Temat: Nowoczesne źródła światła. 1. Lampy metalohalogenkowe. Źródłem światła w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie elektryczne zachodzące w naczyniu wyładowczym zwanym jarznikiem wypełnionym mieszaniną par rtęci i tak zwanych halogenków lub jodków: indu, skandu, sodu, talu. Halogenki są to tzw. jodki ziem rzadkich, np. holmu, tulu i dysprozu. Jarznik jest umieszczony w szklanej, próżniowej bańce zewnętrznej o kształcie cylindrycznym lub elipsoidalnym. Bańka zewnętrzna może być przezroczysta lub pokryta warstwą rozpraszającą światło. Lampa wyposażona jest w metalowy, gwintowany trzonek. Na rys. 29 przedstawiono przykładowe lampy metalohalogenkowe. Bezpośrednim poprzednikiem lamp metalohalogenkowych były lampy rtęciowe. Lampy metalohalogenkowe W stosunku do nich nowa technologia ma wiele zalet. Widmo promieniowania rtęci składa się z kilku silnych linii, pomiędzy którymi są praktycznie puste pasma. Taka charakterystyka nie nadaje się dobrze do odwzorowywania pożądanych kolorów. Zastosowanie mieszaniny rtęci z wyżej wymienionymi pierwiastkami poskutkowało poszerzeniem widma promieniowania. Lampy metalohalogenkowe należą do najlepiej oddających barwy źródeł światła. Dodatkowo uległa zmianie barwa emitowanego światła z niebiesko-zielonej w przypadku lamp rtęciowych na białą. Na rys. poniżej przedstawiono dla porównania widma lamp rtęciowej i metalohalogenkowej. Widma lamp rtęciowej i metalohalogenkowej Dodatkowymi zaletami są energooszczędność lampy metalohalogenkowe ustępują jedynie lampom sodowym. Ponadto na uwagę zasługuje duża żywotność między 7500, a 20000 godzin. Lampy metalohalogenkowe są dostępne w zakresie niskich, średnich i wysokich mocy od 35 do 2000 W. Lampy metalohalogenkowe nie osiągają swojego pełnego strumienia świetlnego natychmiast po załączeniu. Czas ich stabilizacji wynosi od kilku do 15 minut. W tym czasie osiągają one ok. 90% właściwych parametrów pracy. Ten czas nazywany jest czasem stabilizacji. Gdy lampa działa zostanie wyłączona po dłuższym czasie działania, nie może być natychmiast włączona ponownie. Zanim możliwy będzie powtórny zapłon, jarznik musi ostygnąć. Czas ten nazywany jest czasem ponownego zapłonu. Dla tradycyjnych lamp z elektrodą zapłonową, czas ponownego zapłonu może dochodzić do ponad 15 minut, ale dla lamp z zapłonem impulsowym wynosi zazwyczaj kilka minut. str. 1
Jeśli chodzi o zastosowanie to głównym segmentem, w którym są stosowane jest oświetlanie budynków, hal przemysłowych, sportowych (np. hala AWF w Krakowie) galerii i wielu innych. Umieszczone w obudowach z aluminium mają dobra odporność na uszkodzenia mechaniczne i czynniki atmosferyczne. Dlatego doskonale nadają się też do oświetlania ulic, autostrad czy alejek spacerowych. Ze względu na bardzo dobre odwzorowanie barw są stosowane w miejscach gdzie odpowiednio dobrane kolory mają znaczenie estetyczne albo związane z bezpieczeństwem. Zalety lamp metalohalogenkowych doceniono między innymi w Krakowie, gdzie oświetlają np. Zamek na Wawelu czy Kościół Mariacki. 2. Lampy ksenonowe. a). Budowa Lampa zbudowana jest z bańki kwarcowej, na której końcach znajdują się wtopione elektrody: anoda i katoda. Bańka wypełniona jest czystym ksenonem lub ksenonem z niewielką ilością rtęci. Ksenon jest używany z względu na białą barwę świecenia. Bańki są kwarcowe gdyż jest to materiał, który jest w stanie wytrzymać duże ciśnienie i duże temperatury podczas pracy lampy oraz zapewnia dobrą jakość przepuszczanego światła. Żeby uzyskać jak największą wydajność lampy, gaz w środku bańki jest pod bardzo dużym ciśnieniem. b). Zasada działania Jeśli przyłożymy napięcie do lampy to pomiędzy elektrodami powstanie łuk elektryczny czyli strumień plazmy w zjonizowanym gazie. W lampie z czystym ksenonem większość światła jest generowana w małej chmurze plazmy znajdującej się tuż przy miejscu gdzie strumień elektronów opuszcza katodę. Rozkład natężenia światłą przypomina kształtem stożek i maleje wykładniczo w stronę anody. W lampach z dodatkiem rtęci sytuacja wygląda podobnie tylko takie stożki znajdują się w pobliżu obu elektrod i maleją w głąb lampy. Przy przyłożonym napięciu gaz się jonizuje i jest tymczasowo przewodni. Elektrony opuszczają katodę zderzając się z atomami i jonami gazu zmieniając swój stan energetyczny a to z kolei powoduje wysłanie kwantu energii czyli fotonu. Często stosuje się łączenie lampy z kondensatorem. Gdy gaz się zjonizuje pod wpływem przyłożonego napięcia przez lampę płynie prąd rozładowujący kondensator, co łączy się z intensywnym świeceniem wew. rurki. Wyzwala się przy tym kilkadziesiąt dżuli energii a zjawisko to trwa około milisekundy. Po ponownym naładowaniu kondensatora wyzwala się kolejny błysk. Cała procedurę można powtarzać wiele tysięcy razy. str. 2 c). Cechy lamp ksenonowych Lampy ksenonowe są niskonapięciowe, wysoko amperażowe oraz stałoprądowe. Lecz żeby uruchomić lampę potrzebujemy napięcia rzędu kilkunastu kv. Wymagają uregulowanego stałego napięcia gdyż w przeciwnym wypadku zaobserwujemy zjawisko tj. oscylacja plazmy. Elektrony opuszczające katodę i uderzające po przejściu przez plazmę w anodę powodują zwiększanie jej temperatury. Są dwa rozwiązania: albo anoda jest znacznie większa od katody albo stosuje się system chłodzenia wodą. Przy niskich mocach lampy nie muszą być chłodzone ale przy wysokich mocach stosuje się oddzielne obwody wody do chłodzenia. Dla zaoszczędzenia kosztów można użyć jednego obwodu dla anody i katody ale wtedy woda musi być silnie zdejonizowana. Lampy
ksenonowo-rtęciowe wytwarzają duże ilość promieniowania UV. Osłona kwarcowa nie tłumi tego promieniowania. Największa intensywność widma jest dla długości fali 300-450 nm czyli w okolicach UV i niebieskiego. Jest jeszcze kilka wzgórków w okolicach zieleni. Lampy czysto ksenonowe mają widmo w zakresie światła widzialnego ludzkim okiem. To widmo jest szersze i bardziej wyrównane. Brak UV za to spora intensywność w podczerwieni. Porównanie lampy halogenowej i ksenonowej d). Zalety lamp ksenonowych wysoka luminacja długa żywotność temperatura barwowa ok. 6000K stałe pasmo w zakresie widzialnym wysoki poziom wierności oddawania barw (Ra > 95) stała barwa światła przez cały okres używania możliwość zapłonu gorącej lampy (natychmiastowy restart) Porównanie oświetlenia reflektorami halogenowymi i ksenonowymi Lampy ksenonowe są obecnie bardzo szeroko stosowane w wielu dziedzinach życia. Przede wszystkim stosowane są one jako oświetlenie samochodowe. str. 3
e). Inne zastosowanie lamp ksenonowych projektory latarki mikroskopy skanery technika światłowodowa luminacja obiektów plany filmowe i telewizyjne lampy błyskowe (fotografia, stroboskopy) medycyna (np. Endoskopia) wzbudzanie atomów w laserach Lampy ksenonowe coraz częściej zastępują zwykłe żarówki ze względu na swoje właściwości. Ich cena w przeliczeniu na jakość uzyskanego oświetlenia jest korzystna i dzięki temu to źródło staje się coraz popularniejsze. 3. Oświetlenie typu LED. Dioda LED to element elektroniczny emitujący promieniowanie świetlne. W zależności od użytego do jej budowy materiału, diody LED dostępne są w wielu kolorach. Począwszy od najprostszych domowych układów oświetlenia obiektów, poprzez iluminacje wnętrz, eksponatów, aż do profesjonalnych zastosowań w systemach ewakuacyjnych i systemach bezpieczeństwa oświetlenia awaryjnego dzięki dużej uniwersalności - Diody LED znalazły swoje przeznaczenie jako niezawodne oszczędne źródło światła. To, co charakteryzuje Żarówki LED to przede wszystkim małe wymiary, duża trwałość, łatwa adaptacja oraz dostosowane do potrzeb wielu aplikacji napięcie zasilania z zakresu 12/24/230 V. Tego typu diodowe promienniki z uwagi na mały pobór prądu wytwarzają nieznaczne, wręcz minimalne ilości ciepła, dzięki czemu możliwe jest umieszczenie ich w bezpośredniej odległości od oświetlanego obiektu. Z powodzeniem więc można przyjąć iż światło LED to idealne rozwiązanie dla oświetlenia bateryjnego, oświetlenia ogrodu, schodów, podświetlenia czy iluminacji elementów wystroju wnętrz i znaków. Wszędzie tam, gdzie wymagane jest oświetlenie punktowe lub stworzenie odpowiedniego nastroju to właśnie systemy oświetlenia LED stają się najbardziej opcjonalnym rozwiązaniem przy coraz częstszym zastosowaniu w rozbudowanych salach kinowych, dyskotekach, pubach czy też restauracjach gdzie doskonale służą jako oświetlenie techniczne schodów, podświetlenie podestów i różnego rodzaju przeszkód utrudniających swobodne przemieszczanie się. Halogen LED, żarówka diodowa, żarówka LED, diodowa żarówka, światło LED, żarówka energooszczędna LED, to nie we wszystkich przypadkach prawidłowe, ale praktycznie stosowane nazwy tego samego elementu oświetleniowego. Nastrojowe, kolorowe światło jest łatwe do uzyskania i podłączenia. Niskie, bezpieczne, napięcie zasilania 12 V umożliwia łatwą instalację, eksploatację i konserwację systemu oświetlenia LED wykonanego w oparciu o żarówki LED. Parametry techniczne: Pobór mocy - ok. 1,5 Wat ( mały pobór mocy, oszczędne oświetlenie ) Napięcie zasilania 230 V. Długa żywotność 50.000 godzin ponad 5 lat!!! Dostępne kolory produktu: Dioda LED - niebieska, zielona, czerwona, biała str. 4
Porównanie: żarówka i dioda LED koloru białego Porównanie identycznych latarek: pierwsza z oryginalną żarówką, druga zmodyfikowana o żarówkę LED. Obie zasilane są z nowych baterii 1,5V i znajdują się w jednakowej odległości ok.1m od ekranu. Porównanie Żarówka LED Pobór prądu [ma] 580 55 Jasność duża wystarczająco duża Barwa żółta, mocno zależna od napięcia śnieżno biała - zawsze Jakość wiązki nierówna i niesymetryczna jednolita Skupienie / kierunkowość znaczne rozproszenie duże skupienie Żarówka LED na zdjęciu - zainstalowana bliżej. Zainstalowana dalej Żarówka Halogenowa 20 W -12 V. Montaż Żarówki LED 12 V realizowany jest w standardowych oprawkach, w jakich dotychczas montowane były palniki żarowe - tzw. halogeny. Ze względu na tą sama wielkość, identyczny kształt obudowy ( lecz z odmiennymi stykami zasilania) jak również swobodną możliwość zasilania napięciem 230 V, produkowane seryjnie Palniki - Żarówki halogenowe mogą być bez problemów zastąpione żarówką LED. str. 5
Po zainstalowaniu żarówka LED spełnia identyczną rolę jak dotychczas zainstalowany palnik jednak należy zauważyć kilka różnic związanych z eksploatacją nowej żarówki: światło żarówki jest mniej ciepłe, żarówka pobiera - 1,5 W mocy przy zasilaniu napięciem 12 lub 230 V, trwałość żarówki - 10 tys. godzin - ca. 10 lat eksploatacji bez wymiany. Na trwałość nie wpływa ilość włączeń i wyłączeń żarówki. Ilość cykli jest nieograniczona. Z punktu widzenia eksploatacji w wielu wypadkach nie opłacalnym jest wyłączanie żarówek. Żarówki LED w związku z małym poborem mocy mogą być eksploatowane przez całą dobę bez wyłączania. Pobór mocy jest tak mały, że wskaźnik oszczędności w stosunku do ceny trwałości urządzenia jest ogromny. Przykład - kalkulacja kosztów pracy przez 300 dni w roku ośmiu żarówek halogenowych 40W 12 V i szesnastu żarówek 21 LED 12 V. Koszty poboru energii dla 8 żarówek halogenowych 40 W za okres używania przez 365 dni 12 godzin x 356 dni w roku = 4380 godzin x 8 żarówek x 40 W = 1402kWh. 1402kWh x 33gr = 462,66 PLN. Koszty poboru energii dla 16 żarówek LED za okres używania przez 365 dni 12 godzin x 356 dni w roku = 4380 godzin x 16 żarówek x 1,5 W =105,1kWh. 105,1kWh x 33gr = 34 PLN. Koszt działania 16-tu żarówek codziennie przez 12 godzin 34 PLN. Koszt działania 16-tu żarówek codziennie przez 24 godziny 68 PLN. Uwagi Żarówki LED idealnie nadają się do wykorzystania jako źródło oświetlenia awaryjnego. Kompletując elementy niezbędne do realizacji podstawowego i zapasowego źródła zasilania żarówek LED pozostaje dobranie pojemności akumulatora dla zapewnienia wymaganego czasu zagwarantowania oświetlenia. Wbrew pozorom stosując powszechnie używane w systemach alarmowych akumulatory żelowe - o napięcie 12V można uzyskać bardzo długie czasy podtrzymania zasilania. Biorąc do analizy układ oświetlenia (patrz: tabela) 16 żarówek LED pobiera moc wysokości 24W, co przy napięciu 12V powoduje przepływ prądu w obwodzie zasilania o wartości 2A. Stosując zatem akumulator 12 voltowy o pojemności 15Ah (przy założeniu jego sprawności oznaczonej współczynnikiem k=1,25) możemy wyliczyć czas przez jaki 16 żarówek LED będzie świecić nawet po zaniku podstawowego napięcia zasilania: Tp=15Ah/2A*1,25= 6h wzór na czas działania awaryjnego oświetlenia Jest to bardzo długi okres podtrzymania w porównaniu z innymi systemami oświetlenia awaryjnego. Zakładając, że generalnie w wielu obiektach wystarczy podtrzymać oświetlenie awaryjne przez 1 godzinę, to ten warunek przy użyciu tego samego akumulatora będzie spełniony dla zasilania 6x16, czyli 96 szt. żarówek typu LED. str. 6
Koszty wykonania systemu oświetlenia awaryjnego poza źródłem światła są stosunkowo niewielkie, przykładowo: Zasilacz profesjonalna przetwornica napięcia z modułem baterii 10A 12V 330 PLN. Akumulator żelowy 12V 15Ah 70 PLN. Koszty systemu zasilania awaryjnego dla 40-90 szt. żarówek wynoszą (brutto) 400 PLN. Oświetlenie LED, odpowiednio zaprojektowane i zastosowane pomimo sporego kosztu jednostkowego pojedynczej żarówki, biorąc pod uwagę jej trwałość i niską awaryjność (około 10 lat) koszty instalacji w porównaniu z żarówkami elektronicznymi w wielu wypadkach zwracają się już po kilku miesiącach od rozpoczęcia użytkowania. 4. Świetlówki kompaktowe. Tradycyjna żarówka przetwarza około 5% energii elektrycznej na światło., świetlówka kompaktowa ok. 25%. Świetlówki kompaktowe mają średnio 5-krotnie wyższą skuteczność świetlną niż żarówki, dzięki temu na przykład świetlówka o mocy 20 W wytwarza tyle samo światła, co żarówka tradycyjna o mocy 100 W. KONSTRUKCJA ŚWIETLÓWEK KOMPAKTOWYCH Przykładową konstrukcję świetlówki kompaktowej pokazano na rysunku 1. Do podstawowych elementów świetlówki kompaktowej należą: rurki świetlówki elektroniczny układ zasilający obudowa układu zasilającego trzonek Rurki świetlówki wykonane są ze szkła pokrytego od wewnątrz warstwą luminoforu. Wewnątrz rurki znajduje się gaz wypełniający (mieszanina argonu i neonu lub sam argon) i niewielka ilość rtęci. Luminofor jest źródłem światła w świetlówce. Wewnątrz świetlówki, po jej zapłonie, wytwarzane jest promieniowanie nadfioletowe, które str. 7
pobudza do świecenia luminofor. Elektroniczny układ zasilający pozwala na zapłon świetlówki i jej stabilną pracę po zapłonie. Od jakości elementów elektronicznych zależy trwałość całej świetlówki. Obecnie produkowane świetlówki mają średnią trwałość 10000 15000 godzin. Obudowa układu zasilającego wykonana jest z plastiku i stanowi element łączący rurki świetlówki, elektroniczny układ zasilający i trzonek. Trzonki świetlówek kompaktowych wykonywane są z aluminium. W Polsce świetlówki kompaktowe są dostępne w dwóch typach trzonków: E27 i E14. Są to typowe trzonki stosowane w tradycyjnych żarówkach. Konstrukcja świetlówki kompaktowej umożliwia zastosowanie jej prawie we wszystkich oprawach oświetleniowych przystosowanych do tradycyjnych żarówek, dlatego stanowią one zamiennik żarówek tradycyjnych. TYPY ŚWIETLÓWEK KOMPAKTOWYCH Świetlówki kompaktowe produkowane są w różnych kształtach. Do najpopularniejszych można zaliczyć: kształt tradycyjny z odsłoniętymi rurkami kształt żarówek tradycyjnych kształt żarówek świecowych kształt żarówek kulistych i żarówek reflektorowych Zwykle różne kształty świetlówek kompaktowych uzyskuje się poprzez obudowanie tradycyjnego kształtu świetlówki kompaktowej kloszem imitującym kształt tradycyjnych żarówek. Świetlówki kompaktowe o mocach od 3 do 15 W mają wymiary części świecącej zbliżone do wymiarów bańki zewnętrznej tradycyjnych żarówek. Świetlówki o większych mocach, np. od 20 do 30 W, mają nieco większe wymiary. str. 8
Typowe kształty świetlówek kompaktowych pokazane są na fot. 1. Świetlówki kompaktowe przypominające kształtem tradycyjne żarówki przedstawione są na fot. 2, a przykłady innych kształtów świetlówek kompaktowych na fot. 3. DLACZEGO WARTO KORZYSTAĆ ZE ŚWIETLÓWEK KOMPAKTOWYCH. Świetlówki kompaktowe mają średnio pięć razy wyższą skuteczność świetlną niż tradycyjne żarówki oraz są od 6 do 15 razy trwalsze. Te dwie cechy świetlówek kompaktowych powodują, że ich zastosowanie zamiast tradycyjnych żarówek przynosi użytkownikowi wiele korzyści w postaci oszczędności energii elektrycznej i rzadszej wymiany źródeł światła. Używanie świetlówek kompaktowych jest tańsze niż żarówek, można to prześledzić na przykładzie jednej świetlówki kompaktowej o mocy 20 W. Ten typ świetlówki wytwarza zbliżoną wartość strumienia świetlnego (1200 lm) do strumienia świetlnego jaki wytwarza żarówka o mocy 100 W. Świetlówka ta jest zamiennikiem żarówki o mocy 100 W. Średnia trwałość tego typu świetlówki wynosi 15000 godzin, co oznacza, że jest ona 15 razy trwalsza niż tradycyjna żarówka o mocy 100 W. W celu wyliczenia jakie oszczędności przyniesie zastosowanie świetlówki kompaktowej, przyjęto następujące założenia: świetlówka DULUX EL LONG-LIFE 20W/827 kosztuje 40 zł, cena tradycyjnej żarówki to 1 zł, cena 1 kwh energii wynosi 0,41 zł Zastosowanie tej żarówki spowoduje zaoszczędzenie w całym okresie eksploatacji (15000 godzin) 1200 kwh energii, co przyniesie oszczędności w postaci 492 zł. Odejmując koszt inwestycji w zakup świetlówki i różnicę wynikającą z liczby wymienianych żarówek w tym czasie (15 żarówek), jedna świetlówka pozwoliła zaoszczędzić 419 zł. Koszt zakupu świetlówki zwróci się po około 1300 godzinach świecenia. Można przyjąć, że w warunkach domowych czas zwrotu zakupu świetlówki wyniesie od pół roku do jednego roku użytkowania, w zależności od miejsca zastosowania świetlówki. str. 9
PODSTAWOWE DANE TECHNICZNE I EKSPLOATACYJNE ŚWIETLÓWEK KOMPAKTOWYCH Do podstawowych danych technicznych i eksploatacyjnych, na jakie należy szczególnie zwracać uwagę przy wyborze świetlówki kompaktowej lub porównywaniu jakości świetlówek kompaktowych, można zaliczyć: skuteczność świetlną ogólny wskaźnik oddawania barw wytwarzanego światła średnią trwałość odporność na włączenia Skuteczność świetlna świetlówek dobrej jakości waha się w granicach od 33 lm/w (świetlówki małej mocy 3,5 W) do 65 lm/w (świetlówki większej mocy 23, 30 W). Skuteczność świetlna świetlówek zależy głównie od typu stosowanego luminoforu i jakości elektronicznego układu zasilającego. Niektóre typy świetlówek mają bardzo niską skuteczność świetlną i należą głównie do nich tanie świetlówki kompaktowe, w których oszczędzono na luminoforze i elementach elektronicznych. W świetlówkach kompaktowych stosowany jest głównie luminofor trójpasmowy (LUMILUX), który zapewnia również wysoką skuteczność świetlną. W Polsce oferowane są głównie świetlówki, które wytwarzają światło barwą zbliżone do barwy światła wytwarzanego przez żarówki tradycyjne (T c = 2700 K). Średnia trwałość świetlówek kompaktowych waha się w granicach od 6000 do 15000 godzin i jest uzależniona od trwałości elementów statecznika elektronicznego. Wiele typów świetlówek, zwłaszcza bardzo tanich, ma bardzo krótką trwałość, znacznie krótszą niż deklarowana przez producenta. Wpływ na trwałość świetlówki ma także to, ile razy jest ona włączana. Odporność na liczbę włączeń zależy od sposobu włączania świetlówki ( na zimno lub na gorąco ) i jakości elementów użytych w stateczniku elektronicznym. Świetlówki, w których jest zastosowany tak zwany gorący start, są odporniejsze na liczbę włączeń w porównaniu ze świetlówkami, w których zastosowano tak zwany zimny start. str. 10