Fyzikální základy výroby světla Základní parametry světelných zdrojů

Fyzikální základy výroby světla Základní parametry světelných zdrojů

- jako zdroj nejvíce vyzáří

celková intenzita vyzařování AČT

celková intenzita vyzařování AČT Průběhy spektrální intenzity vyzařování pro AČT

s rostoucí T zářiče se posouvají ke kratším vlnovým délkám

Nejlepší emisivitu má wolframové vlákno

Vznik el. proudu v plynu je podmíněn existencí elektronů - po přivedení U se urychlují - dochází k nárazové ionizaci narůstá. Nejmenší zápalné napětí závisí na materiálu, vzdálenosti elektrod, teplotě, průměru trubice, druhu a tlaku náplně. startování, stab.

1

Podstata svě světla

Principy vzniku světla ve světelných zdrojích: Princip tepelného buzení (inkandescence) vznikajícím při zahřátí pevné látky na vysokou teplotu (žárovky, halogenové žárovky) Princip vybuzením atomů v elektrickém výboji (zářivky, výbojky) Princip luminiscencí pevných látek - přeměna UV záření na viditelné (zářivka 253 nm luminofory) Princip emisemi fotonu při průchodu el. proudu polovodič. přechodem (LED diody)

Svě Světelné telné zdroje

2

Hlavní Hlavní parametry kvalitativní - světelný tok Φ (lm) - elektrický příkon P (W) - měrný světelný výkon (příkon) η (lm/W) - porovnání pro uživatele a projektanty, kteří potřebují znát celkový příkon osvětlovací soustavy

Porovná Porovnávané vané parametry

kvantitativní - doba života T (hod) - Index podání barev - stálost světelně-technických parametrů

Žárovky jsou prvotní prvotní umě umělý

měrný výkon doba života index podání barev možnost stmívání rozměry

denní denní svě světlo

žárovka

zdroj svě světla > 100 let staré staré.

Rozdíly ukazují příčinu nízkého měrného výkonu žárovek. Většina vyzářené energie se nepohybuje ve viditelné části spektra, ale až v oblasti infračerveného, tedy neviditelného záření.

Dvojitě navinuté vlákno žárovky rozžhavené průchodem elektrického proudu

Žárovka

Princip technologie spočívá v tom, že do vnitřku vyčerpané skleněné baňky (vakuum) je uloženo vlákno z wolframu, které je protékáno elektrickým proudem. Elektrický proud způsobuje ohřev vlákna a tím i vyzařování v oblasti viditelného spektra elektromagnetického vlnění. Moderní žárovky mají vlákno ve tvaru spirály, která umožňuje vyšší účinnost a redukuje tepelné ztráty.

3

Baňky žárovek jsou vyčerpané na vysoké vakuum chrání vlákno - shořením. Vakuové pouze do 25 W.

Světlo žárovek se může řídit nenákladnými stmívajícími zařízeními.

První uhlíkové žárovky měly měrný výkon 1,7 lm/W.

Žárovky se vyrábějí v širokém sortimentu výkonů, rozměrů a tvarů pro speciální úlohy osvětlení a zvláštní nároky.

Baňky žárovek vyšších výkonů - plněny inertními plyny. Měrný výkon žárovek se pohybuje okolo 10 lm/W. Se vzrůstající teplotou vlákna vzrůstá i intenzita světelného toku a teplota chromatičnosti. Život žárovek se pohybuje okolo 1 000 hodin. Vlivem nových technologií navíjení vlákna a plnění baněk inertními plyny doba života dále vzrůstá.

Žárovky se i v současnosti stále inovují. Dělají se pokusy na vylepšení emise spirál povlaky z hafnia. Účelné - reflektorové multivrstvy baněk žárovek, u kterých zpětný odraz infračerveného záření vyhřívá vlákno. Snaha o vylepšení vlastností spirál tak aby se dosáhlo vyšší mechanické stability vlákna.

Halogenové žárovky Jak budou mizet: žárovky září 2009 - 200 W, 150 W, 100 W + mléčné září 2010 - 75 W září 2011 - 60 W září 2012 - 40 W, 25 W, 15 W halogenové žárovky ? Hovoří se o roce 2016

Halogenové žárovky Kruhový proces uvnitř baňky způsobuje, že vypařený wolfram se při povrchu baňky slučuje s halogenem a vlivem tepelného pole se vrací zpět na vlákno, kde dochází k disociaci, tj. wolfram se usazuje zpět na vlákno žárovky a halogen se vrací k povrchu baňky. Tím se nejen zvyšuje světelný tok, ale prodlužuje se také doba života halogenových žárovek.

- široké možnosti použití - přesném směrování světelných paprsků (kanceláře, byty) - poskytují o 20 % vyšší účinnost Ve standardní žárovce se wolfram z vlákna žárovky vypařuje a pokrývá povrch baňky, čímž se snižuje světelný tok ze žárovky.

Halogenové žárovky

provozní teplota 250°C křemenné sklo - povrch se naruší dotykem - mastná kůže

4


Ž


HŽ

nevýhody - drahé

Halogenové žárovky Halogenové žárovky poskytují příjemné svěží, bílé světlo s teplotou chromatičnosti 3100 K. Vyrábějí se buď bez odrazné plochy nebo s dichroickým zrcadlem, které omezuje tepelnou složku ve vyzařovaném záření asi na 66 %, což je výhodné zejména při osvětlování předmětů, které jsou citlivé na infračervené záření.

Nové Nové halogenové halogenové žárovky - přednosti: - mají až o 30 % vyšší měrný výkon - vyšší životnost - stabilitu světelného toku během celé životnosti - stabilitu teploty chromatičnosti - rovnoměrnější svítivost ve svazku v případě reflektorových halogenových žárovek - nižší podíl UV záření

Halogenové žárovky se vyrábějí pro různé úhly vyzařování např. 10°, 12°, 25°, 36°a 60°.

Lineární zářivky Zářivky

Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, které vyzařují hlavně v oblasti ultrafialového záření. Lineární zářivky vyrábějí okolo 70 % umělého světla na celém světě. Zářivka spotřebuje jen přibližně pětinu elektrického proudu než žárovka výhodné - z ekonomického hlediska - vysoký měrný výkon

5

Lineární zářivky

Lineá Lineární rní zářivky

Princip funkce zářivek: ve skleněné trubici jsou vlivem elektrického pole mezi elektrodami vybuzeny páry rtuti, ve kterých dochází k emisi neviditelného UV záření. vrstva kysličníku Ba, Sr, Ca s velkou emisivitou - usnadní zápal

Všechny výbojky potřebují předřadné přístroje. Po zapálení startérem je napětí na zářivce nižší než napájecí napětí. Na tlumivce se vytvoří úbytek napětí, který omezí proud tekoucí zářivkou. Zářivky lze také provozovat s elektronickými předřadníky (25-45 kHz). Elektronické vf předřadníky nahrazují tlumivky a startéry a přispívají tak k větší hospodárnosti, vyššímu světelnému komfortu a delší době života zářivek.

Lineá Lineární rní zářivky Speciální látka - luminofor na vnitřním povrchu skleněné trubice přeměňuje neviditelné UV záření na viditelné světlo. Volbou luminoforu je možné ovlivnit barvu světla zářivky.

16 mm

26 mm

38 mm

16 mm


kompenzační Ck upravuje účiník 0,9-0,95


až 98

Lineá Lineární rní zářivky závislost svě světelné telného toku na teplotě teplotě

jmenovitý sv. tok = tok po 100 hod provozu nižší o 10% původního nehospodárné - provozovat při poklesu toku 30-35%

6


Nové typy zářivek T5 mají průměr trubice jen 16 mm, jsou o 50 mm kratší než standardní trubice T8 s průměrem 26 mm.



Nabízejí vyšší měrný výkon až 106 lm/W a jsou určeny pouze pro provoz s elektronickými předřadníky. Zářivky T5 dosahují úspor oproti zářivkám T8 v následujících oblastech: - vyšší měrný výkonu zářivek T5, - vyšší účinnosti svítidel vlivem nižšího odstínění o 40% štíhlejší zářivky, - úsporným provozem s elektronickým předřadníkem, se systémem T5 je možné konstruovat štíhlejší svítidla s čehož plynou další materiálové úspory.

Doba života - ovlivněna počtem zapnutí. Nehodí se proto tam, kde dochází k častému zapínání a vypínání. Provozní vlastnosti zářivek provozovaných s klasickou tlumivkou

Tz zářivek dle způsobu provozu: s klasickým předřadníkem Tz - okolo 10 000 h s elektronickým předřadníkem T z - okolo 18 000 h žárovka - jmen. světelný tok okamžitě x zářivka - jmen. světelný tok po cca 3 min - velmi teplotně závislá - nehodí pro osvětlování venkovních prostorů, ve kterých dochází k poklesům teplot do oblasti bodu mrazu a níže.

7

Účinnost zá zářivek v zá závislosti na teplotě teplotě okolí okolí

Cíl

-

nutné nahrazovat stávající trubice řady Standard za trubice s třípásmovými luminofory - vyšší měrný výkon o 15 %

-

úbytek světelného toku po 20 000 hod -12% 36W/840, 58W/840

Znač Značení ení zářivkových trubic

Trend - zlepšování vlastností - snižování množství rtuti - dokonce o vývoj bezrtuťových technologií - T5 zářivky s průměrem 16 mm - nové typy luminoforů

- lepší využití záření výboje pro vznik světla - vývoj nízkotlakých výbojových světelných zdrojů s proměnlivou barvou světla

Zkoumání bezelektrodových technologií, které směřují do vývoje indukčních výbojek. poslední období - významný nárůst doby života zářivek (až do 50 000 h) dosaženy - odlišnou konstrukcí elektrod - ochranou vrstvou na baňce a luminoforu

pro zrakově nejnáročnější práce - barva světla zářivek - náhradní teploty chromatičnosti světelných zdrojů nad 6 000 K

8

Kompaktní zářivky

příkon žárovek a kompaktních zářivek s odpovídajícím světelným tokem a dobou života

výhody: 1) produkují světelný tok s vysokým Ra 2) dosahují výrazné úspory energie x žárovkám 3) dobře vypadají 4) výrazně vyšší dobu života 20 000 h x žárovkám 5) provozní teplota (-10 až 70ºC) - úbytek Ø<20% 6) možnost stmívání - jen některé - zatím neplatí obecně

Kompaktní Kompaktní zářivky Kompaktní zářivky vyrábějí světlo na stejném principu jako zářivky. Pracují na frekvenci 30-40 kHz.

Kompaktní Kompaktní zářivky Výběrem luminoforu je možno docílit různých barev světla. Tcp 2 700 K, 3 000 K, 4 000 K, 6 500 K

Páry rtuti jsou vlivem elektrického pole mezi elektrodami vybuzeny k emisi neviditelného UV záření. Vnitřní strana skla je opatřena vrstvou speciální látky - luminoforu, který přeměňuje UV záření na viditelné světlo.

U kompaktních zářivek se díky zahnutí a rozdělení skleněných trubiček podařilo dosáhnout rozměrů srovnatelných se standardními žárovkami.

Kompaktní Kompaktní zářivky

Kompaktní Kompaktní zářivky

- výrazně nižší spotřeba elektrické energie x žárovky

1 000 hod

- mnohem delší dobu života při náhradě za Ž

8 ks

- měrný výkon je přibližně pětinásobně vyšší

16 ks

- střední doba života zářivek 15 000 hodin x střední doba života žárovek je 1000 hodin

100 W žárovka

→

ā 80 Kč (640 Kč)

20 W kompakt. zář. 8 000 hod 1ks

ā 300 Kč

ā 80 Kč (1 280 Kč) 16 000 hod + cena spotřebované energie

9

dělení do tří skupin: 2) kompaktní zářivky pro zvlášť malá svítidla dělení do tří skupin: 1) kompaktní zářivky s implementovaným předřadníkem jako úsporná alternativa žárovek

dělení do tří skupin: 3) kompaktní zářivky jako zmenšená alternativa lineárních zářivek vysoký komfort provozu: - okamžitý start bez blikání - odolnost proti častému spínání - delší doba života - odstranění stroboskopického efektu a kmitání světelného toku ! Levné zdroje od neznámých výrobců - kvalita?? (technologie, kvalita luminoforů, geometrie)

nevýhoda kompaktních zářivek - rychlost jejich startu - naběhnou pouze na cca 50 % světelného toku nevhodné pro použití - prostorech ve kterých je nutné dosáhnout okamžitě 100 % světelného toku (např. sociální zařízení).

Jednoduché - levné obvody - studený zápal - negativní vliv na život zářivky - při častém spínání x Komplikovanější technologie s využitím amalgámů eliminuje vliv teploty okolí - nevadí časté spínání delší T z .

trendy vývoje: - tvarované kompaktní zářivky - kompaktní zářivky s reflektorem či difuzorem - konstruují se kompaktní zářivky s velkým příkonem (v současnosti např. 200 W s integrovaným předřadníkem). - miniaturizaci svítidel - náhrada výbojek kompaktními zářivkami - volba barvy světla kompaktních zářivek dle potřeby

10

Bezelektrodové výbojky nízkotlaké - indukční výbojky

Bezelektrodové výbojky nízkotlaké - indukční výbojky Endura (Osram) - výbojka s vnější indukční cívkou. Amalgám + Ar v uzavřeném závitu. Výboj vzniká působením střídavého mg. pole vytvářeného 2 cívkami zesíleného ferit. jádry. Fce jako TR - cívka - primární vinutí, plazma sekundární.

konstruovány na 200 až 240 V QL - 55W, 85W, 60 000 h, účinnost 65-70 lm/W, Ra>80 doba opakovaného znovuzápalu - 0,1 s, ↓náklady na údržbu intenzivní zdroj UV - zdravotnictví, potrav., dezinfekce vzduchu, vody - 253,7 nm venkovní i vnitřní OS, nepřístupná svítidla, tunely, výrobní haly

Bezelektrodové výbojky nízkotlaké - indukční výbojky výhody: -

Bezelektrodové výbojky vysokotlaké

velký měrný sv. tok→ 100 lm/W

-

vysoké Ra

-

TZ velmi dlouhý až 100 000 hod

-

okamžitý start a znovuzápal

-

stabilita Φ v průběhu života

nevýhody: -

omezení příkonu max. 400 W - velikost

-

převážně nestmívatelné

-

neunifikované - omezen výběr svítidel

-

vysoká cena

Nízkotlaká sodíková výbojka

Nízkotlaká sodíková výbojka Výhody: - vysoký měrný výkon 200 lm/W - nejefektivnější světelný zdroj vůbec - Tz až 20 000 h při stabilním Ø

světelný tok 3 600 - 32 000 lm, Tz 16 000 – 24 000 hod

- nízký jas povrchu výbojky

Tcp- 1 800 K, do 55W – pro vertikální směr, nad 90W horiz. sm

- široký teplotní interval, kde není závislá na teplotě okolí

tvar U nebo rovný, proti Na parám vrstva boritého skla, plněna Na + Ne, zapálí Ne → při 200°C zapálí Na (10-12 min)

- dobrá viditelnost i za husté mlhy

Peningova směs - Ne+ malé množství Ar - chrání elektrody

- spolehlivý zápal i při -20º - téměř okamžitý opakovaný zápal - neobsahuje Hg (x Na – zachází se stejně)

11

Nízkotlaká sodíková výbojka

Vysokotlaké Na výbojky SHC, SHL

Nevýhody: - Ra = 0 - pulzace světelného toku - vyšší zápalné napětí - použití speciálních předřadných obvodů - omezená horní hranice příkonu - velikost - postupný nárůst příkonu během Tz (až o 40%)

-1000 W

- vyšší ztráty v předřadníku, vyšší hmotnost → vyšší cena svítidla

osvětlování - dálnic, ulic, tunelů, technologické, dekorativní

Vysokotlaká sodíková výbojka

Vysokotlaké Na výbojky SHC, SHL

Měrný výkon - 150 lm/W S rostoucím tlakem – vzniká spojité spektrum → Ra > 85 Přesto postupně nahrazována halogenidovými výbojkami s keramických hořákem (vyšší měrný výkon, Ra) Periodicéké zhasínání je příznakem konce života (zdrojem radiových poruch) - odpojování

Sodí Sodíkové kové výbojky

Vysokotlaké Vysokotlaké sodí sodíkové kové výbojky Výhody: - vysoký měrný výkon při Ra 20-25, stmívatelnost - Tz až 30 000 hodin při dobré stabilitě Ø - spolehlivý provoz a snadná údržba - přijatelná cena – dáno výrobou tvarově vhodná pro svítidla s dobrou účinností - konkurence výrobců → stlačovaná cena - významné úspory energie

Osvětlení ulic, tunelů, náměstí, nádražních hal, prům. objektů, letišť, fasád, velkých prostranství Halogenidové výbojky je postupně vytlačují

12

Vysokotlaké Hg výbojky RVL

20 000 hod

Vysokotlaké Hg výbojky, směsové výbojky Záření - v parách Hg tlak >0,1 MPa, Řady 50-1000 W (chybí červená složka - nevhodné dovnitř) Směsové -160-500 W luminofory, Výhody:

80 lm/W

- malý pokles Ø 20% na Tz 12 000 - 16 000 h - odolnost proti změnám teplot (až do -25ºC) otřesům, libovolná

Nevýhoda - dlouhá doba ustálení parametrů - 5 min - nevhodné pro vnitřní osv. - nízké Ra - z energetického hlediska neperspektivní zdroj

poloha, nízká cena

Osvětlování ulic, pěších zón, parků, nákup. pasáží, parkovišť

Vysokotlaké rtuťové výbojky, směsové výbojky

Vysokotlaké rtuťové výbojky, směsové výbojky

Nevýhody: malá účinnost, Ra, zapnutí až po vychladnutí, nestmívatelné, !!!! Hg - nebezpečný odpad - vytlačovány

Halogenidové výbojky

Halogenidové výbojky - vzniká viditelné záření nejen v parách rtuti, ale také převážně zářením produktů vzniklých při štěpení halogenidů (sloučeniny Ga,Th,Na) pro provoz - nutné, stejně jako u zářivek, použití předřadných přístrojů, tzn. tlumivek a zapalovačů

13



130 lm/W 15 000 h


Halogenidové výbojky Nevýhody: - nelze stmívat - relativně vysoké pořizovací náklady na osvětlovací soustavy (4× dražší než vysokotlaké Na nevhodné pro VO) - nemožnost okamžitého znovuzápalu u teplých výbojek - pomalý náběh na 100 % světelný tok (cca 4 - 10 min) - nižší doba života než u zářivek

Halogenidové výbojky moderní světelný zdroj - probíhá bouřlivý vývoj Keramický hořák - nové kulové tvary - nárůst Tz zdrojů V posledním období přidávání sodíku do hořáku halogenidové výbojky - sbližování vlastností sodíkových a halogenidových výbojek. - nové plynové náplně - miniaturizace příkonů halogenidových výbojek v současnosti 20, 35, 50 W → interiéry - ustalování barevných parametrů během doby života - zvyšování indexu podání bar - pracují při teplotě (-20 až 60)ºC


využití - kinematografie, osvětlování sportovišť televizní vysílání, výrobní haly s vysokými závěsnými výškami (od 6 m),velká prostranství, architektonické osvětlení

14


Vysokotlaké Vysokotlaké výbojky

Světelné zdroje a ekologie

Elektroluministenční diody LED

LED diody

15







Dnes 100 lm/W, 200 lm/W do r.2020

16



LED diody - nárůst měrného výkonu - vysokovýkonné modré a bílé LED - předpokládají se široké možnosti volby spektrálního složení záření a jeho plynulá změna během provozu - libovolná barva světla Vývoj pokračuje směrem k organickým LED diodám. Pokud se podaří aplikovat poznatky z LED diod do klasických luminoforů, dá se předpokládat významný nárůst měrného výkonu zářivek a možná také žárovek.



LED diody Doba života - u barevných LED až 100 000 hodin - u bílých LED 50 000 hodin (v průběhu doby intenzita světla mírně klesá) V zařízeních s LED diodami se tedy nepočítá s výměnami světelných zdrojů!

17

přednosti LED diod - minimální spotřeba elektrické energie - velmi malé rozměry (bodové zdroje) - malá závislost parametrů na teplotě okolí - poměrně dobrý měrný výkon (10 ÷ 30 lm/W v závislosti na barvě) - široký sortiment výrazných (sytých) barev - malé napájecí napětí - nízká povrchová teplota - možnost dosáhnout velké směrové svítivosti použitím vhodné čočky - malá závislost na teplotě okolí

LED „žárovky“ = LED zabudovány do baňky normální žárovky - pro stejnosměrné i střídavé napětí V patici se nachází nezbytná elektronika k úpravě napájecího napětí, k ochraně proti statické energii a napěťovým špičkám. vhodné použití - stolní lampy - pro domácnost - kanceláře - školy - dekorativní osvětlení interiéru - osvětlení chodeb - orientačním osvětlení

Využití svítících diod umožní nejen měnit intenzitu osvětlení, teplotu chromatičnosti a barvu světla, ale teoreticky bude možné měnit i vyzařovací charakteristiky, spínáním diod rozdělených do různých skupin. Vzhledem k tomu, že svítící diody pracují na malém napětí bude poměrné snadné jejich použití v kombinaci s akumulátorovými články, například v systémech nouzového světlení nebo se systémem fotovoltaických článků.

Dělení LED do 3 kategorií: • SMD LED (indikace) - počítače, auta, mobily, orientační osvětlení

• Klasické LED (signalizace) - kontrolky, třetí brzdová světla aut, reklama, orientační osvětlení

• Výkonové LED (osvětlování) - dopravní signalizace, iluminace, zábavný průmysl

LED - ovlivní konstrukci svítidel Reflektory ztratí význam, neboť u svítících LED diod je světelný tok již usměrněn. Způsob vyzařování bude možné ovlivnit použitými typy svítících diod, jejich polohou a nasměrováním. Použití čoček a refraktorů v optických systémech svou funkci pravděpodobně neztratí, naopak možná bude mít větší využití než u svítidel pro běžné světelné zdroje.

Organické LED - OLED

18

Organické LED - OLED

Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů V oblasti světelných zdrojů lze očekávat tento pokrok: Žárovky • vylepšení emise spirál povlakem z hafnia • reflektorové multivrstvy (zpětný odraz vyhřívá spirálu) • vylepšení mechanických vlastností spirál pro lepší stabilitu vlákna

Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů


Halogenové žárovky • Zejména IR multivrstvy pro zpětný odraz záření na vlákno – zvýšení měrného výkonu • dávkování xenonu • dotace „certic“-u do křemenného skla baňky na potlačení UV záření • žárovky na síťové napětí • různé tvary baněk pro různé aplikace • nízkotlaké halogenové žárovky • až o 30% vyšší měrný výkon • vyšší životnost • stabilita světelného toku po celou dobu životnosti • stabilita teploty chromatičnosti • rovnoměrnější svítivost ve svazku v případě reflektorových halogenových žárovek

Kompaktní zářivky • přebírání nových technologií platných pro zářivky • 3/8“ technologie • tvarované KZ • KZ s reflektorem či difuzorem • KZ s velkým příkonem



Halogenidové výbojky • keramický hořák jako všeobecné řešení • dávkování Na – sbližování vlastností Na • nové plynové náplně • miniaturizace příkonu

Zářivky • snižování množství rtuti viz obr. 2.18 • vývoj bezrtuťových technologií • program T5 – vývoj • vývoj nových typů luminoforů

• nasazování v interiérech Luminiscenční diody (LED) • enormní nárůst měrného výkonu • modré LED • široké možnosti spektrálního složení • organické LED

Sodíkové výbojky • ekologické bezrtuťové výbojky • dávkování jiných prvků na zlepšení barevného podání • vícehořákové výbojky • možnosti přepínaná barvy světla nebo příkonu • miniaturizace příkonu • nasazování v interiérech

19

děkuji za pozornost

20

Fyzikální základy výroby světla Základní parametry světelných zdrojů

Recommend Documents