INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Osvětlování a moderní světelné zdroje Ing. Eva Kroutilová, Ph.D. Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D. UTEE FEKT VUT v Brně Kolejní 2906/4 BRNO
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
Vlnová délka a kmitočet
Fyzikální podstata světla UV fialová modrá zelená žlutá oranžová červená IR <380 nm 380 430 430 490 490 560 560 600 600 640 640 790 >790 nm Viditelné záření má vlnovou délku v rozsahu přibližně 380 až 790 nm
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 = 550 nm ~ maximální intenzitě dopadající na Zemi. Živočichové ve specifických podmínkách mohou mít vidění mírně posunuté k UV nebo IR okraji viditelného záření.
Účinky světla na člověka Fotochemické změny tvorba vitamínu D ozářením v horní vrstvě kůže = 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
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
Fotometrické veličiny a jednotky F IdW di L da df E da Svítivost I (cd - kandela) základní jednotka SI pro bodové zdroje Světelný tok F (lm lumen) vyjadřuje tok zdroje o svítivosti I do prostorového úhlu W Jas L (cd.m -2 ) používá se pro plošné zdroje Osvětlení E (lx lux) udává poměr světelného toku dopadajícího na plochu
Jas některých zdrojů L (cd.m -2 ) Slunce 2.10 9 vlákno žárovky 2700 K 1.10 7 bílý papír při slunečním světle 2,5.10 4 zářivka 6.10 3 plamen svíčky 5.10 3 Měsíc 3.10 3 oblačná obloha 3.10 3
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 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
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
Kritéria návrhu osvětlení
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.
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
Světelné zdroje
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.
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.
Klasické žárovky vlákno - W drát, dvojitě vinutý vyzařování světla tepelným buzením spojité spektrum nízká cena okamžité zapnutí možnost stmívání Index barevného podání R a 90-100 životnost 1.000 2.000 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
Historické žárovky Heinrich Goebel, 1858
Historické žárovky T. A. Edison, komerční provedení žárovky s uhlíkovým vláknem, 1881
Historické žárovky 15. 5. 1947 tříletý Dickey Jackson s žárovkou 50 kw Foto: Smithsonian Institution
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
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. Se většinou plní směsí dusíku a argonu, kryptonem a v poslední době i xenonem, užívají i organické Halogenové žárovky Regenerační efekt W - halogenový cyklus
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
Přehled vývoje žárovky Typ Rok Měrný Životnost (hod.) výkon( lm.w -1 ) Uhlíková, vakuová 1879 2 600 Osmiová, vakuová 1900 Wolframová, vakuová, přímé vlákno 1906 6-8 1000 Wolframová, s plynem, spirální vlákno 1913 9 1000 Wolframová, s plynem, dvojitá spirála 1934 12-14 1000 Halogenová 1959 20 2000
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 hod s tlumivkou a až 16.000 hod s el. předřadníkem měrný světelný tok 50 až 85 lm.w -1 teplota chromatičnosti T c = 2.700-6.500 K Index barevného podání R a 70-95
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 žhavené elektrody W + oxidy Ba,Sr,Ca
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.
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
Srovnání
Nízkotlaké sodíkové výbojky spektrum čárové ve viditelné části 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
Vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS) zvýšení tlaku sodíkových par 2.10 4 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 28.000 h osvětlení veřejných komunikací a prostranství i výrobních hal
Vysokotlaké sodíkové výbojky relativní intenzita Nevýhoda: převaha žluté barvy 1,0 0,5 400 500 600 700 (nm)
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 15000 hodin ve spektru jeho světla úplně chybí červená 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
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
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).
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 = 3.600 až 4.100 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.
Halogenidové výbojky vnesením kovů do výboje dojde k rozšíření spektra záření doplňujících spektrum rtuti (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
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 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) životnost několik tisíc hodin uplatnění v aplikacích s nároky na barevné podání automobilový průmysl, projektory
Srovnání Světelný zdroj Index R a Měrný výkon (lm/w) Životnost (h) Žárovka obyčejná 90-100 8-17 1.000 2.000 Žárovka halogenová 90-100 14-20 2.000 3.000 Zářivka lineární 70-90 50-85 8.000 16.000 Zářivka kompaktní 80-95 42-60 5.000 15.000 Výbojka halogenidová 60-90 60-80 8.000 12.000 Výbojka rtuťová 40-80 32-60 8.000 15.000 Výbojka sodíková vysokotlaká 20-70 50-140 10.000 28.000 Výbojka sodíková nízkotlaká <30 100-170 10.000 15.000 Indukční výbojka >80 70 60.000 Xenonová výbojka >90 30-40 1.500 LED (bílá s luminoforem) 80 >200 50.000
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 6.000 K, index barevného podání R a = 79. Světelný tok je možno regulovat v rozmezí 20-100 % Životnost světelného zdroje je 60.000 hodin
principiálně monochromatické zdroje bílá barva se dosahuje luminoforem přímo na čipu měrný světelný tok až 35 lm/w životnost až 50.000 hodin provozní teplota až 185 ºC malé rozměry, vysoká mechanická odolnost cena neustále klesá Výkonové LED
Výkonové LED
Výkonové LED Problém droop se zvyšující se proudovou hustotou prudce klesá světelná výtěžnost problém LED zdrojů s vysokým světelným tokem
Výkonové bílé LED Led LUXEON K2
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Speciální zdroj světla pro biologické aplikace
Mechanická konstrukce LED Al plate Thermoconductive paste
Mechanická konstrukce
Hotový zdroj
Regulovatelný impulzní zdroj pro 17 LED, celkem 85 W. zdroj proudu 0 až 10 A, pracující na kmitočtu 180 khz účinnost >80% napájení 12 až 30 V
Simulace osvětlení v Matlabu
Měření zdroje
Gradientní zdroj s 216 LED
Sestavený zdroj
Simulace gradientního osvětlení
Parametry gradientního zdroje Vzdálenost od osvětlované plochy 15-20cm Osvětlená plocha 500 900 mm Intenzita osvětlení >30000 lx životnost LED 50000 h příkon max. 850 W cos j >0,98
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.
Měniče pro LED
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ Numerické modelování světlovodů pomocí MKP
Základní sestava světlovodu Základní sada světlovodu SV 14 Zdroj světla = sluneční paprsky soustředěny čirou kopulí do světlovodu
Základní sestava světlovodu Zdroj světla = umělé zdroje světla žárovky, zářivky, výbojky. proti tradičnímu způsobu osvětlení snažší údržba rovnoměrnější rozložení světelného toku
Schématické znázornění modelované úlohy Zdroj světla čirá žárovka, P=100W Stínidlo (bílá barva koef. 0,9) h=1m Dopadová plocha (koef. 0,4) Obr. 1 Základní sestava úlohy
Model SOLID70 Geometrie Stínidlo Světelný zdroj Světelný zdroj klasická žárovka s P=100W, čiré sklo a wolframové vlákno
Interpretace výsledků Hodnoty světelného toku pro jednoduchý světelný zdroj
Interpretace výsledků Výsledky statické anylýzy pro světlovod s jednoduchým světelným zdrojem
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
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 Fv = 68 300 lm.m-2 Na vstup světlovodu d = 320 mm dopadá sv. tok 22 klm Při účinnosti = 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.
Částečné nevýhody osvětlování světlovody relativně vysoká cena nutnost zakomponovat světlovod do prováděcího projektu stavby v rámci projektu technického zařízení budov
Ukázka využití světlovodů - průchod svěla budovou
Příklady realizací osvětlení světlovody
Zdroje Kadlecová, E. Methods modelling used for design of lighting systems in lighting technology and design of reflectors. STUDENT EEICT 2003 3.part, Student EEICT 2003. Brno: VUT Brno FEKT a FIT, 2003, s. 340-683, ISBN 80-214-2379-X Kadlecová, E., Bernard, M., Plch, J. Problémy s přesným měřením interiérových a exteriérových svítidel. Mezinárodní vědecká konference ELEKTROENERGETIKA 2002. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2002, s. 41-45, ISBN 80-248-0060-2 AIZENBERG, J. B.: Historie vývoje a užití dutých světlovodů 2. část. In Světlo 2/2001 http://www.ghv-trading.cz/ http://www.odbornecasopisy.cz/svetlo/2000/sv040003.htm http://muzeum.pre.cz/soukrome_sbirky/zarovky/sberatel.php www.wikipedia.cz
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ UTEE FEKT VUT Kolejní 2906/4 612 00 Brno Děkujeme za pozornost Tel.: +420 541 149 510 Fax: +420 541 149 512 e-mail: utee@feec.vutbr.cz