Судовая светотехника занимается изучением комплекса вопросов, связанных с созданием источников света, осветительных приборов, а также проектированием и эксплуатацией судовых осветительных установок с учетом их специфики.
Источники света в судовых осветительных установках — лампы накаливания и газоразрядные лампы высокого и низкого давления (табл. 1).
В лампах накаливания (ЛН) электрическая энергия превращается в тепловую путем нагревания вольфрамовой нити электрическим током. Тепловая энергия нагретой до 2400—3000°К нити излучается в виде тепловых и световых лучей. На долю видимых лучей приходится в лучшем случае 3% затраченной энергии. Для нормальной осветительной лампы 15 Вт эта величина равна 1,1%, а для лампы 1500 Вт — 2,8%. Остальная энергия тратится, преимущественно, на тепловые потери.
Основные характеристики ламп накаливания: номинальное напряжение ламп обычно соответствует принятым стандартным напряжениям или их половине (например, 55 В); номинальная мощность ЛН может составлять от долей ватта До 5 кВт (прожекторные лампы); световой поток находится в прямой связи с мощностью и светоотдачей лампы. Обозначенный в ГОСТе или справочнике световой поток относится к началу срока службы ЛН и с течением времени снижается. Световые электрические характеристики ламп накаливания очень сильно зависят от подведенного напряжения (рис. 1). При повышении напряжения на 5% сверх номинального, световой поток увеличивается на 20%, а срок службы сокращается почти вдвое.
Поэтому постоянство напряжения является непременным условием правильной эксплуатации ламп; световая отдача, представляющая собой отношение светового потока ламп к ее мощности и характеризующая экономичность лампы, находится в прямой зависимости от температуры нити. Чем ниже номинальное напряжение и больше мощность ЛН, тем выше ее светоотдача, так как нить накаливания такой лампы прочнее и допускает более высокую температуру; срок службы (средний) нормальных осветительных и судовых ламп — 1000 ч. Срок службы ЛН по ГОСТу не указывает на продолжительность ее эксплуатации, а лишь определяет время, в течение которого ее световой поток снижается до установленной нормы (для большинства ЛН — на 10% обозначенного в каталоге).
Для подключения большого числа светильников на судне используются специальные распределительные и ответвительные коробки для обслуживания кабельных трасс освещения.
Довольно распространены коробки У409 со степенью защиты IP65, что позволяет устанавливать их на открытой палубе. Такие коробки помогают обслуживать кабельные соединения светильников, а также упрощают поиск светильников с низкой изоляцией.
Таблица 1. Основные параметры ламп накаливания и люминесцентных ламп, применяемых на судах
По заполнению колбы различают электрические лампы: пустотные или вакуумные (до 60 Вт); газополные, наполненные смесью аргона (86%) и азота (14%).
Для надежного крепления лампы в арматуре и подвода напряжения к электродам ламп их снабжают цоколями: резьбовыми (P-40, P-27, P-14 и P-10); штырьковыми двухконтактными (2Ш-22 и 2Ш-15); штырьковыми одноконтактными (1Ш-15, 1Ш-9). Числа 40, 27, 22 и т. д. обозначают диаметр цоколя в миллиметрах. Лампы с резьбовыми цоколями применяют в местах, где исключено самоотвинчивание их, а со штырьковыми — в местах, подверженных вибрации и тряске, где возможно самоотвинчивание ламп с резьбовыми цоколями.
В газоразрядных источниках света используется явление люминесценции — собственного излучения атомов и молекул при возбуждении их энергией каких-либо лучей (ультрафиолетовых, световых, бета-лучей и др.). Преобразование электрической энергии в световую в большинстве газоразрядных ламп имеет две фазы: свечение газового промежутка между электродами, заполненного инертным газом и парами ртути, под действием дугового электрического разряда (электролюминесценция) и свечение люминофора под действием излучения газового промежутка (фотолюминесценция).
Рис. 1. Зависимость параметров ламп накаливания от напряжения: (% — от номинальных значений): 1 — сопротивление; 2 — сила тока; 3 — мощность; 4 — световая отдача; 5 — световой поток; 6 — срок службы
Рис. 2. Схема включения люминесцентной лампы со стартером тлеющего разряда
Люминесцентные лампы (ЛЛ) из всех источников света являются наиболее экономичными. Светоотдача их в 3—4 раза выше, а срок службы в 2—5 раз больше, чем ламп накаливания.
По спектральному составу ЛЛ делятся на пять серий: ЛД — (лампы) дневного света; ЛДЦ — дневного света с улучшенной цветностью, позволяющей правильнее оценивать цвет освещаемых ими предметов; ЛХБ — холодно-белого света; ЛБ — белого света; ЛТБ — тепло-белого света.
Для судовых осветительных установок рекомендуется применять только лампы ЛБ, имеющие хорошую светоотдачу и спектральный состав, близкий к дневному свету. Они выпускаются на 127 и 220 В. Цоколи ЛЛ имеют три вида: Ц2Щ 5/15, Ц2Ш 13/24 и Ц2Ш 13/35. В обозначениях: Ц - означает "цоколь", "2Ш" - двухштырьковый, числитель дроби — расстояние между штырьками, знаменатель — внутренний диаметр цоколя (диаметр трубки).
Схемы включения люминесцентных ламп в судовую цепь предусматривают два способа их зажигания: стартерный и бесстартерный (при повышенной частоте цепи освещения 400Гц). При частоте 50 Гц применяют стартерные схемы импульсного зажигания. На рис. 2 представлена схема включения одиночной лампы. Основными элементами пускорегулирующей аппаратуры являются: дроссель Др, обмотки которого включены последовательно с лампой ЛЛ; стартер Ст, включенный параллельно лампе, но последовательно с нитями накала электродов; конденсаторы С1—С4.
После подачи питания на схему стартер окажется почти под полным напряжением, так как лампа еще не зажглась и падение напряжения на дросселе отсутствует. Полное напряжение приводит к интенсивному тлеющему разряду между электродами стартера, выполняемыми (один или оба) в виде биметаллической пластины. В результате разогрева электроды изгибаются и замыкаются накоротко. Сопротивление цепи резко падает, через электроды ЛЛ протекает большой ток, ограниченный только дросселем. В результате разогрева нитей начинается электронная эмиссия. Поскольку переходное контактное сопротивление между электродами стартера мало, несмотря на повышенный ток они быстро охлаждаются и размыкаются. При этом разрывается путь току через дроссель, электроды лампы и стартер.
Импульс напряжения, обусловленный э. д. с. самоиндукции дросселя, окажется приложенным к электродам ЛЛ. Происходит пробой газового промежутка, возникает дуговой разряд между электродами. Лампа зажигается. Ток через лампу вызовет падение напряжения на дросселе. На лампе окажется напряжение ниже (на 35—40%) сетевого, что, во-первых, предотвратит лампу от перегрузки, а во-вторых, напряжение на стартере окажется недостаточным для возникновения интенсивного разряда, разогрева его контактов и замыкания их.
Конденсатор С4 служит для подавления радиопомех, создаваемых стартером, С1 и С2 служат той же цели, для предотвращения прохождения в цепь высокочастотных составляющих тока, генерируемых лампой. Конденсатор С3 служит для компенсации индуктивной составляющей тока лампы, обусловленной дросселем, т. е. для повышения cos ф. Существенным недостатком рассмотренной схемы является пульсация светового потока с частотой 100 Гц (при 50 Гц цепи).
При этом наблюдается так называемый стробоскопический эффект, когда колебания освещенности неподвижных предметов не замечаются глазом, а при освещении быстродвижущихся предметов, например вращающегося вала, может казаться, что вал стоит или вращается в обратном направлении относительно действительного.
Для устранения этого явления применяют двух- и трехламповые схемы с включением катушек разной индуктивности в группах ламп, что создает сдвиг по фазе тока, протекающего в лампах, благодаря чему световой поток в них меняется неодновременно.
Светильники
Судовые осветительные приборы могут быть разделены на две большие группы: приборы ближнего действия — светильники и приборы дальнего действия — прожекторы.
Светильники — осветительные приборы ближнего действия, состоящие из источников света и арматуры, предназначенной для распределения светового потока, крепления, подсоединения к цепи и защиты источников света от внешних воздействий.
Светильники могут быть классифицированы по следующим признакам: по назначению — светильники общего освещения помещений; по установке — подволочные, переборочные (бра), переносные (в том числе настольные, подвесные и др.); по виду источника света — светильники с лампами накаливания, светильники с люминесцентными лампами; по габаритам — обычные, для установки нормальных ламп и малогабаритные, для установки только малогабаритных ламп; по характеру светораспределения — прямого света (90% светового потока падает в нижнюю полусферу), преимущественно прямого света (от 90 до 55% потока падает в нижнюю полусферу), рассеянного света (не менее 45%, но не более 55% света падает в верхнюю полусферу), преимущественно отраженного света (от 90 до 55% света падает в верхнюю полусферу) и отраженного света (не менее 90% света падает в верхнюю полусферу); по степени защищенности от внешних воздействий — светильники, имеющие открытое исполнение (лампа частично открыта или легко доступна для прикосновения, попадания брызг, капель), защищенное (лампа закрыта со всех сторон, но без уплотнения), водозащищенное (с сальниками и уплотнениями всех соединений),, герметичное, погружное (для подводных работ), взрывобезопасное.
К основным характеристикам светильников, помимо упомянутых в классификации, относятся: коэффициент полезного действия: (отношение светового потока светильника к световому потоку лампы); кривая светораспределения; защитный угол (угол между горизонтальной линией и прямой, соединяющей крайнюю точку тела накала с противоположным краем отражателя).
Промышленность выпускает большое разнообразие судовых светильников (рис. 3). Светильники с лампами накаливания могут иметь разную конструкцию арматуры. Некоторые наиболее употребительные узлы унифицированы. Патроны, в соответствии с рассмотренными выше цоколями ламп накаливания, имеют следующие типы: резьбовые Ц-27, Ц-10, штифтовые 2Ш-22Н, 2Ш-15Н.
Рис. 3. Судовые светильники: а — топовый; б — забортный с иодной лампой, в — аварийный; г — салинговый; д — для освещения машинных и котельных отделений; е — подпалубный катерный; ж — подпалубный; з — кривая распределения силы света светильника.
Светильники с люминесцентными лампами имеют по сравнению с рассмотренными более сложную конструкцию из-за наличия пуско-регулирующей аппаратуры, большие габариты, массу и стоимость.
В арматуру для установки ЛЛ встроены патроны — по два на каждую лампу и стартеродержатели — по одному на лампу. Наибольшее распространение в судовых условиях получили двух-, четырех- и шестиламповые плафоны для освещения жилых, служебных и общественных помещений.
Фонари сигнально-отличительных огней занимают особое место по важности и устройству. Количество и размещение сигнально-отличительных фонарей регламентированы Правилами предупреждения столкновения судов в море (ППСС); в зависимости от типа, назначения, условий плавания и размеров судна устанавливают:
1 — топовый передний (белый) — на фок-мачте на высоте 6—12 м над корпусом судна, светит по носу с углом обзора 225°;
2 — топовый задний (белый)—на грот-мачте выше переднего топового на 4,5 м, светит по носу судна с углом обзора 225°;
3 — гакобортный ходовой (белый) — в кормовой части судна, светит в корму с углом обзора 225°;
4 — бортовые левый (красный) и правый (зеленый) —по бортам судна, обычно на уровне ходового мостика, светят по носу и бортам с углом обзора 112,5°;
5 — буксирные (два белых) — на фок-мачте на расстоянии 2 м друг от друга и на 2 м выше топового переднего, светят в нос с углом обзора 225°;
6 — аварийные (два красных) — на фок-мачте, один под другим на расстоянии более 1,83 м, зажигаются при аварии судна, угол обзора 360°;
7 — штаговый (белый) или якорный носовой — зажигается на стоянке, угол обзора 360°;
8 — гакобортный якорный (белый) или якорный кормовой — угол обзора 360°;
9 — клотиковые — на мачтах и служат для сигнализации.
Характерной особенностью конструкции фонарей ходовых огней (топовых, буксирных, бортовых, аварийных) является наличие у них линзы Френеля, обеспечивающей необходимую дальность видимости. Цветные фонари имеют светофильтры либо линзы из окрашенного стекла. В фонарях допускается устанавливать только предусмотренные для них лампы, чтобы обеспечить фокусировку и дальность видимости.
Для контроля за работой и состоянием сигнально-отличительных огней управление ими осуществляется дистанционно при помощи коммутатора, устанавливаемого в ходовой рубке.
Коммутатор оборудован реле, обмотки которых включены последовательно с лампами. При обрыве цепи лампы (перегорела лампа или обрыв питания) на коммутаторе, в глазке, соответствующем этому фонарю, убирается сигнальный указатель и включается звонок.
Прожекторы — мощные осветительные приборы, которые посредством оптического устройства концентрируют световой поток в пределах малого телесного угла. Прожекторы характеризуют максимальная сила света, направленная по их оптической оси, кривая распределения света, полезный угол рассеивания и к. п. д.
Кривая распределения силы света позволяет судить о световых свойствах прожектора, определить дальность его действия для создания той или иной освещенности.
Полезный угол рассеивания — это угол, в пределах которого сила света не менее 10% максимальной.
К.п.д прожектора — отношение светового потока в пределах угла рассеивания к потоку лампы.
На судах нашли применение прожекторы различных типов: прожекторы заливающего света для освещения палуб и забортного пространства с металлическими (ПЗМ) и стеклянными (ПЗС) отражателями, светосигнальные для сигнализации и навигационных целей (МСП-Л45, К-35-2), навигационные (ПНК-60-1).
Необходимое количество светильников для создания рациональной системы освещения определяют с помощью светотехнического расчета. Требуемой нормами освещенности можно достигнуть путем установки большого числа маломощных ламп. В этом случае обеспечивается хорошая равномерность освещенности, но такое освещение может оказаться менее экономичным из-за низкой светоотдачи ламп и большей стоимости арматуры. При установке мощных светильников равномерность освещенности будет меньшей.
Расчеты освещения внутри судовых помещений могут осуществляться двумя методами: методом коэффициентов использования светового потока и точечным методом. Первый метод дает хорошие результаты для расчетов общего равномерного освещения в незагроможденных оборудованием помещениях со светлой окраской подволока и переборок, когда существенную роль играет отраженный от них свет. Точечный метод применим для расчета освещенности в любых помещениях, в том числе и для наружных пространств, где отраженный свет почти не играет роли. Кроме того, точечный метод может служить в качестве контрольного, после расчета общего освещения методом коэффициентов использования.
Обслуживание электроосветительных установок и уход за ними сводятся к поддержанию в исправном состоянии источников света, светильников и цепи. Немедленной замене подлежат перегоревшие лампы с потемневшими колбами. Снятие ламп аварийных светильников, даже на короткое время, категорически запрещено.
Замену ламп, в особенности мощных, следует производить в обесточенном состоянии, так как попадание случайных брызг на разогретую колбу может вызвать ее разрыв, нанесение травм и повреждение глаз.
В каждый светильник должны устанавливаться лампы той мощности, которая указана в проектной документации и не более допустимой для этого светильника. Особенно это важно в фонарях сигнально-отличительных огней, где строго должны выполняться условия фокусировки: нить должна быть точно по оптической оси линзы. Кроме того, установка ламп иной мощности приведет к неисправной работе или повреждению коммутатора.
При перегорании основной нити двухнитевых ламп они должны быть немедленно заменены новыми.
Люминесцентные лампы следует заменять новыми при нечетком их зажигании или слабом свечении. Следует, однако, учитывать, что неисправности в зажигании и горении ЛЛ могут явиться следствием неисправностей в пуско-регулирующей аппаратуре. Тогда замена лампы не даст результата и следует искать повреждение в пусковой схеме.
Электроосветительную арматуру необходимо постоянно очищать от грязи, так как сравнительно небольшое на вид загрязнение значительно снижает световой поток светильника. Все уплотнения надо периодически проверять, негодные уплотнительные прокладки, шайбы, набивки сальников заменять новыми.
Чистка защитных стекол светильников должна производиться с учетом характера и степени загрязнения (протирка чистой ветошью, мойка в моющих растворах или с применением растворителей— бензина, уайт-спирита, ацетона). Чистку защитных стекол и отражателей прожекторов нужно производить осторожно, чтобы не нанести царапин на их поверхность, для чего предварительно следует удалить пыль мягкой волосяной кистью, а затем протереть чистой мягкой ветошью. Применять растворители для чистки металлических хромированных отражателей не рекомендуется, так как их поверхность покрыта слоем защитного прозрачного лака, который должен быть сохранен.
При значительных повреждениях внутри светильника, вызванных КЗ, светильник заменяют.
Переносные светильники проверяют ежемесячно и каждый раз перед использованием. Особое внимание должно быть уделено взрывобезопасности переносных аккумуляторных фонарей на нефтеналивных судах: неработающие проверяют раз в десять дней, а эксплуатирующиеся — ежедневно.
