Основные теоретические положения

Чтобы создать благоприятные условия для работы на предприятиях, необходимо обеспечить достаточную по величине и равномерности освещенность на рабочих местах.

При искусственном электрическом освещении это до­стигается соответствующим размещением светильников, выбором типа светотехнической арматуры и установле­нием источника света необходимой мощности.

В настоящее время искусственное освещение промыш­ленных предприятий в большинстве случаев осущест­вляется лампами накаливания и в отдельных случаях люминесцентными лампами.

     Нормальные лампы накаливания, применяемые для целей освещения (типы НВ, НГ, НБ) изготовляются на напряжения 127 и 220 б. Они относятся к категории источников света теплового излучения и имеют накали­ваемую электрическим Током вольфрамовую нить, поме­щенную в стеклянную колбу. При небольшой мощности  (от 10 – 15 до 40 – 60 вт) они изготовляются пустотными, а при больших мощностях (до 1500 вт) – газонаполненными. Заполнение колбы смесью аргона и азота уменьшает испаряемость накаленного вольфрама и позволяет повы­сить температуру нити.

     Температура вольфрамовой нити в пустотных лампах около 2100° С, а в газонаполненных до 2600° С. Нить может иметь прямолинейную, спиральную или двойную спиральную (биспиральную) форму.

    В зависимости от величины номинальной потребляемой мощности  лампы ее накаленная вольфрамовая нить обеспечивает световой поток  от 70 до 29 500 лм при световой отдаче   лм/вт, определяемой отно­шением

.                                                 (1)

     В наиболее совершенных газонаполненных лампах колбы заполняются смесью малотеплопроводных редких газов криптона и ксенона. Это дает возможность умень­шить объем колбы, что имеет большое значение ввиду дефицитности криптоно-ксеноновой смеси, а также повы­сить температуру нити и довести светоотдачу до значения   лм/вт. Эти лампы накаливания изготовляются мощностью от 40 до 100 вт на напряжения 127 в 220 в.

     Так как накаленная нить дает преимущественно инфра­красное излучение, вследствие чего свет ламп накаливания резко отличается от дневного света, то при пользовании этими лампами нарушается правильное восприятие цветов и оттенков: коричневые и фиолетовые тона кажутся почти черными, красные – более яркими и т.п.

     Поскольку глаз человека наиболее чувствителен к желто-зеленым световым лучам, которых в свете ламп накаливания очень мало, то световой к.п.д. нормальных осветительных ламп составляет несколько процентов.

     Горение ламп накаливания сопровождается распыле­нием вольфрама нити, оседающего на стенках стеклянной колбы в виде темного налета, вследствие чего световой поток и экономичность ламп заметно снижаются. ГОСТ 2239–60 допускает после 750 ч горения ламп сни­жение их светового потока не более чем на 15% его начального значения при среднем сроке службы ламп, работающих при номинальном напряжении, равном 1000 ч.

     С целью уменьшения яркости ламп накаливания внут­реннюю поверхность их колб иногда матируют, что обес­печивает хорошее рассеяние света при незначительном уменьшении светового потока – всего лишь на 2 – 3%.

     Применение молочного стекла дает лучшее рассеяние света, но световой поток таких ламп на 15 – 25% меньше, чем аналогичных по мощности ламп с прозрачной колбой.

     В настоящее время для освещения применяются также люминесцентные лампы (типы ЛД, ЛХБ, ЛБ, ЛТБ, ЛДЦ), в которых используется холодное свечение люминофоров под действием ультрафиолетовых лучей. Они представляют собой стеклянные аргоно-ртутные трубки, внутренняя поверхность которых покрыта люминофором (вольфроматы кальция и магния, силикат цинка, борат кадмия и др.). По обоим концам трубки впаяны металлические электроды в виде вольфрамовых биспиралей, покрытых тонким слоем бария.

     Прохождение электрического тока через аргоно-ртутную смесь сопровождается испусканием невидимых глазом ультрафиолетовых лучей, под влиянием которых начи­нается свечение люминофора. Подбором состава люмино­фора можно получить искусственный свет, близкий по своему спектру к дневному свету.

     Преобразование электроэнергии в ультрафиолетовое излучение и дальше – в видимое излучение протекает при высоком к.п.д., вследствие чего светоотдача люминесцент­ных ламп оказывается значительно выше, чем у ламп накаливания, и составляет в соответствии с ГОСТ 6825 – 61   лм/вт.

     Световой к.п.д. люминесцентных ламп также выше, чем ламп накаливания. Люминесцентные лампы по сравне­нию с обычными лампами накаливания позволяют повысить величину освещенности в 2 – 2,5 раза и обеспечить высокое качество освещения без увеличения установленной мощ­ности.

     Люминесцентные лампы изготовляются прямыми мощ­ностью 3, 8, 12, 15, 20, 30, 40, 80 125 вт, а также секционно-изогнутыми мощностью 15, 21 и З0 вт, причем лампы мощностью до 20 вт предназначаются для работы в сетях с напряжением 127 в, а более мощные – в сетях с напряжением 220 в.

     Срок службы люминесцентных ламп составляет 5000 ч, после чего их световой поток уменьшается до 60% его начального значения.

     Простейшая схема включения люминесцентной лампы в электрическую сеть переменного тока с частотой 50 гц представлена на рис. 207.

     Люминесцентные лампы включаются в сеть после­довательно со специальным дросселем Др. На этом дросселе, необходимом для стабилизации тока лампы при нормальной работе и для автоматического повы­шения напряжения на лам­пе при зажигании, падает около 50% напряжения пи­тающей сети.

     Включение лампы в сеть осуществляется специаль­ным зажигателем Ст, который замыкает цепь электродов Э для их подогрева на 2 – 3 сек, после чего автоматически ее размыкает.

     В качестве зажигателя обычно применяют неоновую лампу тлеющего разряда с биметаллическими электродами, хотя в отдельных случаях допускается использование для этой цели обычной звонковой кнопки с надежным само­возвратом.

     Конденсатор С ₁ емкостью 10000 мкф служит для пре­дотвращения возникновения радиопомех.

     Дроссель Др, используемый в качестве балластного со­противления, приводит к снижению коэффициента мощности установки до 0,5 – 0,6. Для повышения его значения до 0,85 – 0,95 включают конденсатор С ₂ емкостью 4 – 10 мкф.

     Большое влияние на характеристики люминесцентных ламп оказывает температура окружающей среды, в которой протекает их эксплуатация. Отклонение ее от оптимальной °С, при которой температура поверхности дампы лежит в пределах °С, приводит к на­рушению теплового баланса со всеми вытекающими из этого последствиями.

     Повышение температуры увеличивает давление ртутных паров и этим снижает экономичность лампы, а также сокращает срок ее службы.

     При снижении температуры окружающей среды ниже 5° С зажигание люминесцентных ламп, включенных по обычной схеме, становится затруднительным, что застав­ляет при наружном освещении применять закрытые све­тильники и специальные приборы включения.

     Так как люминесцентные лампы практически безынер­ционны, то световой поток их изменяется синхронно с кри­вой переменного тока, вследствие чего при свете этих ламп движущиеся предметы могут принимать многократные контуры, а скорость перемещения их может восприни­маться неправильно. В некоторых случаях быстровращающийся предмет может казаться даже неподвижным.

     Для ограничения этого нежелательного явления люми­несцентные лампы включаются по специальным антистро­боскопическим схемам, из которых простейшей является трехламповая схема для трехфазной сети с питанием ламп от отдельных фаз, что дает почти стабильный суммарный световой поток. Часто с этой же целью применяются специальные многоламповые схемы, в которых исполь­зуются токи с искусственно смещенными начальными фазами.

     Повышение и понижение напряжения в сетях, к которым приключены лампы накаливания и люминесцентные лампы, по отношению к их номинальному напряжению – вредно.

     Повышение напряжения для ламп накаливания, хотя и увеличивает световой поток, но резко сокращает срок их службы вследствие увеличения температуры нити. Сни­жение напряжения увеличивает долговечность нити из-за снижения ее температуры, но сильно уменьшает световой поток, так как при этом происходит смещение максимума излучения из области видимых излучений.

     Повышение напряжения для люминесцентных ламп на­рушает их тепловой баланс, увеличивает давление ртутных паров и этим снижает экономичность и срок службы лампы. При пониженном напряжении люминесцентные лампы либо вообще не зажигаются, либо при этом происходит интен­сивное распыление оксидного вещества, покрывающего электроды, что вскоре приводит к миганиям и преждевре­менному выходу их из строя.

     Для перераспределения светового потока в желаемом направлении и уменьшения слепящего действия лампы заключают в специальную светотехническую арматуру, образующую с ней так называемый светильник.

     При лампах накаливания осветительная арматура обычно представляет собой тело вращения (рис. 208), а при люминесцентных лампах она имеет корытообразную форму (рис. 209).

Рис. 208. Кривые освещенности в пространственном изображении при арматуре, являющейся телом вращения, с лампой накаливания.

     Тип светильника определяет форму освещаемой поверх­ности (круг, прямоугольник и т.п.), а также закон рас­пределения величины освещенности в различных точках поверхности.

     Объем, заключенный между поверхностью, образую­щими которой являются кривые освещенности, и освещаемой поверхностью, представляет собой световой поток , излучаемый светильником и определяемый по формуле

,                                                    (2)

где: – элемент освещаемой поверхности, м ²;

Е – величина освещенности на ней, лк.

     Если светильник представляет собой тело вращения, то световой поток

,                                                     (3)

где: – меридиональная площадь, ограниченная кривой освещенности и ее проекцией на освещаемую по­верхность, лк · м;

– расстояние от вертикальной оси светильника до центра тяжести С фигуры, заштрихованной на рис. 208.

Рис. 209. Кривые освещенности в пространственном изображении при корытообразной арматуре с люминесцентной лампой.

     При корытообразном светильнике эта же величина определяется из соотношения

,                                  (4)

где: – площадь, ограниченная кривой освещенности, проходящей через вертикальную ось светильника по его поперечной оси 0 – 0, и ее проекцией на освещаемую поверхность, лк · м;

– аналогичные площади по сечениям 1 – 1, 2 – 2, …, п – п, которые параллельны плоскости , лк · м;

– расстояние между вышеуказанными сечениями, м.

     Величины площадей , , ,..., – могут быть найдены путем планиметрирования соответствующих диа­грамм распределения освещенности по отдельным направ­лениям, выбранным на освещаемой поверхности.

     Отношение

,                                             (5)

где: – номинальный световой поток лампы, называ­ется к.п.д. светильника.

     Величина средней освещенности  находится из вы­ражения

,                                             (6)

где: S – величина освещаемой поверхности, м ².

     При изменении напряжения, подводимого к лампе, изменяется ее световой поток, величина которого может быть определена из соотношения

,                                          (7)

где:  и  – освещенности, измеренные в одной и той же точке освещаемой поверхности соответ­ственно при установленном и номинальном значении величины напряжения.

     Измеряют величину освещенности фотоэлектрическим люксметром. Последний состоит из фотоэлемента с запи­рающим слоем, к которому присоединен микроамперметр. Такой фотоэлемент обладает свойством генерировать не­большую электродвижущую силу под действием падающего на него светового потока.

     К числу подобных фотоэлементов относится вентильный селеновый фотоэлемент (рис. 210). Он состоит из стальной полированной пластинки 4, на которую возгонкой в вакууме нанесен слой селена 3, а затем после термической обработки поверх него путем катодного распыления наносят тончайший прозрачный слой золота или платины 1. Последний является вторым электродом фотоэлемента, который для предохранения от механических повреждений покрывается тонким слоем прозрачного лака.

     На поверхности селена, соприкасающегося с поверх­ностью золота или платины 1, образуется так называемый запирающий слой 2, обладающий односторонней проводимостью при наличии достаточно сильно выраженного фотоэффекта.

     Под влиянием света, падающего на фотоэлемент, осво­бодившиеся из селена электроны проникают сквозь, запи­рающий слой 2, в результате чего между сталью 4 и золотом или платиной 1 возникает некоторая разность потенциалов, вызывающая появление в присоединенном к зажимам фотоэлемента микроамперметре фототока.

     Величины возникающих э.д.с. и фототока зависят от освещенности фотоэлемента падающим световым потоком.

     При малых сопротивлениях внешней цепи между возникающим фототоком и освещенностью наблюдается почти линейная зависимость, которая нарушается при больших значениях величины внешнего сопротивления, в результате чего шкала прибора, проградуированная в люксах, неравномерна.

     В селеновых фотоэлементах при освещенности 10 лк возникает э.д.с. порядка 50 – 70 мв, а чувствительность их составляет 250 – 700 мка/лм и зависит от величины сопротивления внешней цепи.

     Сернисто-серебряные фотоэлементы (тип ФЭСС) имеют чувствитель-ность порядка 6000 – 7000 мка/лм, а серноталиевые до 10000 мка/лм.

     К ультрафиолетовым и инфракрасным лучам селеновый фотоэлемент имеет малую чувствительность, а серноталиевый хорошо работает не только в области видимого света, но и прекрасно реагирует на инфракрасные лучи.

     Так как различные фотоэлементы неодинаково реагируют на излучение, то в процессе измерений их следует закрывать соответствующим светофильтром, который при соответствующем подборе может обеспечить хорошее совпадение спектральной чувствительности фотоэлемента и человеческого глаза.

     В частности, при измерении освещенности от люминесцентных ламп фотоэлемент следует закрывать специальным желто-зеленым светофильтром, который имеет пониженное пропускание в фиолетовой и красной частях спектра.

     При измерении больших величин освещенности фото­элемент необходимо закрывать густым дымчатым свето­фильтром.

     Обычно светофильтры уменьшают освещенность в пять, десять, пятьдесят, сто и более раз. При пользовании ими показания прибора должны быть умножены на соответствующую кратность фильтра К.

     Следует помнить, что поверхность фильтра, обращенная к источнику света, должна быть матовой, так как при зеркальной или близкой к ней поверхности значительная часть света не попадает на фотоэлемент, отражаясь от поверхности светофильтра, и измерение будет непра­вильным.

     Для сохранения стабильных параметров вентильных фотоэлементов их следует хранить в темном месте при температуре не выше 50° С, не подвергать длительной освещенности, превышающей 1000 лк, оберегать от влаги, концентрированных паров сильных окислителей и всевозможных механических повреждений.