MODERNÍ SVĚTELNÉ ZDROJE A JEJICH APLIKACE

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]