рону, и при их вывертывании колба отламывается от цоколя. По­этому, прежде чем ввернуть лампу в патрон, рекомендуется нате­реть резьбу цоколя графитом (можно использовать стержень ка­рандаша).

Выключатели и переключатели (рис. 4.8) однополюсные на на­пряжение до 250 В и токи до 10 А частотой 50 Гц предназначаются для коммутации электрических цепей осветительных электроуста­новок. Выключатели и переключатели однополюсные защищенного и герметического исполнений для открытой и скрытой установки должны выдерживать не менее 20 тысяч отключений.

Для повышения коммутирующей способности и износоустой­чивости контактные части современных выключателей и переклю­чателей выполняются из металлокерамики, что позволяет им вы­держивать свыше 200 тысяч отключений.

Металлокерамические материалы получают прессованием из металли­ческих порошков с последующим"спеканием их при высоких температурах.

Исходные порошкообразные массы состоят из двух или более порош­ков различных металлов, из которых один должен обладать более высо-