Что надо знать об источниках света
В продаже мы встречаем разные типы бытовых ламп: лампы накаливания, галогенные, люминесцентные, светодиодные (или led-лампы). Помимо понятных всем мощности, напряжения, силы тока, срока службы ламп, на упаковках указан ряд характеристик. Это световой поток, светоотдача, цветовая температура, индекс цветопередачи, коэффициент пульсаций и проч. Что означают все эти характеристики и на какие из них стоит обратить внимание про покупке ламп? Давайте разбираться.
Световой поток и светоотдача
Любой искусственный источник света (о свечах мы тут не говорим) потребляет из сети электроэнергию, за которую мы (или государство) платим. Нам понятно, что за каждый час работы лампы мощностью 75 Вт придется платить в 5 раз больше, чем за час работы лампы мощностью 15 Вт. Но что именно мы получаем за свои деньги? Отнюдь не только свет. Вся затраченная электроэнергия никогда не преобразуется полностью в световую, значительная её часть выделяется в виде тепла.
Световой поток очень важная характеристика лампы. Он определяет ту часть мощности излучения, которая воспринимается глазом как видимый свет. Остальная часть излучения будет в инфракрасном (а иногда и в ультрафиолетовом) диапазоне. Световой поток – это именно то, что мы хотим получить от лампы. Чтобы рассчитать его, надо знать полный спектральный состав излучения, а также чувствительность глаза к свету разных длин волн (ту самую функцию видности, которая графически изображена на рис. 12, кривая 1). Вспомним, что при равных интенсивностях жёлто-зелёный свет воспринимается более ярким, чем красный и сине-фиолетовый. Световой поток учитывает эту особенность глаз. Для измерения светового потока ввели специальную единицу – люмен (лм).
Недостаточная освещенность в помещении, а также её переизбыток, могут вызывать повышенную утомляемость и даже головные боли. Чтобы прикинуть, сколько люменов вам потребуется для нормального освещения конкретного помещения, надо его площадь в квадратных метрах умножить на санитарно-гигиеническую норму для данного типа помещений, выраженную в лм/м2 (это при условии, что светильники подвешены не слишком высоко, не выше 3 м; если же выше, то увеличьте полученное число в 1,5 раза). Санитарно-гигиеническая норма для освещенности жилых комнат составляет 150 лм/м2, для рабочего кабинета или библиотеки 300 лм/м2. Например, если жилая комната имеет площадь 20 м2, для её освещения вам требуется 150 лм/м2 × 20 м2 = 3000 лм. Допустим, на упаковке лампы указан световой поток 940 лм (примерно такой световой поток даёт лампа накаливания мощностью 75 Вт), тогда потребуется минимум 3 таких лампы, а лучше 4. Если же лампа даёт световой поток 1500 лм (это может быть светодиодная лампа мощностью 20–22 Вт), то достаточно двух ламп. Итак, обеспечение достаточной освещённости – это условие нашего зрительного комфорта. Ради этого мы обращаем внимание на строку «световой поток» на упаковке лампы.
Другой вопрос – сколько нам придётся платить за обеспечение зрительного комфорта. Разные типы ламп имеют разную энергетическую эффективность – отношение светового потока к потребляемой мощности. Это отношение называют светоотдачей. Просто разделите выдаваемый лампой световой поток на потребляемую мощность, и вы узнаете светоотдачу лампы (она измеряется в лм/Вт). Так, в разобранных примерах светоотдача лампы накаливания составляет 940 лм: 75 Вт = 12,5 лм/Вт, а светоотдача светодиодной лампы 1500 лм: 20 Вт = 75 лм/Вт. Чем больше светоотдача, тем выгоднее лампа. Учитывать светоотдачу разных типов ламп важно в целях экономии денег и электроэнергии. Заменив три 75-ваттных лампы накаливания из нашего примера на две 20-ваттные led-лампы, мы будем тратить вместо 75 × 3=225 Вт всего 20 × 2 = 40 Вт – экономия электроэнергии более чем в 5 раз.
Самую высокую светоотдачу имеют светодиодные лампы: от 50 до 90 лм/Вт, самую низкую – обычные лампы накаливания (10–15 лм/Вт).
Индекс цветопередачи и цветовая температура
Обе эти характеристики тоже касаются зрительного комфорта: мы хотим видеть естественные цвета предметов. Насколько хорошо искусственный источник света обеспечивает такую возможность, определяется спектром его излучения.
Цвет предметов, как мы помним, меняется в зависимости от освещения. Для источников света ввели специальный параметр – индекс цветопередачи (обозначения: Ra или CRI, от английского Color Rendering Index). Он показывает, насколько натурально выглядят цвета предметов в свете данного источника, и может меняться в диапазоне от 0 до 100. Индексом цветопередачи 100 «наделили» солнечный дневной свет. Если Ra (он же CRI) искусственного источника света больше 90, цветопередача считается очень хорошей, от 60 до 80 – просто хорошей, от 40 до 60 – посредственной, менее 40 – очень плохой, представляющей дискомфорт для глаз. Покупая лампу, обратите внимание на эту характеристику: индекс цветопередачи для жилых помещений должен быть не менее 80.
Естественный свет различается в разное время суток и при различной погоде. Мы говорим: тёплый солнечный свет, холодный свет луны или пасмурного неба. Цветовая температура (Тц) связана с цветовой тональностью освещения. Её принято измерять в градусах Кельвина (К). Чем выше цветовая температура, тем «холоднее» свет: в нём больше представлена синяя составляющая спектра и меньше – красная. Мы как бы подбираем такую температуру теплового излучения (света свечи, солнца, раскалённого тела), при которой оно имело бы похожий окрас (в нашем восприятии). Так, при цветовой температуре 2000 К свет по окрасу похож на пламя свечи, при 3500 К – на свет утреннего солнца, при 5000 К – на полуденный солнечный свет, при 6000–7000К – на свет облачного неба, при 9000–10000 К – на яркий свет синего неба.
Температура в градусах Кельвина на 273 градуса выше температуры, измеренной по более привычной нам шкале Цельсия.
Все источники света, в соответствии с их цветовыми температурами и окрасом света, разделены на три группы:
Тц ниже 3500 К – тёплый белый свет;
Тц от 3500 до 5300 К – нейтральный белый, или дневной, свет;
Тц выше 5300 К – холодный белый свет.
Лампы накаливания имеют цветовую температуру от 2200 до 2800 К (чем больше мощность лампы, тем выше Тц, тем белее её свет), а разные типы светодиодных ламп – от 2700 до 8000 К.
Цветовая температура влияет на величину комфортной освещённости. Однако в санитарно-гигиенических нормах освещённости это влияние не учитывается! Но имейте в виду: при высокой цветовой температуре, когда в спектре лампы мало красного света, для создания комфортной для глаз световой среды требуется существенно бóльший уровень освещённости, чем прописано в санитарно-гигиенических нормах. Например, при Тц = 6000 К нормальная для жилой комнаты освещённость 150 лм/м2 будет ощущаться как «мало света», и для комфортного ощущения вам потребуется обеспечить освещённость минимум вдвое больше. Но, увеличивая число таких «холодных» ламп, вы одновременно увеличиваете интенсивность преобладающего в их спектре коротковолнового синего света, который при длительном воздействии вреден для сетчатки. (Об опасностях синего света ещё будет идти речь в дальнейшем.)
Не пытайтесь создать яркое освещение с помощью ламп холодного белого света. Хотя избыток синего не воспринимается как зрительный дискомфорт, он может представлять угрозу для глаз!
У источников с низкой цветовой температурой (менее 3000 К) есть другой недостаток: вы не сможете с их помощью обеспечить достаточно большую освещённость, если таковая требуется для тонкой работы. Дело в том, что при увеличении числа таких источников вы одновременно увеличиваете интенсивность преобладающего в их спектре красного света, который в большом количестве вызывает зрительный дискомфорт: свет кажется слишком ярким, хотя и не достигает нормального уровня освещённости. Это не опасно для глаз, просто неприятно. Так, освещённость более 250 лм/м2, созданная обычными лампами накаливания, воспринимается уже как избыточная. Чтобы увеличить её без появления дискомфорта, надо добавить лампы с более высокой цветовой температурой.
Коэффициент пульсаций
Этот очень важный параметр излучения изготовители ламп часто «забывают» указывать.
Свет большинства ламп, в отличие от естественного света, пульсирует, мерцает: их световой поток то усиливается, то ослабевает. У ламп накаливания пульсации связаны с переменным сетевым напряжением и происходят с удвоенной технической частотой 100 Гц. Люминесцентные и светодиодные лампы требуют для своей работы применения специальных устройств управления, часто работающих в импульсном режиме, поэтому свет этих ламп тоже может пульсировать.
Мы не воспринимаем эти пульсации визуально, но наш мозг их регистрирует. Исследования показали, что на электроэнцефалограмме мозга появляются навязанные пики активности с частотой пульсаций света. Эти навязанные ритмы подавляют естественные биоритмы нервной системы. Воздействие оказывают пульсации света, частота которых не превышает 300 Гц. Они приводят к изменению гормонального фона, который в свою очередь влияет на наши эмоции и работоспособность. Чем сильнее пульсации, тем быстрее устают глаза, тем труднее сосредотачиваться на работе, может даже заболеть голова. Самое печальное, что эти негативные воздействия мы не ощущаем напрямую и не осознаём причину, их вызвавшую.
К счастью, не все лампы одинаково плохи. Мы подробнее обсудим пульсации разного типа ламп в следующей главе.
Величина пульсаций характеризуется коэффициентом пульсаций КП и вычисляется по относительной глубине пульсаций светового потока.
Коэффициент пульсаций равен отношению полуразности максимального и минимального световых потоков к его среднему значению и выражается в процентах. Формула для расчёта коэффициента пульсаций:
где буквой Ф обозначен световой поток лампы.
Рис. 14. Пример зависимости светового потока Ф от времени
Для наглядности посмотрим на график (рис. 14). КП для этого примера составляет около 70 %.
Работа мозга нарушается при коэффициенте пульсаций выше 5–8 %, если частота пульсаций менее 300 Гц. Чем больше коэффициент пульсаций, тем хуже для мозга. Но превышение уровня пульсаций 20 % уже не имеет значения: пульсации глубиной 20 % и 100 % создают одинаковую угрозу здоровью.
Пульсации некоторых люминесцентных и светодиодных ламп могут быть более 30 %. Длительное их воздействие опасно для здоровья!
На территории РФ действуют санитарные нормы, ограничивающие допустимые пульсации источников света при частоте менее 300 Гц. Согласно этим нормам, в игровых комнатах детских садов и в учебных классах коэффициент пульсаций света должен быть менее 10 %. Этот же норматив действует для торговых залов супермаркетов, для парикмахерских и некоторых производственных и медицинских помещений. В помещениях с непродолжительным пребыванием людей норматив допускает пульсации до 20 %. Самые же строгие требования предъявляются к освещению мест, оборудованных компьютерной техникой. Здесь КП не должен быть больше 5 %. Это связано с тем, что помимо ламп пульсируют ещё и мониторы компьютеров, что создаёт дополнительную нагрузку на зрение и мозг.
Учтите, что при использовании диммеров (светорегуляторов) пульсации всех типов ламп могут существенно возрасти! Лучше для регулировки освещённости включать разное количество ламп.
Для измерения коэффициента пульсаций используют специальные приборы – пульсометры (или комбинированный люксметр + пульсометр).
Мы перечислили самые важные параметры ламп, на которые следует обращать внимание при выборе источников света. Ну а теперь пришла пора обсудить подробнее разные типы ламп: их принцип работы и связанные с этим достоинства и недостатки. Мы не будем рассматривать лампы для уличного освещения и других специальных целей – только применяемые в быту лампы накаливания, галогенные, люминесцентные и светодиодные лампы. И начнём с заслуженных ветеранов труда – ламп накаливания.