Основные понятия светотехники
Некоторые основные определения помогут нам правильно определить место источнику света в окружающей среде.
Световой поток
Световой поток – общее количество света, излучаемое источником во всех направлениях. Единица измерения: люмен (лм). Обозначение Φ (фи).
Световая эффективность
Световая эффективность – отношение количества излучённого света к потребляемой электрической мощности.
Единица измерения: люмен/Ватт (лм/Вт)
Сила света
Сила света – количество света, излучённого в определённом направлении. Согласованная на международном уровне основная единица измерения – кандела. Распределение света по направлениям описывается диаграммой в полярных координатах.
Единица измерения: кандела (кд). Обозначение: I.
Освещённость
Освещённость показывает, насколько сильно освещается поверхность в зависимости от угла падения световых лучей. Единица измерения: люкс (лк). Обозначение: Е. 1 лк=1 лм/м2.
Яркость
Яркость – количество света, излучаемого источником или отражаемого поверхностью в зависимости от угла зрения. Единица измерения: кандела/м2.
Что такое лампа накаливания?
Лампы различаются по назначению, рабочему напряжению, потребляемой мощности, форме, конструкции цоколя, конструкции и рабочему положению нити или спирали накала (или размеру и форме электрической дуги), сроку службы, световой эффективности, спектральному составу излучаемого света.
В зависимости от способа создания света лампы делятся на две группы:
- Лампы накаливания: световая эффективность от 9 до 32 лм/Вт.
- Газоразрядные лампы: световая эффективность от 15 до 190 лм/Вт.
Лампа накаливания является тепловым излучателем. Кроме светового, раскалённая нить генерирует тепловое излучение. В свет превращается всего 5-10% подводимой к лампе электрической энергии.
Как она работает?
Свет излучается нитью накала, закрученной в несколько витков. Длина и диаметр нити определяются рабочим напряжением, потребляемой мощностью и температурой накала. В вакууме или в инертном газе нить нагревается до белого цвета (2800°С и выше). При температуре 3400°С (3650 К) вольфрамовая нить начинает плавиться. Нить накала бытовой лампы мощностью 60 Вт в развёрнутом виде имеет длину более одного метра (при толщине 0,01 мм). С повышением температуры нагрева нити возрастает световая эффективность лампы и повышается её цветовая температура, но сокращается срок службы из-за интенсивного испарения материала нити. Нить становится всё тоньше, в какой то момент перегорает и лампа перестаёт функционировать. В лампах с вольфрамовой нитью накала недостижимы температуры выше 3400°С, поскольку они приближаются к температуре плавления вольфрама (см. также Цветовая температура).
Испарившийся вольфрам оседает на стенках стеклянной колбы. Такой налёт поглощает свет и снижает цветовую температуру; стеклянная часть лампы всё больше и больше темнеет.
В лампах накаливания, используемых в театрах, вольфрамовые нити установлены иначе. Обычно театрам требуется источник света минимального размера, приближающийся по своим размерам к точечному. Чем меньше источник света, тем выше качество создаваемых им оптических эффектов. По этой причине вольфрамовые нити в театральной лампе накаливания аккуратно встраиваются рядами. Раньше театральные проекционные лампы имели монопланарную (monoplanar) нить накала. Современные лампы имеют бипланарные нити. Лампы с такими нитями светят ярче и, следовательно, находятся ближе к идеальным источникам света. В двухконцовых (double-ended) лампах (илл. 154) сплошная или сегментированная нить накала располагается вдоль оси лампы. Если лампа низковольтная, то нити накала можно размещать ближе друг к другу.
Образование тёмного налёта на стекле лампы можно замедлить, наполнив колбу газом (азотом, аргоном, криптоном или их смесью), предотвращающим разрушение нити при высоких температурах. Кроме того, плотность почернения можно уменьшить за счёт увеличения размеров лампы. Существуют лампы специальной формы, которая способствует конденсации паров вольфрама на тех участках колбы, которые не мешают распространению светового потока. Очень дорогие лампы (например, проекционные) очищают с помощью насыпанной в колбу дроби. Когда лампа работает, дробь находится в нижней части колбы. При почернении лампу встряхивают, и дробь стирает вольфрамовые отложения со стеклянных стенок. Такая конструкция гарантирует большее постоянство цветовой температуры и светового потока.
Лампы накаливания делятся на три категории:
- Вакуумные лампы. Колба без газа; цветовая температура 2300-2700 К.
- Газонаполненные лампы. Колба наполнена инертным газом; цветовая температура 2600-3000 К.
- Вольфрамово-галогеновые лампы. Колба наполнена смесью инертного газа с бромом или иодом; цветовая температура 3000-3400 К.
Вольфрамово-галогеновый цикл
Этот процесс является крупным технологическим достижением в деле предотвращения почернения ламп накаливания. Начиная с 60-х годов прошлого столетия, вольфрамово-галогеновые лампы находят применение в самых разных областях. Сначала наиболее распространённым галогеном был иод, но в современных лампах обычно используется бром или его соединения. Вольфрамово-галогеновые лампы изготавливаются для всех диапазонов мощностей. При запуске лампы атомы вольфрама, испарившееся с раскалённой до 3000°С нити накала на определённом расстоянии от неё достигают зоны с температурой ниже 1400°С. Здесь они соединяются с атомами галогена. Такое состояние остаётся в газообразном состоянии до температуры 250°С.
Следовательно, температура стенок колбы не должна быть ниже 250°С. Если колба настолько мала, что её стенки с внутренней стороны нагреваются до 250°С, то вольфрамово-галогеновое соединение на них не оседает. Тепловые потоки внутри колбы возвращают газ-наполнитель обратно к горячей нити, где соединение распадается на составляющие его вольфрам и галоген. Галоген снова возвращается в цикл, а вольфрам возвращается на нить, где оседает на её относительно холодных и невыгоревших участках.
Для гарантии нагрева всей внутренней поверхности до минимально необходимой температуры колба должна иметь небольшие размеры и изготавливаться из стекла с высокой температурой плавления (например, из кварцевого). Маленькие прочные колбы без риска для пользователя выдерживают высокое давление газа, необходимое для снижения скорости испарения вольфрама. Такие меры продлевают срок службы лампы и повышают её световую эффективность.
Вольфрамово-галогеновые лампы обладают следующими положительными качествами:
- Стабильным световым потоком
- Стабильной цветовой температурой на протяжении всего срока службы
- Высокой световой эффективностью и/или длительным сроком службы
- Небольшими размерами
Использование на сцене
Зрители не могут определить цветовую температуру непосредственно, хотя могут заметить её изменение. Если, например, одновременно смотреть на пламя свечи (1500 К) и на ксеноновую лампу (6000 К), то разница в цвете обнаруживается легко. Зрители не могут определить цветовую температуру, потому что у них нет точки отсчёта – источника света со стандартной цветовой температурой.
Для кино и телевидения стандартная цветовая температура имеет решающее значение. Одинаковая цветовая температура всех источников света необходима для студийного освещения. Для съёмки при искусственном обычно применяются источники света с цветовой температурой 3200 К.
Тип ламп накаливания для сценического освещения выбирается обычно в результате нахождения компромисса между:
- Большим сроком службы и низкой цветовой температурой
- Малым сроком службы и высокой цветовой температурой
Срок службы ламп с цветовой температурой 3000 К составляет приблизительно 600 часов; с температурой 3200 К-300 часов; с температурой 3400 К – только 15 часов. По этой причине в театре используются лампы с температурой 3000 К.
Кривая Планка на илл. 158 отображает ту часть спектра, в которой работают лампы важнейших типов.