 |
|
 |
 |
|
Elektryczne źródła światła
źródło: "Syntetyczna charakterystyka oświetlenia elektrycznego na stanowiskach pracy"
opracowanie: dr inż. Agnieszka Wolska, mgr inż. Andrzej Pawlak- CIOP-PIB
|
|
|
|
 |
|
 |
|
Podstawowym zadaniem elektrycznych źródeł światła jest przetwarzanie prądu elektrycznego na promieniowanie widzialne. We współcześnie stosowanym oświetleniu elektrycznym wykorzystywane są dwie podstawowe grupy źródeł światła: żarowe oraz wyładowcze. Do grupy źródeł żarowych zalicza się wszystkie odmiany żarówek tradycyjnych oraz halogenowych. Natomiast do grupy źródeł wyładowczych należą: świetlówki, lampy rtęciowe, sodowe oraz indukcyjne.
Podstawowe parametry źródeł światła
|
Do podstawowych parametrów charakteryzujących źródła światła należy zaliczyć: strumień świetlny, skuteczność świetlną, wskaźnik oddawania barw, temperaturę barwową oraz trwałość.
Strumień świetlny (φ) wyrażany jest w lumenach [lm]. Jest to całkowita ilość światła emitowana z danego źródła, deklarowana przez wytwórcę, przy zachowaniu określonych warunków pracy lampy.
Miarą efektywności źródeł światła jest ich skuteczność świetlna (η) wyrażana w lm/W. Jest to stosunek wysyłanego strumienia świetlnego do pobieranej mocy (z uwzględnieniem strat w układzie stabilizacyjno-zapłonowym, gdy jest on niezbędny do normalnej pracy lampy) przez określone źródło światła. Wartość tego parametru decyduje o zużyciu energii elektrycznej, przez co w sposób pośredni wpływa na koszt utrzymania całej instalacji oświetleniowej.
Wygląd określonego przedmiotu może ulegać zmianom w warunkach oświetlania różnymi typami źródeł światła. Dlatego też ważny jest dobór odpowiedniej barwy światła i stopnia oddawania barw do danego rodzaju pracy.
Ważnym parametrem określającym jakość źródeł światła jest trwałość. Określona jest ona czasem świecenia (podawanym w godzinach) źródła do chwili jego wygaśnięcia (tzw. trwałość do 50% wygaśnięć - w przypadku żarówek) lub, kiedy przestało ono spełniać wymagania dotyczące wartości emitowanego strumienia świetlnego podawane przez odpowiednie normy (dotyczy to spadku strumienia światłą źródeł wyładowczych o 20% w stosunku do początkowego).
Przegląd stosowanych źródeł światła
|
 |
Przykładowa żarówka
liniowa (OSRAM) |
Żarówki należą do najbardziej popularnych źródeł światła, w których przemiana energii elektrycznej w energię świetlną następuje w sposób temperaturowy, tzn. światło wytwarzane jest przez żarnik (drut) wolframowy, rozgrzany do stanu żarzenia wskutek przepływu prądu elektrycznego. Żarówki nie wymagają współpracy z żadnym dodatkowym osprzętem elektrycznym. W celu ograniczenia nadmiernej luminancji rozżarzonej skrętki, bańki żarówek są matowione lub opalizowane (powłoka o barwie białej). Powoduje to, że świeci cała bańka, a nie tylko skrętka. Podczas eksploatacji żarówek należy pamiętać o tym, że w zależności od mocy żarówki i jej położenia temperatura bańki żarówki i jej trzonka może osiągać nawet 300
oC (przy mocy 500 W). Temperatura bańki powyżej 160
oC może powodować zagrożenie dla otoczenia, np. przegrzanie, stopienie, a nawet zapalenie elementów oprawy oświetleniowej, czy przedmiotów umieszczonych zbyt blisko bańki.
 |  |  |
| Przykładowa żarówka zwierciadlana R 63 (PHILIPS) |
Przykładowa żarówka zwierciadlana typu Spotline R 63 (PHILIPS) |
Przykładowa żarówka zwierciadlana typu PAR 38 (PHILIPS) |
Poza klasycznymi kształtami baniek produkowane są żarówki przeznaczone do zastosowań dekoracyjnych o różnych kształtach np. w kształcie kuli, czy liniowe (o średnicy rury 30 mm, i mocach 35, 60 i 120 W). Odrębną grupą wśród żarówek są lampy zwierciadlane (reflektorowe). Dzięki zmianie kształtu bańki oraz napyleniu na jej wewnętrznej stronie odbłyśnika, strumień świetlny został ukierunkowany i jest emitowany tylko przez przednią część (przezroczystą lub matową). Kolejna zmiana kształtu bańki i systemu refleksyjnego pozwoliła uzyskać jeszcze większą koncentrację wiązki strumienia świetlnego. Otrzymano w ten sposób nowy typ żarówek o nazwie „Spotline” („Spotlight”). Uzyskano w nich zwiększenie natężenia oświetlenia w centrum wiązki świetlnej, o co najmniej 50% w stosunku do lamp zwierciadlanych. Dzięki zwiększonej koncentracji wiązki znacznie mniej światła ulega rozproszeniu, a przykry efekt olśnienia pochodzący od źródła światła został znacznie ograniczony. Udoskonaloną odmianą żarówek reflektorowych typu „Spotline” są żarówki typu PAR. Uzyskano w nich poprawę skuteczności świetlnej, co wpłynęło na oszczędność energii elektrycznej rzędu 20%. Osiągnięto to poprzez: optymalizację kształtu reflektora, zastosowanie pierścieniowego odbłyśnika oraz zastosowanie specjalnie ukształtowanej przedniej części bańki. Dzięki zwartej i mocnej budowie oraz odporności na wpływy atmosferyczne, lampy te nadają się do oświetlenia zewnętrznego bez potrzeby dodatkowej ochrony przed warunkami atmosferycznymi.
 |  |  |
| Przykładowa żarówka halogenowa z tzw. zimnym lustrem (PHILIPS) |
Przykładowa żarówka halogenowa typu kapsułka (matowa) na napięcie sieciowe, trzonek G 9 (OSRAM) |
Przykładowa żarówka halogenowa z tzw. zimnym lustrem na napięcie sieciowe, trzonek GZ 10 (OSRAM) |
Oddzielną grupę wśród żarówek stanowią żarówki halogenowe. Żarówki te charakteryzują się mniejszymi wymiarami i większą skutecznością świetlną oraz większą trwałością niż tradycyjne. Warunkiem ich poprawnego działania jest
 |
| Przykładowa żarówka halogenowa reflektorowa ze zwierciadlanym odbłyśnikiem, typ PAR 38 (PHILIPS) |
osiągnięcie odpowiednio wysokiej temperatury bańki wykonanej ze szkła kwarcowego. Żarówki halogenowe produkowane są w wersjach niskonapięciowych (najczęściej 12 V) - w postaci małych kapsułek, lub stanowiących zintegrowaną całość z odbłyśnikiem (reflektorem), tzw. zimnym lustrem. Dodatkowym zadaniem odbłyśnika z zimnym lustrem jest odprowadzenie promieniowania cieplnego poza strumień świetlny (do około 2/3 ciepła). Nowymi rozwiązaniami żarówek halogenowych są wersje na napięcie sieciowe, które również występują w postaci kapsułek, lub stanowiących zintegrowaną całość z odbłyśnikiem. Przystosowane do zasilania sieciowego są jeszcze żarówki typu PAR (HALOPAR), będące bezpośrednim
 |
| Przykładowa żarówka halogenowa z dodatkową bańką szklaną, typ Halogen A (PHILIPS) |
zamiennikiem żarówek zwierciadlanych o zwiększonej skuteczności świetlnej o około 15% oraz żarówki halogenowe mające dodatkową szklaną bańkę - typu Halogen A (HALOLUX) będące bezpośrednim zamiennikiem zwykłych żarówek. Zamiana taka zwiększa skuteczność świetlną o około 15% (w stosunku do żarówek standardowych o tej samej mocy).
Należy także pamiętać, że żarówki halogenowe w sposób znaczący emitują promieniowanie w zakresie nadfioletu, co może być nieobojętne dla zdrowia ludzi. Dlatego też, szczególnie w oprawach otwartych, należy stosować tylko takie źródła, które posiadają filtr UV. Świadczy o tym napis na opakowaniu, bądź na cokole żarówki: UV STOP, UV BLOCK, Low Pressure. Zastosowanie przedniej szybki w przypadku żarówek z zimnym lustrem lub szybki ochronnej w oprawie również ogranicza to promieniowanie.
Są to lampy wyładowcze, rtęciowe, w których promieniowanie nadfioletowe (uzyskane na drodze elektroluminescencji) jest przetwarzane na światło widzialne przez warstwę luminoforu (zjawisko fotoluminescencji).
 |
| Przykładowe świetlówki o średnicy 7 mm (OSRAM) |
Świetlówki produkowane są w kształcie rur prostych lub kolistych oraz o budowie zwartej (tzw. kompaktowe). Długość świetlówki zależy od jej mocy. Ze względu na barwę światła emitowaną przez te źródła, można je podzielić na następujące grupy (w zależności od temperatury barwowej najbliższej): dzienna (6 500 K), chłodnobiała (5 000 K), biała (4 000 K), ciepłobiała (2 700 K, 3 000 K).
 |  |
| Przykładowa świetlówka kołowa (OSRAM) | Przykładowe świetlówki o średnicy 16 mm oraz elektroniczny układ zapłonowy (OSRAM)
|
Temperatura otoczenia ma istotny wpływ na pracę świetlówki (szczególnie na wartość strumienia świetlnego oraz trwałość). Większość tych lampy przeznaczona jest do pracy w określonych warunkach temperaturowych - we wnętrzach (+25C). Ze wzrostem temperatury otoczenia barwa światła staje się zielonkawo-niebieska, a strumień świetlny może zmaleć nawet o 30%.
Energooszczędność a dobór świetlówek
Aktualnie na rynku oświetleniowym najbardziej rozpowszechnione są świetlówki o średnicy rury 26 mm i mocach 18, 36 i 58 W. Wyparły one już starsze konstrukcje świetlówek o średnicy rury 38 mm - i odpowiednio o mocach 20, 40 i 65 W. Podstawową zaletą stosowania świetlówek o zmniejszonej średnicy jest ich energooszczędność (mniejsza moc przy tym samym strumieniu świetlnym). W przypadku zastosowania w oprawie elektronicznego układu zapłonowego możliwa jest dalsza oszczędność energii elektrycznej związana z mniejszymi startami na stateczniku. W przypadku zastosowania świetlówek z dopiskiem „HF” możliwa jest dodatkowa oszczędność energii związana ze zmniejszonym poborem mocy przez świetlówkę. Świetlówki o średnicy 26 mm produkowane są z wykorzystaniem nowszych technologii i są dostępne w całym zakresie temperatur barwowych oraz wskaźnika oddawania barw. Natomiast najnowocześniejszą generacją świetlówek są świetlówki o średnicy 16 mm i skuteczności świetlnej powyżej 100 lm/W W zależności od producenta oraz typu oznaczane są one symbolem, np.: T5 HE, T5 HO, TL5 HE, TL5 HQ. Typoszereg mocy tych świetlówek jest inny niż świetlówek o średnicy 26 mm. Przeznaczone są one wyłącznie do współpracy z elektronicznym układem zapłonowym, dzięki czemu uzyskano dodatkowo mniejsze zużycie energii elektrycznej o 30% względem świetlówek typy standard „stary”
Tabela 1. Możliwości racjonalnego wykorzystania energii przy użyciu świetlówek z zastosowaniem określonych typów stateczników (Ra ≥ 80)
| Parametr | Typ świetlówki
|
|---|
| TL 5 | Super HF | Super | Standard „nowy” | Standard „stary” |
| Moc lampy [W] | 28 | 32 | 36 | 36 | 40 |
| Średnica rury [mm] | 16 | 26 | 26 | 26 | 38 |
| Strumień świetlny po 100 godz. świecenia [lm] | 2 900 | 3 200 | 3 350 | 2 900 | 2 900 |
| Skuteczność świetlna [lm/W] | 104 | 100 | 93 | 80 | 72 |
| Rodzaj statecznika | elektroniczny | elektroniczny | tradycyjny | tradycyjny | tradycyjny |
| Strata na stateczniku | 5 W | 5 W | 8 W | 8 W | 8 W |
| Łączny pobór mocy lampa - statecznik | 33 W | 37 W | 44 W | 48 W | 48 W |
(patrz tabela 1). Wskaźnik oddawania barw tych świetlówek jest wysoki - powyżej 80, a temperatura barwowa od 2 700 do 6 500 K. Trwałość świetlówek T5 osiąga 16 000 godzin, a spadek strumienia świetlnego po 10 000 godzinach pracy wynosi zaledwie 5% (w świetlówkach standard „nowy” - 16%). Na podstawie danych zestawionych w
tabeli 1 można zauważyć, że zastąpienie opraw ze świetlówkami starego typu o mocy 40 W przez oprawy ze świetlówkami najnowszej generacji (TL 5) o mocy 28 W nie wpływa na zmniejszenie strumienia świetlnego a daje łączną oszczędność energii elektrycznej o około 15 W. Należy jednak pamiętać, że wszystkie rodzaje świetlówek o średnicy rury 26 mm i 38 mm (o tej samej długości - mocy) są całkowicie zamienialne w oprawach oświetleniowych. Jedynie nie uzyska się dodatkowej oszczędności energii elektrycznej w przypadku zastosowanie świetlówek typu HF w oprawach z magnetycznym układem zapłonowym. Natomiast świetlówki TL 5 można montować tylko do przewidzianych dla nich oprawach oświetleniowych.
 |
Przykładowa świetlówka zintegrowana z układem zapłonowym typ PL-E-C 20W (PHILIPS)
|
Obecnie coraz większym popytem na rynku źródeł światła cieszą się
świetlówki o budowie zwartej (tzw. kompaktowej). Dzięki zintegrowaniu odpowiednio ukształtowanych rurek o małej średnicy (w których następuje wyładowanie elektryczne), z układem zapłonowo - stabilizacyjnym (elektronicznym lub tradycyjnym) oraz zastosowaniu tradycyjnego trzonka o gwincie E 27 lub E 14, świetlówki te można stosować jako zamienniki tradycyjnych żarówek. W porównaniu z żarówkami, świetlówki kompaktowe zużywają pięciokrotnie mniej energii elektrycznej, a ich trwałość jest większa od świetlówek tradycyjnych. Produkowane są świetlówki kompaktowe o następujących konstrukcjach:
* zintegrowane (z układem zapłonowym):
- z rurkami nieosłoniętymi o różnym kształcie, długości i ilości,
- z rurkami umieszczonymi w bańce szklanej, mlecznej lub z tworzywa, o różnym kształcie,
- z rurkami umieszczonymi wewnątrz reflektora z odbłyśnikiem (15 i 20 W),
- w kształcie koła (18 i 24 W)
 |  |  |
| Przykładowa zintegrowana świetlówka kompaktowa z bańką w kształcie kuli (OSRAM) |
Przykładowa zintegrowana świetlówka kompaktowa z reflektorem (OSRAM) |
Przykładowa zintegrowana świetlówka kompaktowa w kształcie koła (OSRAM) |
* niezintegrowane:
- rurki o różnym kształcie, długości i ilości zakończone trzonkami typu wtykowego z czterema stykami lub dwoma (z wbudowanym zapłonnikiem).
 |  |  |
| Przykładowa świetlówka kompaktowa niezintegrowana typ PL-L 18 W 4 piny (PHILIPS) |
Przykładowa niezintegrowana świetlówka kompaktowa typ PL-T 18 W 2 piny (PHILIPS) |
Świetlówki kompaktowe niezintegrowane o mocy 60, 85 i 120 W oraz elektroniczny układ zapłonowy |
Jako zamiennik żarówek należy stosować świetlówki o temperaturze barwowej rzędu 2 700 do 3 000 K. Producenci źródeł światła usilnie starają się, aby ich wyroby swym wyglądem w jak największym stopniu przypominały żarówki głównego szeregu, bądź świecowe. Należy pamiętać, że lampy te uzyskują pełny strumień świetlny parę minut po włączeniu i nie można ich stosować w obwodach ze ściemnianiem światła.
 |  |
| Przykładowa zintegrowana świetlówka kompaktowa w kształcie żarówki (OSRAM) | Przykładowa zintegrowana świetlówka kompaktowa w kształcie żarówki świecowej
(OSRAM) |
 |
| Przykładowa lampa rtęciowa z eliptyczną bańką pokrytą luminoforem (OSRAM)
|
Są to lampy wyładowcze, w których przeważająca część światła pochodzi z wyładowania łukowego zachodzącego w parach rtęci w warunkach podwyższonego ciśnienia w jarzniku (tylko 10% energii zamieniana jest na promieniowanie widzialne, pozostała zaś na ciepło i promieniowanie nadfioletowe). Bańka zewnętrzna może być przezroczysta
 |
| Przykładowa zwierciadlana lampa rtęciowa (OSRAM) |
lub pokryta luminoforem - wówczas dodatkowa część światła wytwarzana jest przez warstwy luminoforu wzbudzone przez promieniowanie nadfioletowe pochodzące z wyładowania. Pokrycie bańki lampy powłoką luminoforu ma wpływ także na wartość temperatury barwowej i wskaźnika oddawania barw. Dla lamp bez powłoki - barwa światła jest zielonkawoniebieska, a dokładność oddawania barw - mała. Należy pamiętać, lampy te po załączeniu do sieci osiąga ustalony stan pracy po około 3 minutach. Natomiast po wyłączeniu powtórny zapłon następuje z opóźnieniem (do 5 min).
Odmianą rtęciowych źródeł światła są lampy metalohalogenkowe (rtęciowo - halogenkowe) oraz o świetle mieszanym
(rtęciowo - żarowe).
 |  |  |
| Przykładowe ceramiczne lampy metalohalogenkowe (OSRAM) |
Przykładowa kwarcowa lampa metalohalogenkowa (OSRAM) |
Przykładowa kwarcowa, reflektorowa lampa metalohalogenkowa (OSRAM) |
W pierwszych z nich, do jarznika - oprócz rtęci - dodano pewne ilości określonych metali (jod, lit, ind, sód...) w postaci halogenków. Dodatki te zostały tak dobrane, aby największa emisja promieniowania przypadała w obszarze widzialnym. Dlatego w tych lampach najczęściej nie stosuje się luminoforu. Lampy te charakteryzują się dobrym oddawaniem barw oraz mają wyższą skuteczność świetlną niż lampy rtęciowe (dochodzącą do 120 lm/W). Wadę braku stałości barwy światła w czasie eksploatacji wyeliminowano w lampach metalohalogenkowych z jarznikiem ceramicznym. Uzyskano w nich także wyższe, o około 20%, skuteczności świetlne i trzy razy większe niż lamp halogenowych. Emitują one także mniej ciepła.
Pełny strumień świetlny uzyskuje się po około 3 min. od momentu podania impulsu zapłonowego, ponowny zapłon lampy po jej zgaśnięciu, spowodowanym np. zanikiem napięcia zasilania, możliwy jest po około 10 minutach. Mankament ten wyeliminowany jest w specjalnych konstrukcjach przystosowanych do natychmiastowego zapłonu.
W ostatnich latach nastąpił olbrzymi rozwój tych źródeł światła, opracowano wiele odmian i typów. Powstały lampy, w których ograniczono promieniowanie nadfioletowe (wersja UV-STOP), dzięki czemu przedłuża się trwałość opraw oświetleniowych oraz światło jest bardziej bezpieczne dla zdrowia ludzkiego.
 |  |
| Przykładowa reflektorowa lampa metalohalogenkowa typ CDM-R 35 W PAR (PHILIPS) |
Przykładowa lampa metalohalogenkowa typu MHN-TD 75 W (PHILIPS) |
W lampach
rtęciowo - żarowych w jednej bańce zawarty jest jarznik rtęciowy i żarnik wolframowy (służący do stabilizacji prądu) połączone szeregowo. Lampy te można stosować jako bezpośredni zamiennik żarówek bez konieczności stosowania dodatkowego osprzętu (statecznika), jednak nie mogą one być ściemniane. Pełny strumień świetlny uzyskuje się w czasie od 0 do 2 minut od momentu podania impulsu zapłonowego. Ponowny zapłon lampy po jej zgaśnięciu możliwy jest po około 5 minutach. Stosując je należy pamiętać o dozwolonej pozycji pracy. Lampy te wykorzystuje się w przypadku wysokich kosztów wymiany instalacji oświetleniowej.
 |
| Przykładowe lampy sodowe typ SON Comfort i SON Plus o mocy 150 W (PHILIPS) |
Są to lampy wyładowcze, w których światło pochodzi głównie z promieniowania par sodu w warunkach podwyższonego ciśnienia panującego w jarzniku. Lampy te charakteryzują się żółto-pomarańczową barwą. Oddawanie barw nie jest zbyt dobre, ale lepsze niż dla lamp sodowych niskoprężnych. Ponowny zapłon lampy po jej zgaśnięciu możliwy jest już po około 1 minucie. Ze względu na wysoką skuteczność świetlną, sięgającą 130 lm/W stosowane są głównie do oświetlania zewnętrznego, np. ulice, place, drogi, mosty, itp.
Produkowane są też odmiany tych lamp, w których wskaźnik oddawania barw osiąga wartość 65 (SON COMFORT), a nawet 83 (White SON). W związku z tym, ten ostatni typ lamp sodowych nadaje się już doskonale do oświetlania wnętrz, szczególnie, że dostępny jest on o mocach 35, 50 i 100 W i temperaturze barwowej 2 500 K.
Są to lampy wyładowcze, w których światło jest wytwarzane przez promieniowanie par sodu. Lampa ta emituje światło monochromatyczne o barwie żółtopomarańczowej. Bardzo dobrze widoczne są w ich świetle kontury przedmiotów. Światło to doskonale przenika przez mgłę. Oddawanie barw przedmiotów oświetlanych przez te lampy jest bardzo złe. Praktycznie wszystkie przedmioty, niezależnie od ich naturalnej barwy, są żółtoszare. Wyjątkiem jest tylko barwa czerwona, która jest najmniej zniekształcana. W związku z tym nie nadają się one do oświetlania wnętrz. Skuteczność świetlna tych lamp jest największa ze wszystkich sztucznych źródeł światła, a trwałość jest rzędu 12 000 godzin. Pełny strumień świetlny uzyskuje się po upływie od 7 do 15 minut od momentu podania impulsu zapłonowego. Ponowny zapłon lampy, po jej zgaśnięciu, w zależności od typu jest natychmiastowy lub po około 2 minutach. Znajdują one zastosowanie tylko w oświetleniu zewnętrznym, np. skrzyżowań, dróg, autostrad, mostów itp.
Podstawowe parametry omówionych grup źródeł światła zestawiono w tabeli 2.
Tabela 2.
| Źródło światła | Moc [W] | Strumień świetlny [lm] | Skuteczność świetlna [lm/W] | Temperatura barwowa [K] | Wskaźnik oddawania barw (Ra) | Trwałość*) [godz] |
| Żarówki | 15 ÷ 1000 | 90 ÷ 18800 | 8 ÷ 21 | 2700 | 100 | 1000 |
| Żarówki halogenowe | 5 ÷ 2000 | 60 ÷ 48400 | 12 ÷ 33 | 2900 ÷ 3100 | 100 | 5000 |
| Świetlówki tradycyjne (rurowe) | 4 ÷ 140 | 120 ÷ 8350 | 25 ÷104 | 2700 ÷ 6500 | 50 ÷100 | 7500 |
| Świetlówki kompaktowe zintegrowane | 5 ÷ 24 | 250 ÷ 1500 | 50 ÷ 65 | 2700 ÷ 6500 | 80 ÷ 90 | 12000 |
| Świetlówki kompaktowe niezintegrow. | 5 ÷ 120 | 250 ÷ 4800 | 50 ÷ 87 | 2700 ÷ 6500 | 80 ÷ 100 | 10000 |
| Wysokoprężne rtęciowe | 50 ÷ 1000 | 1600 ÷ 58800 | 32 ÷ 60 | 3000 ÷ 4300 | 40 ÷ 70 | 15000 |
| Metalohalo- genkowe | 35 ÷ 2000 | 2400 ÷ 320000 | 60 ÷ 95 | 3000 ÷ 5600 | 75 ÷ 100 | 6000 |
| Rtęciowo -żarowe | 100 ÷ 500 | 1100 ÷ 13000 | 11 ÷ 28 | 3300 ÷ 4100 | 50 ÷ 69 | 5000 |
| Wysokoprężne sodowe | 35 ÷ 1000 | 1300 ÷ 130000 | 68 ÷ 150 | 1950 ÷ 2500 | 23 ÷ 83 | 20000 |
| Niskoprężne sodowe | 18 ÷ 180 | 1800 ÷ 33000 | 100 ÷ 203 | ---- | ---- | 12000 |
