Электрическое освещение: от лампочки до светодиода

Как электрическая энергия становится светом, почему технологии расходуют разную мощность и что означают числа на упаковке лампы.

1. Что изменило электрическое освещение

До распространения электрических ламп люди освещали помещения свечами, масляными и газовыми светильниками. Они тоже позволяли работать вечером, но требовали топлива и создавали открытое пламя. Электрический свет сделал возможным иной способ доставки энергии: по проводам к источнику света. Освещение стало частью большой системы — с электростанциями, линиями, выключателями и приборами.

Свет изменил жизнь улиц, мастерских и домов. Однако техническая возможность работать дольше не означает, что человек должен меньше отдыхать. У хорошего освещения есть задача: помочь видеть нужные предметы без лишнего ослепления и расхода энергии.

2. Почему у лампочки много авторов

История электрического света началась раньше массового применения лампы накаливания. Исследователи создавали дуговые источники и пробовали нагревать проводники. Для бытовой лампы требовалось соединить несколько решений: стойкую нить, подходящую среду внутри колбы, надёжные контакты и возможность изготавливать всё это многократно.

В конце 1870-х годов Джозеф Суон в Великобритании и Томас Эдисон с сотрудниками в США совершенствовали лампы с углеродной нитью. Поэтому неверно приписывать всё электрическое освещение одному человеку. Существенный вклад Эдисона состоял также в развитии системы, которая обеспечивала лампы электрической энергией. У первых массовых ламп нить была не современной вольфрамовой.

В XX веке развивались вольфрамовые нити, газовое наполнение колб, люминесцентные лампы и электронные устройства питания. В конце XX — начале XXI века бытовое освещение всё шире использовало полупроводниковые источники. Это последовательность улучшений, а не замена одной удачной мысли другой за один день.

3. Лампа накаливания: сначала нагреть

Лампа накаливания содержит тонкую нить, соединённую с внешней цепью проводниками. Когда через нить проходит ток, электрическая энергия увеличивает её внутреннюю энергию: нить нагревается. Горячее тело излучает электромагнитные волны. При достаточно высокой температуре часть излучения становится заметна глазу.

Современные нити обычно делают из вольфрама: он выдерживает высокую температуру. Спираль позволяет разместить длинный тонкий проводник в небольшом объёме. Стеклянная колба не создаёт свет сама. Она отделяет нить от окружающего воздуха. Вакуум или подходящий газ ограничивает окисление. Постепенное испарение материала и другие процессы всё равно ограничивают срок службы.

У нагретой нити много невидимого инфракрасного излучения. Кроме того, энергия передаётся деталям и воздуху. Поэтому лампа накаливания расходует сравнительно много электрической энергии ради нужного видимого света. Нельзя считать всю потреблённую энергию светом, который видит человек.

На странице температура нити задаётся в кельвинах, и меняется условное свечение. Это качественная модель, без расчёта реального спектра. Температура нити здесь физическая; позже число K на упаковке LED будет означать другое свойство — цветовую температуру.

4. Люминесцентная лампа: свет через люминофор

В люминесцентной лампе электрический разряд в газовой среде создаёт излучение, в том числе ультрафиолетовое. Слой люминофора на внутренней поверхности трубки поглощает часть этого излучения и испускает видимый свет. Люминофор — материал, который способен излучать свет после возбуждения; он не обязательно содержит химический элемент фосфор.

Для запуска и устойчивой работы нужны устройства питания и ограничения тока. Компактная люминесцентная лампа объединяет трубку и электронную схему в небольшом приборе. Лампы этого типа содержат ртуть, поэтому их собирают и утилизируют по местным правилам. LED и люминесцентная лампа могут иметь похожую колбу, но принцип возникновения света у них различается.

5. Светодиод: свет из полупроводника

Светодиод, или LED, — полупроводниковый прибор. В нём при подходящем направлении тока электроны и дырки могут рекомбинировать, а часть освобождаемой энергии испускается в виде фотонов. Дырка — удобное описание незаполненного электронного состояния, которое ведёт себя как положительный носитель заряда; это не физическая дырочка в кристалле.

Цвет излучения связан с энергетическими свойствами полупроводника. Для разных цветов требуются подходящие материалы и структура. LED не нужно сначала раскалять до температуры нити накаливания. Это не означает отсутствия нагрева: не вся электрическая энергия становится излучением, а электронная схема также имеет потери.

6. Почему синий светодиод стал прорывом

Красные и зелёные светодиоды существовали раньше эффективных ярких синих. Получение синего света требовало трудных решений в выращивании и управлении свойствами полупроводников. В начале 1990-х годов работы Исаму Акасаки, Хироси Амано и Сюдзи Накамуры привели к эффективным синим светодиодам. В 2014 году они получили Нобелевскую премию по физике.

Белый свет можно получить сложением подходящих долей красного, зелёного и синего света. Другой распространённый способ — синий LED с люминофором. Люминофор поглощает часть синего излучения и испускает более длинноволновое. Сочетание оставшегося синего и преобразованного света воспринимается как белое.

Сложение света отличается от смешивания красок: краски поглощают части падающего на них света. Кроме того, два источника, кажущиеся белыми, могут иметь разные спектры и по-разному передавать цвета предметов.

7. Что находится внутри LED-лампы

Внешне светодиодная лампа может напоминать обычную лампочку, но внутри устроена иначе. Свет испускают один или несколько светодиодов на плате. Рассеиватель распределяет их свет и скрывает отдельные яркие точки. Драйвер обеспечивает подходящее питание. Плата и корпус участвуют в отводе тепла. Цоколь соединяет прибор с патроном.

У разных ламп форма платы, корпус и расположение электроники отличаются. На странице показан условный разрез, а не инструкция по разборке. Нельзя открывать прибор, подключённый к сети. Даже после отключения в электронной схеме может оставаться заряд. Для урока достаточно безопасной иллюстрации и готового отключённого образца, если его подготовил учитель.

8. Ватты, люмены, люксы и кельвины

Световая отдача равна отношению светового потока к мощности и измеряется в лм/Вт. Для учебной LED-лампы 800 лм и 8 Вт получаем 100 лм/Вт. Для лампы 800 лм и 60 Вт — примерно 13,3 лм/Вт. Это световая отдача, а не процент преобразования энергии: люмены учитывают чувствительность глаза, ватты — энергию за секунду.

Одинаковые люмены не гарантируют одинаковую освещённость стола. Свет может уходить во все стороны или собираться в узкий пучок; расстояние, плафон и положение лампы тоже важны. Для идеального точечного источника в одном направлении без препятствий освещённость перпендикулярной поверхности уменьшается с квадратом расстояния. Для реальных светильников форма и оптика требуют отдельного учёта.

9. Оттенок света и цветопередача

Тёплый белый свет около 2700 K выглядит желтоватым, более высокая цветовая температура даёт более холодный, голубоватый оттенок. Для LED это коррелированная цветовая температура: она сопоставляет оттенок с эталонным тепловым излучателем. Корпус лампы не нагрет до 2700 K. Слова «тёплый» и «холодный» здесь относятся к восприятию цвета.

Цветопередача описывает, как источник позволяет различать цвета предметов относительно эталона. Распространённый индекс CRI (Ra) не равен световому потоку и не описывает все качества освещения. У источников с одинаковыми K и люменами может быть разная цветопередача. Мерцание и ослепление тоже нельзя определить по этим двум числам.

10. Разобранный расчёт энергии

Условие: пять ламп работают по четыре часа в день, 365 дней. Сравниваем лампы по 60 Вт и 8 Вт; световой поток каждой — 800 лм. Найдём расход энергии за год. Тариф для задачи — 6 ₽/кВт·ч. Это не текущая рыночная цена.

E = P × t × n; t = 4 × 365 = 1460 ч

Накаливание: 0,060 кВт × 1460 ч × 5 = 438 кВт·ч. LED: 0,008 кВт × 1460 ч × 5 = 58,4 кВт·ч. Разность — 379,6 кВт·ч, то есть примерно 86,7% расхода первого варианта. Денежная разница при заданном тарифе: 379,6 × 6 = 2277,6 ₽.

Модель учитывает только электрическую энергию. Она не включает стоимость покупки, срок службы, замену, изменение потока со временем или различные режимы работы. Для полного сравнения затрат эти условия надо добавить. Нельзя объявлять любой LED «в 7,5 раза экономичнее» без указания сравниваемых ламп и одинаковой полезной задачи.

11. Частые ошибки

• «60 Вт — это яркость». Это мощность. Для сравнения светового потока смотрят на люмены.
• «LED совсем не нагревается». Нагрев есть, поэтому нужен отвод тепла.
• «6500 K светит сильнее, чем 2700 K». Это разные оттенки, а не сравнение светового потока.
• «Белый свет всегда содержит одинаковый спектр». Одинаково воспринимаемый белый может получаться из разных спектров.
• «кВт·ч — это мощность». Это единица энергии; кВт — единица мощности.
• «Лампу изобрёл один человек». Рабочие лампы и системы освещения создавались многими людьми.

12. Самопроверка с объяснениями

Почему колба не является главным источником света в лампе накаливания?

Видимый свет излучает горячая нить. Колба защищает её от окружающего воздуха и помогает создать подходящую внутреннюю среду.

Две лампы: 800 лм/8 Вт и 800 лм/12 Вт. Какая имеет большую световую отдачу?

Первая: 100 лм/Вт против примерно 66,7 лм/Вт. При равном времени она потребляет меньше энергии. По этим данным нельзя определить срок службы или мерцание.

Одна лампа 10 Вт работает 3 ч/день в течение 30 дней. Сколько энергии?

0,010 кВт × 90 ч = 0,9 кВт·ч. Сначала переводим ватты в киловатты.

Почему синий LED подходит для получения белого света с люминофором?

Люминофор преобразует часть синего излучения в более длинноволновое. Оно смешивается с оставшимся синим. Воспринимаемый белый — результат этого сочетания.

13. Заметки для учителя

Урок удобно разделить на два занятия. На первом пройти историю, нить и три технологии; на втором — LED, величины и практический выбор. Перед сравнением попросите учеников предсказать: какая лампа с одинаковыми люменами потребляет меньше энергии и почему? После переключений объяснение важнее угадывания ответа.

Безопасная работа с упаковками: сравнить Вт, лм, K, CRI и цоколь. Не включать разобранные лампы и не использовать самодельные опыты с сетью. Измерение освещённости потребует люксметра и одинаковых расстояний; приложение телефона без проверки калибровки не стоит выдавать за точный измерительный прибор.

На рисунках подписи точные, но изображения художественные. Тепловая модель и оттенок комнаты условные. Пустые окна видео и 3D имеют текстовые объяснения и не означают, что ролик или сцена уже подключены. При объяснении истории подчеркните разницу между открытием физического эффекта и созданием надёжного массового прибора.

Вернуться в лабораторию света