prz_zr_sw.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 1 , lampy łukowe o węglach czystych 2 , lampy łukowe płomienne 3

i lampy łukowe o węglach nasyconych 4 . 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 ).

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

sodowe niskoprężne

180

160

sodowe wysokoprężne

140

120

100

świetlówki + SE

metalohalogenkowe

świetlówki

rtęciowe wysokoprężne

żarówki

halogenowe 12 V

żarówki

diody LED

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-

Tablica 1. Źródła światła do ogólnych celów oświetleniowych

Zakres mocy

Skuteczność

Trwałość

Czas zaświecania

Źródła światła

znamionowych

świetlna

lm/W

lampy zimnej

lampy nagrzanej

(po chwilowym

zaniku napięcia)

zwykłe

15 ÷ 2000

8 ÷ 20

1000 ÷ 1500

Żarówki

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

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

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

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 1 o temperaturze bezwzględnej T precyzyjnie opisuje wzór

Plancka :

eλ

⎡

⎛

⎞

⎤

⋅

exp

⎝

⎠

−

⎣

⎦

⋅

w którym

λ – długość fali,

⋅

439

⋅

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 :

⋅ T

898

⋅

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 2 . 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.

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.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: