[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Edward Musiał
Oddział Gdański SEP
PRZEGLĄD ELEKTRYCZNYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA.
GŁÓWNE WŁAŚCIWOŚCI I TENDENCJE ROZWOJOWE
1. Wstęp
Historia praktycznych zastosowań oświetlenia elektrycznego liczy sobie około 160 lat, jeżeli
za jej początek uznać instalacje poza laboratorium pierwszych lamp łukowych o ręcznie nastawia-
nych elektrodach. Minęło z górą półtora wieku wytężonej pracy najpierw samotnych wynalazców
dysponujących skromnymi środkami i godną podziwu determinacją, a później – prac badawczych
podstawowych i aplikacyjnych finansowanych głównie przez zamożnych producentów sprzętu
oświetleniowego. Wynikiem tych prac i dociekań jest nadal obserwowany stały rozwój techniki
oświetleniowej, czasem niesłusznie uważanej za dziedzinę klasyczną o małym potencjale innowa-
cyjnym. Z roku na rok systematycznie, chociaż powoli, poprawia się parametry źródeł światła i
powiększa ich asortyment, a co kilkanaście lat pojawiają się na rynku źródła światła o nowej zasa-
dzie działania. Zarazem minione 160 lat to zaledwie mgnienie oka w procesie ewolucji człowieka,
który nadal ma wzrok ukształtowany przez setki tysięcy lat hasania po rozświetlonych sawannach
afrykańskich. Nie należy o tym zapominać ustalając i wdrażając w życie standardy oświetleniowe.
Elektryk napotykający problematykę oświetleniową powinien rozumieć zasadę działania róż-
nych źródeł światła i granice ich możliwości, aby rozważnie je stosować, aby nie żądać od
producentów parametrów nieosiągalnych, aby nie wierzyć bezkrytycznie tekstom reklamowym i
aby nie podpisywać się pod zamówieniem iluś
sztuk
żarówek do rtęciówek
.
Kiedy 6 października 1904 roku król pruski i cesarz niemiecki Wilhelm II inaugurował
pierwszy rok akademicki w Politechnice Gdańskiej, rozpoczynał działalność jej Instytut Elektro-
techniczny, zaprojektowany i wyposażony z rozmachem. Ze względów dydaktycznych do oświe-
tlenia budynku Instytutu użyto wszelkich dostępnych wtedy elektrycznych źródeł światła. Były
żarówki węglowe i lampy Nernsta
, lampy łukowe o węglach czystych
, lampy łukowe płomienne
i lampy łukowe o węglach nasyconych
. Pojawiła się też zupełna nowość: prototyp niskoprężnej
lampy rtęciowej o ciekłej katodzie (rtęciowej), opatentowanej przez P. C. Hewitta zaledwie w 1901
roku, a kilka lat później – lampa Moore’a do sygnalizacji morskiej, odmiana rury świetlącej.
Po stu latach niewielu wie o tych najnowocześniejszych podówczas lampach. Większość z
tych lamp dawno przeszła do muzeów techniki; do zastosowań specjalnych produkuje się jeszcze
żarówki węglowe, a dzisiejsze nisko- i wysokoprężne lampy rtęciowe nie przypominają wspomnia-
nego prototypu.
Technika elektrycznych źródeł światła rozpoczęła się od poszukiwań przypadkowych, w ma-
łym stopniu uwzględniających skuteczność świetlną źródeł i własności barwowe światła, obecnie
1
Lampy żarowe, w których żarnikiem jest pręcik z tlenku magnezu lub innego materiału niewymagającego próżni bądź
atmosfery beztlenowej. Żarnik przewodzi dopiero w wysokiej temperaturze i jest wstępnie podgrzewany (przez 10–
20 s) za pomocą nawiniętej na nim platynowej spirali.
2
Lampy łukowe o elektrodach z czystego węgla, w których światło ciepłobiałe jest emitowane głównie przez krater
anody, o luminancji
L
nieprzekraczającej 10
8
cd/m
2
.
3
Lampy łukowe o znaczącym udziale łuku w wytwarzaniu światła dziennobiałego (
L
≥ 10
8
cd/m
2
).
4
Lampy łukowe (płomienne) o elektrodach domieszkowanych dla korekcji widma i zwiększenia skuteczności świetlnej
(do 80 lm/W), o przeważającym udziale łuku w wytwarzaniu światła (
L
≥ 10
8
cd/m
2
).
1
czynniki o pierwszorzędnym znaczeniu. Na rys. 1 przedstawiono poglądowo ewolucję skuteczności
świetlnej różnych źródeł światła w minionym półwieczu. Zamiast linii powinny być na tym rysunku
szerokie pasma obejmujące pełen zakres wartości skuteczności świetlnej źródeł obserwowany w
określonych latach, ale wtedy rysunek byłby nieczytelny. Przedstawione linie są zbliżone do górnej
granicy wspomnianych pasm.
200
lm
η
sodowe niskoprężne
W
180
160
sodowe wysokoprężne
140
120
100
świetlówki + SE
metalohalogenkowe
80
świetlówki
60
rtęciowe wysokoprężne
40
żarówki
halogenowe 12 V
20
żarówki
diody LED
0
1950
1960
1970
1980
1990
2000
rok
2010
Rys. 1.
Ewolucja skuteczności świetlnej wybranych źródeł światła
(SE – statecznik elektroniczny)
Inne mechanizmy postępu wyróżniające rozwój źródeł światła w ostatnich 50 latach to do-
głębne poznawanie fizykochemicznych podstaw wytwarzania światła na poziomie atomu i czą-
steczki, odkrywanie nowych koncepcji źródeł światła i opanowanie nowych materiałów umożliwia-
jących ich realizację na skalę przemysłową.
W minionych 50 latach pojawiły się i nadal są doskonalone lampy sodowe wysokoprężne i
lampy metalohalogenkowe oraz bezelektrodowe lampy wyładowcze, a zastosowania oświetleniowe
znalazły diody świecące. Nie rozwinęły się kondensatorowe źródła światła, zapowiadane przed pół
wiekiem świecące ściany, ale być może to miejsce zajmą organiczne diody elektroluminescencyjne.
Drogę od skuteczności świetlnej 3 lm/W do wartości blisko 10-krotnie większej żarówki
przebywały 100 lat, a diody elektroluminescencyjne przebyły ją w 15 lat. Nowy impuls technice
oświetleniowej dały tanie światłowody, a zrewolucjonizowała ją elektronika: przemienniki często-
tliwości, elektroniczne stateczniki i zapłonniki bądź zespolone układy stabilizująco-zapłonowe,
energoelektroniczne zasilacze oświetlenia awaryjnego oraz najprzeróżniejsze elektroniczne układy
sterowania oświetlenia poczynając od prostych ściemniaczy po cyfrowe układy sterowania w bu-
dynkach inteligentnych.
W wyniku postępującego upowszechnienia wyładowczych źródeł światła, odbiorników nieli-
niowych, nasila się problem utrzymania należytej jakości energii elektrycznej i to również w insta-
lacjach i sieciach dawniej uchodzących za niezagrożone odkształceniami harmonicznymi, jak sieci
osiedli mieszkaniowych i sieci wiejskie. Nabierają znaczenia problemy ograniczania odkształcenia
pobieranego prądu i w konsekwencji – odkształcenia napięcia, a także dużych prądów załączenio-
wych powodowanych przez kondensatory do poprawy współczynnika mocy. Stateczniki elektro-
2
Tablica 1. Źródła światła do ogólnych celów oświetleniowych
Zakres mocy
Skuteczność
Trwałość
Czas zaświecania
Źródła światła
znamionowych
W
świetlna
lm/W
h
lampy zimnej
lampy nagrzanej
(po chwilowym
zaniku napięcia)
zwykłe
15 ÷ 2000
8 ÷ 20
1000 ÷ 1500
Żarówki
0
halogenowe
10 ÷ 2000
12 ÷ 26
2000 ÷ 3500
kompaktowe
5 ÷ 25
50 ÷ 87
8000
0,5 ÷ 3 s,
Świetlówki
ale strumień świetlny Φ ≈ Φ
n
liniowe
10
÷
65
40 ÷ 100
6000 ÷ 16000
zimna lampa osiąga po kilku minutach
Lampy indukcyjne
23 ÷ 165
48 ÷ 74
60000
0,1÷1 s,
ale strumień świetlny Φ ≈ Φ
n
zimna lampa osiąga po kilku sekundach
(QL), a nawet kilku minutach (Genura)
Lampy rtęciowo-żarowe
100 ÷ 1000
17 ÷ 31
1000 ÷ 3000
0
3 ÷ 6 min
Rtęciówki wysokoprężne
50 ÷ 2000
35 ÷ 60
5000 ÷ 10000
3 ÷ 5 min
6 ÷ 10 min
Lampy metalohalogenkowe
20 ÷ 2000
60 ÷ 100
2000 ÷ 10000
3 ÷ 5 min
6 ÷ 10 min
(zapłon bez-
zwłoczny lamp
dwustronnie
trzonkowanych)
Sodówki niskoprężne
10 ÷ 200
100 ÷ 200
5000 ÷ 10000
7 ÷ 12 min
0
Sodówki wysokoprężne
35 ÷ 1000
40 ÷ 150
4000 ÷ 16000
3 ÷ 7 min
2 ÷ 6 min
(20 s, jeśli antena
zapłonowa)
Diody elektroluminescencyjne
0,2 ÷ 5
20 ÷ 100
100 000
0
I n n e w ł a ś c i w o ś c i
Z a s t o s o w a n i a
Światło ciepłe, żółtawe. Prosta konstrukcja. Niska cena. Nie
wymagają osprzętu dodatkowego. Zaświecają się natychmiast.
Duża niezawodność. Wrażliwe na odchylenia napięcia zasila-
jącego. Dobrze znoszą częste załączanie. Przy 50 Hz tętnienie
światła pomijalne.
Mieszkania, małe pomieszczenia biurowe, handlowe. Miejsca,
w których tylko dorywczo korzysta się z oświetlenia. Lampy
przenośne, ręczne. Oświetlenie awaryjne.
Światło ciepłe. Prosta konstrukcja. Mogą wymagać osprzętu
dodatkowego. Zaświecają się natychmiast. Duża niezawod-
ność. Wrażliwe na odchylenia napięcia. Przy 50 Hz tętnienie
światła pomijalne.
Oświetlenie dekoracyjne wnętrz mieszkalnych i handlowych,
wystaw i gablot. Nieduże boiska, korty tenisowe, lodowiska.
Otoczenie budynków (lampy sterowane podczerwienią). Ilu-
minacje.
Dobór luminoforu decyduje o barwie światła (dzienna, biała,
ciepłobiała...) i wpływa na skuteczność świetlną.
Mieszkania, małe pomieszczenia biurowe, handlowe. Lampy
przenośne. Oświetlenie awaryjne.
Strumień świetlny wyraźnie maleje w niskiej temperaturze
otoczenia. Trwałość może wyraźnie maleć przy większej czę-
stości załączeń. Konieczny statecznik. Tętnienie światła, jeśli
statecznik indukcyjny.
Pomieszczenia biurowe i handlowe. Audytoria i czytelnie.
Magazyny. Hale przemysłowe o niedużej wysokości. Pod-
rzędne ulice i place.
Świetlówki De Luxe
: sale operacyjne, gabinety diagnostyczne,
galerie obrazów, druk barwny, tkalnie i farbiarnie, malarnie,
stanowiska kontroli barwy wyrobów.
Światło białe, nietętniące. Wysoka cena. Kosztowny zasilacz. Trudny dostęp do źródeł światła. Względy prestiżowe.
Oddawanie barw mierne. Nie wymagają statecznika.
Dzięki żarnikowi: lampa zimna zaświeca się natychmiast po
załączeniu, tętnienie światła nieduże.
Tylko do zastępowania żarówek w istniejących instalacjach
(przy tej samej mocy źródła światła pozwalają łatwo zwięk-
szyć natężenie oświetlenia o 50 %)
Oddawanie barw złe, niedobór czerwieni w widmie. Tętnienie
światła duże. Konieczny statecznik.
Hangary, magazyny. Place składowe i przeładunkowe, torowi-
ska, bocznice kolejowe, dworce. Ulice i drogi. Parki, trawniki,
iluminacja drzew.
Oddawanie barw dostateczne ... doskonałe (zależnie od doboru
halogenków). Wrażliwe na odchylenia napięcia zasilającego.
Tętnienie światła duże. Konieczny statecznik i ew. układ za-
płonowy.
Pomieszczenia biurowe i handlowe. Audytoria i czytelnie.
Reprezentacyjne hole. Wysokie hale przemysłowe o dużych
wymaganiach co do barwy światła. Hale sportowe. Rozległe
tereny oświetlane z krańców: stadiony (możliwość transmisji
TV), place prefabrykacyjne, pochylnie, suche doki. Drogi i
węzły drogowe o dużym natężeniu ruchu. Iluminacje.
Światło jednobarwne żółtopomarańczowe. Bardzo złe odda-
wanie barw. Światło zapewnia dużą ostrość widzenia, nawet w
zapylonej lub zamglonej atmosferze. Mało wrażliwe na odchy-
lenia napięcia zasilającego. Tętnienie światła duże. Konieczny
statecznik i ew. układ zapłonowy.
Przypadki ograniczonej przejrzystości powietrza z powodu
dymu, zapylenia, mgły: odlewnie, składy węglowe, drogi,
tunele, mosty i wiadukty, śluzy, kanały, porty, lotniska.
Iluminacje budynków z piaskowca i cegły. Stanowiska kontro-
li wykrywające defekty powierzchni tkanin, blach itp.
Światło złociste ... ciepłobiałe zależnie od ciśnienia i składu
atmosfery w jarzniku. Tętnienie światła duże. Konieczny sta-
tecznik i ew. układ zapłonowy.
Lampy o skorygowanej barwie:
Pomieszczenia handlowe.
Przejścia i dworce. Wysokie hale przemysłowe i sportowe.
Lampy o nieskorygowanej barwie:
Drogi i węzły drogowe.
Boiska. Iluminacje budynków z piaskowca i cegły.
Do ogólnych celów oświetleniowych tworzy się matryce za-
wierające wiele diod, np. 16×16 = 256 diod. Światło różnoko-
lorowe i białe. Zasilanie bardzo niskim napięciem. Odporne na
uderzenia i drgania.
Iluminacje, sygnalizacja, światła obrysowe, duże wyświetla-
cze. Oprawy oświetleniowe sufitowe, ścienne, przenośne.
niczne z zasilaczami impulsowymi SMPS (ang.
switch mode power supply
) również mają duże prą-
dy załączeniowe, a obwody lamp zasilane prądem dużej częstotliwości zagrażają zakłóceniami wy-
promieniowanymi.
Ważna stała się kwestia recyklingu zużytych lamp i ochrony środowiska przed zanieczysz-
czeniem rtęcią, luminoforami, tworzywami sztucznymi i innymi groźnymi materiałami używanymi
do produkcji źródeł światła i towarzyszącego im wyposażenia.
Postępu zatrzymać nie można i za kilkadziesiąt lat obraz rynku źródeł światła z pewnością
będzie inny niż obecnie (tabl. 1). Zapewne – po dalszych udoskonaleniach – pozostanie większość
dzisiejszych lamp, łącznie z żarówkami, ale zakres ich stosowania ulegnie zmianie, bo w porówna-
niu z obecnym stanem wyraźnie większy udział będą miały diody świecące i zupełnie nowe źródła
światła, o których dzisiaj wiadomo niewiele albo zupełnie nic.
2. Lampy żarowe (żarówki)
2.1. Inkandescencyjne wytwarzanie światła
Lampy żarowe działają na zasadzie
inkandescencji
, czyli temperaturowego wytwarzania
światła, wykorzystują emisję promieniowania wskutek cieplnego wzbudzenia atomów lub cząste-
czek. Widmo jest ciągłe, obejmuje szeroki zakres długości fal. Gęstość monochromatyczną egzy-
tancji promienistej
E
eλ
ciała czarnego
o temperaturze bezwzględnej
T
precyzyjnie opisuje
wzór
Plancka
:
E
=
c
1
,
eλ
⎡
⎛
c
⎞
⎤
λ
5
⋅
exp
⎝
2
⎠
−
1
⎣
⎦
λ
⋅
T
w którym
λ
– długość fali,
W
⋅
nm
4
c
=
3
74
⋅
10
20
,
1
m
2
c
=
1
439
⋅
10
7
nm
⋅
K
.
2
Reprezentacją graficzną prawa Plancka jest rys. 2. Poszukując ekstremum funkcji egzytancji
promienistej
E
eλ
względem długości fali promieniowania λ otrzymuje się
prawo przesunięć Wie-
na
:
λ
⋅
T
=
2
898
⋅
10
6
nm
⋅
K
Z prawa Wiena wynika, że długość fali λ
max
, przy której występuje największa gęstość wid-
mowa egzytancji promienistej jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury
T
ciała czarnego:
λ
max
∝
T
–1
. Żarówka bez odzysku energii, z fikcyjnym żarnikiem będącym ciałem czarnym, miałaby
największą sprawność fotometryczną i największą skuteczność świetlną przy temperaturze żarnika
6500 K
. Gdyby udało się wykonać żarówkę z żarnikiem o takiej temperaturze roboczej – co jest
nieprawdopodobne – to miałaby ona sprawność fotometryczną η
f
= 0,131 i skuteczność świetlną
η = 90⋅η
e
≈ 90⋅0,8 ≈ 70 lm/W [6]. Ta nieosiągalna granica nie wygląda imponująco w porównaniu z
już osiąganą, znacznie większą skutecznością świetlną wielu lamp wyładowczych.
1
Ciało czarne (promiennik zupełny) ma emisyjność ε
λ
= 1 niezależnie od długości fali i ma największą możliwą gę-
stość widmową egzytancji promienistej w każdej temperaturze i dla każdej długości fali.
3
max
2
Temperaturę 6500 K warto zapamiętać, bo jest ważnym odniesieniem właściwości barwowych światła. Jest to tempe-
ratura fotosfery Słońca, jego promieniującej warstwy powierzchniowej, a przy tym świetle kształtowała się czułość
widmowa oka ludzkiego.
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
© 2009 Po zniszczeniu przeszłości przyszedł czas na budowanie przyszłości. - Ceske - Sjezdovky .cz. Design downloaded from free website templates