Fyzikální základy výroby světla Základní parametry světelných zdrojů

Transkript

1 Fyzikální základy výroby světla Základní parametry světelných zdrojů - jako zdroj nejvíce vyzáří celková intenzita vyzařování AČT Průběhy spektrální intenzity vyzařování pro AČT celková intenzita vyzařování 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

2 Podstata 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) Světeln telné zdroje 2

3 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 kvantitativní - doba života T (hod) - Index podání barev - stálost světelně-technických parametrů Porovnávan vané parametry měrný výkon doba života index podání barev možnost stmívání rozměry Žárovky jsou prvotní umělý zdroj světla > 100 let staré. denní světlo žárovka Rozdíly ukazují příčinu nízkého měrného výkonu žárovek. Většina vyzářené energie se nepohybuje ve viditelnéčásti 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

4 Baňky žárovek jsou vyčerpané na vysoké vakuum - chrání vlákno - shořením. Vakuové pouze do 25 W. První uhlíkové žárovky měly měrný výkon 1,7 lm/w. 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 hodin. Vlivem nových technologií navíjení vlákna a plnění baněk inertními plyny doba života dále vzrůstá. Světlo žárovek se může řídit nenákladnými stmívajícími zařízeními. Žárovky se vyrábějí v širokém sortimentu výkonů, rozměrů a tvarů pro speciální úlohy osvětlení a zvláštní nároky. 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. Jak budou mizet: žárovky září W, 150 W, 100 W + mléčné září W září W září W, 25 W, 15 W halogenové žárovky? Hovoří se o roce široké možnosti použití Halogenové žárovky - 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 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. provozní teplota 250 C Halogenové žárovky křemenné sklo - povrch se naruší dotykem - mastná kůže 4

5 Halogenové žárovky Halogenové žárovky 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. Halogenové žárovky se vyrábějí pro různé úhly vyzařování např. 10, 12, 25, 36 a 60. Nové 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 Zářivky Lineární 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

6 Lineární 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 Lineárn rní zářivky 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. Lineárn 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. Lineárn rní zářivky 16 mm 26 mm 38 mm 16 mm až 98 Lineárn rní zářivky Lineárn rní zářivky závislost světeln telného toku na teplotě kompenzační C k upravuje účiník 0,9-0,95 jmenovitý sv. tok = tok po 100 hod provozu nižší o 10% původního nehospodárné - provozovat při poklesu toku 30-35% 6

7 Lineárn rní zářivky Lineárn rní zářivky Nové typy zářivek T5 mají průměr trubice jen 16 mm, jsou o 50 mm kratší než standardní trubice T8 s průměrem 26 mm. Lineárn rní zářivky 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 T z zářivek dle způsobu provozu: s klasickým předřadníkem T z - okolo h s elektronickým předřadníkem T z - okolo 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

8 Účinnost zářivek z v závislosti z na teplotě okolí Značen ení zářivkových trubic - nutné nahrazovat stávající trubice řady Standard za trubice s třípásmovými luminofory - vyšší měrný výkon o 15 % - úbytek světelného toku po hod -12% 36W/840, 58W/840 Trend - zlepšování vlastností - snižování množství rtuti - dokonce o vývoj bezrtuťových technologií - T5 zářivky s průměrem 16 mm - nové typy luminoforů Cíl - 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 h) dosaženy - odlišnou konstrukcí elektrod - ochranou vrstvou na baňce a luminoforu pro zrakově nejnáročnější práce - barva světla zářivek - náhradní teploty chromatičnosti světelných zdrojů nad K 8

9 Kompaktní zářivky příkon žárovek a kompaktních zářivek s odpovídajícím světelným tokem a dobou života výhody: 1) produkují světelný tok s vysokým R a 2) dosahují výrazné úspory energie x žárovkám 3) dobře vypadají 4) výrazně vyšší dobu života h x žárovkám 5) provozní teplota (-10 až 70ºC) - úbytek Ø<20% 6) možnost stmívání - jen některé - zatím neplatí obecně Kompaktní zářivky Kompaktní zářivky vyrábějí světlo na stejném principu jako zářivky. Pracují na frekvenci khz. 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. Výběrem luminoforu je možno docílit různých barev světla. T cp Kompaktní zářivky K, K, K, K U kompaktních zářivek se díky zahnutí a rozdělení skleněných trubiček podařilo dosáhnout rozměrů srovnatelných se standardními žárovkami. Kompaktní zářivky Kompaktní zářivky - výrazně nižší spotřeba elektrické energie x žárovky - mnohem delší dobu života při náhradě za Ž - měrný výkon je přibližně pětinásobně vyšší - střední doba života zářivek hodin x střední doba života žárovek je 1000 hodin 100 W žárovka 20 W kompakt. zář hod hod 8 ks ā 80 Kč (640 Kč) 1ks ā 300 Kč 16 ks ā 80 Kč (1 280 Kč) hod + cena spotřebované energie 9

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

11 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, h, účinnost 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 výhody: Bezelektrodové výbojky nízkotlaké - indukční výbojky - velký měrný sv. tok 100 lm/w Bezelektrodové výbojky vysokotlaké - vysoké R a - T Z velmi dlouhý až 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 světelný tok lm, T z hod T cp K, do 55W pro vertikální směr, nad 90W horiz. sm tvar U nebo rovný, proti Na parám vrstva boritého skla, plněna Na + Ne, zapálí Ne při 200 C zapálí Na (10-12 min) Peningova směs - Ne+ malé množství Ar - chrání elektrody Výhody: Nízkotlaká sodíková výbojka - vysoký měrný výkon 200 lm/w - nejefektivnější světelný zdroj vůbec - T z až h při stabilním Ø - nízký jas povrchu výbojky - široký teplotní interval, kde není závislá na teplotě okolí - dobrá viditelnost i za husté mlhy - spolehlivý zápal i při -20º - téměř okamžitý opakovaný zápal - neobsahuje Hg (x Na zachází se stejně) 11

12 Nevýhody: - R a = 0 Nízkotlaká sodíková výbojka - pulzace světelného toku - vyšší zápalné napětí - použití speciálních předřadných obvodů - omezená horní hranice příkonu - velikost - postupný nárůst příkonu během T z (až o 40%) - vyšší ztráty v předřadníku, vyšší hmotnost vyšší cena svítidla osvětlování - dálnic, ulic, tunelů, technologické, dekorativní Vysokotlaké Na výbojky SHC, SHL W Vysokotlaká sodíková výbojka Vysokotlaké Na výbojky SHC, SHL Měrný výkon lm/w S rostoucím tlakem vzniká spojité spektrum R a > 85 Přesto postupně nahrazována halogenidovými výbojkami s keramických hořákem (vyšší měrný výkon, R a ) Periodicéké zhasínání je příznakem konce života (zdrojem radiových poruch) - odpojování Sodíkov kové výbojky Výhody: Vysokotlaké sodíkov kové výbojky - vysoký měrný výkon při R a 20-25, stmívatelnost - T z až 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

13 Vysokotlaké Hg výbojky RVL hod 80 lm/w Nevýhoda - dlouhá doba ustálení parametrů - 5 min - nevhodné pro vnitřní osv. - nízké R a - z energetického hlediska neperspektivní zdroj Vysokotlaké Hg výbojky, směsové výbojky Záření - v parách Hg tlak >0,1 MPa, Řady W (chybí červená složka - nevhodné dovnitř) Směsové W luminofory, Výhody: - malý pokles Ø 20% na T z h - odolnost proti změnám teplot (až do -25ºC) otřesům, libovolná poloha, nízká cena Osvětlování ulic, pěších zón, parků, nákup. pasáží, parkovišť Vysokotlaké rtuťové výbojky, směsové výbojky Vysokotlaké rtuťové výbojky, směsové výbojky Nevýhody: malá účinnost, R a, 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

14 Halogenidové výbojky Halogenidové výbojky 130 lm/w h Halogenidové výbojky 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 T z 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 Halogenidové výbojky využití - kinematografie, osvětlování sportovišť - televizní vysílání, výrobní haly s vysokými závěsnými výškami (od 6 m),velká prostranství, architektonické osvětlení 14

15 Halogenidové výbojky Vysokotlaké výbojky Světelné zdroje a ekologie Elektroluministenční diody LED LED diody 15

16 Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Dnes 100 lm/w, 200 lm/w do r

17 Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED Elektroluministenční diody LED 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. Doba života LED diody - u barevných LED až hodin - u bílých LED hodin (v průběhu doby intenzita světla mírně klesá) V zařízeních s LED diodami se tedy nepočítá s výměnami světelných zdrojů! 17

18 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 - malá závislost na teplotě okolí použitím vhodné čočky 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 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 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. Použitíčoček a refraktorů v optických systémech svou funkci pravděpodobně neztratí, naopak možná bude mít větší využití než u svítidel pro běžné světelné zdroje. 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. Organické LED - OLED 18

19 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 Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů Zářivky snižování množství rtuti viz obr vývoj bezrtuťových technologií program T5 vývoj vývoj nových typů luminoforů Kompaktní zářivky přebírání nových technologií platných pro zářivky 3/8 technologie tvarované KZ KZ s reflektorem či difuzorem KZ s velkým příkonem Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů Halogenidové výbojky keramický hořák jako všeobecnéřešení dávkování Na sbližování vlastností Na nové plynové náplně miniaturizace příkonu Vývojové trendy v oblasti světelných zdrojů 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

20 děkuji za pozornost 20