3.2. Источники света

Цветовое оформление помещений и оборудования в большой степени зависит от правильного использования спектрального состава источников света, т. е. при котором получаются практически неизменяемые оттенки цвета применяемой окраски или изменяемые оттенки цвета в желаемом нами направлении. Для освещения помещений и оборудования применяются лампы накаливания, люминесцентные ртутные лампы низкого давления и ртутные лампы высокого давления с исправленной цветностью типа ДРЛ.

В лампах накаливания нить накала под действием электрического тока нагревается до высокой температуры и испускает лучистую энергию. Поэтому эти лампы относятся к категории источников света теплового излучения. Такие источники света имеют непрерывный спектр. В люминесцентных лампах свечение паров ртути при прохождении через них электрического тока преобразуется люминофором (светосоставом, нанесенным на внутреннюю стенку лампы) в видимое излучение.

Наиболее подробно законы теплового излучения, т. е. зависимость излучаемой энергии от температуры и ее распределение по спектру, изучены для черного тела (ЧТ). При повышении температуры ЧТ и ламп накаливания (см. рис. 1.6) увеличивается интенсивность излучения любого участка видимого спектра. Видимые излучения появляются в спектре при нагревании черного тела до температуры около 800 К. При этой температуре максимум излучения приходится на инфракрасную область спектра, а излучение становится красным. Дальнейшее увеличение температуры ЧТ вызывает появление в его спектре более коротких излучений -оранжевых, желтых, зеленых, синих и максимум излучения смещается в сторону коротких длин волн.

Для оценки эффективности теплового излучения пользуются световым коэффициентом полезного действия (к. п. д.). Световой к. п. д. источника представляет собой отношение излучаемого источником светового потока к испускаемому им лучистому потоку.

Он достигает для черного тела максимального значения при температуре около 6500 К и составляет 14%. Следовательно, тепловой излучатель может иметь предельное теоретическое значение светового к. п. д. не более 14%. Реальные излучатели - тугоплавкие металлы (вольфрам), применяемые для изготовления тела накала современных ламп, имеют температуру плавления около 3600 К, следовательно, их световой к. п. д. меньше, чем у черного тела, и не превышает 2 - 3%.

Лампы накаливания (нормальные осветительные) в зависимости от напряжения и мощности имеют цветовую температуру порядка 2500 - 2900 К. Чем выше цветовая температура ламп накаливания, тем более голубоватый оттенок их излучения, при низких значениях цветовой температуры излучение красновато-оранжевого оттенка. Под влиянием падающего на поверхность тела светового потока различной цветовой температуры источников света изменяются некоторые оттенки цветов этой поверхности. Например, при освещении электрическими лампами накаливания желтые оттенки кажутся более темными и поэтому следует для окраски использовать более светлые желтые пигменты. При правильном использовании спектрального состава источников света оттенки цветов практически не изменяются.

Лампы накаливания. Лампа накаливания состоит в основном из стеклянной колбы, цоколя и тела (нити) накала. Электрический ток, проходя через нить накала, нагревает ее. Чем выше температура нити накала, тем больший световой поток она излучает, т. е. тем экономичнее лампа накаливания. Однако под влиянием высокой температуры вольфрамовая нить меняет свою структуру, постепенно испаряется и распыляется, что приводит к перегоранию нити, чернеет колба и снижается экономичность лампы.

Для уменьшения испарения нити накала колбу наполняют инертным газом. Однако при этом значительно повышаются тепловые потери вследствие теплопроводности газа и конвекции, поэтому наполнение инертным газом имеет смысл только в мощных лампах. Маломощные нормальные лампы (мощностью 15, 25 и 40 Вт при напряжении 110 - 127 В и 25, 40 и 60 Вт при напряжении 220 В) изготовляют пустотными, так как наполнение инертным газом при тонких нитях влечет за собой значительные тепловые потери, и применение газа не оправдывается. Остальные нормальные осветительные лампы - газополные.

Основными характеристиками лампы накаливания, нормируемыми в технических условиях или стандартах, являются: номинальное напряжение; электрическая мощность; световой поток, излучаемый лампой и т. д.

Напряжение, на которое рассчитывается лампа накаливания, называется ее номинальным напряжением.

Световой поток лампы накаливания находится в прямой зависимости от температуры тела накала и электрической мощности, потребляемой лампой. Изготовить лампы с точно одинаковыми параметрами очень трудно. Поэтому действующими стандартами допускаются для отдельных ламп отклонения светового потока и мощности от номинального значения в пределах 10 - 15%.

Световой отдачей лампы η называется отношение излучаемого ею светового потока к потребляемой лампой электрической мощности

где Ф - световой поток, лм; Р - мощность, потребляемая лампой, Вт.

Световая отдача - один из основных параметров, характеризующих экономичность лампы. Чем больше температура тела накала, тем больше световая отдача лампы. Лампы накаливания, рассчитанные на большую мощность или на пониженное напряжение, имеют больший диаметр тела накала, чем лампы, рассчитанные на меньшую мощность или повышенное напряжение. Более толстые нити допускают более высокую температуру тела накала при той же длительности горения и, кроме того, имеют меньшие тепловые потери. Это приводит к повышенной световой отдаче у ламп с большей мощностью и пониженным напряжением по сравнению с лампами малой мощности и повышенного напряжения. Световая отдача для нормальных осветительных ламп накаливания на напряжение 220 В зависит от их мощности и для лампы 15 Вт она составляет 6,5 лм/Вт, а для лампы 1000 Вт - 17,7 лм/Вт!

Световой поток, излучаемый лампой накаливания, в процессе горения уменьшается и по истечении некоторого времени ее нить накала перегорает. Сроком службы лампы называется продолжительность горения лампы (в часах) до потери 20% ее первоначального светового потока или до ее перегорания. Срок службы ламп находится в прямой зависимости от световой отдачи. Чем больше световая отдача, тем выше температура тела накала, тем скорее испаряется вольфрамовая нить и, следовательно, тем меньший срок службы имеет лампа накаливания.

С изменением напряжения, подводимого к лампе, основные электрические и световые данные и срок службы лампы изменяются (рис. 3.3). Из графика следует, что при повышенном напряжении на клеммах лампы (по сравнению с номинальным) резко сокращается срок службы, увеличиваются световой поток, световая отдача и мощность лампы накаливания. При повышении напряжения электрическое сопротивление вольфрамовой нити вследствие увеличения ее температуры возрастает. В связи с тем что сопротивление увеличивается, возрастание силы тока и мощности несколько замедляется. С изменением напряжения на лампе на ±1% световой поток изменяется на ±3,5%, световая отдача - на ±1,8%, мощность - на ±1,5%, сила тока - на ±0,5%, а срок службы - на 13%. В зависимости от конструкции лампы накаливания и температуры тела накала эти величины, а также данные, приведенные на рис. 3.3, могут незначительно колебаться.

Рис. 3.3. Зависимость световых и электрических характеристик и срока службы ламп накаливания от напряжения U: R - сопротивление; I - сила тока; P - мощность; η - световая отдача; F - световой поток; L - срок службы лампы

Для обеспечения нормальных условий эксплуатации ламп накаливания необходимо, чтобы напряжение на них незначительно отличалось от номинального. При значительном повышении напряжения на клеммах ламп резко сокращается срок их службы, а при снижении уменьшается их экономичность и излучаемый ими световой поток. В момент прохождения электрического тока по нити накала через нулевую точку температура тела накала уменьшаемся, она не падает до нуля, вследствие чего излучение светового потока лампы колеблется в незначительных размерах. В этом случае лампы накаливания обладают тепловой инерцией. Чем больше масса вольфрамовой нити, тем больше ее тепловая инерция и тем меньше глубина колебания светового потока лампы накаливания. При частоте 50 Гц глубина колебания светового потока (от среднего значения) у газополных ламп накаливания не превышает 5%, а у вакуумных ламп малой мощности доходит до 15 - 20%.

С целью предохранения глаза наблюдателя от неблагоприятного действия чрезмерно большой яркости источника света колбы ламп накаливания подвергают матированию или применяют колбы из так называемого "молочного" стекла. Матирование достигается путем действия некоторых химических веществ на внутреннюю или внешнюю гладкую поверхность колбы, вследствие чего она становится шероховатой и рассеивает световой поток. Матирование колб увеличивает потери светового потока в колбе на 2 - 3%. Однако через матированную колбу тело накала видно в виде пятна, яркость которого все еще значительна. Колбы, изготовленные из "молочного" стекла, настолько хорошо рассеивают световой поток, что тело накала совершенно не видно и вся поверхность лампы представляется почти одинаковой яркости. Колба из молочного стекла поглощает на 15 - 25% больше светового потока, чем обычная прозрачная.

Люминесцентные лампы. В отличие от источников теплового излучения, обладающих сплошным спектром (см. рис. 1.1), газоразрядные лампы имеют линейчатый спектр, состоящий из отдельных линий или полос излучения, разделенных темными промежутками. Каждый газ и пары каждого металла при электрическом разряде в них дают излучение своего характерного цвета. Например, неон дает излучение красного цвета, пары натрия - желтого и т. д. Принцип действия газоразрядных ламп основан на свечении газов или паров металла при электрическом разряде.

В ртутных лампах дуговой разряд происходит в парах ртути. Ртутные лампы разделяются на лампы низкого, высокого и сверхвысокого давлений. Ртутные лампы низкого давления (около 1÷1,5 Па или 6·10^-3÷10^-2 мм рт. ст.) широко применяются с использованием в них люминофоров-светосоставов (люминесцентные лампы).

Люминесцентные лампы имеют вид цилиндрических трубок диаметром 25 - 38 мм и различной длины в зависимости от их мощности. На обоих концах трубки впаиваются электроды, на которых монтируются вольфрамовые катоды. Внутренняя поверхность трубки покрывается равномерно тонким слоем одного или нескольких люминофоров. На каждом конце лампы укрепляется специальный цоколь с двумя штырьками, к которым припаиваются электроды. После откачки воздуха внутрь лампы вводится незначительное количество ртути и аргона.

Световая отдача у люминесцентных ламп значительно больше, чем у ламп накаливания, и составляет для белых ламп 35÷45 лм/Вт, красных - 3 лм/ Вт, зеленых - 50 лм/Вт, синих - 18 лм/Вт.

В настоящее время выпускают пять основных типов люминесцентных ламп: ЛДЦ, ЛД, ЛБ, ЛХБ, ЛТБ. Буква Л указывает на принадлежность ламп к классу люминесцентных, а следующие буквы характеризуют цветность ламп: Д - дневная; Б - белая; ХБ - холодно-белая; ТБ - тепло-белая. Лампы, имеющие в обозначении букву Ц, предназначены для правильной цветопередачи.

В последнее время разработаны люминесцентные лампы типов ЛЕ, ЛХЕ, ЛТБЦ с улучшенной цветопередачей и ЛДЦУФ - лампы дневного света с улучшенной цветопередачей с добавочным излучением в ультрафиолетовой области спектра. Лампы типов ЛЕ и ЛТБЦ используют для освещения жилых и общественных зданий, предприятий торговли и общественного питания; ЛДЦУФ - для освещения лечебных учреждений, а ЛХЕ - предприятий легкой промышленности. Средние характеристики ламп накаливания и люминесцентных ртутных ламп низкого и высокого давлений [42] приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Основные характеристики некоторых источников света

Спектральный состав ламп ЛД наиболее близок к спектральному составу излучения небосвода в облачный день (с некоторым преобладанием излучений в сине-зеленой части и недостатком в красной части спектра). В лампах ЛДЦ соотношения излучений по зонам в спектре ближе всего к соотношению этих зон излучений небосвода.

Лампы типа ЛД используются обычно в тех случаях, когда необходимо обеспечить лучшее различение оттенков цвета.

Лампы ЛХБ как по цветности, так и по области применения являются промежуточными между лампами ЛД и ЛБ. Лампы ЛБ вследствие малой доли излучения в красно-оранжевой части спектра неудовлетворительно передают теплые цветовые тона, в частности, цвет лица человека. Поэтому устанавливать лампы ЛБ в помещениях с большим сосредоточением народа на вокзалах, в домах культуры и т. д. не рекомендуется. В этих случаях целесообразнее устанавливать лампы ЛХБ [48].

Вследствие относительно больших излучающих поверхностей яркость люминесцентных ламп невелика и равна 5 - 8 кд/м².

Люминесцентные лампы при пониженном напряжении сети либо вовсе не зажигаются, либо этот процесс сопровождается интенсивным распылением оксидного вещества с катодов, что вскоре приводит к миганиям и преждевременному выходу из строя лампы. Повышение напряжения нарушает тепловой баланс лампы, увеличивает давление ртутных паров и тем самым снижает экономичность лампы, а также срок ее службы. Кроме того, на световую отдачу люминесцентных ламп большое влияние оказывает температура окружающего лампу воздуха. Максимальная световая отдача люминесцентных ламп получается при окружающей температуре 20 - 27° С. При изменении температуры световая отдача уменьшается. При температуре ниже 8° С люминесцентные лампы нормально не зажигаются.

У люминесцентных ламп колебания светового потока значительно больше, чем у ламп накаливания. Это объясняется отсутствием инерции излучения разряда в парах ртути. Инерционность свечения люминофоров несколько сглаживает глубину колебания светового потока, но не уничтожает его совсем. Колебания светового потока (от среднего значения) у наиболее распространенных ламп белого света достигают примерно 35%, а у ламп дневного света - 55%.

Люминесцентным лампам присущ стробоскопический эффект, нарушающий правильное зрительное восприятие движущихся предметов. Наиболее простым методом борьбы со стробоскопическим эффектом является включение ламп на разные фазы трехфазной сети. Возможно искусственное смещение фаз, для чего используются специальные схемы, включающие в себя дополнительно емкость и индуктивность. Люминесцентные лампы для их устойчивой работы включают в сеть последовательно с балластным сопротивлением. Последнее необходимо для стабилизации тока лампы при нормальной работе и повышения напряжения на лампе при зажигании.

Основными недостатками люминесцентных ртутных ламп низкого давления являются относительно малая мощность, большие размеры и зависимость их характеристик от температуры окружающей среды. Люминесцентные ртутные лампы высокого давления, получившие название ДРЛ (дуговые, ртутные, люминесцентные) свободны от этих недостатков.

В спектре излучения ртутных ламп высокого давления отсутствуют оранжево-красные лучи, вследствие чего при освещении этими лампами предметов нарушается правильное восприятие их цвета. Для устранения этого недостатка на внутреннюю поверхность колбы наносится слой люминофора, который под действием ультрафиолетовых лучей лампы излучает преимущественно оранжевато-красные лучи. Таким образом, спектр ртутной лампы высокого давления значительно исправляется и приближается по цветности к спектру дневного света.

В соответствии с исследованиями Ф. М. Черниловской [47] установлено, что при использовании ламп ДРЛ происходит изменение порога цветовой чувствительности глаза в основном к желтому и синему цветам. Кроме того, ею установлено, что лампы ДРЛ могут применяться при выполнении работы средней точности, не связанной с различением цвета или цветоокрашенных поверхностей, для освещения высоких производственных помещений, например, на ремонтных участках депо. С помощью этих ламп можно на рабочих местах обеспечить большую освещенность при меньших затратах электроэнергии, чем при лампах накаливания. Однако в случае применения ламп ДРЛ необходимо учитывать специфические особенности этих источников света и обеспечивать рациональные условия их применения (например, ограничение колебаний светового потока, блескости и др.).

При выполнении точных зрительных работ, требующих большого напряжения зрения (типа чертежно-конструкторских, картографических и др.), использовать лампы ДРЛ в качестве источников освещения не рекомендуется. Наиболее рациональным источником света для таких работ являются люминесцентные лампы. Лампы ДРЛ следует применять с осторожностью при работах, не связанных с правильной цветопередачей, но имеющих цветоокрашенные поверхности, особенно в желтые и синие цвета.

Исследования показали, что уровень освещенности, определяющий комфортные условия для органа зрения, зависит от цветовой температуры излучения источника света (рис. 3.4). Для обеспечения светоцветового комфорта необходимо согласование уровней освещенности и цветовых температур источников света.

Из рис. 3.4 следует, что при низких уровнях освещенности ощущение зрительного комфорта создают лишь излучения с малой цветовой температурой, когда белый свет источника света имеет оранжево-красные оттенки. Так, для ламп накаливания при цветовой температуре источника света 2500 К минимальный уровень освещенности, соответствующий комфортному состоянию глаза человека, составляет всего 50 лк. Чем больше доля сине-голубых оттенков в белом свете источника света, тем большая освещенность необходима для обеспечения комфортного состояния органа зрения. Например, для ламп ЛБ при цветовой температуре 3500 К минимальный уровень освещенности соответствует 200 лк, а для лампы ЛД при цветовой температуре 6500 К - 500 лк. Следовательно, применение люминесцентных ламп для создания невысоких освещенностей нецелесообразно.

Рис. 3.4. Зависимость комфортного уровня освещенности от цветности освещения

При прохождении света, например натриевой лампы, через призму на экране появляется узкая желтая полоса, это значит, что натриевая лампа излучает только желтый свет.

Ртутная лампа излучает световые волны различной длины в желтой, зеленой, синей и фиолетовой частях видимой области спектра. Лампа накаливания излучает свет в видимой области спектра всех длин волн. Однако коротковолновых фиолетовых и синих излучений в ее спектре меньше, чем красных и желтых. В спектре солнечного света излучения всех длин волн распределены более или менее равномерно. Спектральный состав светового потока источника света, который различен для разных ламп (см. рис. 1.4), и определяет цвет его излучения. Следовательно, при освещении поверхностей, имеющих даже одну и ту же спектральную кривую отражения разными лампами, цвет этих поверхностей будет неодинаков.

Таблица 3.3. Сдвиги цветовых характеристик образцов в зависимости от освещения их разными источниками света

Изменения цвета поверхности при ее освещении лампами накаливания и разными люминесцентными лампами в количественном отношении (сдвиги цветовых характеристик) по цветовому тону λ, насыщенности P и коэффициенту отражения приведены в табл. 3.3 [49], а как воспринимаются цветные образцы - в табл. 3.4.

Таблица 3.4. Влияние источников освещения на восприятие цвета

Качественные сдвиги цветности экспонируемых образцов характеризуются в условиях освещения лампами накаливания следующим образом: объекты красного цвета воспринимаются более яркими - красновато-оранжевыми, объекты оранжевого цвета - красными, желтого - оранжевеют, образцы зеленого цвета становятся более яркими, голубого цвета - зеленовато-голубыми, образцы синего цвета воспринимаются более яркими, приобретая красноватый оттенок, а фиолетового - приближаются к пурпурному цвету.

В условиях освещения лампами типа ЛХБ изменения цветовых характеристик почти у всех экспонируемых образцов становятся более выраженными. При этом сдвиг цветового тона в длинноволновую зону отмечается только у объектов зеленого цвета. Для остальных цветных образцов характерным является укорочение длины волны, наиболее выраженное у объектов фиолетового и синего цветов, причем цветовые тона многих образцов (оранжевого, желтого, голубого, синего) несколько ахроматизируются (сереют).

При освещении лампами типа ЛБ сдвиг цветового тона в длинноволновую сторону также характерен только для объектов зеленого цвета. У остальных цветовых объектов длины волн укорачиваются. При этом объекты красного и оранжевого цветов немного желтеют; желтые зеленеют, голубые синеют, синие приближаются к фиолетовым, а объекты фиолетового цвета сереют. Для большинства цветных образцов при указанном освещении характерным являются также сдвиги со стороны насыщенности и коэффициента отражения. Аналогичные, хотя и более выраженные, качественные и количественные изменения наблюдаются при использовании люминесцентных ламп типа ЛТБ.

Лампы типа ЛД оказывают неблагоприятное влияние на восприятие образцов лишь красного, оранжевого и желтого цветов. При этом красные объекты становятся более яркими, объекты оранжевого цвета несколько желтеют, а желтые кажутся более светлыми и немного зеленеют.

В наибольшей степени восприятие всех цветных образцов нарушается при использовании ламп типа ДРЛ. Так, объекты красного цвета воспринимаются насыщенными красно-оранжевыми, оранжевого цвета - насыщенными желтыми, желтые образцы приобретают желтовато-зеленоватый оттенок, зеленые значительно желтеют, голубые становятся синими и ахроматизируются, синие приобретают фиолетовый оттенок, фиолетовые - несколько сереют.

Как и следовало ожидать, цвет поверхности почти не меняется при освещении лампами ЛДЦ.

При освещении другими лампами цвет поверхности во многих случаях довольно сильно изменяется.