Электрика-это просто!.ru

При сравнении светодиодной новогодней гирлянды, с обычной, состоящей из ламп накаливания, возникает двоякое впечатление.
Несомненно, светодиоды более современны, их цвета чисты и ярки. Тем не менее, явно ощущается отсутствие тепла, присущего традиционным елочным фонарикам. Свет излучаемый светодиодами холоден и монохроматичен.

Буквально, это слово переводится как "одноцветен". Свет же неокрашенной лампочки накаливания, воспринимаемый нами, как желто-белый наоборот, состоит из целой палитры излучений, называемой спектром, включающей в себя все видимые(и частично, невидимые) нами цвета.

Покрывая колбу лампы накаливания прозрачным цветным лаком, мы создаем светофильтр - пленку, призванную пропустить только определенную часть этого спектра.
Например, зеленый светофильтр задержит большую часть спектра, пропуская только его зеленую часть, красный, соответственно - красную, и. т. д.

Фильтры из цветного лака неидеальны, и для новогодней гирлянды это даже к лучшему, ведь получаемые таким образом цвета имеют множество дополнительных оттенков, самый заметный из них - желтоватый. Именно он и ответственнен за наше визуальное восприятие "тепла."

Можно сказать, что свет, излучаемый лампами накаливания, вообще - НРАВИТСЯ людям.
Есть мнение, что человеческое подсознание ассоциирует его с светом неяркого заходящего солнца, временем вечернего отдыха и умиротворения. С этим видом освещения связывается ощущение, увеличения продолжительности этого приятного времени суток.

Как и солнечный, спектр ламп накаливания обладает очень важным свойством - он непрерывен. В то же время, яркие полосы спектров ламп светодиодных и люминесцентных, перемежаясь черными провалами на своем протяжении, в целом, не дают некого ощущения естественности, присущего природным источникам света, таким как солнце или огонь.
На рисунке - спектры лампы накаливания (верхнее изображение) и люминесцентной лампы (нижнее изображение)

Хотя, за последние 30 лет в деле совершенствования люминофора - светящегося вещества люминесцентных (и светодиодных ) ламп, удалось добиться весьма значительных результатов.
Если сравнивать со старыми светильниками "дневного света "(больше напоминавшего
свет "загробный") - прогресс на лицо.

Первые работающие образцы лампы накаливания появились в начале 19 века, но исследования по их совершенствованию продолжались (и продолжаются) до наших дней.
Очень многие талантливые ученые(а в дальнейшем и целые научные коллективы) работали параллельно в этом направлении, нередко абсолютно независимо друг от друга, находя сходные решения, совершая похожие ошибки.

На первый взгляд, электрическая лампочка накаливания - весьма простая вещь.
Стеклянная колба, заполненная инертным газом, два проводка заходящих внутрь, спираль
из вольфрама, между ними.
Принцип работы понятен из названия, спираль нагревается под действием электрического
тока, чем сильнее нагрев - тем ярче ее свечение. Инертный газ препятствует испарению вольфрама с поверхности нити.

Но в начале 19 века, все что воспринимается теперь как должное, вовсе не казалось
настолько очевидным.
Первые образцы ламп накаливания не имели даже колбы. Срок их службы был весьма
краток, материалы применяемые в качестве накального тела (нити накала) под действием высокой температуры и кислорода окислялись и разрушались - попросту, перегорали.

Возникла идея - поместить накальное тело в стеклянную колбу и защитить его от сгорания,
полностью удалив от туда воздух, благо, подходящие вакуумные насосы к тому времени уже имелись. Необходимо было разработать и довести до ума технологию "обезвоздушивания" колбы. Постепенно, технические трудности были преодолены, срок службы ламп накаливания возрос до вполне приемлимых пределов.

Что-бы увеличить коэффициент полезного действия, пришлось максимально повысить температуру накального тела. Лучшие результаты были получены с самым тугоплавкими из существующих металлов - вольфрамом и молибденом. Оптимальная температура вольфрамовой нити накаливания находится в пределах 2600 - 2700 C (до 3000).

В дальнейшем, что бы дополнительно увеличить срок службы, колбы ламп стали наполнять различными инертными газами. При использовании тяжелых газов криптона и ксенона удалось достичь более высоких температур накального тела, это привело к смещению спектра излучения в фиолетовую сторону и повышению К. П. Д.

Уже в начале 20-го века внешний вид и рабочие параметры ламп накаливания достигли современных показателей. С запуском и увеличением масштабов массового производства их цена (весьма высокая первоначально) падала, а популярность необычайно росла. Под воздействием повсеместного электрического освещения жизнь человечества изменилась чрезвычайно, стала буквально, гораздо светлее.

Галогеновые лампы.

Галогеновые лампы - это разновидность ламп накаливания, работа которых основана на принципе, так называемого - "йодного цикла".
При эксплуатации любых ламп накаливания, с накальным телом (нитью) изготовленным из вольфрама, происходит постоянное его испарение.
Осаждаясь на внутренней поверхности колбы, частицы вольфрама уменьшают ее прозрачность, снижается световой поток - К. П. Д. источника освещения падает.

С добавлением йода, процесс протекает несколько иначе.
Йод с вольфрамом образуют газообразное соединение, разлагающееся при температуре около 1250 С.
Йодид вольфрама не осаждаясь, переносится от стенок колбы обратно на рабочее тело, температура которого, гораздо выше этого предела.
Вольфрам, полученный при разложении, остается на поверхности нити накаливания, а освобожденный газообразный йод снова принимает участие в цикле.

Таким образом, с помощью йодного цикла, срок службы лампы накаливания значительно возрастает( 2 - 2,5 раз). Что бы процесс протекал наиболее эффективно, необходимо как можно больше сократить расстояние от стенок колбы до накальной нити.
Фактически, это ведет к весьма значительному уменьшению размеров лампы, что с одной стороны, так же, может считаться плюсом.

С другой стороны, значительно возрастает рабочая температура колбы - для ее изготовления приходится применять тугоплавкое кварцевое стекло.
Поверхность колбы галогеновой лампы должна быть очень чистой. Так, например, очень не рекомендуется прикасаться к ней голыми руками - загрязнение жирами, содержащимися на поверхности кожи, ведет к значительному снижению срока службы.

Часто, галогеновые лампы предназначенные для использования в быту (для точечных светильников, в частности) выполняют в двойном стеклянном корпусе с зеркальным отражателем.
Первая колба, с нитью накаливания, оказывается под дополнительной защитой второго - внешнего стекла.
Температура нагрева наружного стекла ниже - в пространстве корпуса вакуум.
Менять такие лампы - уже, гораздо удобнее, хотя и здесь лучше, все-таки, пользоваться Х/Б перчатками.

Малогабаритные галогеновые лампы, расчитанные на пониженное напряжение (12 вольт) используются в трансформаторных люстрах и для подсветки в мебельных гарнитурах. При той же потребляемой мощности, лампы более низкого напряжения обладают более высокой светоодачей. Это происходит из-за большей площади накального тела.

Так это должно выглядеть в теории, но реальная жизнь - вносит свои коррективы.
Почему же, вместо того, что бы отработать заявленные 2000 часов, лампочки (порой, недешевые) так быстро перегорают? Процент брака очень высок, как раз - у изделий с двойной колбой и зеркальным отражателем, рассчитаных на рабочее напряжение 220 вольт.

Скорее всего, это связано с какими-то технологическими нарушениями при производстве этой продукции, и, как следствие - неизбежной разгерметизацией колбы, во время эксплуатации. Кроме преждевременного выхода из строя, лампы такого типа иногда преподносят и другие, весьма неприятные сюрпризы.

Например - "эффект вышибания донышка," когда внутри двойного корпуса вместо "положненного" вакуума оказывается - обычный воздух. После включения лампы воздух сильно нагревается, давление растет и в конце - концов, наружное стекло с громким хлопком летит на пол. Лампочка, впрочем, чаще всего - продолжает гореть (какое-то время).

Галогеновые лампы расчитанные на пониженное напряжение (12 вольт), как правило, вызывают намного меньше нареканий.

Люминесцентные лампы.

Люминесценцией называют способность газа производить видимое излучение, при пропускании через него эл. тока. Если взять стеклянную трубку длиной 0,3 - 0,5 метра, снабженную двумя электродами на концах, подключить к ним постоянное напряжение порядка нескольки сот вольт и приступить к постепенному откачиванию воздуха, то в определенный момент,можно наблюдать следующее явление:
Возникает свечение, локализованное по центральной оси трубки от одного электрода, к другому. Если продолжать откачивать воздух, то свечение будет расширяется, от центральной оси к краям, и, в определенный момент - заполнит всю трубку. Причем его интенсивность не будет однородной по всей длине.

К электроду с отрицательным потенциалом будет примыкать тонкий ярко светящийся промежуток - "катодная пленка". Следом за катодной пленкой, следует темный промежуток, следом за ним, светящийся слой с постепенным уменьшением яркости, по направлению к положительному электроду, и имеющий четкую границу со стороны отрицательного электрода. Этот промежуток называют - "тлеющим свечением." За тлеющим свечением следует еще один темный промежуток, а за ним, самая протяженная светящаяся область, простирающаяся непрерывно до положительного электрода - "положительный столб".

Под действием электрического поля происходит эмиссия электронов со стороны катода по направлению к аноду. Столкновение электронов с нейтральными атомами способствует возникновению положительных ионов. Ионы движутся по направлению к катоду. Образование темных промежутков в области катода связанo с неравномерным распределением заряженных частиц - преобладанием ионов над электронами. В области положительного столба их количество напротив, уравновешенно. Соединяясь (рекомбинируясь), они образуют нейтральные атомы, излучая при этом кванты света - фотоны.

Люминесцентная лампа представляет из себя герметичную стеклянную трубку с двумя вольфрамовыми электродами. На внутреннюю поверхность которой, нанесен слой люминофора - вещества преобразующего невидимое ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Вместо воздуха внутрь трубки заканчивают небольшое количество аргона и помещают каплю ртути. Переменное напряжение приложенное к электродам вызывает электрический разряд внутри и прохождение тока в смеси паров ртути и аргона.

Для запуска этого процесса необходимо: либо на время включения разогреть электроды, либо временно значительно увеличить напряжение между ними, либо использовать эти приемы совместно. Необходимо учесть, что после того, как процесс запущен внутреннее сопротивление лампы резко снижается, что ведет к быстрому увеличению силы тока. Если не ограничить этот ток - лампа выйдет из строя.

До недавнего времени наибольшее распостранение имели стартерные схемы включения, с ограничением по току с помощью дросселя - балластного индуктивного сопротивления. Спирали обоих электродов подключаются последовательно через стартер между собой, и далее к источнику питания - через дроссель.

Стартер - маленькая неоновая лампа тлеющего разряда, снабженная биметаллическими контактами, начинает нагреваться. Это ведет к замыканию биметаллического контакта - наступает очередь нагрева спиралей электродов. Нагретые электроды начинают испускать электроны, ртуть - испаряться. Остывший стартер размыкает биметаллические контакты - в цепи возникает импульс Э.Д.С. самоиндукции, превышающий напряжение сети. Происходит разряд между электродами - начинает разогреваться лампа, что ведет к дальнейшему переходу ртути в газообразное состояние.

Дальнейший разряд происходит в ртутных парах - лампа зажигается. Последовательно включеный дроссель ограничивает ток протекающий через нее. В реальности, что бы зажечь лампу необходимо не менее двух - трех циклов включения-выключения стартера, для полного ее нагрева. Т.е лампе после включения, прежде чем начать светить, приходиться пару раз (как минимум) - моргнуть. Снижение температуры окружающей среды затрудняет процесс зажигания люменисцентных ламп, иногда делая его полностью невозможным.

В настоящее время, все чаще и чаще применяют электронные устройства запуска люминесцентных ламп - электронный балласт. Схема подобных усройств содержит в себе преобразователь частоты питающего напряжения. Сетевое напряжение 50 герц выпрямляется и с помощью встроенного генератора преобразуется до 25000 - 133000 герц. Это позволяет значительно уменьшить размеры сердечников дросселей и трансформаторов, снижая расход металлов для их изготовления.
Кроме того, пульсация люминесцентных ламп работающих на такой частоте абсолютно не воспринимается человеческим глазом.

Устройства работающие по принципу холодного пуска вначале подают повышенное напряжение на электроды лампы а после ее зажигания значительно снижают напряжение, ограничивая рабочий ток. Устройства горячего пуска делают то же самое, но после предварительного разогрева спиралей электродов. Это несколько задерживает пуск ламп - на 0,5-1 секунду, но увеличивает срок их службы. Как правило, расход электроэнергии при использовании электронного балласта снижается (до 20%) по сравнению с обычным.

Габариты люминесцентной лампы можно уменьшить до размеров обычных ламп накаливания, согнув и перекрутив ее трубку. Добавим миниатюрное электронное пусковое устройство, винтовой цоколь, как у лампы накаливания.
В результате, получается то, что в обиходе называют - энергосберегающей лампой.

За рубежом, в свободную продажу такие устройства поступили в конце 80-х годов прошлого столетия, у нас - приблизительно, на 20 лет позже. По сравнению с лампами накаливания, люминесцентные, имеют два очень важных преимущества:
1.Значительно больший срок службы - свыше 10000 часов. Люминесцентная лампа работает в 10 раз дольше обычной лампы накаливания.
2. Относительно высокий К.П.Д. - более 12%. Люминесцентная лампа расходует энергии в 5 раз меньше лампы накаливания.
Таким образом, применение люминесцентных ламп экономически более оправданно, несмотря на их большую стоимость.

Светодиодные лампы.

При протекании прямого тока через P-N переход светодиода, происходит излучение квантов света(фотонов), во время "перемещения" положительных носителей заряда - "дырок". Точнее, во время процесса выглядящего внешне, как перемещение. На самом деле имеет место поэтапное изменение состояния атомов вещества, когда электроны перескакивают с одного атома, на другой. Т. е. происходит рекомбинация - восстановление атомов вещества, с последующим превращением в ионы. "Дырки" движутся подобно "бегущим огням" в гирлянде, а рекомбинация порождает люминесценцию.

Процесс протекает в твердой среде полупроводникового кристалла, относительно небольшого размера. После того как переход открывается, его сопротивление снижается до очень незначительных пределов, и, если не ограничить растущий ток - светодиод выйдет из строя. Таким образом, светодиоду для его нормальной работы необходим балласт. Для ограничения тока маломощных индикаторных светодиодов используют резисторы, ток более мощных приборов регулируется с помощью специальных импульсных источников питания. Напряжение необходимое для нормальной работы светодиодов, очень незначительное, лежит в пределах от 1,6-3,5 вольт в зависимости от веществ из которого состоит переход.

Обычно, бытовые осветительные светодиодные лампы составляются из из целого набора ярких светодиодов относительно небольшой мощности + источник питания - электронный блок понижающий и выпрямляющий напряжение, а так - же ограничивающий ток, до определеных пределов. Внешнее оформление - в виде излучающей свет плоскости, жесткой или гибкой(в виде ленты) снабженной токоподводами, либо сферической или цилиндрической поверхности, снабженной стандартным винтовым контактным цоколем.

По своему КПД светодиодные лампы не уступают лучшим образцам ламп люминесцентных, являясь действительно - энергосберегающими. Срок службы светодиодных ламп в 5 - 10 раз больше, чем у люминесцентных (до 100000 часов). По своей способности противостоять механической вибрации, светодиодные осветительные приборы вообще, вне конкуренции.

В основном, для изготовления осветительных светодиодных ламп используются яркие светодиоды ультрафиолетового диапазона, покрытые люминофором. Это не единственный способ синтезировать белый свет, с помощью светодиодов. С помощью трехцветных матриц, каждая из которых содержит три светодиода (красный, зеленый, синий) в одном корпусе, можно синтезировать практически любой цвет, в том числе и белый, изменяя яркость свечения каждого отдельного светодиодов в нужной пропорции.

Диммирование (изменение яркости) люминесцентных ламп осуществляется с помощью ШИМ - широтно-импульсной модуляции. Питание подается с помощью импульсов постоянно равной амплитуды, но меняющейся ширины. Частота этих импульсов достаточно высока и мерцание совершенно неразличимо для человеческого глаза. Когда ширина импульсов увеличивается, внешняя яркость лампы возрастает. Если ширина импульсов сокращается - яркость лампы снижается.

Управлять яркостью светодиодных ламп проще - она меняется с помощью регулятора тока.

Объеденив трехканальный регулятор с понижающим напряжение и стабилизирующим ток блоком питания, получаем контроллер, для управления яркостью и цветом ленты или светильника, составленных из трехцветных светодиодных матриц.

По видимому, светодиодные лампы являются на сегодняшний день, наиболее перспективными из существующих источников света и, лишь относительно высокую цену можно было бы, назвать их единственным, серьезным недостатком.

На самом деле, другие недостатки тоже имеются, но связаны они не столько с самим принципом работы таких ламп, а скорее с реальным воплощением его в жизнь. Проще говоря - бывает, выходит из строя электронная начинка, обеспечивающая необходимое снижение напряжения и ограничение тока. Свечение люминофора в светодиодах, после годичной эксплуатации заметно ухудшается. Очень часто лампа гаснет из-за выхода из строя одного-единственного и светодиода, так как все они подключаются последовательно, этого бывает достаточно. В начало.
На главную.