a moderní telné zdroje

Transkript

1 Osvětlov tlování a moderní světeln telné zdroje Ing. Eva Kroutilová, Ph.D. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D. UTEE FEKT VUT v Brně Kolejní 2906/4 BRNO

2 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

3 Fyzikální podstata světla UV fialová modrá zelená žlutá oranžová červená IR <380 nm >790 nm Viditelné záření má vlnovou délku v rozsahu přibližně 380 až 790 nm

4 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.

5 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

6 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

7 Fotometrické veličiny a jednotky Φ = IdΩ di L = 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

8 Jas některých zdrojů L (cd.m -2 ) Slunce vlákno žárovky 2700 K bílý papír při slunečním světle 2, zářivka plamen svíčky Měsíc oblačná obloha

9 Kritéria návrhu osvětlení Požadavky na osvětlení jsou odvozovány od charakteristik zrakovéčinnosti 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

10 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 = ( ) 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

11 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

12 Kritéria návrhu osvětlení

13 Kritéria návrhu osvětlení

14 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.

15 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

16 Světelné zdroje

17 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.

18 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.

19 Klasické žárovky vlákno - W drát, dvojitě vinutý vyzařování světla tepelným buzením spojité spektrum nízká cena okamžité zapnutí možnost stmívání Index barevného podání R a životnost h (klesá s U 3,5 ) 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

20 Historické žárovky Heinrich Goebel, 1858

21 Historické žárovky T. A. Edison, komerční provedení žárovky s uhlíkovým vláknem, 1881

22 Historické žárovky tříletý Dickey Jackson s žárovkou 50 kw Foto: Smithsonian Institution

23 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

24 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.

25 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

26 Přehled vývoje žárovky Typ Rok Měrný Životnost (hod.) výkon( lm.w -1 ) Uhlíková, vakuová Osmiová, vakuová 1900 Wolframová, vakuová, přímé vlákno Wolframová, s plynem, spirální vlákno Wolframová, s plynem, dvojitá spirála Halogenová

27 Nízkotlaké rtuťové výbojky - zářivky UV záření výboje se transformuje vrstvou luminoforu na VIS luminofor - různé spektrální složení světla a různý měrný výkon životnost: hod s tlumivkou a až hod s el. předřadníkem měrný světelný tok 50 až 85 lm.w -1 teplota chromatičnosti T c = K Index barevného podání R a 70-95

28 Konstrukce zářivky Energetická bilance: světlo 21 % infračervené záření 24 % odvedené teplo 55 % argon + páry rtuti ,6 Pa kontakty luminofor žhavené elektrody W + oxidy Ba,Sr,Ca

29 Zapalovací obvod zářivky bimetal startér odrušovací kondenzátor 230 V / 50 Hz 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.

30 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

31 Srovnání

32 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

33 Nízkotlaké sodíkové výbojky spektrum čárové ve viditelnéčásti 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 R a (< 30) se u nás tyto výbojky příliš nerozšířili

34 Vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS) zvýšení tlaku sodíkových par Pa znamená vysokou koncentraci výkonu i vzrůst pracovní teploty vlastnosti vysokotlakého výboje mohly být využity až s vyvinutím průsvitného korundu (Al 2 O 3 ). měrný světelný tok až 140 lm/w R a až 70, lepší oproti nízkotlakým životnost až h osvětlení veřejných komunikací a prostranství i výrobních hal

35 Vysokotlaké sodíkové výbojky relativní intenzita Nevýhoda: převaha žluté barvy 1,0 0, λ (nm)

36 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 hodin ve spektru jeho světla úplně chybíčervená 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 R a 40-80

37 Vysokotlaké rtuťové výbojky Tlumivka U Kompenzační kondenzátor Výbojka patice E 40 nebo E 27 Nosníky N odpor pomocná elektroda Tlak 300 Pa vzroste až na 900 kpa Teplota 5200 o C hlavní elektrody

38 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).

39 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! R a = 60 až 70 T c = až 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.

40 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

41 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 hodin uplatnění v aplikacích se složitou a nákladnou výměnou světelných zdrojů např. do tunelů, výrobních hal

42 Xenonové výbojky vysokotlaký výbojový zdroj (Xe až kpa) životnost několik tisíc hodin uplatnění v aplikacích s nároky na barevné podání automobilový průmysl, projektory

43 Srovnání Světelný zdroj Index R a Měrný výkon (lm/w) Životnost (h) Žárovka obyčejná Žárovka halogenová Zářivka lineární Zářivka kompaktní Výbojka halogenidová Výbojka rtuťová Výbojka sodíková vysokotlaká Výbojka sodíková nízkotlaká < Indukční výbojka > Xenonová výbojka >

44 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 K, index barevného podání R a = 79. Světelný tok je možno regulovat v rozmezí % Životnost světelného zdroje je hodin

45 principiálně monochromatické zdroje bílá barva se dosahuje luminoforem přímo na čipu měrný světelný tok až 35 lm/w životnost až hodin provozní teplota až 185 ºC malé rozměry, vysoká mechanická odolnost cena neustále klesá Výkonové LED

46 Výkonové bílé LED Led LUXEON K2

47 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 hodin a proti klasickým světelným zdrojům větší volnost pro designéry automobilu.

48 Měniče pro LED

49 Světlovody Zdroj světla = sluneční paprsky soustředěny čirou kopulí do světlovodu

50 Základní sestava světlovodu Zdroj světla = umělé zdroje světla žárovky, zářivky, výbojky. proti tradičnímu způsobu osvětlení snažší údržba rovnoměrnější rozložení světelného toku

51 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

52 Energetický přínos světlovodů Energie sl. záření (kwh.m -2 den -1 ) VIS Světelný výkon (W) procházející světlovodem 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 = 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.

53 Ukázka využití světlovodů - průchod svěla budovou

54 Příklady realizací osvětlení světlovody

55 Zdroje Kadlecová, E. Methods modelling used for design of lighting systems in lighting technology and design of reflectors. STUDENT EEICT part, Student EEICT Brno: VUT Brno FEKT a FIT, 2003, s , ISBN X Kadlecová, E., Bernard, M., Plch, J. Problémy s přesným měřením interiérových a exteriérových svítidel. Mezinárodní vědecká konference ELEKTROENERGETIKA Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2002, s , ISBN AIZENBERG, J. B.: Historie vývoje a užití dutých světlovodů 2. část. In Světlo 2/

56 UTEE FEKT VUT Kolejní 2906/ Brno Děkujeme za pozornost Tel.: Fax: