Moderní osvětlovací zdroje a systémy

Školní rok: 2005/2006 Třídní učitel : Mgr. Michal Vávra Třída: NE2 Obor: 26-41- L/501 Elektrotechnika Škola : Předmět: Střední škola elektrostavební a dřevozpracující Elektrotechnika, elektronika, elektrická měření, silnoproudá zařízení Téma: Moderní osvětlovací zdroje a systémy Zpracoval: Luděk Bordovský Odevzdal dne: Hodnocení : - 2 -

OBSAH I. ÚVOD II. MODERNÍ OSVĚTLOVACÍ ZDROJE A SYSTÉMY 1.1. Historie světelných zdrojů 1.2. Nejdůležitější světelné technické pojmy 1.3. Zmenšování rozměrů světelných zdrojů 1.4. Světelné zdroje a ekologie 2. Žárovky 2.1. Žárovky pro všeobecné použití 2.2. Halogenové žárovky 2.2.1. Popis halogenového cyklu 3. Zářivky 3.1. Lineární zářivky 3.2. Kompaktní zářivky 3.2.1. Kompaktní zářivky jednopaticové 3.2.2. Kompaktní zářivky klasické se zabudovanou tlumivkou 3.2.3. Kompaktní zářivky s integrovaným elektronickým předřadníkem 4. Výbojky 4.1. Rtuťové výbojky 4.2. Směsové výbojky 4.3. Halogenidové výbojky 4.4. Sodíkové výbojky 4.4.1. Sodíkové výbojky vysokotlaké 4.4.2. Sodíkové výbojky nízkotlaké 4.5. Xenonové výbojky 5. Elektroluminiscenční diody 6. Vysvětlení použitých pojmů 6.1. Barevná teplota 6.2. Elektronický startér 6.3. Stroboskopický efekt ZÁVĚR - 3 -

I. ÚVOD Objev elektrické žárovky v poslední čtvrtině devatenáctého století způsobil zásadní zvrat ve vývoji osvětlování. Díky elektrickému osvětlení se náš produktivní čas rozšířil na celých 24 hodin dne a byl odstartován mohutný rozvoj všech činností lidí. Zařízení, která vysílají viditelné záření se nazývají světelné zdroje. Mohou být buď přírodní (slunce, blesk), nebo umělé (svíčka, plynová lampa, žárovka...). Předmět vyzařující světlo, jež vzniklo v něm samém přeměnou energie je primární světelný zdroj. Sekundární světelný zdroj je předmět, který světlo vysílá tím, že světelné paprsky odráží nebo propouští. Světelné zdroje a systémy jde o oblast vyvíjející se velmi rychlým a soustavným doplňováním nových a technicky dokonalejších a hospodárnějších světelných zdrojů. Výrobci neustále přicházejí s novinkami, které poskytují světelným technikům stále lepší možnost zajišťovat zrakovou pohodu. Při dodržení zásad hospodárnosti ve standardních osvětlovacích soustavách, stejně jako dosažení estetických účinků i v světelně náročnějších technických projektech.. - 4 -

II. Moderní osvětlovací zdroje a systémy 1.1 Historie světelných zdrojů První žárovku sestrojil roku 1841 Francouz Fréderic de Moleyns který si dal patentovat první žárovku, v níž použil tenký platinový plátek. Tato žárovka měla ale velmi krátkou životnost. Roku 1854 se rozsvítil první žárovky i Henry Goebel Němec, který emigroval do New Yorku. Henry Goebel - optik a hodinář, který touto žárovkou osvětlil výkladní skříň ve které vystavoval dalekohled, aby přilákal zákazníka. V žárovce použil zuhelnatělé bambusové vlákno.goebel neuměl dostatečně anglicky na to aby mohl napsat patentní přihlášku a také neměl potřebné finance na uznání patentu. Roku 1873 Alexandr Nikolajevič Lodygin - Rus sestrojil žárovku, která vydržela svítit 1/2 hodiny. Byla požita na ulici v Petrohradě. Thomas Alva Edison, Američan holandského původu, zapálen a vervou nejplodnější vynálezce v dějinách se vrhl v září 1878 na sestrojení žárovky. Edison začal tam kde Lodygin skončil : zkoumal vlastnosti uhlíkové tyčinky. Její život byl však velmi krátký a tak se vrátil o krok zpět ke kovovým vláknům. Ani zde však nepochodil a tak se zhruba po 1600 pokusech vrací opět k uhlíku. Po spoustě pokusů dokázala 21.10.1879 zuhelnatělá nit svítit plných 40 hodin (zuhelnatělá japonská bavlna). (první Edisonova žárovka svítila 8 min.) Na Silvestra téhož roku se rozsvítilo několik žárovek na cestě do Edisonova sídla. A pak už následovala spousta práce - objímka, vypínač, pojistky.... První žárovky v Evropě byly použity v roce 1882 k osvětlení divadla v Brně roku 1882. 1.2 Nejdůležitější světelné technické pojmy Pod pojmem světlo se rozumí elektromagnetické záření které vyvolá v lidském oku vjem jasu světlo je viděno jedná se přitom o záření v rozmezí mezi 380nm až do 770nm. menší než 380nm je ultrafialové větší než 770nm je infračervené Rychlost šíření světla je stejně jako ve vakuu 300 000km/s. - 5 -

Svítivost I je měřítkem pro světelný tok φ vyzářený v prostorovém úhlu Ω jednotka svítivosti je 1cd (kandela). Světelný tok označuje se φ jednotka je ln (lumen). Světelný tok udává kolik světla vyzáří zdroj do všech směru je světelný výkon Světelné množství Q= φ*t (ln/s) Intenzita osvětlení E jednotka je 1 lux veličina udává jak je určitá plocha osvětlována 1.2 Hlavní inovační trendy trvalé zvyšování provozní spolehlivosti a účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou, zejména u výbojových zdrojů; všeobecná snaha zmenšovat rozměry světelných zdrojů s cílem zlepšení optických vlastností svítidel soustavný tlak na zvyšování ekologičnosti vyráběných světelných zdrojů, a to z hlediska výrobce, ale i spotřebitele (plná recyklovatelnost); pokračující elektronizace téměř všech oblastí světelné techniky, počínaje předřadnými obvody pro výbojové zdroje až po komplexní inteligentní řízení osvětlení v objektech s využitím počítačů v závislosti na požadovaných podmínkách a s cílem dosáhnout světelného komfortu a současně i úspor elektrické energie; 1.3 Zmenšování rozměrů světelných zdrojů Je pozorovatelný napříč celým jejich sortimentem. Tato snaha je motivována úsporami materiálů světelného zdroje i svítidla, popř. zařízení, v němž je světelný zdroj provozován. Menší rozměry výrobků významně snižují skladovací a přepravní náklady. Koncentrované svíticí těleso světelného zdroje umožňuje přesněji přerozdělovat světelný tok, zlepšit optickou soustavu svítidla, lépe řešit problémy s oslněním. - 6 -

1.4 Světelné zdroje a ekologie Tendence zvýšení ekologičnosti světelných zdrojů se projevuje tlakem na výrobce používat materiály a technologické postupy, které jsou co nejšetrnější během výroby světelného zdroje i během jeho provozu a zejména při likvidaci po ukončení jeho života. Z konstrukčních prvků světelného zdroje byly zcela vyloučeny takové prvky jako arzen a kadmium z luminoforů, trvale se zpřísňují požadavky na snižování množství rtuti ve všech výbojových zdrojích (u zářivek se množství snížilo z asi 150 mg až na 3 mg, část sortimentu vysokotlakých sodíkových výbojek se vyrábí bez rtuti). I přes tato opatření se světelných zdrojích ojevují některé ekologicky problematické materiály, které zatím nelze vyloučit. Proto vznikají specializované firmy, které ekologicky a čistě likvidují světelné zdroje, a zamezují tak nežádoucímu vlivu na životní prostředí. 2. Žárovky 2.1 Žárovky pro všeobecné použití Klasické žárovky s Wolframovým drátem (φ asi 14µm) dnes dvojitě vinutým jsou nejznámější, nejrozšířenější a nejméně hospodárné zdroje světla (Obr.2.1). Stamilionové série umožňují masové rozšíření při nízké ceně. Použití je jednoduché, k provozu není potřeba žádného dalšího pomocného zařízení. Vyzařování světla je vyvolané tepelným buzením, které má spojité spektrum. Základní vlastnosti je nízká cena a okamžité zapnutí, životnost cca 1000 hodin. U žárovek do 25W je vnitřní prostor baňky vyčerpán. Náplň žárovek nad 25W bývá argon, nebo krypton oba s příměsí dusíku. V celém světě již řadu let trvá pomalý, ale zřetelný odklon od používání žárovek. Na světlo se přemění pouhých 6 až 10% vložené energie. Hospodárnost provozu můžeme při dodržování určitých pravidel ovlivnit částečně sami. Pokud je to možné, užíváme žárovky reflektorové (Obr. 2.2), s usměrněným světelným tokem - tím snížíme spotřebu energie až o 50 procent. Jsou označovány písmenem R a číslem, udávajícím průměr reflektoru v milimetrech (typické je např. R63). - 7 -

Obr.2.1 klasická žárovka Obr.2.2 reflektorové žárovka Žárovky jsou to zdroje inkandescentní, využívající toho, že těleso ohřáté na určitou teplotu vydává záření ve viditelné oblasti spektra. Těleso musí být ohřáto na dosti vysokou teplotu; čím je vyšší, tím je světlo bělejší 2.2 Halogenové žárovky Baňka halogenové žárovky, vyrobená z těžkotavitelného skla (nejčastěji z taveného křemene), je plněna obvyklou směsí dusíku a argonu, kryptonu, nebo xenonu. Navíc náplň obsahuje sloučeniny halových prvků - původně byl užíván čistý jód (proto byly v minulosti označovány jako jódové žárovky), dnes se užívá různých organických sloučenin bromu. Halogenové žárovky mají lepší parametry než obyčejné žárovky. Jsou vyráběny pro síťové napětí v trubkovém provedení nebo jako miniaturní a speciální typy pro nízké napětí. a) b) c) d) Obr. 2.3 Typy halogenových žárovek a) 12 V b) Reflektorová na 12 V c) Reflektorová na 230 V d) 230 V - 8 -

Odrazné vrstvy dichro propouštějí tepelné záření dozadu, zatímco směrem k osvětlovanému předmětu je tepelné záření menší o 65 procent. Jsou používány při osvětlování vitrin a výkladních skříní. Reflektorové žárovky pro napětí 12 V se vyrábějí i různých barevných odstínech. Zvláštním druhem halogenových žárovek jsou žárovky s dichroitickým zrcadlem. Taková žárovka zajišťuje maximální světelný tok v daném směru a omezuje až 60% nežádoucího infračerveného záření, které prochází zrcadlem (Obr. 2.4). Osvětlovaný předmět je tudíž vystaven mnohem nižšímu tepelnému záření než při osvětlení žárovkou s klasickým hliníkovým reflektorem. Obrázek ukazuje schematické a skutečné provedení takovéto žárovky na 12V. Obr. 2.4 Vyzařovaní infračerveného záření Halový cyklus umožnil také konstrukci miniaturních žároviček pro kapesní svítilny, které produkují trojnásobné množství světla proti obyčejným typům. Při montáži halogenové žárovky se nesmíme dotknout baňky (mastnota z prstů naruší odvod tepla a baňka se v místě dotyku zničí). V případě že se omylem baňky dotknete je třeba před rozsvícením baňku odmastit např. lihem. 2.2.1 Popis halogenového cyklu 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 dostává do teploty, kde se začne rozkládat na wolfram a halogen. Část wolframu se usazuje zpět na vlákno a zároveň velká hustota wolframu v okolí vlákna snižuje vypařování wolframu z vlákna, a tím se prodlužuje život žárovky (viz. Příloha 1). - 9 -

3. Zářivky 3.1 Lineární zářivky Zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky, u nichž se ultrafialové záření výboje transformuje vrstvou luminoforu na viditelné světlo. V závislosti na typu použitého luminoforu lze dosáhnout různého spektrálního složení vyzařovaného světla a různého měrného výkonu. Schematické znázornění zářivky je vidět z obrázku. (Obr. 3.1) Zářivka je naplněna vzácným plynem (argon) se rtutí (několik mg). Tlak v zářivce je cca 400 Pa. Obr. 3.1 Schematické znázornění zářivky Průměry zářivek: 38mm (20, 40, 65W) 26mm (18, 36, 58W) 16mm, 7mm (6, 8, 11, 13W), ty to zářivky je možno provozovat pouze s elektronickým předřadníkem! Životnost je při provozu s tlumivkou okolo 12000 hodin a při provozu s elektronickým předřadníkem16000 hodin. Možnosti zapojení s tlumivkou ukazuje obrázek (viz.příloha 2). Schéma zapojení zářivky s elektronickým předřadníkem záleží na použitém předřadníku. Není však zapotřebí startér a kondenzátor. Princip zapalování zářivek (pomocí doutnavkového zapalovače - startéru) Po zapnutí vypínače je na elektrody zapalovače přivedeno plné síťové napětí, a protože jsou elektrody blízko sebe, dojde mezi nimi k doutnavému výboji. Tím se bimetalové elektrody zahřejí a ohnou tak, až se navzájem dotknou, proud prochází elektrodami zářivky, zahřeje je, - 10 -

takže se kolem elektrod vytvoří oblak elektronů. Zatím se elektrody zapalovače ochladí a po několika sekundách se přeruší styk mezi nimi, elektrody odskočí. Jelikož je v sérii se zářivkou zapojena tlumivka, způsobí přerušení obvodu napěťový indukční náraz na elektrodách zářivky a dojde k zapálení hlavního výboje. Jestliže zářivka na poprvé nezapálí, celý postup se opakuje. 3.2 Kompaktní zářivky Ze snahy zmenšit rozměry lineárních zářivek vznikly zářivky kompaktní. Menší rozměry, větší výkon v daném prostoru, ale menší měrný výkon.výkon se pohybuje od 5 do 55W. 3.2.1 Kompaktní zářivky jednopaticové Trubice kompaktních zářivek jsou různým způsobem tvarovaná tak aby byla co nejkratší. První kompaktní zářivky se vyráběly pouze se dvěma. trubicemi, spojenými můstkem. Protože byly dosti dlouhé, později byly doplněny o typy se čtyřmi, šesti a nyní dokonce i osmi trubicemi. Tím se dosáhlo vyššího světelného toku. Obr. 3.2 Kompaktní zářivky jednopaticové Obr. 3.2 Kompaktní zářivky jednopaticové se zabudovaným startérem - 11 -

3.2.2 Kompaktní zářivky klasické se zabudovanou tlumivkou V jedné baňce obsahují zářivku ve formě dvakrát stočené trubice, startér a kompletní předřadník. Lze je našroubovat do běžné objímky jako žárovky, s nimiž se shodují v barvě světla. Díky mimořádné životnosti jsou vynikající pro dlouhodobé osvětlování, například na chodbách, dvorech, jako bezpečnostní okolo budov. Nehodí se do míst s teplotami pod bodem mrazu. Časté zapínání jim příliš nevadí, ale při dlouhodobém provozu mohou mít mnohem delší životnost, než je udávaných 10 000 hodin. 3.2.3 Kompaktní zářivky s integrovaným elektronickým předřadníkem V jeden celek je spojena zářivka a elektronický předřadník. Používáme je úplně stejně, jako žárovky, ale jsou asi 5x účinnější. Uspoří až 80 % elektrické energie při stejné hladině osvětlení. Důležité je, že jsou prakticky necitlivé ke kolísání síťového napětí ve značném rozmezí! Většinu kompaktních zářivek s elektronickými předřadníky je možno provozovat i na stejnosměrné tak i na napětí 230 V. Nevyvolávají stroboskopický efekt a barvou světla se neliší od žárovek. Vydávají velmi málo tepla, a lze je proto užít i do veškerých objímek, dimenzovaných na žárovky do 40 wattů. Udávaná životnost kompaktních zářivek se pohybuje kolem 10 000 hodin. 4. Výbojky 4.1 Rtuťové výbojky Při postupném zvyšování tlaku rtuťových par a zvyšování proudové hustoty dochází k posunu maxima vyzařované energie k větším vlnovým délkám, k růstu měrného výkonu a ke vzniku spojitého spektra. Přes poměrně velký měrný výkon (50-60 lm/w) však takový zdroj není vhodný pro všeobecné osvětlení, protože ve spektru jeho světla úplně chybí červená složka. Zapalování vysokotlakých rtuťových výbojek: Po připojení napětí na výbojku dochází k zapálení pomocného výboje mezi pomocnou a bliží hlavní elektrodou. Tento výboj je stabilizován rezistorem, který je umístěn vně hořáku v baňce. - 12 -

Pomocný výboj zajišťuje předběžnou ionizaci výbojového prostoru a usnadňuje rozvinutí výboje mezi hlavními elektrodami. Vysokotlaká rtuťová výbojka potřebuje tedy předřadník - tlumivku (jako každá výbojka), nepotřebuje však zapalovač. Tyto výbojky jsou dnes vytlačovány ze svých pozic účinnějšími halogenidovými a vysokotlakými sodíkovými výbojkami. Velmi vhodné jsou např. při osvětlování zeleně (parky). Obr. 4.1 Rtuťová výbojka s luminoforem 4.2 Směsové výbojky Jinou možností úpravy spektra rtuťového výboje je přidat k jeho záření navíc záření wolframového vlákna, které doplňuje spektrum zejména v jeho červené části. Do série se rtuťovým hořákem je zapojeno wolframové vlákno, které zároveň plní funkci předřadníku, takže odpadá nutnost použít tlumivku. Hořák i vlákno jsou namontovány do společné baňky s běžnou závitovou paticí. Směsové výbojky tady nepotřebují zapalovač ani předřadník! Životnost se pohybuje okolo 5000 hodin, ale často bývá až 24 000 hodin. Mají příjemné teple bílé světlo, vhodné i pro osvětlování interiérů. Při přerušení proudu trvá několik minut, než se lampa znovu rozsvítí. 4.3 Halogenidové výbojky Halogenidové výbojky jsou vysokotlaké výbojky, podobají se rtuťovým výbojkám, ale výbojová trubice (hořák) obsahuje halogenidy různých kovů, světlo vzniká převážně zářením par rtuti a produktů štěpení halogenidů. Vylepšující barvu světla a zvyšující světelný tok až o 80 %., Pro zapalování je nutný vysokonapěťový zapalovač s amlitudou impulsu až 4,5kV. - 13 -

Výboj nejprve probíhá v parách rtuti a v inertním plynu. S nárůstem teploty se zvyšuje koncentrace halogenidů ve výboji. Holá výbojka bez krycího skla vyzařuje značné množství ultrafialových paprsků, které mohou způsobit záněty spojivek, až trvalé poškození zraku při delší expozici. Také mohou poškodit osvětlované předměty! Obr. 4.2 Halogeniová vybojka 4.4 Sodíkové výbojky 4.4.1 Sodíkové výbojky vysokotlaké Byly vyvinuty v polovině 60. let. Duší sodíkové výbojky je hořák, tenká průsvitná trubička naplněná amalgamem sodíku (jeho slitinou s rtutí) a vzácnými plyny. Hlavní výhodou sodíkových výbojek spočívá v tom, že vlnové délky emitovaného záření jsou ve žlutém pásmu viditelné části optického spektra velmi blízko maximální citlivosti lidského oka (555 nm). Není zde nutná přeměna ultrafialového záření na viditelné světlo, tak jak je to nezbytné u rtuťového výboje. Vysokotlaká sodíková výbojka (Obr. 4.3.1) oproti nízkotalké sodíkové výbojce má vyšší index barevného podání. Zvýšení tlaku sodíkových par předpokládá vysokou koncentraci výkonu, tedy i vzrůst pracovní teploty. Jediný dostupný materiál odolávající žhavým sodíkovým parám je oxid hlinitý, chemicky totožný se safírem. Se stoupajícím tlakem par se zlepšuje barevné podání, ale klesá účinnost. Používá se u osvětlení silnic, veřejných prostranství i výrobních hal. - 14 -

Obr. 4.3.1 Vysokotlaká sodíková výbojka Obr. 4.3.2 Nízkotlaká sodíková výbojka 4.4.2 Sodíkové výbojky nízkotlaké U nás prakticky neznámé, jsou až 15x hospodárnější než žárovky méně příjemné je monochromatické žlutooranžové světlo, neumožňující rozeznávání barev. Jsou však vhodné pro bezpečnostní osvětlování, protože i rozsáhlé prostory lze osvětlit s extrémně nízkou spotřebou energie. Vyrábějí se v příkonech od 10 do 180 wattů.(obr. 4.3.2) Výrazným problémem konstrukce výbojky je zajištění tepelné izolace výbojové trubice. Díky nízkému indexu barevného podání se u nás tyto výbojky nerozšířili. Světlo je kontrastní, dobře pronikající mlhou. 4.5 Xenonové výbojky Vzácný plyn xenon našel uplatnění vůbec nejprve v osvětlování, protože jeho spektrum se shoduje s denním světlem. Plní se jím výbojky pro fotografické blesky, ale především krátkoobloukové výbojky pro velké filmové projektory. Výbojky jsou napájeny vyhlazeným stejnosměrným proudem. Jsou to nebezpečné skleněné bomby, zvláště na konci života. - 15 -

5. Elektroluminiscenční diody V posledních letech se stále výrazněji v různých světelně technických aplikacích prosazují diody LED. K jejich významným výhodám patří: minimální spotřeba elektrické energie minimální rozměry, jde v podstatě o bodové zdroje široký sortiment výrazných (sytých) barev (červená, zelená, žlutá, modrá, bílá) nízká provozní povrchová teplota malá závislost parametrů na teplotě okolí extrémně dlouhý život, výrazně převyšující život žárovek možnost dosáhnout velké směrové svítivosti použitím vhodné čočky malé provozní napětí dobrá odolnost proti vibracím nevyzařují v oblasti UV záření minimální pokles světelného toku během života je možné je stmívat Je zcela zřejmé, že svítivé diody spolehlivě vytlačují miniaturní žárovky a nacházejí i zcela nové použití, např. v dopravní signalizaci, při osvětlení exponátů ve vitrínách s exponáty citlivými na UV záření v muzeích nově i u automobilu jako koncová světla atd.. 6. Vysvětlení použitých pojmů 6.1 Barevná teplota Barevná teplota je označovaná v katalozích výrazem Tc.Přesněji se nazývá náhradní teplotou chromatičnosti, jednotkou je Kelvin (K) odečítá se z křivky kolorimetrického trojúhelníku CIE podle katalogových souřadnic x, y. Ideálním standardem je záření absolutně černého tělesa. U zdrojů světla s čárovým spektrem, což je většina výbojek, musíme udávanou barevnou teplotu brát jen jako údaj orientační. - 16 -

6.2 Elektronický startér Elektronický startér odstraňující vady zářivek. Použijeme-li jej, zajistíme si, že zářivka při startu nikdy neblikne, ale vždy nastartuje na první pokus. Dokonalé nažhavení elektrod zaručuje mimořádně šetrný zápal i při teplotách - 20 C. Použití elektronického zapalovače prodlužuje užitečný život zářivek nejméně o padesát procent. Je prakticky nezničitelný, jeho životnost přesahuje životnost svítidla.vyšší cena je vykompenzována nižší spotřebou zářivek. 6.3 Stroboskopický efekt Stroboskopický efekt může způsobit nepřijemnosti při osvětlování pohyblivých částí točivých strojů. Proč tomu tak je? Střídavý proud způsobuje, že výbojky též zářivky svítí přerušovaně, jejich světelný tok kopíruje frekvenci sítě 50 Hz. Při každém cyklu rozsvícení lampy se může některá část točícího se zařízení dostávat do stále stejného postavení. Je-li přitom osvětlena, objevuje se zraku vždy na tomtéž místě, takže se zdá, že se netočí. Při mírném nesouladu frekvencí se zdá, že se zařízení točí pomalu, nebo dokonce pozpátku. ZÁVĚR - 17 -

Příloha 1-18 -

Příloha 2-19 -