Безпека праці та промислова санітарія - 2.3.3. Штучне освітлення, нормування

За призначенням штучне освітлення буває робоче, аварійне (при відключенні робочого освітлення), евакуаційне, охоронне (в нічний час).

Аварійне освітлення повинно складати не менше 5% норми загального освітлення, але не менше 2 лк всередині приміщення і не менше як 1лк на території.

Евакуаційне освітлення повинно забезпечити освітленість не менш як 0,5 лк в приміщенні і 0,2 лк на відкритих площадках.

Охоронне освітлення влаштовується вздовж кордонів території, освітленість на рівні землі повинна бути не нижче ніж 0,5 лк.

Розрізняють такі системи штучного освітлення:

– загальна – світильники розміщені рівномірно у верхній зоні приміщення (не нижче 2,5 м над підлогою рівномірно – загальне рівномірне освітлення, або з врахуванням розташування робочих місць – загальне локалізоване);

– місцева – створюється світильниками, що концентрують світловий потік безпосередньо на робочих місцях (застосовування лише місцевого освітлення не допускається з огляду на небезпеку виробничого травматизму та професійних захворювань);

– комбінована – складається із загальної та місцевої, застосовується у випадку робіт високої точності, а також, якщо необхідно створити певний або змінний, в процесі роботи, напрямок світла.

Основним нормативним документом, що визначає вимоги до проектування штучного освітлення є ДБН В. 2.5–28–2006, згідно з яким для штучного освітлення нормується абсолютне значення освітленості в залежності від розряду, підрозряду зорових робіт (їх чотири а, б, в, г), контрасту об’єкту розрізнення з фоном і характеристики фону. Найбільша нормована освітленість для Iа розряду – 5000 лк, найменша для VIIIв розряду – 20 лк. Під час виконання в приміщенні робіт I – IV розрядів необхідно застосовувати системи комбінованого освітлення. Освітленість системи комбінованого освітлення є сумою освітленостей від загального і місцевого освітлення.

Згідно з ДБН В. 2.5–28–2006 для загального штучного освітлення приміщень слід використовувати, як правило, розрядні джерела світла, віддаючи перевагу за однакової потужності джерелам світла з найбільшою світловою віддачею і строком служби. Використання ламп розжарювання для загального освітлення допускається тільки у випадках неможливості або техніко-економічної недоцільності використання розрядних ламп. Застосування ксенонових ламп у приміщеннях не дозволяється. Для місцевого освітлення, крім розрядних джерел світла, рекомендується використовувати лампи розжарювання, в тому числі галогенні.

Основними вимогами, що ставляться до сучасного освітлення є наступні: забезпечення найкращих умов зорової роботи, керування освітленням безпосередньо із робочого місця, енергоефективність, енергозбереження протягом усього періоду експлуатації, мінімізація шкоди навколишньому середовищу.

У виборі штучних джерел освітлення до уваги приймаються показники, головними з яких є світловий потік, передача кольорів, розподіл яскравості. Кожен цих показників має чіткі цифрові значення, так, в ДБН В. 2.5–28–2006 нормується показник осліпленості Р, коефіцієнт пульсації Кп, %, індекс кольоропередачі Ra.

Найбільш широкого використання для забезпечення штучного освітлення набули розрядні лампи (люмінесцентні, ртутні, високого тиску дугові типу ДРЛ та ін.), які випромінюють світло в результаті електричного розряду в атмосфері інертних газів і парів металів, а також за рахунок явища люмінесценції.

Розрядні лампи відрізняються низкою переваг: випромінюють світло, близьке до природного; мають тривалий термін дії – 5…20 тисяч годин; велика світловіддача 30…80 лм/Вт; низька температура поверхні колби; низька потужність живлення (трубчаста люмінесцентна лампа потужністю 23 Вт або компактна люмінесцентна лампа потужністю 10 Вт здатна замінити лампу розжарювання потужністю 100 Вт).

Найбільш розповсюдженим різновидом подібних джерел є ртутна люмінесцентна лампа (рисунок 2.56).

Рисунок 2.56 – Стандартна трубчаста люмінесцентна лампа

Вона представляє собою скляну трубку, заповнену парами ртуті, з нанесеним на внутрішню поверхню шаром люмінофора.

Люмінесцентна лампа – газорозрядне джерело світла, у якому видиме світло випромінюється в основному люмінофором, який у свою чергу світиться під впливом ультрафіолетового випромінювання розряду; сам розряд теж випромінює видиме світло, але в значно меншій мірі.

Електродами люмінесцентної лампи є вольфрамові нитки, вкриті пастою (активною масою) із лужноземельних металів, яка забезпечує стабільний дуговий розряд і захищає вольфрамові нитки від перегріву. У процесі роботи паста поступово обсипається з електродів, вигорає і випаровується (звідси потемніння на кінцях лампи, яке спостерігається ближче до закінчення терміну служби), особливо інтенсивним є обсипання під час запуску.

Під час роботи люмінесцентної лампи між двома електродами, що знаходяться в протилежних кінцях лампи, виникає низькотемпературний дуговий електричний розряд. Лампа заповнена інертним газом та парами ртуті, і струм, що проходить через неї приводить до появи УФ-випромінювання (це випромінювання невидимо для людського ока), люмінофор, яким вкриті внутрішні стінки лампи, поглинає УФ-випромінювання і випромінює видиме світло. Змінюючи склад люмінофора, можна змінювати відтінок світіння лампи.

Люмінофор – речовина, яка під дією ультрафіолетового випромінювання здатна світитися. У дешевих лампах застосовується галофосфатний люмінофор, що випромінює в основному жовте і синє світло, і менше червоного і зеленого. Така суміш кольорів для ока здається білим світлом, але в результаті відбиття від предметів світло може містити неповний спектр (у домашніх умовах оцінити спектр лампи можна за допомогою компакт-диску: подивитися на відображення світла лампи від робочої поверхні диска – на дифракційному малюнку будуть видні спектральні лінії люмінофора), що сприймається як перекручування кольору. Водночас такі лампи, як правило, мають дуже високу світлову віддачу. У більш дорогих лампах використовується “трисмужний” і “п’ятисмужний” люмінофор. Це дозволяє домогтися більш рівномірного розподілу випромінювання за видимим спектром, що призводить до більш натурального відтворення світла. Однак такі лампи, як правило, мають більш низьку світлову віддачу. Крім того, колби дорогих (спеціальних) ламп виготовляються з кварцового скла проникні промені в ультрафіолетовому діапазоні хвиль.

Люмінесцентна лампа не може бути включена прямо в електричну мережу із наступних двох причин:

– для запалювання дуги в люмінесцентній лампі необхідний попередній прогрів електродів і імпульс високої напруги;

– від’ємний диференціальний опір лампи, через який після її ввімкнення струм у ній багаторазово зростає, і якщо його не обмежити, лампа вийде з ладу.

Для вирішення цих проблем застосовують спеціальні пристрої – баласти, найбільш розповсюдженими з яких на сьогоднішній день є електромагнітний баласт із неоновим стартером (рисунок 2.57 а) та різні типи електронних баластів (рисунок 2.57 б).

а б

Рисунок 2.57 – Електромагнітний (а) та електронний баласт (б)

Електромагнітний баласт – це електромагнітний дросель, що підключається послідовно з лампою. Паралельно лампі підключається стартер, що представляє собою неонову лампу з біметалічними електродами і конденсатор. Дросель формує за рахунок самоіндукції імпульс, що запускає лампу, а також обмежує струм через неї. Перевагою електромагнітного баласту є простота конструкції, а серед недоліків виділяють наступні: довгий запуск (1..3 с в залежності від ступеня зносу лампи); більше споживання енергії, в порівнянні з електронною схемою; низькочастотний гул (100 Гц) від дроселя; мерехтіння лампи з подвоєною частотою мережі (502), що може зашкодити зору, а іноді буває небезпечним (через виникнення стробоскопічного ефекту люмінесцентні лампи з електромагнітним баластом не застосовують для освітлення рухомих частин верстатів і механізмів);. великі габарити і маса.

Електронний баласт подає на електроди лампи напругу не з подвоєною частотою мережі (як у випадку електромагнітного баласту), а високочастотну(20 – 60 кГц), в результаті чого помітне для очей мерехтіння ламп виключене. У випадку застосування електромагнітного баласту можуть використовуватися два варіанти запуску ламп:

– холодний запуск – коли лампа запалюється відразу після включення (така схема використовується у випадку, якщо лампа включається і виключається рідко, тому що режим холодного пуску більш шкідливий для її електродів).

– гарячий запуск – запуск із попереднім прогрівом електродів, в такому випадку лампа запалюється не відразу, а після 0,5-1 с, що дає змогу подовжити термін її служби, особливо за частих вмикань і вимикань.

Споживання електроенергії люмінесцентними світильниками у разі використання електронного баласту звичайно на 20-25% нижче. Використання централізованих систем освітлення з автоматичним регулюванням дозволяє заощадити до 85% електроенергії.

*Стробоскопічний ефект – явище перекручення зорового сприйняття об'єктів, що обертаються, рухаються або змінюються в мигаючому світлі, яке виникає при збігу кратності частотних характеристик руху об’єктів і зміні світлового потоку в часі в освітлювальних установках з газорозрядними джерелами світла, які живляться змінним струмом.

Стробоскопічний ефект призводить до спотворення зорового сприйняття – деталі, що швидко рухаються або обертаються можуть здаватися нерухомими. Це явище виникає в результаті пульсації світлового потоку, критерієм якої є коефіцієнт пульсації освітленості: Кп = 100·(Еmax – Emin)/2·Eср, %,

де Еmax, Emin, Eср – максимальне, мінімальне і середнє значення освітленості за період її коливання.

Рисунок 2.58 – Компактні люмінесцентні лампи

Люмінесцентні лампи знайшли широке застосування в освітленні громадських будівель: шкіл, лікарень, офісів і т.д.

З появою компактних люмінесцентних ламп з електронними баластами, які можна включати в патрони E27 і E14 (рисунок 2.58) замість ламп розжарювання люмінесцентні лампи почали використовувати і для освітлення житлових приміщень.

Люмінесцентні лампи найбільше доцільно застосовувати для організації загальної системи освітлення, насамперед приміщень великої площі. Люмінесцентні лампи широко застосовуються і для організації місцевого освітлення, у світловій рекламі, підсвічуванню фасадів. Вони знайшли застосування в підсвічуванні рідкокристалічних екранів. Плазмені дисплеї також є різновидом люмінесцентної лампи.

Маркування люмінесцентних ламп. Трьохцифровий код на упаковці лампи містить як правило інформацію щодо якості світла (індекс кольоропередачі)

Перша цифра-індекс передачі кольору в 110 Ra (компактні люмінесцентні лампи мають 60…98 Ra, чим вище індекс, тим краща передача кольору)

Друга і третя цифр-вказують на колірну температуру лампи (рисунок 2.59).

Наприклад, маркування “827” вказує на індекс передачі кольору в 80 Ra, і колірну температуру в 2700 К (що відповідає колірній температурі лампи розжарювання).

Існують спеціальні люмінесцентні лампи з різними спектральними характеристиками: 5400 К; 6500 К та ін.

Люмінесцентні лампи дають можливість створювати світло різного спектрального складу – теплий, природний, білий, денний, що може істотно збагатити колірну палітру. Існують спеціальні рекомендації з вибору типу люмінесцентних ламп (кольоровості світла) для різних галузей застосування.

– Лампи, що відповідають найвищим вимогам до передачі природного кольору денного освітлення мають колірну температуру 5400 К. Такі лампи використовують у разі необхідності усунення ефекту кольорової мімікрії; випадках, коли потрібна атмосфера живого денного світла, наприклад, у друкарнях, зуболікарських кабінетах, і лабораторіях, при перегляді діапозитивів і в спеціалізованих магазинах текстильних товарів.

– Лампи, що випромінюють світло, яке за своєю спектральною характеристикою подібне до сонячного (колірна температура – 6500 К). Такі лампи рекомендується для приміщень з недостатнім денним світлом, наприклад для офісів, банків і магазинів.

– Лампи для рослин і акваріумів з посиленим випромінюванням у спектральному діапазоні синього і червоного світла. Ідеально впливає на фотобіологічні процеси. Дані лампи з позначеннями випромінюють світло з мінімальним вмістом ультрафіолетової складової типу А (за абсолютної відсутності ультрафіолетових складових типу В і С).

– Декоративні лампи червоного, жовтого, зеленого і синього кольорів придатні для декоративного освітлення і створення спеціальних світлових ефектів. Крім того, люмінесцентна лампа жовтого світла, не містить ультрафіолетову складову, тому її рекомендують для цехів з виготовлення мікросхем, а також для загального освітлення без УФ-випромінювання.

– Люмінесцентні лампи, призначені для освітлення приміщень, у яких є птахи. Спектр цих ламп містить ближній ультрафіолет, що дозволяє створити більш комфортне для них освітлення, наблизивши його до природного, тому що птахи, на відміну від людей, мають чотирикомпонентний зір.

– Лампи, призначені для освітлення м'ясних прилавків у супермаркетах. Світло цих ламп має рожевий відтінок, у результаті такого освітлення м'ясо здобуває більш апетитний вид, що приваблює покупців.

– Люмінесцентні лампи для соляріїв і косметичних салонів бувають трьох виконань: 78R; 79 і 79 R. Лампи 78R із практично чистим ультрафіолетовим випромінюванням типу А вище 350 нм. При опроміненні в цьому діапазоні для нормальної шкіри небезпеки одержання опіку практично не існує. У разі тривалого опроміненні внаслідок прямої пігментації шкіри ефект засмаги з'являється вже незабаром після першого сеансу опромінення. Лампи 79 і 79R з високою потужністю ультрафіолетового випромінювання типу А для прямої пігментації і з невеликою складовою ультрафіолетового випромінювання типу В для нового утворення пігменту. Завдяки мінімальному значенню ультрафіолетової складової типу В ризик одержання сонячного опіку мінімальний. Лампи з дією, аналогічною дії сонячного світла завдяки значній складовій ультрафіолетового випромінювання типу А і гармонійної складової біологічно ефективного випромінювання типу В. Після регулярного прийняття процедур опромінення в результаті тривалої пігментації шкіри утвориться свіжа і стійка засмага.

– Ультрафіолетові люмінесцентні лампи з колбами з “чорного” скла: Різні матеріали мають здатність перетворювати невидиме ультрафіолетове випромінювання у світлове випромінювання (створювати ефект люмінесценції). Такі лампи представляють собою випромінювачі з довгохвильовим ультрафіолетовим випромінюванням, що викликає люмінесценцію. Такі лампи є незамінними джерелами випромінювання для будь-яких видів досліджень із застосуванням люмінесцентного аналізу. Ці лампи генерують своє випромінювання тільки в довгохвильовому ультрафіолетовому діапазоні від 300 до 400 нм, що не видно для ока і зовсім нешкідливо. Видиме випромінювання майже цілком поглинається. Області застосування:

– Матеріалознавство: дослідження матеріалів за допомогою люмінесценції, наприклад, виявлення найтонших тріщин валу двигуна.

– Текстильна промисловість: аналіз матеріалів, наприклад, хімічного складу і видів домішок у вовняних матеріалах. Розпізнавання невидимих забруднень і можливих плям після чищення.

– Харчова промисловість: виявлення фальсифікацій у продуктах харчування, місць гниття у фруктах (особливо в апельсинах), м'ясі, рибі і т.д.

– Криміналістика: виявлення фальшивих банкнот, чеків і документів, а також внесених у них змін, вилучених плям крові, підробок картин і т.д.

– Пошта: раціональна обробка кореспонденції за допомогою автоматичних штемпельних машин для конвертів, перевірка дійсності поштових марок.

– Створення світлових ефектів на сценах драматичних і музичних театрів, у кабаре, вар'єте, дискотеках.

– Сільське господарство: перевірка посівного матеріалу.

– Мінералогія: перевірка дорогоцінних каменів.

– Інші області застосування: реклама й оформлення вітрин.

Випромінювальні прилади для стерилізації й озонування: Дані випромінювачі мають завдяки своєму короткохвильовому УФ-випромінюванню типу С бактерицидний вплив і тому застосовуються для стерилізації.

Раціональне застосування таких випромінювачів гарантується тільки в спеціальних, призначених для них установках. Області застосування:

– стерилізація води: питної води, води для плавальних басейнів, стічних вод

– стерилізація і дезодорація повітря в кондиціонерах, лікарнях, складських приміщеннях

– стерилізація поверхонь у фармацевтичній і пакувальній промисловості;

– стирання інформації із сучасних мікроелектронних блоків пам'яті (ППЗУ) за допомогою ламп HNS G5 OFR і HNS 10/U OFFS.

– лампи зі спеціальними колірними характеристиками: LF71 – для полімеризації пластмас, клеїв, лаків, фарб на глибину не більш 1мм; лікування гіпербілірубенімії; LF78 – для полімеризації пластмас, клеїв, лаків, фарб на глибину більш 1мм; лікування псоріазу; для розпізнавання підробок.

Для освітлення виробничих приміщень широко застосовуються люмінесцентні лампи (трубчасті): білого світла (ЛБ), теплого білого світла (ЛТБ), холодного білого світла (ЛХБ), денного світла (ЛД), з кращою передачею кольорів (ЛДЦ).

За стандартами люмінесцентні лампи денного світла поділяють на колбні (трубчасті) і компактні.

Трубчасті люмінесцентні лампи (колбні) мають вигляд скляної трубки (рисунок 2.60). Розрізняються за діаметром і за типом цоколя, мають наступні позначення: T4 (1,27 см), T5 (1,59 см), T8 (2,54 см), T10 (3,17 см) і T12 (3,80 см).

Рисунок 2.60 – Стандартні трубчасті люмінесцентні лампи

Лампи такого типу часто можна побачити в промислових приміщеннях, офісах, магазинах на транспорті і т.д. Прикладом такої лампи є вітчизняна люмінесцентна лампа потужністю 20 Вт («ЛБ-20») та її європейський аналог – T8 18W.

Віддаючи перевагу люмінесцентним лампам, враховуючи такі їх переваги, як висока економічність, різноманітний за кольоровістю випромінювання асортимент, можливість наближення колірних характеристик до характеристик різних фаз денного світла, великий термін служби не варто забувати і про їхні недоліки.

До недоліків люмінесцентних ламп відносяться: складність включення і втрати потужності в пусковому баласті (до 20…30%), залежність світлових характеристик лампи від температури навколишнього середовища, значне зниження світлового потоку перед закінченням терміну служби, пульсація світлового потоку при живленні ламп змінним струмом.

Схеми включення ламп постійно удосконалюються, що дозволяє поступово знижувати втрати в пускових баластах і зменшувати вагу і габарити останніх.

Залежність світлових і електричних характеристик ламп від температури колби зумовлена фізичними особливостями ртутного розряду. Температура колби і значною мірою визначається температурою навколишнього середовища. Тому, температура повітря, що оточує лампу, повинна бути в межах 5…50°С, причому номінальні світлові потоки ламп гарантуються тільки в межах температур повітря 18…25°С, що відповідає температурі її стінок 40…50°С. У закритих світильниках температура повітря значно перевершує обумовлені межі, внаслідок чого лампи в процесі нормальної експлуатації створюють світловий потік нижчий за номінального.

Серед люмінесцентних ламп перевагами в роботі за підвищеної температури навколишнього середовища відрізняються амальгамні лампи, в яких ртуть міститься у вигляді амальгами. В залежності від способу установки, їх застосовують для роботи в одному з двох режимів: за температури навколишнього повітря 5…30°С або за температури 30…60°С, причому в останньому випадку ці лампи дають світловий потік на 25% більше, ніж стандартні.

Пульсація характерна для лінійних (трубчастих люмінесцентних ламп), які підключаються до електромережі за допомогою електромагнітного баласту. Тому, однолампові трубчаті світильники рекомендується використовувати в неробочих зонах приміщення. В багатолампових світильниках цей недолік практично усувається. У приміщеннях, де можливе виникнення стробоскопічного ефекту, необхідно забезпечити включення сусідніх світильників на 3 фази живильної напруги або включення їх у мережу за допомогою електронного баласту.

До недоліків освітлювальних установок із люмінесцентними лампами відносяться також необхідність спеціальної утилізації (демеркуризації) ламп, що вийшли із ладу. Усі люмінесцентні лампи містять ртуть (у дозах від 40 до 70 мг). Ця доза може заподіяти шкоду здоров'ю, якщо лампа розбилася, і якщо постійно піддаватися пагубному впливу парів ртуті, то вони будуть накопичуватися в організмі людини, завдаючи шкоди здоров’ю. У компактних люмінесцентних лампах міститься 2…3 мг ртуті (для порівняння, у термометрі – 2 мг); в деяких типах амальгамних компактних люмінесцентних ламп ртуті в чистому виді практично немає – вона знаходиться в зв’язаному стані.

Сполуки ртуті в люмінесцентних лампах є більш небезпечними, ніж металева ртуті. Ця доза може заподіяти шкоду здоров'ю, якщо лампа розбилася, і якщо постійно піддаватися впливу парів ртуті, то вони будуть накопичуватися в організмі людини, завдаючи шкоди здоров'ю (ртуть належить до отруйних речовин 1-го класу небезпеки – надзвичайно небезпечні).

Після закінчення терміну служби лампу, як правило, викидають разом із іншим сміттям, не переймаючись проблемами її утилізації. Таким чином ртуть потрапляє у воду, повітря, ґрунти, в результаті чого зростає її вміст, який перевищує ГДК, а це обов'язково відіб'ється здоров'ї людини. Для порівняння: у ФРН більше 150 т ртуті щорічно повертають із відходів люмінесцентних трубок, вимикачів.

Поряд із люмінесцентними лампами для організації місцевого освітлення використовуються лампи розжарювання та галогенні лампи.

Лампи розжарювання належать до джерел світла теплового випромінювання, їх світлова віддача складає 10…15 лм/Вт. Вони створюють безперервний спектр випромінювання, який найбільш багатий жовтими та червоними (тобто інфрачервоними) променями та бідніший у зоні синіх та зелених спектрів випромінювання (рисунок 2.62) в порівнянні зі спектром природного світла неба, що погіршує розрізнення кольорів. Лампи розжарювання мають й інші недоліки: велика яскравість, невеликий термін служби (до 1000 годин), низький коефіцієнт корисної дії (ККД) – 0,8…2,8%, залежність світлової віддачі і терміну служби від напруги; температура кольору знаходиться тільки в межах 2300 – 2900 K, що надає світлу жовтуватий відтінок; лампи розжарювання становлять пожежну небезпеку через високу температуру колби, яка через 30 хвилин після ввімкнення лампи в залежності від потужності наступних величин: 40 Вт – 145 °C, 75 Вт – 250°C, 100 Вт – 290°C, 200 Вт – 330°C; світловий коефіцієнт корисної дії (відношення потужності променів видимого спектру до потужності споживаної від електричної мережі) дуже малий і не перевищує 4 %.

Водночас лампи розжарювання мають деякі переваги: низька вартість; невеликі розміри; простота світильників та компактність; відсутність пускорегулюючого апарату; короткий час запалювання; відсутність токсичних компонентів і як наслідок відсутність необхідності в інфраструктурі зі збирання й утилізації; можливість роботи як на постійному струмі (будь-якої полярності), так і на змінному; широкий діапазон потужностей (від часток вольта до сотень вольтів); відсутність мерехтіння і гудіння при роботі на змінному струмі; суцільний спектр випромінювання; стійкість до електромагнітного імпульсу; можливість використання регуляторів яскравості; нормальна робота за низької температури навколишнього середовища.

Існують різноманітні види ламп розжарювання: вакуумні (В), газонаповнені (Г), газонаповнені біспіральні (Б) лампи.

У зв'язку з необхідністю економії електроенергії і скорочення викиду вуглекислого газу в атмосферу, у багатьох країнах уведена або заплановане введення заборони на виробництво, закупівлю й імпорт ламп розжарювання, з метою стимулювання заміни їх на енергозберігаючі лампи (компактні люмінесцентні лампи й ін.)

З 1 вересня 2009 року в Євросоюзі відповідно до директиви 2005/32/EЄ набрала сили поетапна заборона на виробництво, закупівлю магазинами й імпорт ламп розжарювання (за винятком спеціальних ламп). З 2009 р. заборона торкнеться ламп потужністю > 100 Вт, ламп із матовою колбою >= 75 Вт і ін.; очікується, що до 2012 року буде заборонені імпорт і виробництво ламп накалювання меншої потужності. В Україні аналогічна заборону вступить в силу в 2014 р.

До переваг галогенних ламп у порівнянні із лампами розжарювання відносяться наступні:

– за мінімальної витрати електроенергії забезпечують максимальне освітлення;

– мають у декілька pазів більший cтpoк cлужби (у 2…4 рази вище, ніж у ламп розжарювання);

– більш якісно передають колір освітлюваних предметів;

– випускаються в більш багатому асортименті;

– дозвoляють краще упpавляти світловим пучкoм і напpавляти його із більшою тoчністю;

– відрізняються міцністю, стійкістю до частих перепадів атмосферного тиску і до різкої зміни температури.

У галогенній лампі металевий вольфрам, що випаровується в результаті розжарювання нитки, не осаджується на відносно холодних стінках колби, а утворює летку сполуку з галогеном. Галогенід вольфраму циркулює в об’ємі колби, і, досягаючи розжареної вольфрамової нитки, розкладається на вихідні компоненти. Галоген повертається в цикл, а металевий вольфрам частково осідає на нитку, а частково залишається у виді "атмосфери" навколо нитки.

Підвищена концентрація парів вольфраму в безпосередній близькості від нитки різко сповільнює подальше його випаровування, у результаті чого нитка не стає тоншою, а скло залишається прозорим. Уповільнення випаровування вольфраму дає змогу сильніше розжарити нитку, що дозволяє наблизити колір її випромінювання до природного сонячного.

Колба галогенної лампи виконується з тугоплавкого кварцового скла, що є більш стійким до високої температури і хімічних впливів. Кварцове скло – жароміцний матеріал, а маленькі габарити гарантують міцність, достатню для того, щоб створювати більш високий тиск газу. Тому розмір колби в галогенних лампах розжарювання може бути сильно зменшений, унаслідок чого з одного боку можна підвищити тиск у газі-наповнювачі, і з іншого – є можливим застосування дорогих інертних газів (криптону і ксенон) у якості газів-наповнювачів. Усе це дозволяє підвищити температуру спіралі, у результаті чого збільшується світловіддача і термін служби лампи.

Для збільшення ефективності галогенної лампи на її колбу наносять спеціальне покриття, що пропускає видиме світло, але затримує інфрачервоне випромінювання і відбиває його назад, до спіралі. За рахунок цього зменшуються втрати тепла і, як наслідок, збільшується ефективність лампи, споживання енергії знижується на 45 %, а термін служби подвоюється (у порівнянні зі звичайною галогенною лампою). До таких ламп належать так звані IRC* – галогенні лампи (рисунок 2.36 а).

*Скорочення IRC позначає “інфрачервоне покриття”

Галогенні лампи бувають двох видів: високовольтні, що працюють під напругою 220 В (рисунок 2.38 б) і низьковольтні, на 6, 12, 24 і 36 В (частіше застосовуються 12-вольтні).

Перевага низьковольтних ламп – підвищена безпека, особливо в умовах підвищеної вологості, і більш довгий термін служби.

Середній термін служби 220-вольтних ламп – 2000 годин, 12-вольтних – 4000. Однак для них потрібний трансформатор, що знижує напругу з 220 до 12 В і окрема проводка.

а – низьковольтні галогенні лампи з відбивачем (W – 10 Вт, U – 12 В);

б – капсульна галогенна лампа (W – 40 Вт, U – 12 B)

Рисунок 2.63 – Різновиди галогенних ламп

Галогенні лампи мають свої недоліки:

1. Колби галогенних ламп мають властивість сильно нагріватися (до 500ºC), тому варто неухильно дотримуватись норм протипожежної безпеки при установці ламп. Доторкання до включеної або недостатньо остиглої лампи може призвести до серйозних опіків. Та й остиглу лампу не слід брати голими руками. Від цього на колбі лампи залишаються жирні плями, після ввімкнення жир під дією високої температури обвуглюється, чорні частки вугілля поглинають тепло і сильно розжарюються. Через місцевий перегрів колба може лопнути, і лампа вибухнути. Лампу варто брати, використовуючи чисті тканинні рукавички, шматок чистої тканини або паперову серветку. Якщо колба чимось забруднена, її потрібно протерти спиртом. Об’єкти, освітлювані IRC-галогенними лампами з відбивачем (напівпрозоре дзеркало), менше піддаються нагріванню. Остиглі лампи з відбивачем можна брати руками.

2. Чутливі до стрибків напруги у мережі живлення і за несприятливих умов можуть швидко вийти з ладу; тому їх бажано включати через стабілізатор напруги. Для досягнення найбільшої ефективності лампи її доцільно використовувати на повній потужності, заявленої виробником. Однак її яскравість можна регулювати за допомогою стандартних світлорегуляторів. Знижуючи потужність лампи, можна знизити або навіть відключити роботу галогенного циклу, і вона почне працювати як звичайна лампа розжарювання. Для відновлення роботи галогенів і зняття металевих часток вольфраму, що осіли на стінки колби, досить на кілька хвилин увімкнути лампу на повну потужність.

3. У спектрі випромінювання присутній надлишок ультрафіолету, що шкідливий для здоров’я. Тому, їх не рекомендується використовувати без спеціальних фільтрів.

Перспективним напрямком в плані енергозбереження є впровадження світлодіодних ламп. В Україні затверджена Державна цільова науково-технічна програма “Розробка і впровадження енергозберігаючих світлодіодних джерел світла та освітлювальних систем на їх основі” (постанова КМУ №632 від 9.07.2008). Світлодіодні енергозберігаючі лампи призначені для використання як на вулиці так і усередині приміщення, поєднують у собі традиційне виконання (цоколь Е-27, Е-14, MR-16, GU-10) насиченість та чистоту кольору і високу надійність.

Світлодіод (light emitting diode, або LED) – це напівпровідниковий прилад, що перетворює електричний струм безпосередньо в світлове випромінювання. Спектр випромінюваного діодом світла знаходиться у вузькому діапазоні, його кольорові характеристики залежать від хімічного складу напівпровідника, який в ньому використовується (рисунок 2.64).

Рисунок 2.64 – Спектрограма червоного, зеленого, блакитного і білого світлодіодів

Як і в будь-якому напівпровідниковому діоді, у світлодіоді існує p-n (позитивно-негативний) перехід. Під час пропускання електричного струму в прямому напрямку, носії заряду – електрони і дірки (позитивно заряджені йони) – рекомбінують з випромінюванням фотонів (внаслідок переходу електронів з одного енергетичного рівня на інший). Не будь-які напівпровідникові матеріали випромінюють світло під час рекомбінації. Найкращі випромінювачі відносяться до типу A III B V (наприклад GaAs або InP) і A II B VI (наприклад ZnSe або CdTe). Змінюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди для різноманітних хвиль від ультрафіолету (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS). Таким чином, колір світлодіоду залежить виключно від матеріалу напівпровідника і легуючих домішок

. Для отримання білого світла з використанням світлодіодів існує три способи. Перший – змішування кольорів за технологією RGB: на одній матриці щільно розміщуються червоні, голубі і зелені світлодіоди, випромінювання яких змішується за допомогою оптичної системи, наприклад, лінзи, в результаті чого отримують біле світло. Другий спосіб полягає в тому, що на поверхню світлодіоду, який випромінює в ультрафіолетовому діапазоні, наноситься три люмінофори, що випромінюють відповідно блакитне зелене і червоне світло, що за принципом дії схоже на те, як світить люмінесцентна лампа.

Рисунок 2.65 – Конструкція світлодіодної лампи

Третій спосіб ґрунтується на тому, що жовто-зелений або зелений і червоний люмінофор наносяться на блакитний світлодіод, таким чином, що два або три випромінювання змішуються, утворюючи біле або близьке до білого світло (рисунок 2.65).

Конструкція світлодіоду включає такі елементи: напівпровідниковий кристал на основі, корпус із контактними виводами та оптичну систему. В конструкції світлодіодних ламп, які використовуються у мережах зі змінним струмом передбачається драйвер, що стабілізує струм через світлодіод.

В порівнянні з іншими електричними джерелами світла (перетворювачами електричної енергії в електромагнітне випромінювання видимого діапазону), світлодіоди мають наступні відмінності (таблиця 2.6):

2. Висока механічна стійкість, вібростійкість (відсутність спіралі та інших чутливих складових).

3. Тривалий термін служби, який може досягати 100 тисяч годин, що майже в 100 разів більше, ніж у лампи розжарювання і в 5 – 10 разів більше, ніж у люмінесцентної лампи, але він не є безмежним – за тривалої роботи і у разі поганого охолодження відбувається "старіння" кристалу і поступове зниження яскравості. Крім того, чим більший струм пропускається через світлодіод в процесі служби, тим вищою є його температура і тим швидше наступає старіння. Тому термін служби потужних світлодіодів є коротшим ніж у малопотужних і складає 20 – 50 тисяч годин. Яскравість є тим параметром, який характеризує справність лампи, у випадку її зниження на 30 % – лампу необхідно замінити. Старіння світлодіоду пов’язане не тільки зі зниженням яскравості, але й зі зміною кольору. Необхідно відмітити, що термін служби світлодіодної лампи для растрового світильника не є ідентичним терміну служби одиничного світлодіоду (LED). Довговічність світлодіодної лампи залежить також і від параметрів джерела живлення (світлодіодного драйвера), діапазону робочих температур, теплового режиму, надійності електричних мереж.

4. Спектр сучасних люмінофорних діодів аналогічний спектру люмінесцентних ламп.

5. Яскравість світлодіоду характеризується світловим потоком і осьовою силою світла, а також діаграмою направленості. Існуючі світлодіоди різноманітних конструкцій випромінюють в тілесному куті від 4 до 140 градусів.

6. Малий кут випромінювання, що може бути як перевагою, так і недоліком.

7. Безпечність – не має необхідності у високій напрузі. Світлодіод, який використовується для освітлення споживає від 2 до 4 В постійної напруги за струму від декількох сотень мА. В світлодіодному модулі окремі світлодіоди можуть бути ввімкнутими послідовно і сумарна напруга виявляється більш високою (зазвичай 12 або 24 В).

8. Нечутливість до низьких і дуже низьких температур. Але, високі температури протипоказані світлодіоду, як і будь-яким напівпровідникам;

9. Відсутність отруйних складових (меркурію та ін.), а отже простота утилізації.

Таблиця 2.6 – Порівняльна характеристика світлодіодних ламп денного світла і люмінесцентних ламп

Параметри	Світлодіодна лампа	Люмінесцентна лампа
Шкідливі випромінювання, наявність токсичних речовин	відповідає вимогам ROHS *	УФ-випромінювання, люмінофорні напилення, меркурій (Hg), плюмбум (Pb)
Механічна стійкість	висока (оптичний полікарбонат і алюміній)	низька (скло)
Пульсація	відсутня	залежить від типу ПРА
Втрата світлового потоку внаслідок поглинання і повторного відбивання матеріалом рефлектора	не має	є
Чутливість до електромагнітних полів	нечутливі	чутливі
Вимоги до спеціальної утилізації	не має	тільки спец. утилізація
Використання за низьких температур навколишнього середовища	можливе	утруднене
Необхідність баласту/стартера	не потрібний	необхідний
Експлуатаційні витрати	низькі	високі
*RoHS (англ. Restriction of Hazardous Substances ) – директива (прийнята в ЄС, вступила в силу 01.06.2006 р.), що обмежує вміст шкідливих речовин. Дана директива обмежує використання у виробництві шести небезпечних речовин: плюмбуму, муркурію, кадмію, сполук шестивалентного хрому (chromium VI або Cr6+); полібромовані біфеноли (PBB); полібромований дифенол-ефір (PBDE).

Світлодіоди знаходять своє застосування практично у всіх галузях світлотехніки, за виключенням освітлення виробничих приміщень, та і в них можуть використовуватись для організації аварійного освітлення. Вигідно застосовувати світлодіоди там, де великі витрати йдуть на часте обслуговування системи освітлення, де необхідно економити електроенергію і де високі вимоги до електробезпеки (рисунок 2.64).

Все більше різновидностей світлотехнічних LED-виробів, таких наприклад, як лінійні лампи типу T8 (використовується замість люмінесцентних ламп денного світла) анонсується на ринку світлотехніки.

На теперішній час , ефективність світлодіодів, придатних для функціонального освітлення досягла 90Лм/Вт, за ефективності люмінесцентних ламп 50-100Лм/Вт. (Таблиця 2.7).

Таблиця 2.7 – Значення ефективності штучних джерел світла

З точки зору досягнення необхідного рівня освітлення за мінімального споживання електроенергії, найбільш ефективними на сьогоднішній день є люмінесцентні лампи. Але більш надійними і безпечними, як для здоров’я людини, так і для навколишнього середовища є світлодіодні лампи.

Для штучного освітлення використовують освітлювальні установки двох видів: ближньої дії (світильники) і дальньої дії (прожектори).

Джерело світла (лампи) разом з освітлюваною арматурою складає світильник (рисунок 2.65). Він забезпечує кріплення лампи, подачу до неї електричної енергії, запобігання забрудненню, механічному пошкодженню, а також вибухову і пожежобезпеку та електробезпеку. Здатність світильника захищати очі працюючого від надмірної яскравості джерела характеризується захисним кутом.

В залежності від стану навколишнього середовища і вимог щодо розподілу світлового потоку застосовують різні типи світильників: прямого (випромінювання нижче за світильник, не менше 80% світлового потоку спрямовано на робочу поверхню), відбитого світла (випромінювання світлового потоку більше 80% – спрямовано на стелю та верхню частину стін) напіввідбитого (40 – 60% світлового потоку спрямовується на робочу поверхню, а решта – на стелю).

Для освітлення відкритих територій, доріг, високих виробничих приміщень використовуються газорозрядні лампи високого тиску:

– металогалогенні ДРЙ (дугові ртутні з йодидами);

– ксенонові ДКсТ (дугові ксенонові трубчасті);

– натрієві ДНаТ (дугові натрієві трубчасті).

При проектуванні освітлювальних установок необхідно, дотримуючись норм та правил освітлення, визначити потребу в освітлювальних пристроях, установчих матеріалах і конструкціях, а також в електричній енергії. Проект, як правило, складається з чотирьох частин: світлотехнічної, електричної, конструктивної та кошторисно-фінансової.

Світлотехнічна частина передбачає виконання таких робіт:

– знайомство з об'єктом проектування, яке полягає в оцінці характеру й точності зорової роботи на кожному робочому місці; при цьому обов'язково треба встановити роль зору у виробничому процесі, мінімальні розміри об'єктів розрізнювання та відстань від них до очей працюючого; визначити коефіцієнт відбиття робочих поверхонь і об'єктів розрізнення, розташування робочих поверхонь у просторі, бажану спрямованість світла, наявність об'єктів розрізнювання, що рухаються, можливість збільшення контрасту об'єкта з фоном, можливість виникнення травматично небезпечних ситуацій, стробоскопічного ефекту; виявити конструкції та об'єкти, на яких можна розмістити освітлювальні прилади, а також конструкції та об'єкти, які можуть утворювати тіні тощо;

– вибір системи освітлення, який визначається вимогами до якості освітлення та економічності установки освітлення;

– вибір джерела світла що визначається вимогами до спектрального складу випромінювання, питомою світловою віддачею, одиничною потужністю ламп, а також пульсацією світлового потоку;

– визначення норм освітленості та інших нормативних параметрів освітлення для даного виду робіт відповідно до точності робіт, системи освітлення та вибраного джерела світла;

– вибір приладу освітлення, що регламентується його конструктивним виконанням за умовами середовища, кривою світлорозподілу, коефіцієнтом корисної дії та величиною блиску;

– вибір висоти підвісу світильників здійснюється, як правило, сумісно з вибором варіанту їх розташування і визначається в основному найвигіднішим відношенням L:h (відстань між світильниками до розрахункової висоти підвісу), а також умовами засліплення; залежно від кривої світлорозподілу (типу світильника) відношення L:h прийнято від 0,9 до 2,0.

Після визначення основних параметрів освітлювальної установки (нормованої освітленості, системи освітлення, типу освітлювальних приладів та схеми їх розташування) приступають до світлотехнічних розрахунків.