/
Автор: Семенов Б.Ю.
Теги: электротехника радиосвязь и радиовещание электроника электричество домашнее хозяйство
ISBN: 5-91359-073-2
Год: 2010
Текст
Семенов Б. Ю.
ЭКОНОМИЧНОЕ
ОСВЕЩЕНИЕ
ДЛЯ ВСЕХ
—
Свет в вашем доме
Свет и его источники %,'
Эффективные электронные балласты
Твердотельное будущее
Если жить, то в «умном доме»
ISBN 5-91359-073-2
УДК 621.396.218
ББК 32.884.1
СЗО
Б. Ю. Семенов
СЗО Экономичное освещение для всех. — М.: СОЛОН-ПРЕСС,
2010. — 224 с.: ил. — (Серия «Технологии энергосбережения»).
ISBN 978-5-91359-073-2
В настоящее время значительно возрос интерес к надежным и эко-
номичным осветительным приборам. Последние разработки в области
электроники позволили по-другому взглянуть на известные всем люми-
несцентные лампы, а также обратиться к новым источникам света на
основе сверхъярких светодиодов со спектром излучения, близким к бе-
лому свету. Предлагаемая читателю книга расскажет о применении бы-
товых люминесцентных ламп с электронными балластами, поможет са-
мостоятельно рассчитать, изготовить или отремонтировать электронный
балласт. Кроме этого, в книге можно найти сведения об элементарных
правилах создания качественного освещения, о перспективных идеях
«завтрашнего дня» — о комфортабельном «умном доме» и об устройст-
вах, помогающих превратить обычный дом в дом «умный».
Книга адресуется гражданам России, домашним мастерам, специали-
стам-электрикам и всем тем, кто желает повысить уровень комфорта в среде
своего обитания.
КНИГА - ПОЧТОЙ
Книги издательства «СОЛОН-ПРЕСС» можно заказать наложенным платежом (оплата
при получении) по фиксированной цене. Заказ оформляется одним из трех способов:
1. Послать письмо с пустым конвертом по адресу: 123001, Москва, а/я 82.
2. Оформить заказ можно на сайте www.solon-press.ru в разделе «Книга — почтой».
3. Заказать по тел. (495) 254-44-10, (499) 252-36-96 или по e-mail: kniga@coba.ru.
Бесплатно высылается каталог издательства по почте. Для этого присылайте конверт
с маркой по адресу, указанному в п. 1.
При оформлении заказа следует правильно и полностью указать адрес, по которому дол-
жны быть высланы книги, а также фамилию, имя и отчество получателя.
Желательно указать дополнительно свой телефон и адрес электронной почты.
Через Интернет Вы можете в любое время получить свежий каталог издательства
«СОЛОН-ПРЕСС», считав его с адреса www.solon-press.ru/kat.doc.
Интернет-магазин размещен на сайте www.solon-press.ru.
По вопросам приобретения обращаться:
Тел: (495) 254-44-104, (499) 795-73-26
Сайт издательства СОЛОН-ПРЕСС: www.solon-press.ru
E-mail: kniga@coba.ru
ISBN 978-5-91359-073-2 © Макет и обложка «СОЛОН-ПРЕСС», 2010
© Б. Ю. Семенов, 2010
Предисловие
Возможно ли сказать что-то новое об электрической лампочке
в наше нынешнее время, насыщенное компьютерами, сотовыми
телефонами и МРЗ-плеерами? Большинство читателей, открыв-
ших эту книгу, наверняка скажут, что им все давно известно. Дей-
ствительно, во времена Томаса Эдисона, когда шествие по миру
электрического освещения только-только начиналось, «электро-
свет» таил в себе массу загадок и неразрешенных вопросов. Сам
Эдисон был вынужден проделать около двух тысяч опытов в поис-
ках подходящего материала для нити накаливания лампы, прежде
чем пришел к верному решению. Однако и после Эдисона работы
по совершенствованию лампы активно продолжались. Сегодня за-
дача освещения превратилась в одну из тривиальных: если в осве-
тительном приборе у нас перегорела «лампочка», мы просто идем
в магазин, покупаем подходящую по мощности, размеру цоколя,
форме стеклянного баллона и без лишних вопросов устанавливаем
ее на место неисправной. До всех остальных тонкостей нам, как
правило, «до лампочки».
На самом деле простейшая задача — «чтобы было светло» —
актуальна только для подсобного помещения, сарая, погреба, чер-
дака. В домашней обстановке нас едва ли удовлетворит лампочка,
свисающая с потолка на двух проводках, обмотанных изоляцион-
ной лентой. Так же и на работе: нас едва ли устроит, если светиль-
ник будет слепить глаза, бликовать отражением на компьютерном
дисплее. Другими словами, в повседневной обстановке освещение
должно создавать удобную рабочую атмосферу и уют. Кроме это-
го, освещение должно быть надежным, чтобы постоянно не зани-
маться его ремонтом, затрачивая драгоценное время. А если удаст-
ся еще и экономить деньги в семейном или производственном
бюджете, ценность таких осветительных приборов возрастет мно-
гократно.
Современные технологии трансформировали освещение в за-
дачу многоплановую: сегодня это уже не просто набор элементар-
4
Предисловие
ных технических советов о том, «как подключить», а целое искус-
ство, сплав науки, техники, дизайнерского мастерства. Появились
и успешно работают фирмы, выполняющие работы по созданию
«светового стиля», в строительных супермаркетах под торговлю
осветительными приборами отводятся значительные площади, за-
полненные всевозможными люстрами, бра, прожекторами. Зака-
зываются и успешно проектируются интерьеры с освещением
«под девятнадцатый век», «под начало восемнадцатого века», «в
стиле минимализма», — сообразно со стилем эпохи, в которую хо-
чется окунуться заказчику... Но мы не будем говорить в этой кни-
ге об азах дизайнерского искусства, хотя некоторые простые сове-
ты найдут свое отражение.
Наш разговор об освещении затронет именно техническую
сторону дела, и здесь читатели откроют для себя много нового.
Мы поговорим о том, что такое свет, как измерить освещенность,
как оценить, насколько хорошо освещено то или иное помеще-
ние, какие нормы освещения существуют. Не случайно чуть выше
сказано, что рынок светотехнических изделий переполнен всевоз-
можной продукцией — из книги читатель узнает, как в этом мно-
гообразии ориентироваться. Мы подробно разберем достоинства и
недостатки классических люминесцентных ламп, дадим советы о
замене часто выходящих из строя стартеров на их электронные
аналоги. Расскажем о недавно появившихся экономичных лампах
дневного света с электронными балластами, обладающими ста-
бильным светом, низким энергопотреблением и высокой надеж-
ностью. Более того, читатели смогут не только подробнее узнать
об этой разновидности источников света, но и самостоятельно из-
готовить основу такой лампы — электронный балласт. Расчет
электронных балластов можно также провести с помощью бес-
платной компьютерной программы, что тоже немаловажно для
читателя-радиолюбителя.
Качественное освещение требует тщательных предварительных
(проектных) расчетов. Сегодня для проведения расчетов все мень-
ше и меньше прибегают к листу бумаги, ручке и калькулятору, а
пользуются специализированными компьютерными программами.
Ведущие фирмы-производители светотехнического оборудования
выпускают такие программные продукты, в основном свободно
распространяемые, которые позволяют спроектировать освещение
любого помещения, будь то небольшая комната, спортивный зал
или крытый стадион. Естественно, в книге мы расскажем, где та-
Предисловие
5
кие программы получить, как с ними работать. Конечно, любая
фирма стремится включить в состав исходных данных только па-
раметры изделий собственного производства, но мы покажем, что
эту трудность в некоторой степени можно обойти.
Дальнейшие поиски экономичных источников света привели к
появлению ламп на основе сверхъярких светодиодов. Эти лампы
пока еще мало распространены, обладают высокой стоимостью.
Но очевидные преимущества — высочайшая экономичность и на-
дежность — позволяют надеяться, что светодиодные лампы пере-
станут быть экзотикой и займут такое же положение в повседнев-
ном быту, как обычная лампа накаливания. Разговор о светодиод-
ных лампах также не обойдет стороной читателя.
Наверняка далеко не все читатели знают, что такое «умный
дом», каковы его концепции и какие работы сегодня ведутся в
этом направлении. «Умный дом» — свежая идея, основывающаяся
на возможностях современной электроники. Концепция «умного
дома» включает в себя способы автоматического интеллектуально-
го управления техническим оборудованием, будь то отопительные
системы, охранные и противопожарные сигнализации, кондицио-
неры. Фактически идея заимствована из хорошо известных произ-
водственных АСУТП — автоматизированных систем управления
технологическими процессами на производстве. В «умном доме»
не нужно думать о включении электронагревателя, если похолода-
ло, и о включении кондиционера — если стало жарко. Не нужно
искать в темноте выключатель, не нужно заострять внимание на
хорошо известном предупреждении «уходя — отключай». Автома-
тика позаботится о ленивых и невнимательных. Конечно, тема на-
шей книги не позволяет рассказать обо всех технических устрой-
ствах «умного дома», но об освещении в таком доме мы обязатель-
но расскажем. Сегодняшняя электроника позволяет настроить
световую атмосферу в помещении, уютно устроившись на дива-
не — выручат пульт дистанционного управления, датчики и ин-
теллектуальные осветительные приборы. Тем не менее, следует
признать, что превратить сегодня обычный дом в «умный» сможет
позволить себе по финансовым соображениям далеко не каждый,
но некоторые несложные элементы автоматизации окажутся дос-
тупными всем читателям.
Эта книга ориентирована главным образом на тех читателей,
кто любит мастерить, хотя бы немного знаком с радиоэлектрони-
кой и умеет держать в руках паяльник. Большим подспорьем в
Предисловие
чтении книги послужит знание компьютерной техники хотя бы на
уровне пользователя. Все конструкции, предложенные для повто-
рения, не содержат дефицитных элементов, просты в изготовле-
нии и эксплуатации. Нужно лишь аккуратно следовать рекоменда-
циям — тогда все получится.
Б. Ю. Семенов
С.-Петербург. Февраль 2010 г.
Глава 1
СВЕТ В ВАШЕМ ДОМЕ
Человечество никогда не мыслило свою жизнь без света, ну
разве что в фантастических художественных произведениях иногда
рисуются мрачные и темные апокалиптические картины. Люди
настолько привыкли к свету, что даже когда солнце заходит за го-
ризонт, на улицах включаются фонари, а в домах — светильники.
Без света не смогли бы жить и развиваться растения, животные,
многие микроорганизмы. Но что же такое — свет? Какова его
природа? Как оценить освещенность того или иного места? Об
этом — первая глава нашей книги.
1.1. Что такое это чудо — свет?
Чудо? Хм... — наверняка скажут автору читатели, и будут со-
вершенно правы. Никакого чуда действительно нет, а есть одна
сплошная физика, известная еще со школы. Открыты законы, на-
писаны формулы, далеко продвинулись оптические науки. Но так
было не всегда: существовали времена, когда люди считали, что
глаза испускают особые лучи, с помощью которых удается видеть
предметы. Теперь-то мы знаем, что предметы видно совсем по
другой причине! Тем не менее, можем ли мы честно признаться
себе, что нам известно о природе и об основных законах света
практически все? Едва ли. Обычно доскональное знание «назубок»
той или иной науки (пусть даже в ее практическом приложении)
характерно для людей, изо дня в день имеющих дело с данной
наукой. Инженер-оптик ежедневно занимается проектированием
оптических приборов, инженер по освещению ежедневно разраба-
тывает строительные проекты...
Среди читателей этой книги найдутся люди самых разнообраз-
ных профессий, для которых многие законы физики остались
где-то далеко, в школьных и институтских годах, уже основатель-
8 Глава 1. Свет в вашем доме
но подзабыты. Поэтому автор счел необходимым начать именно с
физики света, с основных законов, на базе которых удастся ре-
шить подавляющее большинство практических задач. Здесь вы не
встретите громоздких формул, многостраничных теоретических
исследований — только самое-самое основное.
Итак, свет. Собственно, ничего «секретного» в природе света
нет. Это обычная электромагнитная волна, которая имеет опре-
деленный диапазон своих длин, и, соответственно, частот, и ко-
торая распространяется в пространстве со скоростью, равной
2,997925 • 108 м/с. Эта скорость так и называется — «скорость
света в вакууме». Ее измерили сначала именно для световой вол-
ны, потом распространили на другие диапазоны электромагнит-
ных волн. Подробнее об электромагнитных волнах вы сможете
почитать, например, в книге [1].
Любая электромагнитная волна, в том числе и световая, рас-
пространяется в пространстве. Как происходит этот процесс?
Вспомним детскую игру «хождение по болоту», когда всем участ-
никам выдаются по два небольших коврика, на которые (и только
на которые) они имеют право наступать, чтобы двигаться вперед.
Выиграет тот, кто быстрее сможет передвигать коврики, но для
объяснения явления распространения электромагнитной волны
это уже неважно. Так и электромагнитная волна — в упрощенном
виде ее можно нарисовать как ряд колечек «Е» и «Н», располо-
женных друг через друга (рис. 1.1). Исчезло заднее колечко «Е»
(электрическое поле), как тут же впереди возникло колечко «Н»
(магнитное поле).
Рис 1.1. Простейшее представление световой волны
Когда волна встречает на своем пути препятствие, она от него
отражается, и именно в отраженном свете мы можем различать
предметы. Наш глаз — это приемник световых электромагнитных
волн, который, конечно, сам ничего не излучает.
Более сложная модель электромагнитной волны показана на
рис. 1.2. На этом рисунке магнитная составляющая волны (Н) по-
1.1. Что такое это чудо — свет?
9
Рис. 1.2. К определению длины волны
казана горизонтальной синусоидой, а электрическая (Е) — верти-
кальной синусоидой. Обычно для гармонических сигналов в элек-
тротехнике мы можем определить период, как временной промежу-
ток между двумя одинаковыми фазами сигнала. Электромагнитная
волна распространяется в пространстве, и кроме периода (или час-
тоты, что является величиной, обратной периоду) имеет также дли-
ну, то есть расстояние между одинаковыми фазами напряженности
полей Н, Е в пространстве. На рис. 1.2 длина волны обозначена
как 1, а определить длину волны можно по формуле
(1.1)
где с — скорость света в вакууме;
f — частота волны.
По данным длины волны для разных электромагнитных излу-
чений составлена единая шкала электромагнитных волн, в которой
занимают свое место и радиоволны, и рентгеновские лучи, и дру-
гие виды излучений. Видимый человеческим глазом свет занял на
шкале очень узкий участок в диапазоне длин волн от 780 • 10~9 м
до 380 • 10“9 м, то есть от 780 до 380 нанометров (рис. 1.3). Слева к
участку видимого света примыкает участок ультрафиолетового
(УФ) излучения (от 10 до 380 нм), а справа находится участок ин-
фракрасного (ИК) излучения (от 780 нм до 1 мм). На самом деле,
конечно, с точки зрения восприятия видимого света нельзя уста-
новить четких границ, поскольку они зависят от чувствительности
глаза конкретного наблюдателя. Все три вида излучения в научной
Рис. 1.3. Оптическое излучение
10 Гпава 1. Свет в вашем доме
литературе называются оптическим излучением. Недавно в диапа-
зон оптического излучения были также «зачислены» рентгенов-
ские лучи. В табл. 1.1 приведено более детальное описание диапа-
зонов оптического излучения.
Таблица 1.1. Диапазоны оптического излучения
Название излучения Длина волны, нм
Ультрафиолетовое излучение типа С (УФ-С) 100...280
Ультрафиолетовое излучение типа В (УФ-В) 280...315
Ультрафиолетовое излучение типа А (УФ-А) 315...380
Видимый свет 380...780
Инфракрасное излучение типа А (ИК-А) 780... 1400
Инфракрасное излучение типа В (ИК-В) 1400...3000
Инфракрасное излучение типа С (ИК-С) 3000 нм...1 мм
Все три вида традиционных видов оптического излучения ис-
пользуются в осветительной технике. Правда, УФ-излучение ис-
пользуют совместно с видимыми источниками в специальных це-
лях, для дезинфекции помещений, а ИК-излучение помогает при
проектировании вспомогательной аппаратуры (датчики движения,
дистанционные пульты управления). В рамках этой книги об
УФ-излучении мы будем лишь упоминать там, где это окажется
уместным, об ИК-излучении основательно вспомним лишь в по-
следней главе, а о видимом свете... собственно, разговор очень
подробный — ему посвящается данная книга!
УФ-излучение типа С (УФ-С) помогает нам загорать в солнеч-
ный день, УФ-излучение типа В (УФ-В) выступает катализатором
химических реакций, а УФ-излучение типа А (УФ-А) обладает
бактерицидным свойством (убивает микробы) и широко использу-
ется в медицине. Фотохимическое действие УФ-излучения легко
наблюдать, если положить обычную цветную фотографию на осве-
щенный солнцем подоконник: через некоторое время фотография
сильно изменит цветопередачу. Кроме этого, УФ-излучение с по-
мощью специальных веществ, называемых люминофорами, может
быть преобразовано в видимое излучение.
1.1. Что такое это чудо — свет?
11
А теперь давайте обратимся к нашей памяти и постараемся
вспомнить одно из самых ярких впечатлений детства. Вне всякого
сомнения, у большинства читателей это воспоминание связано с
радугой, появившейся на небе после уходящего дождя, в лучах не-
ожиданно вышедшего из-за туч солнца. Немного позже, уже в
школе, мы научились безошибочно называть последовательность
радужных цветов, используя мнемоническое правило-поговорку
«Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан». Эта совокуп-
ность цветов называется спектром. Проверим себя по рис. 1.3:
действительно, последовательность смены цветов в спектре имен-
но такая: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий,
фиолетовый. Как видно из рис. 1.3, красная область спектра имеет
максимальную длину волны, фиолетовая — минимальную. Легко
запомнить также, что инфракрасная (ИК) область примыкает к
«красной» части спектра видимого света, а ультрафиолетовая
(УФ) — к видимой фиолетовой.
История о том, как люди изучали спектр видимого света, дос-
таточно интересная и занимательная. Многие ученые, имена кото-
рых вписаны золотом в мировую науку, посвящали этому десяти-
летия жизни. Например, Исаак Ньютон одним из первых всерьез
исследовал радугу, что называется, «в домашних условиях». Сам
он описал этот опыт так: «В начале 1666 года я достал треугольную
стеклянную призму, чтобы с нею произвести опыты над знамени-
тым явлением цветов. Для этой цели, затемнив свою комнату и
проделав небольшое отверстие в оконных ставнях для пропуска-
ния в нужном количестве солнечного света, я поместил призму
там, где входил свет, так что он мог преломляться к противопо-
ложной стене. Зрелище живых и ярких красок, получавшихся при
этом, доставляло мне приятное удовольствие». Опыты были ус-
ложнены и продолжены. Через некоторое время в свет вышли мо-
нографии «Новая теория света и цветов» и «Оптика». Ньютон вы-
яснил, что лучи разного цвета по-разному преломляются в приз-
ме, а белый видимый свет состоит из набора лучей с разными
цветами.
Целых 20 лет жизни отдал изучению свойств спектра видимого
света немецкий поэт, философ и ученый И.-В. Гете. Он заинтере-
совался вопросом влияния цвета на эмоциональное состояние че-
ловека и после проведенных исследований написал книгу «Учение
о цветности». Гете считал, что каждый цвет уникальным образом
воздействует на человека: синий вызывает чувство холода, крас-
12
Гпава 1. Свет в вашем доме
ный возбуждает, зеленый умиротворяет, желтый приносит ра-
дость. Его заслуга — создание начал теории цветовой гармонии,
столь важной для дизайнерских разработок цвето-световой гаммы
помещений.
Одно из основных находок Гете — так называемый «круг есте-
ственных цветов», показанный на рис. 1.4. Круг имеет два тре-
угольника: треугольник основных (первичных) цветов СЖК и тре-
угольник дополнительных (дуплетных) цветов ФОЗ. Между вер-
шинами этих треугольников находятся смешанные цвета второго
порядка (КО, ЖО, ЖЗ, СЗ, СФ, КФ). Но где здесь голубой цвет?
По теории Гете голубой цвет отнесен к области цветов второго по-
рядка, занимающего положение между синим (С) и зеленым (3).
К - красный
КО - красно-оранжевый
О - оранжевый
Ж - жёлтый
ЖЗ - жёлто-зелёный
3 -зелёный
СЗ -сине-зелёный
С - синий
СФ - сине-фиолетовый
Ф - фиолетовый
КФ - красно-фиолетовый
Рис. 1.4. Круг естественных цветов Гете
Кто же прав — Ньютон, деливший круг на семь частей, или
Гете, деливший его на шесть частей, — до сих пор остается в не-
которой степени загадкой. Теория Гете более стройна и красива,
но во многом справедлив и Ньютон. Предоставим окончательное
решение проблемы специалистам-цветоведам. Нам же, пресле-
дующим сугубо практические цели, не стоит забывать, что цвет на
самом деле как таковой в природе не существует — это результат
восприятия электромагнитной волны человеческим глазом.
Кругом естественных цветов Гете активно пользуются дизайне-
ры, составляя цветовые сочетания. Как это не удивительно, но цве-
товые сочетания имеют научно обоснованные законы составления,
подтвержденные многочисленными экспериментами. Люди, обла-
дающие художественным вкусом, обычно интуитивно чувствуют,
какие два цвета можно совместить, поставить рядом, а какие —
нет. Экспериментально установлено, что наиболее привлекательны
и гармоничны контрастные сочетания, то есть сочетания К-3,
Ж-Ф, С-О, расположенные друг против друга в круге Гете. Гораздо
менее гармоничны сочетания, расположенные по сторонам обоих
треугольников, например, Ф-О, К-С. Гармоничными считаются
1.1. Что такое это чудо — свет? 13
сочетания, расположенные в круге под углом 90 градусов, к приме-
ру, ЖО-К, Ж-СЗ. Приятными для глаз могут оказаться также мо-
нохромные сочетания, то есть расположенные по соседству в круге
Гете: СЗ-С, С-СФ и аналогичные. Еще один дизайнерскйй при-
ем — одноцветные сочетания. Этот прием нам служит верную
службу, когда мы отправляемся обновлять свой гардероб и подби-
раем,' например, коричневые ботинки к коричневым перчаткам.
Эмоциональное состояние человека — теперь и это доказано —
зависит от цветовой обстановки вокруг него. В простейшем случае
цвета «красный», «оранжевый» и «желтый» воспринимаются как
«теплые»; «синий» и «фиолетовый» — как «холодные». Замечено
также, что «зеленый» имеет «теплые» и «холодные» оттенки.'
Наука о цветах и их гармоничным сочетании служит не только
удовлетворению эстетических потребностей человека. Конечно,
она подскажет, как эффектнее выглядеть на вечеринке, как соста-
вить цветочный букет, но этим не ограничивается ее применение.
Проведенные в начале XX века исследования показали, что в случае
выполнения человеком кратковременной интенсивной работы, его
силы мобилизуются при красном внешнем освещении и падают
при синем. Если же человек выполняет спокойную и длительную
работу, утомляемость быстрее наступает при синем и фиолетовом
свете, нежели при зеленом. В атмосфере оранжевого, желтого и
красного цветов учащается дыхание, ускоряется пульс, повышается
кровяное давление, усиливается аппетит. Синий, фиолетовый и зе-
леный цвета вызывают обратный эффект.
А вы, уважаемые читатели, никогда не замечали, что достаточ-
но в помещении сменить цветовую окраску люминесцентных
ламп, например, с «теплой» на «холодную», как помещение стано-
вится неуютным и хочется поскорее его покинуть? Не правда ли, в
таком случае очень трудно сразу найти внятное объяснение — тут
просто хочется «сменить обстановку» или «что-то поменять» без
всяких объяснений, интуитивно. Скажем больше: имеются досто-
верные статистические данные о снижении случаев травматизма
на производстве при проведении специальных работ по подбору
цветов окраски стен, станков, выбору цветовой гаммы осветитель-
ных приборов. В отдельных источниках утверждается, что науч-
ный подход к выбору цветовой палитры производственных поме-
щений позволяет снизить наполовину число несчастных случаев.
Выбор цветов для сигнальных устройств, кстати, регламенти-
руется международными стандартами. Зеленый цвет применяют
14
Глава 1. Свет в вашем доме
для обозначения работоспособного состояния, а красный сигна-
лизирует об аварии. Здесь же упомянем всем известный свето-
фор-регулятор уличного движения и строчки из детского стихо-
творения «красный свет — дороги нет», «...а зеленый свет — иди».
Некоторым читателям наверняка будет интересно узнать, что с
помощью цветовых оттенков можно управлять ростом флоры в
домашнем аквариуме. Если в аквариуме собраны растения из раз-
ных уголков земного шара, из разных естественных условий,
очень трудно подобрать оптимальный и единый для всех режим
освещения. Опытные аквариумисты выходят из положения сле-
дующим образом: они комбинируют лампы с разным спектраль-
ным составом (лампы накаливания и люминесцентные лампы).
* * *
Но мы достаточно углубились в премудрости дизайнерских и
естественных наук, чтобы пока на этом остановиться (у нас впере-
ди — целый тематический раздел) и вернуться к разговору о том,
что же такое на самом деле свет и как он воспринимается челове-
ческим глазом. Здесь нам поможет наука анатомия, которая пре-
доставит сведения о строении уникального природного оптиче-
ского прибора, прообраза видеокамеры, более известного как «че-
ловеческий глаз».
На рис. 1.5 в упрощенном виде показан этот самый «глаз». Он
имеет оболочку «1», на внутренней стороне которой имеется све-
точувствительная поверхность «2», более известная как сетчатка.
Информация с сетчатки по зрительному нерву «3» поступает в го-
ловной мозг. Для «настройки на резкость» и адаптации к различ-
Рис. 1.5. Устройство глаза человека
1.1. Что такое это чудо — свет?
15
ной яркости освещения служат стекловидное тело «4», линза «5» и
радужная оболочка с хрусталиком «6». Внешне глаз защищен рого-
вой оболочкой «7». Наиболее интересным элементом глаза являет-
ся сетчатка. Она состоит из огромного количества ячеек, образо-
ванных так называемыми палочками и колбочками. Палочки чувст-
вительны только к интенсивности света и различать цвета не в
состоянии. Их функция — «работать» в условиях малой освещен-
ности (так называемое «сумеречное зрение»). Другой вид свето-
чувствительных элементов — колбочки — в состоянии различать
и интенсивность света, и цвет («дневное зрение»). Всего в сетчат-
ке глаза насчитывается около 120 миллионов палочек и 6 миллио-
нов колбочек.
Колбочки в условиях низкой интенсивности освещения теряют
возможность различать цвета, и этим объясняется потеря чувстви-
тельности глаза к цвету в условиях затемнения. Другими словами,
бессмысленно искать «черную кошку в темной комнате», посколь-
ку «ночью все кошки — серые». В темное время суток мы плохо
различаем цвета, но в состоянии определить, что зеленый предмет
субъективно светлее красного.
Чувствительность глаза к различным длинам световых волн не-
однородна, о чем свидетельствует рис. 1.6, называемый «графиком
относительной световой эффективности». Более того, чувстви-
тельность глаза зависит от интенсивности освещения. Как видно
из рис. 1.6, максимум чувствительности «дневного зрения» (кри-
Рис. 1.6. График относительной световой эффективности
16
Гпава 1. Свет в вашем доме
вая 1) приходится на длину волны порядка 555 нм («желтая» об-
ласть), а максимум чувствительности «сумеречного зрения» (кри-
вая 2) смещается в «зеленую» область — к длине волны 507 нм. Из
графика также видно, что субъективно источники зеленого и си-
него света с одинаковой интенсивностью будут восприняты как
источники со значительным отличием интенсивности.
Человеческий глаз — очень сло^кный, а потому и очень «гиб-
кий» прибор, умеющий достаточно быстро адаптироваться к изме-
нению условий окружающей среды. Сужением и расширением
зрачка глаз настраивается на конкретную яркость освещения, при-
чем адаптация сетчатки при переходе из темноты к свету происхо-
дит практически мгновенно, а при переходе из светлой среды в
темную она займет несколько минут. По этой причине после рез-
кого выключения света в помещении нам кажется, что вокруг
«кромешная темень», и только спустя некоторое время начинаем
различать предметы, контуры и т. д. В кинотеатрах и концертных
залах по этой причине свет гасят не резко, а постепенно убавляют
его интенсивность.
Глаз до некоторой степени может адаптироваться и к цветовой
гамме, подгоняя ее под естественное (солнечное) освещение. Как
это происходит? Например, вечером, за праздничным столом вам
захотелось сфотографировать сидящих напротив друзей. Вы берете
фотоаппарат, выдвигаете вспышку и нажимаете на спусковую
кнопку, но вспышка — увы — не срабатывает.. Позже, получив
фотографии, вы отметите, что изображение «страдает» желтизной,
и «спишите» дефект на недостаточное освещение. На самом деле
«желтизну» фотографии придают лампы накаливания, которые
имеют характерный спектр излучения. Глаз тоже чувствует «жел-
тизну», но поскольку человеку более приятен солнечный свет,
включается механизм компенсации. Кстати, современные цифро-
вые фотоаппараты имеют опции настройки съемки в условиях ис-
кусственного освещения (под спектр ламп накаливания, люминес-
центных ламп, галогенных ламп).
* * *
Закончив с анатомией, вернемся к физике, а именно к элек-
тромагнитным излучениям и разберемся с таким часто встречаю-
щимся понятием, как цветовая температура. Вне всякого сомне-
ния, те читатели, кто хотя бы раз покупал или настраивал компь-
ютерный дисплей, с этим понятием встречались. Ну а те, кто пока
1.1. Что такое это чудо — свет?
17
не встречался с ним, наверняка спросят, к чему этот рассказ? От-
вечаем: чуть позже, когда мы будем рассказывать о конкретных
источниках света, знание законов, определяющих цветовую тем-
пературу, нас очень выручит.
Итак, законы физики утверждают, что любой предмет, абсо-
лютная температура которого более О °К, испускает тепловое излу-
чение в инфракрасной (ИК) части оптического диапазона. Напом-
ним, что между температурой в абсолютной температурной шкале
Кельвина и в температурой по привычной нам шкале Цельсия оп-
ределяется из следующего соотношения:
Тс=Тк-273, (1.2)
где Тк — температура по абсолютной шкале, °К;
Тс — температура по шкале Цельсия, °C.
При нагревании предмета излучение в инфракрасной части
спектра усиливается, потом (с повышением температуры) начина-
ется излучение в видимой красной части спектра. Далее следуют
желтый и фиолетовый цвета, возникает ультрафиолетовое (УФ)
излучение. Вы не раз наблюдали этот процесс, например, при ра-
боте спиральной электроплитки. Сначала спираль разогревается
без света, потом накаляется «докрасна». Температура начала све-
чения приблизительно равна 1200 °К. В некоторых случаях, при
возникновении неисправности, связанной с замыканием части
витков, спираль раскаляется до оранжевого свечения (приблизи-
тельно 2000 °К) и даже почти «добела», то есть излучает желтый
свет (температура — 3000 °К). Это состояние для спирали электро-
плитки считается аварийным. — она быстро перегорает, то есть
расплавляется. Если бы спираль не перегорала, мы смогли бы по-
лучить чисто белый свет, голубой, синий и фиолетовый!
«Хорошо, — скажет читатель, — но мы видим предмет уже за-
долго до того, как он начинает излучать видимый свет». Почему?
Здесь тоже все просто: свет бывает как излученным, так и отражен-
ным. Излученный свет мы видим в том случае, если предмет испус-
кает электромагнитные волны в диапазоне видимого света. Этот
свет может быть как-то окрашен в случае излучения неполного или
неравномерного спектра волн, либо приближаться к белому — ес-
ли спектр полный и равномерный. Но световое излучение, как
электромагнитные волны других диапазонов, может отражаться от
препятствий, меняя направление своего движения. Именно благо-
18
Глава 1. Свет в вашем доме
даря отраженным световым волнам мы наблюдаем предметы, не
излучающие в нужной части спектра.
Очевидно, что белый лист бумаги, черная обложка книги,
красный корпус ручки видны на столе только потому, что от них
отражается белый свет настольной лампы. Но почему белый — это
белый, черный — это черный, а красный — это красный? Почему,
скажем, все названные предметы не окрашиваются светом на-
стольной лампы в белый цвет (или, если точнее, то в отсутствие
цвета)? Дело в том, что разные поверхности имеют разную спо-
собность к отражению. Белая бумага равномерно и максимально
отражает падающий на нее свет, черная обложка максимально и
равномерно поглощает падающий свет, а красный корпус ручки
поглощает только «зеленую» и «синюю» части излученного спек-
тра световых волн. Именно неравномерность спектрального по-
глощения придает «холодным» поверхностям предметов цвета!
Кстати, если мы подсветим те же самые предметы светом, отлич-
ным от белого, эти предметы поменяют цвета. И если читатель
считает, что изменение гаммы отраженного света не так важно,
спешим его уверить — важно, да еще как! Представьте, что вы вы-
брали в зале магазина с «авангардным» искусственным освещени-
ем «сногосшибательную вещицу». Выйдя затем на улицу, на яркий
солнечный свет, вы можете серьезно разочароваться, обнаружив
на «вещице» грязные пятна, которых в магазине просто не было
видно из-за соответствующего цветового оттенка освещения...
Как можно синтезировать цвета? Известно, что любой цвет
можно получить смешением в соответствующей пропорции трех
основных цветов. Например, многоцветье экрана телевизора или
компьютерного монитора «вырастает» всего из трех цветовых то-
нов: красного (red, R), зеленого (green, G), синего (blue, В). Со-
ответственно эта цветовая модель носит название RGB-модели.
В полиграфии используется другая цветовая модель — CMYK
(cyan-magenta-yellow и градация серого). Модель RGB использу-
ется в условиях излучаемого света, а модель CMYK — в условиях
отраженного. Почему именно так, а не иначе, мы рассказывать
не будем — это выходит за рамки темы данной книги. Для чита-
теля наверняка будет интересным найти ответ на такой вопрос:
сколько цветовых оттенков существует и сколько их может раз-
личить глаз? Теоретически таких оттенков существует бесконеч-
ное множество, поскольку бесконечно количество цветовых гра-
даций, но человеческий глаз в состоянии различить порядка
1.1. Что такое это чудо — свет?
19
10... 12 миллионов оттенков — такова «разрешающая цветовая
способность» глаза.
* * *
Еще раз взглянем на черную обложку книги и вспомним, что
черная поверхность является наихудшим отражателем оптических
волн. Световая волна просто поглощается ей, и чем «чернее» по-
верхность, тем меньше отражение. А существует ли предел этой
«черноты»? Да, существует! В физике этот предел называется абсо-
лютно черным телом. Такое тело поглощает всю падающую на не-
го энергию электромагнитных волн любой длины, причем — при
любой температуре его поверхности. «Абсолютно черное тело» не
отражает волны, но может их излучать при нагревании, в том чис-
ле и в видимой части спектра. Характеристики излучения этого
тела, в том числе спектральный состав излучения, зависят только
от его температуры, и более ни от чего.
Заманчиво, не правда ли? Спешим разочаровать читателя: аб-
солютно черных поверхностей в природе не существует, поэтому в
своих исследованиях физики пользуются их моделями. Отличной
моделью в физических опытах служит, например, глухая коробка с
отверстием. Отверстие пропустит электромагнитную волну, и да-
лее она «запутается» внутри коробки.
Другая замечательная способность «абсолютно черного те-
ла» — наилучшая излучающая способность. Другими словами, ни
одно другое реальное тело, нагретое до той же температуры, что и
«абсолютно черное тело», не сможет «выдать» в пространство
больше энергии. О чем это говорит? Читатели, знакомые с элек-
тронной техникой, наверняка знают, что охладители мощных
электронных компонентов (радиаторы) всегда стараются покры-
вать черным покрытием для улучшения теплоотдачи.
Нам понадобится также определение серого тела. Серое — от-
нюдь не означает, что его поверхность напоминает мышиную
шкурку. «Серое тело» поглощает только часть падающей на него
энергии электромагнитной волны, но характеристика поглощения
равномерна во всем диапазоне длин волн. Если нагреть «серое те-
ло» и «абсолютно черное тело» до одной и той же температуры, то
спектральный состав электромагнитных волн, излучаемый ими,
будет одинаков. Разница окажется только в масштабе: «абсолютно
черное тело» будет излучать интенсивнее.
Установлено, что по максимуму мощности излучения в спек-
тральной области можно с высокой точностью определить темпера-
20
Глава 1. Свет в вашем доме
туру «серого тела» и с некоторым незначительным допущением —
для «абсолютно черного тела». Именно она и называется цветовой
температурой. Эта температура совпадает с истинной температурой
тела, а определяется в соответствии с законом смещения Вина:
г = 229_102 (1.3)
К
где Т — цветовая температура «серого тела», °К;
Хт — длина волны максимальной мощности излучения, м.
Удивительно, но наша «дневная звезда» Солнце, а также дру-
гие звезды — все это примеры практически «абсолютно черных
тел», идеальных излучателей электромагнитных волн. Пользуясь
формулой (1.3), была вычислена цветовая температура поверхно-
сти Солнца, которая составляет 5600 °К.
А можем ли мы решить обратную задачу — по цветовой темпе-
ратуре определить длину волны максимальной мощности излуче-
ния? Да, можем! Это делается с помощью все той же форму-
лы (1.3), но для нас это не так важно. Гораздо важнее другое: по
значению цветовой температуры, указанной для конкретного ис-
точника света, мы сможем оценить, насколько спектр излучаемого
им света близок к спектру идеализированного источника излуче-
ния. Естественно, при условии, что закон распределения мощно-
сти излучения по спектру источника совпадает со спектральным
распределением излучения «абсолютно черного тела», или, в край-
нем случае, достаточно близок к нему. К счастью, большинство ис-
пользуемых на практике источников света обладают близкими к
«абсолютно черному телу» законами распределения излучения, по
крайней мере, в диапазоне видимого света. Но тогда возникает во-
прос: почему они не разогреваются до высоких температур, свойст-
венных «абсолютно черным телам»? Ответ прост: происходит лишь
качественное повторение картины распределения излучения по
длинам волн, конкретная же мощность излучения оказывается во
многие разы меньше — источник представляет собой «серое тело».
В табл. 1.2 приведены значения цветовых температур для ти-
пичных источников светового излучения, используемых повсеме-
стно. Они обычно маркируются на заводской упаковке и позволя-
ют быстро определиться с нужным типом лампы в магазине элек-
тротоваров.
В дальнейшем, когда будем подробнее рассматривать конкрет-
ные источники света, мы вернемся к цветовой температуре. А пока
1.1. Что такое это чудо — свет?
21
Таблица 1.2. Цветовые температуры различных источников света
Наименование источника света Цветовая температура, °К
Пламя спички 1700
Пламя свечи 1200... 1800
Лампа накаливания 75 Вт 2800
Лампа накаливания 100 Вт 2900
Лампа накаливания 200 Вт 3000
Маломощная галогенная лампа 2200...3000
Фотолампа накаливания 3400
Люминесцентная лампа 2700...6500
Ксеноновая лампа 5290
Фотографическая лампа-вспышка 6000
Металлогалогенная лампа 6000
Дневной свет 5600
Зимнее небо 7500
Экран компьютерного монитора 6500, 9300
продолжим разговор об «абсолютно черных телах» и изучим приве-
денный на рис. 1.7 график распределения мощности излучения в
зависимости от его температуры. Хорошо видно, что с повышени-
ем цветовой температуры максимум смещается к УФ диапазону.
К сожалению, цветовая температура не может однозначно ха-
рактеризовать источник света с точки зрения цветового воспри-
ятия. Чуть выше мы не случайно оговорились, что реальные ис-
точники света лишь до некоторой степени имитируют излучение
«абсолютно черного тела». Степень этой близости, конечно, мож-
но определить, измерив спектральное распределение излучаемой
энергии. Но выполнить эту работу возможно в лабораторных ус-
ловиях, пользуясь дорогостоящей специальной техникой. Понят-
но, что подавляющее большинство читателей книги воспользо-
ваться такой лабораторией не смогут.
Почему так важно знать реальный характер спектрального рас-
пределения? Вспомните купленную в магазине рубашку, которая
на солнечном свету покрылась пятнами, и все станет ясно: при
искусственном освещении цвета были переданы недостоверно, что
22
Гпава 1. Свет в вашем доме
Рис. 1.7. Излучение «абсолютно черного тела»
и разочаровало впоследствии. Другими словами, источник света
должен иметь такой спектр, который сможет правильно осущест-
вить цветопередачу (естественно, при соответствующей цветовой
температуре). Но наличие двух ламп с одинаковой цветовой тем-
пературой отнюдь не дает гарантию обеспечения одинаковой цве-
топередачи. Более того, не имея перед глазами образца правиль-
ной (эталонной) цветопередачи, невозможно сказать, какая из
двух выбранных ламп в данном отношении «правильнее».
Учитывая сказанное, все серьезные производители источников
света нормируют вместе с цветовой температурой еще и цветопе-
редачу своих осветительных приборов. Как это делается? Посколь-
ку спектр излучения обычной лампы накаливания близок к спек-
тру излучения «абсолютно черного тела», в качестве эталона для
оценки цветопередачи используют эту самую лампу накаливания
(ее цветовая температура очень близка к реальной температуре
спирали). К сожалению, даже эталонную лампу накаливания не
удастся «раскачать» на цветовую температуру более 4000 °К, по-
этому для оценки цветопередачи источников с более высокой цве-
товой температурой разработали эталонный источник света D65 с
цветовой температурой 6500 °К, имитирующий небо, закрытое до-
ждевыми облаками. Итак, запомните: для оценки цветопередачи
ламп с цветовой температурой менее 4000 °К используют излуче-
ние «абсолютно черного тела», а с температурой более этого зна-
чения — эталонный источник D65.
1.1. Что такое это чудо — свет? 23
Традиционно типовая цветопередача ламп оценивается показа-
телем Ra, называемым коэффициентом цветопередачи или общим
индексом цветопередачи. Коэффициент Ra проставляется в сопро-
водительной документации на конкретную лампу, маркируется на
упаковочных коробках и даже на корпусе лампы, если позволяет
место. Наилучшая цветопередача, сравнимая с эталонной, приня-
та за 100 единиц, наихудшая — за 0 единиц.
Методика определения коэффициента Ra содержится в между-
народном стандарте DIN6169. Суть методики следующая: на неко-
торой поверхности раскладывается восемь цветовых образцов
(в некоторых случаях число образцов дополняется еще шестью с
красками максимальной насыщенности), затем образцы освеща-
ются эталонным источником света. Затем эти же образцы освеща-
ются испытываемой лампой и производится замер разницы в цве-
топередаче эталонного и тестируемого источника. Полученные
данные усредняются по всем образцам.
Более грубая оценка цветопередачи осуществляется по парамет-
ру степени цветопередачи. В табл. 1.3 приведены значения коэффи-
циента цветопередачи для знакомых всем источников света, а так-
же соответствующие им степени цветопередачи. Кроме того, там же
приводится качественная оценка на уровне «хорошо—плохо».
Чтобы читателю оценить диапазон цветов, в котором произво-
дится проверка, перечислим эти. эталонные цвета: «цвет увядшей
розы» (R1), «горчичный» (R2), «салатовый» (R3), «светло-зеленый»
(R4), «бирюзовый» (R5), «небесно-голубой» (R6), «цвет фиолетовой
астры» (R7), «сиреневый» (R8). Названия дополнительных цветов
высокой насыщенности: «красный» (R9), «желтый» (R10), «зеле-
ный» (R11), «синий» (R12), «цвет кожи» (R13), «цвет зеленого лис-
та» (R14). Графически методика оценки Ra приведена на рис. 1.8.
Таблица 1.3. Цветопередача типовых источников света
Коэффициент цветопередачи Степень цветопередачи Оценка цветопередачи Тип лампы
Более 90 1А Очень хорошо Галогенная
80...89 1В Хорошо Люминесцентная
70...79 2А Хорошо Люминесцентная
60...69 2В Хорошо Люминесцентная
40...59 3 Достаточно Люминесцентная
Менее 39 4 Недостаточно Натриевая
24
Гпава 1. Свет в вашем доме
Рис. 1.8. Методика оценки коэффициента цветопередачи Ra
Описанная методика, естественно, не позволяет точно оцени-
вать цветопередачу, но для практической работы со стандартны-
ми источниками освещения, если они не используются для фо-
тосъемки и видеосъемки, вполне можно удовлетвориться значе-
нием Ra.
1.2. Не обойтись без фотометрии
Разобравшись с проблемой правильной цветопередачи, перейдем
к другой проблеме, а именно — оценке освещения с точки зрения
его достаточности для нормальной жизнедеятельности. Без знания
этого вопроса мы не сможем приступить к рассмотрению степени
экономичности того или иного типа освещения. Более того, сегодня
разработаны и введены в действие государственные и международ-
ные стандарты, которые жестко нормируют качество освещения, по-
скольку от этого в значительной степени зависит здоровье человека,
безопасность его жизни. Поэтому проведение световых измерений
становится не только полезной, но и просто необходимой задачей.
Наверняка вы, уважаемый читатель, меняли обыкновенную
электрическую лампочку в люстре только из-за того, что она не-
достаточно хорошо освещала комнату. При выполнении такой за-
мены обычно говорят, что установленная лампа слишком «туск-
лая» и надо бы ее поменять на «более яркую». Также понятно
всем, что миниатюрной лампочкой от карманного фонарика не
осветишь концертный зал — для этого необходимо использовать
значительно более «мощные» источники.
Стоп! Вот мы и нащупали «ниточку», которая позволит нам в
количественном отношении оценивать то «количество света», ко-
торое может произвести тот или иной световой прибор. Это —
1.2. Не обойтись без фотометрии
25
энергетические величины. Но почему именно они? Из физики из-
вестно, что любая электромагнитная волна, в том числе и свето-
вая, переносит энергию, и если нам каким-то образом удастся из-
мерить ее энергию, мы сможем дать источнику света конкретную
числовую характеристику.
Теперь давайте вспомним, как мы выбираем в магазине лампу
накаливания. Делается это очень просто — мы оцениваем ее «свето-
вую производительность» через потребляемую электрическую мощ-
ность, зная «на глазок», как светится лампа той или иной мощно-
сти. Соответственно лампа накаливания с потребляемой мощно-
стью 25 Вт окажется «тусклее», чем лампа с мощностью 60 Вт.
Однако здесь не все так просто: лампа «дневного света» с такой же
потребляемой электрической мощностью «произведет» гораздо
больше света! Почему это так, мы поговорим чуть позже, а сейчас
для нас пришло время признать очевидный факт: для оценки «све-
товой производительности» источника света должны использовать-
ся специальные — световые — величины. Соответственно, нам
придется обратиться к науке с названием фотометрия.
На рис. 1.9 показаны основные физические величины, назы-
ваемые фотометрическими величинами. Основная величина фото-
метрии, «начало ее начал» — это лучистая энергия (обозначается в
литературе символом We). Лучистая энергия непосредственно пе-
реносится световой волной или совокупностью световых волн во
всем спектре. Единица измерения лучистой энергии — хорошо
знакомый нам джоуль (Дж). Единственный недостаток лучистой
энергии кроется в том, что пока еще не придуман прибор, кото-
рый сможет ее измерить непосредственно, а только косвенно —
при помощи соответствующей математической обработки данных.
м L I
Светимость ч J Яркость L J Сила света к )
We Фе Ф, ФХ
Лучистая энергия у Лучистый 1 ПОТОК у Световой поток >
Е
Освещенность
Рис. 1.9. Основные величины фотометрии
26
Гпава 1. Свет в вашем доме
Количество лучистой энергии, переносимой световой волной в
единицу времени, носит название лучистый поток (обозначается
символом Фс). Эта физическая величина связана с лучистой энер-
гией следующим соотношением:
И'
Ф = -^-, (1.4)
где t — некоторый промежуток времени.
Лучистый поток измеряется в ваттах (Вт), а его физический
смысл можно понять, проведя аналогию с электрической мощно-
стью — это фактическая мощность излучения света от конкретно-
го источника. Отметим также, что лучистый поток может с тече-
нием времени меняться, тогда лучистая энергия источника может
быть найдена суммированием произведений лучистых потоков и
промежутков времени, на которых лучистый поток оставался не-
изменным. И, что намного важнее, лучистый поток уже можно
измерять физическими приборами.
Человеческий глаз может выступать качественным прибором для
оценки лучистого потока. Качественным — не в смысле «очень хоро-
шим», а в смысле «не дающим конкретных числовых значений», но
лишь с субъективно-оценивающим свойством. Впрочем, профес-
сионалы-фотометристы, основываясь на практическом опыте, смо-
гут «на глазок» дать даже приблизительную числовую оценку...
Вернемся к рис. 1.6 и вспомним, что глаз человека по-разному
воспринимает световые волны в зависимости от их длины. Это
означает, что если расположить рядом две лампы с одинаковой
мощностью излучения, но имеющих колбы разных цветов, то ка-
кая-либо из этих ламп субъективно станет казаться человеку ярче,
чем соседняя. К примеру, при сравнении яркости зеленой и си-
ней ламп более яркой окажется зеленая. Чтобы учесть специфику
человеческого глаза, в фотометрии была введена еще одна физи-
ческая величина — световой поток. Обозначается световой поток
символом Фх в случае монохроматического излучения (излучения с
определенной длиной волны, строго одноцветного) или симво-
лом Ф в случае излучения спектра волн. Рассказывая о названной
физической величине, сразу оговоримся: световой поток имеет
две единицы измерения — ватты и люмены (лм), из-за чего может
возникнуть некоторая путаница. Не стоит ее пугаться, так как со-
отношение между единицами измерения заключается только в
коэффициенте пересчета. Кроме того, ватты являются так назы-
1.2. Не обойтись без фотометрии
27
ваемой энергетической единицей измерения, а люмены — свето-
вой единицей.
Световой поток монохроматического излучения может быть
найден расчетным способом по формуле:
Фх=ФеИ(Х), (1.5)
где К(А.) — функция относительной световой эффективности (см.
рис. 1.6).
При определении светового потока спектрального излучения
Ф необходимо просуммировать монохроматические световые по-
токи по всему спектру с учетом относительной световой эффек-
тивности на конкретной длине волны. Расчет по формуле (1.5) ве-
дется в ваттах, которые для величины Фх и Ф получают приставку
«световые».
А теперь представим формулу (1.6) расчета того же светового
потока монохроматической волны, но уже в люменах:
Фх =683ФеК(Х). (1.6)
Интегральная величина светового потока Ф при спектральном
излучении определяется суммированием потоков монохроматиче-
ских излучений, вычисленных в люменах по формуле (1.6) во всем
спектральном световом диапазоне (или его части, если какие-то
длины волн в спектре отсутствуют).
Загадочный коэффициент «683», появившийся в формуле (1.6),
не случайно имеет именно такое значение, и его появление в фи-
зике обусловлено историей: фотометрия возникла во времена, ко-
гда не существовало других стабильных источников света, кроме
свечей. Международными метрологическими соглашениями за-
креплено следующее правило: лучистый поток монохроматическо-
го излучения с длиной волны 555 нм и величиной в 1 ватт ра-
вен 683 люменам. Порадуем читателя: измерение светового потока
в световых ваттах используется крайне редко, а в практических
расчетах пользуются именно люменами!
Как уже было сказано выше, световой поток любого источника
можно рассчитать теоретически или измерить специальными при-
борами. Более того, существует специальная справочная литерату-
ра и техническая документация, в которой приводятся конкретные
значения световых потоков. Эта информация, конечно, имеет дос-
таточно большое значение, но нам гораздо интереснее будет сейчас
оценить эффективность источников света с точки зрения преобра-
28
Глава 1. Свет в вашем доме
зования электрической энергии в световую. С целью такой оценки
введен вспомогательный фотометрический параметр, называемый
световой отдачей (л). Этот, по сути, безразмерный коэффициент
показывает, насколько полно используется электрическая энергия
в источнике света определенного типа. И хотя во всех справочни-
ках световая отдача приводится в [лм/Вт], мы легко сможем нор-
мировать ее к единице, разделив приведенное значение на 683.
Вам ничего не напомнила световая отдача? Тогда вспомните оп-
ределение коэффициента полезного действия (КПД) и закон сохра-
нения энергии! Затратив 1 Вт электрической мощности, мы никогда
не сможем получить величину светового потока более 683 лм, при-
чем такой источник должен быть строго монохроматическим и из-
лучать электромагнитную волну только на частоте 555 нм. Световая
отдача у такого теоретического источника составит 683 лм/Вт.
У идеального источника белого света рассматриваемая величина
меньше — около 200 лм/Вт. Реальные световые источники, конеч-
но, обладают худшей световой отдачей, в некоторых случаях — зна-
чительно худшей. Примерные числовые значения для разных типов
источников света приводятся в табл. 1.4. Эту таблицу можно считать
отправной точкой нашего разговора об экономичном освещении.
Наиболее дешевым и эффективным источником белого света
на сегодняшний момент является люминесцентная лампа. Осваи-
Таблица 1.4. Световая отдача различных источников
Наименование источника Световая отдача, лм/Вт
Неоновая лампа 1
Лампа Эдисона (с угольной нитью) 3
Стандартная лампа накаливания 12
Стандартная галогенная лампа 22
Ксеноновая лампа накаливания 25
Ртутная лампа высокого давления 50
Металлогалогенная лампа 80
Люминесцентная лампа 75...100
Светодиоды белого свечения 35...95
Натриевая лампа высокого давления 120...140
Натриевая лампа низкого давления 170
1.2. Не обойтись без фотометрии
29
вается еще более эффективный — светодиодный — источник бе-
лого света. Натриевые лампы, обладающие максимальной свето-
вой отдачей, имеют ярко выраженную цветовую окраску света, по-
этому их можно применять далеко не везде... Но мы забегаем
немного вперед!
* * *
Возвращаемся к фотометрии. До сих пор мы считали, что изу-
чаемые нами источники света дают равномерное излучение во все
стороны пространства, в котором они находятся (так называемые
точечные излучатели). В жизни такое, конечно, бывает, но не все-
гда. Часто встречается пространственная неравномерность излуче-
ния. Типичные примеры неравномерного пространственного из-
лучения — прожектор, карманный фонарик, лампа накаливания с
зеркальным отражателем. Какие единицы измерения будут харак-
теризовать их?
Чтобы осознанно двигаться дальше, нам необходимо немного
отступить в сторону и рассказать о таком широко применяемом в
фотометрии понятии, как телесный угол. Взглянем на рис. 1.10, на
котором изображен источник света, помещенный в центре непро-
зрачной сферы с радиусом R. Пусть источник обладает произволь-
ной пространственной неравномерностью излучения, тогда на
внутренней поверхности этой сферы он «нарисует» некоторое бес-
форменное пятно, имеющее величину площади, равную S. Телес-
ный угод со, образованный световым пятном, определится так:
ю = Л- (Е7)
R
В отличие от хорошо известных плоскостных углов, измеряе-
мых в радианах (или градусах), телесные углы измеряются в стера-
дианах (ср). Если площадь 5 на нашей сфере будет равна квадрату
ее радиуса R, именно такой телесный угол и будет равен 1 стера-
диану. Если же источник света окажется точечным и излучающим
во все стороны, его телесный угол определится по полной площади
сферы. Загляните в справочник по математике, а именно в раздел,
где приводятся формулы расчета площади простейших поверхно-
стей, и убедитесь, что телесный угол точечного источника будет
равен 4л или 12,56 стерадиан. Естественно, масштаб единиц изме-
рения R и Одолжен быть одинаковым (например, метры и квадрат-
ные метры).
30
Гпава 1. Свет в вашем доме
Рис. 1.10. Определение телесного угла
Какой источник в фотометрии считается точечным? Какие
критерии определяют его? Строгое математическое определение
точечных источников достаточно сложно, но для наших практиче-
ских целей можно принять, что при соотношении около 5 между
максимальным линейным размером источника и расстоянием до
точки наблюдения ошибка от «неточечности» будет 4...5 процен-
тов, и ею можно просто пренебречь.
Именно теперь мы, наконец, можем ввести новую единицу из-
мерения фотометрических величин, называемую силой света. Ма-
тематическая формула для определения силы света следующая:
со
(1.8)
Сила света — характеристика пространственной плотности
светового потока. Она показывает, насколько интенсивно проис-
ходит излучение в том или ином направлении от источника света.
Измерение силы света осуществляется в канделах (кд). Источник,
излучающий световой поток 1 лм в телесном угле 1 ср, как раз
имеет силу света в 1 канделу.
Кандела (candela — англ.) в переводе с иностранного языка оз-
начает «свеча». Другими словами, силу света измеряют в “^свечах».
Почему? Так сложилось исторически: мы уже говорили, что во
времена появления единиц измерения фотометрии не существова-
ло других стабильных световых источников, кроме свечей. Тем бо-
лее, что всем известная белая стеариновая свечка, которая прода-
1.2. Не обойтись без фотометрии
31
ется в хозяйственных магазинах и которая разыскивается в потем-
ках, если в доме пропадает «электричество», имеет силу света в
1 канделу. Так как свечка с большой степенью точности может
считаться точечным источником излучения, ее световой поток ра-
вен 12,56 лм.
Иногда в быту подменяется понятие электрической мощности
и силы света, когда 40-ваттную лампу называют «лампой в 40 све-
чей». Конечно, все понимают, о чем идет речь, но с точки зрения
физики подобная подмена понятий неверна.
Теперь мы вспомним про карманный фонарик, излучение ко-
торого заключено в некотором телесном угле. Причем, если вни-
мательно изучить структуру светового пятна, то окажется, что са-
мый яркий участок будет в его центре, по мере удаления от центра
пятно бледнеет и вблизи границ едва различимо. Поскольку имен-
но так ведет себя подавляющее большинство реальных осветитель-
ных приборов, серьезные фирмы-производители обязательно при-
водят в своих каталогах так называемые кривые силы света (КСС),
которые отлично характеризуют не только собственно лампы, но и
светильники, в которых эти лампы устанавливаются.
На рис. 1.11, а показан светильник типа 2DYS28/3500, выпус-
каемый фирмой Thom, а на рис. 1.11, б — его кривая силы света
(КСС). На рис. 1.12 показан прожектор PAR56-1000W той же фир-
мы, на рис. 1.12, б — КСС данного прожектора.
В первом случае график КСС представлен в полярных коорди-
натах, во втором случае — в линейных. С линейными координата-
ми все ясно: по горизонтальной оси отложены углы поворота от-
носительно линии максимальной интенсивности излучения, по
Рис. 1.11. Светильник 2DYS28/3500 (а) и его кривая силы света (б)
32
Гпава 1. Свет в вашем доме
Рис. 1.12. Прожектор PAR56-1000W (а) и КСС (б)
вертикальной оси — сила света. Для полярных координат линия
максимальной интенсивности излучения расположена вертикаль-
но, от нее отсчитываются (в положительную и отрицательную сто-
рону) углы поворота. Линии равной силы света представляют со-
бой концентрические окружности. При построении КСС в поляр-
ных координатах на каждом угле поворота измеряют силу света и
наносят ее на поле графика, затем соединяя линией. Так получа-
ется показанный на рис. 1.11 «лепесток». Встречаются более слож-
ные формы КСС.
КСС для осветительных приборов принято нормировать к ве-
личине 1000 лм. Означает это, что график строится для гипотети-
ческой лампы со световым потоком в 1000 лм, которая как бы ус-
танавливается в осветительный прибор. Чтобы перейти к реально-
му источнику света, необходимо данные графика пересчитать,
умножив приведенную силу света на световой поток реального ис-
точника и разделив полученный результат на 1000.
Почему используются две системы представления силы света?
Ответ напрашивается сам собою: линейная система координат
подходит для источников света с малыми телесными углами свето-
вого потока, или, проще говоря, с узкими лучами (прожекторы).
Тогда легко менять масштаб горизонтальной оси, ограничив его
пределами (+20, -20) градусов, а не (+90, -90), как на рис. 1.12, б).
Заметьте: мы рассказали о простом случае симметричного излу-
чения. Симметрию светового потока формирует световой прибор, и
в пространственном представлении «лепесток» с рис. 1.11, б в этом
1.2. Не обойтись без фотометрии
33
случае превратится в «капельку» с круглым поперечным сечением.
Но если источник несимметричен — а это всегда так, если освети-
тельным прибором является длинная трубка люминесцентной лам-
пы — приводят КСС для двух плоскостей (вертикальной и горизон-
тальной). Тогда пространственный «лепесток»-график силы света в
поперечным сечении становится эллиптическим. В особо сложных
случаях приводят трехмерный пространственный график или со-
ставляют математическую модель излучения, пригодную для спе-
циализированных расчетных программ. Об использовании таких
программ мы будем вести разговор в этой главе.
* * *
Если вы думаете, что на этом разговор о фотометрических ве-
личинах заканчивается, вы ошибаетесь. Ведь источник света сам
по себе представляет небольшой интерес, разве что это — уни-
кальный, редкий, антикварный вариант. В большинстве же случа-
ев световой прибор используется для освещения конкретного ра-
бочего места, конкретного помещения, конкретного предмета.
А это значит, что необходимо иметь еще несколько фотометриче-
ских единиц измерения.
Для оценки степени освещения конкретного места вводится
понятие освещенности. Обозначается освещенность символом Е и
измеряет световой поток, падающий на некоторую освещаемую
площадь; определяется по формуле
Ф
E = f-, (1.9)
^Р
где Sp — площадь освещаемой поверхности.
По своей сути освещенность — это поверхностная плотность
светового потока, падающего на освещаемую им поверхность.
Формула (1.9) позволяет вычислить так называемую среднюю осве-
щенность, то есть принятую с допущением о пространственном
постоянстве падающего светового потока. Реально освещенность в
каждой точке освещаемой площади может быть разной и придется
переходить от простых формул к интегралам. Но этого мы делать
не будем: существуют упрощенные методики расчета и замера ос-
вещенности, о которых мы тоже расскажем.
Для точечного источника выведено простое соотношение меж-
ду освещенностью и силой света, называемое законом Кеплера или
законом квадратов расстояний. Закон Кеплера, открытый в 1604
34
Гпава 1. Свет в вашем доме
году, сегодня активно используется в светотехнике для инженер-
ных расчетов освещенности. Математическая запись закона сле-
дующая:
Е =
(110)
где г — расстояние от точечного источника до освещаемой поверх-
ности.
Если же световой поток падает на поверхность Sp под некото-
рым углом ф, как показано на рис. 1.13, то закон (1.10) приобрета-
ет форму записи:
Е - —совф.
(1.11)
Физически это означает, что световой поток «размазывается»
по большей площади по сравнению с той, которая освещается
прямым падением лучей.
Рис. 1.13. Пояснение закона квадратов расстояний
Повторимся: законы (1.10) и (1.11) применимы для реальных
источников не всегда, а лишь при условии их «точечности», кото-
рое зависит от расстояния г. Минимальное расстояние г, при ко-
тором применим закон квадратов расстояний, в технической доку-
ментации на конкретные осветительные приборы называется ми-
нимальным рабочим расстоянием.
Еще один важный «рабочий» закон светотехники — закон ад-
дитивности освещенности. Его легко запомнить, если представить
помещение, в котором имеется в наличии множество осветитель-
ных приборов с разной силой света, освещающих поверхности под
1.2. Не обойтись без фотометрии 35
разными углами. Закон аддитивности позволяет суммировать ос-
вещенность, создаваемую разными источниками, по отдельности:
£Е=Е, +Е2 + ... + Е,,. (I.I2)
Разберемся теперь с единицами измерения освещенности, ибо
здесь не все так однозначно. Вообще-то принятая во всем мире
единица измерения освещенности носит название люкс (лк).
Люкс — это такая освещенность, при которой световой поток
в I люмен падает на поверхность с площадью I квадратный метр.
В некоторых источниках могут встретиться также фот (ф) — 1 лю-
мен на квадратный сантиметр и фут-свеча (фкд) — I люмен на
квадратный фут. Впрочем, две последние единицы измерения
столь редки у нас, что мы более их упоминать не будем. С фут-све-
чей читатели могут встретиться при изучении некоторой техниче-
ской документации, выпущенной в США или в Англии.
Люкс — это много или мало? На самом деле нормы освещенно-
сти имеют строгие медицинские и физиологические основания, а
поэтому закреплены в государственных стандартах. Ни один строи-
тельный проект не может считаться утвержденным, если в нем нару-
шены соответствующие нормы. Порой недостаточная освещенность
может даже стать отягчающим обстоятельством в судебном разбира-
тельстве. Чуть позже мы расскажем, «сколько люкс нужно человеку
для жизни», а пока — несколько познавательных данных. Упоминае-
мая нами свеча создает освещенность в 1 люкс на расстоянии в
1 метр, что может быть использовано для калибровки самодельного
люксметра. Другие данные по освещенности приведены в табл. 1.5.
Таблица 1.5. Освещенность в различных условиях
Условия измерения Освещенность, лк
Солнце в полуденном небе 100 000...140 ООО
Ясное небо 6200
Стол с настольной лампой 500
Солнечный день, в тени 430
Сумерки 70
Начало лунной ночи 1,5
Источники света и отражающие поверхности не всегда можно
считать точечными. Если это не так, глаз может различать их фор-
му. В таких случаях появляется еще одна фотометрическая вели-
36
Глава 1. Свет в вашем доме
чина, называемая яркостью (Л). Ее физический смысл примерно
такой же, как и силы света, но уже не в абсолютном отношении, а
соразмерно площади излучающей (или отражающей) поверхности.
Яркость — это, пожалуй, единственная фотометрическая вели-
чина, которая непосредственно воспринимается человеческим
глазом. На рис. 1.14 приведены некоторые пояснения в отноше-
нии яркости: две лампы накаливания с одинаковой потребляемой
мощностью (а значит, и примерно равными световыми потоками)
будут восприняты глазом как объекты с разной яркостью, по-
скольку различны площади их излучающих поверхностей.
' Л1 _
60Вт(11^);|~
Очень помогает яркость при создании больших источников
света на основе множества мелких (точечных) излучателей. Только
в том случае, если яркость отдельных излучателей будет одинако-
вой, свет составного источника мы воспримем как единое целое.
Физическое определение яркости звучит так: это отношение
силы света I, излучаемой в направлении наблюдения, к площади
проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикуляр-
ную этому направлению. Если вам такое определение не слишком
понятно, взгляните на рис. 1.15. Глаз наблюдателя видит светя-
щуюся плоскость Siz, однако ему кажется, что он наблюдает плос-
кость Sif, которая перпендикулярна оси его зрения. Яркость по-
верхности Siz в данном случае определяется по формуле
L =-----------,
Siz cos <р
(1-13)
где I — сила света в направлении наблюдения.
Наиболее распространенная единица измерения яркости —
это [кд/м2]. В системе СИ яркость, как это не покажется удиви-
1.2. Не обойтись без фотометрии
37
Рис. 1.15. Простейшее определение яркости
тельным, не имеет собственного названия единицы измерения.
Однако уникальные наименования для яркости все же существу-
ют, и первая из них именуется — нит (нт). Эквивалентом 1 нт
служит вся та же 1 кд/м2. Еще одно название — стильб (сб), экви-
валентный 1 кд/см2.
Посложнее обстоит дело с единицей яркости, называемой апо-
стильб (асб): этот самый апостильб в 1/л раз больше, чем кд/м2.
Появление апостильба связано с существованием так называемых
диффузных поверхностей, о которых мы будем говорить в следую-
щем разделе. Кстати, иное название апостильба — радлюкс.
И, наконец, коротко о других внесиситемных единицах ярко-
сти, использующихся, главным образом в США и некоторых анг-
лоязычных странах. Во-первых, это — ламберт (ламб). Во-вторых,
это — фут-ламберт (фламб). В третьих, — это свеча с квадратного
дюйма. Мы не будем рассказывать о соотношении между данными
единицами измерения яркости. Те из читателей, кому интересно
узнать больше о внесистемных величинах, могут обратиться к
справочникам по физике.
Почувствовать порядок величин яркости позволят конкретные
цифры, приведенные в табл. 1.6.
Достаточно редко в практической светотехнике встречается
понятие светимости (Л/), то есть суммарного потока, излучаемого
единицей поверхности наружу по всем возможным направлениям.
Светимость определяется по формуле
Ф
М =
(1.14)
38
Гпава 1. Свет в вашем доме
Таблица 1.6. Яркость различных объектов
Наименование объекта Яркость, кд/м2
Ксеноновая лампа 200 000...5 ООО 000 000
Солнце 1 600 000 000
Металлогалогенная лампа 10 000 000...60 000 000
Стандартная лампа накаливания 2 000 000...26 000 000
Люминесцентная лампа 20 000...26 000 000
Белая бумага при свете Солнца 30 000
Облака в солнечном свете 10 000
Свеча 7500
Небо голубого опенка 5000
Белая бумага при освещенности 500 лк 100
Белая бумага при освещенности 5 лк 1
Белая бумага при свете Луны 0,03
И все же светимость находит свое место в фотометрии. Часто с
ней приходится сталкиваться в астрономии, так как эта наука от-
крыла связь между видом спектра, излучаемого звездами, и их све-
тимостью. Но далекие звезды — мало пригодные для практиче-
ских целей источники света, разве что помогающие настроиться
на лирическо-поэтический лад. Поэтому мы не станем задержи-
ваться в гостях у астрономов, а перейдем к изучению некоторых
важных оптических законов.
1.3. Законы оптики в действии
Давайте пролистаем назад несколько страничек и вспомним,
что разные поверхности по-разному отражают падающий на них
свет. Именно это обстоятельство и определяет знакомый «по жиз-
ни» закон — при одинаковом внешнем освещении одни предметы
кажутся нам ярче других. Иными словами, чем эффективнее пред-
мет отражает световой поток, падающий на него, тем его яркость
выше.
Т.З. Законы оптики в действии
39
Для оценки степени отражения светового потока от поверхно-
стей оптическая наука использует коэффициент отражения (р).
Этот коэффициент определяется из соотношения:
Ф
Р = ^’ (1-15)
in
где Фои, — отраженный от поверхности световой поток;
Ф,„ — падающий на поверхность световой поток.
Если поверхность не является самостоятельным источником
световых волн, коэффициент отражения никогда не превысит еди-
ницу. Для примера в табл. 1.7 приведены коэффициенты отраже-
ния наиболее часто встречающихся в повседневной жизни поверх-
ностей. Следует отметить, что чем лучше поверхность отражает
свет, тем светлее будет казаться она для глаза.
Таблица 1.7. Коэффициенты отражения различных поверхностей
Поверхность Коэффициент отражения
Свежевыпавший снег Близко к 1,0
Оштукатуренная стена 0,8
Покрытая матовым кафелем стена 0,7
Отделка березовой доской 0,6
Отделка светлой дубовой доской 0,4
Бетонная стена 0,3
Стена из красного кирпича 0,2
Стена из стеклоблоков 0,1
Теперь давайте задумаемся: приведенные в табл. 1.7 поверхно-
сти имеют преимущественно матовый (незеркальный) характер,
равномерно отражающий световой поток вне зависимости от по-
ложения глаза наблюдателя. Такое отражение называется в оптике
диффузным (рассеянным). Замечательное свойство диффузных по-
верхностей состоит в том, что для них связь между освещенностью
и яркостью определяется простейшей формулой
L= — E. (1.16)
71
40
Гпава 1. Свет в вашем доме
Совершенно по-другому ведет себя в отношении отражения
световой волны зеркальная поверхность. Попробуйте взглянуть на
зеркало под разными углами зрения, и вы увидите, например, та-
кую последовательность: сначала — темную дверцу шкафа, потом
светлые обои, в какой-то момент «всплывет» яркий свет электри-
ческой лампы... Яркость зеркальной поверхности постоянно меня-
ется, причем она зависит от яркости отражающихся в ней источни-
ков света. Естественно, зеркальная поверхность имеет коэффици-
ент отражения, поэтому ее яркость определяется по формуле
L=pLin, (1.17)
где Lin — яркость источника света.
Для зеркальных поверхностей действует важный оптический
закон: угол падения световой волны на зеркальную поверхность
равен углу ее отражения.
Часто встречаемся мы так же и с направленно-рассеянным ти-
пом отражения. Этот тип отражения можно считать в некоторой
степени средним (промежуточным) между диффузным и зеркаль-
ным типами. Направленно-рассеянная поверхность имеет шерохо-
вато-зеркальную поверхность, из-за чего в ней могут отражаться
источники света, но отражение это получается размытым, без чет-
ких границ и углов отражения. Типичный пример поверхности на-
правленно-рассеянного типа — типографская бумага «глянцевых»
журналов.
Последний тип поверхности — смешанный. Такая поверхность
в определенных условиях имеет чисто диффузный характер отра-
жения, но в какой-то момент сможет отразить световую волну как
зеркальная. Пример такой поверхности: белая бумага под тонким
прозрачным стеклом.
Теперь понятно, что коэффициент отражения многих поверх-
ностей может меняться в зависимости от угла зрения, и его уже не
задать так, как это сделано в табл. 1.7. Но для поверхностей, тип
отражения которых отличен от диффузного, можно построить ин-
дикатрису отражения (рис. 1.16). Эта линия показывает угловое
распределение коэффициента отражения и является очень важной
характеристикой в процессе выбора материалов для оформления
помещений.
И, наконец, зададимся таким вопросом: куда девается та часть
светового потока, которой не было позволено отразиться? Закон со-
хранения энергии ведь никто не отменял! Действительно, часть па-
1.4. Сколько люкс нужно ДЛЯ ЖИЗНИ?
41
Рис. 1.16. Индикатрисса отражения
дающей световой волны поглощается поверхностью и преобразует-
ся, например, в тепло. Часть волны пройдет сквозь материал и про-
должит свое движение, но уже не в направлении отражения, а по
линии, близкой к линии падения. Свойство поглощения световой
волны в физике называется адсорбцией (поглощением), а свойство
прохождения сквозь материал — трансмиссией (пропусканием).
Взаимодействие материалов со световой волной в оптике опре-
деляется, помимо коэффициента отражения, также и коэффициен-
том адсорбции (а):
Ф
а=—(1.18)
ф.
т
где Фсо„„ — поглощенный поток,
а также коэффициентом трансмиссии (т):
Ф
(1.19)
^in
где Ф,г — прошедший сквозь материал поток.
Сумма коэффициента отражения, коэффициента адсорбции и
коэффициента трансмиссии для любого материала равна единице!
Также отметим, что трансмиссия световой волны может иметь
диффузный, рассеянный, направленно-рассеянный и смешанный
характер.
1.4. Сколько люкс нужно для жизни?
Сразу же уточним: для какой именно жизни? Если, подобно
древнему человеку, проводить свой досуг в пещере, при свете язы-
ков пламени костра, то — совсем немного. Ну а если «идти в ногу со
временем», этого освещения окажется явно недостаточно. К слову,
42
Глава 1. Свет в вашем доме
швейцарский врач-офтальмолог К. Дистервег так отозвался о на-
званной проблеме: «Уровень задач, связанных с освещением, пусть
не прямой, недостаточно убедительный показатель цивилизованно-
сти». Давайте вместе выясним, какие нормы освещенности необхо-
димы для человека, как они определяются и как контролируются.
Эту книгу, хочется верить, читают люди самых разных возрас-
тов. И наверняка для читателей не станет новостью, что регуляр-
ное чтение при недостаточной освещенности текста серьезно ухуд-
шает зрение. Молодые люди узнают об этом из советов старших, а
люди зрелые — уже из собственного опыта. Впрочем, любая другая
деятельность человека также требует соответствующей освещенно-
сти. Давно замечено: улучшение освещенности в производствен-
ных помещениях повышает качество продукции, снижает процент
брака и травматизма. Многочисленные исследования, проведен-
ные специалистами, показали, что условия освещения напрямую
связаны с размерами предметов в поле зрения человека, с их кон-
трастностью относительно фона, и с необходимой скоростью их
восприятия. Чем мельче предметы, чем менее они контрастны, чем
быстрее их нужно воспринимать, — тем интенсивнее должно быть
освещение. Однако наиболее существенный вклад вносит все же
размер элемента по сравнению с остальными факторами.
Сегодня нормы освещенности определены и закреплены в со-
ответствующих отечественных государственных стандартах, то
есть имеют статус закона для официальных проектов (СНиП
23-05—95, ВСН 59—88, МГСН 2.06—97’ и т. д.), причем в этих до-
кументах подробно рассмотрены нормы для любых мест, требую-
щих освещения. Но поскольку наша книга не стеснена рамками
ГОСТов, мы имеем полное право не углубляться в профессио-
нальные подробности, а также пользоваться данными из мировой
осветительной практики, которые могут немного отличаться от
официальных.
В табл. 1.8 приведены данные по необходимой освещенности
на рабочем месте в зависимости от среднего размера элементов, с
которыми приходится человеку работать. Также по этой таблице
легко определить, какая освещенность должна быть на плоскости
стола при чтении книги, если определяющим размером считать
высоту букв.
Табл. 1.8 научно подтверждает известный факт: для простых
действий в помещении достаточно общего освещения, но если
приходится заниматься точной и кропотливой работой (например,
1.4. Сколько люкс нужно для жизни?
43
Таблица 1.8. Связь точности работы и освещенности
Точность работы Средний размер объекта, мм Освещенность, лк
Грубая >5 200
Малая точность 1,0...5,0 200...250
Средняя точность 0,5...1,0 250...300
Высокая точность 0,3...0,5 400...500
Очень высокая точность 0,15...0,30 600...750
Максимальная точность <0,15 1000...1300
монтаж электронных схем, починка механических часов), рабочее
место должно освещаться местным источником (настольной лам-
пой), позволяющим создать необходимую освещенность там, где
это нужно.
Нормы на общее освещение тоже существуют, и в табл. 1.9 они
приводятся. Данная таблица составлена на основе отечественных
стандартов и мирового опыта, учитывающего, с одной стороны,
физиологию человека, а с другой — оптимальную экономичность
затрачиваемой на освещение энергии.
Без света не только люди хиреют и заболевают. Свет нужен так-
же и растениям для их нормального роста, развития, цветения.
Особенно много различных «тонкостей» с освещением комнатных
растений — некоторые из них теневыносливые, некоторые свето-
любивые, иные просто любят тень. Подавляющее большинство
растений в период покоя удовлетворит примерно 500 лк, в периоды
же роста норму освещенности нужно увеличивать до 1000...2500 лк,
и даже до 5000 лк (для светолюбивых). Отдельная «наука» построе-
на для аквариумных растений, и там тоже имеются свои нормы...
Но мы не будем сильно отдаляться от основной темы и вернемся к
общим вопросам качества освещения. Если среди читателей этой
книги окажутся цветоводы или аквариумисты (а они наверняка
окажутся, поскольку цветоводство и содержание декоративных ры-
бок — очень распространенные хобби), отсылаем их к источнику
[2], где все специальные вопросы рассматриваются подробно.
Даже отличный с точки зрения норм освещенности свет может
преподнести несколько неприятных сюрпризов. Например, сюр-
приз номер один связан с источниками света высокой инерционно-
сти (люминесцентные лампы), и называется он стробоскопическим
44
Глава 1. Свет в вашем доме
Таблица 1.9. Средние нормы общего освещения
Помещение Освещенность, лк
Телевизионная студия 1000
Чертежное бюро 750
Научная лаборатория 500
Компьютерный зал 500
Магазин, супермаркет 500
Офисное помещение 300...500
Спортзал 400
Читальный зал 400
Кабинет, рабочая комната 300
Учебный класс 300
Кафе, ресторанный зал 200
Выставочный зал, музей, галерея 200
Жилая комната, гостиная, спальня 150...200
Лестничный пролет 100
Кладовая 50... 100
Прихожая, коридор 50
эффектом. Что это такое? Представим, что мы смотрим на вращаю-
щееся колесо автомобиля в темном помещении и одновременно
включаем источник света в моменты нахождения определенной
точки колеса в строго определенном месте. Иными словами, часто-
та световых вспышек совпадает с частотой вращения. Как это ни
удивительно, но колесо будет казаться стоящим на месте, а не вра-
щающимся.
Что же тут опасного? Вот что: высокоинерционные лампы мо-
гут мерцать с частотой питающей сети и, освещая, скажем деталь,
вращающуюся в токарном станке, визуально «затормозить» ее.
В цеховом грохоте можно забыть, что станок включен, прикос-
нуться к детали и получить травму. Стоит ли говорить, что мер-
цающий свет просто неприятен глазу, быстро утомляет нервную
систему. Поэтому нормативные документы обязывают регламен-
тировать и такой параметр, как коэффициент пульсации освещенно-
сти (К,). В документе СНиП 23-05—95 коэффициент пульсации
1.4. Сколько люкс нужно для жизни? 45
освещенности имеет следующее определение: «Критерий оценки
относительной глубины колебаний освещенности в результате из-
менения во времени светового потока газоразрядных ламп при пи-
тании их переменным током». Определить Кп можно по формуле:
F - F
Кп = 3-100%, (1.20)
/7 < । р
^тач min
где Етм — максимальное значение освещенности за период коле-
бания;
£min — минимальное значение освещенности.
В среднем по отечественным нормам коэффициент пульсации
не должен быть больше 15... 20 %. Нормы для конкретных помеще-
ний при желании можно уточнить в упомянутой нормативной до-
кументации. В табл. 1.10 приведены средние значения К„ для наи-
более часто встречающихся источников света. Однако сделаем
оговорку: люминесцентные лампы в данном случае питаются от
классических балластов, а не электронных, о которых будем гово-
рить позже.
Таблица 1.10. Коэффициент пульсации различных источников
Наименование источника к„, %
Люминесцентная лампа 25...65
Лампа накаливания 7
Галогенная лампа 1
Вспомните теперь кадры из детективных фильмов, когда сле-
дователь направляет подозреваемому в совершении преступления
свет настольной лампы прямо в глаза, тем самым создавая у доп-
рашиваемого состояние ослепления и общего дискомфорта. А вот
пример более распространенный: при работе за компьютером мы
всегда стремимся сделать так, чтобы настольная лампа освещала
стол, клавиатуру, но никак не «била» в глаза. Бывает, что человеку
просто не уснуть оттого, что световая вывеска расположенного на-
против ночного клуба или казино горит слишком ярко, или по-
просту мерцает. Проблема создания комфортных условий жизни
людей в данном случае очень серьезна: если, к примеру, парамет-
ры наружной световой рекламы не соответствуют санитарным
нормам, владельца вывески можно привлекать к ответственности
на законных основаниях!
46 Гпава 1. Свет в вашем доме
Оценка комфортности освещения оценивается, во-первых, по-
казателем дискомфорта (М), а во-вторых, показателем ослепленно-
сти (Р). Определение показателя дискомфорта звучит так: «Крите-
рий оценки дискомфортной блескости, вызывающей неприятные
ощущения при неравномерном распределении яркостей в поле
зрения». Дискомфортной блескостью в данном случае называется
свойство ярких источников света вызывать неприятные для глаза
ощущения, выражающиеся в снижении видимости. Показатель
ослепленности определяется по-другому: «Критерий оценки сле-
пящего действия осветительной установки». Мы не будем углуб-
ляться в методы расчета коэффициентов Л/и Р, поскольку они от-
носятся больше к области профессиональных знаний.
Очень важно создать равномерное освещение, в противном
случае могут быть нарушены как зрительный комфорт, так и зри-
тельная способность. Отсутствие равномерности освещения ведет
к появлению зон, в которых появляется недостаточный контраст
между предметами и их окружением. В условия неравномерности
освещения глаз вынужден постоянно «настраиваться» на разные
условия освещенности, в результате чего человек испытывает
преждевременное утомление.
Международным стандартом DIN 5044 введено понятие коэф-
фициента равномерности яркости (G). Вычисляется он следующим
образом: измеряются минимальная (£min) и максимальная (£П1ах)
яркости, затем вычисляется их отношение по формуле
(7=Ь^_ (1.21)
шах
Источники света, как мы знаем, могут иметь вытянутую фор-
му, поэтому стандарт вводит значения коэффициентов равномер-
ности яркости в продольном и поперечном направлении. Нормы
этого коэффициента приведены в табл. 1.11. Строки А, В, С отно-
сятся к продольной яркости, а строки D, Е, F — к поперечной.
Собственно, вот и все основные нормирующие показатели,
при обеспечении которых гарантируются комфортные условия
обитания человека. Здесь мы не затрагивали вопрос естественного
освещения и комбинированного освещения, поскольку обеспечи-
ваются эти нормы в основном на этапе проектирования сооруже-
ний. При желании необходимые нормы и методики оценки можно
посмотреть в названных выше стандартах.
1.5. Измеряем освещенность сами
47
Таблица 1.11. Нормы коэффициента равномерности яркости
Степень Равномерность яркости Оценка
Рекомендуемая Допустимая
А 1 :1,3 1:1,6 Отлично
В 1 :1,6 1 :2,0 Хорошо
С 1 :2,0 1 :2,5 Удовл.
i D 1 :2,5 1 :4,0 Отлично
1 Е 1 :4,0 1 :6,0 Хорошо
F 1 : 6,0 1 :8,0 Удовл.
1.5. Измеряем освещенность сами
А теперь, когда мы уже кое-что узнали о величинах, изучаемых
теоретической фотометрией, обратимся к фотометрии практиче-
ской. Другими словами, нам пора учиться проводить измерения в
реальных условиях и по измеренным данным делать соответствую-
щие выводы.
Практическая фотометрия использует различные измеритель-
ные приборы, называемые фотометрами. Основа любого фото-
метра — это датчик (чувствительный элемент), который улавлива-
ет световой поток и преобразует его в удобный для восприятия
сигнал (к примеру, электрический). При измерении освещенности
пользуются люксметром, при измерении яркости — яркомером,
световой поток и световую энергию можно измерять интегрирую-
щим фотометром. Знакомый всем фотолюбителям экспонометр за-
действуют для определения выдержки (фотоэкспозиции). При
проведении измерений, связанных с цветом, применяются колори-
метры. Сегодня часто можно встретить комбинированные фото-
метры, в составе которых имеется и люксметр, и яркомер.
Профессиональные фотометрические измерения базируются
на очень точной и, соответственно, очень дорогой аппаратуре, ко-
торая едва ли окажется доступной читателям. Но, к счастью, вы-
пускаются также простые и недорогие приборы, не обладающие
высокими точностями, но пригодные для проведения технических
измерений и оценки их соответствия установленным нормам. Так-
же, если измерения проводятся «для себя» и не требуют оформле-
ния официальных протоколов, можно воспользоваться подручны-
48
Гпава 1. Свет в вашем доме
ми средствами — фотоаппаратом, фотоэкспонометром. Неслож-
ный фотометр можно, наконец, изготовить своими руками. В этом
разделе мы поговорим о каждом из способов измерения подробно,
но сначала нам просто необходимо познакомиться с принципами
физической фотометрии.
На рис. 1.17 показано устройство простейшего люксметра. Дат-
чиком является селеновая пластина «1», которая на своих контактах
при освещении ее образует электрическое напряжение. При под-
ключении к этим контактам микроамперметра в цепи течет электри-
ческий ток, сила которого пропорциональна световому потоку, про-
ходящему через датчик. Шкала прибора может быть отградуирована
непосредственно в люксах для удобства пользования прибором.
Рис. 1.17. Устройство простейшего люксметра
Именно так устроен обычный фотоэкспонометр пленочного
зеркального фотоаппарата типа «Зенит», за исключением разве что
градуировки шкалы. В более сложных приборах можно встретить
переключатели пределов измерения, автоматическую установку
необходимого предела, фиксацию показаний через заданные про-
межутки времени, индикацию в цифровом виде и многое другое,
относящееся к сервисным возможностям. Данные возможности
формируют встроенные в прибор электронные схемы, порой весь-
ма и весьма сложные. Однако основные узлы — датчик и индика-
тор показаний — остаются неизменными.
Стандартный люксметр с селеновым элементом ограничен ве-
личиной измеряемой освещенности примерно 0,1 лк. Если такой
чувствительности прибора недостаточно, в качестве датчика приме-
няют вакуумный фотоэлемент или еще более чувствительный фото-
электронный умножитель (ФЭУ). Но главная сложность разработки
фотометров состоит как раз не в этом, а в обеспечении спектраль-
ной чувствительности датчика, близкой к человеческому глазу (см.
рис. 1.6). Селеновый элемент, вакуумный фотоэлемент и фотоэлек-
тронный умножитель обладают весьма далекими от требуемых ха-
1.5. Измеряем освещенность сами
49
рактеристиками спектральной чувствительности. Поэтому в состав
таких фотометров приходится вводить сменные светофильтры, ко-
торые калибруются по специальной методике. Также люксметры
комплектуются диффузной насадкой, позволяющей проводить из-
мерения вне зависимости от положения датчика по отношению к
источнику света. Как правило, диффузная насадка представляет со-
бой матовую прозрачную полусферу или плоский матовый кружок.
Для создания самодельного люксметра можно в качестве датчиков
применить обычные фотодиоды или «солнечные элементы» от от-
служивших микрокалькуляторов, но об этом — позже.
Сегодня в мире выпускается достаточно много моделей люкс-
метров. И если читатель уже проникся важностью проведения из-
мерений освещенности, если он уже спешит в магазин за доступ-
ным люксметром, автор поможет ему сориентироваться в выборе.
Кстати, решение о покупке промышленного прибора нужно рас-
ценивать как наиболее правильное — все другие «самодеятельные»
способы измерения освещенности окажутся менее точными. Пом-
ните об этом!
Начнем с «классики жанра»: с люксметров Ю-16, Ю-116,
Ю-117. Эти модели (рис. 1.18) достаточно долго выпускались оте-
чественным заводом «Вибратор», но сейчас уже сняты с производ-
ства. Тем не менее, все нормативные документы были ориентиро-
ваны именно на данные люксметры, поэтому выпущено их было
очень много. Приобрести любой прибор из серии «Ю» сегодня
можно за $50...$200 (в зависимости от степени изношенности или
наценок продавца).
Устройство люксметров серии «Ю» — классическое: селеновый
датчик со съемной диффузной насадкой подключен к измеритель-
Рис. 1.18. Люксметры типа Ю-16, Ю-116, Ю-117
50
Глава 1. Свет в вашем доме
ному прибору. Также в комплект входит несколько светофильтров
(насадок) для снижения чувствительности и расширения диапазона
измерения в сторону больших величин освещенности. Для хране-
ния прибора и его переноски имеется мягкий чехол-сумка. Люкс-
метр позволяет измерять освещенность в диапазоне 0,1...100 000 лк
при приведенной погрешности около 10 %. i
Современный вид имеет люксметр LS1010В (рис. 1.19): ком-
пактные корпуса прибора и датчика, цифровой индикатор с указа-/
нием диапазона, сигнализацией разряда источника питания. Изме(-
рения проводятся в трех диапазонах: 0...2000 лк с дискретностью
1 лк; 2000... 19 990 лк с дискретностью 10 лк; 20 000...50 000 лк'с
дискретностью 100 лк. Погрешность прибора на всех диапазонах
составляет 5 %.
Еще один портативный люксметр LX2 (рис. 1.20) выпускается
японской фирмой Sanwa. Люксметр имеет отсек для хранения, дат-
чика, что повышает его эксплуатационные преимущества. Диапа-
зон измеряемых величин разделен на 4 поддиапазона: 0,1...399,9 лк;
1...3999 лк; 0,01 клк...39,99 клк; 0,1 клк...399,9 клк. Погрешность из-
мерений составляет 7 % при измерениях до 3000 лк и 10 % при из-
мерениях более 3000 лк. К сервисным возможностям прибора сле-
дует отнести дополнительный измерительный «столбик» с 42 деле-
ниями (удобен при быстрых оценках), индикатор разряда батарей и
автоматическое включение режима пониженного энергопотребле-
ния через 30 минут работы.
И, наконец, последний прибор, который можно рекомендовать
для приобретения большинству читателей, это MS6610, выпускае-
мый известной фирмой Mastech. Внешний вид прибора показан
Рис. 1.19. Цифровой люксметр
LS1010B
Рис. 1.20. Цифровой люксметр LX2
1.5. Измеряем освещенность сами
51
на рис. 1.21, его стоимость составляет в
среднем $33, что весьма и весьма недоро-
го. Что же предложено потребителю за
такую сумму? По техническим характе-
ристикам — полное соответствие
LS1010В: те же три диапазона, та же дис-
кретность и погрешность измерения, раз-
ве что цифровой дисплей выглядит про-
ще. Преимущество же названного люкс-
метра в том, что его легко приобрести у „
, к к J Рис. 1.21. Цифровом
фирмы «Платан». При заказе одновре- люксметр MS6610
менно нескольких приборов начинает
действовать ощутимая скидка.
Можно было бы, конечно, рассказать еще о десятке аналогич-
ных по своим характеристикам приборов, но мы этого делать не бу-
дем. Постараемся лишь разрешить проблему выбора, которая неиз-
бежно возникает, лишь только появится хотя бы небольшое разно-
образие. Другими словами, какой прибор лучше? Отвечаем: смотря
для чего! Измерить освещенность, создаваемую далекими звездами,
названные приборы явно не способны, но контролировать нормы,
приведенные в табл. 1.9, они смогут отлично. Также следует учиты-
вать, что разные источники света имеют разный спектральный со-
став. Поэтому при измерениях нужно умножать показания прибора
на соответствующие коэффициенты, которые приводятся в руково-
дстве по эксплуатации на конкретный люксметр.
* * *
Ну а если у вас нет промышленного люксметра и приобретать
его вы не планируете, можно попробовать провести измерения
по-другому: с помощью фототехники. Наверняка у вас где-нибудь
пылится старый пленочный фотоаппарат типа «ФЭД» или «Зенит».
А может, завалялся старинный фотоэкспонометр «Ленинград» или
«Свердловск»? Уже выбросили... Жаль! Это, конечно, катастрофа,
но — не беда: нас выручит современный цифровой фотоаппарат!
Здесь нам необходимо познакомить читателя с еще одной фо-
тометрической единицей измерения, называемой экспонированием.
Собственно, экспонирование (Я) измеряется в люксосекундах (лкс)
определяется по освещенности и времени освещения:
Н = Et.
(1.22)
52
Глава 1. Свет в вашем доме
Величина Н четко определяется для фотопленки с конкретной
чувствительностью. В темное время суток мы вынуждены для со-
хранения баланса увеличивать время t, иначе негатив получится
«недодержанным». Обратная ситуация возникает в солнечную по-
году. Обычный фотоаппарат регулирует выдержку ступенчато,
причем значения / укладываются в ряд 1 с, '/, с, '/4 с, '/8 с, '/|5 с,
7зо с> '/во с и так Далее- При переходе на соседнюю ступень экспо-
нирование меняется в 2 раза.
Фотоаппарат имеет еще одну возможность регулировки экспо-
нирования, называемую диафрагмой. Работает диафрагма так же,
как радужная оболочка: шире отверстие в объективе — больше све-
та, и наоборот. Поэтому не будем забывать и о диафрагме.
Чуть раньше мы говорили о том, что разные поверхности
по-разному отражают падающую на них световую волну. Естест-
венно, показания фотоэкспонометра окажутся разными. Что де-
лать? Последуем совету профессионалов: экспозиционный меха-
низм фотоаппаратов проектируется с учетом возможности воспри-
ятия 18-процентного отражения падающего света. Именно на эту
среднюю величину и рассчитываются величины экспонирования в
зависимости от выдержки и диафрагмы. Указанная поверхность
имеет оттенок типа «сухой асфальт», а сама процедура определения
экспозиционного числа в этом случае носит название «калибровки
по серой карте». Тот, для кого фотодело не заканчивается процеду-
рой нажатия на спусковую кнопку фотоаппарата, хорошо знает,
что поверхности с коэффициентом отражения (альбедо) порядка
18 процентов наиболее хорошо (без потери деталей) воспринима-
ются фотопленкой. К слову, кожа белого человека имеет близкий к
указанному коэффициент отражения... Дальше воспользуемся све-
дениями, приведенными в [3] и численно оценим освещенность.
Во-первых, надо найти кусочек ровной матовой белой бумаги
и расположить ее там, где будет осуществляться замер. Во-вторых,
правильно подготовить «измерительные приборы»: если это экс-
понометр, то его окно расположить перпендикулярно световому
потоку, а если цифровой фотоаппарат, то его объектив направить
на лист бумаги и занять весь кадр «бумагой». Дальше все просто:
замеряем по экспонометру значения выдержки и диафрагмы, не
вводя коррекции, затем вычисляем освещенность по табл. 1.12.
Следует учитывать, что табл. 1.12 рассчитана для пленки чувстви-
тельностью 200 единиц ASA, при уменьшении чувствительности
в 2 раза цифры увеличиваются вдвое и наоборот. При проведении
1.5. Измеряем освещенность сами 53
измерений экспонометром следует воспользоваться входящим в
комплект «молочным» светофильтром.
Таблица 1.12. Определение освещенности
Выдержка, с Диафрагма Освещенность, лк
Экспонометр Фотоаппарат
60 8,0 1,7 -
30 8,0 3,3 -
15 8,0 6,6 -
8 8,0 13,2
4 8,0 26,4 -
'/4 2,8 35 4
’/8 2,8 70 8
Vl5 2,8 125 15
Узо 2,8 250 30
1/б0 2,8 500 60
1/l25 2,8 1050 120
1/250 2,8 2150 500
V5OO 2,8 4350 1000
1/250 4,0 4350 1000
1/б00 4,0 8500 2000
1/250 5,6 8500 2000
V5OO 5,6 17 500 4000
VlOOO 5,6 35 000 8000
V250 8,0 17 500 4000
1/б00 8,0 35 000 8000
Уюоо 8,0 70 000 16 000
Несколько слов о замерах с использованием цифрового фото-
аппарата. На рис. 1.22 показано окно такого фотоаппарата с инди-
кацией выдержки и диафрагмы в привычном для фотолюбителя
виде. Прежде чем делать замер, нужно перевести фотоаппарат в
54
Гпава 1. Свет в вашем доме
Рис. 1.22. Цифровой фотоаппарат в качестве люксметра
режим автоматического выбора выдержки и диафрагмы, а также
установить чувствительность.
* * *
Третий случай: промышленный люксметр приобретать не хо-
чется, подходящего фотоаппарата (фотоэкспонометра) нет и взять
его негде. Случай этот наиболее тяжелый, так как придется браться
за самостоятельное конструирование люксметра. Но предупрежда-
ем — вам предстоит решать весьма трудную задачу, даже если вы
умеете держать в руках паяльник и разбираетесь в электронных
схемах. Самая главная трудность заключается в выборе датчика и
калибровке изготовленного прибора, а также в понимании, при ка-
ких условиях и как проводить измерения самодельным прибором.
Как уже было сказано, основой люксметра служит датчик, ко-
торый преобразует световую энергию в энергию электрическую.
Следовательно, теоретически мы можем использовать в качестве
датчика фотодиод, фототранзистор или «солнечный элемент». Но
далеко не каждый из названных элементов «сгодится» для оценки
реальной освещенности, и вот почему.
Допустим, что мы каким-то образом получили возможность
«подключиться» к человеческому глазу и использовать его как дат-
чик. Если бы нам это удалось, мы получили бы фактически иде-
альный датчик по критерию относительной световой эффективно-
сти И(Л.), знакомой нам по рис. 1.6. Поскольку все нормы осве-
1.5, Измеряем освещенность сами
55
щенности приведены именно к восприятию ее средним глазом,
мы, зная коэффициент преобразования датчика («вольт на люкс»
или «ампер на люкс»), просто подключили бы датчик к вольтметру
или амперметру, проградуировав в люксах их шкалы... Но, к-сожа-
лению, мы не можем использовать глаз в этом качестве, поэтому
придется применить аналоги с характеристиками световой эффек-
тивности, в той или иной степени приближающимися к человече-
скому органу зрения.
Поговорим о датчиках-фотодиодах. В книге [4] рекомендовано
использовать в качестве датчика фотодиод типа BPW34 производ-
ства фирмы Vishay [6], а в статье [5] применяется фотодиод
BPW20RF той же фирмы. Если же читатель не поленится и загля-
нет на сайт [6], то он обнаружит более двух десятков разнообраз-
ных фотодиодов, не говоря уже о продукции других производите-
лей электронных компонентов.
На примере фотодиода BPW41N, внешний вид которого пока-
зан на рис. 1.23, <7, мы покажем, какие элементы точно не подой-
дут для люксметра. Итак, взгляните на названный рисунок: на нем
изображен малогабаритный недорогой датчик, который так и хо-
чется использовать в составе измерительного прибора! Не спешите
бежать в магазин, обратите внимание на рис. 1.23, б, отражающий
относительную спектральную чувствительность фотодиода S(k) —
аналог относительной световой эффективности глаза И(Х). В зоне
видимого света этот фотодиод окажется неработоспособным, так
как максимум его чувствительности лежит в инфракрасной облас-
ти. Что это означает? А вот что: в ярком видимом свете люксметр
будет показывать крайне низкую освещенность, в то время как да-
Рис. 1.23. a — внешний вид фотодиода BPW41N; б — относительная
спектральная чувствительность BPW41N
56
Глава 1. Свет в вашем доме
же в полной темноте, но при наличии источника ИК излучения с
длиной волны около 950 нм, прибор зарегистрирует «свет». Хоро-
шо, если обстановка позволит определить «вранье», но возможна
и другая ситуация: работа источника ИК излучения при видимой
засветке. Тут мы уж точно будем считать, что работа ведется с ви-
димой составляющей, хотя на самом деле измеряем «засветку» от
ИК-излучателя.
Быть может, лучшим окажется фотодиод BPW34 (рис. 1.24, а),
который был рекомендован в издании [4]? Взгляните на рис. 1.24, б
и убедитесь, что форма относительной спектральной чувствитель-
ности далека от «глазной». Применив данный фотодиод для нашего
люксметра, мы можем получать результаты, на порядок завышен-
ные по сравнению с реально существующими, в основном за счет
инфракрасной области. В принципе, ситуацию можно исправить,
если на пути светового потока установить желто-зеленый свето-
фильтр — тогда характеристика восприятия света станет похожей на
«глазную». Сложность в другом: едва ли удастся в домашних услови-
ях подобрать светофильтр с известной плотностью и цветовым от-
тенком. К тому же изменятся калибровочные данные элемента, и
это обстоятельство не позволит использовать данные, приведенные
в технической документации.
Вдумчивый читатель уже наверняка заметил, рассматривая
рис. 1.24, б, что если пренебречь диапазоном ИК излучения, то
ошибка датчика окажется не столь великой: поскольку фотодиод
измеряет интегральную освещенность, то недостаток в области си-
не-зеленого спектра будет скомпенсирован из «красной» области.
Рис. 1.24. a — внешний вид фотодиода BPW34; б — относительная
спектральная чувствительность BPW34
1.5. Измеряем освещенность сами
57
Интегральный же показатель освещенности будет с достаточной
точностью (порядка 15...20 процентов) соответствовать реальному.
Но этот вывод справедлив только для источников с более-менее
равномерным распределением спектральных составляющих (на-
пример, абсолютно черные тела) и совершенно непригоден для
окрашенных (близких к монохроматическим) излучений. Скажем,
источник красного света примерно даст 30-кратную завышенную
ошибку, в то время как чисто фиолетовый источник будет давать
адекватный результат!
И все же можно подобрать датчики со спектральной чувстви-
тельностью, близкой к человеческому глазу. Взгляните на рис. 1.25,
а и б, которые демонстрируют внешний вид и спектральную чувст-
вительность фотодиода BPW21R, выпускаемого Vishay.
Этот диод имеет круглый металлический корпус с окном, в ко-
тором размещен светочувствительный кристалл-полупроводник, а
само окно закрыто стеклом-светофильтром со специально подоб-
ранной характеристикой. В результате датчик приобретает харак-
теристику спектральной чувствительности 5(Х), изображенную на
рис. 1.25, а, которая очень близка по виду к «глазной». Максимум
чувствительности датчика приходится на длину волны 565 нм, ве-
личина средней чувствительности при освещении его источником
типа А (близок по спектру к излучению лампы накаливания) —
9 нА/лк. Этот коэффициент чувствительности можно считать по-
стоянным с высокой точностью в диапазоне освещенности от 0,01
до 100 000 лк при температуре внешней среды от +20 до +40 °C.
Тем не менее, при применении датчика следует учесть, что так на-
зываемый «темновой ток» фотодиода (ток при нулевой освещен-
Рис. 1.25. а — внешний вид фотодиода BPW21R; б — относительная
спектральная чувствительность BPW21R
58
Глава 1. Свет в вашем доме
ности) может достигать 30 нА, поэтому, измеряя низкие значения
освещенности (менее I0 лк) лучше предусмотреть возможность
ручной регулируемой компенсации «темнового тока».
Пора потрудиться руками, уважаемый читатель? Не спешите:
мы еще не закончили теоретическое изучение BPW21R. Давайте
внимательнее присмотримся к рис. 1.25, б — мы видим, что кривая
спектральной чувствительности фотодиода шире, чем «глазная».
В желто-зеленой области отличия не столь заметны, но ближе к
краям, то есть в красной и фиолетовой области «набегает» почти
десятикратная ошибка. К счастью, спектр излучения типовых ос-
ветительных приборов достаточно равномерен в диапазоне види-
мого света, поэтому мы имеем право при измерениях освещенно-
сти скорректировать результат на величину отношения площадей
под кривыми чувствительности фотодиода и глаза. Таким образом,
для фотодиода BPW21R этот коэффициент составляет 2,27. Понят-
но, что результат измерения нужно уменьшать в 2,27 раза.
А как быть с источниками, спектр которых в значительной
степени отличается от равномерного? Типичный случай такого ис-
точника — уличная натриевая лампа или ртутная лампа. Можно,
конечно, действовать по правилам, а можно просто воспользо-
ваться поправочным коэффициентом, который для ртутной лампы
составит 1,1, а для натриевой — 0,7.
Вот теперь пора подумать на тему конструирования люксмет-
ра. И здесь мы будем вынуждены обратиться к схемотехническим
электронным решениям, которые позволят нам решить эту задачу.
Существует две основных режима работы полупроводникового
чувствительного элемента: фотогальванический (photovoltaic mode)
и фотодиодный (photoconductive mode). В фотогальваническом ре-
жиме сам фотодиод является источником фото-ЭДС, пропорцио-
нальной степени освещенности. При использовании фотодиодного
режима измеряется ток через прибор, который оказывается также
пропорциональным освещенности. Какой режим стоит выбрать
для нашего люксметра? Выбираем фотодиодный режим, так как он
малоинерционен, у него значительно более широкий диапазон ли-
нейности характеристики чувствительности. Основной недостаток
фотодиодного режима — это наличие уже упомянутого нами тем-
нового тока.
На рис. 1.26 показаны основные электронные узлы самодель-
ного люксметра: это фотодиод VD, операционный усилитель DA и
резистор R. Операционный усилитель здесь включен по широко
Т.5. Измеряем освещенность сами
59
Рис. 1.26. Фотодиодный режим в люксметре
известной схеме преобразователя «ток—напряжение». При таком
включении связь между выходным напряжением Umt, сопротивле-
нием резистора R, чувствительностью датчика 5 и освещенно-
стью L такова:
U.M = SLR. (1.23)
Зная чувствительность датчика, сопротивление резистора и вы-
ходное напряжение (которое мы сможем измерить обычным муль-
тиметром), легко определить освещенность. Резистор R можно
сделать переключаемым, тогда прибор станет многодиапазонным.
Также его величину можно рассчитать так, чтобы измеренное в
вольтах напряжение числено было бы равно освещенности — то-
гда отпадет необходимость пересчета.
Итак, с учетом сказанного, читателю предлагается изготовить
многодиапазонный люксметр в виде приставки к цифровому или
стрелочному мультиметру. Принципиальная схема такой пристав-
ки приведена на рис. 1.27. Ее выходной сигнал нормирован таким
образом, что на каждом из четырех пределов максимальному зна-
чению освещенности (20 лк, 200 лк, 2000 лк и 20 000 лк) соответ-
ствует выходное напряжение 2,00 В. Схема устроена очень просто:
операционный усилитель DA1 выполняет роль преобразователя
«ток—напряжение», источником токового сигнала служит фотоди-
од VD1. Резисторы R1...R4 «отвечают» за нормирование пределов
измерения, а собственно переключение пределов осуществляется
коммутатором S1, в качестве которого удобно использовать «га-
летник» или другой многопозиционный переключатель. На мик-
росхеме DA2 собран нормирующий усилитель-сумматор, который
приводит измеренное значение к величине 2,00 В и компенсирует
«темновой ток». Для компенсации «темнового тока» фотодиода
(который вносит существенный вклад на пределе 20 лк) преду-
смотрен резистор R7, которым можно установить «ноль» прибора
при закрытии непрозрачной заслонкой окна фотодиода VD1. Ус-
Рис. 1.27. Принципиальная схема люксметра
сг>
о
'лава 1. Свет в вашем доме
1.5. Измеряем освещенность сами
61
танавливать «ноль» необходимо при каждом включении прибора,
а еще лучше — перед каждым замером.
Питается приставка от 4-х элементов типа АА напряжени-
ем 1,5 В. Схема имеет так называемую «среднюю точку», поэтому
для сохранения питающих элементов выключатель S2 должен
быть двухполюсным. Если переключатель S1 удастся найти с 3-мя
галетами и 5-ю положениями, можно совместить функцию отклю-
чения питания с функцией переключения пределов.
На рис. 1.28 показана печатная плата люксметра, а на
рис. 1.29 — «сборка». Микросхемы DA1 и DA2 имеют типовое
значение входного тока не более 30 пА и рекомендованы произво-
дителем именно для усиления сигналов фотодиодов. Можно по-
пытаться заменить эту микросхему на отечественную КР1407УД2.
Постоянные резисторы — типа С2-23, С2-33 из 5-процентного ря-
да, а переменный резистор R7 — любого типа, но с осью, на кото-
рую можно установить ручку. Конденсаторы — К10-176 или ана-
логичные по габаритам. Корпус для батарей подойдет типа
ВН341А, ВН344А. Установка фотодиода VD1 должна производить-
ся по рис. 1.30.
Рис. 1.28. Печатная плата
люксметра
G1.G2 Выход
Рис. 1.29. Сборочный рисунок
Рис. 1.30. Установка фотодиода VD1
62 Глава 1. Свет в вашем доме
На что можно заменить фотодиод VDI? Например, на
SFH2430, выпускаемый фирмой «Osram». Внешний вид этого эле-
мента показан на рис. 1.31, а, кривая относительной спектральной
чувствительности — на рис. 1.31, б. Чувствительность SFH2430 со-
ставляет 5,8 нА/лк, поправочный коэффициент приведения к от-
носительной чувствительности глаза — 2,8, темновой ток — не бо-
лее 5 нА. Обратите внимание: номиналы элементов схемы рис. 1.27
должны быть пересчитаны подданный фотодиод!
Рис. 1.31. а — внешний вид фотодиода SFH2430; б — относительная
спектральная чувствительность SFH2430>
Итак, печатная плата устанавливается в подходящем корпусе,
для удобства пользования подбираются гнезда (или приборные за-
жимы) под щупы тестера. Собственно, приставка готова. Точность
измерений с помощью нее окажется в пределах 10... 15 процентов.
* * *
Как правильно измерять освещенность в помещении? На этот
счет существует официальный документ ГОСТ24940—96 «Здания и
сооружения. Методы измерения освещенности». Не погружая чи-
тателя «с головой» в скучные формулировки и методики, возьмем
из стандарта только необходимые сведения.
Итак, перед началом проведения измерений нужно убедиться,
что напряжение в питающей сети соответствует номинальному, а
естественная освещенность составляет менее 0,1 лк. Другими ело-
1.6. Когда выручит компьютер
63
вами, проводить измерения нужно либо в темное время суток, ли-
бо предварительно хорошенько закрыв светонепроницаемыми ма-
териалами окна.
Очень важной подготовительной операцией является разметка
контрольных точек, в которых, собственно, и будет производиться
замер. Для этого вводится понятие «индекс помещения» (/’) — это
отношение площади помещения к произведению высоты подвеса
светильников (А) и суммы линейных размеров помещения (а, Ь).
ab
h(a + b)
(1-24)
Число контрольных точек выбирают в соответствии с табл. 1.13.
Таблица 1.13. Определение числа контрольных точек
Индекс помещения, j Число контрольных точек
Менее 1,0 4
1,0—2,0 9
2,0...3,0 16
Более 3,0 25
Затем помещение разбивается на равные квадраты, в центре
которых и располагаются контрольные точки. После проведения
измерений средняя освещенность в помещении определяется как
среднее арифметическое всех измеренных значений.
1.6. Когда выручит компьютер
Сейчас мы плавно переходим от измерения освещенности к ее
расчету. Обычно расчетные методы используются при проектиро-
вании новых помещений, а также при ремонте и модернизации
старых. Профессиональное решение этой задачи представляет со-
бой достаточно сложную процедуру, с применением множества
формул и большого количества исходных данных. Однако можно
пойти и по более простому пути, так как в подавляющем боль-
шинстве бытовых случаев требуется лишь определить требуемое
количество ламп или светильников. Впрочем, современные ком-
пьютерные программы расчета освещения позволяют решать зада-
64
Гпава 1. Свет в вашем доме
чи любой сложности. Поэтому в данном разделе мы вначале пого-
ворим о простых расчетных методах «врукопашную», а потом об-
ратимся к прикладным компьютерным программам.
Итак, сколько ламп (или светильников) необходимо устано-
вить в вашем помещении? Как разместить их? Если нам известна
величина светового потока, создаваемого осветительным прибо-
ром, который (или которые — если их несколько) предполагается
размещать. Тогда средняя освещенность, согласно формуле (1.9),
равна отношению светового потока Ф к площади S освещаемой
поверхности. Надеемся, вы усвоили этот закон хорошо, а значит,
по величине средней освещенности и площади помещения сможе-
те вычислить требуемый световой поток. Дальше, вроде бы, все
очень просто: выбираем светильники, создающие требуемый све-
товой поток, и развешиваем их...
К сожалению, не все так просто, и вот почему. Световой поток
зависит не только от конструкции светильника, но еще от многих
других факторов, среди которых — способ размещения светильни-
ков в помещении (локальный или равномерный), форма помеще-
ния, цвет и отражающая способность стен, потолка, пола. Чтобы
не превращать расчет в сложную многофакторную задачу, вводят
так называемый коэффициент использования светового потока осве-
тительного прибора или коэффициент использования светильника
(в разной литературе этот коэффициент имеет разные названия).
Таблицы коэффициентов использования (U) обычно приводятся в
технической документации на конкретный осветительный прибор.
Их можно найти на сайтах фирм-производителей, в каталогах
продукции.
Для примера приводим методику определения коэффициента
использования по данным продукции отечественной фирмы «Све-
товые технологии» [7], которая пользуется заслуженным спросом
на нашем рынке, обладая прекрасными техническими параметра-
ми и низкой стоимостью. На рис. 1.32 показан классический по-
толочный светильник типа PRBLUX/R, который можно встретить
в офисных помещениях, супермаркетах, больницах и многих дру-
гих местах. В табл. 1.14 имеются данные по этому светильнику,
предназначенные для определения коэффициента использования.
В графах «потолок», «стены», «пол» приведены значения коэф-
фициентов отражения, которые примерно можно определить по
табл. 1.7. В графе «/» — значения индекса помещения, рассчитан-
ного по формуле (1.24). На пересечении строк и столбцов с вы-
1.6. Когда выручит компьютер
65
Рис. 1.32. Светильник PRBLUX/R
Таблица 1.14. К определению коэффициента использования светильника
Потолок 0,8 0,8 0,8 0,7 0,5 0,5 0,3 0,0
Стены 0,8 0,5 0,3 0,5 0,5 0,3 0,3 0,0
Пол 0,3 0,3 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,0
J 0,60 48 35 30 34 33 30 30 27
0,80 54 43 37 41 39 36 33 33
1,00 58 47 41 45 43 40 40 37
1,25 62 53 46 50 47 45 45 42
1,50 64 56 49 53 50 48 47 45
2,00 67 60 51 56 52 50 50 48
2,50 69 63 54 58 54 53 52 50
3,00 70 65 56 60 55 54 54 52
4,00 71 67 57 61 56 55 54 52
5,00 72 69 58 62 57 56 55 54
бранными коэффициентами мы определим значение коэффици-
ента использования.
Допустим, что мы оценили условия помещения и установили,
что коэффициент равен 49 %. Теперь нам необходимо обратиться
66
Глава 1. Свет в вашем доме
к данным производителя собственно ламп и определить начальный
световой поток лампы Ф (в лм). И вот теперь весь расчет сводится
к подстановке данных в формулу (1.25):
102 Еа-Ь
U nl <f> kz’
(1-25)
где п — число светильников;
nl — число ламп в одном светильнике;
kz — коэффициент запаса (0,7...0,8);
Е — требуемая освещенность, лк.
Понятно, что число светильников не может быть дробным, по-
этому его округляют до ближайшего целого числа в большую сто-
рону.
Как разместить светильники в помещении? Обычно использу-
ют два типа размещения: локализованный и равномерный. При
локализованном способе светильники группируют над рабочими
местами, а при равномерном — размещают рядами, в шахматном
порядке, по вершинам условных квадратов. Расстояние между со-
седними светильниками принимается из расчета (1,4...2,8) высоты
их подвеса, а расстояние до стен — из расчета (0,4... 1,4) высоты
подвеса.
* * *
Новые компьютерные технологии позволили автоматизировать
в той или иной степени процесс расчета освещенности, основные
этапы которого мы только что рассмотрели. Что же предлагает се-
годня рынок программного обеспечения? Можно сказать, что
программ для подобных вычислений пока не так много: некото-
рые продукты являются коммерческими, некоторые свободно рас-
пространяются, к некоторым необходимо приобретать только базы
исходных данных. Но любая солидная фирма, входящая в список
мировых поставщиков светотехнического оборудования, стремит-
ся выпустить собственную программу расчета, а также поддержи-
вать исходными данными имеющиеся «в ходу» программные про-
дукты. Мы назовем максимально возможное число таких про-
грамм, укажем, откуда их можно получить, и немного поговорим о
принципах работы с некоторыми из этих программ. Узнать о по-
следних новинках программного обеспечения в области энергети-
ки, электроники, теплотехники, газовой техники можно на сай-
1.6. Когда выручит компьютер
67
те [8], здесь же имеется раздел светотехнических программ с крат-
ким описанием и ссылками «на скачку».
Свободно распространяемая программа «Формула света» [9]
предназначается для автоматизации расчета количества светиль-
ников для внутренних помещений. В главном окне программы за-
даются размеры помещения, коэффициенты отражения, выбира-
ются типы светильника и ламп, затем осуществляется расчет... Не-
смотря на то, что программа относится к freeware-продуктам, ее
необходимо зарегистрировать на сайте [10] и получить индивиду-
альный серийный номер.
Еще одна свободно распространяемая, но требующая регистра-
ции программа «Lival» поставляется фирмой с одноименным на-
званием [11]. В базу данных программы включены, естественно,
только параметры светильников собственного производства.
Для тех читателей, кто может себе позволить неограниченно
долго находиться в Интернете, разработана on-line версия програм-
мы расчета освещенности помещения в виде java-апплета [12].
Программа «Profgun», разработанная специалистами отечест-
венной фирмы «ВМТ-Петербург» [13], распространяется свободно
и предназначается для конструирования и расчета стоимости све-
товых коробов LCK, EasyFACIA, EasyFLEX, производимых этой
фирмой. Продукт достаточно специфичный для широкого исполь-
зования, но ознакомиться с ним стоит даже тем, кто вообще не
знает, что такое «световой короб».
Очень простая, а главное — бесплатная — программа расчета
освещенности в виде MS Exel-файла [14] занимает всего 14 Кб, но
с ней можно работать в off-line. По внешнему виду напоминает
разработку частного лица, которое вначале облегчило собствен-
ный труд, а затем решило поделиться информацией с коллегами.
В принципе, достаточно удобно.
Интересное решение являет собой программа «Проминь» [15],
которая входит в инженерный пакет «Эпос», но может работать
самостоятельно. Эта программа предназначена для светотехниче-
ских расчетов при проектировании промышленных и обществен-
ных зданий, то есть зданий с помещениями большой площади и
сложной формы. Большим «плюсом» этой программы является
возможность производить не только расчет освещенности в кон-
68
Глава 1. Свет в вашем доме
трольных точках при заданном расположении светильников, но
еще и автоматически устанавливать светильники согласно алго-
ритма оптимизации.
В этой книге мы не рассматриваем принципы расчета улично-
го освещения, но упомянем, что для решения такой задачи отече-
ственная компания НПСП «Светосервис» разработала программу
«Light-in-Night Road» [16], в которой базовую библиотеку исход-
ных данных составляют параметры изделий Лихославльского за-
вода светотехнических изделий (ЛСЗИ) и Московского опытного
светотехнического завода (МОСЗ). Читателю будет интересно уз-
нать, что эта программа позволяет ввести «геометрию» прямоли-
нейного дорожного полотна, учесть особенности освещения мно-
гополосной дороги, а также обращаться к нестандартным ситуа-
циям — площадям, перекресткам, развилкам, криволинейным
участкам, пешеходным зонам. Программа распространяется без
ограничений.
Программа «Ulysse», разработанная фирмой «ВНИСИ-Шре-
дер» {17], имеет два независимых модуля. Первый из них — «Quick
Light С1Е» — предназначен для расчета освещенности автодорог.
Второй модуль — «Super Light» — используется для закрытых по-
мещений большой площади (цехов, складов, спортзалов), а также
для открытых площадок типа автостоянок. Эта программа форми-
рует схему расстановки светильников на заданной площади, либо
распределение освещенности по заданной схеме расстановки в ви-
де изолиний (линий равной освещенности).
После запуска программа выдает окно задания области осве-
щения (закладка Grids). Здесь нужно задать ее длину, ширину,
угол поворота, подъем, положение наблюдателя. Программа до-
пускает работу только с прямоугольными областями, но, к сча-
стью, можно задавать несколько прямоугольных областей (до. 10) и
показывать их перекрытие.
На втором шаге необходимо выполнить расстановку светиль-
ников. Эта операция выполняется на закладке Luminaries. Заклад-
ка содержит табличку с графами «количество светильников» (No),
«расстояние между светильниками» (Space), «положение первого в
ряду светильника (X, Y), «высота подвеса светильника» (Н), «ката-
ложный номер светильника» (Matrix), «световой поток светильни-
ка» (Flux), «коэффициент запаса» (MF), «направление светильни-
1.6. Когда выручит компьютер
69
ка» (Az), «угол наклона светильника относительно горизонта»
(Incl), «поворот светильника вокруг продольной оси» (Rot).
Третий шаг выполняется при необходимости при помощи вы-
бора пункта главного меню «Edit Luminaries». Здесь можно просто
отредактировать заполненную табличку, если требуется внести ка-
кие-то коррективы.
Особое внимание производители обращают на процесс выбора
каталожного номера светильника, заносимого в графу Matrix.
Это — многофакторный выбор из предлагаемой фирмой номенк-
латуры. Он осуществляется исходя из следующих параметров: тип
протектора (защитного стекла), тип отражателя, тип лампы, мощ-
ность лампы, положение лампы в патроне, световой поток лампы,
коэффициент обслуживания. Что такое коэффициент обслужива-
ния? Представим себе некий параметр, который задается програм-
мой исходя из степени влагозащиты светильника, промежутка
времени между чистками и категории загрязнения помещения.
Собственно, вот и все исходные данные. Теперь можно «запус-
кать» расчет.
Результаты расчета для первого попавшегося в базе программы
светильника показаны на рис. 1.33—1.35. Черными кружочками на
рис. 1.33 отмечены расставленные светильники, крестиками отме-
чены точки сетки и приведены величины освещенности в люксах.
100.00 -г
30.6
4-
36 0
4-
37.3
4-
40.5
39.7
40.5
37.3
4-
36.0
30.6
4-
90 00--
4-
55.0
67.8
73.3
4-
79.0
4-
79.7
82.2
4-
79.7
79.0
4-
73.3
67 8
55.0
80 00--
65.7
73.1
84.0
84.5
4-
90.9
4-
87.9
4-
90 9
84.5
84.0
73.1
4-
65.7
70.00--
4-
75.5
4-
91.6
98.9
4-105.4
4-106.7
4-109.2
4-106.7
4-105 4
4-
98.9
4-
91.6
75.5
60 00--
4-
74 6
83.9
95 6
4- 97.0
4-103.4
4-100.8
4-103 4
4- 97.0
95 6
83.9
74.6
50.00-- 4-
79.4
4-
96.4
4-104.1
4-111.0
4-112.3
4-1150
4-112.3
4-111.0
4-104.1
96.4
4-
79.4
40.00 --
4-
76.0
4-
85.7
4- 97.6
4- 99.1
4-105.6
4-103.0
4-105 6
4- 99.1
4- 97.6
85 7
76.0
30 00--
79.2
4-
96.1
4-103 9
4-110.8
4-112.1
4-1147
4-1121
4-1108
4-103 9
96.1
79 2
20 00-
4-
73.5
83 0
94.5
95 9
4-102.1
4- 99.5
4-102.1
4-
95.9
4-
94.5
83.0
4-
73.5
10 00-
70 9
86.5
4-
93 5
99 3
4-100.0
4-102 2
4-100 0
99 3
93 5
86 5
70 9
0.00 -1-
4-
50.1
56 6
63 3
63.7
4- 67.0
4- 65.4
4-67 0
4-
63 7
63 3
56 6
।---------1--------1---------1--------1---------1---------1--------1---------1--------1---------1
0.00 10.00 20.00 30 00 40.00 50 00 60 00 70 00 80.00 90.00 100.00
50.1
Рис. 1.33. Сетка распределения освещенности
70
Гпава 1. Свет в вашем доме
Рис. 1.34. Изолинии освещенности
-|П|х|
I---------1--------1---------1--------1---------1--------1---------1--------1---------1--------1
0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 70.00 80.00 80.00 100.00
Рис. 1.35. «Серая шкала»
Рис. 1.34 представляет изолинии освещенности, а рис. 1.35 — так
называемую «серую шкалу», то есть имитацию истинного распре-
деления освещенности в плане помещения.
1.6. Когда выручит компьютер 77
В этой книге мы не будем упоминать коммерческие программ-
ные продукты, так как приобрести их смогут далеко не все. По-
нятно, что коммерческие программы обладают несравненно более
высокими возможностями, чем их бесплатные собратья. И, тем не
менее, в свободном доступе имеется один прикладной пакет, ко-
торый по своим возможностям может легко соперничать с плат-
ными программами. Называется он «DIALux», разработан немец-
кой фирмой «Dial GmbH» [18], регулярно поддерживается фирмой
выпуском новых версий, отличной документацией пользователя
(в том числе и на русском языке) и русским интерфейсом. Пакет
предназначен для проектирования наружного и внутреннего осве-
щения, причем работа осуществляется в трехмерном пространстве,
с учетом имеющихся в помещениях предметов (например, шка-
фов, стульев, столов). Но самое главное достоинство «DIALux» не
в этом, а в том, что подавляющее большинство светотехнических
фирм (в том числе и отечественных) выпускает базы данных в
«диалюкс»-формате.
Версия программы 4.1, которая оказалась в распоряжении авто-
ра книги, после установки создала в главном меню два ярлыка —
DIALux 4.1 и DIALux Light 4.1, то есть появилась возможность поль-
зования полной и облегченной версией. Полная версия включает в
себя колоссальный с точки зрения бесплатного программного обес-
печения набор возможностей: здесь можно создать трехмерную мо-
дель помещения со всеми особенностями (скругления, углы, неров-
ности), окрасить стены, пол и потолок в реальные цвета, задать для
них коэффициенты отражения, расставить и расцветить мебель,
развесить светильники. Все эти операции относятся к области кро-
потливой профессиональной работы, и заинтересовавшиеся смогут
совершенно бесплатно (повторяем еще раз) установить программу
на своем компьютере, попытаться разобраться с ней (рис. 1.36).
Кстати, в пакет также входит программа «POV-Ray», которая помо-
жет распечатать (или сохранить на диске) красивую цветную трех-
мерную картинку созданного помещения.
Облегченной версией DIALux Light 4.1 можно пользоваться,
что называется, «с ходу», выполняя усредненный расчет. Первый
шаг — это создание «проектной информации» (название, адрес за-
казчика и тому подобная информация). Сразу переходим к сле-
дующему шагу нажатием кнопки «далее».
Перед нами второй шаг, на котором мы вводим данные для
расчета: длину, ширину и высоту помещения, коэффициенты от-
72
Гпава 1. Свет в вашем доме
J d* ‘J : -3 A и - Й> (У ' J & e-i 9
№fc] @3□< v <. .Л B>;
' Менеджер проекта
, ' Обцие положения [ метод плана техобспух 4 ►
Имя [Помещение! |
Огмсаник
г Помещение 1
. i Рабочая плоскость
Полы
Потолок
- Выбрать папку, в которой Вы будете со
(3 Стенка 1
[3 Стенка 2
(S Стенка 3
С Стенка 4
(3 Стенка 5
' О стенка 6
ЕЗ Стенка 7
(3 Стенка 8
- । □ Светильники
♦ Одиночная структура
♦ - Одиночная структура
♦ ? Одиночная структура
+ Одиночная структура
+ 'г Одиночная структура
+ Одиночная структура
+ " Одиночная структура
< Мебель '
0 00 k 0.00 cd/m3 -0 247 m 0.345 m 0000m NUM (номер)
Для получежя справки нажать F1.
Рис. 1.36. Главное окно программы DIALux 4.1
ражения (имеется большой перечень разных типов поверхностей),
коэффициент обслуживания, выбираем светильник (база фирмен-
ных светильников должна быть заранее подключена, файлы свето-
распределения имеют расширение .Idt), параметры монтажа све-
тильников (высота подвеса). Нажимаем кнопку «далее» и перехо-
дим к третьему шагу.
На третьем шаге вводим планируемую освещенность, коррек-
тируем расположение светильников (если надо) и запускаем рас-
чет. После окончания расчета переходим к четвертому шагу, на
котором все расчетные данные экспортируются в pdf-файл. Сюда
включаются: титульный лист проекта, паспорт выбранного све-
тильника, график изолиний освещенности (рис. 1.37), таблицы
средней, максимальной и минимальной освещенности, координа-
ты размещения светильников. Все данные представляются в ком-
пактном и удобном для восприятия виде, на русском языке.
Читатели уже наверняка уяснили, что одной из существенных
составляющих расчета является наличие файла светораспределе-
ния конкретного светильника. Как мы уже сказали выше, ведущие
фирмы-производители эти файлы распространяют. А если файла
1.7. О светодизайне замолвим мы слово
73
0,00 1,35 4,05 5,40 m
Рис. 1.37. Изолинии освещенности в DIALux Light 4.1
нет, но «позарез» хочется воспользоваться компьютерной про-
граммой? Тогда поможет другая программа, называемая «Photo-
metric Toolbox», демо-версию которой можно получить с [http://
www.agi32.com/Products/Demos/PTBPE-153-NewInstall.exe]; потребуется
также программа «AGI32-vldot8» [http://www.agi32.com/Products/Demos/
AGI32Trial-184-Setup.exe], которая устанавливает драйвера. К сожале-
нию, эти программы не бесплатные, но за 10 дней, отведенных на
их пробную работу, можно успеть создать необходимый файл.
1.7. О светодизайне замолвим мы слово
В этом небольшом разделе, завершающим первую главу книги,
автор еще раз хочет напомнить читателю, что мы не ставили цель
углубляться в дизайнерские тонкости. Но, тем не менее, в процес-
се работы над книгой у автора накопилось довольно много мате-
риалов именно дизайнерского свойства, и наиболее интересными
из них захотелось с читателем поделиться, пусть даже в виде не-
больших отрывков в стиле «триста полезных советов». Итак...
• Достаточно удобно монтировать потолочные светильники в
специальную конструкцию, называемую «фальшпотолком».
74
Глава 1. Свет в вашем доме
При этом к настоящему потолку на некотором расстоянии
прикрепляется декоративная поверхность, а в промежутке
протягивается электропроводка и другие коммуникации. Све-
тильники крепятся к «фальшпотолку». Такой способ позволя-
ет легко проводить модернизацию помещений без каких-либо
капитальных работ.
• Потолочные светильники, как правило, не создают ощуще-
ния уюта, поэтому рекомендуется применять дополнительное
декоративное освещение стен и подчеркивать световыми
«пятнами» существенные элементы интерьера (к примеру,
картины или изящные вещи). Для этого используют узкона-
правленные маломощные источники типа минипрожекторов,
зачастую с мягкими светофильтрами.
• Одна из новых европейских норм освещения не допускает
использование ламп с индексом цветопередачи менее 80 там,
где люди работают или пребывают длительное время. Исклю-
чение сделано только для уличного освещения и помещений
с высокими потолками, с условием наличия нормального ме-
стного освещения.
• Классический метод освещения ванной комнаты «от одной
лампы» сегодня можно считать устаревшим и не отвечающим
правилам комфорта. Лучше предусмотреть местное зонное ос-
вещение ванны, душа, зеркала и умывальника. В небольших
ванных комнатах предусматривают несколько небольших по-
толочных светильников. Самой важной зоной здесь считается
зеркало и умывальник, поэтому светильники, создающие рас-
сеянный свет, устанавливаются по обеим сторонам зеркала.
Такие источники света хорошо освещают лицо и не слепят
глаза. Верхний свет подчеркивает морщины, а нижний создает
тени на лице.
• К числу «продвинутых» относится идея подсветки пола ван-
ной комнаты специальными садовыми светильниками, либо
использование прозрачных (матовых) плиток.
• Расширить пространство помещения можно с помощью прие-
ма, называемого wall-washer («омывающий стену»), когда не-
сколько точечных источников закрепляются вблизи потолка и
освещают поверхность стены по касательной.
• Стена, освещаемая в конце коридора, делает его зрительно
шире. А углубить перспективу коридора, сделать его «длин-
нее» поможет ряд однотипных светильников на потолке.
1.7. О светодизайне замолвим мы слово 75
• Если встроить несколько светильников в верхнюю плоскость
оконного проема, то, задернув вечером занавеску, у обитате-
ля комнаты сложится впечатление, что за окном светит лет-
нее солнце.
• Разместив в месте стыка стен с потолком ряд небольших све-
тильников по всему периметру помещения, можно добиться
отличной равномерности рассеяния света по всему простран-
ству помещения и чрезвычайно комфортного ощущения.
• Подсветка садовых растений создает приятный экстерьерный
эффект, особенно при размещении источников света у по-
верхности земли. А разноцветная подсветка усиливает эффект.
• Маркировочное экстерьерное освещение создают с целью
подчеркнуть неровности ландшафта. В качестве источников
«маркировки» используют «световые столбики», практически
не подсвечивающие окружающее пространство.
• Важными элементами домашнего освещения считаются бра и
торшеры. Хорошо, если бра имеют возможность переключать
направление светового потока «вверх-вниз», а торшеры име-
ют небольшие фонарики «для чтения лежа на диване».
• В кухне, как и в ванной комнате, необходимо иметь, наряду
с общим освещением, еще и локальные источники «рабочего
света», которые охватывают рабочий стол, плиту и мойку.
Удобно пользоваться лампами-переносками, оснащенными
зажимами-«прищепками». Над обеденным столом хорошо
иметь еще один источник мягкого света с уютным абажуром.
Свет этого источника надо подобрать таким, чтобы приго-
товленные блюда выглядели красиво.
• Современные дизайнеры иногда подсвечивают внутренности
полок и шкафов, что далеко не всегда хорошо выглядит. Го-
раздо приятнее выглядит подсветка лицевой стороны шкафа,
на которой имеется зеркало. Сверху на шкаф крепится кар-
низ с небольшими светильниками.
• Можно радикально экспериментировать с цветовой гаммой
источников света. В моде последних лет — синие светильни-
ки в туалетных и ванных комнатах, подчеркивающие «чисто-
ту» белого кафеля, фаянсовых изделий и хромированной
«сантехники». Однако синий свет «мертвит» кожу, а значит,
возникает необходимость в дополнительном источнике бело-
го света у зеркала. Также синий свет противопоказан на кух-
не по причине «неаппетитности» продуктов в его лучах.
76 Глава 1. Свет в вашем доме
• Зеленый свет мягких оттенков хорошо использовать там, где
хочется успокоиться. Хорошо засыпать при свете зеленого
ночника.
• Красный свет не должен быть слишком вызывающим — ско-
рее подойдет его оттенок. Тогда красный свет незаменим для
гостиных, прихожих и офисов.
• Фиолетовый свет используют в сочетании с обычным свет-
ло-желтым. Хорошо бросить фиолетовое пятнышко на пото-
лок, но здесь главное — не переборщить.
• Эксперименты со светом доставляют много приятных минут
только тем, кто помнит о соблюдении правил электрической
и пожарной безопасности.
Глава 2
СВЕТ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
Эпоха электрического освещения, если смотреть на нее с точ-
ки зрения историка, началась совсем недавно — ей чуть более ста
лет. Но и за это короткое время люди придумали огромное коли-
чество всевозможных искусственных световых источников, более
или менее удачных, более или менее экономичных, более или ме-
нее доступных. Затеяв разговор об энергосберегающем электриче-
ском освещении, мы никак не сможем обойти вопросы, связан-
ные с «рукотворными» источниками света, с их достоинствами,
недостатками, перспективами развития.
2.1. Как получают свет
Вне всякого сомнения, вы, уважаемые читатели, встречали
электрические лампы, имитирующие всполохи языков пламени
огня. Внутри колбы такой лампы имеются два близко располо-
женных электрода, между которыми образуются мерцающие крас-
новато-желтые хаотические вспышки. Лампы-имитаторы сегодня
встраиваются в имитаторы каминного огня...
А ведь еще не так давно огонь являлся, пожалуй, единствен-
ным источником искусственного света! Сначала это были костры,
потом их заменили свечи, лучины и факелы. Позже появились га-
зовые и керосиновые лампы и фонари. Огонь настолько прочно
вошел в жизнь людей, что появление электрических источников
света вызвало настоящий шок среди поставщиков газа. Газовые
компании пытались распространять антирекламу «электросвету»,
объявляя его «вредным», «холодным», «придающим неестествен-
ный окрас лицам, вещам и продуктам», «вызывающим резь в гла-
зах». Как бы там ни было, но электрические лампы все же вытес-
нили огонь из сферы освещения.
В современной технике электрического освещения использу-
ются три физических процесса генерации световых волн: термоиз-
лучение, газовый разряд и люминесцентный процесс.
78
Гпава 2. Свет и его источники
Термоизлучение знакомо нам из первой главы, где мы рассказы-
вали о спектрах излучения «абсолютно черного тела». Оно лежит в
основе устройства ламп накаливания и галогенных ламп.
Второй процесс — газовый разряд — возникает в герметичной
колбе, наполненной инертным газом, парами металлов и редкозе-
мельных элементов. При приложении напряжения между электро-
дами, встроенными в колбу, образуется ионизация, сопровождае-
мая свечением. Примером источников света с газовым разрядом
могут служить ртутные, ксеноновые, металлогалоидные, натрие-
вые лампы, а также разноцветные «неоновые» трубочки в реклам-
ных вывесках.
Наконец в люминесцентных источниках света задействован
процесс преобразования невидимого излучения в видимые лучи.
Характерным и распространенным люминесцентным источником
является люминесцентная (флуоресцентная) лампа-трубка. Внутри
трубки закачаны пары ртути, и при возникновении газового раз-
ряда максимум спектра излучения образуется в ультрафиолетовой
области. Чтобы свет стал видимым, на стенки колбы наносится
специальный люминофор, который преобразует УФ-излучение в
обычный свет. Кроме этого, процесс люминесценции лежит в ос-
нове светоизлучающих диодов (LED) с белым светом.
Упомянем еще один источник света электрической природы,
который сегодня как таковой используется очень редко. Это —
электрическая дуга, дающая свет чрезвычайно высокой интенсив-
ности, что, конечно, можно считать очень заманчивым преимуще-
ством. Но сложности, связанные с «поджигом» дуги в воздушной
среде и ее стабильным горением привели к тому, что электриче-
ская дуга ушла из повседневного быта человека. Однако ее яркие,
ослепляющие вспышки можно встретить при выполнении свароч-
ных работ.
2.2. Классика жанра: лампа накаливания
Несмотря на то, что этот источник света (рис. 2.1) является
наиболее расточительным по энергетическим затратам, классиче-
ская лампа накаливания еще долго будет занимать прочные пози-
ции в техническом окружении человека. Причин здесь несколько.
Во-первых, чрезвычайная дешевизна самой лампы, благодаря
которой обычная семья легко может позволить себе закупить деся-
2.2. Классика жанра: лампа накаливания
79
Рис. 2.1. Этикетка с упаковки современной лампы накаливания
ток ламп «про запас». Перегорела «лампочка» — ввернули новую
вместо перегоревшей, и проблема с освещением мгновенно отпала.
Во-вторых, небольшие габариты. Купленные запасные лампы
не займут много места и будут всегда «под рукой». Кроме этого,
миниатюрные лампы накаливания позволяют конструировать
удобные и красивые светильники.
В-третьих, цветовой оттенок излучения ламп накаливания, ко-
торый хорошо воспринимается зрением. Замечено также, что лю-
ди старшего поколения предпочитают лампы накаливания всем
остальным источникам света именно из-за их «теплой» цветовой
температуры.
В-четвертых, повсеместная распространенность. Лампу нака-
ливания можно приобрести практически в любой точке земного
шара, тогда как другие световые источники, о которых мы будем
рассказывать далее, могут и не оказаться в продаже.
В-пятых, постоянная готовность к работе и моментальность
включения. Как только мы «щелкнули» выключателем, лампа на-
каливания тут же загорается. Время ее прогрева минимально и не
заметно глазу.
В-шестых, практическая независимость от внешних климати-
ческих условий. Лампа одинаково устойчиво работает и в парилке
финской бани, и на «крутом» северном морозе.
80
Гпава 2. Свет и его источники
В-седьмых, просто инерция мышления массового покупателя,
который зачастую и не подозревает, что существуют более эффек-
тивные источники света...
Но — довольно о достоинствах ламп накаливания! Поговорим о
ее недостатках. В предыдущей главе мы говорили о таком немало-
важном параметре, как «световая отдача». У лампы накаливания
этот параметр чрезвычайно низок — в основном электрическая
энергия переходит в тепло (90...95 %). Давайте вспомним, что до
баллона лампы во включенном состоянии едва ли удастся дотро-
нуться без опаски получить ожог... Световая отдача ламп накалива-
ния лежит в диапазоне 7... 17 лм/Вт. Это самая низкая световая от-
дача среди ламп, использующихся для искусственного освещения.
Средний срок службы лампы составляет приблизительно
700... 1000 часов. Мы говорим именно о средней величине, по-
скольку случается, что лампа перегорает, не прослужив и суток, а
бывает и наоборот — лампа спокойно работает годами без выхода
из строя. Много это или мало? Легко рассчитать, что среднестати-
стическая лампа накаливания рассчитана примерно на месяц не-
прерывного горения. Некоторые даже очень известные и уважае-
мые фирмы пускаются на хитрость и пишут крупными буквами на
упаковочной таре лампы: «Срок службы составляет 1 год».
И где-то на внутренней стороне мелким шрифтом дают примеча-
ние: «При условии горения в сутки не более 3 часов». Не позво-
ляйте обманывать себя с помощью рекламных трюков!
От чего зависит «жизнестойкость» лампы накаливания? Во-пер-
вых, конечно, от качества ее изготовления. Фирменные лампы, как
правило» служат немного дольше, чем лампы «без опознавательных
знаков». Немаловажным фактором долговечности является также
частота включений/отключений — чем чаще «дергают» лампу, тем
она быстрее выйдет из строя. Причина явления такая: вольфрам,
как материал нити накаливания, в холодном состоянии имеет со-
противление в среднем в 15 раз меньше, чем в разогретом. Старт
лампы сопровождается большими токовыми скачками, и именно в
момент включения происходит подавляющее большинство отказов.
Еще один фактор — стабильность напряжения в питающей сети. Не
секрет, что иногда в сетях возникают провалы или выбросы напря-
жения, отражающиеся на степени накала нитей ламп. Возрастание
температуры нити приводит к сокращению срока ее службы (нить
быстрее испаряется), а броски напряжения вызывают уже знако-
мые нам токовые перегрузки.
2.2. Классика жанра: лампа накаливания . 81
Кстати — об испарении нити. Вы наверняка замечали на внут-
ренней стороне баллона хорошо поработавшей лампы полупро-
зрачны темные пятна, похожие на напыление металла. Откуда они
берутся? Высокая температура нити (2600...3000 °К) активизирует
процесс окисления и испарения вольфрама, нить истончается и в
какой-то момент просто перегорает. Чтобы затормозить испаре-
ние, в колбу лампы накачивают инертный газ — чаще аргон, реже
криптон. Чем выше давление инертного газа, тем медленнее идет
испарение, и тем дольше прослужит лампа. Чтобы потемнение
баллона не ощущалось на протяжении всего срока службы лампы,
его вынуждены изготавливать большим.
Долговечность лампы зависит от ее правильного эксплуатаци-
онного положения. Наверняка вы не раз замечали, как по проше-
ствии некоторого промежутка времени нить накала оказывается
провисающей. Такая лампа вскоре перегорит. Поэтому некоторые
производители указывают рекомендуемое расположение лампы в
целях наиболее полного использования ее ресурса. Используется
три буквенных шифра для обозначения рабочего положения: h —
с вертикальным расположением колбы и направлением цоколя
вниз; s — с вертикальным расположением колбы и направлением
цоколя вверх; р — с горизонтальным расположением лампы. По-
сле буквенного шифра может указываться половина угла (в граду-
сах), на который возможно поворачивать лампу относительно ее
основной оси расположения. На рис. 2.2 наглядно показано соот-
ветствие шифра лампы и ее эксплуатационного положения в све-
тильнике.
Рис. 2.2. Эксплуатационные положения ламп накаливания
В настоящее время лампы накаливания переходят в разряд де-
коративных и специализированных источников света. Использо-
вать их для освещения больших площадей (например, производст-
82
Гпава 2. Свет и его источники
венных цехов или автодорог) или для создания освещенности бо-
лее 3000 лк крайне неэффективно. Для этого применяются другие
источники, о которых мы будем говорить далее.
Номенклатура типов ламп накаливания, выпускаемых сегодня,
очень широка. Попытки провести такой подсчет привели к цифре
в 5000 типов. В то же время общий объем выпуска в мире лам на-
каливания составляет более 20 млрд штук в год! Но все типономи-
налы ламп можно объединить в три большие группы:
а) лампы накаливания общего назначения — грушевидные, ви-
тые, свечеобразные, каплевидные, грибовидные, с увеличенной
яркостью, с мягким светом разных оттенком, с цветным светом,
декоративные (с коническим куполом, «свеча на ветру», золоти-
стая и т. д.);
б) лампы накаливания специального назначения — для быто-
вой техники, для духовых шкафов, для фоновой подсветки во
время просмотра телевизора, не привлекающие насекомых, для
подсветки растений, с повышенной ударопрочностью, автомо-
бильные, самолетные, железнодорожные, судовые, для городского
электротранспорта, линейные, для применения во взрывоопасных
зонах;
в) лампы накаливания направленного света — зеркальные,
цветные зеркальные, неодимовые.
В этой книге мы не приводим внешний вид упомянутых ламп
накаливания, а лишь оцениваем их с точки зрения эффективности
и экономичности. Как показывает опыт, цветовая температура
ламп может быть скорректирована не только изменением темпера-
туры их спирали, но также и нанесением на внутреннюю поверх-
ность колбы специального состава, немного корректирующего 7?о
лампы. Но следует помнить, что такие скорректированные лампы
«мягкого света» (soft light) имеют сниженную светоотдачу по срав-
нению с прозрачными лампами той же конструкции. Типы ламп с
«мягким светом» приведены в табл. 2.1.
Лампы накаливания направленного света, как правило, ис-
пользуются в потолочных светильниках и в приборах местного ос-
вещения. Вы их наверняка узнаете по внешнему виду: ближе к цо-
колю на внутреннюю поверхность колбы нанесено зеркальное по-
крытие, которое концентрирует световой луч в определенном
направлении. Это очень удобно — нет необходимости приобретать
светильник с отражателем, достаточно лишь иметь простейшую
арматуру с патроном. Лампы направленного света следует предпо-
2.2. Классика жанра: лампа накаливания 83
Таблица 2.1. Цветовые оттенки ламп «мягкого света»
Маркировка Оттенок Предпочтение в использовании
SIL Белый Отсутствие ослепления в случае использования вне осветитель- ного прибора
AZUR Лазурный Создание прохладной атмосферы
MAND Мандариновый Использование в помещениях с большим количеством деревян- ных элементов отделки
CITR Лимонный Создание солнечной атмосферы
JADE Нефритовый Для подсветки растений
ROSE Розовый В этом опенке «теплые» цвета деталей отделки выглядят более насыщенно
честь всем другим для настольной лампы или небольшого светиль-
ника для чтения на диване — они не «распыляют» световой поток
по всем направлениям.
Особое место среди направленных ламп накаливания занима-
ют лампы с неодимовым стеклом. Специальное вещество, входящее
в состав стекла — chromalux neodum — поглощает желто-зеленую
часть спектра, и освещаемые объекты кажутся визуально ярче.
И в заключении этого раздела напомним читателю о цоколях
ламп накаливания (рис. 2.3), то есть о тех конструктивных узлах,
которые предназначаются для обеспечения электрического кон-
такта ламп и их быстрой смены. Всем известный цоколь с так на-
зываемой круглой резьбой был придуман Т. Эдисоном, поэтому
исторически в его наименовании присутствует буква Е. Наиболее
известен цоколь типа Е27 (DIN49620) с наружным диаметром
резьбы 27 мм. Этот цоколь используется для ламп в диапазоне
Е14 Е27 Е40 .
Рис. 2.3. Типовые цоколи ламп накаливания вида Е
84
Глава 2. Свет и его источники
25...200 Вт. Достаточно часто также встречается цоколь типа EI4
«миньон» (DIN496I5) с мощностью ламп в диапазоне 25... 100 Вт.
Менее распространены цоколи Е40 (DIN49625) для ламп мощно-
стью 200...750 Вт. Остальные цоколи гораздо менее распростране-
ны, и мы о них упоминать не будем.
Типоразмер цоколя всегда маркируется на упаковке лампы,
поэтому обращайте внимание эту маркировку при покупке лампы,
не путайте «миньон» со стандартны^ цоколем.
2.3. Шаг вперед: «галогенка»
Появление галогенной лампы накаливания позволило увели-
чить ресурсные показатели термоизлучающих источников света,
увеличить их светоотдачу. Но не следует думать, что галогенная
лампа, или «галогенка», как называют ее в быту, является источ-
ником света с новым принципом действия — это не так! «Галоген-
ка» — обычная лампа накаливания с вольфрамовой спиралью и
газонаполненной колбой, за исключением одного: вместе с инерт-
ным газом (криптоном, ксеноном) в колбу закачивается газовая
галогенная добавка (бром, хлор, фтор, йод). Зачем? Вспомните о
процессе испарения вольфрамовой нити и постепенном ее истон-
чении, а также о потемнении стеклянной колбы по причине осаж-
дения вольфрама. Галогенный наполнитель соединяется с парами
вольфрама и, попадая вновь на нить, осаждает вольфрам обратно.
Таким образом, стекло не темнеет, а нить накала источается мед-
леннее, но все же истончается, поскольку осаждение может про-
исходить вовсе не на истончившиеся участки.
Традиционно в качестве галогенной добавки используется йод.
Поэтому читатели могут встретить в литературе и другое наимено-
вание галогенных ламп накаливания — йодные. Попытки исполь-
зовать фтор успехом пока не увенчались из-за несовместимости
этого галогена со стеклом. Сегодня же применяют бром и его со-
единения как более технологичные галогены.
Вы наверняка обращали внимание на размеры баллонов гало-
генных ламп: они гораздо меньше классических ламп накалива-
ния, но толщина стекла у них больше. Как мы уже знаем, осажде-
ния вольфрама на внутренней поверхности колбы не происходит,
и это обстоятельство позволяет уменьшить ее размеры. Но, как
оказывается, размер колбы здесь имеет принципиальное значение,
2.3. Шаг вперед: «галогенка
85
так как ее очищение (регенерация) может происходить при темпе-
ратуре не менее 300 °C. Реальные лампы работают при температу-
ре колбы порядка 500...600 °C, материалом колбы служит кварце-
вое стекло... В то же время, увеличение толщины стенок позволяет
наполнить лампу газом под более высоким давлением в целях уве-
личения температуры спирали — а значит, светоотдачу ламы мож-
но увеличить.
Недавно на рынке появилось новое поколение галогенных
ламп с еще более высокой светоотдачей за счет использования
специального покрытия колбы, отражающего инфракрасное излу-
чение. Это покрытие отражает часть ИК-излучения обратно на
спираль, вследствие чего она еще более разогревается и увеличи-
вает световой поток почти на 20 %.
В чем преимущества галогенной лампы накаливания перед
лампой классической? Во-первых, повышенный ресурс: в среднем
он составляет 2000 часов безотказной работы. Некоторые совре-
менные модели за счет использования передовых технологических
решений имеют срок службы до 5000 часов!
Во-вторых, повышенная светоотдача. При той же потребляе-
мой мощности типовые галогенные лампы имеют в 1,5...2,0 раза
более высокую светоотдачу, а галогенные лампы с ксеноновым на-
полнителем — почти в 2,0...2,5 раза.
В-третьих, лучшая цветопередача и свет, близкий к спектру
света полуденного солнца.
В-четвертых, небольшие габариты, позволяющие гибко ис-
пользовать их в дизайнерских разработках.
В-пятых, независимость от температуры окружающей среды.
В-шестых, постоянная готовность к быстрому включению.
В-седьмых, достаточно большая номенклатура выпуска, в ряде
случаев — отсутствие необходимости дополнительного оборудова-
ния для включения.
Понятно, что существуют у этого класса ламп и недостатки.
С большой долей уверенности можно утверждать: недостатки га-
логенных ламп очень похожи на недостатки обычных ламп нака-
ливания. Итак, о недостатках.
Во-первых, необходимо внимательно относиться к чистоте по-
верхности ламп, не трогать их пальцами. Частицы жира, имею-
щиеся на коже, негативно действуют на нагретый баллон лампы и
могут привести к растрескиванию стекла. Поэтому замена ламп
осуществляется в чистых хлопчатобумажных перчатках или при-
86
Глава 2. Свет и его источники
держивая баллон за полиэтиленовую упаковку. Если вы все-таки
дотронулись до баллона — это не беда: аккуратно протрите его
спиртом.
Во-вторых, галогенная лампа очень чувствительна к питающе-
му напряжению, которое не должно отличаться от номинального
более чем на 5 %. Если фактическое напряжение будет постоянно
превышено сверх установленной нормы, срок службы лампы со-
кратится почти вдвое.
В-третьих, сильная зависимость срока службы некоторых ви-
дов галогенных ламп от эксплуатационного положения. Линейные
«галогенки», о которых мы будем говорить чуть ниже, допускают
работу только при горизонтальном расположении с наклоном не
более 3...4 градусов. В противном случае возникает местное потем-
нение стекла и наблюдается быстрый выход лампы из строя.
В-четвертых, повышенная стоимость, определяемая использо-
ванием более дорогих материалов (кварцевого стекла, редких
инертных газов) и усложненной технологии производства. По
оценкам специалистов, в среднем стоимость галогенных ламп в
5... 10 раз превышает стоимость аналогичных классических ламп
накаливания.
Итак, каким образом оценить галогенную лампу с точки зрения
темы нашей книги — «экономичное освещение». Действительно га-
логенная лампа надежнее обычной лампы, обладает более высоки-
ми характеристиками цветопередачи, меньшими габаритами, но
стоимость ее оказывается дороже. Что выгоднее: дешевле покупать,
но чаще менять, или наоборот? «Галогенка» дает больше света при
той же затраченной электрической мощности, служит дольше, но
стоит дороже. Если оценивать экономическую эффективность
именно так, то «галогенка» немного проигрывает классической
лампе накаливания. Однако они могут быть уравнены в правах за
счет неоспоримых дизайнерских преимуществ (конструкция, габа-
риты, цветопередача).
Поговорим о конструктивных особенностях галогенных ламп
накаливания. Основным следует считать деление ламп на низко-
вольтные (до 27 В питающего напряжения) и сетевого напряжения
(свыше ПО В). Традиционно низковольтные лампы имеют малые
габариты и используются в многоточечных световых приборах, на-
пример, в длинных линейках, вытянутых вдоль стенок. Низкое на-
пряжение применяется в целях электробезопасности, для просто-
2.3. Шаг вперед: «галогенка
87
ты регулирования яркости ламп и еще потому, что миниатюрную
«галогенку» с сетевым «номиналом» не удается сделать надежной.
Конструктивная классификация галогенных ламп такова:
а) лампа с отражателем (рис. 2.4, а) — имеет конусный отража-
тель, в центре которого расположена небольшая галогенная лампа.
Лампы с отражателем находят применение в потолочной подсвет-
ке с распределенными источниками, в местном освещении;
б) капсульная лампа (рис. 2.4, б) — помещена в цилиндриче-
ский баллон с торцевыми выводами. Такие лампы обычно разме-
шаются в светильниках с отражателями;
в) линейная лампа (рис. 2.4, в) — ее можно встретить в освети-
тельных приборах прожекторного типа. Лампа представляет собой
трубочку, имеющую с двух сторон выводы для установки в кон-
тактное устройство;
г) лампа с внешней колбой (рис. 2.4, г) — сравнительно новый
тип галогенной лампы. Конструктивно такая лампа устроена сле-
дующим образом: внутри обычного стеклянного баллона размеща-
ется капсульная или линейная галогенная лампа, рассчитанная на
сетевое напряжение питания. Такие лампы «идут» на замену тра-
диционных ламп накаливания.
Рис. 2.4. Типовые конструкции галогенных ламп: a — лампа с отражателем;
б — капсульная лампа; в — линейная лампа; г — лампа с внешней колбой
Как видно из рис. 2.4, классический патрон Е-типа у большин-
ства галогенных ламп отсутствует, за исключением ламп с внешней
колбой. Почему? Вспомним, что галогенная лампа сильно разогре-
вается, поэтому для нее разработаны специальные арматурные эле-
менты из керамики. Наиболее характерные цоколи ламп с отража-
88
Гпава 2. Свет и его источники
телями приведены на рис. 2.5, для ламп с отражателями — на
рис. 2.6. Читателю могут встретиться и другие цоколи, правда, про-
исходить это будет значительно реже.
G4
G9
Рис. 2.5. Цоколи капсульных галогенных ламп
Рис. 2.6. Цоколи галогенных ламп с отражателями
Многие типы галогенных ламп имеют высокий уровень УФ-из-
лучения, поскольку кварцевое стекло хорошо пропускает «ультра-
фиолет». При приобретении лампы всегда нужно поинтересоваться
об условиях эксплуатации, а именно о возможности использова-
ния «галогенки» без дополнительного защитного стекла.
Теперь настало время хорошенько задуматься: что нам делать с
«галогенками», рассчитанными на низкие напряжения питания,
скажем, на 12 В? Типовое напряжение в сети составляет 220 В,
и при включении таких ламп на сетевое напряжение они мгновен-
но перегорят. Поэтому придется пользоваться понижающим
трансформатором с выходным напряжением 12 В и входным
220 В. Кстати, это еще один недостаток, связанный с применени-
ем галогенных ламп: классический «железный»электромагнитный
трансформатор массивен, на нем теряется часть энергии (в преде-
ле — до 30 %), издает акустический шум (гудит), греется достаточ-
но дорого стоит. Возможности современной электроники позволя-
ют разрабатывать специальное устройство, называемое электрон-
ным трансформатором.
На рис. 2.7 показан внешний вид электронного трансформато-
ра ET-S мощностью 105 ВА, выпускаемый фирмой Philips. Не-
2.3. Шаг вперед: «галогенка
89
Рис. 2.7. Электронный трансформатор ET-S
трудно рассчитать, что к этому трансформатору можно подклю-
чить две «галогенки» мощностью по 50 Вт каждая. Кстати, многие
другие ведущие фирмы-производители тоже поставляют электрон-
ные трансформаторы на рынок светотехнического оборудования.
Необходимыми узлами этого электронного устройства считаются:
узел защиты от короткого замыкания в лампе и в трансформаторе,
узел защиты от перегрева трансформатора, узел регулировки све-
тового потока лампы.
Вы хотите попробовать свои силы в самостоятельном изготов-
лении электронного трансформатора? Если — да, то автор задает
следующий вопрос: «А знакомы ли вам принципы построения уст-
ройств силовой электроники?» Если — опять «да», смело перехо-
дите к дальнейшему чтению, ну а если «нет», разыщите книгу [19].
Тем же читателям, кто, узнав об электронном трансформаторе,
предпочтут его просто купить, автор советует пропустить несколь-
ко страниц и продолжить чтение книги с раздела 2.4.
В изготовлении электронного трансформатора (ЕТ) мощно-
стью 100 ВА нам помогут документы [20], [21] и [22]. В основе
устройства — микросхема IR2161, производимая фирмой «Inter-
national Rectifier». Несмотря на то, что эта микросхема имеет всего
восемь выводов, с помощью ее возможно реализовать такие важ-
ные функции ЕТ, как защиту от короткого замыкания в лампе,
температурную защиту, «мягкий» старт ламп, регулировку яркости
(dimming) и управление от микроконтроллерной интеллектуаль-
ной системы DALI, о которой наш разговор — впереди.
На рис. 2.8 показана схема электронного трансформатора. Уст-
роен он очень просто: Выпрямленное диодами VD1...VD4 сетевое
напряжение поступает на полумостовую импульсную схему, со-
стоящую из транзисторов VT1 и VT2 и трансформатора Т1, которые
90
Глава 2. Свет и его источники
С11
0,1мк
С12
400В
0,1мк
400В
CD-
R7
470к
Iff
0,1мк
С8
150 :
400В
_ СЮ
J_ 1500
2Q400B
0,33
К лампе
VD9
HER106
НО VS
DA1 IR2161
COM CSD
-Й------0-
R3
1к
Х1 -220В 50Гц
VD5
1N4745A
*св^
0,1мк
0,1мк
Рис. 2.8. Принципиальная схема электронного трансформатора
2.3. Шаг вперед: «галогенка
91
преобразуют напряжение к значению 12 В. Важно отметить, что
микросхема DA1 управляет полевыми транзисторами MOSFET, что
схемотехнически выгодно отличает данный электронный транс-
форматор от подавляющего большинства имеющихся на рынке ЕТ,
в которых «работают» биполярные транзисторы. Применение тран-
зисторов MOSFET позволяет заметно повысить КПД трансформа-
тора и снизить его габариты за счет уменьшения тепловых потерь.
Кстати, как указано в [22], с помощью IR2161 без проблем
можно разрабатывать ЕТ с номинальной выходной мощностью до
300 ВА, что позволит подключить к нему до 6 ламп мощностью
50 Вт каждая!
Работает электронный трансформатор следующим образом.
При подаче питания на входные выводы устройства внутренний
генератор микросхемы DA1 не функционирует, но конденсаторы
СЗ и С4 заряжаются через резистор R2. При достижении на выво-
де 1 (VCC) микросхемы напряжения 12 В происходит запуск внут-
реннего генератора на частоте 130 кГц и устройство входит в ре-
жим «мягкого старта» (soft-start). Мы уже знаем, что сопротивле-
ние лампы накаливания в холодном состоянии в несколько раз
меньше сопротивления разогретой лампы, а это значит, что в мо-
мент включения лампа потребляет повышенную мощность по
сравнению с номинальным режимом работы. Следовательно, в пе-
риод разогрева ЕТ должен отдавать больше мощности, но в то же
время выходить «на номинал» в нормальном режиме. Достигается
это выдачей повышенной частоты преобразования при пуске и
последовательном снижении ее в «номинал».
Итак, произошел запуск внутреннего тактового генератора.
Одновременно с ним начинает заряжаться конденсатор С5, под-
ключенный к выводу 3 (CSD) микросхемы DA1 который задает
время «мягкого старта». Номинал конденсатора выбран таким, что
за время 1 с напряжение на выводе 3 достигает значения 5 В. По
окончании времени «мягкого старта» устройство переходит в ре-
жим нормального функционирования (run mode) с частотой пре-
образования 34...70 кГц.
Выход лампы из строя может сопровождаться значительным
снижением ее сопротивления, или даже коротким замыканием.
Чтобы защитить ЕТ от пагубного воздействия КЗ, в устройстве
предусмотрен контроль тока первичной обмотки трансформатора
Т1 через датчик тока R6. Сигнал с данного резистора через
RC-фильтр помех R3, С6 поступает на вывод 4 (CS) управляющей
92
Гпава 2. Свет и его источники
микросхемы. Этот же сигнал предназначен для изменения часто-
ты преобразования в зависимости от величины нагрузки (70 кГц
при отсутствии нагрузки и 34 кГц при максимальной нагрузке).
Состояние перегрузки идентифицируется при превышении на-
пряжения на выводе CS значения 0,56 В, а состояние КЗ — на-
пряжения 1,2 В.
В электронном трансформаторе могут возникать случайные
(неповторяюшиеся) токовые выбросы, которые нужно «отсекать»
в целях повышения помехоустойчивости схемы защиты. Если
фиксируется выброс напряжения на входе CS, схема управления
переходит в режим анализа неисправности (fault timing mode) и
через некоторое время (delay) снова проверяет ЕТ «на перегрузку».
Если проверка не проходит, ЕТ продолжает работать, а если под-
тверждение получено, включается режим защиты (shutdown mode).
Из этого режима микросхема переходит в «авторестарт» или в ре-
жим «отключено», если напряжение на выводе VCC ниже 10,6 В.
Отключается микросхема и при превышении температуры ее кри-
сталла значения 135 °C.
На рис. 2.9 показана печатная плата ЕТ, рис. 2.10 поможет
правильно установить элементы. При изготовлении печатной пла-
ты желательно сделать токоведущие дорожки от выводов 3 и 4
трансформатора Т1 как можно шире, дополнительно усилить их
напайкой луженого провода.
На рис. 2.11 приведен примерный внешний вид электронного
трансформатора. Плату желательно установить в пластмассовый
(или другой электроизоляционный) корпус, затем ЕТ можно ис-
пользовать по назначению.
В конструкции использована следующая элементная база. Ре-
зисторьг типа С2-33, С2-23 или аналогичные импортные из 5-про-
центного ряда. Номинальная мощность резисторов должна соот-
ветствовать указанной на схеме. Конденсаторы С1, С2, С8, С9,
СЮ, Cl 1, С12 — высоковольтные, типа К73-17 или К78-2. Кон-
денсаторы С4, С5, С6, С7 — типа К10-176. Конденсатор СЗ — ти-
па К50-35, К50-68 или аналогичный импортный. Дроссель L1 на-
матывается на кольце из феррита 2000НМ, содержит 2 х 50 витков
провода ПЭТВ-2 диаметром 0,3 мм. Намотка ведется в два прово-
да, потом жилы разделываются и впаиваются в плату согласно
схеме. Перед намоткой и после нее кольцо очень желательно об-
мотать фторопластовой ленточкой или полоской тонкой лакотка-
ни. С особой тщательностью следует отнестись к изготовлению
2.3. Шаг вперед: «галогенка
93
Рис. 2.9. Печатная плата
электронного трансформатора
Рис. 2.10. Сборочный рисунок
94
Гпава 2. Свет и его источники
Рис. 2.11. Внешний вид собранного ЕТ
трансформатора Т1. Перед намоткой ферритовое кольцо оборачи-
вается также фторопластовой ленточкой, затем мотается первич-
ная обмотка (выводы 1—2). Поверх первичной обмотки укладыва-
ется слой фторопласта и мотается вторичная обмотка. Намоточ-
ные данные трансформатора: магнитопровод К32 х 16 х 12 из
феррита 2000НМ; первичная обмотка (1—2) содержит 250 витков
провода ПЭТВ-2 диаметром 0,45 мм; вторичная мотается прово-
дом той же марки, диаметром 0,8 мм, сложенным вшестеро; число
витков вторичной обмотки (3—4) — 27. Настройка ЕТ не требует-
ся, при правильной сборке он должен работать сразу.
И последнее, что важно отметить в разделе, рассказавшем вам
о галогенных лампах — обратите внимание на значения токов пи-
тания низковольтных ламп. В описанном ЕТ ток вторичной об-
мотки в режиме полной нагрузки составляет, без малого, 10 А!
Другими словами, «всплывает» еще один недостаток: необходи-
мость увеличения сечения подводящего провода, который, как из-
вестно, тоже не бесплатный... Чтобы правильно выбрать сечение
провода, фирма Vossloh Schwabe приводит на своем сайте сведе-
ния о падении напряжения (в вольтах) на подводящих проводах.
Мы помещаем эту таблицу в книгу (табл. 2.2) для удобства прак-
тических расчетов. Данные таблицы отнормированы к 2-метрово-
му одиночному проводнику (или к 1-метровому двухжильному
проводу).
Нетрудно заметить, что скрутка или использование двойного
провода (прямой и возвратный проводники) значительно сокра-
щают потери напряжения на подводящих проводах. Однако не
следует забывать, что необходимо устанавливать трансформатор
2.4. Газоразрядная мозаика
95
Таблица 2.2. Падение напряжения на подводящих проводах
Условия работы ' Мощность, Вт Площадь провода, мм2
0,75 1,00 1,50
Питание от трансформатора 50 Гц, прокладка одиночная 50 0,38 0,29 0,20
100 0,74 0,56 0,39
Питание от ЕГ 40 кГц, прокладка одиночная 50 1,40 1,25 1,20
100 3,30 3,10 3,00
Питание от ЕТ 40 кГц, провода скручены, близко 50 0,50 0,45 0,35
100 1,20 1,00 0,85
как можно ближе к осветительному прибору — так мы сможем со-
кратить не только потери напряжения, но и денежные потери. Оп-
тимальная длина подводящего проводника обычно не должна пре-
вышать 25 см.
2.4. Газоразрядная мозаика
Все, о чем мы будем говорить в этом разделе, относится, ско-
рее, к области общественной жизни, нежели к частной. Другими
словами, здесь пойдет речь об экономичных источниках света, ис-
пользующихся для освещения больших площадей: автодорог, про-
мышленных цехов, вокзалов, теплиц, стадионов, спортивных за-
лов, парков, паркингов, архитектурных памятников, строительных
площадок. Встретить лампы данного класса в городской квартире
вряд ли удастся, ну разве что иногда их применяют в загородных
домах. Итак, замолвим слово о газоразрядных лампах высокого дав-
ления, или о HID-лампах (High Intensity Discharge), как называют
их за рубежом.
В основе любой газоразрядной лампы лежит два электрода,
располагающихся в газовой среде. При приложении к электродам
соответствующего электрического потенциала газ ионизируется и
начинает светиться, сопротивление газового промежутка резко па-
дает, поэтому любая газоразрядная лампа «в чистом виде» не мо-
жет эксплуатироваться без специального устройства, называемого
пуско-реТулирующим аппаратом (ПРА). Цвет свечения лампы за-
96
Гпава 2. Свет и его источники
висит от вида газового наполнения. Сегодня наиболее распростра-
нены три вида газоразрядных ламп: ртутные, натриевые и метал-
логалогенные.
* * *
Внешний вид ртутной газоразрядной лампы высокого давления
показан на рис. 2.12. Основа лампы — разрядная кварцевая трубка
(горелка), в которую под строго нормированным давлением зака-
чаны пары ртути и инертный газ для облегчения зажигания. Име-
ются также дополнительные (зажигающие) электроды из вольфра-
ма, соединенные с основными электродами через балластные ре-
зисторы.
Собственно ртутный разряд излучает волны четырех спек-
тральных составляющих: ультрафиолетовой, фиолетовой, зеленой
и немного — в желтой. Отсутствие излучения в красной области
спектра приводит к тому, что свечение ртутного разряда носит
мертвенно-бледный цвет с очень низким показателем Ra. Выход
из неприятного положения был найден, причем двумя способами.
Первый способ использует свойства ламп накаливания: по-
скольку лампа нуждается в ПРА, ее простейшим вариантом слу-
жит балластный резистор. В качестве балластного резистора вклю-
чили спираль лампы накаливания, рассчитав ее так, чтобы она
светилась с «недокалом». Затем спираль встроили внутрь лампы,
улучшив ее цветопередачу. Так появились ртутно-вольфрамовые
лампы. Отечественная промышленность выпускает этот тип ламп
под маркой ДРВ.
Главное преимущество ртутно-вольфрамовой лампы — воз-
можность ее непосредственного включения в питающую промыш-
ленную сеть. Средний ресурс работоспособности составляет
1500...2500 часов (определяется ресурсом нити накаливания), а
световая отдача у самых лучших представителей не превышает
20...30 лм/Вт, то есть коррелируется со стандартной галогенной
лампой. Из недостатков этого типа ламп (как, впрочем, и всех ос-
тальных ртутных) укажем холодный оттенок света, который не
удается исправить никакими ухищрениями.
Более эффективный способ исправления цветности ртутных
ламп был найден тогда, когда задумались об использовании ин-
тенсивного УФ-излучения, имеющегося в спектре излучения.
И здесь вспомнили еще об одном способе получения световой
волны, называемого люминесценцией. Специальным люминофо-
2.4. Газоразрядная мозаика 97
ром (веществом, способным светиться под воздействием УФ излу-
чения) покрыли внутреннюю поверхность колбы (см. рис. 2.12).
Так появились ртутные лампы с люминофором, объемы мирового
выпуска которых сегодня стоят на третьем месте (после ламп на-
каливания и ртутных ламп низкого давления).
Колба
Разрядная
трубка
Основной
электрод
Поджигающими
электрод
Цоколь
Рис. 2.12. Ртутная газоразрядная лампа высокого давления
Ртутные лампы с люминофором можно заслуженно считать
экономичным источником освещения: их световая отдача состав-
ляет 40...60 лм/Вт, срок службы достигает 15 000...20 000 часов, а
пуско-регулирующая аппаратура (в качестве которой используется
обыкновенный дроссель) «съедает» не более 10 процентов полезной
энергии. Отечественная промышленность выпускает такие лампы
под марками ДРЛ и ДРЛФ. Номенклатура импортных марок гораз-
до шире: HPL, HQL, MBF, HSL, HRL и многие другие. Диапазон
потребляемой мощности лежит в пределах от 50 до 2000 Вт.
Кстати, сегодня производители светотехнических изделий вы-
пустили на рынок электронную ПРА, обладающую большими
преимуществами по сравнению с классической — стабильностью,
низким уровнем помех, отсутствием провалов питающего напря-
жения. В принципе, электронную ПРА можно изготовить само-
стоятельно, но в этой книге мы не приводим этих конструкций
по причине низкой бытовой распространенности ламп высокого
давления.
Закончим с ртутными лампами, назвав их общие недостатки.
Во-первых, это низкий уровень цветопередачи Ra, составляющий
98
Глава 2. Свет и его источники
в среднем 45...55, из-за чего эти лампы не применяют в местах, где
к спектральному составу света предъявляются повышенные требо-
вания: в домашней обстановке, в магазинах, в больницах.
Во-вторых, низкая готовность к включению. Лампа должна,
что называется «войти в режим», прогреться. На это уходит
5... 10 минут после ее зажигания. Кроме того, прогретая лампа не
может быть сразу же повторно включена — если произошло ее
случайное (провал напряжения в сети) или намеренное отключе-
ние, зажечь лампу удастся только после ее полного остывания.
В-третьих, невозможность регулирования яркости свечения.
Лампа рассчитывается на определенный режим питания, даже не-
большие отклонения от него ведут к значительному снижению ре-
сурса. Наиболее неблагоприятный для лампы режим — это режим
ее выхода на номинальные параметры (режим старта), поэтому,
чем меньше включений/отключений лампы окажется в процессе
ее эксплуатации, тем лампа дольше прослужит.
И, наконец, в-четвертых, питание переменным током приво-
дит к появлению мерцания лампы с частотой сети 50 Гц. Устраня-
ется эффект мерцания применением электронных ПРА.
* * *
Идея натриевой газоразрядной лампы высокого давления яв-
ляется результатом размышлений о путях повышения эффектив-
ности ртутных ламп. Оказалось, что теоретически можно заставить
светиться пары любого металла. Иное дело — не всякий металл
существует в газообразном состоянии при реальных условиях экс-
плуатации ламп, и лишь некоторые (калий, натрий, литий, ртуть)
соответствуют предъявляемым требованиям к агрегатному состоя-
нию. Исследовав свечения паров названных металлов, ученые
пришли к выводу, что наиболее подходит для практических целей
именно натрий, который излучает волну желтого цвета с максиму-
мом 590 нм.
Устройство и типичный внешний вид натриевой лампы высо-
кого давления показан на рис. 2.13. Внутри стеклянной колбы за-
креплена газовая трубка (горелка), в которой закачан натрий в па-
рообразном состоянии. Трубка изготовлена из поликора — специ-
альной окиси алюминия. Почему не из кварцевого стекла? Потому
что при работе горелка разогревается до температуры 1500 °C, а
при такой температуре натрий становится очень агрессивным по
отношению к стеклу, даже кварцевому. Поликор же, обладая хи-
2.4. Газоразрядная мозаика
99
Рис. 2.13. Натриевая газоразрядная лампа высокого давления
мической стойкостью, пропускает до 90 % процентов светового
потока и задерживает УФ-излучение. Для обеспечения теплового
баланса в колбу накачивается инертный газ с небольшой приме-
сью паров ртути.
Оценим натриевую лампу с технико-экономической точки зре-
ния. Светоотдача этого источника света на удивление высока: ее
типовое значение может достигать 150 лМ/Вт, то есть почти в
10 раз выше светоотдачи лампы накаливания! Натриевую лампу
сегодня можно считать самым экономичным массовым освети-
тельным прибором. Другое неоспоримое преимущество — пора-
жающий всякое воображение срок службы: до 30 000 часов рабо-
ты! При всем при этом резервы повышения срока службы еще не
исчерпаны. На рынке уже имеются натриевые лампы с ресурсом
почти 60 000 часов.
Что плохо? Очень низкое качество цветопередачи, составляю-
щее примерно 20...25 для индекса Ra. Но, как показывает опыт,
желтый оттенок натриевой лампы достаточно верно передает цвет
кожи, а также повышает внимание водителя на дорогах. Поэтому
100
Гпава 2. Свет и его источники
в крупных городах России, учитывая неоспоримые экономические
преимущества, подавляющее большинство уличных светильников
работает в составе с натриевыми лампами. Не будем даже говорить
про европейские страны, и особенно про Бельгию, где в ночное
время все автострады освещаются ночью именно натриевыми све-
тильниками...
Стоимость натриевой лампы выше, чем лампы ртутной — ви-
ной всему сложная технология производства. Тем не менее, ее
экономичность и срок службы окупают затраты на производство.
Традиционным качеством натриевой лампы как газоразрядно-
го прибора является низкая готовность к включению: время, за-
трачиваемое на прогрев и выход на режим, обычно составляет
5...7 минут. Читатели наверняка видели, как происходит зажига-
ние такой лампы во время включения уличного освещения, когда
оттенок излучаемого света меняется от фиолетового до желтого...
Кстати, эта лампа тоже чувствительна к нестабильности питающе-
го напряжения, сильно мерцает и не допускает регулировки ярко-
сти, но повторно может быть включена очень быстро — не более
1 минуты с момента выключения. Ее нет необходимости охлаж-
дать после снятия напряжения, как это приходится делать со ртут-
ными лампами.
Зажечь натриевую лампу не так просто, как кажется: напряже-
ние их поджига составляет 2500...5000 В. Поэтому в составе ПРА
для натриевой лампы вместе со стабилизирующим дросселем
должно иметься в наличии импульсно-зажигающее устройство
(ИЗУ). Иногда ИЗУ выполняется отдельно от дросселя, иногда
встраивается в ПРА, а иногда даже имеется в составе лампы. Оте-
чественная промышленность выпускает натриевые лампы типа
ДНаТ в габаритах и с цоколем ртутных ламп ДРЛ, со встроенным
ИЗУ, что позволяет производить замену типа ламп с сохранением
светильника (из него просто удаляют ДРЛ и устанавливают
ДНаТ). Здесь, однако, есть одна неприятность, связанная с посте-
пенным и неуклонным повышением напряжения зажигания лам-
пы на протяжении времени эксплуатации. Зачастую встроенного в
лампу ИЗУ в какой-то момент перестает хватать, и лампа либо по-
стоянно перезапускается, либо вообще не зажигается. Читатели,
вне всякого сомнения, наблюдали на улицах такие фонари, кото-
рые через 2—3 минуты работы гаснут, зажигаются и снова гаснут...
Наиболее надежное решение — использование внешней ПРА
для зажигания натриевых ламп. Приобрести готовые дроссели и
2.4. Газоразрядная мозаика
101
ИЗУ сегодня не составит большого труда, поскольку фирмы-про-
изводители ламп, естественно, поддерживают их и сопутствующей
техникой. Хорошо зарекомендовали себя в этой области изделия
немецкой фирмы «Vossloh Schwabe». На рис. 2.14, а показан элек-
тромагнитный дроссель NAHJ400.006, рассчитанный на частоту
питающей сети 50 Гц и подключение лампы мощностью 400 Вт;
на рис. 2.14, б — ИЗУ типа Z400, создающее напряжение поджига
4...5 кВ. На рис. 2.14, в приведена схема соединения указанных
устройств с лампой. Связи между элементами должны быть мини-
мальными и выполняться медным проводом площадью не менее
2-х «квадрат». Не путайте также «ноль» и «фазу» питающей сети —
это важно. При монтаже в светильник лампы ее ни в коем случае
нельзя трогать руками, иначе колба при нагреве взорвется. Патрон
для монтажа лампы должен быть керамическим. И ни в коем слу-
чае не эксплуатируйте лампу открыто, без защитного стекла и без
светильника.
Рис. 2.14. Элементы ПРА натриевой лампы: a — электромагнитный дроссель;
б — ИЗУ; в — схема соединений
102
Гпава 2. Свет и его источники
Появляются электронные ПРА для натриевых ламп, которые
позволяют отказаться и от электромагнитного дросселя, и от ИЗУ.
Примером электронного ПРА служит балласт «Пульс» [23] для пи-
тания ламп типа ДНаТ с мощностью от 70 до 400 Вт. Потери энер-
гии у этого балласта составляют всего 4 %, надежный поджиг осу-
ществляется импульсами с напряжением 3...4 кВ, схема «мягкого
старта» плавно «включает» лампу в сеть, стабилизатор поддержи-
вает напряжение на горящей лампе постоянным и устойчиво ра-
ботает в диапазоне входных напряжений 170...250 В. Внешний вид
электронного балласта показан на рис. 2.15.
Рис. 2.15. Электронный
балласт «Пульс» для натриевых ламп
* * *
Третий распространенный тип газоразрядной лампы называет-
ся металлогалоидной (или металлогалогенной) газоразрядной лам-
пой высокого давления (МГЛ). Не следует путать ее с обычной га-
логенной лампой, а также с ртутной и натриевой лампой, хотя не-
что общее можно у нее найти со всеми названными типами ламп.
Конструктивно МГЛ ничем не отличается от натриевой лам-
пы — имеется горелка из кварцевого стекла или из поликора, име-
ется защитная внешняя колба. Точно так же лампа включается со-
вместно с ПРА, для ее поджига тоже нужно иметь импульс напря-
жения в 3...5 кВ. Но наполнение горелки у МГЛ другое: вместе с
ртутью в горелку закачиваются иодиды редкоземельных металлов
(диспрозия, гольмия, тулия, цезия), а также галогениды олова.
Возникновение разряда в такой среде рождает появление в спек-
тре излучения МГЛ составляющих, выравнивающих цветовую
2.5. Ксеноновый свет вашего автомобиля
103
температуру. Производимые сегодня МГЛ, благодаря описывае-
мой технологии, имеют цветовую температуру в диапазоне
3000...6700 °К, индекс цветопередачи от 80 до 98, светоотдачу по-
рядка 100... 130 лм/Вт и срок службы до 20 000 часов.
Читатель вправе спросить: почему столь удачные лампы пока
еще редко встречаются в уличном освещении? Все дело в стоимости
лампы — она оказывается в несколько раз дороже натриевой... По-
этому там, где можно обойтись лампой с плохой цветопередачей,
пользуются натриевыми светильниками, а там, где цветопередача
важна, используют МГЛ. Например, на стадионах, для подсветки
игровых площадок или в помещениях с высокими потолками.
Отечественная промышленность выпускает МГЛ марки ДРИ и
некоторых других. Кроме невозможности регулировки силы света,
МГЛ обладают специфическим недостатком — так называемым
разбеганием цвета при отклонении питающего напряжения от но-
минального. Отличие может быть существенным у ламп, взятых из
разных производственных партий. Изменение цветовой температу-
ры МГЛ может происходить даже при смене эксплуатационного
положения или при отклонении его от требуемого техническими
условиями! Готовность МГЛ к включению тоже низкая — целых
10 минут с момента подачи питания и невозможность повторного
зажигания в горячем состоянии. Правда, существуют устройства
поджига МГЛ даже в «горячем виде», но это — очень дорогие и
громоздкие аппараты, использующиеся в исключительно-ответст-
венных случаях.
МГЛ должны обязательно устанавливаться в защитные све-
тильники с надежными стеклами. Даже ведущие мировые произ-
водители МГЛ предупреждают, что лампы могут лопнуть в конце
срока службы.
2.5. Ксеноновый свет вашего автомобиля
Если у вас, уважаемый читатель, есть личный автомобиль и
интерес к его «тюнингу», то вы наверняка уже догадались, о чем
пойдет речь в этом разделе. Ну а если вы относитесь к заядлым
пешеходам — не спешите листать страницы в поиске следующего
раздела: кое-что будет полезно узнать и здесь, если не для практи-
ческих целей, то хотя бы для общего развития.
Основным источником автомобильного света считаются пе-
редние фары: в темное время суток они помогают видеть водите-
104
Глава 2. Свет и его источники
лю дорогу и зазевавшихся пешеходов, а самим пешеходам вовремя
обнаружить несущийся «на всех парах» автомобиль. По статисти-
ке, наибольшее количество дорожно-транспортных происшествий
происходит именно из-за недостаточной видимости. Поэтому к
автомобильным лампам предъявляют особые требования — они
просто обязаны быть стойкими к тряске и вибрации, яркими,
«дальнобойными», постоянно готовыми к включению и при всем
при этом экономить электроэнергию. Традиционные автомобиль-
ные источники света в этом отношении довольно-таки прожорли-
вы — стоит только, поставив машину на стоянку, забыть отклю-
чить свет, как спустя некоторое время автомобиль уже не «заве-
дется» без посторонней помощи...
Впрочем, автомобильные лампы всегда потребляли достаточно
много энергии, и задача здесь стояла не в снижении потребления,
а в увеличении светоотдачи при сохранении потребления на преж-
нем уровне. История развития автомобильных ламп, естественно,
повторяет историю любых осветительных приборов: сначала фо-
нари питались газом, потом произошла их замена лампами нака-
ливания. Сейчас автомобильная промышленность активно ис-
пользует «галогенки».
Но — обратите внимание — недавно на дорогах появились доро-
гие автомобили, свет фар которых разительно отличается от привыч-
ного нам желтоватого галогенного света. Этот «новый свет» имеет
холодный голубоватый оттенок, исключительно хорошо «пробивает»
темноту и заставляет «бюджетного» автолюбителя задуматься, как бы
сделать нечто подобное для своей «копейки». Мы говорим о ксено-
новой лампе, которая начинает активно проникать в автомобиле-
строение и конкурировать с галогенными источниками света.
Ксеноновая лампа (xenon) относится к HID-лампам, а это зна-
чит, что в основе ее работы лежит все тот же принцип газового
разряда. Но разряд происходит в инертной среде — в аргоне,
криптоне или ксеноне. В силу ряда причин для автомобильной
лампы выбран ксенон. Кстати, данный вид ламп известен давно и
в литературе носит название газовых ламп высокой интенсивности...
Но почему бы не использовать металлогалогенную лампу? Вспом-
ните, какое время затрачивается на включение этой лампы, и вы
все поймете. Период зажигания ксеноновой лампы составляет ме-
нее секунды — а это для автомобиля очень важно.
Сделаем традиционную оценку технико-экономических пока-
зателей «ксенонки». Цветовая температура лампы лежит в преде-
2.5. Ксеноновый свет вашего автомобиля
105
лах 4200...7000 °К, средняя светоотдача составляет 90 лм/Bf (срав-
ните со средней светоотдачей «галогенки»). Гарантированный
срок службы ксеноновой лампы — около 3000 часов. Вроде бы не
намного больше, чем у стандартной «галогенки», но здесь нужно
принять во внимание, что автомобильные галогенные источники
света из-за наличия тряски безотказно работают не более 500 ча-
сов. К тому же ксеноновая лампа меньше нагревается.
Возник ли у читателя законный вопрос: если ксеноновая лампа
значительно лучше лампы галогенной, то на них не переходит по-
давляющее большинство водителей? Ответ прост: переход на ксе-
ноновый свет обходится автолюбителю пока очень дорого. Цена за
пару ксеноновых ламп даже от фирм «без адреса» сегодня составит
порядка $200...$250, а так называемый «биксенон», то есть лампы
с возможностью включения ближнего света, окажутся процентов
на 60...70 дороже. Не забудем также о расходах, связанных с уста-
новкой, а также о необходимости парной замены ламп в случае
выхода из строя хотя бы одной из них (лампы имеют свойство в
процессе приработки менять интенсивность света и цветовую тем-
пературу). Вот и прикиньте, уважаемые владельцы «копеек», во
что вам «выльется» модный свет. Стоимость переоборудования ос-
ветительных приборов сравняется с рыночной стоимостью самой
автомашины...
Но — почему так дорого? Во-первых, ксенон — газ достаточно
редкий, его очень сложно добывать. Во-вторых, сложная техноло-
гия производства ламп, в которых холодный газ находится под дав-
лением не менее 30 атмосфер. В то же время при работе горелка
лампы должна выдерживать давление газа в 120 атмосфер, хорошо
пропускать световой поток и быть стойкой к автомобильной тря-
ске. Еще одно слагаемое затрат связано с особенностями запуска
лампы: разряд инициируется при приложении между электродами
лампы импульса напряжения не менее 25 кВ, затем в режиме горе-
ния к лампе нужно прикладывать напряжение порядка 80 В и час-
тотой около 300 Гц. Это означает, что лампа не будет работать без
специального «блока поджига» или «балластного блока». Схемотех-
ника и конструкция блока поджига достаточно сложны (рис. 2.16 с
сайта [24]) из-за того, что нужно обеспечить надежное зажигание
лампы в любых погодных условиях, особенно в дождь. Конечно,
можно немного сэкономить и изготовить блок самостоятельно
(схемы можно найти в Интернете), но автор не рекомендует зани-
маться этой работой — блок должен быть исключительно надеж-
106
Гпава 2. Свет и его источники
Рис. 2.16. Типичный «блок поджига» в разобранном виде
ным! Едва ли удастся обеспечить его качество в домашних услови-
ях. Хотя — ради интереса — попробовать можно...
Пользуясь популярностью ксеноновых ламп, некоторые недоб-
росовестные производители выпустили на рынок подделки «под
ксенон». В основе подделки — обычная галогенная лампа со стек-
лом голубого цвета. Эти лампы, по отзывам специалистов, не
улучшают, а даже ухудшают видимость. Если к лампе не прилага-
ется блок поджига, есть повод задуматься о подделке. Да и отли-
чить газовую горелку от спирали накаливания вы теперь сможете
без труда.
2.6. Мир флуоресцентных ламп
Миллиард флуоресцентных (люминесцентных) ламп в год —
таков объем мирового промышленного производства этих источ-
ников света. Другое название люминесцентной лампы — газораз-
2.6. Мир флуоресцентных ламп Ю7
рядная ртутная лампа низкого давления, или лампа дневного света
(ЛДС). «Дневной» ее назвали потому, что первые ЛДС создавались
со значением цветовой температуры, близкой к 5000 °К, но потом
гамма ламп расширилась, а название осталось... Мы уже давно
сроднились с ЛДС и не воспринимаем их как какую-то диковин-
ку. И, тем не менее, для большинства читателей этой книги «днев-
ной свет» таит еще много загадок. Постараемся раскрыть хотя бы
некоторые из них.
Классический вид люминесцентной лампы представлен на
рис. 2.17. Это — длинная трубка, на концах которой имеется по
два электрода. К электродам внутри трубки подключены вольфра-
мовые спирали, а трубка заполнена инертным газом с небольшой
примесью ртути (примерно 30...40 мг) или амальгамы ртути (в но-
вых образцах). Стенки трубки с внутренней стороны покрыты лю-
минофором, преобразующим УФ-излучение газового разряда в
световое излучение. Чтобы создать определенную цветовую темпе-
ратуру излучения лампы, люминофоры составляют из трех и даже
из пяти разных типов, излучающих на разных частотах. Лампы на
основе комбинированных люминофоров называются «трехполос-
ными» и «пятиполосными». Различия индексов цветопередачи
всегда связаны с разной спектральной формой излучения ЛДС, и
это видно на рис. 2.18.
Рис. 2.17. Обычная люминесцентная лампа
Графики, показанные на рис. 2.18, можно найти в технической
документации производителя. На упаковочных коробках их обыч-
но не приводят, ограничиваясь значением цветовой температуры.
Люминесцентные лампы очень часто (обычно — в рекламных
проспектах) называют энергосберегающими. Оценим их с точки
зрения сбережения энергетических ресурсов. Световая отдача со-
временных ЛДС находится в диапазоне 40... 100 лм/Вт, а средний
срок службы не превышает 8000... 15 000 часов. Встречаются, прав-
да, экземпляры со сроком службы до 40 000 часов, но это пока
редкость. Основных видов отказа ЛДС — два: разгерметизация
108
Гпава 2. Свет и его источники
Рис. 2.18. Спектры люминесцентных ламп с различной цветопередачей:
a — Ra = 51; б — Ra = 85
колбы и потеря работоспособности вольфрамовой нити (обрыв
или снижение эмиссии). В процессе эксплуатации люминофор
постепенно теряет способность к излучению и светоотдача ламы
падает. График, отражающий типичное поведение ЛДС в процессе
эксплуатации, показан на рис. 2.19. Хорошо видно, что уже через
5000 часов наработки лампа теряет 20 % световой отдачи, а закан-
чивает свою работу уже с 70-процентной светоотдачей. Срок служ-
бы лампы можно значительно продлить, если внимательно отно-
ситься к режимам ее пуска, но об этом мы будем говорить в сле-
дующей главе подробно.
Рис. 2.19. Светоотдача ЛДС в процессе эксплуатации
________________2.6. Мир флуоресцентных ламп юд
Падение светоотдачи лампы может наблюдаться и в связи с из-
менением температуры окружающей среды. Обычно ЛДС рассчи-
тываются для работы в среде с окружающей температурой
15...25 °C, при снижении температуры светоотдача резко падает,
при повышении — также падает, но не столь резко. При темпера-
турах ниже 5 °C зажигание стандартной ЛДС вообще не гаранти-
руется, и здесь применяют специальные конструкции с двойными
колбами. -
Иногда по прошествии нескольких сот часов работы ЛДС у ее
электродов на колбе можно обнаружить потемнение, вызванное
распылением катодов. Это — признак некачественной лампы, ко-
торая вскоре выйдет из строя.
Цветопередача ЛДС лежит в пределах от 50 до 95, что, конеч-
но, определяется типом используемого люминофора.
На рынке светотехнического оборудования можно встретить
несколько конструктивных типов ЛДС, имеющих диаметр трубки
38 (Т12), 26 (Т8), 16 (Т5) и 12 (Т4) мм. Индекс «Т» относится к ме-
ждународной системе классификации ЛДС. Трубка Т12 в настоя-
щее время устарела, вместо нее активно используют трубку Т8 как
менее габаритную и более дешевую.
Значительным недостатком классических люминесцентных
ламп-трубок, ограничивающим их использование в быту, можно
считать большие габариты и неудобную конструкцию. Действи-
тельно, для ЛДС нужны длинные светильники, которые затрудни-
тельно «вписывать» в домашний дизайн, а зачастую и просто фи-
зически не разместить в помещении. Представьте, что вам пред-
стоит задача заменить лампу накаливания мощностью 100 Вт на
ЛДС с аналогичным световым потоком: вы выберете трубку дли-
ной около полуметра...
Мощный прорыв ЛДС в домашний быт произошел после по-
явления компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Догадались
загибать светящуюся трубку в 2—3 сложения, завивать ее спира-
лью и даже выполнять в виде обычной круглой колбы, что значи-
тельно сократило размеры ламп, приблизило их к габаритам ламп
накаливания. Оставалась еще одна проблема, связанная с массой
и размерами ПРА, но и ее решили с помощью электроники. Та-
ким образом, сегодня в магазине можно приобрести люминес-
центную лампу с размером обычной лампы накаливания, причем
она имеет обычный патрон типа Е27 (или Е14), легко устанавли-
вается на место лампы накаливания (рис. 2.20).
110
Глава 2. Свет и его источники
Рис. 2.20. Компактная люминесцентная лампа
Рыночное предложение КЛЛ сегодня настолько велико, на-
столько динамично меняется, что в рамках этой книги сделать об-
зор даже части этой продукции не представляется возможным.
Мы наметим лишь то, что в равной степени справедливо для всех
КЛЛ, тем более что «фирменные» нюансы не столь значительны, а
зачастую даже фиктивны, так как представляют собой рекламные
«фишки», не имеющие к технической стороне дела никакого от-
ношения.
Диапазон мощностей компактных люминесцентных ламп со
встроенными балластами лежит в пределах от 5 до 25 Вт, наиболее
часто можно встретить лампы из ряда 5, 7, 9, 11, 15, 20, 23 Вт.
Дальнейшее увеличение мощности (и, соответственно, светового
потока) приводит к увеличению размеров ламп, они перестают
быть взаимозаменяемыми с лампами накаливания. Срок службы
КЛЛ без встроенного балласта в среднем составляет 10 000 часов,
отдельные представители позволяют работать до 15 000 часов. Раз-
брос сроков службы ламп со встроенными балластами больше —
он зависит от схемотехнических особенностей балласта: надежно-
сти элементной базы, возможности предварительного подогрева
электродов, исключения фальш-старта, недопущения работы ниже
резонанса и т. д. Например, указанные для лампы Tornado (произ-
водства «Philips») 6000 часов наработки на отказ могут быть легко
2.6. Мир флуоресцентных ламп / / /
увеличены до стандартных 10 000 часов при замене встроенного
балласта на другой, более совершенный. Но данная замена увели-
чит цену лампы, и, возможно, на величину, равную стоимости тех
самых оставшихся 4000 часов... Впрочем, об электронных балла-
стах, их достоинствах, недостатках, схемах построения мы будем
говорить в следующей главе.
Выпускаются разновидности КЛЛ с «теплым» свечением, близ-
ким к свечению ламп накаливания (цветовая температура 2700 °К),
нейтрально-белым светом (цветовая температура 3300...5000 °К),
а также с «холодным» свечением (цветовая температура 6500 °К).
Индекс цветопередачи Ra лучших компактных ламп достига-
ет 85, при производстве используются современные трех- и пяти-
полосные люминофоры. Световая отдача компактных ламп не-
сколько ниже световой отдачи трубчатых ЛДС — примерно на
20...25 процентов.
Возрастающая конкуренция на рынке КЛЛ начинает поти-
хоньку рождать довольно экзотические варианты ламп. Например,
фирма «Philips» не так давно выпустила энергосберегающую лампу
AUTOMATIC для наружного освещения со встроенным фотоэле-
ментом, включающим лампу в темное время суток. Здесь исполь-
зуется фотодиодный датчик с кривой чувствительности, близкой к
чувствительности глаза (этот датчик хорошо знаком нам по пер-
вой главе). Еще одна разработка той же фирмы — лампа
CIRCULAR с круговым баллоном, напоминающим автомобиль-
ный руль. Но это — в общем-то для нашего потребителя пока эк-
зотика. А вот обычные КЛЛ экзотикой уже давно не считаются,
некоторые люди их охотно покупают «для дома, для семьи».
Прежде чем завершить наше первое техническое знакомство с
люминесцентными лампами, мы обязательно должны задуматься
о том, что мешает стихийному победному шествию КЛЛ? Почему
мы не видим очереди за энергосберегающими лампами и мусор-
ные контейнеры, наполненные лампами накаливания? Вот про-
стой расчет: лампа OSRAM DULUX S/Е мощностью 9 Вт по сво-
ей светоотдаче заменяет лампу накаливания мощностью 60 Вт,
при этом служит в 10 раз дольше. То есть, КЛЛ генерирует коли-
чество лучистой энергии за свой срок службы в 50 раз больше,
чем лампа накаливания! Неплохо, да? Но — к сожалению —
стоимость КЛЛ, включающая также стоимость ПРА (встроенного
или внешнего) сегодня составляет примерно $8...$ 10. Если срав-
нить эту цифру со стоимостью лампы накаливания, то, как гово-
112
Гпава 2. Свет и его источники
рится, «то на то и выйдет». Примерно так рассуждают многие
покупатели у прилавка с электролампами, и по-обывательски
они правы: нужно истратить значительную сумму на какую-то
лампочку, без всякой гарантии, что она не выйдет из строя через
неделю... По-своему они, конечно, правы: первые КЛЛ с элек-
тронными балластами стоили очень дорого, часто выходили из
строя. Но сейчас эти лампы стремительно дешевеют, надежность
электронной начинки значительно превысила надежность собст-
венно люминесцентной трубки, все реже и реже встречаются не-
надежные подделки «под фирму». Только ли эти доводы «работа-
ют» на КЛЛ? Нет, не только!
Давайте не будем забывать, что за электроэнергию мы тоже
платим. Сколько «съест» электроэнергии лампа мощностью 60 Вт
и лампа мощностью 9 Вт, подсчитать нетрудно. Экономисты вы-
числили, что если при анализе эффективности КЛЛ учесть стои-
мость затраченной энергии, то окажется, что КЛЛ выгоднее лам-
пы накаливания. Расчеты показывают, что при годовой наработке
лампы около 1500 часов и нынешних тарифах на электроэнергию
она окупается для нашего покупателя за 2 года, а для покупателя
европейского — всего за год. Остальное время лампа будет «рабо-
тать» на ее владельца. Кстати, экономные европейцы давно «про-
секли» свою выгоду и с помощью государственных директив вне-
дряют КЛЛ с электронным управлением во все хозяйственные
сферы. Автор надеется, что эта книга в какой-то мере поспособст-
вует популяризации и более широкому распространению компакт-
ных люминесцентных ламп в нашем Отечестве.
Подключение люминесцентных ламп к ПРА или к сети осуще-
ствляется через цоколи, основные виды которых приведены на
рис. 2.21. При покупке лампы на замену вышедшей из строя по-
G5 G13
III!
2G7
Рис. 2.21. Цоколи люминесцентных ламп
2.7. Лампа на пятьдесят лет
113
интересуйтесь, какой у нее цоколь. Ситуации, когда лампы внеш-
не очень похожи друг на друга, лишь чуть отличаясь конструкцией
цоколя, нередки.
2.7. Лампа на пятьдесят лет
Помните, что ответил Остап Бендер на предложение купить
«вечную» иголку для примуса? «Зачем? Я не собираюсь жить веч-
но...» Наверное, стоит поспорить с любимым всеми персонажем:
используемое техническое изделие все-таки должно быть долго-
вечным, чтобы не донимать человека проблемами выхода его из
строя. С другой стороны, чем надежнее вещь, тем менее хочется ее
выбрасывать, даже если она морально устарела. Не выбросишь
старую — не купишь новую, фирма-производитель не получит
прибыль, темпы экономического роста снизятся...
Это, конечно же, шутка — про снижение темпов роста: чело-
век всегда стремится выбрать лучший из возможных вариантов и
не позволит себе идти пешком, если можно ехать в автомобиле.
В отношении осветительных приборов предел человеческого меч-
тания — «вечная лампа» белого света, которая совсем (ну или поч-
ти совсем) не потребляет электроэнергию. Однако все, что мы
прочли в этой книге, как раз говорит о том, что до осуществления
человеческой «осветительской» мечты еще очень и очень далеко.
И, тем не менее, давайте немного помечтаем.
...К возвращению жены из роддома муж отремонтировал квар-
тиру и установил в комнате красивый светильник с новой лампой,
напоминающей своей формой звено цепи...
...Мальчик окончил школу и поступил в институт, а лампочка
с формой звена цепи продолжала исправно работать, в ее свете
институтские задачки решались легко и непринужденно...
...К возвращению жены сына из роддома новоиспеченный дед
открыл полюбившийся всем светильник, протер от пыли лампу с
формой звена цепи, которая излучала теплый домашний свет...
...Он возвратился домой после празднования своего пятидеся-
тилетнего юбилея, заваленный подарками от коллег-профессоров,
и дома узнал хорошую новость — у него родился внук...
...Когда внука внесли в комнату, он нажал на выключатель и
теплый домашний свет лампы, когда-то купленной к дню его рож-
114
Гпава 2. Свет и его источники
дения и ставшей за прошедшую жизнь полноправным членом се-
мьи, заполнил комнату...
Вот так автор книги представил жизнь сверхнадежного источ-
ника света, который дарит радость четырем (!) поколениям. Меч-
та, скажете? Фантастика? Нет, не фантастика — реальность!
Давайте вспомним, какое самое слабое место у люминесцент-
ной лампы — это ее спираль, которая со временем теряет эмис-
сию, истончается и перегорает. К современным люминофорам
претензий практически нет: они достаточно стойки к продолжи-
тельному УФ-излучению и защищены от реакций со ртутью.
Можно ли каким-то другим, более надежным, способом создать
ионизированное состояние газа-наполнителя и пропускать через
него электрический ток? Можно!
На рис. 2.22 показано устройство индукционной (безэлектрод-
ной) люминесцентной лампы. Колба лампы свернута в виде коль-
ца (прямоугольного или круглого), на колбу надеты в противопо-
ложных сторонах два ферритовых кольца, на которые наложены
обмотки. В колбу закачан инертный газ (чаще всего — ксенон) с
парами ртути, стенки колбы покрыты люминофором. И никаких
накальных электродов!
Ферритовое кольцо
УФ-излучение
Колба с
люминофором
Магнитный
поток
Обмотка
Электрон
Атом Видимыи
ртути свет
Рис. 2.22. Устройство индукционной люминесцентной лампы
В обмотки катушек подается переменный электрический ток,
который рождает переменное электромагнитное поле. Это поле
приводит к появлению внутри лампы электрического тока, возбу-
ждающего атомы ртути и, как обычно, рождающего УФ-излуче-
ние, которое при помощи люминофора переводится в видимый
свет. По сути, колба является короткозамкнутым витком вторич-
ной обмотки «трансформатора» с магнитопроводом в виде ферри-
тового кольца.
2.7. Лампа на пятьдесят лет
115
Индукционные лампы обладают поистине фантастическими
свойствами: при светоотдаче около 80 лм/Вт и индексе цветопере-
дачи чуть более 80 гарантированный срок службы составляет
60 000 часов для серийно выпускаемых ламп и почти 100 000 часов
для ламп, которые скоро появятся в продаже. Если средняя нара-
ботка лампы в год составит 2000 часов, что примерно соответству-
ет нашим реальным домашним потребностям в освещении, то ин-
дукционной лампы «хватит» как раз на 50 лет эксплуатации!
Объемы выпуска индукционных ламп в мире пока не слишком
высоки. Например, фирма OSRAM производит серию ламп
OSRAM ENDURA (рис. 2.23) с потребляемой мощностью 72, 100
и 150 Вт. При этом габаритные размеры 72-ваттной и 100-ваттной
ламп одинаковы (315 х 139 х 75 мм), 150-ваттная лампа длиннее на
100 мм.
Рис. 2.23. Лампа OSRAM ENDURA
Безэлектродные лампы — дорогое удовольствие, которое, од-
нако, окажется выгодным решением там, где обслуживание свето-
технических приборов сопряжено с большими неудобствами.
Примером может служить производственное помещение, в кото-
ром нельзя прерывать технологические процессы слишком часто,
или цех с высокими потолками. Индукционная лампа окупает се-
бя только за счет снижения затрат на обслуживание.
Причина дороговизны безэлектродных ламп не только в слож-
ной конструкции колбы, но еще и в необходимости обеспечения
питания от электронного балласта с очень высокой частотой пре-
образования. Для ламп ENDURA фирма OSRAM поставляет элек-
тронные балласты с частотой преобразования 250 кГц ’ типа
QUICKTRONIC с габаритными размерами 181 x 100 x43 мм.
116
Гпава 2. Свет и его источники
В номенклатуре других фирм (например, Philips) можно встретить
грушевидную конструкцию лампы с частотой преобразования око-
ло 3 МГц. Отечественное производство индукционных ламп нахо-
дится на стадии испытаний опытных образцов. К примеру, ОКБ
«МЭЛЗ» обозначило в номенклатуре своей продукции лампу БВЛ
мощностью 150 Вт со сроком службы 60 000 часов, но, видимо,
купить ее можно будет еще не скоро — ведь нужно разрабатывать
также надежный электронный балласт.
2.8. Что рассказала картонная упаковка
Лет десять тому назад отечественные электролампы упаковы-
вались на заводе-изготовителе очень просто: из гофрированного
картона склеивалась четырехугольная коробочка без дна и без
крышки, затем надевалась на лампочку. Никаких надписей, есте-
ственно, на такой таре не наносилось. Маркировка мощности
лампы и номинального питающего напряжения наносились прямо
на колбу. Другая информация потребителю по каким-то причинам
не предоставлялась.
Сегодня на отечественном рынке предлагается огромное коли-
чество импортных ламп, упакованных в разноцветные коробочки
с фотографией лампы, рисунками, графиками и цифрами. Други-
ми словами, производители с помощью упаковки заботятся не
только о сохранности лампы (с этой задачей отлично справлялся и
гофрированный коробок), но доносят до покупателя много важ-
ной технической информации, чтобы приобретение лампы не пре-
вращалось в процесс гадания «на кофейной гуще». Давайте же
возьмем в руки коробочки от ламп разных видов и внимательно их
рассмотрим.
На рис. 2.24 показан знак, который можно встретить практиче-
ски на всех упаковочных коробках стандартных ламп, произведен-
ных на территории Европейского Сообщества (ЕС). Называется
такой знак маркировкой потребления энергии. В соответствующей
директиве ЕС всем производителям ламп накаливания и люми-
несцентных ламп предписано указывать их класс эффективности
по 7-ступенчатой шкале (А, В, С, D, Е, F, G), причем буква «А»
эквивалентна характеристике «очень эффективно», a «G» — «не-
эффективно». К примеру, лампа компактная люминесцентная
OSRAM DULUX S/Е мощностью 9 Вт подпадает под класс «А»,
2.8. Что рассказала картонная упаковка
117
Рис. 2.24. Маркировка потребления энергии
а лампа накаливания PHILIPS SOFT WHITE мощностью 60 Вт —
под класс «Е». Обе лампы излучают примерно один и тот же све-
товой поток (660 и 600 лм).
Еще один часто встречающийся значок,
показанный на рис. 2.25, называется Communi- Sr
tee Europeenne (CE mark). Этот — знак серти- Л «F-
фикации, который разрешается проставлять на
упаковке только после положительного прохо- рис 2 25 СЕ mark
ждения испытаний продукции в сертификаци-
онных центрах Европейского Сообщества. В частности, экспертиза
проводится на предмет отсутствия содержания некоторых вредных
веществ, на энергетическую эффективность, на электромагнитную
совместимость (отсутствия помех для радиосвязи). Печатая СЕ
mark, производитель берет на себя ответственность, связанную с
возможным ущербом, которое может принести его изделие по при-
чине несоответствия требованиям стандартов. Изделия, не имею-
щие такого знака, на территории ЕС продаваться не могут.
Читателю необходимо знать, что отечественная система серти-
фикации источников света проводится дополнительно, и в случае
положительного ее прохождения выдается другой сертификацион-
ный значок. Известные иностранные фирмы, распространяющие
свою продукцию на нашем рынке, как правило, имеют оба знака
сертификации, что является хоть какой-то гарантией работоспо-
собности ламп.
На упаковочной коробке также можно найти значение свето-
вого потока (в лм), срок службы, наименование цоколя, индекс
цветопередачи и цветовую температуру. Иногда цветовая темпера-
тура люминесцентных ламп кодируется тремя цифрами в соответ-
ствии с табл. 2.3.
118
Глава 2. Свет и его источники
Таблица 2.3. Коды цветовой температуры
Восприятие света Цветовая температура, °К Код
Тепло-белый 2700 827
3000 830
930
Нейтрально-белый 4000 840
940
Белый дневной свет 5000 950
6000 860
6500 965
Часто на коробках встречаются чисто рекламные лозунги, го-
ворящие о том, что «наша лампа самая яркая», «наша лампа самая
экономичная», «наша лампа самая долговечная». Теперь, когда вы
знаете о реальных характеристиках источников света, ваши ожи-
дания никогда не будут обмануты.
2.9. Неофициально об официальном
А знаете ли вы, уважаемые читатели, что ныне в нашей стране
задачи эффективного использования энергетических ресурсов,
энергосбережение и, в частности, использование экономичных ис-
точников света — уже не предмет мечтаний отдельных прогрессив-
ных руководителей, не движение жильцов некоторых домов, и не
увлечение радиолюбителей (хотя интерес к данной тематике со
стороны наших граждан, надо отдать им должное, стремительно
растет). Сегодня эти задачи озвучены на государственном уровне и
будут решаться в ближайшие десятилетия организованно. В обес-
печение задач энергосбережения с 27 ноября 2009 года вступил в
действие «Федеральный закон Российской Федерации об энерго-
сбережении и о повышении энергетической эффективности». Так-
же с 13 ноября 2009 года утверждена «Энергетическая стратегия
России на период до 2030 года». Данные документы охватывают
все области отечественной энергетики, констатируют современное
состояние дел в этой области, ставят задачи и указывают пути их
решения. Документы эти очень серьезные и объемные, поэтому не
2.9. Неофициально об официальном пд
будем пугать читателя обилием официальной информации — пред-
ставленные документы желающие могут найти на официальных
сайтах государственных структур. Упомянем лишь то, что важно
для тематики нашей книги.
Итак, впервые законодательно закреплены такие понятия, как
«класс энергетической эффективности объекта» и «энергетическое
обследование объекта». Государственному регулированию теперь
подлежат, в частности:
• требования к обороту товаров, функциональное назначение ко-
торых предполагает использование энергетических ресурсов;
• требования энергетической эффективности зданий, строе-
ний, сооружений;
• обязанности проведения мероприятий по энергосбережению
в многоквартирных домах (пока по отношению к общему
имуществу);
• проведение обязательных энергетических обследований объ-
ектов.
Вместе с этим декларируется государственная поддержка созда-
ния энергосберегающих технологий нового поколения, а также
реализация программ стимулирования производства и продажи то-
варов, имеющих высокую энергетическую эффективность, для
обеспечения их в количестве, удовлетворяющем спрос потребите-
лей, при установлении запрета или ограничения производства и
оборота аналогичных по цели использования товаров, результатом
использования которых может стать непроизводительный расход
энергетических ресурсов.
Напрямую касаются тематики книги положения пункта 8 ста-
тьи 10 Закона «Об энергоэффективности». Приведем положения
этого пункта полностью:
«С 1 января 2011 года к обороту на территории Российской Фе-
дерации не допускаются электрические лампы накаливания мощ-
ностью сто ватт и более, которые могут быть использованы в цепях
переменного тока в целях освещения. С 1 января 2011 года не до-
пускается размещение заказов на поставки электрических ламп на-
каливания для государственных или муниципальных нужд, кото-
рые могут быть использованы в цепях переменного тока в целях
освещения. В целях последовательной реализации требований о
сокращении оборота электрических ламп накаливания с 1 января
2013 года может быть введен запрет на оборот на территории Рос-
сийской Федерации электрических ламп накаливания мощностью
120
Гпава 2. Свет и его источники
семьдесят пять ватт и более, которые могут быть использованы в
цепях переменного тока в целях освещения, а с 1 января 2014 го-
да — электрических ламп накаливания мощностью двадцать пять
ватт и более, которые могут быть использованы в цепях перемен-
ного тока в целях освещения».
В общем, даже краткий экскурс в законодательные акты гово-
рит о том, что программа повышения энергоэффективности — это,
как говорится «всерьез и надолго». Конечно, появление данных за-
конов вызвало бурную дискуссию «в массах»: в печати, на Интер-
нет-форумах, в разговорах с друзьями, коллегами. И далеко не все-
гда обыватель положительно высказывается о перспективах заме-
ны ламп накаливания в своих домах на энергосберегающие. Много
вопросов ставится о стоимости энергосберегающих ламп, о качест-
ве отдаваемого ими света, об их фактической долговечности, да и
вопросы утилизации отслуживших свое ламп не на последнем мес-
те. Ведь люминесцентную лампу не выбросишь без потенциально-
го вреда для здоровья в обычный мусорный контейнер. А значит —
необходима государственная программа по внедрению подходящих
утилизаторов, системы транспортировки, экологически чистой пе-
реработки... Кто-то, пока лампы накаливания совсем не исчезли с
прилавков магазинов, предлагает создать у себя дома «стратегиче-
ский запас», закупить их сотнями, благо стоимость ламп накалива-
ния — мизерная.
Впрочем, исчезновение классических ламп накаливания с при-
лавков магазинов — процесс объективный, и начался он задолго до
появления упомянутых законодательных актов. Наверняка многие
отметили для себя, что на прилавках крупных строительных супер-
маркетов лампам накаливания в последнее время отводился скром-
ный уголок, а номенклатура составляла 3—4 типа. Основное же ме-
сто было занято этими самыми «энергосберегающими новинками».
Те же люди, которые однажды сделали шаг в сторону энергосбере-
гающих технологий, потратились на энергосберегающие лампы, в
дальнейшем нисколько не пожалели: ведь количество потребляе-
мой энергии сократилось, уменьшились платежные счета. Нис-
колько не пострадал и комфорт помещений — кто-то выбрал «хо-
лодный» свет, кто-то — «теплый», кто-то отдал предпочтение ком-
бинированным вариантам с небольшой примесью «экзотики».
Спешим уверить читателя: внедрение энергосберегающих ламп
в быту не произойдет резко. Это значит, что завтра к вам не по-
стучится грозный «энергетический комиссар», не выкрутит все
2.9. Неофициально об официальном
121
лампы накаливания и не оштрафует за их использование. Актив-
ное внедрение энергосберегающих технологий начнется с про-
мышленных предприятий и общественных зданий — руководите-
ли и ответственные лица будут сами бороться за повышение энер-
гоэффективности. Ну а внедрить энергосберегающие технологии в
быту поможет сама жизнь: люди сами приобретут новые лампы,
ориентируясь на положительные отзывы родственников, друзей,
знакомых. Так что новых технологий не нужно опасаться — необ-
ходимо лишь немножко в них разобраться и выбрать для себя то,
что окажется наиболее комфортным и качественным. Все возмож-
ности к тому имеются.
Вы уже готовы бежать в магазин за новыми лампами? Не спе-
шите, дочитайте этот раздел до конца, и вы узнаете, как и какие
нужно покупать лампы, чтобы вас не постигло разочарование!
Особенность первая. Приобретая энергосберегающую лампу,
проверьте, через какое время она зажигается. В ином магазине вам
могут продемонстрировать «мгновенное зажигание лампы» и мно-
гословно объяснить, «как это здорово». На самом деле мгновенное
зажигание лампы свидетельствует о так называемом «холодном
старте», когда электроды в разрядной трубке предварительно не
прогреваются. Холодный старт весьма опасен — он может на по-
рядок сократить «жизнь» лампы. Признаком хорошей энергосбе-
регающей лампы служит оранжевое свечение накальных электро-
дов в разрядной трубке перед зажиганием на время 0,5...! с.
Особенность вторая. Никогда не «покупайтесь» на рекламные
надписи типа «гарантированные шесть лет работы». Ресурс хоро-
шей энергосберегающей лампы составляет порядка 6—12 тысяч
часов, поэтому ищите на упаковочной коробке уточнение — «при
работе столько-то часов в сутки». К сожалению, подобными рек-
ламными технологиями сегодня пользуются не только фирмы «без
роду и племени», но и уважаемые всеми производители...
Особенность третья. Законы статистики распространяются и на
КЛЛ! Если на упаковке лампы указан ресурс в 10000 часов, то это
совсем не значит, что ваша конкретная лампа откажет на 10 001
час. Лампа может многократно отработать это время, или не доб-
раться до первой тысячи часов. Как определить реальную надеж-
ность купленной лампы, как отличить рекламу от действительных
технических параметров, как сориентироваться в «океанских мас-
штабах» фирм-производителей? В какой-то мере гарантией служит
известное фирменное имя, но — только лишь отчасти. Гораздо на-
122
Гпава 2. Свет и его источники
дежнее принять во внимание срок юридической гарантийной от-
ветственности поставщика (или продавца): если лампа продается
«на страх и риск покупателя», то приобретать ее не стоит, а если
предоставляется хотя бы полугодовая гарантия безвозмездной за-
мены отказавшей лампы, приобретайте ее смело.
Особенность четвертая. Многих продолжает смущать цена
энергосберегающих ламп, даже несмотря на то, что в последнее
время она, эта цена, серьезно снизилась. Пусть лампа накаливания
выходит из строя чаще, но стоимость ее окажется гораздо меньше.
Перегорела — выбросил и установил новую, из запасов. Энерго-
сберегающими же лампами впрок не особенно запасешься! Впро-
чем, этого и не нужно. Простой арифметический расчет показыва-
ет, что КЛЛ в России окупается за 1,5...2 года (при ежесуточной
наработке около 5 часов), и далее — оплачивается только потреб-
ляемая энергия.
Особенность пятая. Не стоит делать резкий переход к энерго-
сберегающим лампам. Приобретите на первый раз одну-две штуки,
оцените их работу. А дальше — принимайте решение, стоит ли ос-
тановиться на выбранном варианте, или имеет смысл попробовать
другой вариант. Сегодня уже нередки случаи, когда в квартире
«подчистую» меняются все лампы накаливания на КЛЛ. Порой да-
же случаются анекдотичные случаи: через некоторое время после
замены приходят проверить квартирный счетчик, не веря, что сни-
жение энергопотребления связано не с новыми технологиями, а со
всем известной недобросовестностью...
Особенность шестая. Далеко не все производители указывают
светоотдачу ламп в явном виде, но ее можно рассчитать, пользуясь
данными о потребляемой мощности (в Вт) и излучаемом световом
потоке (в лм). Неплохо также запомнить, что средняя лампа нака-
ливания мощностью 60 Вт излучает световой поток 630...660 лм —
эти данные вам пригодятся для подбора необходимой энергосбе-
регающей лампы взамен лампы накаливания.
Особенность седьмая. Формы баллонов энергосберегающих
ламп достаточно разнообразны. Подберите для своего светильника
такую форму баллона, чтобы лампа гарантированно «влезла» в све-
тильник. Важно также знать, что энергосберегающие лампы нагре-
ваются гораздо меньше ламп накаливания.
Глава 3
ЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
БАЛЛАСТЫ
Современные осветительные приборы — это не только эффек-
тивные лампы, но еще и пускорегулирующая аппаратура, надеж-
ная и экономичная, продлевающая «жизнь» лампе, не шумящая,
не создающая мерцающего света и не мешающая работе электрон-
ной техники. Выполнение всех этих условий возможно только с
помощью передовых достижений мировой электроники. Поэтому
данную главу можно считать логическим продолжением предыду-
щей, поскольку она расскажет читателю о перспективной пуско-
регулирующей аппаратуре, и, в частности, об электронных балла-
стах люминесцентных ламп.
3.1. Почему — электронный балласт?
Начнем главу с важного факта. Внимание, читатели: начиная с
2006 года в странах Европейского сообщества разрешается приме-
нять светильники с люминесцентными лампами, оснащенными
преимущественно электронными балластами. Соответственно, на-
ходящие в эксплуатации классические балласты должны заменять-
ся на новые. Чем же плохи классические дроссельные балласты,
прослужившие людям «верой и правдой» не один десяток лет? Мы
немного отложим ответ на этот вопрос, а пока предварим его
разъяснением, для чего нужен балласт люминесцентной лампе и
как он работает.
Обычно в бытовых разговорах словом «балласт» обозначают
что-то ненужное, лишнее, мешающее движению вперед. Но в
электротехнике «балластом» называют элемент, который по сво-
ему функциональному назначению предназначен для ограничения
каких-либо параметров, их «торможения». На рис. 3.1 показана
классическая электрическая схема люминесцентного светильника,
124
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.1. Классическая схема питания люминесцентной лампы
в которой балластным сопротивлением включена индуктивность
(дроссель) L.
Холодная люминесцентная лампа EL имеет высокое сопро-
тивление между своими электродами, поэтому при включении
напряжение сети, проходя через накальные электроды лампы,
целиком падает на ключевом элементе стартера SF. Ключевой
элемент КД представляет собой биметаллическую пластину, за-
мыкающую цепь в нагретом состоянии и в холодном состоянии
ее размыкающую. Поскольку на электродах ключа КЛ появляется
разность электрических потенциалов, газ в колбе стартера иони-
зируется и разогревает биметаллическую пластинку. В какой-то
момент ключ КЛ замыкается и появившийся в цепи электриче-
ский ток начинает «накачивать» в дроссель энергию, но, более
того, этот ток разогревает накальные спирали люминесцентной
лампы EL. Разогретым электродам присущ эффект термоэлек-
тронной эмиссии, который известен читателю по электронным
лампам, кинескопам, вакуумным индикаторам. В газе, наполняю-
щем баллон лампы, появляются свободные заряды. Одновремен-
но с этим в баллоне стартера ионизация газа пропадает, биметал-
лическая пластина охлаждается, и ключ КЛ размыкается. Энер-
гия, накопленная в индуктивном элементе L, переходит в заряд
конденсатора СЗ по закону:
Li2L = \U2ELC3, (3.1)
где iL — ток дросселя;
\UEL — изменение напряжения между электродами лампы.
Обычно индуктивность L дросселя стремятся выбрать поболь-
ше, а емкость СЗ конденсатора — поменьше, чтобы получить боль-
3.1. Почему — электронный балласт?
125
шую амплитуду резонансного броска напряжения на конденсаторе.
Этот бросок, величина которого превышает напряжение питания,
достаточен для полной ионизации газа внутри баллона люминес-
центной лампы и ее зажигания. Зажигание характеризуется резким
падением сопротивления газового промежутка люминесцентной
лампы. После зажигания стартер оказывается отключенным, по-
скольку его сопротивление много больше сопротивления горящей
лампы. Дроссель же, являясь индуктивным сопротивлением, под-
держивает рабочее напряжение на электродах лампы, так как со-
противление «горящего» промежутка становится малым. Увеличе-
ние напряжения на электродах зажженной лампы приводит к воз-
растанию тока через нее, а, следовательно, к нагреву баллона и
быстрому его разрушению, так что излишний ток нужно «гасить»
балластом. Номенклатурный ряд балластов трубчатых люминес-
центных ламп разработан давно. Определяющим параметром здесь
является мощность лампы, по величине которой и подбирается
конкретный дроссель.
Схема содержит также конденсатор электромагнитной совмес-
тимости С1, подавляющий электромагнитные помехи, возникаю-
щие при работе лампы, а также цепочку С2, R, называемую пас-
сивным корректором коэффициента мощности. Здесь нам опять
необходимо дать некоторые пояснения на примере включенной в
сеть активно-реактивной цепи, которая и составляет основу ПРА
люминесцентной лампы.
На рис. 3.2 показана электрическая цепь, состоящая из актив-
ного сопротивления R (эквивалент лампы), а также дросселя L
(балласт), и подключенная к сети переменного тока. С помощью
приборов РА, PV и PW мы будем измерять соответственно ток в
цепи z„, напряжение U„ и активную мощность Р, выделяющуюся
на элементах цепи.
Рис. 3.2. Активно-реактивная цепь, включенная
в сеть переменного тока
126
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Произведение тока и напряжения, измеренных приборами
РА и PV по отдельности, называется полной мощностью (S), по-
требляемой электрической цепью и измеряемой в «вольт-ампе-
рах» (ВА):
(3.2)
В то же время по прибору PW мы непосредственно измеряем
активную мощность (Р) в цепи в ваттах (Вт). В чем отличие пол-
ной и активной мощности друг от друга? Давно известно, что лю-
бой реактивный элемент, будь то катушка индуктивности или
конденсатор, «двигают» фазу тока относительно фазы напряже-
ния, то есть максимум тока в активно-реактивной цепи не совпа-
дает с максимумом напряжения, подводимого к ней. Поэтому
полная мощность, подведенная к такой цепи, не равна активной
мощности, выделяющейся на ее активных элементах. Отношение
же мощностей PF, определяемое из формулы:
PF = 4 (3.3)
О
называется коэффициентом мощности (power factor) цепи. Очевид-
но, что коэффициент мощности не может быть больше 1. Для
чисто активной нагрузки, когда максимум напряжения совпадает
с максимумом тока, коэффициент мощности равен единице, во
всех остальных случаях PF меньше единицы. Чем плохи нагрузки
с низким PF1 Тем, что реактивную мощность не удается исполь-
зовать для совершения полезной работы, но, тем не менее, она
потребляется от источника, что заставляет увеличивать его пол-
ную отдаваемую мощность, выбирать более мощное оборудова-
ние, наращивать сечение подводящих проводов. Нескорректиро-
ванный электронный балласт имеет коэффициент мощности
близкий к 0,5 (фазы тока и напряжения сдвинуты друг относи-
тельно друга). Поэтому здесь необходимо введение специального
устройства, называемого корректором коэффициента мощности
(power factor corrector), которое позволит приблизить потребление
тока к наблюдаемой при включении в сеть чисто активной на-
грузки. В данном случае мы обойдемся конденсатором, а в элек-
тронных балластах коэффициент мощности будет корректировать
электронная схема.
Если по каким-либо причинам лампа не зажигается (напри-
мер, слишком рано происходит размыкание биметаллического
3.1. Почему — электронный балласт? 127
контакта стартера, или он износился в процессе эксплуатации),
лампа входит в аварийный режим работы, который сопровождает-
ся вспышками фальш-cmapma, визуально выражающегося как ряд
вспышек перед стабильным зажиганием. Фальш-старт резко сни-
жает срок службы люминесцентной лампы по причине сокраще-
ния ресурса накальных спиралей.
Как выглядит стартер, знают все, поэтому автор не счел необ-
ходимым приводить его внешний вид в книге. Гораздо важнее рас-
сказать о борьбе за повышение надежности этого весьма далекого
от совершенства элемента или отказа от него в пользу других тех-
нических решений. На рис. 3.3 приведена схема бесстартерного ав-
тотрансформаторного балласта, в котором необходимое для под-
жига напряжение формируется индуктивным методом. Однако
здесь наблюдается неудачный режим запуска люминесцентной
лампы, называемый «холодным». Этот режим возникает при при-
ложении к электродам лампы напряжения 400... 1200 В, в отличие
от режима «горячего пуска» с прогретыми электродами, когда для
зажигания лампы достаточно 40...400 В. Опытным путем установ-
лено, что «холодный пуск» снижает ресурс лампы почти в два раза.
Рис. 3.3. Автотрансформаторная ПРА
А что делать со стартерными светильниками? Все тоже очень
просто: заменить стартер на его электронный аналог. Такие аналоги
уже давно применяются за рубежом, и только недавно отечествен-
ная промышленность освоила выпуск микросхемы КР1182КП2, на
основе которой можно легко изготовить электронный стартер.
Микросхема представляет собой трехвыводной фазовый тиристор-
ный регулятор напряжения (рис. 3.4).
Для работы электронного стартера необходим резонансный
контур L, С1. В качестве индуктивности L возможно использовать
128
Глава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.4. Применение микросхемы KPI182КП2
обыкновенный балластный дроссель, выбранный по всем прави-
лам. Величина конденсатора С1 для сетевой частоты 50 Гц рассчи-
тывается по формуле:
Ю "5
С1= —. (3.4)
L
Конденсатор С2 регулирует момент открывания электронного
стартера, а резистор R1 включен в целях электробезопасности.
Этот резистор разряжает конденсатор С1 при отключении лампы
от сети.
Но даже самый лучший стартер не сможет устранить такой
значительный недостаток дроссельного ПРА, как мерцание света
лампы из-за низкой частоты напряжения ее питания. При перехо-
де питающего напряжения через «ноль» газ успевает де-ионизиро-
ваться, что вызывает характерное мерцание, иногда даже заметное
на глаз.
Графически все возможные режимы работы лампы показаны
на рис. 3.5.
Давайте теперь подведем некоторые итоги и кратко назовем
недостатки питания люминесцентных ламп от классической ПРА.
Во-первых, для их зажигания требуется наличие громоздкого
дросселя и ненадежного стартера. Во-вторых, лампы мерцают с
частотой питающей сети 50 Гц. В-третьих, арматура ламп, с помо-
щью которой они монтируются, требует тщательно продуманного
способа крепления управляющих элементов. Обычно хорошая ар-
матура имеет мягкий подвес или резиновые амортизирующие про-
кладки, чтобы вибрация с частотой 50 Гц, создаваемая дросселем,
не создавала резонанса с корпусом и не раздражала звоном окру-
3.1. Почему — электронный балласт?
129
Рис. 3.5. Режимы работы люминесцентных ламп
жающих. В-четвертых, вышедший из строя стартер вызывает
фальш-старт, снижающий ресурс лампы. В-пятых, коэффициент
мощности подобных светильников невысок, а это значит, что лам-
пы являются неудачной для электросети нагрузкой. В-шестых,
классический балласт ламп нагревается, что свидетельствует о до-
полнительных затратах энергии. В-седьмых, классическая схема
поддержания свечения люминесцентной лампы не позволяет осу-
ществлять регулировку яркости ее свечения.
Устранить недостатки классической ПРА или, по крайней ме-
ре, сделать их менее ощутимыми, позволяет электронная пус-
ко-регулирующая аппаратура (ЭПРА), чаще именуемая электрон-
ными балластами. Основная идея, лежащая в их основе, состоит в
использовании для питания ламп высокочастотного напряжения
(более 30 кГц). Хорошо спроектированные электронные балласты
позволяют не только устранить мерцание ламп, повысить их све-
товую отдачу, но еще и до 50 процентов снизить энергопотребле-
ние, приблизить коэффициент мощности к 1 (как у чисто актив-
ной нагрузки), выполнить предпусковой разогрев электродов,
поддержать номинальное значение мощности при колебаниях на-
пряжения питающей сети и автоматически отключать неисправ-
ную лампу по окончании срока службы. ЭПРА позволяют без
труда «организовать» регулировку светового потока ламп, а при-
менение цифровых технологий в составе электронных балластов
открывают перспективы по централизованному управлению осве-
щением в больших зданиях (об этом мы будем говорить в гла-
ве 5). Одна простая замена классического балласта на электрон-
ный повышает эффективность светильника примерно на 40 %, не
говоря уже о его надежности.
130 Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Сегодня процессы отказа от дроссельной ПРА в пользу ЭПРА
стремительно набирают обороты, правда, пока за пределами на-
шей страны, но в недалеком будущем, хочется верить, они коснут-
ся и нас. В Европейском Сообществе за внедрение «электроники»
взялись уже на государственном уровне. Вначале вся существую-
щая пуско-регулирующая аппаратура была поделена на классы в
соответствии с табл. 3.1.
Таблица 3.1. Классификация пуско-регулирующей аппаратуры
Класс Наименование ПРА, ЭПРА
А1 ЭПРА с регулировкой светового потока
А2 Нерегулируемая ЭПРА с уменьшенными потерями
АЗ Нерегулируемая стандартная ЭПРА
В2 ПРА с особо низкими потерями
В1 ПРА с пониженными потерями
С Стандартная ПРА
D Малоэффективная ПРА
Большинство выпускаемой в нашей стране ПРА по европей-
ской классификации следует отнести к классу D, который в ЕС
был запрещен к применению с 2002 года. В конце 2005 года запре-
ту подверглась также стандартная ПРА класса С. Пока еще разре-
шается комплектовать светильники экономичной ПРА классов В1
и В2, но очевидный ее проигрыш по всем параметрам ЭПРА вско-
ре должен привести к вытеснению с рынка любой низкочастотной
пуско-регулирующей аппаратуры люминесцентных и иных ламп.
Если о надежности ламп мы уже кое-что знаем, то какова
должна быть надежность ЭПРА? Ведущие фирмы-производители
предоставляют такую информацию. Из нее следует, что среднее
время безотказной работы современных промышленных ЭПРА
составляет 50 000 часов при температуре окружающей среды до
70 °C, причем уже при температуре 40 °C время безотказной рабо-
ты повышается более чем в 2 раза.
___________3.2. Как устроен электронный балласт 131
3.2. Как устроен электронный балласт
Давайте же, наконец, познакомимся с устройством электрон-
ных балластов, а также с внешним видом и техническими характе-
ристиками промышленных образцов. Типовая структурная схема
электронного балласта показана на рис. 3.6. Входное переменное
напряжение 220 В 50 Гц поступает на помехоподавляющий фильтр,
который блокирует помехи, возникающие при работе балласта.
Плохо подавленные паразитные излучения балластов могут «заби-
вать» бытовые радиоприемники и беспроводные телефоны, не го-
воря уже о производственных помещениях, в которых работают с
высокоточной измерительной аппаратурой. Далее по схеме следует
стандартный двухполупериодный выпрямитель, простейший кон-
денсаторный фильтр или корректор коэффициента мощности.
Сразу отметим, что корректор пока отсутствует в большинстве схем
балластов, поскольку мощность одиночных люминесцентных ламп
не превышает 100 Вт, а это значит, что они не попадают под жест-
кие требования стандарта МЭК ТЕС 1000-3-2. Конечно, электрон-
ный корректор значительно «поднимет» цену балласта, однако дан-
ную коррекцию рекомендуют вводить при использовании одного
электронного балласта, работающего на несколько (3—4) однотип-
ных ламп. Иногда может отсутствовать и индуктивно-емкостной
помехоподавляющий фильтр (вместо него обычно используется
одиночный неполярный конденсатор небольшой емкости). Тем не
менее, поскольку требования по помехоподавлению все более уже-
сточаются, профессиональным разработчикам в скором времени
придется вводить в схемы балластов хотя бы индуктивно-емкост-
ные помехоподавляющие фильтры.
Рис. 3.6. Типовая структура электронного балласта
Инвертор преобразует выпрямленное напряжение в высоко-
частотные импульсы, которыми питается лампа EL. Цепочка из
132
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
конденсатора С и позистора РТС предназначена для запуска лам-
пы. Любой электронный балласт должен быть оснащен сетевым
предохранителем F, чтобы вышедшая из стоя электронная схема
не вызвала пожар.
Рассмотрим работу высокочастотного инвертора подробнее,
так как именно этот узел является основным в схеме балласта.
Итак, в схеме рис. 3.7 точка «А» подключается с помощью транзи-
сторных ключей VT1 и VT2 периодически то к напряжению пита-
ния (Uin = 310 В), то к «общему» схемы. В результате в точке «А»
возникают однополярные высокочастотные импульсы напряжения
(частота коммутации обычно находится в пределах 20—120 кГц),
которые, во-первых, зажигают лампу, а во-вторых, не дают газу
деионизироваться. Свет, излучаемый лампой, будет ровным, без
неприятного глазу мерцания. При таком методе пуска и управле-
ния полностью исключается фальш-старт, поскольку электроды
лампы гарантированно коммутируются к шинам питания. Регули-
ровкой скважности импульсов коммутации можно добиться регу-
лировки яркости свечения. Кроме этого, при работе на высокой
частоте могут быть значительно сокращены размеры индуктивно-
сти L. Как вариант реализации электронного балласта иногда ис-
пользуется полумостовая схема (рис. 3.8). Впрочем, первый вари-
ант сегодня встречается чаще.
Рис. 3.7. Инвертор электронного балласта
Как вы знаете, прежде чем зажечь лампу, нужно разогреть ее
электроды, иначе постоянный «холодный старт» сократит ресурс
ее работы. Поскольку в схеме электронного балласта отсутствует
стартер, необходимо каким-то образом первоначально замкнуть
цепь, чтобы протекающий ток разогрел электроды, а затем схему
3.2. Как устроен электронный балласт
133
о—
VT1
Рис. 3.8. Еще один вариант инвертора
пуска отключить. В лампах небольшой мощности, порядка единиц
ватт, первоначальное замыкание цепи можно осуществить при по-
мощи конденсатора С (рис. 3.9, а). Однако этот путь достаточно
противоречив, поскольку для разогрева желательно иметь как
можно большее значение емкости, в то время как для возникнове-
ния хорошего резонансного эффекта выбирать эту емкость слиш-
ком большой нельзя. При разработке практических конструкций
замена стартера конденсатором не всегда приводит к надежному
запуску, поэтому тем читателям, которые захотят изготовить пред-
ложенные практические конструкции, рекомендуется в небольших
пределах подобрать емкость этого конденсатора (если надежный
запуск не будет получаться).
И все же как обеспечить надежный запуск лампы при мини-
мальном значении «стартерной» емкости? Разработчики поступи-
ли следующим оригинальным образом. Они включили параллель-
но конденсатору термистор РТС с положительным температурным
коэффициентом. В холодном состоянии сопротивление термисто-
ра мало, и ток разогревает электроды лампы. Вместе с электрода-
ми разогревается и термистор. При определенной температуре со-
противление термистора резко повышается, цепь разрывается и
индуктивный выброс зажигает лампу. Термистор шунтируется
низким сопротивлением горящей лампы (рис. 3.7 и 3.8).
Приведенный на рис. 3.9, а вариант включения лампы пред-
ставляет собой простейший способ токового разогрева электродов
(single lamp/current-mode heating). Способ этот, как мы заметили,
не очень надежен. Поэтому была разработана схема потенциаль-
ного разогрева электродов (single lamp/voltage-mode heating), изо-
браженная на рис. 3.9, б. На этой схеме балластный дроссель L1
134
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.9. Варианты включения люминесцентных ламп: a — одиночное, с токовым
подогревом; б — одиночное, с потенциальным подогревом; в — двойное
последовательное, токовым подогревом; г — двойное последовательное,
с потенциальным подоГревоТч; д — двойное параллельное, с токовым подогревом;
е — двойное параллельное, с балансным трансформатором
3.2. Как устроен электронный балласт
135
имеет три обмотки: основную Ll.l и две дополнительные L1.2,
L1.3, которые вместе с конденсаторами С1 и С2 образуют резо-
нансные контура. При старте в контурах появляется напряжение,
прикладываемое к электродам лампы ELI, которое осуществляет
подогрев. Способ считается более надежным, но и более сложным.
От одного электронного балласта можно питать сразу две или
даже четыре однотипные лампы, что сокращает стоимость све-
тильника. Впрочем, балласты с возможностью подключения четы-
рех ламп сегодня пока еще редки, а вот двухламповые встречаются
сплошь и рядом. Включение ламп здесь имеет свои особенности.
На рис. 3.9, в приведена последовательная схема питания двух
ламп с токовым подогревом (dual lamp series/current-mode heating).
Трансформатор, образованный катушками L2.1 и L2.2, необходим
для подогрева «внутренних» электродов ламп. На рис. 3.9, г пока-
зана последовательная схема питания двух ламп с потенциальным
подогревом. Дроссель L1 здесь имеет уже не 3, а 4 обмотки.
И, наконец, лампы можно включить параллельно. Если исполь-
зуется токовый подогрев (dual lamp parallel/current-mode heating),
схема включения выбирается по рис. 3.9, д, а если потенциальный
(dual lamp parallel/balance transformer), то по рис. 3.9, е. Особен-
ность схемы рис. 3.9, е состоит в наличии балансного трансформа-
тора L2.1, L2.2, выравнивающего токи в обеих ветках схемы.
Самые первые электронные балласты работали в автогенера-
торном режиме и собирались из дискретных элементов. Однако
это оказалось крайне неудобно: для выполнения указанных выше
требований приходилось вводить множество элементов, и поэтому
габариты печатных плат получались слишком большими. До неко-
торой степени сократить размеры плат удалось, до предела упро-
стив функциональные узлы. Именно так устроено большинство
балластов, встроенных в цоколи миниатюрных люминесцентных
ламп. Естественно, за редким исключением, подобные балласты
не «греют» лампу перед запуском, а это известно к чему ведет...
Ведущие мировые фирмы-разработчики электронных компо-
нентов выпустили микросхемы управления балластами, расширив
функциональные возможности схем. Первое поколение микро-
схем требовало наличия внешних силовых транзисторов, в более
современных модификациях силовые ключи оказались интегриро-
ванными в один корпус со схемой управления. Такие балласты на-
столько миниатюрны, что легко помещаются в цоколь лампы,
вворачиваемой в резьбовой патрон.
136
Глава 3. Эффективные электронные балласты
Второе поколение микросхем управления электронными бал-
ластами обладает многими сервисными и защитными функциями,
которых не было в составе первого поколения микросхем. Напри-
мер, появились режимы старта, подогрева электродов, поджига,
запуска рабочего цикла, защиты и авторестарта, контроля наличия
лампы, контроля напряжения питания постоянного тока.
Третье поколение микросхем еще более интегрировано, так
как включает в себя не только схему управления лампой, но еще и
узлы электронного корректора коэффициента мощности.
К сожалению, отечественные разработки микросхем управле-
ния электронными балластами отстают от иностранных, поэтому
мы вынуждены преимущественно рассказывать о том, как преуспе-
ли на этом рынке зарубежные фирмы. Фирма «International
Rectifier» выпускает микросхемы IR215(x), требующие внешних
силовых транзисторов и микросхемы IR51H(xx) с интегрирован-
ными силовыми ключами. Фирма «STMicroelectronics» производит
микросхемы L6569, L6571, L6574. Фирма Motorola — МС2151,
MC33157DW. Фирма «Unitrode» — UC3871, UC3872. Микросхемы
имеют бутстрепную цепь управления затвором верхнего ключевого
транзистора, защиту от сквозных токов (защитная пауза 1,2 мкс),
узлы стабилизации внутреннего питания и защиту от пониженного
напряжения сети. Второе поколение микросхем IR2157 и IR2159
реализуют возможности: установку времени прогрева накальных
электродов, формирование цикла зажигания лампы за счет введе-
ния плавающей задающей частоты, установку задержки включения
силовых ключей, дополнительную защиту от незажигания лампы,
функцию включения защитного режима в момент отказа лампы,
функцию защиты при перегорании накальных электродов, кон-
троль наличия вставленной лампы, защиту от зажигания на частоте
ниже резонансной, защиту от падения сетевого напряжения, авто-
матический перезапуск при кратковременном пропадании сетевого
напряжения, защиту от перегрева кристалла. Микросхемы IR2159
отличается от IR2157 наличием функции «димминга», то есть регу-
лировки яркости лампы. Сюда же относится микросхемы IR2156,
которая «работает» в полумостовом включении с возможностью
питания от напряжения сети 120 В. К третьему поколению микро-
схем от IR относятся IR2166 и IR2167.
Отечественная микросхема электронного балласта 1182ГГ2,
выпускаемая НТЦ «СИТ», построена по полумостовой схеме. Чуть
3.2. Как устроен электронный балласт 137
позже мы приведем схему электронного балласта, в котором ис-
пользуется эта микросхема.
Интересен отзыв одного из посетителей радиотехнической
конференции журнала «Радио» в отношении реальной эксплуата-
ции покупных электронных балластов: «Использую энергосбере-
гающие лампы уже больше 3-х лет, в квартире нет ни одной лам-
пы накаливания. Из тех, что продаются, я покупал практически
все типы («Jidian», «General Electric», «Comtech», «EG3P», «Алла-
дин»). Каждую лампу, принеся из магазина, я тут же вскрывал.
Вскрытие показало, что электронные балласты всех этих ламп сде-
ланы приблизительно по одной схеме: автогенераторный полумост
на биполярных транзисторах. Предварительный подогрев был ор-
ганизован только в лампах «Алладин» и «General Electric» с помо-
щью позистора. В остальных — холодный старт. Лампы с холод-
ным стартом проработали около полутора лет, после чего электро-
ды потеряли эмиссию и они перестали зажигаться даже очень
высоким напряжением. На замену поставил самодельный элек-
тронный балласт на IR21571. Теперь я после покупки лампочки
выкидываю из нее неудачный балласт и ставлю собственный.
К лампочкам с переделанным балластом претензий нет».
Чтобы читателю было нагляднее представить, как выглядит и
что «умеет» типовой внешний электронный балласт, автор счел воз-
можным привести несколько характерных примеров. На рис. 3.10
показан внешний вид ЭПРА типа HF-MatchboxRED, выпускаемый
фирмой «Philips». Это — коробочка с размерами 80 х 40 х 22 мм,
к которой можно подключать компактные люминесцентные лампы
мощностью до 18 Вт в одиночном варианте. Перед включением
балласт производит прогрев электродов в течение 0,8 с. Судя по
описанию, балласт не имеет встроенного корректора коэффициен-
те. 3.10. Электронный балласт типа HF-MatchboxRED •
138 Глава 3. Эффективные электронные балласты
та мощности, так как его значение составляет около 0,63. Тем не
менее, балласт предназначен для работы в диапазоне температур от
минус 10 до +40 °C. Время безотказной работы — 50 000 часов, диа-
пазон питающих напряжений 207...264 В, частота преобразова-
ния — 30 кГц.
На рис. 3.11 показан электронный балласт, разработанный
фирмой «Vossloh Schwabe» специально для трубчатых ламп типо-
размера Т5, причем допускает работу с двумя лампами общей
мощностью 100 Вт. Корпус балласта изготовлен из металла и по-
крашен белой краской. Диапазон рабочих температур — от ми-
нус 18 до плюс 50 °C, диапазон рабочих напряжений — 120...277 В.
Балласт имеет встроенный корректор коэффициента мощности,
поэтому его коэффициент мощности около 0,98. Габаритные раз-
меры балласта: 425 х 30 х 21 мм.
Рис. 3.11. Электронный балласт для ламп типоразмера Т5
И, наконец, упомянем об отечественных разработках. Фирма
«Электро-Петербург» выпускает модель ЭПРА типа 1CD36/
220AC-DC с регулировкой светового потока. Диапазон питающих
напряжений — 90...265 В, возможно подключение одной или двух
люминесцентных ламп мощностью 36 Вт каждая. Время прогрева
составляет 1,5 с, рабочая частота — 30...70 кГц, диапазон рабочих
температур — 0...50 °C, коэффициент мощности — не менее 0,98,
габаритные размеры — 320 х 42 х 30 мм. Данная фирма выпускает
и другие модификации балластов.
3.3. Электронный балласт — за несколько минут
Выбрать подходящий готовый балласт для люминесцентной
лампы, как мы убедились, несложно. Гораздо сложнее, что называ-
ется, «с нуля», разработать этот самый электронный балласт само-
3.3. Электронный балласт — за несколько минут 139
стоятельно. Расчет узлов балласта с помощью листа бумаги и ка-
рандаша может продлиться не один день и стать причиной разоча-
рования, если где-нибудь вкрадется ошибка или что-то важное
выпадет из поля зрения разработчика. К счастью, сегодня уже нет
необходимости проводить громоздкие вычисления, методом проб
и ошибок приближаться к поставленной цели. Спроектировать ти-
повой электронный балласт возможно всего лишь за пару минут с
помощью специальной компьютерной программы IR Ballast
Designer (BD), которая бесплатно распространяется фирмой «Inter-
national Rectifier» [25] и может быть получена после заполнения на
сайте элементарной регистрационной формы. На момент работы
над рукописью этой книги доступна для «скачивания» версия BD
под номером 4.0.2. В сети Интернет можно также найти третью и
даже вторую версию программы, но здесь мы опишем только по-
следний «релиз» BD, поскольку более ранние версии очень незна-
чительно отличаются по составу базы данных и интерфейсу, но об-
ладают более скромными возможностями по сравнению с четвер-
тым «релизом».
При установке программы на компьютер необходимо учесть
следующие особенности, которые позволят справиться с некото-
рыми неожиданностями. Нормально установленная вторая версия
программы BD может выполнять недопустимую операцию при
выборе лампы и сама собой закрываться. Третья версия BD может
просто не запускаться, выдавая сообщение с красным крестиком.
Четвертая — запустится и даже позволит выбрать составные эле-
менты балласта, но на последнем шаге тоже предупредит об ошиб-
ке большим восклицательным знаком в желтом треугольнике.
Чтобы таких неприятностей не происходило, необходимо войти в
панель управления Windows, щелкнуть по пиктограмме «Язык и
региональные стандарты», в пункте «региональные параметры»
(кнопка «настройка») установить в качестве разделителя целой и
дробной части символ «точка», символ «запятая» — в качестве раз-
делителя групп разрядов.
Кратко работу IR Ballast Designer можно представить следую-
щим образом: это конструктор, в котором автоматически произво-
дится расчет элементов на основании составленной из «кирпичи-
ков» схемы, а также выбранных (или заданных) условий питания.
Так как BD разработан фирмой-производителем микросхем для
ЭПРА и другой силовой электроники, в основе конструирования
закладываются только собственные микросхемы: IR21571, IR2156,
140 Глава 3. Эффективные электронные балласты
IR21592, IR2166, IR2167, IR2520D, IR2161. Первые пять микро-
схем предназначены для люминесцентных ламп, а шестая, уже
знакомая нам, — для электронных трансформаторов галогенных
ламп. Причем автоматизированный расчет электронного транс-
форматора появился только в четвертом «релизе» BD.
На рис. 3.12 показано основное окно IR Ballast Designer, из ко-
торого осуществляется управление процессом проектирования.
Как видно из рисунка, расчет параметров электронного балласта
состоит из пяти шагов, обозначенных кнопками в виде больших
кружков. Первый шаг (step 1) позволяет выбрать управляющую
микросхему (select target IC). При нажатии на первый кружок по-
является окно с изображениями внешнего вида микросхем, а вы-
бор осуществляется двойным щелчком при наведении указателя
мыши на картинку. Также микросхему можно выбрать из выпа-
дающего списка над кнопкой.
Рис. 3.12. Окно simple mode программы IR Ballast Designer
Второй шаг (step 2) предоставляет пользователю выбор вида
входной цепи (select line input). Здесь можно задавать входную
цепь с обычным диодным мостом и конденсаторным фильтром
(full bridge rectifier), с активным корректором коэффициента мощ-
ности (active PFC), с конденсаторно-диодным удвоителем напря-
жения (voltage doublet), с батарейным питанием 24 В. Диапазон
рабочих напряжений выбирается из ряда 80...140 или 185...265 В.
На третьем шаге (step 3) осуществляется выбор люминесцент-
ной лампы (select lamp) по конструктивным и мощностным пара-
метрам. В перечне стандартных ламп имеются U-образные серий
ТС-EL, ТС-DEL, PL-L, Triple (тройные U-образные), Spiral (спи-
ральные) и классические трубчатые лампы серий Т5, Т8, Т12 (ана-
логи отечественных серии ЛБ). Можно также ввести собственные
3.3. Электронный балласт — за несколько минут 141
параметры ламп, кликнув дважды по картинке с названием User
Lamps. Модель лампы представляет собой таблицу, состоящую
примерно из 16 разных параметров. Далеко не все из них удастся
найти в технической документации, поэтому лучше подобрать
близкий аналог из встроенной базы данных.
Четвертый шаг (step 4) — задание схемы включения люминес-
центных ламп (select lamp configuration). Пролистайте книгу не-
много назад, обратитесь к рис. 3.9, и вы поймете, что нужно сде-
лать на четвертом шаге.
Наконец, пятый, завершающий, шаг (step 5) определяет номи-
налы элементов схемы (design ballast). При нажатии на кнопку
программа формирует четыре дополнительных окна, в одном из
которых показывается электрическая схема с позиционными обо-
значениями элементов (circuit diagram), во втором — перечень
элементов (bill of materials), в третьем — конструктивные данные
резонансного высокочастотного дросселя (LRES inductor). Здесь
можно почерпнуть сведения о типономинале магнитопровода, ве-
личине немагнитного зазора, индуктивности, количестве витков,
диаметре намоточного провода и даже габаритные размеры гото-
вого элемента. Наконец, четвертое окно (operating points graph)
показывает график напряжения на лампе и входного напряжения
в режимах подогрева, зажигания и нормальной работы. Если за
основу была выбрана схема с активным корректором коэффици-
ента мощности, то появится пятое окно, отражающее параметры
дросселя корректора (LPFC inductor). Если использована схема с
батарейным питанием, появляется окошко с данными повышаю-
щего трансформатора. Остается сделать распечатку содержимого
окон и заняться конструктивным оформлением балласта, так как,
к сожалению, автоматическая «разводка» печатной платы и созда-
ние сборочного чертежа были только в первой версии BD, и по-
том эту функцию почему-то убрали.
Приведенный пошаговый режим (simple mode) предназначает-
ся для «ленивых» пользователей, которые не слишком стремятся к
анализу влияния тех или иных элементов на параметры схемы.
Для более дотошных пользователей (или более опытных) преду-
смотрен режим с подробной настройкой параметров (advanced
mode), переключение на который осуществляется в главном окне
(рис. 3.13) нажатием на кнопку Advanced.
В этом режиме работать намного сложнее, и поэтому мы лишь
кратко расскажем возможностях «расширенного режима». Итак,
142 Глава 3. Эффективные электронные балласты
*т1ййв1имг ГйгсШД i%i . ,: кг
File View Help
Simple !'
Datasheet
4
Weblinks
Ф Ф „
Back Forward
IC HR2156 ▼: Input ,80 to 140VAC/300VDC ▼ Lamp |TC-EL5W ▼ Configuration j Single lamp/current-mode heating
i Preheat Time
«i Preheat Current
Maximum Ignition Voltage |450 | Vpk
Run
, Running Lamp Power |5 | W
, Running Lamp Voltage |38 | Vpk
1 Preheat
hi Maximum Preheat Voltage |17O |yPk
t. - ;(Л .
Ballast J Lamp’ )
Lamp TC-EL5W
Sec
3___I Arms ,
Outputs)
| Calculation 1
Operating Points
I Start Frequency | 77 4 | KHz
Preheat Frequency | 52 4 | KHz
Ignition Frequency
j PFC Components |
\ PFCInductor | 56 |mH
{ Max PFC Current
02|Apk j
43 I KHZ
, Run Frequency
44 2 | KHz
I PFC Input Power
i г Fix Input Power | 5 |w
’! Resonance Frequency | 36 | KHz
’ Preheat Voltage | 171 9 | Vpk
1 Ignition Current | 09 | Apk
. Lamp Resistance
144 4 | Ohm
Tank Components
Г Fix L I 2 6 J mH
Fix C
75
Рис. 3.13. Окно advanced mode программы BD
здесь имеется несколько вкладок, относящихся к параметрам лам-
пы (lamp), балласта (ballast), выхода (output). Слева имеются не-
сколько кнопок, которые позволяют «работать» с другими пара-
метрами, в частности — задавать материал и типоразмер имеюще-
гося в наличии магнитопровода дросселя.
В рабочем окне программы имеется кнопка Datasheet, нажати-
ем на которую можно вызвать полную техническую документацию
примененной микросхемы управления (в формате pdf). В преды-
дущих версиях BD техническая документация встраивалась в обо-
лочку, четвертая же версия требует соединения с Интернетом и
«скачивает» ее непосредственно с сайта, что, конечно, облегчило
дистрибутив BD по объему раза в полтора, но и создало неудобст-
ва тем, кто в Интернете появляется не слишком часто...
И, наконец, в процессе практической реализации балласта,
рассчитанного по этой методике, могут возникнуть неожиданные
трудности, связанные с элементной базой. Едва ли кто сможет
приобрести только те типономиналы элементов, которые реко-
мендовал BD. Скорее всего, придется пользоваться аналогами.
К сожалению, сами управляющие микросхемы аналогов не имеют,
3.4. Электронный балласт своими руками 143
но вот остальная комплектация выпускается огромным количест-
вом фирм, и аналоги найдутся без труда, ведь балласты не входят
в разряд прецизионных электронных устройств.
3.4. Электронный балласт своими руками
Хотите попробовать свои силы в самостоятельном проектиро-
вании и изготовлении электронного балласта? Тогда — за дело! В
этом разделе автор счел необходимым привести несколько конст-
рукций разной степени сложности, разной стоимости и, соответ-
ственно, разной эффективности. Простые схемы обойдутся недо-
рого, но лампы с ними будут служить меньше, нежели со сложны-
ми схемами, учитывающими всевозможные факторы, влияющие
на ресурс.
На рис. 3.14 показана схема очень простого балласта на основе
микросхемы IR51H420 от [25], которая включает в себя, кроме
управляющих узлов, еще и силовые транзисторы, а значит, будет
Рис. 3.14. Принципиальная схема компактного балласта на основе
микросхемы IR51H420
144 Гпава 3. Эффективные электронные балласты
незаменима при питании компактных ламп с мощностью
11...26 Вт.
Как видно из схемы, входное напряжение 220 В 50 Гц посту-
пает на диодный мост VD1...VD4, но не напрямую, а через огра-
ничитель зарядного тока R1, поскольку после диодного моста ус-
тановлен сглаживающий конденсатор С1. Для защиты питающей
сети от возможного возникновения короткого замыкания в элек-
тронном балласте предусмотрен предохранитель F1. Диоды VD6 и
VD7 включены по встречно-параллельной схеме для получения
нулевого значения тока в силовой цепи при возникновении резо-
нанса последовательного типа. Эти диоды обеспечивают синхро-
низацию задающего генератора микросхемы с колебаниями в ре-
зонансной цепи С4, L1 в целях более надежного зажигания лам-
пы ELI.
Авторский вариант рассчитан под лампу DULUX S/E 2G7
фирмы «Osram» мощностью 11 Вт. Чтобы подключить к балласту
другие лампы, нужно несколько изменить номиналы некоторых
элементов. Необходимые сведения читатель сможет почерпнуть в
табл. 3.2.
Таблица 3.2. Согласование балласта с другими типами ламп
Мощность, Вт С1, мкФ И,мГн R2, кОм fosc'
16 10 2,56 13 36
18 22 1,85 10 43
22 22 1,85 14 33
26 22 1,85 18 27
Печатная плата миниатюрного балласта показана на рис. 3.15, а
собрать его можно по рис. 3.16. Внешне собранная печатная плата
будет выглядеть так, как показано на рис. 3.17. Дроссель L1 нама-
тывается на двух сложенных кольцах типоразмера КП15 х 7 х 4,8
из МО-пермаллоя марки МП-140. Количество витков — 97, провод
ПЭТВ-2 диаметром 0,2 мм. Для намотки других дросселей, индук-
тивности которых приведены в табл. 3.2, необходимо использовать
провод диаметром не менее 0,25 мм.
3.4. Электронный балласт своими руками
145
Рис. 3.15. Печатная плата
Рис. 3.16. Сборочный рисунок
Рис. 3.17. Внешний вид балласта после сборки
В конструкции использованы полярные конденсаторы С1 и С2
типа К50-35, К50-68, неполярные СЗ и С6 — типа К10-176. Кон-
денсатор С4 должен быть типа К78-2 с номинальным напряжени-
ем не ниже 400 В, а С5 — с напряжением не ниже 300 В. Конечно,
подойдут малогабаритные импортные аналоги. Лампа ELI может
быть двухэлектродной, со встроенной схемой старта, тогда отпада-
ет необходимость в конденсаторе С5. Внешний вид и расположе-
146 Глава 3. Эффективные электронные балласты
ние выводов микросхемы DAI показаны на рис. 3.18. Ее можно
заменить на аналог типа IR53H420.
Рис. 3.18. Расположение выводов IR51H420
Разместить изготовленный балласт удобно в небольшой круг-
лой пластмассовой коробочке с плоским дном и верхом, напри-
мер, из-под крема. На дно закрепляется цоколь типа Е27 от пере-
горевшей лампы накаливания, а сверху, за цоколь типа 2G7, при-
клеивается лампа.
А теперь поработаем с микросхемой, послужившей прототи-
пом для IR51H420. Основой следующего электронного балласта
служит IR2151, которая не имеет в своем составе силовых транзи-
сторов, но ее генератор и узлы управления транзисторами такие
же. Схема балласта показана на рис. 3.19. В ее основе лежит полу-
Рис. 3.19. Электронный балласт на микросхеме IR2151
3.4. Электронный балласт своими руками 147
мостовая силовая схема преобразования со средней точкой, зада-
ваемой конденсаторами С6 и С7.
Балласт рассчитан на питание лампы трубчатого типа Т8 или
Т12 мощностью 40 Вт от сети переменного тока 220 В 50 Гц. На-
пряжение сети выпрямляется диодным мостом VD1—VD4 и сгла-
живается конденсаторами полумоста С6 и С7. Для ограничения
пускового тока включен резистор R1, предохранитель F1 защища-
ет питающую сеть.
Внутренний генератор представляет собой точную копию гене-
ратора, использующегося в популярном таймере серии 555 (отече-
ственный аналог — микросхема КР1006ВИ1). Частота внутреннего
генератора задается элементами R3 и С2 в соответствии с форму-
лой (3.5):
Jg 1,4(R3 + 75)С2 ’ v ‘ ’
Резонансная частота балластной схемы:
fb=—4=. (з.б)
2лл/£1С4
Для обеспечения режима электрического резонанса желатель-
но частоты f и fb уравнять, так как при старении лампы напряже-
ние ее поджига увеличивается, а необходимую величину разности
потенциалов между электродами на протяжении всего срока служ-
бы сможет обеспечить только резонанс. При указанных на схеме
рис. 3.19 номиналах частота резонанса составит около 40 кГц.
Далее рассматриваем назначение остальных элементов. Цепоч-
ка R2, С1 питает микросхему DA1, цепочка VD5, СЗ — так назы-
ваемый бутстрепный каскад (каскад с «плавающим» питанием)
транзистора VT1 верхнего плеча. Элементы R6, С5 — цепь снаббе-
ра, предотвращающего защелкивание (отказ) выходных каскадов
микросхемы DA1 (выводы 5 и 7). При управлении силовым тран-
зисторами в полумостовой схеме могут возникнуть сквозные токи
[1], поэтому в состав микросхемы введено устройство формирова-
ния «мертвого времени» продолжительностью 1,2 мкс.
Печатная плата балласта приведена на рис. 3.20, собрать его
поможет рис. 3.21. В конструкции использованы элементы со
стандартными допусками. Полярные конденсаторы типа К50-68,
неполярные — К10-176 и К78-2, К73-17. Допустимое напряжение
148
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.20. Печатная плата
Рис. 3.21. Сборочный рисунок
конденсатора С5 — не менее
400 В. Диод VD5 должен быть класса «ultra-fast» и выдерживать
обратное напряжение не менее 400 В. Кроме указанного на схеме
подойдут 11DF4, BYV26B, BYV26C, BYV26D, HER156, HER157,
HER105, HER106, HER205, HER206, SF28, SF106. Вместо микро-
схемы IR2151 возможно использовать IR2152, IR2153, IR2155.
Замены транзисторов VT1 и VT2: IRF730, IRF740, IRF840,
BUZ90, КП726, КП728, КП751А, КП770Д. Термистор С1260
фирмы «Epcos» (R7) можно заменить на В59339-А1801-Р20,
3.4. Электронный балласт своими руками 149
В59339-А1501-Р20, B59320-J120-A20, B59339-AI321-P20. В ряде
случаев этот элемент можно из схемы исключить. Попробуйте
сначала не устанавливать R7 в схему и проверить запуск балласта.
Если лампа надежно запускается без вспышек фальш-старта, тер-
мистор устанавливать не нужно.
Дроссель электронного балласта выполнен на Ш-образном
магнитопроводе из феррита 2500НМС1 Ш5 х 5 с зазором 0,2 мм
(необходимо подложить прокладки толщиной 0,1 мм под рабочие
поверхности половинок магнитопровода). Обмотка составляет
100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм. Можно также ис-
пользовать магнитопровод Ш6 х 6 из феррита 2000НМ с зазором
2 х 0,25 мм, количество витков в этом случае будет 135. После
сборки и отладки балласт рекомендуется поместить в стальной
или алюминиевый экранирующий кожух.
Надеемся, что читатель убедился: рекомендованные микросхе-
мы типа IR2151, IR2155, IR51H420 действительно позволяют изго-
товить простые, надежные и компактные электронные балласты.
Однако читателю следует знать и о том, что в настоящее время
указанные микросхемы, появившиеся на рынке с десяток лет на-
зад, уже не считаются «последним словом техники», хотя их без
труда можно приобрести.
Итак, настало время поговорить о более сложных, более совре-
менных схемах, обеспечивающих функции гарантированного по-
догрева электродов, надежного зажигания, защиту от выхода из
строя при удалении лампы, защиту при перегорании нитей нака-
ла, регулировку яркости.
Отличный балласт, обладающий всеми перечисленными воз-
можностями, за исключением, разве что, регулировки яркости,
можно построить на основе микросхемы IR21571. Читателю мож-
но просто повторить описываемую конструкцию, а можно порабо-
тать с IR Ballast Designer и научиться проектировать электронные
балласты для разных типов ламп и разных микросхем. Чтобы не
тратить время на описание работы микросхемы IR21571, с сайта
фирмы [25] рекомендуется скачать фирменную документацию на
русском языке, а также варианты применения микросхемы в
практической конструкции (к сожалению, только на английском).
Главным инструментом разработки балласта, как мы уже ска-
зали, служит программа IR Ballast Designer. После запуска входим
в режим simple mode, который наиболее подходит для начинаю-
щих пользователей. Выбираем тип входной цепи (line input) —
150
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
185...265 В. Выбираем тип люминесцентной лампы — ТС-EL 11W.
Выбираем микросхему — IR21571. Выбираем способ подключения
лампы — Single lamp/voltage mode heading. Последний шаг — рас-
чет элементов балласта (design ballast). Если никаких ошибок в
процессе расчета не обнаружено и исходные данные верны, мы
увидим три дополнительных окна (circuit diagram, bill of materials,
LRES voltage mode inductor), которые содержат схему, перечень
элементов и намоточные данные резонансного дросселя. Если в
качестве базовой была выбрана схема с входным корректором ко-
эффициента мощности, то будет сформировано четвертое допол-
нительное окно (LPFC inductor), из которого можно узнать намо-
точные данные дросселя корректора (обычно он имеет двухобмо-
точную конструкцию). Но в данном случае корректор отсутствует.
Схема электронного балласта, получившаяся в результате рас-
чета, приведена на рис. 3.22. Предохранитель F1 защищает питаю-
щую сеть от короткого замыкания в силовой части схемы, напри-
мер, от КЗ в результате сквозного «прогорания» транзисторов VT1
и VT2. Дроссель L1, варистор RV1 и конденсатор С1 — элементы
входного фильтра радиопомех. Далее сетевое напряжение выпрям-
ляется диодным мостом BR1 и сглаживается электролитическим
конденсатором С2. Микросхема DA1 осуществляет управление
транзисторным полумостом (VT1, VT2), контролирует наличие
лампы в патроне (вход SD), перегрузку по току, работу ниже резо-
нанса и «тяжелое» переключение транзисторного полумоста (вход
CS), аварийную «просадку» напряжения питания (вход VDC). Пи-
тание микросхемы в режиме старта осуществляется через резистор
R8, в нормальном режиме работы ее подпитывает напряжение со
снаббера С14, VD3. Резонансный контур, осуществляющий под-
жиг лампы ELI и поддержание ее горения, — элементы L2.1, С15,
С16. Конденсатор С17 — разделительный, а резонансные цепи
L2.2, С18 и L2.3, С19 используются в режиме разогрева электро-
дов лампы (так называемый voltage-mode режим подогрева). Кон-
денсаторы СЮ и СИ — фильтрующие питание, конденсатор С9 и
диод VD1 — бутстрепные. Резисторы R10 и R11 входят в состав
RC-фильтров питания микросхемы. Конденсаторы С12 и С13
фильтруют помехи по входам микросхемы.
Автор обращает внимание читателей на некоторое незначи-
тельное отличие приводимой схемы от прототипа, сформирован-
ной программой. Так, например, вместо дополнительного дроссе-
ля введен NTC-термистор RV2, резонансный конденсатор состав-
3.4. Электронный балласт своими руками
151
V V
Рис. 3.22. Электронный балласт на микросхеме IR21571
152
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
лен из двух последовательно включенных С16 и С16, увеличена
емкость конденсатора С12 с 220 до 820 пФ, увеличены емкости
конденсаторов С1 и С17 с 0,1 до 0,15 мкФ. Данные усовершенст-
вования в основном продиктованы имеющимися у автора в нали-
чии элементами, за исключением С12, который пришлось увели-
чить для повышения помехоустойчивости (с расчетным номина-
лом срабатывала защита полумоста и лампа не зажигалась).
Отсутствует также резистор Rrun между выводами 4 и 5 микросхе-
мы. Место для установки резистора на печатной плате предусмот-
рено, но в данном случае он не нужен, поэтому при расчете не
включается в перечень элементов.
Типы и номиналы элементов, использованных в конструкции
электронного балласта: конденсаторы Cl, С17 типа К73-17 на на-
пряжение 400 В, С14 — типа К78-2 на напряжение 1600 В, С15 и
С16 — аналогичного типа на 1000 В, С18 и С19 — типа К73-9 на
напряжение 100 В. Остальные конденсаторы типа К50-68 и
К10-176. Резисторы типа С2-ЗЗН с номинальным допуском не ху-
же 5 %, за исключением R14, который использован типа С1-4.
Естественно, можно использовать другие типы (в том числе им-
портные), имеющиеся в наличии. Отдельно необходимо сказать
об элементах L1 и L2, так как их придется изготовить самостоя-
тельно.
Дроссель фильтра радиопомех L1 по расчету должен иметь две
обмотки с индуктивностью 2x10 мГн и позволять протекание тока
до 0,1 А. Такой дроссель можно намотать на кольце из феррита
2000НМ типоразмера К16 х 10 х 4,5. Обмотки L1.1 и L1.2 должны
содержать по 100 витков провода ПЭТВ-2 диаметром 0,15 мм. Мо-
таются обмотки в два провода, затем осуществляется их разделение.
В авторском варианте намотано по 50 витков (просто не хватило
терпения мотать больше), что, конечно, немного снизило помехо-
защищенность балласта. Перед намоткой кольцо было обмотано
полоской лакоткани, после намотки также обмотано лакотканью,
затем обмотки были прозвонены на предмет отсутствия короткого
замыкания между ними. Дроссель устанавливается на плату при по-
мощи клея (в авторском варианте от был приклеен Poxipol-ом, как
показано на рис. 3.23).
К изготовлению дросселя L2 необходимо отнестись более вни-
мательно, так как от его качества в значительной степени будет
зависеть работоспособность и надежность электронного балласта.
По расчетным данным дроссель должен быть намотан на магнито-
3.4. Электронный балласт своими руками
153
Рис. 3.23. Установка дросселя L1
проводе типа Е16/8/5 из материала ЗС85 (Philips) или N27
(Siemens). Количество витков L2.1 — 404, L2.2 и L2.3 — по 5. Не-
магнитный зазор — 1,1 мм, провод диаметром 0,2 мм. Намотка ве-
дется следующим образом: каркас оборачивается полоской лакот-
кани, наматывается обмотка L2.1, поверх прокладывается лакот-
кань, мотаются обмотки L2.2 и L2.3, затем оборачивается еще
одним слоем лакоткани. Фазировка обмоток, то есть зависимость
работоспособности от подключения «начала» или «конца», здесь
не важна.
У автора не нашлось возможности приобрести указанный
магнитопровод, поэтому пришлось пересчитать дроссель на маг-
нитопровод EFD20 из феррита N87 (Epcos). Каркас был изготов-
лен самостоятельно на основе каркаса EFD25 (использованы
контактные площадки). Количество витков L2.1 — 316, осталь-
ные обмотки сохранены. Зазор составляет 1,5 мм. Провод
ПЭТВ-2 диаметром 0,15 мм. Прокладки для зазора изготовлены
из пластмассы от коробки плавленого сыра «Виола». Узкая по-
лоска из пластмассы складывается пополам и прокладывается
между боковыми кернами магнитопровода. Склейка выполняется
Poxipol-ом. Дополнительно по контуру магнитопровода осуществ-
лена обмотка узкой полоской изоляционной ленты (рис. 3.24).
Устанавливается дроссель на плату с помощью выводов, которым
он впаивается в печать.
154
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.24. Установка дросселя L2
Печатная плата балласта приведена на рис. 3.25. Она имеет
размеры 130 х 38 мм и изготовлена из фольгированного односто-
роннего стеклотекстолита. При прорисовке токоведущих дорожек
лучше сохранить указанную на рисунке их ширину.
Собрать балласт поможет рис. 3.26. Не обозначенные на прин-
ципиальной схеме входная клемма и клемма подключения лампы
имеют соответственно 2 и 4 контакта «под винт». Их тип — хоро-
шо известный MKDS с шагом 5 мм. Большинство резисторов ус-
тановлены «стоя», крупногабаритные элементы можно приклеить
к плате. Особое внимание нужно уделить установке транзисторов
VT1 и VT2, так как эти элементы, за исключением лампы ELI,
выделяют наибольшее количество тепла. Транзисторы устанавли-
ваются со стороны печатных проводников на прокладки из стек-
лотекстолита толщиной 1,5 мм, которые нужно заранее приклеить
к плате. Температура транзисторов без радиаторов составляет око-
ло 50 градусов.
Работа балласта проверена с лампами PHILIPS MASTER PL-S
11W/840/4P/900 1m мощностью 11 Вт и OSRAM DULUX S/E 2G7
9W/21-840 мощностью 9 Вт. С менее мощными лампами его рабо-
та не проверялась, а для более мощных лучше спроектировать но-
вый электронный балласт. Добавим: конфигурации балластов мо-
гут быть самыми разнообразными, включая работу одного балла-
ста на две лампы, что целесообразно использовать в потолочных
светильниках.
3.4. Электронный балласт своими руками
155
38
Рис. 3.25. Печатная плата
Рис. 3.26. Сборочный чертеж
На рис. 3.27 показана плата электронного балласта в сборе
(а — со стороны установки элементов, б — со стороны печатного
монтажа). Основные характеристики балласта таковы: время по-
догрева — 1 с, максимальное напряжение зажигания — 550 В, на-
пряжение на лампе в рабочем состоянии — 106 В, частота подог-
156
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
а
б
Рис. 3.27. Плата в сборе: a — со стороны установки компонентов;
б — со стороны токоведущих проводников
рева — 60 кГц, частота зажигания — 53 кГц, частота работы —
36 кГц, время зажигания — 50 мс.
Где можно использовать этот балласт? Конечно, его не размес-
тишь в винтовом цоколе, но можно спрятать в небольшую коро-
бочку. Можно сделать надежную настольную лампу типа «Дельта»,
выпускаемой новгородским заводом «Трансвит». Подобрать под-
ходящую арматуру можно на «блошином» рынке, плафон легко
изготавливается из пластмассовой водопроводной трубы. Конеч-
но, внешний вид такой лампы будет хуже, чем покупной, но рабо-
тать она должна надежнее, прослужит дольше и окажется немного
дешевле в изготовлении.
Следующая схема электронного балласта выполнена на основе
микросхемы типа IR21592. Фирма-производитель называет эту
микросхему диммером (dimming ballast), поскольку она имеет от-
дельный вход управления яркостью свечения лампы. Кроме этого,
микросхема имеет цепи защиты от повреждения лампы и осталь-
ные функции, только что нами рассмотренные. На рис. 3.28 пока-
зана практическая схема балласта на основе этой микросхемы.
3.4. Электронный балласт своими руками
157
С5 0,1мк
VD5 FR305 С11 0,1 мк 630В
F12A R1 4,7 VD61N4148 VT1, VT2 IRF720
Рис. 3.28. Электронный балласт на микросхеме IR21592
158
Глава 3. Эффективные электронные балласты
Узел блокировки от воздействия пониженного напряжения пи-
тания предназначается для того, что установить потребляемый
балластом ток на уровне 200 мкА до тех пор, пока не активирова-
но устройство управления затвором транзистора нижнего плеча.
Элементы питания микросхемы на рис. 3.28 — это R9, RIO, R12,
С5, С8, VD6, VD7. Бутстрепный диод VD5 и бутстрепный конден-
сатор С7 питают выходной драйвер управления транзистором
верхнего плеча. Эта схема уже нам знакома, поэтому пояснений
не требует. Запуск микросхемы происходит при наличии на выво-
де «13» напряжения выше 13,6 В.
Схеме также требуется, чтобы напряжение на выводе «1» было
выше 5,1 В. Соответственно, в схеме имеется резисторный дели-
тель R8, R2, который задает напряжение на выводе «1». Кроме
этого, имеется фильтрующий конденсатор С13. Необходимость
наличия детектора продиктована тем, что при возможном перего-
рании лампы (или замыкании в ней) может «просесть» напряже-
ние на шине питания, что приведет к интенсивному тепловыделе-
нию и пожароопасной ситуации.
Предварительный подогрев лампы начинается, когда напряже-
ние на выводе «1» достигнет значения 5,1 В, а также микросхема
получит питание на вывод «13». Ключевые транзисторы VT1 и VT2
в этом режиме работают с коэффициентом заполнения 0,5 и
dead-time, равным 2 мкс. Конденсатор СЗ в этом режиме заряжа-
ется током 1 мкА, напряжение на выводе «3» возрастает. В то же
время током величиной 1 мкА разряжается конденсатор С2, и на-
пряжение на выводе «2» уменьшается. Когда величина напряже-
ния на резисторе R15, передаваемая на вывод «10» микросхемы
через интегрирующую цепь R14, С9, превысит величину напряже-
ния на резисторе R7 (при величине тока через него, равном
60 мкА), конденсатор С2 начинает заряжаться. При этом частота
преобразования повышается и ток в нагрузке балласта снижается.
Когда напряжение на резисторе R15 снижается, конденсатор С2
начинает разряжаться и значение рабочей частоты восстанавлива-
ется. Нагрев электродов продолжается, пока напряжение на выво-
де «3» не превысит величину 5 В.
После превышения напряжения на выводе «3» указанного зна-
чения запускается режим поджига. В режиме поджига на выво-
де «8» микросхемы устанавливается напряжение 1,6 В, а напряже-
ние на выводе «2» нарастает за счет заряда конденсатора С2 током
величиной 1 мкА. Таким образом, увеличивается напряжение на
3.4. Электронный балласт своими руками
159
электродах лампы и ток через них, уменьшается частота преобра-
зования. Это нарастание осуществляется до тех пор, пока лампа не
загорится, или не будет превышена установленная величина тока
через резистор R15, тогда балласт войдет в режим «fault» (повреж-
дение). Если лампа загорается, напряжение на выводе «10» стано-
вится ниже напряжения на выводе «8».
Как уже было сказано, в составе микросхемы есть устройство,
с помощью которого можно регулировать яркость свечения лам-
пы. Оно имеет внешний вывод «4», к которому подключен токоо-
граничительный резистор R3. Диапазон входных напряжений на
выводах «dimming» составляет 0,5...5,0 В, при этом максимальная
яркость свечения достигается при напряжении 5 В.
В конструкции балласта можно применить стандартные эле-
менты. Результаты расчета дросселя L1 показали, что его можно из-
готовить на магнитопроводе типоразмера ЕЗО/15/7 из феррита ЗС85
(фирма «Philips») или N27 (фирма «Epcos») или аналогичного с за-
зором 2 мм. Количество витков — 226, провод диаметром 0,3 мм.
Пиковый ток через дроссель составит 1,6 А. Ожидаемые габариты:
16 х 16 х 11 мм.
И последнее. Регулировать яркость свечения лампы можно как
аналоговым, так и цифровым способом, при помощи микрокон-
троллера. В одной из последних разработок фирмы-производителя
микросхемы предложен цифровой интерфейс для электронного
балласта, при помощи которого все светильники подключаются к
последовательной шине, а она — к управляющему компьютеру...
Но мы забегаем немного вперед, а пока попробуем осуществить
регулировку яркости так: задаем на выводе «4» напряжение поряд-
ка 4,7...5,0 В, воспользовавшись параметрическим стабилизатором
со стабилитроном КС147А. Балластное сопротивление величиной
15 кОм следует подключить к выводу «13» микросхемы.
Наконец, схема электронного балласта на основе отечествен-
ной микросхемы КР1182ГГ2, выпускаемой Брянским ПО «СИТ»,
приведена на рис. 3.29. Эта микросхема не имеет импортных ана-
логов, а в основе работы схемы лежит автогенераторный принцип.
Разработчики включили в состав микросхемы специальный узел
преобразования входного синусоидального напряжения (которое
генерирует резонансная цепь) в прямоугольное, управляющее
встроенными силовыми транзисторами. Именно при помощи это-
го схемотехнического приема удалось снизить тепловые потери и
встроить транзисторы в корпус микросхемы.
160
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
VD1...VD5 - 1N4007
VS1 - КР1182КП1Б
VS2 - КР1182КП1
С1 -0,15мкХ630В
R5
4,3к
Чжэ2
Рис. 3.29. Электронный балласт на микросхеме КР1182ГГ2
Применять микросхему КРН82ГГ2 можно для построения се-
тевых балластов люминесцентных ламп в диапазоне мощности
7... 16 Вт, при этом силовые цепи допускают длительный ток до
280 мА в постоянном режиме, и ток до 600 мА в режиме перегруз-
ки (кратковременно).
Входное напряжение 220 В 50 Гц подается через предохрани-
тель F1 и ограничительный резистор R1 на диодный мост
VD1...VD4. Конденсатор С1 и индуктивность L1 выполняют роль
фильтра радиопомех, конденсатор С2 сглаживает пульсации вы-
прямленного напряжения. Питание «верхнего» и «нижнего» плеч
схемы преобразования осуществляется от конденсаторов С4 (верх-
нее плечо) и С5 (нижнее плечо). Заряжается питающие конденса-
торы от обмоток 1—2 и 5—6 трансформатора Т1. Для обеспечения
насыщения трансформатора Т1 в моменты переключения введена
стабилизирующая цепь R4, С7, подключенная к обмотке 3—4.
Элементы R2, R3, СЗ задействованы в схеме старта балласта. Об-
мотка 1—2 трансформатора Т2 выполняет роль ограничительного
балласта лампы ELI, а вот обмотка 3—4 того же трансформатора
нужна для других целей — это датчик напряжения зажигания лам-
пы. Дело в том, что зажигание лампы происходит в результате воз-
никшего резонанса в контуре обмотки 1—2 трансформатора Т1 и
конденсатора С8. Если лампа исправна, процесс будет однократ-
ным и не опасным, но в процессе старения лампы или ее разгер-
метизации может возникнуть опасный фальш-старт: напряжение
3.4. Электронный балласт своими руками
161
на конденсаторе С8 и обмотке I—2 Т1 превысят допустимые вели-
чины, произойдет выгорание балласта. Поэтому обмотка 3—4
через элементы R6, R7, VD5, CIO, R5, VS 1 подключена к входу
микросхемы «7», высокий уровень сигнала на котором «срывает»
генерацию, балласт блокируется до момента его отключения. Ди-
нистор VS1 включается при достижении напряжения определен-
ного уровня (17...25 В).
Еще одна цепочка — позистор РТС и динистор VS2 — образу-
ют узел предпускового подогрева лампы. Пока лампа не «запуще-
на», она имеет высокое сопротивление, и электроды греются, бу-
дучи замкнутыми через открытый динистор VS1 и позистор РТС.
После старта напряжение на лампе падает ниже уровня открыва-
ния VS1, динистор закрывается и отключает РТС. Обратите вни-
мание: это наиболее удачное решение, так как отключенный по-
зистор не может растрачивать энергию. Впрочем, читатель может
отказаться от функции подогрева и функции защиты — стоит
только исключить элементы PTC, VS1, VS2, R5, R6, R7, СЮ, VD5
и замкнуть вывод «7» микросхемы DA1 на ее вывод «9» (общий
провод). Можно функцию подогрева сохранить, а функцию защи-
ты исключить — выбор за вами!
Какие элементы можно использовать при изготовлении балла-
ста? Постоянные резисторы типа С2-33, С2-23 с допуском не хуже
5 %; неполярные конденсаторы (кроме высоковольтных) —
К10-176; высоковольтные конденсаторы — К78-2; полярные —
К50-68. Дроссель L1 — любой малогабаритный, допускающий
кратковременное протекание тока до 0,6 А. Трансформатор Т1 на-
матывается на кольце из феррита М2000НМ1 проводом ПЭТВ-2
диаметром 0,35 мм, а трансформатор Т2 — на Ш-образном магни-
топроводе из того же материала с типоразмером Ш5 х 5. Обмот-
ка 1—2 содержит 330 витков провода ПЭТВ-2 диаметром
0,25...0,33 мм; обмотка 3—4 содержит 15 витков того же провода.
После намотки между половинками магнитопровода Т2 нужно
проложить прокладку толщиной 0,6 мм. Номиналы остальных
элементов зависят от мощности лампы (на схеме помечены зна-
ком «*») и приведены в табл. 3.3.
Здесь мы не приводим печатной платы балласта и рекоменда-
ции по его сборке, поскольку они будут сильно зависеть от задач,
решаемых читателями. Главное, чтобы элементы были малогаба-
ритными и расстояния между ними оказались минимальными
(для исключения паразитных индуктивных выбросов в схемах).
162
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Таблица 3.3. Выбор номиналов для балласта на основе КР1182ГГ2
Элемент схемы Мощность лампы, Вт
7 11 13 15
С2 6,8 мкФ 10 мкФ 10 мкФ 15 мкФ
С8 2200 пФ 2200 пФ 3300 пФ 3300 пФ
Магн.Т1 КЮхбхЗ КЮхбхЗ К16 X 10x4,5 К16 х 10x4,5
Т1 выв. «1-2» 8 8 10 10
Т1 выв. «3-4» 15 16 10 10
Т1 выв. «5-6» 8 8 10 10
Част., кГц 37 40 28 32
3.5. Можно ли отремонтировать электронный
балласт?
Мы уже не раз упоминали в этой книге такие имена ведущих
производителей люминесцентных ламп, как фирмы Philips, Osram
и некоторых других. К сожалению, на отечественном рынке пока
еще имеется достаточно ламп низкого качества «от дядюшки Ляо»
и других, которые выходят из строя гораздо чаще, чем их фирмен-
ные собратья. А история появления этого раздела связана с приоб-
ретением автором люминесцентной лампы неизвестной фирмы в
переходе метрополитена. Данная лампа безотказно работала в
люстре несколько месяцев, однако по истечении этого времени
она просто перестала зажигаться. Ничего не оставалось сделать,
как разобрать лампу, аккуратно, с боков, поддев тонкой отверткой
корпус, который обычно состоит из двух половинок, скрепляю-
щихся между собой тремя выступами-защелками. Кстати, иногда
детали корпуса просто склеивают, и в этом случае придется его
аккуратно распилить по линии соединения.
Разобранная лампа показана на рис. 3.30. Она состоит из круг-
лого цоколя, схемы управления (собственно — электронного бал-
ласта) и пластмассового кружка, в который вклеена люминесцент-
ная трубка, которая излучает свет. При разборке лампы следует
соблюдать осторожность, чтобы, во-первых, не разбить баллон и
не повредить себе руки, глаза и прочие части тела, а во-вторых,
чтобы не повредить электронную схему (которая, возможно, рабо-
тает) и пластмассовый корпус.
3.5. Можно ли отремонтировать электронный балласт? 163
Исследования, проведенные с по-
мощью мультиметра, показали, что в
баллоне лампы перегорела одна спи-
раль. На рис. 3.31, полученном уже
после вскрытия баллона, видно, что
спираль перегорела, затемнив люми-
нофор в окрестностях. Было сделано
предположение, что с электронным
балластом ничего не случилось, и это
позже подтвердилось. Ныне автор с
большой долей уверенности может ут-
верждать, что нить — действительно
Рис. 3.30. Разобранная лампа
самое слабое место лампы, и в подавляющем большинстве вышед-
ших из стоя ламп будет наблюдаться скорее перегорание нити, не-
жели выгорание электронной части схемы балласта.
Рис. 3.31. Самый частый дефект — перегорание нити
Знакомый нам защитный предохранитель здесь тоже есть: он
представляет собой колбочку без классического держателя с длин-
ными выводами, один из которых припаян к цоколю, а другой —
к печатной плате балласта. По его состоянию с большой долей
уверенности можно судить о состоянии «электроники», даже если
не выполнить «прозвонку» схемы на целостность. Если предохра-
нитель перегорел, скорее всего, что-то случилось в схеме балла-
ста, и нужно проверять его элементы. А если нет, — балласт на-
верняка цел!
Кстати, об электронной схеме. Типовая схема, перерисован-
ная с печатной платы, показана на рис. 3.32. Балласт лампы пред-
ставляет собой двухтактный автогенератор полумостового типа с
164
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.32. Типовая автогенераторная схема электронного балласта
насыщающимся трансформатором Т1. Такой автогенератор хоро-
шо описан в книгах по силовой электронике и дополнительных
пояснений не требует. Трансформатор Т1 намотан на ферритовом
кольце с примерным типоразмером К10 х 6 х 4,5. Количество вит-
ков: w, и w2 — по 5, и>3 — 8. На оригинальных транзисторах VT1 и
VT2 нанесена маркировка D13003, аналоги: MJE13003, MJE13005,
MJE13007, BU1508, ST13003, КТ8170А1.
Самое интересное, что такую лампу можно отремонтировать, и
окажется это немного дешевле, чем приобрести новую лампу. Она
будет выглядеть, конечно, не так красиво, как промышленная, но
вполне прилично, если все делать аккуратно. Итак, нужно приобре-
сти сменный элемент с четырьмя выводами, например, от «Osram».
Обычно в лампе правые два вывода относятся к одной спирали, ле-
вые два — к другой спирали. Если расположение спиралей неоче-
видно, всегда можно разыскать нужные выводы с помощью муль-
тиметра — спирали имеют низкое сопротивление — порядка не-
скольким Ом. Выводы лампы необходимо осторожно, не допуская
перегрева, залудить припоем.
Теперь займемся подготовкой основания, к которому будем
крепить лампу. Кружок нужно освободить от перегоревшей лам-
пы. Светящаяся трубочка крепится к кружку с помощью заливки,
представляющей собой белую термостойкую массу, напоминаю-
щую пористый гипс. Поэтому аккуратно, чтобы не допускать
травм, нужно надломить внутри цоколя трубочки (они расположе-
ны около выводов) и спустить из трубочки газ. Затем полностью
отломить сами трубочки, вычистить остатки стекол и «гипс». Раз-
метив очищенный кружок под выводы лампы, проткнуть отвер-
стия и напильником подготовить площадку, к которой будет при-
клеена лампа.
Люминесцентные лампы широко используются в системах освещения как
жилых помещений, так и архитектурных сооружений. Электронный балласт
позволяет увеличить ресурс ламп и снизить электропотребление. Также,
преимуществами балластов люминесцентных ламп являются:
• возможность регулировки яркости освещения
• возможность использования люминесцентной лампы любого типа
• легкость дизайна, минимизация числа внешних компонентов.
Микросхемы балластов с постоянной мощностью
IRS2153 Микросхема драйвера затвора со встроенным бутстрепным диодом и блокировкой пониженного
IRS2153D напряжения питания (2 В).________________________________
IR2520D Контроллер ламп балластов 600 В с ZWS режмом работы (квазирезонансный режим с контролем перехода напряжения через ноль), защитой от токовой перегрузки, с интегрированным бутстрепным диодом в корпусе DIP-8.
IR2156 Высоковольтный полумостовой драйвер с программируемым генератором для балластов с программируемыми функциями и встроенными схемами защиты.
IR21571 IRS21571D Полностью интегрированная 600 В микросхема управления балластами флуоресцентных и газоразрядных ламп с максимальными функциями защиты.
IR2166 IRS2166D Полностью интегрированная 600 В микросхема балластов флуоресцентных ламп с расширенными функциями защиты и контроллером корректора коэффициента мощности в 16-выводном корпусе.
IRS2168D Полностью интегрированная 600 В микросхема управления балластами флуоресцентных ламп с расширенными функциями защиты и контроллером корректора коэффициента мощности в 16-выводном корпусе. Разработана для многоламповых балластов и ламп с универсальным входным напряжением.
Микросхемы балластов с регулировкой яркости лампы
IRS2530D МикРосхема 600 в 8 компактном 8-выводном корпусе с возможностью ступенчатой или плавной
___________регулировки яркости лампы и защитой при перегрузке по току________________
IRS2158D Полностью защищенный контроллер электронного балласта с максимально допустимым
напряжением питания до 600 В.
www.platan.ru гезд
.... ммеж кяп -ц,- Ажодйн м
Honeywell
Panasonic
EPCOS
Ф MITSUBISHI
ELECTRIC
Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, стр. 2 • Тел.: (495) 970-00-99 • E-mail: platan@aha.ru
Москва, 1-й Щемиловский пер., д. 16, стр. 2 • ТелУфакс: (495) 744-70-70 • E-mail: platan@platan.ru
^анкт-Петербург, ул. Зверинская, д. 44 • Тел.: (812) 232-88-36,232-23-73 • E-mail: baltika@platan.spb.ru
166
Гпава 3. Эффективные электронные балласты
Рис. 3.33.
Отремонтированная
лампа
Дальше лучше проверить, как зажигается
лампа. Подпаиваем выводы лампы к балласту
и включаем балласт в сеть. Для приработки
стоит его потренировать, включая-отключая
несколько раз и выдержав во включенном со-
стоянии несколько часов. Лампа светится дос-
таточно ярким светом, и при этом греется, по-
этому ее лучше положить на дощечку и на-
крыть несгораемым листом. Когда тренировка
проведена, разбираем эту конструкцию и на-
чинаем монтаж лампы.
Берем тюбик суперклея «Момент» и нано-
сим на сопрягаемые поверхности несколько ка-
пель. Потом вставляем выводы в отверстия и
плотно прижимаем детали друг другу, выдер-
живая полчаса в таком виде. Клей надежно
«схватит» детали. Еще лучше использовать клей
«Poxipol», поскольку для надежного крепления
в сопрягаемом месте поверхности должны на-
дежно прилегать друг к другу, обеспечивая ме-
ханическую стойкость.
Осталось собрать лампу. Впаиваем балласт
в цоколь, не забыв о предохранителе. Заранее, до впайки, нужно
припаять четыре провода, которыми лампа будет связана с балла-
стом. Подойдет любой провод, ну лучше, чтобы это был провод ти-
па МГТФ во фторопластовой термостойкой изоляции. Собирается
лампа тоже просто: достаточно уложить провода внутри цоколя,
или скрутить их жгутиком, и затем защелкнуть фиксаторы. Отвер-
стия от прошлого баллона в целях электробезопасности лучше за-
клеить кружочками, ввырезанными из упаковки от молочных про-
дуктов.
Отремонтированная лампа показана на рис. 3.33. Ее можно
ввернуть назад в патрон, если позволит конструкция светильника.
Именно таким способом отремонтированная лампа работает у ав-
тора уже более 3-х лет, надежно зажигается и излучает свет отлич-
ного качества.
Глава 4
ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ
До сих пор мы говорили об источниках света, потенциальные
возможности которых уже исчерпаны или приблизятся к техниче-
ски достижимым пределам в ближайшем будущем. Но в этой главе
речь пойдет о таких световых источниках, которые, по прогнозам
специалистов, уже к 2020 году по светоотдаче приблизятся к маги-
ческой цифре в 200 лм/Вт, то есть станут самыми эффективными
рукотворными «солнцами». Как вы уже догадались, в этой главе
речь пойдет о светодиодах, их устройстве и возможностях.
4.1. Сверхъяркий луч светодиода
По своей распространенности светодиоды, пожалуй, могут лег-
ко соперничать с лампами накаливания: встретить их можно прак-
тически везде. Только подавляющее большинство этих замечатель-
ных полупроводников используется не для освещения, а для...
сигнализации! Взгляните на лицевую панель системного блока
своего персонального компьютера, и вы увидите одну-две цветные
точечки, ровно горящие или «подмигивающие». Разглядывать
что-либо в свете этого «огонечка» бессмысленно, но его свет вы
увидите при внешней засветке любой интенсивности, а значит,
догадаетесь, что компьютер функционирует исправно... Огляни-
тесь вокруг себя — и вы, не вставая с места, обязательно найдете
еще два-три примера использования светодиода в качестве сиг-
нальной лампочки. Симпатично выглядят бытовые выключатели
со встроенным светодиодом, который позволит обнаружить этот
самый выключатель даже в полной темноте.
Современные сигнальные светодиоды LED (light emitting
diode) выпускаются в огромных количествах, имеют разный цвет
свечения (что очень удобно для сигнализационных устройств),
разные размеры, разную конструкцию корпуса. Их применяют
168
Гпава 4. Твердотельное будущее
при создании буквенно-цифровых и даже графических табло.
Можно приобрести двухцветные модели, которые плавно меняют
свой цвет в зависимости от соотношения входных сигналов. Мож-
но — мигающие при подаче напряжения. Можно — со стандарт-
ным цоколем, для замены ламп накаливания в сигнальной армату-
ре. Но какой из стандартного светодиода источник света в том
смысле, в котором мы понимаем источник света? Да никакой!
Максимум, на что его хватит, — это подсветить жидкокристалли-
ческий индикатор мобильного телефона... Не правда ли, трудно
представить, что вы нормально живете в свете полупроводниковых
ламп: выполняете обычную работу, читаете книгу, обедаете, зани-
маетесь домашними делами. Что в вашем автомобиле установлены
полупроводниковые фары. Что дорогу вам освещают светодиод-
ные фонари. Фантастика? Нет, всего лишь реальность ближайше-
го будущего.
Но прежде чем начать разговор о светодиодах или, как их сей-
час называют, твердотельных источниках света, немного окунемся
в историю вопроса и вспомним, что еще сто лет назад, в 1907 году
английский инженер X. Раунд, занимаясь вопросами радиосвязи,
случайно заметил свечение в месте контакта электрода с полупро-
водником. В 1922 году свечение карборунда пытался исследовать
советский ученый О. Лосев, а затем исследования были продолже-
ны после II Мировой войны изобретателем транзистора У. Шок-
ли. Значительно продвинуться по пути увеличения световой отда-
чи полупроводников позволили труды нашего академика Ж. Алфе-
рова. Еще одно известнейшее имя — сотрудник фирмы Nichia
Chemical, японец, доктор Ш. Накамура, которому впервые удалось
получить свечение полупроводника голубым цветом. Ему же при-
надлежит «пальма первенства» в разработке высокоэффективных
светодиодов увеличенной яркости, которые возможно использо-
вать уже как источники света, а не как сигнализаторы.
Свойство испускания световых волн ^-«-переходами — это
фундаментальное свойство всех полупроводников. Но такой спо-
собностью они наделены в разной степени. Например, используе-
мые для изготовления транзисторов и обычных диодов кремние-
вые р-и-переходы совершенно не годятся для светодиодов: они
испускают крайне мало световых волн. Значительно лучше излу-
чают полупроводники на основе соединений галлия (фосфид гал-
лия и арсенид галлия), поэтому как только подобные соединения
были найдены, специалисты разработали коммерческие светодио-
4.1. Сверхъяркий луч светодиода
169
ды красного, желто-зеленого и зеленого свечения. Световая отда-
ча этих приборов составляла всего 1,5 лм/Вт, но не будем забы-
вать, что тогда, в 60-х годах Прошлого века, все только начина-
лось. Заслуга нашего ученого Ж. Алферова состоит в увеличении
эффективности излучения полупроводников до 10 лм/Вт. Откры-
тие технологий получения нитрида галлия привело к появлению
светодиодов синего свечения. Настала пора задуматься о свето-
диодах, излучающих белый свет. Белые светодиоды впервые поя-
вились на мировом рынке в 1998 году.
Возможности современных светодиодов впечатляют: световая
отдача коммерческих образцов, излучающих в красно-желтой час-
ти спектра, составляет 65 лм/Вт, в зеленой области достигнута
светоотдача до 85 лм/Вт. На подходе — образцы с эффективно-
стью 150 лм/Вт, и это далеко не предел!
А сейчас давайте и мы, вслед за Ш. Накамурой, задумаемся,
каким образом получить с помощью «многоцветья» светодиодных
источников белый свет? Найдено четыре способа получения бело-
го света, причем все они жизнеспособны и активно используются
в промышленном производстве.
Способ номер один допускает смешивание разных цветов
(рис. 4.1), а именно — красного, зеленого и синего. На одном
кристалле очень близко компонуются в мозаичном порядке свето-
излучающие кристаллики, их свет фокусируется при помощи лин-
зы так, чтобы суммарный спектр был близким к естественно-сол-
нечному. Осуществляя отдельное управление всеми тремя канала-
ми, можно получить любой цвет (или оттенок цвета) свечения
светодиода. Недостаток способа: очень сложная технология изго-
товления и необходимость цветовой балансировки (поскольку све-
тодиоды разных цветов имеют разную эффективность излучения).
Способ номер два чем-то напоминает люминесцентную лампу:
на корпус светодиода, излучающего волны в УФ-диапазоне, нано-
Рис. 4.1. Смешивание цветов
170
Гпава 4. Твердотельное будущее
сится специальный трехцветный люминофор, который под дейст-
вием излучения начинает светиться белым светом (рис. 4.2). Ко-
нечно, этот способ проверен и не вызывает никаких сложностей,
но все же наибольшее распространение получили способы номер
три и номер четыре, которые являются логическим продолжением
способа номер два.
УФ
Рис. 4.2. Полная УФ-люминесценция
410 470 525 590 630
люминофор люминофор люминофор
Интегральный
X ,нм
При реализации способа номер три задействуется светодиод
голубого цвета, но в него включается конструктивный рефлектор,
на который наносится люминофор желтого цвета свечения. При
смешении цветов образуется белый свет (рис. 4.3).
, Голубой
светодиод
470 525 590 630 А. ,нм
Рис. 4.3. Люминесценция желтого люминофора
Наконец, четвертый способ имеет мало отличий от третьего:
тот же самый голубой светодиод, тот же самый рефлектор, но на-
носят на него уже два люминофора — с зеленым и красным цве-
том свечения (рис. 4.4).
Предупреждаем читателя: подавляющее большинство свето-
диодов белого свечения изготовлено на основе именно люмино-
форной технологии. Именно по этой причине свет таких свето-
диодов имеет небольшой (мало заметный) сине-фиолетовый отте-
нок. В целом же светоотдача очень среднего белого светодиода
сегодня находится на уровне светоотдачи хорошей люминесцент-
ной лампы, продолжая свой рост. А высокая стоимость производ-
ства окупается фантастическим сроком службы (более 100 000 ча-
4.1. Сверхъяркий луч светодиода
171
Г олубой
светодиод
^.^'Интегральный спектр
I \\ Зелёный
у \\ люминофор Красный
// люминофор
470 525 590 630 X ,нм
Рис. 4.4. Люминесценция зеленого и красного люминофоров
сов непрерывной безотказной работы), высочайшей механический
и климатической надежностью, работой при очень низких темпе-
ратурах, отсутствием вредных материалов типа ртути, возможно-
сти элементарной регулировки яркости, противопожарной безо-
пасности (отсутствие излучений в ИК-области), малых затрат на
обслуживание. Есть, правда, обстоятельство, которое внесет неко-
торый диссонанс в эту «победную песню» о фантастических ресур-
сах светодиодов. Дело в том, что светоизлучающие диоды имеют
свойство стареть в процессе работы, что выражается в потере из-
лучающей способности. Известные фирмы-производители гаран-
тируют сохранение на 80 процентов начальной излучающей спо-
собности к половине срока службы. На Интернет-форумах иногда
встречаются безапелляционные заявления о реальном сроке служ-
бы в пределах 2...3 тысяч часов, приводятся примеры, связанные с
подсветкой мобильных телефонов. Это может оказаться правдой
только в двух случаях: когда используется «подпольная» продук-
ция, которая действительно может потерять до 40 % за те са-
мые 3000 часов, или когда светодиоды эксплуатируют в значитель-
но завышенных по сравнению с номинальными режимах.
А как ныне обстоит дело со стоимостью светодиодного света?
Пока это — самый дорогой источник, если учитывать только све-
товую производительность. Цена 1 люмена «полупроводникового
света» пока в 50... 100 раз выше стоимости 1 люмена от лампы на-
каливания, но не спешите записывать светодиод в разряд расточи-
тельных приборов. К примеру, автору этой книги удалось приоб-
рести светодиодною лампу мощностью 5 Вт за $15, в то время как
обычная лампа накаливания с такой же светоотдачей (60 Вт) стоит
чуть меньше $1. Еще один расчет показывает, что матрица стои-
мостью $20 из 20 светодиодов по светоотдаче равна галогенной
лампе мощностью 20 Вт и стоимостью $1. Тем не менее, учитывая
срок службы светодиодной лампы, экономия — «налицо».
172
Гпава 4. Твердотельное будущее
По прогнозам специалистов, динамика снижения стоимости
светодиодных ламп окажется не такой «шустрой», как повышение
их светоотдачи: ожидается падение стоимости всего на 20 % при
удвоении показателя эффективности использования. Продвиже-
ние светодиодных источников на рынки будет происходить по
следующему сценарию — вначале их будут использовать как вто-
ростепенную (декоративную) подсветку, потом начнется процесс
вытеснения ламп накаливания и галогенных ламп. Вопрос о вы-
теснении газоразрядных и HID-ламп пока остается за рамками
уверенных прогнозов, этот вопрос будет решаться в ближайшее
десятилетие. Уже сейчас автомобилестроители ведут активные
разработки твердотельных фар дальнего и ближнего света на ос-
нове светодиодов белого свечения. Достижения разработок впе-
чатляют: уже получен световой поток порядка 1000 лм, что корре-
лируется со стандартной «ксенонкой». С укзатателями поворотов
за рубежом все гораздо проще — технологии отработаны и стре-
мительно внедряются. Другое дело, что приобрести светодиодную
лампу в нашей стране пока еще очень сложно, но ее можно изго-
товить самому. Об этом мы поговорим позже, а сейчас перейдем
собственно к техническим вопросам, связанным с использовани-
ем светодиодов.
Этот раздел хотелось закончить цитатой из статьи, прочитан-
ной в одном из научно-технических журналов: «Инженеры италь-
янской фирмы «Rimsa» разработали высокотехнологичную лампу
для использования в медицинских операционных светильниках.
По своим светотехническим параметрам новая лампа не уступает
традиционным изделиям того же назначения на основе галогено-
вых источников света, но при этом имеет ряд преимуществ.
Во-первых, она практически не излучает тепла, во-вторых, крайне
экономно расходует электроэнергию, обеспечивая световой поток
в 600 люменов и освещенность 50 тысяч люкс, потребляет всего
25 ватт, то есть втрое меньше, чем галогеновый аналог со сходны-
ми характеристиками. Кроме того, срок службы нового светильни-
ка увеличен, по сравнению с обычными, в 25 раз. И, наконец,
светодиодная лампа создает в операционной повышенный физи-
ческий комфорт — как для хирургов, так и для пациентов: первые
не потеют, у вторых не так быстро сохнут ткани в открытой ране».
Сообщения подобного рода вы будете встречать в технической
прессе чаще и чаще.
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!
173
4.2. Лампа? Светодиод?
Лампа-светодиод!
Наверняка не все читатели имеют представления об устройстве
и технических характеристиках главного «кирпичика» твердотель-
ных источников света — светодиода. Поэтому начнем раздел
именно с этого вопроса, а затем перейдем к современным устрой-
ствам, сконструированным на основе светодиодов и необходимо-
му дополнительному оборудованию.
На рис. 4.5 показаны наиболее распространенные конструктив-
ные исполнения светодиодов. Обратите внимание на рис. 4.5, б) —
светодиод белого свечения имеет отражатель, формирующий диа-
грамму излучения, а также содержит люминофор, исправляющий
излучаемый спектр. Выводы светодиодов бывают штыревыми (для
пайки в отверстие), планарные (для монтажа к печатным площад-
кам) и даже проводные (у мощных образцов). Значительным раз-
нообразием отличаются и корпуса светодиодов: они могут быть
цветными и бесцветными (прозрачными и матовыми), полукруг-
лыми, плоскими, прямоугольными, с концентрирующими линза-
ми. Иметь дело с бесцветными корпусами сложнее: никогда не уз-
нать конкретный цвет свечения светодиода до подключения его к
источнику энергии.
Рис. 4.5. Устройство типового светодиода: a — с окрашенным светом;
б — с белым светом
Наиболее наглядно описывает «электрику» светодиодов
вольт-амперная характеристика (ВАХ), то есть зависимость прохо-
дящего через диод тока от приложенного к нему напряжения
(рис. 4.6). При приложении обратного (запирающего) напряжения
174
Гпава 4. Твердотельное будущее
Рис. 4.6. Вольтамперные характеристики полупроводников
любой диод ток не проводит. Читателю надо запомнить, что, в от-
личие от выпрямительных диодов, светодиоды не допускают боль-
ших значений обратных напряжений. Стандартное предельное об-
ратное напряжение светодиода не превышает 5 В, так что будьте
осторожны с «переполюсовками»!
Прямая ветвь ВАХ светодиодов отличается от ВАХ обычных
диодов только значением напряжения открывания и падением на-
пряжения в открытом состоянии. Если германиевые диоды откры-
ваются при напряжении 0,1...0,2 В, кремниевые — при 0,6...0,7 В,
то напряжение открывания светодиодов лежит в диапазоне
1,2...2,9 В. После открывания напряжение на светодиодах немного
растет с увеличением тока, стабилизируясь на определенном уров-
не уже при токе порядка 1 мА. Это означает, что светодиод в
практических схемах может работать только как токовый прибор.
Как это понять? Очень просто!
Однажды автор этой книги стал невольным свидетелем разго-
вора между продавцом одного петербургского магазина радиодета-
лей и достаточно далекого от электроники покупателя, которому
понадобилось приобрести для каких-то целей светодиод. Покупа-
тель спросил, какое напряжение нужно подать на него, чтобы све-
тодиод загорелся. Продавец измерил тестером напряжение на
клеммах прибора проверки и с радостью сообщил — нужно
12 вольт. Он просто не учел одного: измерялось напряжение ис-
точника питания через балластный резистор, сопротивление кото-
рого существенно меньше по сравнению с внутренним сопротив-
лением прибора...
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод! 175
Вернемся к рис. 4.6. Хорошо видно, что разница между напря-
жением зажигания светодиода и неконтролируемым увеличением
тока через него составляет всего 0,3 В! Светодиод, как любой по-
лупроводник, не может «держать» бесконечно большие токи — он
просто расплавится от нагрева. Поэтому необходимо вспомнить о
балласте, который «погасит» на себе излишек напряжения и огра-
ничит протекающий ток. Так как светодиоды питают постоянным
(или импульсным) напряжением, в качестве простейшего балласта
выступает преимущественно обычное активное сопротивление.
Балластный резистор необходимо рассчитать. Этот расчет
очень простой, но мы все равно приведем его: не все читатели
этой книги могут быть хорошо знакомы с электроникой. На
рис. 4.7 показана простейшая цепь, состоящая из источника пита-
ния G, балластного резистора R и светодиода HL. Допустим, что
светодиод должен работать от источника с напряжением (С7с), рав-
ным 15 В. Открываем справочник и ищем значение прямого паде-
ния напряжения (UHL) данного светодиода (в зарубежных источни-
ках этот параметр именуется.forward voltage). Обычно значение
прямого падения напряжения нормируется при рекомендуемом
прямом токе (iHL) светодиода (forward current). Производители при-
водят значение тока, при котором, во-первых, светодиод не сго-
рит, а во-вторых, не будет светиться тускло. Предположим, что
прямое падение напряжения на светодиоде составляет 3,2 В при
токе 20 мА (данные приводятся по светодиоду белого света
APK3216PWC производства «Kingbright»). Отсюда вычисляем со-
противление резистора R:
R = и.Р. ~иЛк . (4.1)
1 HL
Нетрудно рассчитать, что сопротивление резистора составляет
590 Ом. Из стандартного ряда резисторов придется использовать
Рис. 4.7. К расчету балластного резистора
176
Гпава 4. Твердотельное будущее
номинал 620 Ом, незначительно снизив яркость. Мощность рези-
стора можно получить из формулы:
P = '2hlR. (4.2)
В нашем примере расчетная мощность будет 0,25 Вт. Выберем
резистор мощностью 0,5 Вт с учетом обеспечения запасов по рас-
сеиваемому теплу.
В электротехнике очень часто для обеспечения каких-либо тре-
бований используют последовательное или параллельное соедине-
ние элементов. Для светодиодных приборов принцип наращива-
ния особенно актуален: светодиоды как отдельные элементы пред-
ставляют собой достаточно миниатюрную конструкцию. Здесь,
однако, есть свои особенности, о которых мы поговорим.
На рис. 4.8 представлены способы параллельного соединения
светодиодов, причем вариант «а» не рекомендуется для примене-
ния на практике, вместо него следует использовать вариант «б».
В чем здесь разница? Как и любые другие реальные элементы,
светодиоды имеют технологические разбросы величины прямого
падения напряжения, а значит, через них будут проходить разные
токи. Интенсивность света светодиодных ячеек окажется разной
даже при одинаковых типономиналах излучателей, что «на глаз»
мы воспримем как разную яркость (или неоднородно-яркое пят-
но, если станем наблюдать издалека). Предпочтительнее все-таки
выровнять токи балластными резисторами по варианту «б».
. С последовательным соединением все гораздо проще: свето-
диоды включаются друг за другом, через них протекает один и тот
же ток, а падение напряжение на цепочке равно сумме падений
напряжений на отдельных светодиодах (рис. 4.9).
Рис. 4.8. Параллельное соединение: а — неправильно; б — правильно
-5* ** ** ** R
IX X [> >1—[=ь-
Рис. 4.9. Последовательное соединение
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод! 177
Можно также выполнять комбинацию «последовательной» и
«параллельной» схем, то есть соединять «в параллель» последова-
тельные гирлянды светодиодов. И здесь возникает великий со-
блазн выбрать балластный резистор как можно меньшего сопро-
тивления, суммарное падение напряжение цепочки «подогнать»
как можно ближе к напряжению питания. На первый взгляд такое
решение кажется эффектным: ведь сократятся тепловые потери на
балласте! Не спешите — давайте разберемся, почему к этому во-
просу нужно подойти с максимальной осторожностью.
Еще раз вернемся к рис. 4.7, а именно — к источнику пита-
ния G. Если этот источник стабильный, то есть не меняет значение
выходного напряжения, изменения тока через светодиоды тоже
окажется минимальным, и можно выбирать балластный резистор
поменьше. Ну а если источник нестабилизированный? Бывает та-
кое? Да сплошь и рядом! Допустим, что вы, окрыленные прочитан-
ным, собрали гирлянду из светодиодов и подключили ее к про-
мышленной сети через простейший выпрямитель. Сеть — неста-
бильный источник энергии. Мало того, что напряжение имеет
полное право (по действующим стандартам) «гулять» процентов
на 10, так еще в сети периодически возникают провалы (что не так
страшно) и выбросы (что намного опасней) со средним 20-про-
центным допуском. Для наших светодиодных гирлянд эти броски
могут стать губительными. Судите сами, почему.
При помощи формулы (4.1) можно вывести еще одну форму-
лу — для вычисления отношения максимального и минимального
значения тока в гирлянде при изменении напряжения питания:
к _ Uqmax ~U hl 0 2)
‘ U GMIN ~U HL
При исчезающее малом падении напряжения на светодиодах
этой величиной можно пренебречь, и тогда в формуле (4.3) оста-
нутся только минимальное и максимальное напряжения питания.
Ну а если прямое суммарное падение напряжения и напряжение
питания будут сопоставимы, ток может меняться в разы!
В продолжении темы о наращивании светодиодных источни-
ков приведем некоторые данные из интересного технического от-
чета фирмы «Osram» [26]. Рассматривалась матрица из 16 свето-
диодов типа TOPLED LAE67 со средним прямым падением на-
пряжения 2,125 В и технологическим разбросом в пределах
2,05...2,20 В. Первый вариант матрицы представлен на рис. 4.10, о,
178
Гпава 4. Твердотельное будущее
A R
LJ 22 Ом
v 200,8 мА
HL1 б* 1 ' 60,7 мА HL5 бг 1 ' 49,46 мА HL9 бг 1 f 49,46 мА HL13 бг 7 1 41,19 мА
HL2 б* 1 г 60,7 мА HL6 б» 7 Г 49,46 мА HL10 3 б* 1 г 49,46 мА HL14^ бг 7 Г 41,19 мА
HL3 б* 7 f 60,7 мА HL7 бг 1 ' 49,46 мА HL113 б* 7 г 49,46 мА HL15^ бг 7 '41,19 мА
HL4 \ бг 1 г 60,7 мА HL8 б* 1 Г 49,46 мА HL12^ бг 1 Г 49,46 мА HL16^ б* 1 г 41,19 мА
а
б
Рис. 4.10. Последовательное соединение параллельных ячеек:
a — при нормальном функционировании; б — в режиме обрыва HL9
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!
179
который можно назвать последовательным соединением парал-
лельных ячеек (авторы отчета назвали такой вариант — с одиноч-
ным резистором). Светодиоды HL1...HL4 имеют минимальное
прямое падение напряжения (2,05 В), светодиоды HL5...HLI2 —
среднее (2,125 В), a HL13...HL16 — максимальное (2,2 В). Харак-
тер распределения токов в каждой ячейке мы можем увидеть на
том же самом рисунке. Очевидно: светодиоды с минимальным
прямым падением напряжения находятся «на грани» максимально
допустимых токовых параметров, в то время как «максимальные»
светодиоды недогружены. Это чревато, во-первых, снижением на-
дежности матрицы, и, во-вторых, неравномерностью свечения
ячеек.
Исследователи усугубили ситуацию, имитировав выход из
строя светодиода HL9. Результат мы видим на рис. 4.10, б: вырос-
ли токи оставшихся в линейке светодиодов, а ток через HL1 вооб-
ще превысил предельно допустимый. В скором времени следует
ожидать выхода из строя HL1, затем HL5 и, наконец, HL13. Итог
весьма неприятный: один неисправный светодиод выводит из
строя всю матрицу, а при ремонте придется менять четыре свето-
диода вместо одного.
Намного более удачен и надежен способ параллельного соеди-
нения последовательных ячеек (рис. 4.11). Обратите внимание на
распределение токов в в режиме нормального функционирования
(рис. 4.11, а): разбаланс токов составляет примерно 5 процентов,
небольшое различие яркости глаз едва ли заметит. Все светодиоды
работают в номинальном режиме, с большим запасом по токовой
перегрузке.
Опять имитируется «несчастный случай» — перегорание свето-
диода HL9 (рис. 4.11, б). Заметьте: распределение токов в осталь-
ных ветках не меняется, а значит, матрица продолжит излучать
свет, которого станет теперь немного меньше. Вот и все последст-
вия отказа ячейки!
Давайте теперь перейдем ко второй части характеристик све-
тодиода — к оптической. Как представляются эти данные в тех-
нической документации? Вы наверняка уже поняли, что излуче-
ние светодиода направленное, то есть неравномерное в зависимо-
сти от его положения относительно наблюдателя. Некоторые
светодиоды обладают ярко выраженной направленностью: они
светят как маленькие прожекторы. Другие полупроводники по-
добны лампе накаливания с отражателем — световые волны здесь
180
Гпава 4. Твердотельное будущее
HL1 б* 7 HL5 * 7 HL9 _бг HL13 б» 7
HL2 f 52,94 мА б* HL6 f 50,01 мА б* 7 HL10 5J г 50,01 мА бг 7 HL14^ t 47,8 мА б>
HL3 f 52,94 мА б* 7 HL7 f 50,01 мА б* 7 HL11 f 50,01 мА бг 7 HL15^ ' 47,8 мА б» 7
1 52,94 мА ’ 50,01 мА 1 50,01 мА f 47,8 мА
HL4 3 б* 7 1 52,94 мА HL8 б* f 50,01 мА HL12^ б* ” 50,01 мА HL16 бг 7 f 47,8 мА
“I R1 J 82 1 R2 J 82 1 R3 J 82 "I R4 J 82
б
Рис. 4.11. Параллельное соединение последовательных ячеек:
a — при нормальном функционировании; б — в режиме обрыва HL9
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод! 181
распространяются в достаточно широком углу. Но одиночных
светодиодов, излучающих одинаково хорошо (или равномерно) во
все стороны, пока еще не изобрели. Впрочем, если нужно равно-
мерное излучение, выручает набор светодиодов, направленных в
разные стороны.
Главная пространственная характеристика светодиода — его
направленность (directivity). Фирмы производители характеризуют
направленность, во-первых, углом излучения (radiation angle), а
во-вторых, диаграммой направленности. Если первая характери-
стика — просто цифра, то вторая — гораздо более информативный
график. Специалист-светотехник никогда не станет проектировать
светодиодное освещение, пользуясь только углом излучения, так
как диаграммы направленности подчас оказываются причудливы-
ми, с провалами и горбами.
На рис. 4.12 приведена наиболее полная диаграмма направ-
ленности белого светодиода NSPW515BS, который производится
мировым лидером светодиодной индустрии — фирмой «Nichia».
Правая часть диаграммы выполнена в полярных координатах
(что удобно — сразу понятно, как излучает светодиод), а левая —
в декартовых. С такими графиками мы уже встречались и знаем,
что аргументом здесь выступает угол поворота относительно
главной оси (линии максимума излучения), а что выступает
функцией? Безразмерная величина! Просто-напросто график
нормирован к максимальной величине излучения. В качестве
нормирующей величины выступает сила света (luminous intensity),
приводимая в мкд при определенном значении прямого тока. На
диаграмме направленности этому параметру соответствует безраз-
мерная «единица».
Рис. 4.12. Диаграмма направленности светодиода
В некоторых случаях, когда диаграмма направленности доста-
точно широкая, а светодиоды предназначены только для освеще-
182
Гпава 4. Твердотельное будущее
ния, приводят значение светового потока (luminous flux) в лм, что
весьма удобно для расчета освещенности по стандартным методи-
кам. В таком случае диаграмма направленности выступает как
кривая силы света (КСС).
Также уважающие себя фирмы приводят в технической доку-
ментации вид спектральной характеристики излучения. Качест-
венно мы рассмотрели эти спектры чуть выше, сейчас же обратим
внимание читателя на связанную с этим подробность, имеющую
непосредственное отношение к теме нашей книги.
Если вы помните, цветовая температура света в значительной
степени оказывает влияние на эмоциональное состояние человека.
До настоящего времени светодиодное освещение обладало имид-
жем «холодного», «мрачного», «неуютного». К счастью, недавно на
рынке появились светодиоды теплого белого свечения (warm
white), которые имитируют свет лампы накаливания. В частности,
такие светодиоды есть в номенклатуре фирмы «Nichia». Отличие
светодиодов типа warm white от просто white наиболее наглядно
демонстрируют спектры рис. 4.13, а и б.
а
Рис. 4.13. Спектры светодиодов: a — Warm white; б — White
Если излучению светодиода типа white придает «бледность»
пик большой амплитуды в синей области спектра, то в светодиоде
типа warm white синяя составляющая «задавлена» более интенсив-
ным излучением желтого люминофора, окрашивающего излучение
в «теплый» оттенок. Вот и вся премудрость.
Познакомимся теперь с основными конструктивными реше-
ниями корпусов светодиодов, изделий на их основе и дополни-
тельным оборудованием. По правде говоря, сегодня выпускается
несколько тысяч самых разнообразных светодиодов, но здесь мы
не станем скрупулезно перечислять их характеристики — на это
есть каталоги фирм, Интернет-сайты с документацией, продав-
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!
183
цы-консультанты в магазинах. Коснемся лишь самых основных,
широко распространенных, а потому сравнительно недорогих и
самых узнаваемых вариантов.
Корпуса светодиодов, показанные на рис. 4.14, а—в, сегодня
можно считать классическими: это круглый «бочонок», с одной
стороны которого имеется полусфера-линза, а с другой — элек-
трические выводы. Казалось бы, чем больше диаметр светодиода,
тем больше должна быть сила света, однако это не всегда так.
Крошечный светодиод может обладать силой света, в разы превы-
шающей силу света его крупного собрата, а может быть и обрат-
ная ситуация. Но какой смысл в выпуске разных типоразмеров
светодиодов? Достаточно большой: если светодиоды, особенно
разноцветные, входят в матрицу, то равномерность излучения и
смешивание цветов окажется лучше у матрицы с маленькими
ячейками, чем у матрицы с крупными. Однако есть здесь и обо-
ротная сторона — мелких светодиодов понадобится больше, чем
крупных.
Рис. 4.14. Классические конструкции светодиодов: а — диаметр 3,8 мм;
б — диаметр 5,0 мм; в — диаметр 7,5 мм
184
Глава 4. Твердотельное будущее
В связи с бурным развитием твердотельных источников осве-
щения появились и другие конструктивные исполнения светодио-
дов. На рис. 4.15, а и б показаны новые светодиодные корпуса,
специально предназначенные для составления матриц. Особенно
удобно компоновать тип корпуса, показанный на рис. 4.15, а, —
маленькие квадратики могут быть вытянуты в линию или набраны
в любую геометрическую фигуру типа круга, квадрата и т. д. Дан-
ные светодиоды обладают очень высоким значением силы света —
до 25 кд! Номинальный прямой ток также отличается в большую
сторону против стандартных значений и составляет примерно
70...100 мА. Именно поэтому их называют в технической докумен-
тации SuperFlux LEDs, то есть светодиодами с большим световым
потоком.
б
Рис. 4.15. Новые корпуса сверхъярких светодиодов: а — для монтажа
в отверстие; б — для планарного монтажа
Интересным представителем нового поколения твердотельных
источников света можно считать серию Warm white LEDs (свето-
диоды теплого белого света с цветовой температурой 3500 °К), вы-
пускаемую фирмой «Lumileds» (рис. 4.16). Сюда входят светодио-
ды типа LXHL-BW03, LXHL-MWGC и LXHL-NWG8. При рабо-
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!
185
Рис. 4.16. Светодиоды серии Warm white LEDs
чем токе 350 мА световой поток составляет порядка 20 лм, 90 %
светового потока распространяется в угле 220 градусов (если рас-
сматривать проекцию телесного угла, так как излучение светодио-
да не зависит от поворота вокруг оси максимального излучения).
Типономинал LXHL-NWG8 предназначен для создания узкого
пучка света в угле 20 градусов, для этого исполнения значение яр-
кости по оси максимального излучения — 200 кд. Производитель
гарантирует сохранение 70 % светового потока через 100 000 часов
непрерывной работы светодиода. К сожалению, их стоимость до-
вольно высока и на момент написания книги составляет $3,5.
Конструктивно светодиоды представляю собой круглую шайбу
диаметром 8 мм, оснащенную двумя выводами. Однако для удоб-
ства монтажа светодиоды также поставляются со специальной
шестигранной пластиной, на которой нанесены контактные пло-
щадки.
Еще один интересный продукт предлагает фирма «Сгее»: ее се-
рия Xlamp-7090 позиционируется на рынке именно как светоди-
одная лампа, хотя размеры ее не больше 9x7x5 мм и монтирует-
ся она поверхностным способом. Световой поток «лампы» белого
света при токе 350 мА достигает 45 лм, излучение лежит в угле
100 градусов.
А бывают еще более мощные светодиоды? Да, и сегодня можно
приобрести экземпляры с прямым током чуть больше 1 А. Харак-
теристики светоизлучения этих светодиодов оказываются под стать
протекающим токам. Но здесь обозначается существенная пробле-
ма, начинающая создавать ощутимые трудности при практическом
применении таких источников света, — это рассеяние тепла. Кро-
хотный корпус элемента при прямом падении напряжения 3 В дол-
жен рассеивать тепловую мощность около 3 Вт. Читатели, знако-
мые с электроникой, конечно же, сразу поняли, насколько серьез-
186
Гпава 4. Твердотельное будущее
ным представляется решение проблемы. Для остальных сообщаем:
самостоятельно светодиод не сможет рассеивать данную мощ-
ность — ему потребуется радиатор, и достаточно большой (по
крайней мере, с габаритами на порядок большими, чем сам свето-
диод). Соответственно, корпус полупроводника должен быть та-
ким, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт с радиатором.
В силу специфики использования мощных светодиодов мы не при-
водим их внешний вид и не рекомендуем применять в быту — это
пока еще экзотика, причем слишком дорогая.
Закончим с одиночными светодиодами и перейдем к рассказу
об изделиях на их основе. Мы уже вскользь упоминали о сущест-
вовании светодиодных модулей, но сейчас рассмотрим их под-
робнее.
Светодиодные модули сегодня выпускаются многими зарубеж-
ными и отечественными фирмами в дополнение к традиционной
светотехнической продукции: лампам накаливания, люминесцент-
ным лампам и т. д. Обычно модули не имеют самостоятельной
ценности: они встраиваются в светильники, рекламные щиты,
конструктивные дизайнерские элементы. Наиболее типичные кон-
струкции модулей мы рассмотрим на примере продукции фирмы
«Vossloh-Schwabe».
Светодиодная линейка LEDline (рис. 4.17, а) представляет со-
бой планку, на которой через равные промежутки установлены раз-
ноцветные или белые светодиоды. В частности, линейка WUM-228
WWW состоит из 66 светодиодов, объединенных в три группы по 22
элемента в каждой. Потребление тока каждой группой не превыша-
ет 80 мА, питается линейка от источника постоянного тока с напря-
жением 24 В. Средний световой поток оценивается в 36 лм — не так
Рис. 4.17. Светодиодная линейка LEDline:
а — внешний вид; б — кривая силы света
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод! 187
много для общего освещения, но для местного вполне достаточно.
Читателю также интересно будет изучить вид кривой силы света,
показанной на рис. 4.17, б). Естественно, вид кривой приведен в
поперечном разрезе линейки.
Второй вид светодиодного модуля типа FloodLED (рис. 4.18, а)
представляет собой круг, в котором светодиоды размещены равно-
мерно. Кстати, светодиоды здесь могут быть как разноцветными
(тогда легко управлять цветом излучения), так и белого свечения.
Эти модули пригодятся для установки в прожекторы наружной
подсветки — кривая силы света этих модулей похожа на узкий ле-
песток (рис. 4.18, б). Модуль типа WUM-214 RGB в составе имеет
10 красных, 8 зеленых и 12 голубых светодиодов, создает световой
поток 40 лм и питается от источника напряжением 12 В, потреб-
ляя 220 мА.
Рис. 4.18. Светодиодный модуль типа FloodLED: a — внешний вид;
б — кривая силы света
Одиночные светодиоды и светодиодные модули продаются пре-
имущественно в магазинах, торгующих электронными компонента-
ми, поскольку они в основном интересуют специалистов, радиолю-
бителей или тех, кто любит и умеет работать руками. Использование
этих «полуфабрикатов» твердотельной «оптики» сопряжено с необ-
ходимостью конструктивно размещать их, подключать дополнитель-
ное оборудование, придумывать оформление в виде светильников.
Но что предложить массовому потребителю, живущему по принципу
«купил, поменял, забыл». Потребитель привык покупать то, что ему
привычно, что быстро встраивается в налаженную жизнь. Приобре-
188
Глава 4. Твердотельное будущее
ста баснословно эффективную «супер-лампочку», а затем мучитель-
но подыскивать к ней светильник, потому что она не подходит ни к
одному патрону в доме, — это все равно что купить автомобиль под
имеющийся ремень вентилятора. Светотехнические фирмы знают
психологию покупателя и не спешат отказываться от привычных
форм электрических ламп. Более того, они стремятся сделать так,
чтобы новые светодиодные лампы «один в один» были совместимы
со старыми по габаритам, по конструкции корпуса и патрона, а так-
же по своим электрическим характеристикам. Короче говоря, чтобы
не создавать потребителю ненужных проблем.
На рис. 4.19 показан внешний вид ламп LEDlight, выпускае-
мый «Vossloh-Schwabe». Нетрудно заметить, что эти лампы полно-
стью совместимы с «галогенками» типа MR-16 с цоколем GX5.3
Рис. 4.19. Лампа LEDlight
или GU5.3, питаются напряжением 12 В
и потребляют всего 1,9 Вт. Световой по-
ток, излучаемый лампами, находится в
диапазоне от 4 до 39 лм. Цвета излучения
ламп: белый, красный, зеленый, голубой,
янтарный, желтый. Угол излучения со-
ставляет 20 градусов. Эта лампа — ни что
иное, как модуль FloodLED, помещен-
ный в корпус и оснащенный цоколем.
Аналогичные лампы выпускаются мно-
гими другими фирмами, средняя стои-
мость — примерно $6.
Весьма и весьма похожи на обычные лампы накаливания
LED-источники света типа ball-bulb (рис. 4.20): у них имеется
круглый матовый баллон и цоколь Е27, что еще более роднит дан-
ные лампы с лампами накаливания. Однако баллон служит не для
накачки инертного газа, а для обеспечения светорассеивания, рав-
номерной засветки лампы. Питать LED-лампы можно от обычной
сети 220 В 50 Гц, при этом они потребляют от 1 до 5 Вт (в зависи-
мости от цвета и типоразмера).
QP70
QP60
QP50
Рис. 4.20. Лампы типа ball-bulb
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод! 189
Автору этой книги в руки попала лампа типа ball-bulb, выпу-
щенная немецкой фирмой «Brilliant AG», которая, правда, не из-
лучала какой-то один цветовой оттенок, а постепенно сменяла все
цвета, заканчивая цикл белым излучением (рис. 4.21). Ничего не
оставалось, как аккуратно разобрать чудо-лампу, взглянуть на ее
внутренности и поделиться увиденным с читателями.
Баллон лампы оказался стеклянным, с очень тонким слоем
ровного матирования. Светодиоды (12 шт, корпус диаметром 5 мм)
расположились на круглой печатной плате диаметром 37 мм, в цо-
коле: четыре красных, четыре зеленых и четыре синих (рис. 4.22).
Наконец, электронная начинка (рис. 4.23) предстала после
«обкусывания» бокорезами пластмассового продолжения цоколя.
Вкратце о схеме можно сказать следующее: на входе имеется ин-
дуктивно-емкостной фильтр, балластное активно-индуктивное со-
Рис. 4.22. Цоколь лампы
«Brilliant AG»
Рис. 4.23. Внешний вид электронной схемы «Brilliant AG»
190
Гпава 4. Твердотельное будущее
противление (параллельно соединенные резистор и конденсатор),
диодный мост, управляющая микросхема, транзисторы, регули-
рующие скважность сигналов и управляющие яркостью... и, собст-
венно, все! Практически все элементы — в SMD-корпусах, по-
верхностно-монтируемые (что резко сократило габариты элек-
тронной части). Из-за того, что на активно-индуктивном балласте
рассеивается тепловая мощность и чать энергии теряется на рас-
сеивателе, лампа обладает достаточно низкой светоотдачей. Со-
гласно европейской марки потребления, эта лампа относится к
классу F, что даже ниже, чем стандартный класс Е ламп накалива-
ния. Впрочем, лампа «Brilliant AG» предназначена для декоратив-
ного освещения, не более.
А что происходит в нашем Отечестве в части разработки потре-
бительских LED-ламп? По вполне понятным причинам светодиод-
ная индустрия развивается у нас не столь бурно, как за рубежом,
но все же кое-что меняется к лучшему. К примеру, московская
фирма «Лаборатория «Световод» разработала и, судя по рекламе на
ее Интернет-сайте, поставляет светодиодные лампы с цоколем Е27
и GX5.3. Названия эти лампы получили от названий городов:
«Пермь», «Пермь-2», «Орел», «Ростов». Лампа «Пермь» показана
на рис. 4.24 (ее составляют 32 светодиода), лампа «Пермь-2» очень
похожа на ball-bulb. Лампы «Орел» — взамен галогенных. Сила све-
та этих ламп по осевой линии может достигать 800 кд. Все лампы
потребляют от сети не
Рис. 4.24. Лампы серии
«Пермь»
более 3 Вт, могут питаться (в зависимости
от исполнения) напряжением 10...24 или
85...220 В переменного тока. Фирма гаран-
тирует непрерывную работу ламп в течение
10 лет. Позиционируются лампы отнюдь
не как источники общего освещения, а как
«сигналы световой маркировки высотных
зданий», «элементы праздничной иллюми-
нации», «источники локального освеще-
ния», «источники аварийного освещения».
И, наконец, о светодиодных прожекто-
рах. Именно они все чаще и чаще начинают
применяться в крупных городах для под-
светки памятников архитектуры (создание
«световых карнизов»), расцвечивания ноч-
ных фонтанов. Такие дизайнерские новше-
ства весьма и весьма недешевы, но благода-
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!
191
ря чрезвычайной насыщенности цветовых
оттенков позволяют получать потрясающие
результаты.
Для этих целей нужны специальные
светильники, которые имеют возможность
концентрировать световые лучи и при этом
обеспечивать элекгробезопасную герметич-
ность. Светотехнические фирмы выпускают
очень большую номенклатуру светодиод-
ных прожекторов. Не отстают от зарубеж-
ных и наши, отечественные фирмы. На
рис. 4.25 показан полноцветный прожектор
«Дубна SUB54 1Р68», в основе которого лежит все та же светоди-
одная трехканальная матрица. Количество светодиодов в светиль-
нике: 18 красных, 18 синих и 18 зеленых, питание — 12 В посто-
янного или переменного тока. Этот прожектор позволяет получить
около 16 млн цветовых оттенков!
Рис. 4.25. Прожектор
«Дубна»
Последнее, о чем хотелось бы коротко рассказать читателю пе-
ред практической частью, — это о вспомогательном управляющем
оборудовании для LED-ламп. Несложно запитать 3—4 светодиода,
но когда их несколько тысяч, возникают сложные проблемы: как
обеспечить необходимый питающий ток, как поддерживать коле-
бания напряжения в безопасных для полупроводников пределах,
каким образом оперативно управлять цветовой гаммой полноцвет-
ных светильников? Задачи эти достаточно просто решаются с по-
мощью специализированных источников питания и контролле-
ров-диммеров.
Внешний вид специализированных устройств не представляет
собой ничего интересного: обычно это пластмассовые или метал-
лические коробочки разных размеров, либо печатные платы. Го-
раздо интереснее их электрические характеристики.
Разработанный «Лабораторией «Световод» стабилизатор SPWR500
имеет номинальную выходную мощность 500 Вт и может приме-
няться для обслуживания большого количества светодиодных про-
жекторов. Также выпускаются стабилизаторы мощностью 300 и
100 Вт. Эти изделия рационально применять в осветительных ус-
тановках с централизованным питанием.
А вот примеры устройств питания для одиночных светильни-
ков. Серия Xitanium LED Power Drivers от «Philips» в своем соста-
ве имеет устройства питания с максимальной мощностью 12 Вт,
192
Гпава 4. Твердотельное будущее
17 Вт, 25 Вт и 40 Вт. Первые два исполнения — коробочки с раз-
мерами 120 x 30 x 22 мм, остальные исполнения — коробочки
77 х 83 х 34 мм. Питаются драйверы от сети 220 В 50 Гц, коэффи-
циент полезного действия составляет примерно 80 %, максималь-
ный выходной ток — до 1,7 А. Поскольку драйверы представляют
собой источники тока, к нам совершенно спокойно можно под-
ключать цепочки с составом от одного до восьми светодиодов.
Чтобы управлять яркостью и цветностью светодиодных све-
тильников, разработаны специальные DMX-контроллеры. DMX —
это специализированный стандартный протокол управления мно-
гоцветными светильниками. Изменение цвета здесь можно произ-
водить отдельно для каждого канала (каналом считается одиноч-
ный светильник), программно задавать цветовой сценарий, состав-
лять его самостоятельно или пользоваться готовыми, заложенными
в память контроллера. Популярность DMX-контроллеров возраста-
ет в связи с развитием так называемой цветодинамики, особого на-
правления в искусстве, создающего шоу из музыки и света. Цве-
тодинамика возникла достаточно давно, ее решения широко ис-
пользуются на дискотеках и в клубах, но светодиодная техника
позволила перейти ей на качественно новый LED-виток. Хочется
верить — радиолюбители не останутся в стороне от LED-цветоди-
намики, возвратятся к конструированию светомузыкальных уста-
новок, как это было в 70-е годы прошлого века, когда использовали
лампы накаливания.
4.3. Светодиодное освещение
своими руками
Именно освещение на основе LED-источников, как никакое
другое, предоставляет человеку огромную свободу творчества в си-
лу своей чрезывчайной гибкости. Наиболее ярко творческие воз-
можности светодиодов отражает направление моддинга. Связан
моддинг с доработкой внешнего оформления компьютерного «же-
леза» и встраивания куда бы то ни было светодиодных «фишек».
Моддинг-мейкеры вырезают в своих системных блоках и монито-
рах причудливой формы отверстия, подсвечивают компьютерные
«внутренности», ножки, мыши, коврики. Конечно,.в подавляющем
большинстве случаев моддинг — занятие совершенно бесполезное,
но, впрочем, иногда выполненная доработка выглядит весьма кра-
4.3. Светодиодное освещение своими руками 193
сиво. Упоминая это направление, автор вовсе не ставит целью
призвать читателя к бездумному встраиванию светодиодов везде и
всюду. Самостоятельно оцените световой дизайн своего помеще-
ния, найдите предметы, к которым стоит привлечь внимание мест-
ной подсветкой, и только после этого занимайтесь технической
стороной.
Данный раздел поможет читателю решить технические трудно-
сти, которые могут возникнуть при обеспечении требуемого пита-
ния светодиодов. Не всегда желательно (и удобно) пользоваться
классическим железным сетевым трансформатором из-за его габа-
ритов, далеко не всегда подходят простейшие решения в виде од-
них лишь балластных резисторов. Регулировка яркости — тоже до-
вольно непростая проблема, требующая определенных специаль-
ных знаний, или хотя бы практического радиолюбительского
опыта. Именно о технике мы и будем говорить.
Управление яркостью светодиодов обычно выполняют спосо-
бом ШИМ-модуляции. Любой твердотельный источник света
практически безынерционен — его включения и отключения про-
исходят мгновенно. На рис. 4.26 приведены все необходимые по-
яснения на это счет.
Схема управления (СУ) выдает импульсы с переменной скваж-
ностью (отношением длительности высокого уровня сигнала к пе-
риоду), которые поступают на ключевой элемент VT (полевой или
биполярный транзистор). Этот ключевой элемент коммутирует
светодиод HL через резистор R на общий провод схемы. Таким об-
разом, чем меньше скважность импульсов, тем меньше светит
LED-источник, тем он воспринимается нами тусклее. Вниматель-
ный читатель может задать резонный вопрос: если светодиод, бла-
годаря управляющим импульсам, все время «мигает», не воспримет
194
Гпава 4. Твердотельное будущее
ли это мигание глаз? Если период сигнала окажется большим (ма-
лая частота), то — вне всякого сомнения. Но управляющая частота
выбирается большой (более 1 кГц), и глаз в силу своей инерцион-
ности ничего не замечает. Обратите внимание на схожесть данного
технического решения с принципами устройства высокочастотных
балластов люминесцентных ламп.
Конечно, можно управлять яркостью светодиодов и токовым
способом, но это намного менее эффективно, особенно при по-
стоянном питающем напряжении — ведь необходимо где-то рас-
сеивать излишек энергии. Вследствие этого токовый способ прак-
тически не встречается в технике LED-осещения.
А теперь — к практическим конструкциям. Вначале мы познако-
мимся со схемами, позволяющими получать питание от автономных
(или сетевых) низковольтных источников (батарей или понижаю-
щих стабилизаторов). Особенно актуально сегодня конструирова-
ние, или, вернее, доработки карманных фонариков, велосипедных
фар, автомобильных стоп-сигналов и указателей поворотов.
Казалось бы, что может быть проще замены лампы накалива-
ния на светодиод? Достаточно вставить его в винтовой цоколь,
распаять через балластный резистор — и замена состоялась, осо-
бенно если в фонарике три батарейки. Увы, далеко не все фонари
выпускаются сегодня с тремя батарейками (наиболее характерны
двухбатареечные разновидности), к тому же в процессе работы
гальванические элементы теряют заряд, напряжение на них пада-
ет, и яркость уменьшается достаточно быстро. Чтобы использовать
ресурс батарей наиболее полно, догадались встраивать в фонари
специальные стабилизаторы тока светодиодов, выходной ток кото-
рых не зависит от входного напряжения (в определенных преде-
лах, разумеется).
Схема, изображенная на рис. 4.27, разработана Владимиром
Едакиным с помощью документации на микросхему ADP1110 от
«Analog Device». В книге приводится несколько модернизирован-
ный вариант, связанный с улучшением способа подключения све-
тодиодов HL1...HL4 (в схеме Владимира светодиоды были включе-
ны параллельно без балластных резисторов). Автор схемы пишет:
«Мной было собрано два абсолютно одинаковых фонарика без ста-
билизации, на светодиодах повышенного свечения. Один исполь-
зовался в качестве эталонного, второй — в качестве испытательно-
го. Двадцать четыре часа включенный испытательный СФ лежал в
закрытом ящике, затем был извлечен на свет. На первый взгляд,
4.3. Светодиодное освещение своими руками
195
L1 VD1
HL1...HL4 - L-53PWC, КИПД40
Рис. 4.27. Схема фонаря В. Едакина
яркость свечения осталась неизменной, но включение эталонного
СФ все расставило на свои места: эталонный фонарь светил значи-
тельно хуже. Последующие двое суток прогона ничего нового не
добавили, разве что яркость еще сильнее уменьшилась. Возникла
идея — собрать такую схему, которая позволит поддерживать яр-
кость свечения постоянной максимально возможное время, и бу-
дет «высасывать» заряд из батарей до последней капли».
Схема рис. 4.27 представляет собой бустерный (повышающий,
step-up) стабилизатор со встроенным ключевым транзистором,
внешним дросселем L1 и блокировочным диодом VD1. Конструк-
тивное оформление будет зависеть от имеющихся в наличии у чи-
тателя осветительных приборов. Главная рекомендация по сборке:
элементы должны находиться на минимально возможных рас-
стояниях друг от друга, что сокращает до минимума связи между
ними.
Несколько слов об используемых элементах. Микросхема DA1
должна быть с выходным напряжением 3,3 В либо допускать регу-
лировку напряжения (исполнения ADP1110AN, ADP1110AR,
ADP1110AN-3,3, ADP1110AR-3,3). Индуктивность дросселя L1
может находиться в пределах 20... 100 мкГн и током подмагничива-
ния не менее 0,5 А. Можно также намотать дроссель на кольце из
МО-пермаллоя МП-60 типоразмера КЮхбхЗО. Количество вит-
ков — 40, провод ПЭТВ-2 диаметром 0,25...0,3 мм. На место диода
VD1 подойдут аналоги типа Шоттки 1N5818, 1N5819, 1N4148. Ис-
пользовать обычные диоды здесь нельзя — слишком у них боль-
шое прямое падение напряжения. Резисторы С2-33, С2-23, Р1-12
мощностью 0,125 Вт с допуском 5 %.
196 Глава 4. Твердотельное будущее
Немного отличается от предыдущей схема фонаря Владимира
Ращенко (рис. 4.28). В схему также внесены некоторые улучше-
ния, связанные с питанием светодиодов. Основа — все тот же бус-
терный преобразователь на микросхеме МАХ756, выпускаемой
фирмой «МАХ1М». Встраивался преобразователь в фонарик фир-
мы «Varta», обеспечивающий установку 2-х элементов типа АА, а
также поворот рефлектора (отражателя) на 180 градусов. Парамет-
ры преобразователя позволяют продолжать работу фонаря вплоть
до снижения питающего напряжения ниже 0,7 В!
VD1
L1
Рис. 4.28. Схема фонаря В. Ращенко
Требования к элементам — такие же, как и в предыдущей схе-
ме, так как отличия очень незначительные. Чем детали будут
меньше по габаритам, тем компактнее получится стабилизатор.
Микросхему МАХ756 можно заменить на полный отечественный
аналог КР1446ПН1А или КР1446ПН1Е.
Автор схемы не только практически изготовил фонарик, но
еще и измерил его КПД. Оказалось, что при свежих батареях КПД
составляет 87 %, то есть столько, сколько записано в технической
документации на микросхему. Затем при разряде батарей КПД па-
дает и уже к 1,5 В на входе составляет 65 %. При снижении пита-
ния до 1,0 В коэффициент полезного действия равен 40 %, но фо-
нарик не теряет яркости света. В связи с этим фонарик может пи-
таться даже от одного «пальчикового» элемента!
Насколько удобнее и экономичнее светодиодный фонарь? Вот
что пишет Алексей Сигаев: «Особенно актуален переход на свето-
диоды для серьезных велопутешественников. У фонарей с лампа-
ми накаливания срок автономной работы в лучшем случае состав-
4.3. Светодиодное освещение своими руками
197
ляет 3...4 часа. Но если, катаясь по вечерам в городских парках,
можно смириться с необходимостью почти каждый день ставить
фонарь на подзарядку, то что делать в многодневном походе?
Брать с собой несколько комплектов батарей тяжело — в походе и
так каждый грамм на счету. А фара на диодах будет без проблем
светить все ночи напролет в течение недели — и это на обычных
батареях средней цены/качества».
Алексей предлагает использовать для питания фонарей микро-
схемы МАХ1848, МАХ1759 и некоторые другие. На рис. 4.29 при-
ведена схема фонарика на МАХ1848, а на рис. 4.30 — на
МАХ1759. Отличие их в том, что схема, показанная на рис. 4.30,
не требует индуктивного элемента. Преобразование энергии здесь
L1
Рис. 4.29. Схема фонаря А. Сигаева
Рис. 4.30. Еще одна схема от А. Сигаева
198
Гпава 4. Твердотельное будущее
осуществляется методом «зарядового насоса», который не подхо-
дит для мощных стабилизаторов, но неплохо справляется с не-
большими нагрузками.
Драйверы светодиодов можно также построить на микросхемах
LTC3214, LTC3215, LTC3216, LTC3217, LT3477, LT3783, LTC3490,
LT3474, LT3479, LT1618, LTC3453, LTC3454, LT3466, LT3486,
LT1618 и многих других.
Совершенно по-иному строятся драйверы для питания свето-
диодов от сети 220 В 50 Гц. Здесь нужно не повышать напряже-
ние, а гасить его излишек, причем весьма значительный. Погасить
напряжение без тепловыделения нам поможет реактивное сопро-
тивление конденсатора, включенного последовательно с цепочкой
светодиодов (рис. 4.31).
Рис. 4.31. Простая сетевая светодиодная лампа
Функцию балласта выполняет конденсатор С1, который в це-
лях электробезопасности шунтирован резистором R1. Варистор
RP1 защищает лампу от возгорания при появлении очень больших
выбросов напряжения в сети, предохранитель F1 выполняет ту же
функцию совместно с RP1. Диодный мост с конденсатором С2 об-
разуют фильтр, от которого питается цепочка R2, HL1...HL15. Са-
прессор VD5 защищает светодиоды от повышения прямого тока
через них.
Здесь использованы стандартные элементы: полярный конден-
сатор типа К50-68, неполярный — типа К73-17; резисторы типа
С2-23 или С2-33. Вместо компактного диодного моста VD1...VD4
4.3. Светодиодное освещение своими руками
199
можно использовать любые выпрямительные диоды с обратным
напряжением не менее 400 В и прямым током не менее 1 А.
Хотя по своим световым характеристикам эта лампа мощно-
стью 1 Вт эквивалентна лампе накаливания мощностью 20 Вт, не-
достаток схемы очевиден: при изменении напряжения в сети будет
меняться яркость лампы. Если схему усложнить, можно добиться
не только стабилизации светового потока, но еще и регулировать
яркость. Схема такой лампы приводится на рис. 4.32.
Основным узлом управления здесь служит микросхема DA1,
которая обычно используется при построении импульсных преоб-
разователей напряжения. Микросхема получает питание через ре-
зистор R6, конденсатор С6 фильтрует напряжение питания. Рези-
сторный делитель R15, R5 отслеживает величину входного напря-
жения, его средняя точка подключена к усилителю обратной связи
микросхемы, который регулирует скважность импульсов, посту-
пающих на выход 6. Элементы СЗ, R3 корректируют частотную
характеристику усилителя обратной связи, элементы R4, С4, С5
задают частоту коммутации ключей VT1...VT4. В данном случае
она выбрана около 30 кГц.
В цепи стоков транзисторов VT1...VT4 включены светодиодные
цепочки, излишек напряжения «гасит» конденсатор С2. Элементы
LI, Cl, R1 — простой фильтр помех, возникающих при коммута-
ции транзисторов.
Дроссель L1 наматывается двумя проводами ПЭТВ-2 диамет-
ром 0,45 мм на кольце из феррита М2000НМ типоразмера
К10 х 6 х 4,5. Количество витков — 10... 15. Вместо микросхемы
UC3834 можно использовать отечественный аналог КР1033ЕУ15.
Настройка балласта сводится к установке среднего тока через
диоды HL1...HL16 порядка 10...15 мА. Сделать это можно так: пе-
ред включением на место R5 установить подстроченный резистор,
выставив его сопротивление около 3 кОм. После включения свето-
диоды должны, слабо светиться. Теперь подключаемся вольтметром
к резистору R11 через интегрирующую RC-цепочку с резистором
5,1 кОм и конденсатором 1 мкФ (неполярным). Вращая резистор
R5, устанавливаем по вольтметру напряжение 10... 12 В. Реальный
ток через светодиоды может быть больше, но за счет скважности
тепловой режим выровняется. Теперь можем измерить сопротивле-
ние R5 и подобрать постоянный резистор с близким номиналом.
На рис. 4.33 показан драйвер-стабилизатор, позволяющий пи-
тать светодиоды током до 350 мА, причем здесь на светодиоды уже
Рис. 4.32. LED-лампа со стабилизацией
HL1
HL5
HL2
HL6
HL9
HL10
HL13
HL14
7] R6
J 1к
HL3
HL7
HL11
HL15
HL4
HL8
HL12
HL16
J820 VT1 IRFD110 J 820^ VT2 IRFD110 If* VT3 IRFD110 If* dR14 J 820 VT4 . IRFD110
R7 100
R8 100
R9 100
R10 100
±С6 = ЮОмк 25В
200 Гпава 4. Твердотельное будущее
4.3. Светодиодное освещение своими руками
201
не поступает импульсное напряжение — они питаются постоян-
ным током. В основе здесь лежит микросхема UC3845, отличаю-
щаяся от UC3843 только максимальным значением скважности,
которая ограничена величиной 0,5. Элементы VT1, Т1 (обмот-
ка 1—2), С7 образуют «чоппер». Обмотка 3—4 питает микросхему
при работе балласта.
В конструкции использованы стандартные элементы. Транс-
форматор Т1 наматывается на кольце из МО-пермаллоя типораз-
мера К19 х 11 х 6,7. Обмотка 1—2 содержит 250 витков провода
ПЭТВ-2 диаметром 0,25 мм, обмотка 3—4 — 100 витков провода
диаметром 0,1.
При настройке вместо резистора R5 также впаивается подстро-
ечный и на резисторе R11 выставляется (уже без всяких RC-це-
пей) напряжение 0,5 В. Если появится желание, можно добавить
параллельно еще до шести светодиодных цепочек и оснастить се-
тевым фильтром аналогично предыдущей конструкции.
А теперь — напоследок — наш рассказ о специально разрабо-
танных микросхемах для подключения светодиодов непосредст-
венно к сетевому напряжению. Единственный их недостаток в
том, что приобрести их пока довольно сложно.
На рис. 4.34 показана микросхема CL1, разработанная фирмой
«Supertex Inc». Это ни что иное, как источник тока, поддерживаю-
щий значение тока через свои выводы около 20 мА при изменении
202
Гпава 4. Твердотельное будущее
Рис. 4.34. Применение микросхемы CL1
напряжения между его выводами от 5 до 90 В и может включаться
параллельно для усиления тока.
Количество светодиодов для светильника выбирается таким,
чтобы разница между напряжением питания и суммарным пря-
мым падением напряжения было около 45 В (с запасом на повы-
шение и понижение напряжения).
На рис. 4.35 показано применение микросхемы HV9910 той же
фирмы. Элементы С2, СЗ, VD5, VD6, VD7 составляют пассивный
корректор коэффициента мощности, в остальном схема во многом
перекликается с рис. 4.33. Датчик тока R3 отслеживает момент за-
Рис. 4.35. Применение микросхемы HV9910
_____г®
VISHAY
Новые SMD светодиоды
VLM
• широкий выбор миниатюрных корпусов
• одно-, двух- и трехцветные (RGB)
• высокая эффективность, 55 лм/Вт
• высокая теплопередача
• угол излучения 120°/160°
Mini-LED
(VLMX20/21/23)
В. Color (VLMx34) PLCC-2 (VLMx30/31/33/4 1)
PLCC-4 (VLMx32)
CLCC--6 0.5 Bi (VLMx61)
ClCC-6 Hat (VLMx62)
RGB (VLMRGB343)
Применение: подсветка кнопок, приборных панелей, индикаторов, вспышки,
декоративная подсветка, подсветка зданий
Epcos
Honeywell ИСК XgW* ionics
p?”asfTic J7
Москва, ул. Ивана Франко, д. 40, стр. 2 • Тел.: (495) 970-00-99 • E-mail: platan@aha.ru
Москва, 1-й Щемиловский пер., д. 1 б, стр. 2 • Телефакс: (495) 744-70-70 • E-mail: platan@platan.ru
Санкт-Петербург, ул. Зверинская, д. 44 • Тел.: (812) 232-88-36,232-23-73 • E-mail: baltika@platan.spb.ru
204
Гпава 4. Твердотельное будущее
крывания транзистора VT1. Эта микросхема, пожалуй, наиболее
прогрессивная, так как содержит минимум элементов, предостав-
ляя максимум возможностей (стабилизация яркости, защита от
перегрузки, высокий КПД).
Рис. 4.36. Применение микросхемы MBI6001
Достаточно простой драйвер на микросхеме MBI60001 (рис. 4.36)
не требует даже диодного моста и сглаживающего фильтра. К сожа-
лению, по неизвестным автору причинам данную микросхему сняли
с производства.
* * *
Итак, читатели, мы завершили знакомство с твердотельными
источниками освещения. Автор надеется, что вы хотя бы немного
прониклись теми перспективами, которые открывают LED-источ-
ники сейчас и откроют в ближайшем будущем. Все это означает,
что вы теперь не останетесь в стороне от сверхъярких светодиодов.
Глава 5
ЕСЛИ ЖИТЬ, ТО В «УМНОМ ДОМЕ»
Вот мы и подошли, уважаемый читатель, к завершающей гла-
ве. Из нее вы узнаете о концепции «умного дома» — здания, квар-
тиры, офиса — где все подчинено воле его обитателя, где многие
необходимые действия по поддержанию комфортной обстановки
выполняются без всякого участия человека. Экономичное и на-
дежное, выполненное по всем правилам дизайна, освещение явля-
ется составной частью «умного дома». А совмещение его с некото-
рыми электронными автоматическими устройствами позволяет
выйти на иной, более высокий уровень экономии электроэнергии.
5.1. Как поселиться в «умном доме»
Сейчас вы очень удивитесь: с тех пор, как в наших домах появи-
лось централизованное электроснабжение и теплоснабжение, на-
стала эпоха «умных домов». Конечно, в разные времена представле-
ния об «умном доме» менялись — когда-то пределом мечтания был
выключатель на стене, а сейчас... впрочем, сейчас и в будущем —
это тема данной главы. Согласно мнения одного из специалистов в
области строительства, «умный дом» — это «сокращение потребле-
ния энергии, тепла и воды, а также самостоятельная работа всех
систем, которые не нуждаются во вмешательстве человека».
Элементы «умного дома» сегодня можно встретить в любой
квартире. Вспомните хотя бы переносной тепловентилятор-радиа-
тор с автоматически регулятором, который нагреет комнату до оп-
ределенной температуры и отключится. Когда температура пони-
зится, прибор опять подогреет комнату и опять отключится. Не
нужно следить за термометром или субъективно чувствовать, что
стало «жарко», постоянно «дергать» выключатель радиатора —
прибор сам «держит» установленный режим.
206
Гпава 5. Если жить, то в «умном доме-
Еще один элемент «умного дома», который не так давно стали
внедрять на лестничных клетках многоквартирных домов (правда,
вандалы быстро приводят в негодность технические новинки), —
это таймер лестничного освещения. Все знают, насколько неприят-
но входить в темный подъезд, но в то же время постоянно горящие
лампы расходуют энергию нерационально. Поэтому «умный дом»
предложил следующую идею: в дежурном режиме используются ма-
ломощные лампы, которые лишь указывают на расположение
кнопки включения основного освещения. При нажатии кнопки
вспыхивает основной свет и горит некоторый промежуток времени,
достаточный для того, чтобы человек поднялся на этаж и открыл
квартиру. В индивидуальных домах таймер может быть запрограм-
мирован на включение света в определенное время, например, при
выходе на работу, или при возвращении. Удобно использовать све-
товые таймеры для побудки, при этом можно включить свет не
только в спальне, но и на кухне, и в ванной комнате, чтобы спросо-
нья не шарить в потемках и искать выключатели.
В развитие идеи «таймерного» освещения предложены датчики
движения (инфракрасные детекторы), подключаемые к светильни-
кам. При появлении в зоне чувствительности датчика движущего-
ся объекта замыкается реле и подает на светильник питание.
Стоимость этих датчиков сегодня составляет примерно $30, их
можно приобрести в любом электротехническом магазине.
В концепцию «умного дома» вписывается также многотариф-
ный счетчик электроэнергии, который предоставляет его владель-
цу возможность платить за пользование электроэнергией в ночные
часы меньше, чем в дневные. Конечно, в ночные часы лучше всего
заниматься сном, а не работами, связанными с расходом электро-
энергии. Потреблять электроэнергию ночью должна автоматиче-
ская система, например, — стиральная машина, которая вечером
загружается и настраивается на автоматический режим стирки. То
же самое можно сделать и с посудомоечной машиной, с сушилкой
и с другими бытовыми электрическими приборами. Ни для кого не
секрет: современная бытовая техника оснащается электроникой не
только для оповещения забывчивых, но и в целях экономии элек-
троэнергии.
Аварийное отключение освещения — вещь довольно распро-
страненная, особенно в нашей стране, особенно зимой. Если вам
удалось дозвониться в аварийную службу, пробившись сквозь сиг-
налы «занято», то, скорее всего, придется ждать несколько часов
5.1. Как поселиться в «умном доме
207
приезда электриков, ремонт тоже займет какое-то время. Что же,
сидеть в кромешной темноте или искать какие-то аварийные ва-
рианты? В России таким запасным вариантом выступает свеча,
которую не так просто найти в потемках, которая пожароопасна и
может залить расплавленным парафином предметы домашней об-
становки. Поэтому концепция «умного дома» предусматривает на-
личие резервного автономного аварийного освещения. Как это
может выглядеть? Например, светодиодные светильники, от кото-
рых проложены провода к аккумулятору. Подзарядка аккумулято-
ра ведется постоянно, также отслеживается наличие напряжения в
питающей сети. При пропадании сетевого напряжения «аварийка»
включается автоматически.
Еще одно знакомое всем устройство — регулятор яркости.
Обычно регуляторы яркости совмещаются с выключателями и по-
зволяют установить для ламп состояния «включено» и «отключе-
но», но и некоторые промежуточные. Из предыдущих глав вы
знаете, что достаточно просто управлять яркостью только ламп
накаливания, остальные источники света либо вообще не управ-
ляемы, либо требуют специальных устройств. Но для ламп нака-
ливания регуляторы яркости применяются активно. Концепция
«умного дома» предлагает совместить такой регулятор с ИК-датчи-
ком и электронной схемой, которая позволяет регулировать яр-
кость с дистанционного пульта, подобно тому, как осуществляется
управление современным телевизором.
Сегодняшнее освещение — это не только задача о том, как
сделать так, чтобы «было светло», но еще и «комфортно», «краси-
во», «неутомительно». В концепции «умного дома» недавно поя-
вился термин «сценарное освещение», очевидно, пришедший к
нам из области шоу-бизнеса. Вспомните, насколько важна работа
осветителей в зрелищных представлениях, насколько свет меняет
обстановку и настроение сцены. Многие приемы сценарного осве-
щения ныне заимствованы и используются в дизайне жилых и ад-
министративных помещений.
Исследования, проведенные американскими специалистами
еще в 60-х гг. XX века, показали: однажды удачно произведенная
настройка источников света надолго запоминается человеку и вос-
производится им многократно для выполнения конкретной рабо-
ты (или вида отдыха). В одном и том же помещении человек мо-
жет читать, смотреть телевизор, заниматься ручной работой и т. д.
Соответственно, неплохо было бы каким-то образом делать «еле-
208 Гпава 5. Если жить, то в «умном доме»
пок» световой атмосферы, а при необходимости воспроизводить
ее одним нажатием кнопки. Так появилась идея создания центра-
лизованных контроллеров освещения. В дальнейшем к централи-
зованной системе подключили кондиционеры, радиаторы отопле-
ния, аудиосистемы и другие устройства. Стало возможным имити-
ровать атмосферу помещений «далеких стран»: переноситься с
одного континента на другой. Автоматическая настройка освеще-
ния, температуры и влажности в помещении, сопровождаемая
объемной фонограммой (звуки леса, ветер, шум древнего города),
включает механизмы релаксации психики.
Кстати, сценарная аппаратура может выполнять не только эс-
тетические задачи, но и служить неплохим пассивным средством
защиты от домашних грабителей. Очень часто «домушники» на-
блюдают за квартирой (домом) и, не обнаружив в течение не-
скольких дней признаков жизни (включения и отключения света,
голосов, каких-то звуков), достают свои отмычки. Житель «умного
дома» может настроить свою систему так, что она будет имитиро-
вать его присутствие: зажигать и выключать по программе свет,
периодически издавать характерные звуки. Многие иностранные
фирмы производят устройство, называемое «электронный ротвей-
лер» (RoboDog), которое издает лай собаки.
Любой источник света, как мы уже говорили, стареет, то есть
теряет свою способность к излучению на протяжении времени
эксплуатации. С помощью современной электроники можно вы-
ровнять излучающие способности лампы на протяжении своего
срока службы, если в начале эксплуатации лампу «недогружать», а
с течением времени прибавлять нагрузку. Наиболее удачно реали-
зовать такую возможность получится в централизованной системе
управления освещением с диммерами. Центральный блок управ-
ления должен иметь блок памяти, в который заносится «паспорт»
каждой установленной лампы (дата и время ее установки, прото-
кол включений и отключений).
Достаточно интересным с точки зрения экономии электро-
энергии представляется совместное использование устройства за-
мера уровня освещенности (люксметра) и осветительного прибо-
ра. В светлое время суток обычно искусственное освещение не ис-
пользуется, но если погода на улице стоит пасмурная, приходится
включать дополнительные лампы. Выполнить автоматически дан-
ную функцию сможет только фотодатчик, однако его применение
имеет смысл в помещениях, где не так часто появляются люди, а
5.2. DALI — сюрреализм света
209
значит, можно забыть включить искусственное освещение при его
недостатке и выключить — при избытке (лестничные клетки, ко-
ридоры). По оценкам специалистов, применение фотодатчиков
экономит 30...70 % электроэнергии, затрачиваемой на освещение
данных помещений.
Строить «умный дом» можно постепенно, заменяя устаревшие
системы на новые. Даже замена обычного выключателя на модер-
низированный, с функцией регулировки освещенности, может
считаться шагом к настоящему «умному дому». Но когда можно
будет сказать — «цель достигнута»? Увы — никогда. Строительство
«умного дома» — это постоянное движение вперед, так что всегда
помните: нет предела совершенству!
5.2. DALI — сюрреализм света
Наш разговор о централизованном управлении сценариями ос-
вещения в «умном доме» был бы не полным, если бы мы не рас-
сказали о способах этого централизованного управления. Действи-
тельно, освещение в наших жилищах обеспечивает примитивные
сценарии — включение и выключение люстры и, в ряде случаев,
включение и выключение половины люстры. Регуляторы освещен-
ности встречаются реже, к тому же они «работают» только на один
источник света. Узнать о техническом состоянии ламп мы тоже
можем только визуально. Собственно, вот и вся автоматизация.
Следуя концепции «умного дома», разработчики сделали по-
пытку централизации управления яркостью источников. Они соз-
дали так называемый аналоговый интерфейс «1-10 В», который
позволяет регулировать яркость светильника линейно в диапазоне
входного напряжения 1...10 В постоянного тока. Разработчиками
интерфейса принято, что при напряжении ниже 1 В светильник
должен быть полностью погашен, в то время как при напряжении
выше 10 В он должен выйти на максимум светового потока.
Пример интерфейса «1-10 В» для электронного балласта люми-
несцентной лампы на микросхеме IR21592 приведен в [27]. Этот
интерфейс (рис. 5.1) получает питание от обмотки, которая накла-
дывается на дроссель корректора коэффициента мощности (PFC).
Конечно, можно применить и отдельный малогабаритный транс-
форматор типа ТПК-2, но это удорожает электронный балласт.
Кроме этого, интерфейс должен быть изолирован от остальной
210
Гпава 5. Если жить, то в «умном доме:
Рис. 5.1. Пример интерфейса «1-10 В» для управления яркостью
люминесцентных ламп
схемы и выдерживать напряжение не менее 4 кВ (согласно стан-
дарта EN61000-3-2 для устройств класса С).
Устроен интерфейс просто: обмотка Т1 дросселя корректора
коэффициента мощности служит источником напряжения, вы-
прямление, сглаживание и стабилизация которого выполняется
элементами VD1, Cl, Rl, С2, VD2. На элементах R2, R3, R4, СЗ,
VS1 выполнен генератор пилообразного напряжения. В исходном
положении тринистор VS 1 закрыт, происходит нарастание напря-
жения на выводах 3 и 5 микросхемы DA1 за счет заряда конденса-
тора СЗ через резистор R4. Когда напряжение на аноде VS1 пре-
высит напряжение на управляющем электроде (оно задано рези-
сторами R2 и R3), тринистор откроется, конденсатор СЗ
разрядится, после чего тринистор закроется и процесс повторится.
На выводы 2 и 6 компаратора DA1 поступает опорное управляю-
щее напряжение через фильтр С4, С5, R5, R6, которое сравнива-
ется с пилообразным напряжением и на выходе DA1 формируется
широтно-модулированное колебание, которое, проходя через оп-
трон DA2, сглаживается интегратором R9, RIO, С6. Элементы
микросхемы DA1 включены параллельно для увеличения ее нагру-
зочной способности.
* * *
Крайнее неудобство интерфейса «1-10 В» проявляется в необхо-
димости «затягивать» на центральный прибор управления столько
5.2. DAU — сюрреализм света
211
проводов, сколько установлено светильников. Если светильников
много, «паучья сеть» из проводов может запутать даже ее создате-
лей. Отказаться от аналогового интерфейса позволили принципы
компьютерных сетевых технологий, когда все абоненты подключа-
ются к двухпроводному кабелю, каждому абоненту назначается
свой уникальный номер (адрес). Центральный контроллер, к кото-
рому подключена сеть, может управлять абонентами и запрашивать
от них необходимую информацию.
Идеи сетевых технологий были воплощены в середине 90-х гг.
прошлого века в интерфейсе DALI (Digitally Addressable Lighting
Interface), который был разработан ведущими мировыми светотех-
ническими фирмами — Helvar, Huco, Philips, Osram, Tridonic,
Trilux, Vossloh-Schwabe и нашел отражение в стандарте Междуна-
родной Электротехнической Комиссии (МЭК) IEC-60929. Этот
интерфейс стремительно развивается, к выпуску продукции на его
основе подключается все большее количество фирм. Изделия, ос-
нащенные DALI, маркируются общепринятой маркой, показан-
ной на рис. 5.2.
Рис. 5.2. Марка интерфейса DALI
Читателю следует знать, что этот интерфейс разработан только
для управления освещением и не предполагается к использованию
в других областях электронной техники. Основные принципы по-
строения DALI-системы показаны на рис. 5.3. В системе присут-
ствуют люминесцентные лампы (также здесь могут быть лампы
накаливания и LED-лампы) с ЭПРА, оснащенными интерфейса-
ми DALI. Все ЭПРА объединяются с помощью 5-проводного ка-
беля (рис. 5.4) в единую систему с управляющим контроллером
DALI, к которому подключен пульт управления. Нетрудно заме-
тить, что пульт управления напоминает классический выключа-
тель, но позволяет оперативно задействовать 4 световых сценария,
а также настроить каждый сценарий.
Несколько слов по поводу кабеля (рис. 5.4). Обычно его выби-
рают марки NYM в неметаллической оплетке с пятью проводни-
ками: L (предпочтительно коричневый цвет) — фазный провод; N
(синий цвет) — нейтраль; РЕ (желто-зеленый цвет) — заземление;
DALI (черный цвет) — два провода интерфейса управления.
212
Гпава 5. Если жить, то в «умном доме
управления
Рис. 5.3. Построение DALI-системы
Рис. 5.4. Кабель для DALI-системы
5.2. DAU — сюрреализм света
213
Рекомендации по выбору сечения проводников DALI следую-
щие: для расстояний до 100 м выбирают сечение 0,5 мм2; для рас-
стояний 100...150 м — 0,75 мм2, для расстояний 150...300 м —
1,5 мм2. Стандарт не допускает эксплуатацию DALI-абонентов на
расстояниях свыше 300 м между двумя соединенными устройства-
ми. Не допускается также соединять интерфейсные кабели «коль-
цом», но можно не следить за полярностью — DALI совершенно
безразлично, какие контакты интерфейса подключаются к нему.
Скорость передачи данных по шине — 1200 бит/с.
Спецификация DALI допускает подключение к одной двух-
проводной шине не более 64 устройств, при этом устройства могут
произвольно компоноваться в 16 групп с управлением по единому
сценарию группы. Как это понимать? Допустим, в помещении
имеется 64 светильника, каждому из которых назначен уникаль-
ный адрес. Часть светильников можно объединить в группу и
управлять ими одинаково, например, одновременно установить
половинный световой поток. Группы можно оперативно форми-
ровать — для этого не нужно физически переставлять светильни-
ки. Достаточно переназначить номер группы на пульте управле-
ния. Также DALI-протокол предусматривает хранение в памяти
DALI-абонентов до 16 световых сценариев.
Система сообщений в DALI-системе подразделяется на три типа:
а) широковещательные (broadcast) — предназначены для всех
абонентов;
б) групповые (group) — предназначены для абонентов группы;
в) индивидуальные (device) — предназначены конкретному
абоненту.
Типовые сообщения DALI-протокола следующие:
a) Set light level — установка освещенности;
' б) Go to minimum level — установка минимальной освещен-
ности;
в) Turn lamp off — отключить лампу;
г) Set light at predefined level — установить свет с предустанов-
ленным уровнем;
д) Return light level — возвращение к установленному уровню
освещенности;
е) Return status — запрос статуса DALI-абонента.
Уровни освещенности (light levels) определяются логарифми-
ческой кривой (рис. 5.5) в диапазоне от 0,1 до 100 %, задаваемой
8-битовым числом. Такой вид регулировочной кривой приспо-
214
Гпава 5. Если жить, то в «умном доме
Рис. 5.5. Регулировочная кривая уровней освещенности в DALI-системе
соблен к особенностям восприятия освещенности человеческим
глазом.
Очень важна функция централизованной диагностики состоя-
ния ламп. DALI-интерфейс позволяет запросить статус любой лам-
пы и вывести на управляющую панель сообщение (alarm) о неис-
правности. Это, вне всякого сомнения, эффективно, поскольку
электрикам нет нужды делать постоянные обходы своего хозяйства.
Пример реализации электронного балласта с DALI-интерфей-
сом показан на рис. 5.6, а подробнее об этой конструкции можно
прочитать в [28]. Здесь «общение» между DALI-интерфейсом и
микросхемой электронного балласта IR21592 осуществляется по-
средством микроконтроллера PIC16F628. Сам балласт построен
по классической схеме, описанной ранее, и особенностей не име-
ет. Микроконтроллер отслеживает состояние лампы (исправ-
на/неисправна), а также формирует ШИМ-сигнал управления яр-
костью, который поступает на микросхему балласта сглаженным
RC-цепью.
Особый интерес может представлять физический интерфейс
DALI, схема которого приведена на рис. 5.7. Диодный мост
VD1—VD4 устраняет чувствительность интерфейса к полярности
на линии связи. Микросхемы опторазвязки DA1 и DA2 выполняют
гальваническую развязку линии от силовых цепей. Обработку сиг-
налов ведет микроконтроллер DD1. Для него сформировано четы-
ре идентификационных сигнала: ENABLE (включение DALI-ин-
терфейса), TX-DALI (передача данных от балласта к устройству
управления), RX-DALI (прием данных от устройства управления),
RECIVE (идентификация состояния приема/передачи).
В примере, приведенном на рис. 5.6, обработка данных осуще-
ствляется микроконтроллером программно. Однако поскольку
Рис. 5.6. Блок-схема DALI-балласта на основе IR21592
Персональный
компьютер
L1
N
РЕ
*
i
ы
CD
Фильтр
электро-
магнитных
помех
1JRA2
2|RA3
31RA4
4|RA5
О
5 |VSS O>
6|RB0
7|RB1
8IRB2
9|RB3
RAiIial
RA0I17]
RA7116
RA6I15:
VDD14J
ro
co
RB7I13S
RB6I12]
RB5nT
RB4I10
Диодный
мост
Уровень
освещен-
ности
Состояние
балласта
Корректор
коэффициента
мощности
1 VCC
2JVC0
3|СРН
НО 16
VS 1151
VBI14|
-Ц Д] JL
4] DIM KJ VCC И
5] MAX g СОМ И
X Ю Дп
6 |MIN LOpM]
7 |fmin cs[io|
8 Iiph sdIo]
Управление
Выходной
каскад
Яркость лампы
Подогрев лампы
Неисправность лампы
5.2. DALI — сюрреализм света 215
216
Гпава 5. Если жить, то в «умном доме-
DALI-интерфейс имеет большие перспективы в будущем, уже сей-
час фирма Atmel выпустила микроконтроллер серии AVR типа
AT90PWM2, оснащенный аппаратным DALI-интерфейсом. При-
ем, передача и обработка данных в этом микроконтроллере осуще-
ствляется аппаратно, то есть с помощью специального периферий-
ного устройства. Можно также предположить, что в ближайшем
будущем число таких микроконтроллеров расширится. Наверняка
появятся и специализированные микросхемы DALI-интерфейсов,
которые не нужно будет программировать.
* * *
Наконец — о промышленной продукции с DALI-интерфейсом.
На рис. 5.8 показан внешний вид центрального блока управления
DALI BASIC SO, выпускаемого фирмой Osram. Кроме клемм, к
которым осуществляется подключение линии связи и пульта
управления, блок имеет светодиоды, сигнализирующие о работо-
способности системы. Зеленый светодиод сигнализирует о готов-
ности системы к использованию, желтый показывает, что по
DALI-шине идет обмен данными. Красный светодиод сообщает о
повреждении. Кроме этого, будет замкнут контакт обобщенной
сигнализации, который может управлять, например, звонком или
зуммером. Блок имеет габариты 140 х 90 х 60 мм.
Пример промышленного диммера приведен на рис. 5.9. Это
серия HF-REGULATOR DALI, выпускаемая фирмой Philips, од-
ПОТОЛОЧНЫЕ ДАТЧИКИ ДВИЖЕНИЯ
ДАТЧИКИ ОСВЕЩЕННОСТИ
www.platan.ru
Panasonic
EPCOS
$ Mitsubishi
ELECTRIC
Tyco
Electronics
''осква, ул. Ивана Франко, д. 40, стр. 2 • Тел.: (495) 970-00-99 • E-mail: platan@aha.ru
'Ьсква, 1-й Щемиловский пер., д. 16, стр. 2 • Телефакс: (495) 744-70-70 • E-mail: platan@platan.ru
^нкт-Петербург, ул. Зверинская, д. 44 • Тел.: (812) 232-88-36,232-23-73 • E-mail: baltika@platan.spb.ru
218
Гпава 5. Если жить, то в «умном доме»
Рис. 5.8. Блок управления DALI BASIC SO
Рис. 5.9. Диммер HF-REGULATOR DALI
ного из разработчиков концепции DALL Диммер имеет габарит-
ные размеры 111 х 79 х 33 и предназначен для подключения ком-
пактных люминесцентных ламп. Встроенный корректор коэффи-
циента мощности выводит коэффициент мощности диммера на
уровень 0,95. В остальном диммер мало отличается от обычных
электронных балластов.
Заключение
Перевернута последняя страница книги, что дальше? Можно
ли теперь сказать себе: «Я знаю все об освещении»? Конечно же —
нет! Это направление техники настолько емко, настолько много-
гранно, что им можно заниматься всю свою жизнь. Возможно вы,
уважаемые читатели, и не вступите на профессиональный путь
разработчика систем освещения, но однажды, воспользовавшись
полученными знаниями, сконструируете что-то для дома, и ваши
близкие, ваши друзья и знакомые благожелательно оценят это
творение, единственное в своем роде.
Литература
1. Б. Ю. Семенов, И. П, Шелестов. Путеводитель в мир электро-
ники. Книга 2. М.: Солон-Пресс, 2004.
2. Сайт «Комнатные растения» http://www.flora.rb.ru.
3. Сайт «Gardenia» http://www.gardenia.ru
4. П. Геллъ. Как превратить персональный компьютер в измери-
тельный комплекс. М.: ДМК, 1999.
5. А. Кудрявцев, А. Мальцев. Методика тестирования LCD мони-
торов. http.y/www.ixbt.com/monitor/methoda/methoda.shtml
6. Сайт фирмы Vishay http://www.vishay.com
7. Сайт фирмы «Световые технологии» http://www.ltcom.ru
8. Сайт «Энергософт» http://www.energosoft.info
9. Сайт программы «Формула света»
http://agf.8m.com/formula2.zip.htm
10. Регистрация программы «Формула света»
htt р ://fomi n. i ntermix. ru
11. Сайт фирмы «Lival» http://www.lival.com
12. On-line версия программы расчета
ocBemeHHOc™http://www.adp.ru/APPLETS/OSVESH/
13. Сайт фирмы «ВМТ-Петербург» http://www.wmt.spb.ru
14. Exel-файл расчета освещенности
http://electrik.org/modules.php?op=modload&name=
UpDownload&file=index&req=getit&lid=763
15. Программа расчета освещенности «Проминь»
http://www.liraonline.com.ua/lira/elektro/promindblOOO.zip
16. Сайт компании «Светосервис» http://www.l-i-n.ru
17. Сайт компании «ВНИСИ-Шредер» http://www.vnisi-schreder.ru
18. Сайт фирмы «Dial GmbH» http://www.dial.de
19. Б. Ю. Семенов. Силовая электроника: от простого к сложному.
М.: «Солон-Пресс», 2005.
Литература
221
20. Data Sheet № PD60219 rev В «IR2161 Halogen convertor control
ICs» International Rectifier, 2005.
21. Peter Green «Electronic transformer applications» AN-1069,
International Rectifier, 2005.
22. Peter Green «100VA dimmable electronic convertor for low voltage
lighting» IRPLHALO1 rev B, 2005.
23. Сайт инженера Сергея Нестеренко
http://sevan21 .e-gloryon.com
24. Сайт автолюбителя-экспериментатора
http://autolighting.front.ru
25. Сайт фирмы «International Rectifier» http:www.irf.com
26. М.Hoffmann «Comparison of LED circuits», Osram, 2004.
27. Peter Green «Isolation method for 1-10V controlled ballast based
on the IR2159», DT02-1, International Rectifier, 2002.
28. Cecilia Contetti, Tom Ribarich «Digitally Addressable DALI
Dimming Ballast Reference Design», IRLPLDIM2, International Rectifier,
2002.
Оглавление
Предисловие ......................................... 3
Глава 1. СВЕТ В ВАШЕМ ДОМЕ............................7
1.1. Что такое это чудо — свет? ..................7
1.2. Не обойтись без фотометрии..................24
1.3. Законы оптики в действии....................38
1.4. Сколько люкс нужно для жизни?...............41
1.5. Измеряем освещенность сами..................47
1.6. Когда выручит компьютер.....................63
1.7. О светодизайне замолвим мы слово............73
Глава 2. СВЕТ И ЕГО ИСТОЧНИКИ........................77
2.1. Как получают свет...........................77
2.2. Классика жанра: лампа накаливания...........78
2.3. Шаг вперед: «галогенка».....................84
2.4. Газоразрядная мозаика.......................95
2.5. Ксеноновый свет вашего автомобиля .........103
2.6. Мир флуоресцентных ламп....................106
2.7. Лампа на пятьдесят лет.................... 113
2.8. Что рассказала картонная упаковка..........116
2.9. Неофициально об официальном................118
Глава 3. ЭФФЕКТИВНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ
БАЛЛАСТЫ ...........................................123
3.1. Почему — электронный балласт? .............123
3.2. Как устроен электронный балласт............131
3.3. Электронный балласт — за несколько минут .... 138
Оглавление
223
3.4. Электронный балласт своими руками.........143
3.5. Можно ли отремонтировать электронный
балласт?....................................... 162
Глава 4. ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ БУДУЩЕЕ.................... 167
4.1. Сверхъяркий луч светодиода............... 167
4.2. Лампа? Светодиод? Лампа-светодиод!........173
4.3. Светодиодное освещение своими руками......192
Глава 5. ЕСЛИ ЖИТЬ, ТО В «УМНОМ ДОМЕ»..............205
5.1. Как поселиться в «умном доме».............205
5.2. DALI — сюрреализм света...................209
Заключение.........................................219
Литература.........................................220
Серия «Технологии энергосбережения»
Борис Юрьевич Семенов
Экономичное освещение для всех
Ответственный за выпуск
В. Митин
Макет и верстка
С. Тарасов
Обложка
Е. Холмский
ООО «СОЛОН-ПРЕСС»
123242, Москва, а/я 20
Телефоны:
(495) 254-44-10, (499) 795-73-26
E-mail: Avtor@coba.ru
По вопросам приобретения обращаться:
ООО «Альянс-книга КТК»
Тел: (495) 258-91-94, 258-91-95
www.abook.ru
ООО «СОЛОН-ПРЕСС»
103050, г. Москва, Дегтярный пер., д. 5, стр. 2
Формат 60x88/16. Объем 13 п. л. Тираж 3000
Отпечатано в ООО «Арт-диал»
143983, МО, г. Железнодорожный, ул. Керамическая, д. 3
Заказ № 45