Osvětlování a moderní světelné zdroje Ing. Eva Kroutilová, Ph.D. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.
UTEE FEKT VUT v Brně Kolejní 2906/4 BRNO
Osnova • podstata světla • aspekty návrhu osvětlení • zdroje světla (od historie po současnost) • výkonové LED a jejich aplikace • příklady realizovaných zdrojů • světlovody a jejich numerické modelování
Fyzikální podstata světla
UV
fialová
modrá
zelená
žlutá
oranžová
červená
IR
<380 nm
380 – 430
430 – 490
490 – 560
560 – 600
600 – 640
640 – 790
>790 nm
Viditelné záření má vlnovou délku v rozsahu přibližně 380 až 790 nm
Fyzikální podstata světla Na povrch Země dopadá nejvíce záření právě ve VIS oblasti, a 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 je pro λ = 550 nm ~ maximální intenzitě dopadající na Zemi. • Živočichové ve specifických podmínkách mohou mít vidění mírně posunuté k UV nebo IR okraji viditelného záření.
Účinky světla na člověka Fotochemické změny • tvorba vitamínu D ozářením v horní vrstvě kůže λ = 220 nm – 310 nm (nedostatek - poruchy metabolismu, křivice, osteroporóza) 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 • lépe vnímáme hluk studené barvy (modrá, zelená) • tlumí tělesné funkce • svým způsobem uklidňují
Fotometrické veličiny a jednotky
Φ = ∫ Id Ω
L=
dI dA
dΦ E= dA
Svítivost I (cd - kandela) • základní jednotka SI pro bodové zdroje Světelný tok Φ (lm – lumen) • vyjadřuje tok zdroje o svítivosti I do prostorového úhlu Ω Jas L (cd.m-2) • používá se pro plošné zdroje Osvětlení E (lx – lux) • udává poměr světelného toku dopadajícího na plochu
Jas některých zdrojů
L (cd.m-2) Slunce vlákno žárovky 2700 K bílý papír při slunečním světle zářivka plamen svíčky Měsíc oblačná obloha
2.109 1.107 2,5.104 6.103 5.103 3.103 3.103
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 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
Kritéria návrhu osvětlení Kromě intenzity osvětlení je důležité vzít při návrhu v úvahu • • • • •
rovnoměrnost rozložení osvětlení barvu světla jasové poměry estetické hledisko celkový čas osvětlení ( svítí stále, občas, nouzově,…) • typ prostoru interiér / exteriér • životnost zdrojů • finanční náklady
Kritéria návrhu osvětlení
Kritéria návrhu osvětlení
Denní světlo •
Zdrojem je Slunce s povrchovou teplotou asi 6000 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 (Tyndallův jev - modrá obloha). – Slunce se jeví při východu a západu červenější - světlo překonává větší dráhu.
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 • sodíkové
Světelné zdroje
Světelné zdroje teplotní • Procházející elektrický proud rozžhaví kovové vlákno, a tím dochází k excitaci atomů kovu. • Spontánní emisí fotonů vzniká teplotní záření se spojitým spektrem.
Světelné zdroje výbojové •
V elektrickém výboji dochází ke srážkám elektronů a iontů s atomy plynu nebo kovových par.
•
Energie částic se mění v optické záření, často UV
•
Výbojky jsou velmi často opatřeny luminofory, které při excitaci UV zářením emitují viditelné světlo.
•
Spektrum takových zdrojů je čárové, nebo spojité s význačnými spektrálními čárami.
Klasické žárovky • • • • • • • • • • • •
vlákno - W drát, dvojitě vinutý vyzařování světla tepelným buzením spojité spektrum nízká cena okamžité zapnutí možnost stmívání Index barevného podání Ra 90 - 100 životnost 1.000 – 2.000 h (klesá s U3,5) značný pokles světelného toku s poklesem U měrný světelný tok 8 - 17 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 • Heinrich Goebel, 1858
Historické žárovky • T. A. Edison, komerční provedení žárovky s uhlíkovým vláknem, 1881
Historické žárovky
15. 5. 1947 tříletý Dickey Jackson s žárovkou 50 kW Foto: Smithsonian Institution
Halogenové žárovky • do plnicího plynu přidán halogen (nap. jód) potlačí usazování W na vnější baňce • náplň nejčastěji Kr + sloučenina halogenu (methyljodid, metylenbromid) • 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
Halogenové žárovky Regenerační efekt W - halogenový cyklus • představuje při zvýšení světelného toku asi o 30% a přibližně 2× delší životnost oproti klasické žárovce • Wolfram vypařující se z vlákna se v blízkosti baňky (nízká teplota) slučuje s halogenem (nejčastěji s bromem). Vlivem koncentračního spádu se tato sloučenina vrací od stěny baňky zpět k vláknu. Zde se vlivem vysoké teploty začne rozkládat zpět na wolfram a halogen. Část wolframu se usazuje zpět na vlákno a zároveň velká hustota wolframu v okolí vlákna snižuje vypařování wolframu z vlákna, čímž se prodlužuje životnost žárovky.
Historické halogenové žárovky
Tungsram: Halogenová žárovka 5000 W plněná jódem, ve své době revoluční unikát. Za povšimnutí stojí nafialovělá barva náplně způsobená parami jódu. Žárovka proto svítila fialově. Foto: Muzeum pražské energetiky
Přehled vývoje žárovky
Typ
Rok
Měrný Životnost (hod.) výkon( lm.W-1) Uhlíková, vakuová 1879 2 600 Osmiová, vakuová 1900 Wolframová, vakuová, přímé vlákno 1906 6 - 8 1000 Wolframová, s plynem, spirální vlákno 1913 9 1000 Wolframová, s plynem, dvojitá spirála 1934 12 - 14 1000 Halogenová 1959 20 2000
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 hod s tlumivkou a až 16.000 hod s el. předřadníkem • měrný světelný tok 50 až 85 lm.W-1 • teplota chromatičnosti Tc = 2.700 6.500 K • Index barevného podání Ra 70 - 95
Konstrukce zářivky Energetická bilance: • světlo 21 % • infračervené záření 24 % • odvedené teplo 55 % argon + páry rtuti 400 kontakty
+ 0,6 Pa
luminofor
žhavené elektrody W + oxidy Ba,Sr,Ca
Zapalovací obvod zářivky bimetal startér
230 V / 50 Hz
odrušovací kondenzátor
kompenzační kondenzátor tlumivka
• Po zapnutí vypínače je na elektrody zapalovače přivedeno plné síťové napětí, dojde mezi nimi k doutnavému výboji. • Bimetalové elektrody se zahřejí a ohnou tak, až se navzájem dotknou, proud prochází žhavicími vlákny zářivky a zahřeje je, takže se kolem elektrod vytvoří oblak elektronů. • Zatím se elektrody zapalovače ochladí a po několika sekundách se přeruší styk mezi nimi, elektrody odskočí. • V sérii se zářivkou zapojená tlumivka způsobí po přerušení obvodu napěťový indukční náraz a na elektrodách zářivky a dojde k zapálení hlavního výboje. • Tlumivka pak dál funguje jako předřadník, provozní napětí na zářivce je kolem 80 V • Dnes spíše elektronické předřadníky, často s možností regulace světelného toku.
Kompaktní zářivky • menší rozměry • větší výkon v daném prostoru, ale menší měrný výkon • výkon se pohybuje od 5 do 55 W • není stroboskopický jev • mnoho provedení jednopaticová zářivka, potřebuje pro svůj provoz tlumivku a startér, nebo elektronický předřadník
s elektronickým předřadníkem a paticí E27 pro našroubování místo obyčejné žárovky
Srovnání
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
Nízkotlaké sodíkové výbojky • spektrum čárové ve viditelné části optického spektra blízko maximální citlivosti lidského oka (555 nm) • není nutná přeměna UV na VIS • vysoký měrný světelný tok až 170 lm/W • díky nízkému Ra (< 30) se u nás tyto výbojky příliš nerozšířili
Vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS) • zvýšení tlaku sodíkových par 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 140 lm/W • Ra až 70, lepší oproti nízkotlakým • životnost až 28.000 h • osvětlení veřejných komunikací a prostranství i výrobních hal
Vysokotlaké sodíkové výbojky
relativní intenzita
Nevýhoda:
1,0
0,5
převaha žluté barvy 400
500
600
700
λ (nm)
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 15000 hodin ve spektru jeho světla úplně chybí červená složka podání barev osvětlovaných předmětů je naprosto nevyhovující
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) 0do rtuťové náplně halogenidové výbojky • index Ra 40 - 80
Vysokotlaké rtuťové výbojky Tlumivka
U
Nosníky Výbojka Kompenzační kondenzátor
patice E 40 nebo E 27
N
odpor pomocná elektroda
hlavní elektrody
Tlak 300 Pa vzroste až na 900 kPa Teplota 5200 oC
Vysokotlaké rtuťové výbojky s luminoforem Tyto výbojky jsou dnes vytlačovány ze svých pozic účinnějšími halogenidovými a vysokotlakými sodíkovými výbojkami. Velmi vhodné jsou např. při osvětlování zeleně (parky).
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 zapalovač ani předřadník! Ra = 60 až 70 Tc = 3.600 až 4.100 K měrný světelný tok 20 až 30 lm/W Lze doporučit pouze tam, kde se dosud vyskytují žárovková svítidla pro obyčejné žárovky 200 až 500 W bez zvýšených nároků na kvalitu podání barev.
Halogenidové výbojky • • • • • • •
vnesením kovů do výboje dojde k rozšíření spektra záření doplňujících spektrum rtuti (používá se Na, Tl, In, Sc, Dy, Tm, Ho…) 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 klasických 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 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) • životnost několik tisíc hodin • uplatnění v aplikacích s nároky na barevné podání • automobilový průmysl, projektory
Srovnání Světelný zdroj
Index Ra
Měrný výkon (lm/W)
Životnost (h)
Žárovka obyčejná
90 -100
8-17
1.000 – 2.000
Žárovka halogenová
90 -100
14-20
2.000 – 3.000
Zářivka lineární
70-90
50-85
8.000 – 16.000
Zářivka kompaktní
80-95
42 - 60
5.000 – 15.000
Výbojka halogenidová
60-90
60-80
8.000 – 12.000
Výbojka rtuťová
40-80
32-60
8.000 – 15.000
Výbojka sodíková vysokotlaká
20-70
50 - 140
10.000 – 28.000
Výbojka sodíková nízkotlaká
<30
100 - 170
10.000 – 15.000
Indukční výbojka
>80
70
60.000
Xenonová výbojka
>90
30 - 40
1.500
Další vývoj ? Mikrovlnná plazmová výbojka s parami síry • Je zatím velmi málo rozšířena pro vysokou cenu. • 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 Ra = 79. • Světelný tok je možno regulovat v rozmezí 20 - 100 % • Životnost světelného zdroje je 60.000 hodin
Výkonové LED • • • • • • •
principiálně monochromatické zdroje bílá barva se dosahuje luminoforem přímo na čipu měrný světelný tok až 35 lm/W životnost až 50.000 hodin provozní teplota až 185 ºC malé rozměry, vysoká mechanická odolnost cena neustále klesá
Výkonové bílé LED Led LUXEON K2
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.
Měniče pro LED
Světlovody Zdroj světla = sluneční paprsky soustředěny čirou kopulí do světlovodu
Základní sestava světlovodu Zdroj světla = umělé zdroje světla žárovky, zářivky, výbojky…. proti tradičnímu způsobu osvětlení
snažší údržba rovnoměrnější rozložení světelného toku
Výhody osvětlování světlovody • • • • • • • • • • • •
umožňují přeměnit bodový zdroj na čárový nebo plošný nezatěžují osvětlovaný prostor tepelnými emisemi odstraňují nežádoucí UV a magnetickou složku záření místo osvětlení není pod napětím umožňují použít světelné zdroje o velkém výkonu bez oslnění umožňují zavést do budovy a rozvést koncentrované sluneční světlo umožňují měnit barvu v prostoru pomocí předřazených barevných filtrů poskytují vysokou rovnoměrnost osvětlení umožňují umístění zdrojů v pro údržbu dobře dostupném místě umožňují kombinovat přirozené a umělé světlo snižuj počet použitých světelných zdrojů a náklady na údržbu snižují náklady na rozvody el. energie a ztráty v těchto rozvodech
Energetický přínos světlovodů Energie sl. záření (kWh.m-2den-1)
Světelný výkon (W) procházející světlovodem
VIS
d = 320 mm
Léto
Podzim
Léto
Podzim
Jasno
5,56
1,73
21,0
10,4
Polojasno
5,04
0,76
19,0
4,7
Zamračeno
0,72
0,10
2,8
0,6
• Předpokládáme Φv = 68 300 lm.m-2 • Na vstup světlovodu d = 320 mm dopadá sv. tok 22 klm • Při účinnosti η = 24% je výsledný světelný tok na výstupu světlovodu asi 5300 lm • Tato hodnota odpovídá přibližně 7 žárovkám 60 W o světelném toku 12 lm.W-1 nebo také dvěma 36 W standardním zářivkám.
Ukázka využití světlovodů - průchod svěla budovou
Příklady realizací osvětlení světlovody
Zdroje •
•
• • • • •
Kadlecová, E. Methods modelling used for design of lighting systems in lighting technology and design of reflectors. STUDENT EEICT 2003 3.part, Student EEICT 2003. Brno: VUT Brno FEKT a FIT, 2003, s. 340 - 683, ISBN 80-214-2379-X Kadlecová, E., Bernard, M., Plch, J. Problémy s přesným měřením interiérových a exteriérových svítidel. Mezinárodní vědecká konference ELEKTROENERGETIKA 2002. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2002, s. 41 - 45, ISBN 80-248-0060-2 AIZENBERG, J. B.: Historie vývoje a užití dutých světlovodů – 2. část. In Světlo 2/2001 http://www.ghv-trading.cz/ http://www.odbornecasopisy.cz/svetlo/2000/sv040003.htm http://muzeum.pre.cz/soukrome_sbirky/zarovky/sberatel.php www.wikipedia.cz
UTEE FEKT VUT Kolejní 2906/4 612 00 Brno
Děkujeme za pozornost
Tel.: +420 541 149 510 Fax: +420 541 149 512 e-mail:
[email protected]
