Lampi electrice pentru iluminat

Lampile electrice sunt surse primare artificiale de lumina care emit radiatie luminoasa (eventual, pe langa alte radiatii din domeniul optic) prin transformarea energiei electrice.

1. Clasificarea lampilor electrice

Fenomenele care stau la baza functionarii lampilor electrice sunt radiatia termica si luminescenta.

In lampile bazate pe radiatia termica, emisia de radiatie optica si, in principal, luminoasa este datorata unui corp solid, adus la incandescenta de un curent electric. Corpul incandescent poate functiona in vid sau in atmosfera de gaz inert, iar temperatura de lucru joaca un rol esential in obtinerea eficacitatii sursei.

Fenomenul de luminescenta consta in emiterea de catre o substanta a unei radiatii electromagnetice a carei intensitate (pentru anumite lungimi de unda sau pentru intervale spectrale restranse) este mai mare decat cea a radiatiei termice emise de catre substanta, la aceeasi temperatura. Radiatia luminescenta poate avea loc indiferent de starea de agregare a substantei.

In functie de cauza care provoaca radiatia, in constructia lampilor electrice prezinta interes electroluminescenta si fotoluminescenta (indeosebi fluorescenta).

Electroluminescenta apare sub actiunea purtatorilor de sarcina (electroni si ioni) care se deplaseaza intr-un camp electric. Electroluminescenta este proprie descarcarii electrice in gaze si in vapori metalici in care atomii gazului sau vaporilor metalici sunt excitati si ionizati de catre ciocnirile cu purtatorii de sarcini.

Fotoluminescenta este produsa prin absorbtia fotonilor, adica sub actiunea unei radiatii electromagnetice. Dintre fenomenele de fotoluminescenta, intereseaza in mod deosebit fluores-centa care reprezinta o fotoluminescenta ce persista un timp extrem de scurt (sub 10^-8 s) dupa excitarea substantei cu radiatie electromagnetica. In lampile cu descarcare electrica se foloseste fluorescenta unor substante solide, denumite luminofori, sub actiunea radiatiei descarcarii (in principal, radiatia de rezonanta), in vederea cresterii eficacitatii luminoase si/sau a modificarii compozitiei spectrale a radiatiei.

Functionarea anumitor lampi are la baza folosirea unor radiatii mixte cum sunt: electrolumi-nescenta + fotoluminescenta, electroluminescenta + radiatie termica sau electroluminescenta + radiatie termica + fotoluminescenta (fluorescenta).

In consecinta, tinand seama si de caracteristicile mediului radiant, in tehnica iluminatului se folosesc urmatoarele categorii de lampi:

a. Lampi cu incandescenta - bazate pe fenomenul de radiatie termica. Dupa mediul in care functioneaza elementul radiant termic (filamentul), se deosebesc:

- lampi cu vid,

- lampi cu gaze inerte,

- lampi cu halogeni;

b. Lampi cu descarcare electrica in gaze sau in vapori metalici - bazate pe fenomenul de luminescenta. Cele mai utilizate lampi sunt:

- lampi cu vapori de mercur la joasa presiune si la inalta presiune,

- lampi cu vapori de sodiu la joasa presiune si la inalta presiune,

- lampi cu vapori de mercur si halogenuri metalice;

c. Lampi cu lumina mixta, cea mai raspandita fiind lampa cu descarcare electrica in vapori de mercur la inalta presiune, cu luminofor si cu filament incandescent incorporat in lampa, cu rol atat de element radiant termic, cat si de element de stabilizare a curentului de descarcare (balast).

2. Parametrii principali ai lampilor electrice

Parametrii care servesc pentru compararea diverselor tipuri de lampi, in vederea stabilirii sursei de lumina care urmeaza a fi folosita intr-o instalatie de iluminat, precum si pentru aprecierea avantajelor si dezavantajelor acestora, se pot grupa in trei categorii: parametri tehnici de baza, parametri tehnico-economici si de exploatare si cost. Incadrarea unui parametru in una din cele trei categorii nu este stricta deoarece nu se poate face totdeauna o distinctie neta intre un parametru tehnic (fizic) si un parametru de exploatare.

Valorile nominale ale parametrilor sunt prevazute in standarde sau in normele interne de fabricatie. Intrucat productia de lampi este o productie de masa, in care intervin fluctuatii atat in privinta proprietatilor si dimensiunilor materialelor folosite, cat si in privinta procesului tehnologic de fabricatie, standardele sau normele respective prevad. de asemenea, abaterile admisibile de la valorile nominale ale parametrilor.

Parametri tehnici de baza

Puterea nominala P absorbita de la retea determina consumul de energie electrica si serveste ca baza pentru evaluarea eficacitatii sursei.

Tensiunea nominala U_n trebuie sa corespunda retelei (circuitului) la care se conecteaza lampa.

Fluxul luminos f emis la functionarea lampii in conditii nominale serveste pentru aprecierea eficacitatii sursei, dar influenteaza si stabilirea numarului de surse de lumina necesare intr-o instalatie de iluminat.

Distributia spectrala (culoarea radiatiei) este indicata prin temperatura de culoare T_c  si, eventual, prin coordonatele tricromatice.

Durata de functionare D este reprezentata prin intervalul de timp, exprimat in ore, in care lampa functioneaza, in conditii date, pana la inlocuirea sa, datorita pierderii totale sau partiale a posibilitatii de functionare. Durata poate reprezenta o functionare neintrerupta sau o suma de intervale de functionare a lampii, de la punerea in functiune si pana la scoaterea din exploatare. Durata este un parametru care se defineste statistic pentru un lot de lampi.

Durata totala este determinata de pierderea capacitatii de functionare prin arderea filamentului sau imposibilitatea amorsarii descarcarii electrice. Durata medie se determina pentru un lot de lampi si reprezinta intervalul de timp in care ies din functiune 50% din numarul lampilor din lotul supus incercarii. Durata medie este o data importanta de catalog si este impusa de standarde. Durata garantata exprima timpul in care trebuie sa functioneze orice lampa livrata de fabrica daca sunt respectate conditiile de exploatare impuse (ea este, evident, inferioara duratei medii).

Durata utila este determinata de scaderea fluxului luminos al lampii pana la o anumita limita, care poate fi 70 - 80% din fluxul luminos initial, dupa care exploatarea lampii nu mai este avantajoasa.

Parametri tehnico-economici si de exploatare

Eficacitatea luminoasa h este cel mai important parametru al unei lampi, cresterea eficacitatii luminoase a lampilor constituind indicatorul principal al nivelului tehnic al fabricii producatoare si, in acelasi timp, principala directie de imbunatatire a fabricatiei. Aceasta se explica prin faptul ca o parte insemnata din productia de energie electrica a unei tari se consuma pentru iluminat si deci cea mai neinsemnata crestere a eficacitatii luminoase a unei lampi are ca rezultat, la nivelul oricarui utilizator si la scara nationala, o importanta economie de energie electrica si costuri mai scazute de exploatare a instalatiilor de iluminat, concomitent cu imbunatatirea iluminatului la locurile de utilizare.

Eficacitatea luminoasa se obtine impartind fluxul luminos f emis de lampa la puterea electrica P absorbita de la sursa de alimentare (retea):

in lumen pe watt [lmW^-1]

La o putere data a lampii, cresterea eficacitatii luminoase se realizeaza prin cresterea fluxului luminos, obtinandu-se, in acest fel, la aceeasi putere consumata, o imbunatatire a iluminatului fara cresterea consumului de energie electrica.

Adaptarea la instalatia de iluminat este determinata de gama de puteri in care se fabrica lampa, de dimensiunile corpului luminos, de schemele de conectare la retea.

Stabilitatea fluxului luminos in timp si valoarea luminantei lampii sunt parametri care influenteaza igiena vederii. Valori necorespunzatoare ale acestor parametri pot duce la oboseala vederii si la reducerea performantelor activitatii vizuale prin asa-numitul efect de orbire (reducerea sau pierderea temporara a capacitatii de a distinge obiectele observate).

Redarea culorilor obiectelor iluminate este evaluata prin indicele de redare a culorilor.

3. Proprietatile colorimetrice ale surselor de lumina

Proprietatile (calitatile) surselor de lumina din punct de vedere colorimetric se prezinta sub doua aspecte:

- aparenta culorii radiatiei emise de sursa (sursa privita din exterior);

- redarea culorilor obiectelor iluminate, care afecteaza aparenta culorii acestor obiecte.

Aparenta culorii

Culoarea radiatiei poate fi apreciata prin cromaticitatea sa (coordonatele tricromatice sau lungimea de unda dominanta, puritate etc.).

In practica, aparenta culorii radiatiei unei surse este evaluata indicand temperatura de culoare T_c , masurata in K, definita ca temperatura radiatorului integral (corpului negru) care emite o radiatie cu aceeasi cromaticitate ca si radiatia considerata.

Corpul negru este un tip special de radiator termic iar distributia spectrala a radiatiei sale poate fi calculata folosind legea lui Planck (v. Fizica). Culoarea corpului negru poate fi rosie la   T = 800 - 900 K, alb-galbuie la 3000 K, alba la circa 5000 K si bleu-pal la 8000 - 10000 K. Pe diagrama de cromaticitate este trasata curba CN care contine cromaticitatea corpului negru la diferite temperaturi.

Orice sursa de lumina care are o cromaticitate pe aceasta curba poate fi specificata printr-o temperatura de culoare, de exemplu: lampa cu incandescenta -2700-2900 K, lumina soarelui- 5300-5800 K, lumina zilei (soare, cer senin) - 5800-6500 K, cer albastru senin - 10000-26000K.

Sursa nu trebuie sa fie neaparat un radiator termic pentru ca cromaticitatea ei sa se situeze pe curba corpului negru si astfel sa i se atribuie o anumita temperatura de culoare. Dar numai daca o sursa este un radiator termic (de exemplu, o lampa cu incandescenta) temperatura ei de culoare da o informatie asupra distributiei sale energetice spectrale, aceasta fiind efectiv identica cu cea a corpului negru la aceeasi temperatura.

Pentru sursele netermice (cum sunt, de exemplu, lampile fluorescente), temperatura de culoare serveste numai ca un ghid convenabil privitor la aparenta culorii.

Strict vorbind, temperatura de culoare nu trebuie folosita pentru a specifica o cromaticitate care nu se afla pe curba corpului negru. Totusi, culoarea radiatiei unei astfel de surse poate fi apreciata prin temperatura de culoare corelata (proximala) reprezentand temperatura corpului negru la care culoarea acestuia este cea mai apropiata de culoarea radiatiei sursei. Determinarea temperaturii de culoare proximale se face utilizand diagrame speciale pe care sunt trasate liniile de temperatura proximala constanta (in graficul din figura 10.1 sunt trasate curbele CN, pentru corpul negru si D, pentru etalonul lumina zilei). Temperatura de culoare proximala se gaseste, pe o astfel de diagrama, mergand de la punctul de cromaticitate al sursei in directia paralela cu cea mai apropiata linie izotemperatura spre curba corpului negru, la intersectia respectiva putand fi citita temperatura de culoare. De exemplu, pentru lampile fluorescente corespund temperaturi de culoare (proximale) in domeniul 3000-7500 K.

Pe masura cresterii temperaturii de culoare, aparenta culorii se modifica trecand de la culorile calde, bogate in radiatii rosii (T_c < 3300 K - alb roscat) la culori intermediare (T_c = 3300-5500 K) spre culorile reci (T_c > 5500 K - alb-albastrui).

Trebuie remarcat ca radiatia corpului negru este perceputa de ochi, dupa o adaptare corespunzatoare, ca diferite nuante de culoare alba, incepand cu temperatura de 2800 K. Radiatia surselor cu T_c > 2800 K reprezinta, asa dar, diferite nuante de alb.

Pentru specificare culorii radiatiei lampilor electrice, in tehnica iluminatului se pot folosi:

- denumiri ale nuantelor de alb, de regula in limba engleza, asociate temperaturii de culoare, de exemplu: Daylight (alb lumina zilei) - T_c = 6500 K, White (alb) - T_c = 4300 K, White de luxe (alb superior) - T_c = 3800 K, Warm white (alb cald) - T_c = 3000 K, Warm white de luxe (alb cald superior) - T_c = 2900 K;

- un cod alfanumeric asociat denumirii si, implicit, temperaturii de culoare, de exemplu: 1 - alb lumina zilei, 1X - alb lumina zilei corectat, 2 - alb, 2X - alb superior, 3 - alb cald, 3X - alb cald superior;

- un cod numeric asociat, de asemenea, denumirii (si respectiv temperaturii de culoare proximale), de exemplu: 27 - Warm white special de luxe, 32 - Warm white de luxe, 33 - White, 34 - White de luxe, 37 - White special de luxe, 55 - Daylight, 84 - "New generation" (noua generatie de lampi fluorescente folosind luminofori speciali).

Redarea culorilor obiectelor iluminate

Este eronat sa se considere culoarea ca o calitate invariabila a unui obiect sau material. In realitate, perceperea de catre organul vederii a obiectelor care nu constituie surse primare de lumina are un caracter concomitent obiectiv si subiectiv, datorandu-se fluxului luminos trimis de acestea, prin reflexie sau prin transmisie, in directia ochiului. Deoarece factorii de reflexie/transmisie sunt, in general, marimi selective (dependente de lungimea de unda), in directia ochiului vor fi trimise cu preponderenta radiatiile cu anumite lungimi de unda specifice obiectului, care ar trebui sa se regaseasca, in proportie convenabila, in spectrul sursei care il ilumineaza, intrucat culoarea perceputa corespunde lungimii de unda a radiatiei incidente pe retina.

Prin urmare, factorii care afecteaza crearea senzatiei de culoare sunt: compozitia spectrala a luminii primite de obiecte de la sursele de lumina primare, proprietatile (selective) reflectante sau de transmisie ale obiectelor si, in final, organul vederii.

Aptitudinea radiatiei luminoase a surselor de lumina de a conferi culori obiectelor iluminate este cunoscuta sub numele de redarea culorilor. Mai precis, redarea culorilor este o expresie generala care indica efectul unei surse de lumina asupra aspectului de culoare al obiectelor iluminate, acest aspect fiind comparat, constient sau inconstient, cu cel al acelorasi obiecte iluminate de catre o sursa de referinta, adica de o sursa despre care se crede ca permite perceperea obiectelor respective in culoarea lor adevarata.

De exemplu, un obiect considerat rosu poate apare rosu numai daca lumina incidenta contine suficienta radiatie in domeniul rosu, pentru ca obiectul sa o poata reflecta, datorita faptului ca obiectul poseda un factor de reflexie selectiv ridicat in domeniul rosu.

Culoarea este, de fapt, o proprietate conferita corpurilor de catre radiatia incidenta. In general, se admite ca naturala culoarea unui corp la lumina zilei, culoarea fiind redata mai mult sau mai putin precis, dar relativ diferit, de diverse alte surse de lumina.

Adaptarea cromatica a organului vizual joaca un rol important in perceperea culorilor. Ochiul se autoregleaza la culoarea luminii si are o tendinta de a o estima ca alb. Se spune ca lumina soarelui este alba si totusi ea va apare galbena daca se compara cu lumina cerului boreal. Un obiect considerat alb privit izolat poate apare colorat de indata ce un obiect "mai alb" va intra in campul vizual. Daca un observator, aflat de un anumit timp la lumina zilei, retine mental aspectul unui obiect colorat apoi intra intr-o camera iluminata cu lampi cu incandescenta si, dupa un anumit timp, priveste din nou acelasi obiect, diferenta de aspect va fi mai mica decat daca doua obiecte identice ar fi privite simultan in cele doua situatii de iluminare.

Un amestec de radiatii continand toate lungimile de unda emise in domeniul vizibil cu aceeasi energie pentru fiecare dintre ele (spectrul de egala energie) da o impresie de alb pur. Este evident ca toate culorile obiectelor vor apare sub aspectul lor veritabil sub aceasta lumina, cu conditia ca nivelul de iluminare sa fie suficient de ridicat.

Aceeasi impresie de alb pentru ochi poate fi, de asemenea, obtinuta printr-un amestec de mai multe lungimi de unda, amestec in care anumite lungimi de unda lipsesc (culori complementare) cum ar fi combinatiile rosu-verde sau galben-albastru. O bucata de velur rosu privita sub prima combinatie va aparea foarte naturala dar va da o impresie penibila sub influenta amestecului galben-albastru.

In practica, redarea de referinta a culorilor poate fi:

a. aspectul persoanelor si obiectelor la lumina naturala (lumina zilei) cu care suntem obisnuiti. Lumina zilei este caracterizata printr-un spectru continuu care contine toate culorile. In unele cazuri insa, lumina zilei constituie un criteriu de evaluare putin satisfacator deoarece este inconstanta in privinta compozitiei si intensitatii sale. In tari ca Olanda, diferentele ca spectru si ca intensitate variaza nu numai de la o zi la alta ci chiar de la o ora la alta in decursul aceleiasi zile;

b. aspectul care se considera favorabil confortului din punct de vedere psihic si care este obtinut, in general, folosind lumina corpurilor incandescente. S-ar putea ca acest aspect sa provina de la stramosii nostri indepartati, care-si gaseau linistea la lumina focului.

In cazul lampilor cu incandescenta, spectrul continuu contine, de asemenea, toate lungimile de unda din spectrul vizibil si, sub lumina lor, culorile pot apare ca naturale. Neavand insa un spectru de egala energie, lampa cu incandescenta emite o cantitate relativ mare de galben si putin verde si albastru. Exista deci diferente apreciabile in raport cu lumina zilei. Sub lumina lampilor cu incandescenta, culorile "calde" sunt puternic accentuate, iar culorile "reci" sunt notabil mai putin "reci". Albastrul prezinta uneori o modificare spre verde, iar galbenul deschis devine aproape alb; daca se doreste ca un obiect sa apara galben chiar sub lumina artificiala, trebuie sa se aleaga un galben foarte accentuat.

Comisia Internationala de Iluminat (CIE) a hotarat sa adopte ca surse de referinta pentru sursele de lumina cu T_c > 5000 K - lumina zilei la temperatura de culoare proximala cea mai apropiata de cea a sursei considerate, iar pentru sursele de lumina cu T_c < 5000 K - corpul negru la temperatura de culoare apropiata de cea a sursei. In practica, se folosesc etaloane (surse de referinta) realizate prin combinatia unor lampi cu incandescenta si unor filtre. Etalonul A (x=0,44757, y = 0,40745 - v. fig. 10.1) reda conditiile iluminatului natural in perioada de seara, are temperatura de culoare 2850 K si este realizat sub forma unei lampi cu incandescenta cu filament de wolfram, incalzit la 2854 K. Etaloanele B (T_c = 4880 K, x = 0,34842, y = 0,35161) si C (T_c = 6740 K, x = 0,31006, y = 0,31616) reproduc lumina zilei si sunt realizate ca lampi cu incandescenta (etalon A) prevazute cu filtre speciale.

Aptitudinea de redare a culorilor de catre o sursa de lumina se apreciaza conventional prin indicele (indexul) de redare a culorilor R_a care este o masura a corespondentei dintre perceptiile vizuale ale obiectelor iluminate de sursa de lumina considerata si de sursa de referinta careia i se atribuie indicele R_a = 100. Se evalueaza diferentele (distorsiunile) medii la distingerea culorilor unui grup de 8 esantioane de culori-test din toate zonele spectrului vizibil, indicele R_a fiind cu atat mai mic cu cat diferentele (distorsiunile) sunt mai mari (R_a < 100). Se stabileste urmatoarea corespondenta:

R_a = 90 100 - redare foarte buna, reala, conducand la un iluminat functional,

R_a = 70 90 - redare buna (iluminat agreabil),

R_a = 50 70 - redare moderata, acceptabila (iluminat acceptabil).

Semnificatia indicelui de redare a culorilor devine incerta pentru R_a < 40.

Observatii in legatura cu evaluarea proprietatilor colorimetrice

ale surselor de lumina

Sursele de lumina cu o aparenta a culorii asemanatoare pot avea compozitii spectrale diferite si, in consecinta, pot prezenta mari diferente in redarea culorilor obiectelor iluminate. Este deci imposibil sa se traga vre-o concluzie asupra proprietatilor de redare a culorilor, pornind numai de la aparenta culorii sursei (de la temperatura de culoare). Exista situatii in care doua surse pot prezenta diferente pronuntate in aparenta culorii, dar sunt capabile sa redea acceptabil culorile obiectelor.

Iluminatul de referinta folosit pentru determinarea indicelui de redare a culorilor trebuie sa aiba aceeasi temperatura de culoare ca si lampa de incercat. O comparatie directa a proprietatilor de redare a culorilor este posibila numai intre lampi de aceeasi categorie de temperatura de culoare. Fiecare lampa este deci specificata in relatie cu radiatorul integral propriu ori cu reconstituentul luminii zilei.

In metoda CIE a culorilor-test, pentru determinarea indicelui de redare a culorilor, se atribuie valoarea R_a = 100 atat corpului negru la 3000 K cat si luminii zilei la T_c = 7500 K, desi proprietatile lor de redare a culorilor sunt diferite. In consecinta, faptul ca o lampa alb cald si o lampa lumina zilei au acelasi indice de redare a culorilor nu implica faptul ca ele au proprietati identice de redare a culorilor; indicele de redare a culorilor nu are deci o semnificatie absoluta cum ar fi, de exemplu, eficacitatea luminoasa.

Avand in vedere ca valorile indicelui de redare a culorilor sunt bazate pe media a 8 distorsiuni de culoare, rezulta ca acestea nu ofera o informatie directa asupra redarii culorilor unor obiecte individuale. Numai in cazul R_a > 95 se poate afirma ca lampa va oferi, probabil, o redare corecta a culorilor reale ale tuturor obiectelor iluminate.

Diferenta de culoare singura (exprimata prin R_a) nu este o indicatie reala a preferintei pentru o anumita sursa. Trebuie precizat si sensul in care are loc abaterea. De exemplu, in timp ce o distorsiune spre verzui a culorii pieii organismului uman este dezagreabila, o distorsiune similara spre rosu face ca, deseori, oamenii sa para mai sanatosi si va fi deci frecvent acceptata sau chiar preferata.

Nu se poate afirma cert ca doua lampi cu aceeasi aparenta a culorii si acelasi indice de redare a culorilor sunt interschimbabile in raport cu redarea culorilor.

Din punctul de vedere al agreabilitatii iluminatului, experienta arata ca atmosfera creata intr-o incapere este mult influentata de culoarea luminii folosite. Exista o anumita corelare intre nivelul de iluminare si temperatura de culoare a luminii; in general, la niveluri scazute se aleg culorile "calde" iar la niveluri ridicate - culorile "reci". De asemenea, s-a stabilit ca femeile prefera culori mai "calde" decat barbatii. In climatele calde se folosesc culorile "reci" in timp ce in climatele reci se folosesc culorile "calde".

Cu referire la sursele de lumina (lampile) bazate pe descarcarea electrica in gaze si in vapori metalici, se intrevad urmatoarele:

- energia radianta este concentrata in una sau in cateva lungimi de unda, ceea ce poate furniza o redare a culorilor care nu va fi naturala;

- lampa cu descarcare in vapori de sodiu emite preponderent o radiatie monocromatica galbena, astfel incat numai culoarea galbena va fi perceputa corect;

- in lumina pura a descarcarii in vapori de mercur, rosul este aproape absent, culorile galben, verde si albastru fiind singurele prezente pentru anumite lungimi de unda. Rosul privit sub aceasta lumina va parea "spalacit", iar alte culori pot fi, de asemenea, deformate;

- la lampile fluorescente tubulare, spectrul de linii (caracteristic descarcarii electrice) este completat de un spectru continuu (cel al luminoforului excitat de radiatia descarcarii) si deci nu exista discontinuitate in spectru, ca in cazul altor lampi cu descarcare electrica. Alegand in mod corespunzator luminoforii, se pot obtine diverse culori ale radiatiei (tipuri de alb) si performante diferite in redarea culorilor obiectelor iluminate.