24.10 От лампочки Эдисона до светодиодов

imagesНекоторые изобретения бывают знаковыми и появление в обиходе тех или иных вещей означает переход на качественно иной уровень жизни. Так было с электрическим освещением, которое совершило настолько стремительный скачок, что никто не смог предсказать появление столь простого и необходимого предмета как электрическая лампочка в домах и квартирах каждого. Данная статья содержит краткое описание пути эволюции лампочки в суперсовременные источники освещения.

Так кто же папа?

Нет ничего удивительного в том, что первой в теперь уже многочисленном семействе источников освещения появилась лампа накаливания. Ученые давно обнаружили, что при разъединении проводников образуется искра. Но чтобы раздуть из неё пламя, пришлось основательно потрудиться. Вместе с тем, целью активного изучения свойств электричества было как раз решение проблемы освещения. Ведь в конце 18 и на протяжении всего 19 веков в цивилизованных странах нормой считалось газовое освещение. Источником его был газовый фонарь, который питался так называемым светильным газом, который получали методом пиролиза жира морских животных. В основном для этого применяли китовый жир – ворвань, ради которого и устроили настоящую бойню этих морских гигантов, едва не приведшую к их полному исчезновению.

В состав светильного газа входит в основном бензол, который в середине 19 века научились получать из каменного угля, что тут же сказалось на снижении темпов добычи ворвани. Так же предпринимались попытки использовать для освещения ацетилен, но этот газ оказался слишком дорог и взрывоопасен. Так что его применение ограничилось карбидными светильниками для шахтеров и велосипедистов.

Вместе  с тем, попытки обуздать электричество и использовать его в целях замены устаревших источников света предпринимались с самого начала 19 века. Первопроходцем в деле создания электрической лампы является англичанин Деларю, который в 1809 году изобрел лампу накаливания с платиновой нитью. Но его изобретение носило скорее концептуальный характер, так как время работы платиновой проволоки на открытом воздухе было незначительным, а цена такой лампы была неприемлемо высокой.

В 1854 году немецкий ученый Генрих Гёбель изобрел первую вакуумную лампу накаливания, которая учитывала необходимость защиты светящегося тела от окисления на открытом воздухе.

Заслуга российских ученых в деле продвижения ламп накаливания тоже немаловажная. Несомненным лидером мирового масштаба здесь признан Александр Николаевич Лодыгин, который в 1874 году получил патент на нитевую угольную лампу в вакуумированном сосуде.

Томас Альва Эдисон – американский изобретатель, имевший безукоризненный нюх на самые перспективные коммерческие разработки, начал самым активным образом производить исследовательские работы в области создания ламп накаливания с приемлемым сроком работы. Ему с командой талантливых инженеров потребовалось почти пять лет для того, чтобы получить патент на вакуумированную лампу с платиновой нитью накала. Но в продажу поступили все же лампы с угольной нитью, которые имели гарантированную наработку 40 часов. Попутно Эдисоном и его командой был изобретен поворотный выключатель, патрон и цоколь для лампы, что явилось несомненным шагом вперед, но не решило главной проблемы – повышения долговечности ламп накаливания и увеличения яркости их свечения. Вместе с тем, появление ламп Эдисона поставило крест на газовом освещении, от которого стали повсеместно отказываться.

В 90-х годах 19 века с новой силой начинает звучать фамилия Лодыгин. Русскому ученому удалось значительно повысить ресурс ламп накаливания, применив спираль из тугоплавких металлов в качестве светящегося тела.

Первой компанией, освоившей в 1905 году выпуск электрических ламп с вольфрамовой спиралью, стала венгерская Tungsram, здравствующая и поныне. Вслед за ней это производство было начато на заводах американской компании General Electric в 1906 году, которой Лодыгин продал свой патент на спираль из вольфрама. А в 1909 году американский ученый Ирвинг Ленгмюр, сотрудничавший с General Electric, предложил отказаться от технологии вакуумирования и заполнять колбы ламп накаливания аргоном, что значительно повысило устойчивость ламп накаливания к потемнению колбы и несколько увеличило светопередачу.

Таким образом, к 1910 году были завершены практически все изыскания по лампам накаливания и они прочно вошли в обиход широких слоев населения США и Европы. Риторический вопрос о том, кто же был первым изобретателем электрической лампы остается открытым. Ведь в работах над этим проектом приняли участие ученые всех развитых стран, внеся свою лепту в благородное дело электрического освещения наших улиц, домов и квартир.

Люминесцентные лампы как альтернатива лампам накаливания

luminisГлавным недостатком ламп накаливания является низкая отдача светового потока в видимой части спектра. Не секрет, что КПД обычной лампы накаливания не превышает пяти процентов. Вся остальная прикладываемая мощность тратится на нагрев. Правда, инфракрасное излучение тоже считается световым, но человечек зрительно его не воспринимает. Инфракрасное излучение мы воспринимаем как тепло.

Более совершенным источником освещения, в котором происходит двойное преобразование излучения, считается люминесцентная лампа, в которой сначала под действием электричества начинается тлеющий разряд паров ртути, которые почти всю свою энергию излучают в ультрафиолетовой области спектра. А видимое излучение получается за счет свечения под действием ультрафиолета люминофора, нанесенного на внутреннюю часть колбы. При этом происходит полное преобразование одного вида излучения в другое, что важно для безопасности этих ламп. Ведь ультрафиолет может вызвать ожги и потерю зрения.

Развитие люминесцентного освещения всегда шло параллельно с развитием ламп накаливания. Но, несмотря на то, что идея витала в воздухе и свечение водорода под действием электричества наблюдал ещё Ломоносов, реальные коммерческие образцы ламп появились благодаря стараниям Эдмунда Гремера и его сотрудников, которые первыми предложили использовать люминофор, что и позволило получить равномерный белый свет с тепловыми температурами, недостижимыми в случае применения обычных ламп накаливания.

Коммерческое производство люминесцентных ламп было начато компанией General Electric в 1938 году. В Советском Союзе производство собственных ламп дневного света началось лишь в 1951 году.

Несомненно, важнейшим достоинством ламп дневного света является их экономичность и очень высокая отдача энергии в видимом диапазоне светового излучения.  Но при этом долгое время неразрешимой считалась проблема их компактности. Ведь для запуска ртутной лампы необходим импульс высокого напряжения, который получают при включении вспомогательной лампы – стартера, и наличие балластной нагрузки, которая должна воспринимать колебания напряжения на лампе после её поджига.

Сегодня эти проблемы нашли свое решение. Лампы дневного света стали компактными, а стартер и балласт научились реализовывать в виде электронной нагрузки малого размера. Революционные метаморфозы трубчатых ламп позволили утвердить во многих развитых странах программы полного перехода на миниатюрные лампы дневного света, которые вкручиваются в обычные и уменьшенные патроны подобно обычным лампам накаливания.

Такая программа принята и в России. Наша страна постепенно сокращает выпуск ламп накаливания, а с 2014 года их производство должно полностью прекратиться.

Светодиоды в новом качестве

Индикаторные светодиоды сразу одержали победу над лампами накаливания. Это событие произошло еще в 1962 году. К сожалению, тогда удалось разработать только красный светодиод. Долгое время считалось, что получить другие цвета излучения у светодиодов вообще невозможно. Но в начале семидесятых годов двадцатого века научились производить светодиоды желтого и зеленого цветов свечения. Для получения полноценного белого светодиода оставалось научиться получать синий цвет, так как любой оттенок, в том числе и белый свет, можно синтезировать сочетанием трех основных цветов. Однако задача с синим светодиодом долгое время не находила решения.

Первый синий светодиод высокой яркости изобрел японский инженер Суджи Накамура в 1993 году. А уже в 1996 году появились матричные светодиодные конструкции, способные не только излучать свет любого оттенка, но и воспроизводить динамические картинки, что сразу же было использовано в матричных экранах, которые сначала служили для воспроизведения рекламной и прочей информации в крупных городах, а потом перекочевали в светодиодные устройства, применяемые повсеместно – телевизоры, мониторы, телефоны, планшетные компьютеры и т.п.

Попытки коммерческого применения светодиодов в системах освещения в качестве самостоятельных источников света начались с 2005 года, когда были разработаны системы светодиодного освещения на основе синих светодиодов с люминофорным покрытием, которое переизлучает синий цвет светодиода в белый. На сегодняшний день подобные светодиоды считаются наиболее экономичными и имеют невысокую стоимость.

Положение дел в сфере производства светодиодных светильников и ламп на основе светодиодов сегодня таково, что исследования в этой области активно продолжаются, наряду с выпуском серийной продукции. Привлекательность светодиодного освещения для потребителя состоит в том, что эти полупроводниковые приборы обеспечивают значительно более высокий выход световой энергии, нежели все известные до сих пор источники освещения. Кроме того светодиоды не содержат вредные вещества, типа паров ртути, они безопасны в плане отсутствия в излучаемом спектре инфракрасного и ультрафиолетового излучений, их рабочая температура невелика по сравнению даже с люминесцентными лампами, не говоря уже о лампах накаливания. А наработка светодиодных ламп составляет не менее 30 тысяч часов.

Недостатков у полупроводниковых источников света два. Это высокая стоимость и боязнь перегрева. Чем ниже температура окружающей среды, тем лучше их характеристики. А при повышении температуры до 80 градусов светодиоды могут просто выйти из строя. Однако над этими проблемами работают ученые и в скором будущем светодиодные лампы займут свое достойное место в каждой квартире.

led_lampa_1