» مقالات روشنایی » تاریخچه نور و روشنایی

تاریخچه نور و روشنایی

تاریخچه نور:

تامین نور از مواردی است که در طول تاریخ تغییر و تحولات فراوانی داشته است و همچنان نیز در حال رشد و ارتقاء می باشد.

انسان ها در ابتدا با استفاده از سوزاندن چوب و صرفا از روشنایی آتش بهره می بردند.

تغییر و تحولات نور و روشنایی در طول تاریخ به حدی گسترده است که می توان از آن ، در جهت نشان دادن سیر تحول و پیشرفت تاریخ بشر هم یاد کرد.

استفاده از آتش مسیر تکاملی فوق العاده بشر برای ساختن تمدن را میسر ساخته است. که این سیر تکاملی به این صورت است که در ابتدا از چوب و سپس چربی حیوانی و روغن حیوانی به عنوان سوخت بهره گرفته می شد.

قبل از میلاد مسیح شمع ها از جنس موم بوده اند. که با پیشرفت و رشد بشر در قرن هجدهم ، شمع ها را از پارافین می ساختند. در همین سیر تکاملی در قرن نوزدهم میلادی مخترعان انگلیسی نوعی چراغ گازی برای استفاده در خیابان ها ساختند که این نوع چراغ ها به دلیل گازهای سمی که به هنگام شکسته شدن متصاعد می کردند برای سلامتی بسیار مضر بودند. و انسان ها را به اختراع های جدیدی متمایل می ساخت.

روند تکاملی نور و روشنایی را در شکل زیر به صورت خلاصه می توانید ببینید:

تاریخچه نور و روشنایی

لامپ ادیسونی :

اولین لامپ برقی جهان در سال 1879 توسط توماس ادیسون اختراع شد.

تصویر زیر ، اولین لامپی است که ادیسون طی بارها آزمون و خطا اختراع نمود. به طوری که خودش گفته است : " من نهصد و نود و نُه بار شکست نخورده ام ، بلکه نهصد و نود و نُه روش یاد گرفته ام که چگونه لامپ ساخته نمی شود."

لامپ ادیسون

ادیسون لامپ را با استفاده از اصل زیر اختراع نمود :

"با عبور جریان برق از سیم ها ، نور و گرما تولید می شود. بعبارتی لامپ انرژی الکتریکی ورودی را به انرژی گرمایی و نور تبدیل می کند."

در لامپ ادیسون سیم ها از جنس پلاتین بودند که آن ها را در یک لامپ شیشه ای مهر و موم کرده بود. با اتصال دو سمت این فنر (سیم ها) به وسیله برقی لامپ قرمز می شد و شروع به تابیدن می کرد.

با توجه به گران بودن پلاتین این چراغ ها زیاد مشهور نشدند و مورد استفاده قرار نگرفتند. به همین علت جنس این سیم ها تغییرات زیادی کرد و از موادی مثل کربن ، تنگستن و تنتالوم نیز استفاده شد. که با توجه به بالابودن نقطه ذوب این فلزات میله های ساخته شده از این فلزات نیز به آسانی نمی شکند.

لامپ رشته ای :

این لامپ ها همانند لامپ ادیسونی هستند با این تفاوت که رشته ها از جنس تنگستن هستند و دو انتهای این میله به یک سیم ضخیم جوش می خورد. این سیم های ضخیم از طریق یک محفظه ی شیشه ای عبور می کنند.

در این لامپ ها جریان الکتریکی از یک رشته سیم نازک به نام تنگستن که مقاومت الکتریکی بالایی دارد عبور می کند و باعث داغ شدن آن می شود. تنگستن در اثر داغ شدن نورانی می شود.

در ساخت لامپ چرا از حباب شیشه ای استفاده می کنند؟

در صورت مجاورت رشته های تنگستن با اکسیژن ، این رشته ها خیلی سریع اکسیده شده و می سوزند به همین علت از حباب شیشه ای برای جلوگیری از این اختلال استفاده می کنند.

اندازه و ولتاژ لامپ های رشته ای از 1.5 تا 300 ولت متفاوت خواهد بود.

لامپ هالوژنی :

لامپ هالوژن نوعی لامپ رشته‌ای است که در آن گازهای فشرده و خنثی و مقدار اندکی از عناصر هالوژن مانند ید و برم اضافه شده‌است. چرخه موجود در لامپ‌های هالوژن که موجب ته‌نشین شدن مجدد تنگستن بخار شده بر روی رشته می‌شود نقش مؤثری در افزایش عمر این نوع لامپ‌های دارد. در این لامپ‌ها به علت وجود همین چرخه امکان بالا بردن دمای رشته بدون کاهش یافتن عمر لامپ نسبت به لامپ‌های معمولی نیز به وجود می‌آید که به افزایش بهره‌وری این لامپ‌ها می‌انجامد. این لامپ‌ها همچنین به علت اندازه کوچک و نور مناسب و آرامش بخششان، کابردهای خاص خودشان را در میان سیستم‌های روشنایی دارند.

به عنوان نمونه، یک لامپ التهابی 100 وات با اندازه بزرگش، با یک لامپ هالوژن خودرو در اندازه کوچک و همچنین با بهره نوری بالاتر،برابری می‌کند.

تاریخچه لامپ هالوژنی

اولین لامپ‌ها از این دست در سال ۱۹۵۹ به وسیله شرکت جنرال الکتریک (GE) روانه بازار شد. در این لامپ‌ها از ید استفاده می‌شد و آن‌ها را کوارتز-ید (Quartz Iodine) می‌نامیدند. خیلی زود برم نیز به عنوان عنصری مناسب و با مزیت برای این کار شناخته شد. در آن زمان از این لامپ‌ها در کاربردهای خاص و برای روشنایی استادیوها، پروژکتورها و لامپ‌های خودرو استفاده می‌شد. بعدها در اوایل دهه ۱۹۷۰ حباب‌های خاصی نیز برای این لامپ‌ها ایجاد شد که آلومینوسیلیکا نام داشت. امروزه بالا رفتن تکنولوژی ساخت این لامپ‌ها موجب پایین آمدن قیمت این لامپ‌ها و افزایش بهره‌وری آن‌ها شده و امکان استفاده از این نوع لامپ‌ها در کاربردهای مختلفی ایجاد شده‌است.

نحوه عملکرد

در این لامپ‌ها وظیفه گاز هالوژن، ایجاد یک چرخه شیمیایی است که در ان تنگستن بخار شده در اثر حرارت از روی سطح رشته دوباره بر روی آن ته‌نشین شود. از آنجا که در لامپ‌های التهابی معمولی، تنگستن بخار شده، بر روی حباب لامپ ته‌نشین می‌شود ته‌نشین نشدن تنگستن بر روی حباب در لامپ‌های هالوژن موجب تمیز ماندن حباب و ثابت ماندن نور لامپ در طول عمر این لامپ‌ها می‌شود. عملکرد هالوژن در لامپ به این صورت است که هالوژن در قسمت‌های کم دماتر حباب با بخار تنگستن ترکیب می‌شود. این ترکیب با رسیدن با نقاط بسیار داغ لامپ یعنی روی رشته جداشده و دوباره به صورت هالوژن و تنگستن در می‌آید و به این ترتیب هالوژن تنگستن بخار شده را دوباره به رشته بازمی‌گرداند. از آنجا که هالوژن و بخار تنگستن باید با هم ترکیب شیمیایی شوند که دمای بسیار بالایی مورد نیاز است، پس باید تحمل حباب لامپ در مقابل این دما، باید از لامپ‌های معمولی بیشتر باشد. برای جلوگیری از آسیب دیدن حباب در این دما حباب این لامپ‌ها باید از کوارتز یا انواع دیگر شیشه‌ها با دمای ذوب بالا (مانند آلومینوسیلیکا) ساخته شود.

از آنجایی که کوارتز از مقاومت خوبی در مقابل فشار برخوردار است استفاده از این ماده این امکان را فراهم می‌آورد تا فشار گاز داخل حباب افزایش یابد و افزایش فشار گازهای داخل حباب باعث کاهش تبخیر تنگستن از روی رشته و افزایش عمر لامپ می‌شود. به هر حال در این لامپ‌ها تنگستن بخار شده معمولاً بر روی محل اولیه خود ته‌نشین نمی‌شود و در نهایت، رشته در قسمت‌هایی که بیشتر گرم می‌شوند نازک شده و قطع می‌شود. در این حال میگوییم لامپ سوخته است.

لامپ های گازی (بخار جیوه ، بخار سدیم ، متال هالید ، زنون) :

لامپ های بخار سدیم :

لامپ های بخار سدیم معمولاً به دو دسته تقسیم می شوند : لامپ بخار سدیم پرفشار و لامپ بخار سدیم کم فشار.

لامپ بخار سدیم پرفشار :

اساس عملکرد این لامپ و سایر لامپ های گازی ، تخلیه الکتریکی می باشد. در این لامپ ها اتم گاز تحریک شده و نتیجتاً الکترونی از یک مدار پایین به مدار بالاتر که ناپایدارتر است، حرکت می کند. الکترون جهت پیدا کردن یک موقعیت پایدارتر مجدداً به حالت اولیه یا یکی مدار پایین تر برمی گردد. این عمل با آزاد شدن انرژی به صورت انرژی نورانی و گرمایی همراه همراه است.

لامپ های گازی بخار سدیم پرفشار به دلیل اینکه فشار درون محفظه آن ها بیش از 1/0 بار (10000 پاسکال) است به پرفشار معروف هستند.البته هنگام روشن شدن ، فشار گاز داخل آن ها تا MPa10 افزایش می یابد. درون محفظه از بخار گاز سدیم و گزنون (گاز بی اثر) پر شده است. جهت تخلیه اولیه ولتاژی حدود kV 5 نیاز است و جریان تخلیه بین 1 تا 10 آمپر می باشد. دمای محفظه تخلیه تا چندین هزار درجۀ سیلسیوس بالا می رود. بهرۀ نوری این لامپ ها در حالت معمول تا 130 و در شرایط خاص تا 150 لومن بر وات ثبت شده است. طول عمر این لامپ ها نسبتاً بالا بوده . با توجه به درجه حرارت داخلی بالای این لامپ ها، درجه حرارت محیط بر عملکرد آن ها بی تأثیر است. ضریب برگردان رنگ این لامپ ها پایین و دارای طیف زرد و کمی طیف آبی بوده و در نتیجه رنگ قرمز زیر این لامپ ها به خوبی قابل رؤیت نمی باشد. کاربرد اصلی این لامپ ها جهت روشنایی خیابان ها بوده و برای این کار مناسب می باشند. لامپ های سدیم پرفشار با توان بین 35 تا 1000 وات در بازار موجود می باشند. طبق استاندارد می بایست از این لامپ با توان بالاتر از 50 وات استفاده گردد.

اما از معایب این لامپ ها علاوه بر پایین بودن ضریب برگردان رنگ، می توان به بالا بودن زمان روشن و خاموش شدن مجدد آن ها اشاره کرد. زیرا در موقع روشن شدن، حدوداً  دقیقه زمان لازم است تا شار نوری لامپ به حالت نرمال برسد.در ضمن نمی توان این لامپ را بلافاصله بعد از خاموش کردن روشن کرد و باید تا کاهش فشار بخار سدیم و سرد شدن لامپ منتظر ماند. بعد از خاموش شدن نیز زمانی بین 10 تا 15 دقیقه لازم است(زمان خنک شدن) تا لامپ دوباره روشن شود.

لامپ بخار سدیم کم فشار

لامپ بخار سدیم کم فشار متشکل از یک لوله داخلی با دو الکترود اصلی بوده که درون آن با گاز بخار سدیم پر شده و داخل آن قوس الکتریکی ایجاد می شود. به همین دلیل و با توجه به وجود قوس، درجه حرارت این لوله بالا بوده (در حدود 270 درجه) و نتیجتاً برای جلوگیری از اتلاف حرارتی، از یک حباب داخلی استفاده می شود.

درون این حباب خلاء می باشد و سطح داخلی آن نیز با یک ماده منعکی کننده اشعه حرارتی مادن قرمز مانند اکسید اینیدیوم پوشانیده می شود. در این لامپ ها به دلیل طول بلند قوس الکتریکی ، طول لوله داخلی نیز بلند بوده و نتیجتاً به منظور اشغال فضای کوچکتر ، آن را به شکل U می سازند. با این عمل هم حجم لامپ کم می شود و هم از تلفات انرژی حرارتی جلوگیری می شود. این لامپ فقط در وضعیت افقی روشن می شود.

در لامپ های سدیم کم فشار حدود 5/99 درصد از تشعشعات مرئی در ناحیه زرد رنگ با طول موج 589 تا 6/589 نانومتر می باشد. در شروع کار (زمان استارت)، نور قرمزی تولید می گردد که ناشی از تخلیه در گاز نئون بوده ولی کم کم به نور زرد ناشی از بخار سدیم تبدیل می شود. این لامپ ها ضریب بهره نوری بالایی داشته به طوری که تا 200 لومن بر وات نیز رسیده است.

علی رغم ضریب بهره نوری بالای این لامپ ها، ضریب برگردان رنگ آن ها  خیلی پایین است ( کمتر از 20). یه همین علت به حالت تک رنگ (رنگ زرد) نیز شناخته می شوند. درجه حرارت محیط مانند سایر لامپ های گازی کم فشار، بر عملکرد این لامپ ها تأثیر می گذارد. این لامپ ها پس از خاموش شدن می توانند فرمان وصل بگیرند. در حالت عادی زمانی تا حدود 20 دقیقه طول می کشد تا لامپ به شارنوری نامی خود برسد.

از دیگر نقاط ضعف لامپ های بخار سدیم کم فشار، طول عمر آن ها بوده (حدودا 16000 ساعت) که در مقایسه با لامپ  های بخار سدیم پرفشار پایین تر می باشد. همچنین این لامپ ها ابعاد بزرگی دارند.

با توجه به دلایل ذکر شده ، استفاده از لامپ بخار سدیم کم فشار فقط در معابری که کاربری اصلی آن ها جابجایی است، امکان پذیر است. زیرا در چنین معابری نیازی به نور با ترکیب رنگ های مختلف نمی باشد. اما در سایر معابر ، از جمله معابری که از مراکز خرید و مراکز فعالیت های اجتماعی و اقتصادی شهری و غیره می گذرند، استفاده از لامپ های بخار سدیم پرفشار که از ترکیب مناسبی از رنگ نور را دارا هستند، مناسب تر است.

لامپ بخار جیوه پرفشار

لامپ های بخار جیوه از نسل های اولیه لامپ های گازی بوده و امروزه خیلی کمتر مورد استفاده هستند. به خاطر وجود جیوه در این لامپ ها، کاربرد آن ها علی رغم قیمت پایین، محدود است. ضریب بهره نوری لامپ های بخار جیوه تا 70 لومن بر وات می باشد.

این لامپ ها که در روشنایی معابر به کار برده می شوند، از خانواده لامپ های پرفشار هستند و ضریب برگردان رنگ در آن ها از 60 نیز بالاتر می رود. لامپ بخار جیوه را نمی توان بلافاصله بعد از خاموش کردن ، روشن نمود. برای روشن کردن دوباره آن ها باید مانند لامپ بخار سدیم پر فشار 10 تا 15 دقیقه صبر کرد. ضریب توان و ضریب نگهداری این لامپ ها پایین است. از این لامپ ها بیشتر برای روشنایی خیابان ها ، میادین ، معادن و کارخانه ها استفاده می شود. در توان الکتریکی برابر ، نور لامپ جیوه ای بیش از سه برابر نور لامپ رشته ای است.پارلمان اروپا به دلیل نضرات زیست محیطی جیوه، استفاده و خرید و فروش این لامپ ها را از سال 2015 در اروپا ممنوع نموده است.

طول عمر این لامپ ها نیز مانند لامپ های بخار سدیم کم فشار بالغ بر 16000 ساعت باشد.

لامپ متال هالید

درون محفظه­ی جرقه­ی این لامپ های پرفشار از گازهای هالوژنه که عمدتاً گزنون (و یا نئون) می باشد، پر شده است. بزرگترین مزیت این لامپ ها ضریب نمود رنگ بسیار بالای آن ها می باشد به طوری که تا سقف 96 نیز برای آن ها ثبت شده است. ضریب بهرۀ نوری این لامپ ها، 75 تا 125 لومن بر وات است(باستثنای تلفات بالاست) است. از مزایای دیگر این لامپ ها ، درجه حرارت رنگ آنهاست که از K3000 تا K7000 قابل تغییر است.

طول عمر لامپ های متال هالید در مقایسه با لامپ های دیگر پایین (حدوداً 12000 ساعت) و قیمت آن ها در مقایسه با سایر لامپ ها بیشتر است. کاربرد اصلی این لامپ ها در فروشگاه ها و محل های خرید می باشد. با راه اندازی الکترونیکی ، در زمانی حدود 40 ثانیه پس از روشن شدن به 90 درصد شار نوری خود می رسند. زمان خنک شدن (کلید زنی مجدد) آن ها مانند لامپ بخار سدیم پرفشار حدود 10 تا 15 دقیقه می باشد.

لامپ فلورسنت (CFL) :

ضریب بهره نوری لامپ های فلورسنت از اکثر لامپ های مورد استفادهه در روشنایی معابر کمتر بوده و حداکثر مقدار آن حدود 70 لومن بر وات می باشد. بستگی شدید شارنوری این لامپ ها به درجه حرارت محیط، یکی از ایرادهای آن ها است. از این رو جهت استفاده از لامپ های فلورسنت در روشنایی معابر باید از نوع آمالگام استفاده شود تا میزان شارنوری خروجی در برابر تغییرات درجه حرارت محیط پایدار گردد.

دو نقطۀ قوت این لامپ ها ضریب نمود رنگ بیش از 80 و نیز امکان دستیابی به لامپ هایی با توان های پایین است. قیمت این لامپ ها نیز مناسب می باشد.

راه اندازی لامپ های فلورسنت تلفات متفاوتی داشته به طوری که تلفات بالاست های القایی تا %30 نیز رسیده و تلفات بالاست های الکترونیکی حدود %10 می باشد. لامپ های فلورسنت نیز به خاطر دارا بودن بخار گاز جیوه برای محیط زیست مضر هستند.

همچنین لامپ های فلورسنت به خاطر داشتن طول بلند و نور خروجی مطبوع و ملایم، برای روشنایی ناحیه داخلی تونل در روز و نیز روشنایی تمام تونل در طول شب مناسب هستند. استفاده از این لامپ ها در امتداد محور تونل در ردیف های پیوسته ، یکنواختی بسیار خوب نور و جلوگیری از فلیکر را تضمین می کند. ولی باید دقت شود که در مواقع کاهش دمای داخل تونل به زیر صفر ، روشن شدن این لامپ ها با مشکل مواجه نگردد. کاربرد اصلی این لامپ ها در روشنایی داخل ساختمان ها است.

لامپ و چراغ روشنایی LED :

 لامپ و چراغ روشنایی LED

LED مخفف کلمات Light Emitting Diod می باشد که به معنی دیود نورافشان است. قطعات الکترونیکی به دو دسته هادی و نیمه هادی تقسیم بندی می شوند . که LED ها جزو دسته نیمه هادی هستند که اگر جریان الکتریسیته ازآن ها عبور کند از خود نور ساطع می کنند.

فردی به نام Henry Joseph Round در سال 1907 برای اولین باربا اتفاقاتی مواجه شد که متوجه شد زمانی که برق 10 ولت به کریستال کربوراندوم وصل می شود، نور زرد رنگی ساطع می شود.

در همان سال 1907 فردی به نام Oleg Vladimirorich Loser در روسیه این موضوع را کشف کرد و در سال 1927 این موضوع را با عنوان اولین دیود نورافشان منتشر کرد.

سپس در سال 1955 ، Rubin Braunstein گزارشی د رابطه با ایجاد نور مادون قرمز از یک سری دیود با اعمال جریان برق منتشر کرد.

و در سال 1961 دونفر به نام های Gray Pittman و Bob Biard دستاوردی جدید داشتند و آن هم این بود که دریافتند اعمال جریان به دیود گالیم آرسنید ، نور مادون قرمز  ساطع می گردد. که همین را به شکل چراغ مادون قرمز با عنوان اختراع ثبت کردند.

در سال 1962 Nick Holonyak ساخت LEDها با نوری قابل مشاهده و رنج کاملی از فرکانس ها را انجام داد. که منجر به دریافت جایزه نوبل شد.

سرانجام در سال 1979 فردی به نام Shuji Nakamura از شرکت Nichia اولین LED آبی رنگ را اختراع کرد که این دانشمند بابت این اختراع جایزه نوبل دریافت کرد.

در حال حاصر LED ها رنگ بندی متنوعی دارند. و به علت قیمت بالای LEDهای اولیه تنها در آزمایشگاه های بسیار حرفه ای مورداستفاده قرار می گرفت. شرکت Fairchild Semiconductors که شرکتی فعال در ساخت قطعات الکترونیکی است در سال 1970 توانست با تولید سطوح نیمه رسانای مخصوص، هزینه تولید هر LED  را به 5 سنت کاهش دهد. این در حالی است که قیمت LED های اولیه حدود 200 دلار بود.

LEDها به دو صورت نور مرئی و نور نامرئی ساخته می شوند که :

امروزه LEDهای نور مرئی جایگزین لامپ رشته ای و گازی شده اند.

 LED های نور نامرئی (مادون قرمز) نیز در ریموت کنترل تلویزیون، دستگاه های پخش و ... استفاده می شود.

حالا که با تاریخچه و مفهوم LED آشنا شدید توضیحات بیشتری در مورد لامپ و چراغ LED می دهیم .

اجزاء تشکیل دهنده لامپ و چراغ LED

لامپ و چراغ LED از 3 بخش تشکیل می شوند :

1- بدنه :

به بخش بیرونی لامپ یا چراغ LED بدنه می گویند. بدنه از یک طرف مسئولیت حفظ و تامین زیبایی بصری را برعهده دارد و از طرف دیگر وظیفه انتقال حرارت به محیط را نیز انجام می دهد. به همین علت جنس مورد استفاده در بدنه بسیار حائز اهمیت می باشد. که بهترین جنس برای بدنه را آلومینیوم می دانند. باید توجه داشت که کنترل و دفع حرارت توسط بدنه سبب افزایش طول عمر لامپ یا چراغ LED می شود.

2- درایور :

تکنولوژی های LED سازگار با ولتاژ DC هستند. و با توجه به اینکه ولتاژ برق شهری از نوع AC است لذا می بایست ولتاژ AC شهری را به ولتاژ DC تبدیل کرد تا بتوان آن را بکار گرفت. عمل ولتاژ AC به ولتاژ DC توسط درایور انجام می گیرد.

در مطالب بعدی انواع درایورها را بررسی خواهیم کرد.

3- LED

حیاتی ترین بخش یک لامپ یا چراغ ، LED است. که عوامل مهمی از جمله دمای رنگ ، شارنوری ، شدت روشنایی و ... در تعیین میزان بازدهی آن ها موثر است.

در مطالب بعدی انواع LED را بررسی خواهیم کرد.

مزایا و معایب لامپ و چراغ LED به شرح زیر است :

1.      طول عمر بالای چراغ های LED یکی از شاخص ترین مزیت های آن هاست. که با توجه به این مزیت می توان به توجیه پذیر بودن اقتصادی استفاده از این چراغ ها اعتماد کرد.

2.      عدم استفاده از گازهای مضر در ساخت آن از جمله گاز جیوه که منجر به آلودگی های زیست محیطی بسیاری می شود.

3.      عدم انتشار پرتوهای مضر فرابنفش (UV) و همچنین مادون قرمز (IR)

4.      رنگ نور استاندارد

5.      امکان تنظیم رنگ نور

6.       امکان تنظیم زاویه تابش

لامپ های LED عیب خاصی ندارند، فقط هزینه خرید آن گرانتر از بقیه لامپ ها می باشد که در نوشتار های بعدی با مقایسه کامل و دقیق بررسی خواهیم کرد که کاملا به صرفه هستند.