Světelné zdroje

MODERNÍ
SVĚTELNÉ ZDROJE
A JEJICH APLIKACE
DOC. ING. MILOSLAV STEINBAUER, PH.D.
UTEE FEKT VUT V BRNĚ
KOLEJNÍ 2906/4
BRNO
OSNOVA
•
•
•
•
•
•
•
O podstatě světla
Vnímání světla
Světelná technika
Návrh osvětlení
Světelné zdroje
Dopady nařízení EU 244/2009
Porovnání závěrem
O PODSTATĚ SVĚTLA
TROCHU FYZIKY NA ÚVOD…
FYZIKÁLNÍ PODSTATA SVĚTLA
• Optické záření je elektromagnetické
vlnění v definovaném intervalu
vlnových délek 1 nm až 1 mm
• Viditelná část optického záření (VIS)
je přibližně v rozsahu vlnových délek
λ = 380 až 790 nm
Druh záření
Označení
Vlnová délka
(nm)
Ultrafialové
(UV)
UV-C
100 – 280
UV-B
280 – 315
UV-A
315 – 380
Fialová
380 – 430
Modrá
430 – 490
Zelená
490 – 570
Žlutá
570 – 600
Oranžová
600 – 630
Červená
630 – 780
IR-A
780 – 1400
IR-B
1400 - 3·103
IR-C
3·103 – 104
Viditelné
(VIS)
Infračervené
(IR)
ZÁŘENÍ ČERNÉHO TĚLESA
• Se zvyšováním teploty
(jakéhokoliv) tělesa dochází k
excitaci atomů materiálu, např.
kovového vlákna žárovky
• Spontánní emisí fotonů vzniká
teplotní záření se spojitým
spektrem.
• Toto spektrum je definováno
Planckovým vyzařovacím
zákonem
He ( λ )
2π hc 2
λ
5
1
e
hc
λ kT
(W ⋅ m )
−2
−1
DENNÍ SVĚTLO
• Zdrojem je Slunce s povrchovou
teplotou asi 5800 K.
• Spektrum je spojité s maximální
intenzitou ve VIS.
• Světlo se atmosférou pohlcuje a
rozptyluje vlivem aerosolových
částic a prachu. Absorpce záření
také závisí na úhlu, pod kterým
světlo dopadá na zemský povrch.
• Teplota chromatičnosti denního světla
se během dne významně mění.
• Nejvíce se pohlcuje a rozptyluje
krátkovlnná oblast VIS
(Rayleighův rozptyl - modrá obloha).
• Slunce se jeví při východu a západu
červenější - světlo překonává větší
dráhu.
BÍLÉ SVĚTLO A SPEKTRUM
• Bílé světlo vzniká smíšením základních
barev spektra
• Podle poměru složek může mít různé
odstíny - není bílá jako bílá….
• Je třeba posuzovat spektrum světla
Míšení tří základních barev
Diagram chromatičnosti mezinárodní
kolorimetrické soustavy
BÍLÉ SVĚTLO A SPEKTRUM
Žárovka
Metalhalogenidová výbojka
Zářivka teple bílá
VNÍMÁNÍ SVĚTLA
JAK TO VIDÍME….
LIDSKÝ ZRAK
Lidské oko obsahuje různé fotoreceptory
• Tyčinky
•
•
•
•
Pro noční vidění (skotopické)
Asi 125 miliónů
Uplatní se při jasu méně než 0,001 cd/m2
Nejcitlivější na modrofialovou barvu
• Čípky
• Pro denní barevné vidění (fotopické)
• Asi 6,5 miliónů
• Uplatní se při jasu více než 10 cd/m2
• Několik typů čípků, každý specializovaný na vnímání určité barvy.
V rozmezí 0,001 až 10 cd/m2 jde o mezopické vidění
• Cirkadiánní čidla
•
•
Řídí mnoho biologických pochodů v 24hodinovém (cirkadiánním) cyklu
Teplota, tlak, tep, metabolismus, psychika…
Zrakové nervy vedou do mozkové kůry a jsou provázány s dalšími „signály“ – světlo tedy
nesouvisí jen se zrakovým vjemem, ale má na lidský organismus komplexní účinky
LIDSKÝ ZRAK
K vývoji barevného vidění
• Primitivní obratlovci měli v oku hned čtyři
druhy čípkových buněk (s maximem
citlivosti kolem 370 nm, 445 nm, 508 nm a
560 nm). Toto tzv. tetrachromické vidění
přetrvává u mnoha ryb, želv, ještěrů a
ptáků.
• U savců došlo k ztrátě dvou typů
čípkových buněk a většina savců má
tedy dichromatické vidění (oranžová a
fialová oblast).
• U lidoopů však evolucí vznikl třetí typ
čípků. Mají tedy čidla pro modrofialovou
(cca 425 nm), zelenou (cca 530 nm) a
oranžovou (cca 560 nm) barvu a
trichromické vidění
•
Na povrch Země dopadá nejvíce záření právě ve
VIS oblasti, proto se u lidského zraku vyvinula citlivost
právě na tento obor vlnových délek.
•
Graf závislosti citlivosti lidského oka na vlnové délce
je na obrázku.
• Největší citlivost lidského oka pro fotopické vidění je
pro λ = 555 nm a pro skotopické vidění λ = 507 nm
• Je zobrazen i posun pro mezopické vidění v rozmezí
jasu 0,001 až 10 cd/m2
ÚČINKY SVĚTLA NA ČLOVĚKA
Fotochemické změny
• tvorba vitamínu D3 ozářením v horní vrstvě kůže ozářením
UV-B
• nedostatek vitamínu D3 vede k poruchám metabolismu,
křivici a osteromalacii)
Psychovegetativní a psychosomatické vlivy
• normalizuje nervový systém
• působí na oběhové funkce, krevní tlak, srdeční puls,
plicní ventilaci a zvýšení svalové síly
• navozuje pocit svěžesti a výkonnosti
• působí na psychickou pohodu člověka
VLIV BAREV NA ČLOVĚKA
Teplé barvy (žlutá, červená, oranžová)
• zrychlují puls
• zvyšují krevní tlak
• podporují chuť k jídlu a sexuální apetit
• stupňují vnímání hluku
Studené barvy (modrá, zelená)
• tlumí tělesné funkce
• obecně uklidňují
SVĚTELNÁ TECHNIKA
DALŠÍ TROCHA TEORIE…
RADIOMETRICKÉ A FOTOMETRICKÉ
VELIČINY
Radiometrické veličiny popisují přenos energie
zářením. Nejdůležitější jsou:
• Zářivý tok Φe (W) - zářivá energie za jednotku času
procházející určitou plochou
• Spektrální zářivý tok Φeλ (W) - množství energie
jedné vlnové délky, které na určitou plochu
dopadne za jednotku času
• Ozářenost Ee (W/m2) - výkon dopadající na
plochu - udává plošnou hustotu světelného toku.
dΦ
Φ eλ = e
dλ
Ee =
dΦ e
dS
RADIOMETRICKÉ A FOTOMETRICKÉ
VELIČINY
Fotometrické veličiny jsou vztažené pouze k
viditelnému světlu (VIS) a kvantitativně hodnotí
tohoto záření velikostí možného vizuálního
vjemu lidským okem. Nejdůležitější jsou:
• Svítivost I (cd - kandela) - základní jednotka
SI pro bodové zdroje
• Světelný tok Φ (lm - lumen) – světelná
energie za jednotku času procházející
Φ
=
určitou plochou; vyjadřuje tok zdroje o
svítivosti I do prostorového úhlu Ω
Bodový světelný zdroj má svítivost 1 cd, vyzařuje-li
do prostorového úhlu 1 sr světelný tok 1 lm.
Pro kulový zářič
1 (cd) = 4π = 12,6 (lm)
∫ IdΩ
RADIOMETRICKÉ A FOTOMETRICKÉ
VELIČINY
Fotometrické veličiny :
dI
L
=
• Jas L (cd/m2) - používá se pro plošné zdroje
dS
• Spektrální světelný tok Φλ (lm) - množství
dΦ
světelné energie jedné vlnové délky, které na Φ λ =
dλ
určitou plochu dopadne za jednotku času
• Osvětlení E (lx - lux) – světelný výkon
dΦ
E=
dopadající na plochu - udává plošnou
dS
hustotu světelného toku.
Světelný tok 1 lm dopadající rovnoměrně na
plochu 1 m2 vytvoří osvětlení 1 lx.
JAS A OSVĚTLENÍ NĚKTERÝCH ZDROJŮ
Zdroj světla
Jas L (cd/m2)
Zdroj osvětlení
Osvětlení E (lx)
Slunce
2·109
Vlákno žárovky při 2700 K
2·107
Osvětlení v noci při
úplňku
0,2
Bílý papír na slunci
2,5·104
Osvětlení k
pohodlnému čtení
50
Zářivka
6·103
Kancelářské osvětlení 300
Plamen svíčky
5·103
Měsíc
3·103
Výborné osvětlení v
místnosti
Oblačná obloha
3·103
700
Sluneční světlo,
1 000
hodinu před západem
Denní světlo, zataženo 3 000
Slunný den ve stínu
stromu
10 000
Ostrý sluneční svit v
poledne
100 000
RADIOMETRICKÉ A FOTOMETRICKÉ
VELIČINY
Vzájemný vztah mezi fotometrickými a
radiometrickými veličinami vychází z
definice kandely:
• Kandela (cd) je svítivost světelného
zdroje, který emituje monochromatické
záření o frekvenci 540·1012 Hz (λ = 555
nm) a jehož zářivost je 1/683 W/sr
• Vztah mezi světleným a zářivým tokem
Φ ( λ=
) Km ⋅V ( λ ) ⋅Φ e ( λ )
Zde je Km = 683 lm/W a V(λ) je poměrná spektrální
citlivost zraku (viz graf)
Příklad: Zdroj zeleného monochromatického světla λ = 550 nm
(V=0,995) o zářivém výkonu 1 W má světelný tok 683·0,995·1= 680 lm.
Zdroj červeného monochromatického světla λ = 650 nm (V=0,107) o
zářivém výkonu opět 1 W má světelný tok pouze 683·0,107·1= 73 lm.
PARAMETRY ZDROJŮ SVĚTLA
• Index podání barev Ra (CRI – color rendering index)
• Bezrozměrné číslo nabývající hodnot 0 – 100
• CRI = 100 znamená zcela věrné barevné podání (toho dosahují
žárovky)
• CRI = 0 znamená, že nelze barvy rozlišit (monochromatický zdroj,
např. LPS – nízkotlaká sodíková výbojka)
• Teplota chromatičnosti Tc
•
•
•
•
Charakterizuje spektrum bílého světla
Kalibrace na černé těleso s teplotou Tc
Tc = 2700 K žárovka, západ a východ slunce
3000 K teplá, 4000 K neutrální a 6500 K chladná bílá
PARAMETRY ZDROJŮ SVĚTLA
TEORETICKÁ ÚČINNOST ZDROJE
SVĚTLA
• Pro fotopicky nejúčinnější monochromatické
světlo (555 nm) odpovídá 1 W zářivého
výkonu 683 lm.
• Je-li záření zdroje složeno z více vlnových
délek, je k určení světelné účinnosti K třeba
znát spektrum záření, tedy rozložení výkonu
mezi jednotlivé vlnové délky (spektrální
hustotu zářivého toku).
• Zářivý výkon He černého tělesa je třeba
korigovat citlivostí oka V(λ) a tento světelný
výkon integrovat přes všechny vlnové délky
• Dostaneme světelnou účinnost zdroje:
∞
K = 683∫ He ( λ )V ( λ ) dλ
0
• Je vidět, že světelný účinek má jen malá část
zářivého spektra
He =
2π hc 2
λ5
1
e
hc
λ kT
−1
V (λ )
TEORETICKÁ ÚČINNOST ZDROJE
SVĚTLA
• Světelná účinnost černého tělesa závisí na jeho teplotě
• Nejvyšší hodnota K = 95 lm/W je pro T = 6500 K a to je asi 14 % maximální
účinnosti
• Žárovky s teplotou 2700 K mají účinnost asi 10 lm/W
• Jiné zdroje (s jiným spektrem) budou vykazovat jinou světelnou účinnost
• Např. pro bílé zdroje, nevyzařující mimo VIS, vychází teoretická účinnost v
rozmezí 250 - 450 lm/W
∞
K = 683∫ He ( λ )V ( λ ) dλ
0
ÚČINNOST POUŽÍVANÝCH ZDROJŮ
• Zdroje světla se musí označovat
podle Směrnice komise 98/11/ES
• Netýká se zdrojů:
•
•
•
•
< 4W
> 6500 lm
reflektorových žárovek
pro jiné světlo než VIS
NÁVRH OSVĚTLENÍ
JAK SI NA TO POSVÍTIT…
KRITÉRIA NÁVRHU OSVĚTLENÍ
Požadavky na osvětlení
• jsou odvozovány od charakteristik zrakové činnosti s přihlédnutím
k dalším funkcím osvětlovaných objektů.
Základní kritéria pro návrh osvětlení:
• zrakový výkon
• zraková pohoda
Základní charakteristiky osvětlení:
• kvantitativní
zrakový výkon je úměrný intenzitě E osvětlení zrakového úkolu
• kvalitativní
zrakový výkon je úměrný rovnoměrnosti rozložení intenzity
osvětlení
KRITÉRIA NÁVRHU OSVĚTLENÍ
Kategorie osvětlení podle druhu vykonávané činnosti:
• A - s velkými požadavky na zrakový výkon, např.
operační sály E > 3300 lx
• B - s průměrnými požadavky na zrakový výkon, např.
rýsovny E = (500 - 3300) lx
• C - s malými požadavky na zrakový výkon např. sklady,
WC,… E = (20 - 500) lx
• D - s přednostními požadavky na vnímání prostoru,
tvaru a barev, např. odpočinkové místnosti, kina,
divadla, tělocvičny, … E = (20 - 500) lx
POŽADOVANÉ ÚROVNĚ OSVĚTLENÍ
(ČSN EN 12464)
Prostory a činnost
Osvětlení E (lx)
Osvětlení venkovních prostor bezprostředně provozně souvisejících
s obytným objektem
10-30
Vnitřní prostory pro činnosti, při nichž postačí jednoduchá orientace,
nebo pro krátkodobý pobyt (garáže, pomocné prostory apod.)
20-50
Celkové nebo odstupňované osvětlení obytných místností vybavených
místním osvětlením
50-100
Celkové nebo odstupňované osvětlení domovního vybavení a
příslušenství bytů (koupelny, WC, spíže, haly, prádelny …)
100-200
Celkové nebo odstupňované osvětlení pracovních prostorů, které
nemají místní osvětlení (pracovny, domácí dílny, ateliéry …)
200-500
Osvětlení místa pro činnosti zrakově náročné (jemné ruční práce,
rýsování, modelářství …)
300-750
Osvětlení místa pro činnosti zrakově velmi náročné
500-1000
KRITÉRIA NÁVRHU OSVĚTLENÍ
Kromě intenzity osvětlení E je důležité vzít při návrhu v úvahu:
• rovnoměrnost rozložení osvětlení
• barvu světla (vyjadřovanou teplotou chromatičnosti Tc)
• jasové poměry
• estetické hledisko
• celkový čas osvětlení (svítí stále, občas, …)
• typ prostoru interiér / exteriér
• životnost zdrojů
• finanční náklady
SVĚTELNÉ ZDROJE
A ČÍM SI POSVÍTIT…
SVĚTELNÉ ZDROJE - ROZDĚLENÍ
Teplotní
• žárovky vakuované
• plněné plynem klasické
• halogenové
Speciální
• LED
•
•
•
•
•
lasery
UV, IR
projektorové
kalibrační
…
Výbojové
• nízkotlaké zářivky
• kompaktní zářivky
• indukční výbojky
• sodíkové výbojky
• vysokotlaké rtuťové
• halogenidové
• xenonové
• plazmové
SVĚTELNÉ ZDROJE - PŘEHLED
KLASICKÉ ŽÁROVKY
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Vlákno z W drátu, dvojitě vinutá spirála
Vyzařování světla tepelným buzením
Spojité spektrum (černé těleso)
Nízká cena
Okamžité zapnutí
Možnost stmívání
CRI 100
Životnost 1.000 – 2.000 h (klesá s U3,5)
Značný pokles světelného toku s U
Měrný světelný tok 5 - 18 lm/W
Do 25 W vnitřní prostor baňky vyčerpán
Nad 25 W je náplní směs N a Ar nebo Kr,
kvůli snížení naprašování W na baňku
HISTORICKÉ ŽÁROVKY
15. 5. 1947
tříletý Dickey Jackson
s žárovkou o výkonu 50 kW
Foto: Smithsonian Institution
HISTORICKÉ ŽÁROVKY
Heinrich Goebel, 1858
T. A. Edison, komerční provedení
žárovky s uhlíkovým vláknem, 1881
HALOGENOVÉ ŽÁROVKY
•
•
•
•
•
Plní se většinou plní směsí dusíku a
argonu, kryptonem a v poslední době i
xenonem
Baňky žárovek, které jsou plněné Xe,
nečernají.
Do náplně je přidán halogen (jód, bróm)
nejčastěji ve formě organické
sloučeniny (methyljodid,
bromofosfonitrit, methylenbromid atd.)
Baňky halogenových žárovky se vyrábí
většinou z křemenného skla nebo jiných
těžkotavitelných materiálů. Znečištění
povrchu baňky může mít za následek
prasknutí baňky v důsledku
rekrystalizačního procesu
Úprava přináší při zvýšení světelného
toku asi o 30% a přibližně 2× delší
životnost oproti klasické žárovce
Tungsram: Halogenová žárovka
5000 W plněná jódem, ve své
době revoluční unikát.
Nafialovělá barva náplně je
způsobena parami jódu.
Žárovka proto svítila fialově.
Foto: Muzeum pražské
energetiky
HALOGENOVÉ ŽÁROVKY
• Atomy wolframu, které se uvolní z
vlákna, se dostávají ke stěně baňky,
kde je nižší teplota. U obyčejné
žárovky by se wolfram usadil na skle,
ale v halogenové žárovce se naváže
na halogen.
• Vzniklý halogenid wolframu se díky
difúzi dostává zase zpět k vláknu, kde
se opět rozloží a wolfram se usadí
zpátky na vlákno a halogen difunduje
ke stěně baňky a může opět
reagovat.
• Halogenové žárovky dosahují teploty
vlákna až 3 200 °C, teplota tání
wolframu je 3653 °C
HALOGENOVÉ ŽÁROVKY
• Existují halogenové žárovky s UV filtrem
(pro speciální účely např., v muzeích,
reflektorech aut atp.)
• Zvláštní druh - s dichroitickým zrcadlem
• zajišťuje max. světelný tok v daném směru
• omezuje až o 60% nežádoucí IR záření
• osvětlovaný předmět je vystaven nižšímu
tepelnému zatížení než u žárovky s klasickým Al
reflektorem
PŘEHLED VÝVOJE ŽÁROVKY
Typ
Rok
Světelná
účinnost
(lm/W)
Životnost
(h)
Vakuová s uhlíkovým vláknem
1879
2
600
Vakuová s vláknem s osmia
1900
3
600
Vakuová s wolframovým vláknem
1906
6–8
1000
Plynem plněná, wolframová spirála
1913
9
1000
Plynem plněná, dvojitá wolframová
spirála
1934
12 – 14
1000
Halogenová
1959
20
2000
ZDOKONALENÉ HALOGENOVÉ
ŽÁROVKY TŘÍDY C
• U halogenových žárovek nové generace jsou
kromě xenonové náplně ostatní charakteristiky
jako objímka a rozměry stejné jako u
klasických halogenových žárovek, a proto je
lze používat pouze ve svítidlech pro
halogenové žárovky určených – tj. ve
svítidlech se speciální halogenovou objímkou.
• Tyto halogenové žárovky zůstanou na trhu i po roce
2016, aby bylo možno svítidla s halogenovou objímkou
používat.
• U zdokonalených halogenových žárovek je
vylepšená halogenová kapsle umístěna ve
skleněné baňce, která má tvar klasické
žárovky s kovovým vláknem a s klasickou
objímkou. Představují tudíž přímou náhradu
klasických žárovek s kovovým vláknem.
• Zdokonalené žárovky s kovovým vláknem třídy C budou
od roku 2016 dále zdokonalovány na třídu B nebo A.
ZDOKONALENÉ HALOGENOVÉ
ŽÁROVKY TŘÍDY B
• Díky speciálnímu infračervenému
povlaku došlo u žárovek s vlákny k
dalšímu zvýšení energetické
účinnosti.
• Infračervený povlak na žárovce
zvyšuje její energetickou účinnost o
více než 45 % ve srovnání s klasickými
žárovkami.
• Toto zdokonalení lze ale použít pouze
u nízkonapěťových žárovek.
• K tomu, aby bylo technologii možno
použít i u žárovek síťového napětí, je
nutný transformátor. Transformátor se
ukrývá v patici
• Žárovku lze vyměnit zvlášť
NÍZKOTLAKÉ RTUŤOVÉ VÝBOJKY ZÁŘIVKY
UV záření výboje se transformuje vrstvou luminoforu na VIS
Luminofor - různé spektrální složení světla a různý měrný výkon
Životnost: 10.000 h s tlumivkou a až 16.000 h s el. předřadníkem
Měrný světelný tok 50 až 106 lm·W-1
Teplota chromatičnosti Tc = 2.700 - 6.500 K
CRI 70 – 95
Obtížně stmívatelné
U starších typů s elektromagnetickým předřadníkem je
stroboskopický jev
• Obsahují rtuť – nebezpečný odpad
•
•
•
•
•
•
•
•
HISTORIE ZÁŘIVKY
Pokusy se zářivkami proběhly v
průběhu 30. let v USA, Anglii,
Německu a v bývalém Sovětském
svazu. Na fotografii jsou první
prakticky
použitelné
zářivky.
Tehdejší luminofory nebyly příliš
dokonalé. Nicméně již první
pokusy ukázaly zvýšené využití
elektrické energie, a to až na
čtyřnásobek proti žárovkám, při
delší životnosti světelného zdroje.
Foto: Smithsonian Institute
KONSTRUKCE ZÁŘIVKY
Energetická bilance:
• světlo 21 %
• infračervené záření 24 %
• odvedené teplo 55 %
argon + páry rtuti
400 + 0,6 Pa
kontakty
luminofor
bimetal
žhavené elektrody
W
+ oxidy Ba,Sr,Ca
230 V / 50 Hz
startér
odrušovací kondenzátor
kompenzační kondenzátor
tlumivka
KONSTRUKCE ZÁŘIVKY
• Zářivky jsou označovány trojčíslím,
například 840, v němž první číslo
prozrazuje index barevného
podání, zde CRI > 80, další dvojice
čísel značí teplotu chromatičnosti,
zde 4000 K (neutrální bílá)
• Pro intimní osvětlení se hodí zdroj s
teplejší barvou světla (do 3000 K,
označení např. 827, 830).
• Na pracovní stůl použijeme
neutrální až studené světlo (4000
až 6500 K, označení např. 840,
854, 865).
KOMPAKTNÍ ZÁŘIVKY
(CFL)
• Menší rozměry než lineární
zářivky
• Větší výkon v daném prostoru,
ale menší měrný výkon
• Výkonová řada od cca 5 do
55 W
• Nemají stroboskopický jev
• Nižší povrchová teplota
• Neoslňují jako žárovky
• Mnoho provedení
Jednopaticová zářivka,
potřebuje pro svůj provoz
předřadník
Náhrada žárovky,
s elektronickým
předřadníkem
v patici E27 nebo E14
SROVNÁNÍ CFL A ŽÁROVKY
Příkon
Světelný tok
Příkon CFL
40 W
400 lm
7W
60 W
600 lm
12 W
75 W
850 lm
15 W
100 W
1200 lm
20 W
NÍZKOTLAKÉ SODÍKOVÉ VÝBOJKY (LPS)
• Spektrum čárové ve viditelné části optického
spektra blízko maximální citlivosti lidského oka
(555 nm)
• Není nutná přeměna UV na VIS luminoforem
• Vysoký měrný světelný tok
až 200 lm/W
• Díky nízkému CRI (< 30) se u nás tyto výbojky
příliš nerozšířily
VYSOKOTLAKÉ SODÍKOVÉ VÝBOJKY
(HPS)
• Zvýšení tlaku sodíkových par na 2·104 Pa
znamená vysokou koncentraci výkonu i vzrůst
pracovní teploty
• Vlastnosti vysokotlakého výboje mohly být
využity až s vyvinutím průsvitného korundu
(Al2O3).
• Měrný světelný tok až 150 lm/W
• CRI až 70, lepší oproti LPS
• životnost až 28.000 h
• osvětlení veřejných komunikací a prostranství i
výrobních hal
VYSOKOTLAKÉ RTUŤOVÉ VÝBOJKY
• Vysoký tlak rtuťových par = zvýšení proudové hustoty oproti
zářivkám
• Posun maxima vyzařované energie k větším vlnovým délkám
• Růst měrného výkonu, vznik spojitého spektra
• Velký měrný světelný tok (32 - 60 lm/W)
• Životnost až 15.000 hodin
• Ve spektru světla úplně chybí červená složka
• Špatné podání barev
Snaha o odstranění nedostatku
• Transformace UV záření luminoforem - rtuťové výbojky s
luminoforem
• Kombinace modro-zeleného záření rtuťových výbojek se
zářením žárovek – směsové výbojky
• Přidání příměsí (halogenidů) do rtuťové náplně - halogenidové
výbojky
• CRI 40 až 80
VYSOKOTLAKÉ RTUŤOVÉ VÝBOJKY
Tlumivka
Nosníky
patice E
40
nebo E 27
U
Kompenzační
kondenzátor
N
Výbojka
odpor
pomocn
á
elektrod
a
hlavní
elektrody
• Tlak 300 Pa vzroste až na 900 kPa
• Teplota výboje 5200 oC
VYSOKOTLAKÉ RTUŤOVÉ VÝBOJKY S
LUMINOFOREM
• Tyto výbojky jsou dnes
vytlačovány účinnějšími
halogenidovými
a vysokotlakými sodíkovými
výbojkami.
VYSOKOTLAKÉ RTUŤOVÉ SMĚSOVÉ
VÝBOJKY
• Úpravy spektra rtuťového výboje přidáním záření W vlákna,
které doplňuje spektrum v červené části.
• Do série se rtuťovým hořákem je zapojeno W vlákno, plnící i
funkci předřadníku, odpadá nutnost použít tlumivku.
• Hořák i vlákno jsou namontovány do společné baňky s běžnou
závitovou paticí. Směsové výbojky tady nepotřebují
předřadník a montují se jako žárovky
• CRI = 60 až 70
• Tc = 3.600 až 4.100 K
• Měrný světelný tok 20 až 30 lm/W
• Pro přímou náhradu žárovek 200 až 500 W bez zvýšených
nároků na kvalitu podání barev.
METALHALOGENIDOVÉ VÝBOJKY
• Vnesením kovů do výboje dojde k rozšíření spektra záření
doplňujících spektrum rtuti (Na, Tl, In, Sc, Dy, Tm, Ho…
používá se celkem asi 50 kovů)
• Nejvhodnější jsou sloučeniny - halogenidy (jodidy, popř.
bromidy)
• K zapalování slouží vysokonapěťový zapalovač s
amplitudou impulsu až 4,5 kV
• Výboj nejprve probíhá v parách rtuti a v inertním plynu, s
nárůstem teploty se zvyšuje koncentrace kovů ve výboji
• Větší změna kolorimetrických parametrů v průběhu života
• Používá se keramickým hořák z polykrystalického oxidu
hlinitého nebo klasický ze speciálního křemenného skla
INDUKČNÍ VÝBOJKY
• Nízkotlaký výbojový zdroj
• Využívá principu indukce
• Pohyb elektronů není funkčně svázán s
elektrodami ve výbojovém prostoru,
ale je dosahován pomocí
magnetického pole (indukce) s
kmitočtem cca 2,5 MHz a speciální
geometrií výbojového prostoru
• Životnost asi 60.000 hodin
• Možnost znovuzapnutí v horkém stavu
• Okamžitý náběh (< 2 s)
• Uplatnění v aplikacích se složitou
a nákladnou výměnou světelných
zdrojů např. do tunelů, výrobních hal
XENONOVÉ VÝBOJKY
• Vysokotlaký výbojový zdroj (Xe až 7.500 kPa)
• Při výměně je nutno dbát nebezpečí hrozící exploze při
nevhodné manipulaci
• Zapaluje se vn až 60 kV
• Životnost jen několik tisíc hodin
• Uplatnění v aplikacích s nároky na barevné
podání (CRI > 90)
• Použití zejména v automobilovém průmyslu a pro
projektory kin
Xe výbojka pro
kinopromítačku,
příkon 3 kW
SVĚTLOEMITUJÍCÍ DIODY (LED)
• Principiálně jde o
monochromatické zdroje
• Bílá barva se dosahuje
luminoforem přímo na čipu
• Vysoká světelná účinnost
• Životnost až 50.000 hodin
• Malé rozměry, vysoká
mechanická odolnost
• Cena neustále klesá
• Problém s chlazením
• Neobsahuje rtuť
HISTORIE LED
•
•
•
•
První LED se podařilo vyrobit v
roce 1962 v laboratořích General
Electric. První LED byly červené a
měly svítivost < 1 cd
Až od 1971 vznikají další barevné
varianty
Modrá LED v roce1993
„Bílá“ luminoforová LED vznikla v
roce 1995
BÍLÉ LED
Bílá barva se dosahuje
• Kombinací modré LED a luminoforu emitujícího žlutě
• Vysoká světelná účinnost, nízké CRI
• Kombinací UV LED a směsného luminoforu
• Nízká světelná účinnost, vysoké CRI
• Kombinací RGB LED
• Průměrná světelná účinnost, vysoké CRI
• Neobsahuje plné spektrum (pouze 3 monochromatické čáry)
CHLAZENÍ LED ZDROJŮ
• LED zdroje musí odvádět značné
množství tepla z čipu velkého jen
milimetry čtvereční.
• I když je LED velmi účinným
zdrojem, je účinnost asi jen 30 % ze
spotřebované elektrické energie.
Zbytek se mění na teplo.
• Provozní teplota čipu nesmí
překročit cca 150 °C, proto musí
být použity masivní chladiče (na
pracovní teplotu asi 70 °C)
• Bez chlazení klesá prudce životnost
zdroje - výrazné kovové žebrování
je viditelný prvek napovídající, že
jde o kvalitní výrobek.
LED V AUTOMOBILECH
Studie kupé Opel GTC Concept
• LED od firmy OSRAM Opto Semiconductors
• Pro parkovací světla a denní světlo jsou
použity LED typu Golden Dragon
• Pro potkávací světla jsou v každém
světlometu použity dvě LED OSTAR, pro
dálkové světlo tři tyto diody
• Mlhová světla obsahují jeden OSTAR LED
• Červené svítivé diody TOPLED byly použity
pro stylové osvětlení do stejné barvy
laděného interiéru.
• Výhodou diodového osvětlení je rychlost
účinku, doba života LED přes 50.000 hodin
a proti klasickým světelným zdrojům větší
volnost pro designéry automobilu.
SVĚTELNÁ ÚČINNOST LED
• Dosažitelná účinnost (lm/W)
závisí na spektru bílé LED
• V LED je dosažitelná
účinnost přeměny
elektrické energie na
zářivou asi 67 %
• V praxi dosažitelná
hodnota světelné účinnosti
je tedy 67 % teoretické
hodnoty
PLAZMOVÁ MIKROVLNNÁ VÝBOJKA
(PLS)
Mikrovlnná plazmová výbojka s parami síry
• Zdrojem světla je rotující křemenná kulička
velikosti pingpongového míčku se stopkou,
naplněná argonem a malým množstvím
síry. Je umístěna v ohnisku mikrovlnného
zdroje.
• Vyzařuje spojité spektrum s barevnou
teplotou 6.000 K
• Index barevného podání CRI >80
• Světelný tok je možno regulovat v rozmezí
20 - 100 %
• Životnost světelného zdroje je 60.000 hodin s
malým poklesem světelného toku
• Je zatím velmi málo rozšířena pro vysokou
cenu
PLAZMOVÁ MIKROVLNNÁ VÝBOJKA
(PLS)
Srovnání spektra PLS a metalhalogenidové výbojky
Srovnání poklesu světelného toku a doby života
NAŘÍZENÍ EU 244/2009
A CO DÁL?
NAŘÍZENÍ EU 244/2009
Evropská komise vydala 18. března 2009 nařízení č. 244/2009, které stanovuje do
roku 2012 postupně ukončit prodej klasických žárovek.
• Světelné zdroje s neprůhlednou (matnou, bílou, mléčnou...) baňkou jsou
zakázány od 1. září 2009, pokud nespadají do energetické třídy A.
• Od stejného data jsou zakázány také čiré (průhledné) světelné zdroje, které
mají buď příkon 100 W a vyšší a patří do horší energetické třídy než C, anebo
mají nižší příkon, ale patří do horší třídy než E.
• V ročních intervalech se zákaz posouvá ke světelným zdrojům nižších příkonů
(v roce 2010 zákaz pro čiré žárovky o příkonu 75 W a vyšším, v roce 2011 60 W)
a v září 2012 pak zákaz pro veškeré světelné zdroje pro běžné osvětlování,
které patří do horší třídy než C.
• Od září 2013 vstoupí v účinnost další úroveň funkčních požadavků uvedených
v nařízení.
• Od září 2016 budou zakázány světelné zdroje spadající do energetických tříd
horších než B (kromě výjimek - speciálních halogenových žárovek, které
budou spadat do třídy C).
NAŘÍZENÍ EU 244/2009
NAŘÍZENÍ EU 244/2009 - ALTERNATIVY
• Halogenové žárovky s třídou účinnosti alespoň C
(nízkonapěťové, Xenonem plněné, s IR odraznou
vrstvou)
• Kompaktní zářivky (CFL)
• LED zdroje
OZNAČOVÁNÍ SVĚTELNÝCH ZDROJŮ
Příkon
klasické
žárovky
CFL
Halogonové
žárovky
LED
15 W
125 lm
119 lm
136 lm
25 W
229 lm
217 lm
249 lm
40 W
432 lm
410 lm
470 lm
60 W
741 lm
702 lm
806 lm
75 W
970 lm
920 lm
1055 lm
100 W
1398 lm
1326 lm
1521 lm
150 W
2253 lm
2137 lm
2452 lm
200 W
3172 lm
3009 lm
3452 lm
Zdroj: nařízení EK 244/2009
Povinné údaje
• Energetický štítek
• Světelný tok (lm)
• Srovnání se žárovkou (W)
• Životnost (h), ekvivalent (roků) pro 2,7 h/d
• Počet spínacích cyklů
• Rychlost náběhu
• Obsah rtuti Hg (mg)
• Stmívatelnost
• Rozměry
• Provozní teplota
JEVONSŮV PARADOX
• Anglický ekonom William Jevons v 60. letech 19. století upozornil, že dlouhá série
technologických zlepšení u parních strojů a dalších zařízení zvýšila efektivnost využití uhlí,
což vedlo ke zvýšení jeho celkové spotřeby a k rozšiřování využití uhlí do dalších odvětví.
• Moderní ekonomové tento paradox potvrdili a upřesnili, že zvýšená účinnost zdroje snižuje
náklady jeho využití proti jiným zdrojům, což zvyšuje poptávku po něm a ruší jakýkoli vliv
úspor na snížení jeho spotřeby. Zvýšená efektivnost zdroje navíc urychluje ekonomický
růst, který dál zvyšuje poptávku po všem a zejména po energii.
• Existuje studie, ze které vyplývá, že zavedením úsporných zdrojů světla se spotřeba
energie na svícení (je to v současnosti asi 6,5% celkové spotřeby) nesníží, ale zvýší.
Poptávka po světle není nasycena - interiéry obydlí a pracovišť jsou osvětleny obvykle
jen na deset procent venkovního světla při zatažené obloze. Studie předpovídá, že
všeobecné zavedení energeticky úsporných zdrojů světla může zvýšit spotřebu světla v
lumenhodinách během dvou desetiletí na desetinásobek. To by znamenalo, že v případě
zachování reálné ceny elektřiny po odpočtení inflace na současné úrovni vzroste
spotřeba energie na osvětlení na více než dvojnásobek.
Úsporné inovace zvyšují celkovou spotřebu energie.
POROVNÁNÍ ZÁVĚREM
SROVNÁNÍ SVĚTELNÝCH ZDROJŮ
Světelný zdroj
Index CRI
Měrný výkon (lm/W)
Životnost (h)
Žárovka obyčejná
90 -100
5 – 18
1.000 – 2.000
Žárovka halogenová
90 -100
20 – 30
2.000 – 3.000
Zářivka lineární
70-95
50 – 106
8.000 – 16.000
Zářivka kompaktní (CFL)
80-95
42 – 87
5.000 – 15.000
Výbojka metalhalogenidová
60-90
75 – 130
8.000 – 12.000
Výbojka rtuťová
40-80
32 – 60
8.000 – 15.000
Výbojka sodíková vysokotlaká
(HPS)
20-70
70 – 150
10.000 – 28.000
Výbojka sodíková nízkotlaká
(LPS)
<30
100 – 200
10.000 – 15.000
Indukční výbojka (LVD)
>80
70 – 80
60.000
Sirná výbojka (PLS)
>80
80 – 130
60.000
Xenonová výbojka
>90
30 – 40
1.500 – 3.000
LED (bílá s luminoforem)
80
30 – 160
50.000
SROVNÁNÍ SVĚTELNÝCH ZDROJŮ
Srovnání světelné účinnosti
250
150
100
50
Srovnání doby života
0
70000
60000
50000
hodin
lm/W
200
40000
30000
20000
10000
0
VÝVOJ SVĚTELNÉ ÚČINNOSTI ZDROJŮ
ÚSPORY ENERGIE
Srovnání ročních nákladů na provoz zdroje
světla odpovídajícího 60 W žárovce
Parametr
Orientační cena
značkového zdroje
světla [Kč]
Příkon [W]
Světelný tok [lm]
Životnost [h]
Životnost zdroje
[roků]
Roční cena za
spotřebu [Kč]
Roční cena za
zdroj [Kč]
Náklady za rok [Kč]
Klasická
žárovka
Halogenová
žárovka
15
Kompaktní
zářivka
50
60
42
741
640
1000
2000
při 3 hodinách svícení denně
LED žárovka
100
600
12
740
12000
10
810
25000
0,9
1,8
11,0
22,8
305
213
61
51
16
321
27
241
9
70
26
77
Ceny zdrojů na podzim 2012
Cena energie 4,64 Kč/kWh
LIKVIDACE STARÝCH ZDROJŮ
• Recyklovat je nutné všechny zářivky, neboť každá obsahuje malé
množství toxické rtuti (2 až 5 mg).
• Pokud se zářivka rozbije, rtuť se uvolní. I tak malé množství by
mohlo znečistit až 10 000 litrů vody.
• Se zářivkou je dobré zacházet jako s elektroodpadem.
• Sběrných míst je více než tři tisíce.
• Zářivku můžete odevzdat v obchodě s elektronikou, ve sběrných
dvorech a do malých sběrných nádob.
• Jako s elektroodpadem je třeba zacházet s lineárními
a kompaktními zářivkami, halogenidovými, sodíkovými
a rtuťovými výbojky světelné zdroje s LED diodami.
• Do popelnice můžeme vyhodit běžné žárovky a také reflektorové
a halogenové žárovky.
DĚKUJI ZA POZORNOST
UTEE FEKT VUT
KOLEJNÍ 2906/4
612 00 BRNO
T: +420 541 149 510
F: +420 541 149 512
E: [email protected]