При всех своих достоинствах все лампы накаливания, начиная с вакуумной с угольной нитью и кончая вольфрамовыми газонаполненными, как источники света имеют два важных недостатка:
- низкая экономичность, т. е. малая отдача видимого излучения на единицу подводимой мощности;
- сильное отличие в спектральном распределении энергии от естественного освещения (солнечный и рассеянный дневной свет), характеризующееся бедностью коротковолновым видимым излучением и преобладанием длинноволнового.
Первое обстоятельство делает применение ламп накаливания невыгодным с экономической точки зрения, второе — имеет своим следствием искажение окраски предметов. Оба эти недостатка имеют своей причиной одно и то же обстоятельство: получение излучения путем накаливания твердого тела при сравнительно низкой температуре накала.
Исправить распределение энергии в спектре лампы накаливания, в смысле существенного приближения его к распределению в солнечном спектре не представляется возможным, так как температура плавления вольфрама лежит около 3700° К.
Но даже небольшое повышение рабочей температуры тела накала, скажем — от цветовой температуры в 2800° К до 3000° К ведет к значительному понижению срока службы ламп (примерно с 1000 час. до 100 час.) вследствие значительного ускорения процесса испарения вольфрама.
Это испарение ведет прежде всего к почернению колбы лампы, покрывающейся налетом вольфрама, и, следовательно, к потере лампой светоотдачи, а в конце концов — перегоранию нити.
Низкая рабочая температура тела накала является также и причиной малой светоотдачи и низкого к. п. д. ламп накаливания.
Наличие газового наполнения, уменьшающего испарение вольфрама, позволяет несколько увеличить долю энергии, излучаемой в видимом спектре, за счет повышения цветовой температуры. Применение биспиральных нитей и наполнение более тяжелыми газами (криптон, ксенон) дает возможность небольшого дальнейшего увеличения доли излучения, приходящегося на видимую область, но измеряемого всего лишь единицами процентов.
Наиболее экономичным, т. е. обладающим наибольшей светоотдачей будет такой источник, который всю подводимую мощность будет преобразовывать в излучение с этой длиной волны. Световой к. п. д. такого источника, т. е. отношение светового потока, создаваемого им, к максимальному осуществимому при той же подводимой мощности потоку равняется единице. Как оказывается, максимальная светоотдача при этом составляет 621 лм/вт.
Из этого ясно, что световой к. п. д. ламп накаливания будет значительно ниже, чем цифры, характеризующие выход видимого излучения (7,7 - 15 лм/вт). Соответствующие величины могут быть найдены делением светоотдачи лампы на светоотдачу источника со световым к. п. д., равным единице. В результате для вакуумной лампы мы получим световой к. п. д. - 1,24%, а для газонаполненной - 2,5%.
Радикальным выходом в направлении усовершенствования ламп накаливания было бы нахождение материалов для тел накала, могущих работать при существенно больших температурах, чем вольфрам.
Это повысило бы экономичность и улучшило бы цветность их излучения. Однако поиски таких материалов не увенчались успехом, вследствие чего более экономичные источники света с лучшим спектральным распределением были построены на основе совершенно иного механизма преобразования электрической энергии в свет.
Еще один недостаток ламп накаливания:
Почему лампы накаливания чаще всего перегорают в момент включения
Несмотря, однако, на превосходство в экономичности, ни один из типов газоразрядных ламп не оказался способным заменить лампы накаливания для целей освещения, за исключением люминесцентных ламп. Причиной этого является неудовлетворительный спектральный состав излучения, совершенно искажающий окраску предметов.
Лампы сверхвысокого давления с инертными газами имют высокую светоотдачу. Характерным примером является натриевая лампа, имеющая наибольшую светоотдачу из всех газоразрядных ламп, включая и люминесцентные. Ее высокая экономичность обусловлена тем, что почти вся подводимая мощность преобразуется в видимое излучение. Разряд в парах натрия излучает в видимой части спектра только желтый цвет, поэтому при освещении натриевой лампой все предметы приобретают совершенно неестественный вид.
Все разнообразные окраски оказываются уложенными в пределах от желтого (белый цвет) до черного (поверхность любого цвета, не отражающего желтых лучей). Такое освещение чрезвычайно неприятно для глаза.
Таким образом, газоразрядные источники света по самому способу создания излучения (возбуждение отдельных атомов) оказываются обладающими с точки зрения свойств человеческого глаза, фундаментальным дефектом, заключающимся в линейчатом строении спектра.
Этот недостаток не мог быть преодолен полностью при непосредственном использовании разряда, как источника света. Удовлетворительное решение было найдено, когда разряду была предоставлена функция только возбуждения свечения люминофоров (люминесцентные лампы).
Люминесцентные лампы обладают невыгодным свойством при сравнении с лампами накаливания, заключающимся в сильных колебаниях светового потока при работе на переменном токе.
Причиной этого является значительно меньшая инерционность свечения люминофоров по сравнению с инерционностью нитей ламп накаливания, вследствие чего при каждом переходе напряжения через нуль, вызывающем прекращение разряда, люминофор успевает до возникновения разряда в обратном направлении потерять значительную часть своей яркости. Как оказывается, эти колебания светового потока у люминесцентных ламп превышают в 10 - 20 раз.
Значительно ослабить это нежелательное явление можно включением двух расположенных рядом люминесцентных ламп таким образом, чтобы напряжение на одной из них отставало на четверть периода от напряжения на второй. Это достигается включением в цепь одной из ламп конденсатора, создающего нужный сдвиг фаз. Применение емкости одновременно улучшает и коэффициент мощности всей установки.
Еще лучшие результаты получаются при включении со сдвигом фаз трех и четырех ламп. При трех лампах уменьшить колебания светового потока можно также включением их на три фазы.
Несмотря на ряд дефектов, отмеченных выше, люминесцентные лампы благодаря своей высокой экономичности получили широкое распространение и одно время в виде конструкций компактных люминесцентных ламп повсеместно вытесняли лампы накаливания. Но эпоха этих ламп также уже закончилась.
В настоящее время в электрическом освещении преимущественно применяются светодиодные источники света:
Популярные виды светодиодов для источников света и различия между ними
Устройство и принцип работы светодиодной лампы