Освещение

Лампы накаливания и LED лампы

В этой статье я расскажу о самых традиционных источниках света. Тема более чем актуальна, — в последнее время в топ-сегменте дизайна интерьеров наблюдается подъём интереса к традиционным светильникам с «лампами Эдисона».
Знаю этот вопрос не понаслышке, ведь много лет профессионально занимаясь переделкой американских светильников под европейские лампы.

Лампы накаливания.​

Лампы накаливания являются традиционным источником света со второй половины девятнадцатого века, и до сих пор широко используются в декоративных светильниках. Эти лампы излучают теплый свет — их цветовая температура составляет 2000 К для декоративных ретро-ламп и от 2700 К до 2900 К для обычных ламп, что высоко ценится в жилых и гостиничных интерьерах,  а также в исторических объектах.

Немного теории.

Источником света служит вольфрамовая нить, через которую проходит электрический ток. В состоянии накаливания, нить излучает инфракрасное, видимое, и, в незначительной степени, ультрафиолетовое излучения. Переход электрической энергии в световую в лампе накаливания не отличается высокой эффективностью. Гораздо больше энергии излучается в виде тепла: около 92% потребляемой электрической энергии преобразуется в тепло, и только оставшиеся 8% — в видимое излучение.

Энергоэффективность ламп зависит от их мощности — светоотдача у более мощных ламп выше. Об этом не знали законодатели, запретившие использование в РФ самой эффективной применяемой в быту лампы мощностью 100 Вт. Её светоотдача — около 13,6 лм/Вт. Однако, конструкция большинства светильников не позволяет устанавливать в них лампы мощнее 60 Вт, светоотдача такой лампы — около 10 лм/Вт.

У ламп накаливания мощностью до 40 Вт внутри колбы находится вакуум, более мощные лампы заполнены инертным газом. Это связано с тем, что нить должна отдавать тепло, а вакуум является теплоизолятором.

Воздействие электрического тока и тепла, приложенные к тонкой металлической нити, не позволяют такому источнику света жить долго: вольфрамовая нить имеет средний срок службы всего около 1000 часов. Срок службы зависит от напряжения питания, что видно по таблице зависимости параметров ламп накаливания от напряжения питания:
​Как видите, снижение напряжения питания на 7,5% продляет срок службы лампы более чем в 3 раза. А повышение напряжения питания всего на 2% сокращает срок службы лампы на четверть.

Не буду подробно останавливаться на внутреннем строении лампы накаливания, так как такой информации в Сети предостаточно. Хочу остановиться только на плавком предохранителе, о котором мало кто знает. Предохранитель размещен внутри лампы под т.н. тарелкой, и срабатывает при перехлёсте спирали.
Проблема возникает в момент включения, обычно, в старых лампах с провисшей спиралью. Под действием электрического тока холодная нить сжимается, а затем, под действием температуры — расширяется. Этот процесс занимает миллисекунды, но этого иногда хватает, чтобы нить свернулась петлей. Происходит короткое замыкание, и предохранитель внутри лампы перегорает. Иногда при этом успевает сработать и автоматический выключатель в квартирном щитке.
У предохранителя в лампах с цоколем E14 (и очень старых E27) есть побочный эффект. При перегорании внутри цоколя лампы образуется избыточное давление, которое (при некачественной вклейке) выстреливает колбу из цоколя. Часто второй проводник при этом отрывается, и колба превращается в маленький неуправляемый снаряд. Энергии выстрела хватает на то, чтобы разбить колбу о потолок или пол, а по пути пробить дыру в стеклянном плафоне.
Борьба с этим явлением проста — профилактика. Для этого достаточно не покупать дешёвые лампы, и своевременно заменять лампы с сильно провисшей спиралью.

Цоколи.

Цоколи ламп унифицированы — E12, E17, E26, E39 для Северной Америки, и E14, E27, E40 для Европы, включая РФ и страны бывшего СССР. Несмотря на американское происхождение стандарта, обозначение EXX соответствует диаметру цоколя в миллиметрах.
Лампы с цоколем E27 можно вкрутить в патрон E26. Это потому, что цоколь E27 имеет диаметр не 27, а 26,2 мм. Необходимо обратить внимание, что цоколь ламп E27 на 4 миллиметра выше, поэтому существует небольшая опасность выступания цоколя из патрона.
​Для ламп на сетевое напряжение также применяют байонетные электропатроны — патрон и цоколь имеют байонетное, т.е. штыковое соединение (воткнуть и повернуть). Конструкция позволяет легко менять лампу в держателе. Данный цоколь создавался для использования в условиях постоянной вибрации.

На сетевое напряжение используются лампы с цоколем B15d и B22d.

Обозначение цоколя B22d: 
B - Bayonet (штыковой) - байонет; 
22 - диаметр цоколя в мм;
d - "double", т.е. 2 контакта.
Подробнее о цоколях ламп можно прочитать в отдельной статье Цоколи и патроны.

Колбы.

​Лампы накаливания имеют различную форму, цвет, и отделку стеклянной колбы.

На иллюстрации приведены некоторые формы ламп накаливания и их буквенные обозначения:
Некоторые формы колбы для ламп накаливания практически не используют, например B, E, ED часто применяют для газоразрядных ламп. Самой необычной является колба PAR — это не колба, а сборка, «Sealed Beam» — это неразборная лампа-фара. Внутри находится небольшой источник света, обычно галогенная лампа. Сама колба не газонаполненная - верхняя прозрачная часть приклеена к рефлектору. Мне встречались такие только с цоколем GU10.

По американской классификации обозначение лампы состоит из буквы/двух букв и числа. Буква указывает на форму колбы. Число – это диаметр колбы в самом широком месте, в 1/8 дюйма. Это немного сложно, поэтому объясню на примере самой популярной в Северной Америке лампы A19. Диаметр колбы этой лампы 19/8 дюйма, т.е. 2 ⅜ дюйма, или 60 мм в диаметре в самом широком месте.

Самая распространенная форма лампы — A17. Это обычная грушевидная лампа диаметром 55 мм. Согласно ГОСТ Р МЭК 60064-99 «Лампы накаливания вольфрамовые для бытового и аналогичного общего освещения» размер лампы в ее типе указывается не так сложно, — непосредственно в миллиметрах, т.е. А55.

Также лампы могут иметь маркировку по международной системе кодирования ламп (International lamp coding system, ILCOS) DIN EN 61231-2014. Эта система принята для обозначения ламп в каталогах и на упаковке.
Так, обозначение А55 40W означает:
А - тип колбы (грушевидная)
55 - размер колбы в мм
40W - мощность лампы

Полная кодировка ILCOS состоит из 5 частей:

IA A/F - 40 - 230 - E27 - 55/96

1. Категория лампы: 
IA - с диаметром колбы больше 45 мм
IB - с диаметром колбы меньше 45 мм
IR – рефлекторные лампы.

2. Форма и цвет колбы.
Форму и её код можно посмотреть на иллюстрации, которую я привел выше. Некоторые распространенные:
A – грушевидная;
C – свеча, CA – свеча на ветру, CF – витая свеча;
G – шарообразная;
K – криптоновая (эта форма у нас называется «грибок»);
P – овоидная, т.е. «яйцевидная»;
R – рефлекторная;
S – прямосторонняя;
T – трубчатая.

Дополнительные технические подробности исполнения колбы, например, цвет, указывается после обозначения типа колбы. Обозначения цвета:
A - янтарная; B - синяя; C - прозрачная; F - матовая; G - зелёная; N - неодим; O - оранжевая; P - розовая; S - серебристая; R - красная; V - фиолетовая; W - белая; X - золотая; Y - жёлтая.

3. Технические характеристики лампы
Число после первого дефиса обозначает мощность лампы в Ваттах, после второго дефиса — напряжение в Вольтах.

4. Тип цоколя
Подробнее смотрите выше.

5. Габаритные размеры ламп
Первое число обозначает диаметр колбы, в мм, второе число — длину лампы в мм.

Винтажные ретро-лампы.

Отдельной группой стоят винтажные ретро-лампы, или «лампы Эдисона». Так их называют за сходство с первыми лампами, запатентованными Томасом Эдисоном. Выпускают их нескольких видов (форму колбы можно посмотреть по иллюстрации в начале статьи). Стоят они обычно на порядок дороже обычных ламп накаливания, но в некоторых открытых светильниках без них не обойтись.
Эти лампы имеют увеличенную или обычную колбу, прозрачную, или янтарного (коричневатого) цвета, пониженную светоотдачу, цветовую температуру от 2000 К до 2700 K. Из-за пониженной температуры нити, в теории, эти лампы более живучи, — их заявленный срок службы 2800-3000 часов.

Ретрофитные светодиодные лампы.

Ретрофит, в широком смысле, — это модернизация, предусматривающая добавление новой технологии или её свойств к более старым системам. Применительно к лампам, это новые типы ламп (компактные люминесцентные и светодиодные), которые можно установить вместо ламп накаливания без изменения конструкции светильника.
​На фото выше - светодиодная лампа, уже ставшая стандартной конструкцией.

На фото ниже, — детали аналогичной лампы, но с цоколем E27. Рассеиватель из матового пластика рассеивает свет от светодиодной матрицы, расположенной внутри корпуса. Внутри белого непрозрачного корпуса находится алюминиевый теплоотвод. Драйвер, т.е. источник постоянного тока для светодиодов, расположен внутри корпуса и цоколя лампы. 
Такая конструкция лампы имеет несколько недостатков — свет в сторону цоколя затеняется корпусом, угол рассеивания - около 120-220 градусов.  Часть света поглощается рассеивателем, превращаясь в тепло. К тому же, страдает этетическая составляющая — такие лампы плохо смотрятся в открытом светильнике.

Эти недостатки устранены в филаментных LED-лампах. Filament — по-английски нить, т.е. это лампа с нитевидными светодиодами, имитирующими классическую лампу накаливания.
На фотографии выше представлена светодиодная филаментная лампа с цоколем E14. Драйвер этой лампы спрятан внутри цоколя, а цепочки из мелких светодиодов расположены в виде тонких нитей, покрытых люминофором. В такой лампе, в отличие от обычной светодиодной, свет направлен во все стороны, как в обычной лампе накаливания. Прозрачная колба выполнена из стекла, и не снижает световой поток. Филаментные LED-лампы хорошо смотрятся в открытом светильнике.

ОСВЕЩЕННОСТЬ (Световой поток).

Поскольку лампы накаливания существуют уже более века, большинство людей используют их как ориентир, приравнивая знакомую мощность к степени освещенности.

Но мощность на самом деле является мерой используемой лампой энергии. Освещенность (яркость ламп) измеряют в Люменах. Важно понимать, что в сравнении с лампами накаливания, светодиодные лампы потребляют значительно меньшую мощность для обеспечения такой же освещенности. Это означает, что, хотя светодиодная лампа может стоить дороже при покупке, её эксплуатация обходится гораздо дешевле.

Поскольку светодиоды излучают больше люмен при меньшем потреблении мощности, замена лампы накаливания светодиодной лампой позволяет светильнику безопасно производить более яркий свет, не превышая его максимально допустимой мощности.

Кроме того, светодиодные лампы служат намного дольше, чем лампы накаливания. Среднее время жизни ламп накаливания 1000 - 2000 часов работы. Среднее время жизни светодиодных ламп — 15 - 27 тысяч часов. В таблице ниже показаны эквивалентные светодиодные лампы, необходимые для получения такого же количества света, что и от ламп накаливания.
Примечание. Винтажные лампы накаливания красивы, но как правило, менее энергоэффективны, чем другие лампы накаливания, и имеют меньший световой поток.

ЦВЕТ (Цветовая температура).

​Цвет света, также называемый цветовой температурой, измеряется в градусах Кельвина (K). Этот параметр также называется Коррелированная цветовая температура (CCT). Цветовая температура не связана с яркостью и мощностью лампы.

Лампы накаливания обычно имеют цветовую температуры от 2700K до 3000K. Они излучают тёплый белый свет, как показано на шкале ниже. Светодиодные лампы имеют более широкий диапазон цвета, и доступны от теплых тонов (2700K) до холодных тонов дневного света (5000K). Если вы хотите иметь свет, соответствующий тёплому свету лампы накаливания, выберите светодиодную лампу с цветовой температурой 2700K.

​Кривая Круитхофа.

Существует взаимосвязь между яркостью и цветовой температурой. Это так называемая Кривая Круитхофа (кривая комфорта Круитхофа) — кривая, определяющая соотношения освещённости и цветовой температуры, которые являются наиболее комфортными для наблюдателя.

График был разработан в 40-х годах XX века голландским физиком Ари Андриесом Круитхофом после ряда эмпирических исследований в области психофизики.
Кривая Круитхофа используется при проектировании систем искусственного освещения. Общая рекомендация, исходя из этой кривой — использовать слабую освещённость при низких цветовых температурах, и наоборот. 

Для жилых помещений предпочтительны источники света с меньшим диапазоном освещённости и низкими температурами 2700-3000К, поскольку такое сочетание является успокаивающим и расслабляющим. А для кабинета и кухни, где нужно много света для работы, можно использовать лампы 4000К.

Кривая Круитхофа лишь указывает на приблизительные соотношения освещённости и цветовой температуры для комфортного искусственного освещения, но не является универсальным рецептом. Однако, можно ориентироваться на неё при выборе LED ламп.

Эта кривая объясняет интересный психофизический эффект — диммирование ламп накаливания даёт комфортный свет, а диммирование LED ламп — нет. Это потому, что цветовая температура ламп накаливания меняется в зависимости от положения диммера. При 100% мощности это 2700-2800К, а чем меньше регулируется яркость, тем теплее становится свет, ведь спираль лампы физически греется меньше. Когда же мы регулируем LED лампы, их цветовая температура не меняется, поэтому при небольшой яркости свет кажется слишком белым, синеватым. Для решения проблемы в последние годы появились LED лампы со свободно изменяемой цветовой температурой (от тёплой до холодной), а также диммируемые лампы, цветовая температура которых изменяется в зависимости от уровня яркости — чем ярче, тем холоднее, и наоборот.