Светлината

Както всички знаем светлината е видимата част от електромагнитното излъчване. Дължината на вълната видима като светлина за човешката ретина е в диапазона от 380-400 до 760-780 nm. По-късата дължина на вълната е в ултравиолетовата част на излъчването, а по-дългата – в инфрачервената част, която се възприема и като топлина. Съвременните представи за светлината са, че тя има корпускулярно-вълнови характер. Т.е. светлината от една страна може да се разглежда като електромагнитна вълна, разпространяваща се във вакум с постоянна скорост, а от друга, като поток фотони – частици с определена енергия, импулс, момент на импулса и собствена маса равна на нула (в покой). Светлината за разлика от звука може да се разпространява и във вакум. Средата, в която се разпространява светлината влияе  на нейната скорост. Скоростта, с която светлината се разпространява във вакум е константа и е 299 792 458 m/s. Тя е толкова неизменна, че вече дори основната мерна единица – метъра се измерва с разстоянието, което светлината изминава за определено време. Така скоростта на светлината става фундаментална физична величина с абсолютна стойност. Имаме два вида източници на светлина: естествени (звездите, светкавиците, галактиките, полярното сияние, луната и слънцето), естествени източници са и животни и растения, излъчващи светлина, като светулките, някои риби, гъби и насекоми (биолуминисценция), някои химични елементи при определени условия също светят (хемилуминесценция) и изкуствени източници: това е светлина създадена по изкуствен път от човека, като се започне от факли, свещи, огън и се стигне до електрически източници на светлина. Най-яркият и мощен източник на светлина е лазерът. Той е източник на монохроматична, кохерентна, насочена светлина. Изпуска тънък, добре насочен сноп с постоянна дължина на вълната (еднакъв цвят), постоянна фаза и голяма яркост, а най-разпространен, все още е, обикновената електрическа крушка с нажежаема жичка. Крушката, както често се нарича от повечето хора електрическата лампа с едисонова жичка, е изобретена от едноименния физик и използва ефекта на загряване и отделяне на светлина на електрически проводник с високо съпротивление, когато през него преминава електрически ток. Други видове лампи са луминисцентните лампи, метал-халогенните лампи, натриевите лампи, живачни лампи и LED лампите.

Основни характеристики на светлината

1. Светлинен поток, който се измерва в лумени (lm), един лумен е равен на светлинния поток, излъчван от точковиден източник в пространствен ъгъл 1 стерадиан при интензитет на светлината 1 кандела. и съпоставен с консумацията във ватове (W), е основен показател за енергоефективността на лампите. Например при обикновената крушка при консумация от 100W, светлинният поток е 1300-1530lm. При енергоспестяваща лампа от типа CFL, при 20W получаваме 1100lm, т.е. 55lm/W, затова често се казва, че енергоспестяващата крушка е 5 пъти по-ефективна от обикновената. При LED лампите имаме още по-голяма ефективност от порядъка на 90 до 160lm/W. Разбира се има модели, при които това съотношение е дори по-голямо и обратно. 2. Интензитет – силата на светлината се измерва в кандела (равна на интензитета на светлината в дадено направление от източник на монохроматично лъчение с честота 540·10¹² херца, енергийната сила на светлината на който в това направление е (1/683) W/sr.) Тази честота съответства на зеления цвят, към който човешкото око е най-чувствително. Думата candela идва от латинската дума за свещ, защото е приблизително равна на силата на светлината, излъчвана от една свещ. Затова преди време силата на светлината се е определяла в свещи. Сега това е вече остаряло. Така например, една лампа с нажежаема жичка с мощност 100W е с интензитет на светлината 100cd, но една LED лампа с мощност 5W има 30cd интензитет.

Дължина на електромагнитната вълна и приложението и в някои устройства.

3. Дължина на вълната – наричана и период във физиката, представлява разстоянието между два съседни максимума (или минимума) в синусоидата на вълната. Броят на вълните за единица време се нарича честота. При светлината имаме ултравиолетови лъчи, видима светлина и инфрачервена светлина, ако разширим диапазона стигаме до радиовълни, рентгенови и гама лъчи.

Дължината на вълната във функция от интензитета за някои от най-разпространените видове лампи е показана на фигура 1. Ако трябва да анализираме светлинния спектър във видимата част от дължината на вълната на различните лампи, съотнесен към спектъра на дневната светлина, ще забележим, че докато при дневната (слънчевата) светлина имаме сравнително равномерен интензитет при всички дължини, при лампата с едисонова жичка, при дължини на вълната в ултравиолетовия и синия спектър интензивността (силата на светене) е доста по-слаба и се увеличава постепенно, като в червената и инфрачервената част на спектъра интензитета е дори по-голям от този на дневната светлина. Основният недостатък на обикновената крушка е, че при нея приблизително 95% от енергията, консумирана от лампата, се отделя като топлина, което се вижда и от графиката, а само 5% – като видима светлина. Флуоресцентната или луминесцентната лампа, както е показано на фиг.1 има доста дупки в спектъра и е с най-слабите показатели от всички показани лампи. Халогенната лампа, известна също като волфрамова халогенна лампа или кварцова йодна лампа, представлява крушка с нажежаема жичка, в която има добавен малко количество халоген, например йод или бром. Комбинацията от халогенния газ и нажежаемата волфрамова нишка произвежда халогенна циклична химична реакция, която отново отлага изпарения волфрам обратно върху нишката, увеличавайки нейния живота и поддържа чистотата на обвивката. При нея спектъра е много близък до този на слънчевата светлина, като единствената разлика е във синята част на спектъра, където интензитета е много нисък, затова и светлината от халогенните лампи ни изглежда малко жълта, затова и има пик в спектъра на този вид крушки именно в тази зона на спектъра. LED лампите, на които ще се спрем по-подробно по-нататък в изложението имат спектър различен за различният вид светодиодни лампи. При студено бялата светодиодна лампа имаме максимум в спектъра около 450nm дължина на вълната (синия спектър), докато при топло-бялата LED лампа пикът е при 550nm дължина на вълната и обърнете внимание на резкия спад в синята част на спектъра, което води до топло-бялата светлина, излъчвана от този вид LED лампи. Изводът е, че ако съчетаем студено бели и топло бели LED лампи ще наподобим силно спектъра на слънчевата светлина.

4. Цветна температура –  наричана още спектрофотометрична или колориметрична температура, характеризира интензитета на излъчването на източника на светлина , като функция от дължината на вълната в оптичния диапазон. Съгласно формулата на Планк , цветната температура се определя като температура на абсолютно черно тяло , при което то излъчва радиация от същия цветен тон, какъвто е на разглежданото лъчение. Характеризира относителният дял излъчване с определен цвят в източник на видима светлина. Използва се в колориметрията, астрофизика (изследване на разпределението на енергията в спектъра на звездите ) и се измерва в Келвин. Един келвинов градус е равен на един целзиев градус, но двете скали са изместени една спрямо друга (°C = K – 273,15). Цветната температура характеризира спектралния състав на източника на светлина.

фиг.2

За да стане по-ясно ще дадем примери: обикновената парафинова свещ има цветна температура от 1900 К, лампите с нажежаема жичка – 2700 – 3000 К, халогенните лампи – 3500 К, лампи за осветяване на витрините с месо в магазините (имат засилен интензитет в червената част на спектъра) –  3890 К, луминесцентните лампи 4500 – 6500, дневна светлина (средно) – 5200 К, дневна светлина при облачно време 6500 К, лампа за аквариуми (имат актиниево син оттенък) 10 000 К, ясно синьо небе през зимата – 15 000 K, синьо небе в полярните ширини – 20 000 K.

фиг.3

5. Осветеност – характеризира отношението между светлинния поток, падащ върху дадена повърхност, и площта и. Измерва се в лукс, означава се с lx и е равна на 1 лумен на квадратен метър). Количеството светлина, отразено от повърхността, се нарича яркост.

Как да четем написаното върху опаковките на лампите. Някои сравнения.

1. Произведената светлина в лумени. Ако разделите посочените лумени на ватовете на крушката ще получите нейната ефективност. За база може да се ползва крушка с нажежаема жичка: 100W съответстват 1300-1530 лумена, на крушка от 75W – 920-1060 лумена, на 60W – 700-810 лумена, на 40W – 410-470 лумена, а на 25W – 220-250 лумена.

2. Продължителност на живота на лампите. Измерва се в часове. Обикновените лампи имат около 1000 h. LED лампите имат живот над 15 000 h. Енергоефективните лампи също имат дълъг живот, но той зависи от честото им включване и изключване. При чести комутации ресурса им рязко намалява.

3. Цвят на светлината. Това е подробно обяснената по-горе цветна температура. Обикновената лампа има единствено топло бяла светлина, докато при LED лампите цветната температура може да се избира между топло бяла  2700 К, студено бяла 5500-6500К, или неутрална-4000К най-близка до слънчевата. Най голяма ефективност се получава при студено бялата светлина.

4. Брой включвания и изключвания. Тази информация е особено важна за енергоспестяващите крушки. Не трябва да се инсталират стандартни компактни луминесцентни крушки (3000-6000 включвания или изключвания) на места като тоалетни или коридори със сензори за движение, където те ще бъдат включвани и изключвани често, т.е. над 3 пъти на ден. LED лампите нямат проблем с комутациите.

5. Време за достигане на максимална осветеност или бързина на загряване на лампата. Стандартните компактни луминесцентни лампи (енергоспестяващите) загряват сравнително по-бавно от обикновените и LED лампите.

6. Регулиране силата на светене, димируемост на лампата. Винаги проверявайте дали лампата е димируема ако смятате да я използвате в система с регулируемо осветление. Повечето стандартни енергоспестяващи лампи не са димируеми, но има и изключения.

7. Работна температура. Ако лампата се използва за външно осветление или в по-високи планински места през зимата може светлинния поток да намалее при ниски температури. По принцип енергоспестяващите лампи са по-чувствителни на промени на температурата и влажността.

8. Размери. Важно е да се провери размера на лампата, ако трябва да се постави на точно определено място с неголеми размери. Обикновено LED лампите са най-компактни от всички. От направените сравнения се налага извода, че в момента LED лампите са най-икономични, с най-добър светлинен спектър, с възможност за избор на цветна температура, компактни, с много дълъг живот, най-бързо загряващи и могат да ви спестят много пари.

LED лампи

Различни модели LED лампи

LED лампите, наричани още светодиодни лампи са създадени на базата на светодиоди (LED). LED лампите имат дълъг живот и висока електрическа ефективност (много висок светлинен добив), която е няколко пъти по-висока от лампите с нажежаема жичка, и значително по-висока, отколкото повечето флуоресцентни лампи, а с някои чипове могат да достигнат излъчване повече от 150 лумена на ват.

Подобно на лампите с нажежаема жичка и за разлика от повечето флуоресцентни лампи (например тръбни и CFL), LED светлината след включване достига пълна яркост за милисекунди, без нужда от време за загряване. Живота на флуоресцентното осветление също така намалява с честото включване и изключване. Първоначална цена на LED лампата е обикновено по-висока от тази на обикновените лампи и съизмерима с цената на енергоспестяващите (CFL), но с продължаващите и днес изследвания в областта на органичните светодиоди (OLED) и полимерните светодиоди (PLED), цената за произведен лумен светлинен поток на устройството наречено LED лампа бързо намалява. За това допринася и лавинообразната им разпространение.

Някои LED лампи са направени, за да бъдат директно съвместими с цокъла на лампите с нажежаема жичка или луминесцентните лампи, като при подмяната на стандартните луминесцентни тръби с LED тръби в осветителните тела, задължително трябва са премахне дросела, стартера и всякаква електроника и да се подадат чисти 220 волта в двата края на LED пурата. На опаковката на LED лампата може да е показано количеството произведени лумени, консумацията на енергията във ватове, цветната температура в келвини или описание (напр. „топло бяло“), часовете живот, а понякога и еквивалентна мощност на лампа с нажежаема жичка.

Светодиодите не излъчват светлина във всички посоки, и тези техни характеристики свързани с посоката на светене са отразяват на проектирането на лампите, затова имаме лампи с насочен напред светлинен поток и такива с поток разпространяващ се във всички посоки (при него лампата изглежда като царевичен кочан).

Светлинният поток на единичен светодиод е по-малък от този на лампата с нажежаема жичка и на компактните флуоресцентни лампи, затова в повечето случаи се използват повече светодиоди при проектирането на лампата. Вече все по–мощни версии на LED лампите стават достъпни като цена. Светодиодите са подложени на неблагоприятното влияние на високата температура, така че LED лампите с висока мощност обикновено включват в устройството си елементи за разсейване на топлината като радиатори и охлаждащи ребра.

LED лампите с общо предназначение обикновено са с бяла светлина. Светодиодите излъчват светлина в тази лента на дължината на вълните, чиито цвят е характерен за енергийната група на полупроводниковия материал, използван за да се направи LED. За да излъчват бяла светлина от светодиодите се изисква или смесване на светлината от червени, зелени и сини светодиоди, или с помощта на фосфор да се конвертира някоя от светлината на другите цветове.

Белите LED лампи имат по-дългата продължителност на живота и по-висока ефективност (повече светлина за същото електричеството), отколкото другите видове осветление. LED източниците са компактни, което дава гъвкавост при проектиране на осветителните тела и отличен контрол върху разпределението на светлината с малки рефлектори или лещи. Поради малкия размер на светодиодите, контролът на пространственото разпределение на осветлението е изключително гъвкав и светлината и пространственото разпределение на LED излъчването може да бъде контролирано, без загуба на ефективност.

Светодиодните лампи са направени да заемат мястото на лампите с нажежаема жичка с винтов цокъл или компактните флуоресцентни крушки (енергоспестяващите CFL). Тези лампи са изработени със стандартни за лампите цокли и форми, като например винтовия цокъл на обикновената крушка, формата MR16 с дву-пинова база, или цокъл GU5.3 (двупинова капачка) или GU10 (байонетен монтаж) и са направени съвместими с напрежението, което се подава към гнездата. Те включват схеми за коригиране на променливотоковата мощност и конвертиране на напрежението до подходяща стойност.

Някои модели LED крушки са съвместими с димери, използвани за лампи с нажежаема жичка.

LED лампите често имат като характеристика посока на светлината. Това прави използването им за художествено насочено осветление много подходящо. Използват се за осветяване на картини, замъци и църкви, подчертаване на орнаменти от фасадата и др. Лампите са намалили цените си  за няколко години в пъти и сега струват под 10лв., докато доскоро цената им беше над 50лв. Тези крушки са с по-голяма мощност и по-ефективни от компактните енергоспестяващи флуоресцентни крушки и се предлагат с продължителност на живота над 30 000 часа, но намаляват, ако работят при по-висока температура, отколкото е посочено. Лампите с нажежаема жичка имат типичен живот от 1000 часа, а компактните флуоресцентни лампи около 8000 часа.

LED крушките поддържат интензивността на произведената светлина до края на живота си. Интензитета обикновено може да падне по-малко от 10% след 6000 или повече часа на работа, и в най-лошия случай не повече от 15%. Светодиодните лампи се предлагат в разнообразие от цветови свойства. Покупната цена е по-висока в сравнение с тази на повечето други, но по-високата ефективност може да направи общата цена на притежание (покупната цена плюс разходите за електроенергия и смяна на крушки) по-ниски.

Светодиодните лампи граничат с възможността да бъдат приети като основен източник на светлина във всички случаи и напълно да заменят лампите с нажежаема жичка.