На рис. 3.63 (див. Кол. Вклейку) наведені шкала електромагнітних хвиль і спектр видимого (білого) світла [31].

Видиме світло являє собою спектр електромагнітних випромінювань з довжиною хвилі від 380 до 760 нм. Білий колір – це не чистий колір спектра, а суміш усіх кольорів з довжиною хвилі від 380 до 760 нм. Причому, червоний колір має довжину хвилі від 760 до 640 нм, помаранчевий і жовтий – від 640 до 580 нм, зелений – від 580 до 495 нм, блакитний і синій від 495 до 440 нм, фіолетовий від 440 до 380 нм. Співвідношення складових білий колір «чистих» квітів визначає його колірну температуру.

Світлову ефективність джерел світла вимірюють у люменах на ват (лм / Вт). Можуть вказувати, який відсоток енергії перетворюється на світло. Крім того, білий колір характеризується колірною температурою.

Колірна температура [31] вимірюється в градусах Кельвіна [° К] (Т = t + 273, / -Температура в градусах Цельсія [° С]). Колірна температура джерела світла визначається шляхом порівняння з так званим «чорним тілом »і відображається« лінією чорного тіла »(рис. 3.64). Якщо температура «чорного тіла» підвищується, то синя складова в спектрі зростає, а червона складова убуває. Лампа розжарювання з тепло-білим світлом має, наприклад, колірну температуру 2700 К, а флуоресцентна лампа з кольоровістю денного світла – 6000 К.

Кольоровість світла дуже добре описується колірною температурою. Існують три головні кольоровості світла:

– Тепло-біла менш 3300 К;

– Нейтрально-біла від 3300 до 5000 К;

– Біла денного світла більше 5000 К.

Лампи з однаковою кольоровістю світла можуть мати дуже різні характеристики передачі кольору, що пояснюється спектральним складом випромінюваного ними світла.

Основою математичного опису кольору в колориметрії є експериментально встановлений факт, що будь-який колір при дотриманні згаданих умов можна представити у вигляді суміші (суми) певних кількостей 3 лінійно незалежних квітів, тобто таких кольорів, кожен з яких не може бути представлений у вигляді суми будь-яких кількостей 2 інших квітів [32].

Рис. 3.63. Шкала електромагнітних хвиль і спектр видимого (білого) світла

Груп (систем) лінійно незалежних квітів існує нескінченно багато, але в колориметрії використовуються лише деякі з них. Три обраних лінійно незалежних кольори називають основними кольорами; вони визначають колірну координатну систему (ЦКШ). Тоді 3 числа, що описують даний колір, є кількостями основних кольорів в суміші, колір якої зорово не відрізняється від даного кольору; це і є колірній координатою (ЦК) даного кольору.

Подання кольору за допомогою ЦКС має відображати властивості колірного зору людини. Тому передбачається, що в основі всіх ЦКС лежить так звана фізіологічна ЦКС. Ця система визначається 3 функціями спектральної чутливості 3 різних видів приймачів світла (так званих колб), які є в сітківці ока людини і, згідно найбільш уживаною триколірної теорії колірного зору, відповідальні за людське Кольоросприйняття. Реакції цих 3 приймачів на випромінювання вважаються ЦК у фізіологічній ЦКС, але функції спектральної чутливості очі не вдається встановити прямими вимірами. Їх визначають непрямим шляхом і не використовують безпосередньо в якості основи побудови колориметричних систем.

Фактично основою всіх колірних координатних систем (ЦКШ) є система, криві складання якої були визначені експериментально. Її основними кольорами є чисті спектральні кольори, відповідні монохроматическим випромінюванням з довжинами хвиль 700,0 (червоний), 546,1 (зелений) і 435,8 нм (синій). Вихідна (опорна) кольоровість – кольоровість равноенергетіческого білого кольору Е (тобто кольори випромінювання з рівномірним розподілом інтенсивності по всьому видимому спектру). Криві складання цієї системи прийняті Міжнародною комісією з освітлення (МКО) в 1931 р і відомої під назвою Міжнародної колориметрической системи МКО RGB (від англ., нім. red, rot – червоний, green, grun – зелений, blue, blau – синій, блакитний). У цьому ж році була прийнята і вдосконалена система XYZ.

На рис. 3.64 [31, 32] (див. Кол. Вклейку) показаний графік цветностей (колірний трикутник) х, у системи XYZ. На ньому наведено лінія спектральних цветностей, лінія пурпурних цветностей, колірний трикутник (R – red, червоний) (G – green, зелений) (В – blue, блакитний) системи МКО RGB, лінія цветностей випромінювання абсолютно чорного тіла і точки цветностей стандартних джерел освітлення МКО А, В, С і D. Кольоровість равноенергетіческого білого кольору Е (опорна кольоровість системи XYZ) знаходиться в центрі ваги колірного трикутника системи XYZ. Ця система отримала загальне поширення і широко використовується в колориметрії.

Як було сказано раніше, приблизно 21% вироблюваної в світі електроенергії споживають освітлювальні прилади.

На рис. 3.65 (див. Кол. Вклейку) показані графіки зміни в часі ефективності різних джерел світла [37, 38].

За цим малюнком можна простежити історію розвитку освітлювального обладнання починаючи з позаминулого століття до нашого часу, а також прогноз розвитку до 2050 року.

Спочатку люди використовували відкрите полум’я для освітлення: свічки, масляну лампу, газові джерела світла, у тому числі з газожарових сіткою, гасову лампу. Світлова ефективність таких джерел світла була низькою – від 0,1 до 1 лм / Вт. Не більше 1% енергії перетворювалося в світ. В кінці XIX століття поширення набули електрику і електричне освітлення.

Рис. 3.64. Графік цветностей в системі XYZ

Рис. 3.65. Динаміка зміни світлової ефективності різних джерел світла

Спочатку використовувалася вугільна нитка розжарення. У неї була низька надійність – вона швидко згоряла. Потім з’явилася вольфрамова спіраль, яка використовується до теперішнього часу. Світлова ефективність таких джерел світла становила від 2 до 20 лм / Вт, ефективність перетворення білого кольору – до 5%. В даний час існують такі різновиди ламп з випромінюючої спіраллю (ниткою розжарення):

– Традиційні лампи з вольфрамовою спіраллю;

– Вольфрамові галогенні лампи та ін.

З приблизно 1950 почали розвиватися флуоресцентні лампи, так звані лампи денного світла, або газорозрядні лампи. Світлова ефективність таких джерел світла становила від 55 до 90 лм / Вт, ефективність перетворення білого кольору – до 21%. Різновиди газорозрядних ламп:

– Ртутні лампи низького тиску (флуоресцентні трубки);

– Компактні флуоресцентні трубки;

– Індукційні лампи (ртутні, натрієві);

– Ртутні та ін.

В даний час бурхливий розвиток переживають світлодіодні джерела світла. З 1950-х років до теперішнього часу світлова ефективність світлодіодів піднялася з 0,1 до 200 лм / Вт, а ефективність перетворення білого кольору досягає 50% (рис. 3.65).

У табл. 3.10 представлена ​​порівняльна ефективність різних джерел світла.

Таблиця 3.10. Порівняльна ефективність різних джерел світла [37]

Тип джерела світла

Світловіддача, лм / Вт

Видиме світло

Термін служби, годин

Звичайні лампи розжарювання

12

5% (до 9%)

1000

Вольфрамові галогенні

20

до 13%

3000

Компактні флуоресцентні з індуктивним баластом

55

До 25%

8000-25 000

Індукційні

70

До 120 тисяч

Металогалогенні

90

Світлодіоди

До 200

до 50%

~50 000

У табл. 3.11 представлені узагальнені результати оцінки ефективності перетворення енергії в різних типах освітлювальних ламп. З цих даних бачимо, що якщо у традиційних ламп розжарювання і галогенних ламп з вольфрамовою спіраллю від 7 до 8% споживаної енергії йде на нагрів і від 79 до 84% енергії випромінюється в інфрачервоному діапазоні, то для ртутних і флуоресцентних ламп на нагрів йде від 35 до 40% енергії і від 35 до 49% енергії випромінюється в інфрачервоному діапазоні.

Таблиця 3.11. Перетворення енергії в різних типах ламп [37]

Тип лампи

% Випромінюваної енергії

% Енергії на нагрів

Видиме світло

Інфра червоне випромінювання

Ультра фіолетове випромінювання

Традиційні лампи розжарювання

9

84

<0,1

7

Галогенні з вольфрамовою спіраллю

13

79

0,1

8

Флуоресцентні

25

35

0,4

40

Натрієві високого тиску

30

47

0,3

23

Натрієві низького тиску

26

44

0

30

Ртутні

14

49

2,0

35

Металогалогенні

20

50

3

27

Лампи денного світла

53

42

5

0

У той же час компактна флуоресцентна лампа потужністю від 12 до 15 Вт по світловим характеристикам (видиме світло) відповідає лампі розжарювання потужністю 60 Вт (економія в 4-5 разів), а світлодіодна лампа потужністю 6 Вт відповідає лампі розжарювання потужністю 60 Вт (економія в 10 разів).

Більш детально характеристики, достоїнства і недоліки всіх найбільш часто використовуваних джерел світла будуть розглянуті нижче, але з вищевикладеного випливає очевидний висновок – введення в конструкцію будь-якого світильника напівпровідникового пристрою керування режимами його роботи може істотно поліпшити енергетичні характеристики світильників, значною мірою вирішити проблему енергозбереження.

Джерело: Білоус О.І., Єфименко С.А., Турцевич А.С., Напівпровідникова силова електроніка, Москва: Техносфера, 2013. – 216 с. + 12 с. кол. вкл.