Generiranje i izvori svjetlosti

Nakon što smo u prošlom broju Koraka obradili svjetlosne veličine i mjerne jedinice, u ovom broju posvetit ćemo se generiranju i izvorima svjetlosti te vrstama rasvjetnih tijela.

Postoje dva načina generiranja umjetnoga svjetla (termičko i luminiscentno zračenje). Ova dva principa čine osnovu podjele izvora svjetlosti.

Sve žarulje sa žarnom niti koriste princip termičkog zračenja. Žarna nit se grije prolaskom struje, i pri tome emitira spektar zračenja koje je slično zračenju crnog tijela.
Svjetlosno zračenje koje se ne zasniva na termičkom zračenju naziva se luminiscentno zračenje. Luminiscentno zračenje nastaje kada elektroni prelaze iz jedne energetske razine u drugu.

k52-Korak02-01-400.jpgIzvori svjetlosti se prvenstveno dijele prema načinu generiranja svjetlosti:
-Izvori sa žarnom niti
-Izvori svjetlosti na izboj
-LED izvori,
a karakterizirani su osnovnim veličinama kao što su:
-Svjetlosni tok
-Uzvrat boje
-Temperatura boje
-Svjetlosna iskoristivost

Izvori sa žarnom niti – standardne žarulje
Svjetlost nastaje tako što struja teče kroz žarnu nit od Wolframa i ugrijava je na temperaturu od 2.600 – 3.000 K i usijava. Većina zračenja emitira se u IR dijelu spektra.
– Vrlo mala svjetlosna iskoristivost (do 17 lm/W, ovisno o snazi žarulje)
– U svjetlost se pretvara do 10% uložene energije (ostatak u toplinu)
– Prosječni radni vijek do 1000 sati
– Vrlo dobar faktor uzvrata boje (CRI)
– Temperatura boje od 2600-2800 K
– Sve manja uporaba – zabrana u većini država

Vijek trajanja se smanjuje zbog naglog porasta broja atoma wolframa koji se odvajaju sa žarne niti pri porastu temperature. Ovaj proces ne samo da proizvodi tamni sloj na unutrašnjoj strani staklenog balona (što dovodi do smanjenja svjetlosnog toka), već i dovodi do pucanja žarne niti – pregaranja žarulje. Ovaj proces može se bitno umanjiti dodavanjem inertnog plina (Argon, Krypton ili Xenon) u punjenje balona, čime se podiže temperatura žarne niti (time i iskoristivost) i smanjuje isparavanje wolframa.
Reflektorske žarulje čine posebnu grupu standardnih žarulja. Reflektorom se postiže usmjeravanje svjetlosnog toka u željenom smjeru, što podiže iskoristivost rasvjetnog sustava. Širinu snopa svjetla određuje reflektor.

k52-Korak02-04-300.jpgHalogene žarulje su također žarulje sa žarnom niti, te koriste princip termičkog zračenja pri generiranju svjetla. Dodatak halogenida (brom, klor, flor i jod) plinskom punjenju gotovo potpuno sprečava crnjenje balona žarulje, čime se održava gotovo konstantan svjetlosni tok kroz cijeli vijek trajanja. Zbog toga je moguće napraviti balon puno manjih dimenzija, s višim pritiskom plinskog punjenja, čime se dodatno povećava iskoristivost inertnih plinova u punjenju – Kryptona i Xenona. Pri ovom procesu temperatura žarne niti doseže 3.000 K, a stakla i do 250ºC. Zbog toga se mora koristiti balon od kvarcnog stakla koje ujedno i zadržava štetno UV zračenje.
-Proizvodnja svjetlosti po principu termičkog zračenja
-Glavna karakteristika je halogeni kružni proces
-Koristi se kvarcno staklo
-Svjetlosna iskoristivost do 25 lm/W
-Vijek trajanja do 4000 sati
-Konstantan svjetlosni tok kroz radni vijek
-Iskoristivost oko 10%
-IRC – povećana iskoristivost do 30% (infracrveni sloj s unutarnje strane balona žarulje koji emitiranu toplinu reflektira nazad na žarnu nit)
-male dimenzije

k52-Korak02-03-300.jpgIzvori svjetlosti s izbojem u plinu – fluorescentne cijevi
Fluorescentne žarulje pripadaju grupi niskotlačnih izvora na izboj.
Svjetlost se generira izbojem u živinim parama visoke luminoznosti, pri čemu se stvara uglavnom nevidljivo UV zračenje, koje se fosfornim slojem na unutrašnjoj stijenki cijevi pretvara u vidljivo svjetlo.
Ovaj princip generiranja svjetla naziva se foto-luminiscencija.
Prednosti pred izvorima svjetlosti sa žarnom niti su:
– veća svjetlosna iskoristivost (do 180 lm/W)
– dulji vijek trajanja (do 20.000 sati)
– veliki svjetlosni tok (do 320.000 lm)
Ovakvi izvori svjetlosti se ne mogu spajati direktno na mrežni napon te postoji potreba za predspojnom napravom:
-Uređaj za generiranje visokog inicijalnog napona
-Uređaj za ograničavanje struje kroz cijev

k52-Korak02-05-300.jpgIzvori svjetlosti s izbojem u plinu – fluokompaktne žarulje
Fluokompaktne žarulje su zapravo savinute fluorescentne cijevi, čime se postižu manje ukupne dimenzije izvora svjetlosti, dok se zadržavaju sve karakteristike rada fluorescentnih cijevi (zbog toga i naziv – “Compact Fluorescent Lamps – CFL”). Zahvaljujući svojim kompaktnim dimenzijama fluokompaktne žarulje razvijene su prvenstveno kao zamjena za standardne žarulje snage 25-100W, ali se zahvaljujući konstantnom razvoju njihovo područje primjene znatno proširilo, te danas predstavljaju jedan od najpopularnijih izvora svjetlosti, budući da spajaju visoku iskoristivost fluorescentnih cijevi i kompaktne dimenzije. Fluokompaktne žarulje proizvode se u snagama od 3-57W. Postoje izvedbe s integriranom elektroničkom prigušnicom i standardnim grlom E27 i E14, koje mogu zamijeniti gotovo svaku standardnu žarulju, ostvarujući pri tome uštedu energije od gotovo 80%. Za ovakvu izvedbu fluokompaktnih žarulja koristi se naziv – štedne žarulje.
Osnovne dvije vrste su:

-Predspojna naprava odvojena od žarulje
-Predspojna naprava integrirana u žarulju
-Vijek trajanja standardnih fluorescentnih cijevi s magnetskom predspojnom napravom iznosi 8.000 sati, a s elektroničkom predspojnom napravom i trokomponentnim fosforom produžuje se i do 20.000 sati
-Svjetlosni tok fluorescentnih i fluokompaktnih žarulja se smanjue tijekom korištenja zbog fotokemijske razgradnje fosfornog omotača i skupljanja naslaga unutar cijevi koje apsorbiraju svjetlo.
-Korištenjem kvalitetnih fosfora i elektroničkih predspojnih naprava moguće je postići održavanje svjetlosnog toka i do 92% nakon 20.000 sati uporabe.
Fluokompaktna žarulja
-Prednost – štede i do 80% energije u odnosu na klasičnu žarulju
-Mana – prisutnost žive – ekološka neprihvatljivost
A klasa energetske efikasnosti prema energetskim kategorijama

k52-Korak02-06-150.jpgVisokotlačne žarulje na izboj
Ova grupa izvora svjetlosti obuhvaća skupinu žarulja na izboj – živine žarulje, metalhalogene žarulje i visokotlačne natrijeve žarulje.
Izboj u plinu događa se u žišku, između elektroda. Žižak uvijek sadrži neki startni plin, koji se lagano ionizira i neki element koji isparava pri izboju, i pri tome stvara karakteristično svjetlo. Tako živine žarulje koriste živu, natrijeve natrij, a metalhalogene žarulje mješavinu natrija, skandija, tulija, holmija i disprozija. Žižak se radi od kvarcnog stakla ili specijalne keramike.
Obično se nalazi unutar zaštitnog balona, koji štiti žižak i električne kontakte od vanjskih utjecaja. Osim toga, vanjski balon služi i kao zaštita od UV zračenja, često ima i sloj difuznog materijala, koji smanjuje blještanje samog izvora. Kod živinih žarulja, vanjski balon sadrži i sloj fosfora, koji služi za pretvaranje dijela UV zračenja u vidljivu svjetlost.
Također, vanjski balon može sadržavati i uređaj za pročišćavanje atmosfere unutar balona (obično vakum).
Zbog različitiih principa generiranja svjetla, visokotlačne žarulje na izboj imaju bitno različite karakteristike, a koriste različita grla.

Živina žarulja (HQL)
Svjetlost generiraju izbojem u živinim parama, koji počinje isparavati nakon što se pojavi početni izboj u argonu. Start se postiže pomoću startne elektrode (SE), a za pogon je potrebna prigušnica. Postupak paljenja traje od 3-6 min, a ponovnog paljenja na toplo 5-10 min. Prosječan vijek trajanja je 16.000 sati. Ne preporuča se za nove instalacije, zbog velike količine žive bit će zabranjena u EU, već je zabranjena u SAD. Primjene: javna rasvjeta i ind. rasvjeta Snaga: 50-1000W, 230V

Žarulja sa miješanim svjetlom (HWL)
Žarulja sa miješanim svjetlom je u principu živina žarulja, u kojoj žarna nit koja je dodana u seriju “glumi” ulogu prigušnice. Postiže se nešto toplija temperatura boje (3.800 K) i poboljšani faktor uzvrata boje (kategorija 2B), kao rezultat djelovanja žarne niti, ali se iskoristivost smanjuje na 20-30 lm/W. Proizvodi se u snagama 160W – 500W, i prvenstveno se koristi kao zamjena za velike žarulje sa žarnom niti, gdje donose uštede energije do 30%. Postupak paljenja traje do 2 min, a ponovnog paljenja na toplo 3-5 min. Kao i živine žarulje, koriste se sve manje.

k52-Korak02-07-300.jpgMetal halogene žarulje (HQI/HCI)
Koriste sličan princip kao i živine žarulje, s tim da kao dodatak živinom punjenju koriste različite metal halogenide. Metalhalogenidi se raspadaju pri višim temperaturama, generiraju vidljivo zračenje kompletnog spektra.
Približavanjem hladnijoj stijenci balona, oni ponovno rekombiniraju i ciklus se ponavlja. Dodatkom metalhalogenida postiže se puno kvalitetnije svjetlo i viša iskoristivost (do 120 lm/W). Kombiniranjem različitih metala moguće je dobiti i različite temperature boja – od 3.000 K do 6.500 K.

Proizvode se u snagama od 35W – 3500 W, sa izuzetno širokim područjem primjene (od unutarnje do javne rasvjete, foto rasvjete, efekt rasvjete do auto rasvjete). Za pogon trebaju poseban visokonaponski startni element (propaljivač) koji daje potreban naponski impuls od 3-6 kV. Postupak paljenja traje do 3 min, a ponovnog paljenja na toplo 5-20 min. Kod specijalnih izvedbi moguće je postići trenutan start na toplo uz odgovarajući propaljivač (naponi i do 40 kV)

k52-Korak02-08-200.jpgNatrijeve žarulje (NAV)
Kod natrijevih žarulja izboj se događa u natrijevim parama uz dodatak ksenona za lakši start i povećanu iskoristivost i male količine žive. Natrijeve žarulje postižu najveću iskoristivost do 150 lm/W, ali uz slabiji uzvrat boje (kategorija 4, 20-30) i toplu (žutu) temperaturu boje (2000 K). Natrijeve žarulje predstavljaju najbolje rješenje za cestovnu rasvjetu. Postižu prosječan vijek trajanja od 32.000 sati, uz veliku sigurnost (preživljavanje do 95% nakon 16.000 sati pogona – 4 godine u javnoj rasvjeti). Postupak paljenja traje do 5 min, a ponovnog paljenja na toplo 1-2 min. Ponovno paljenje je brže nego kod metalhalogenih žarulja, zbog manjeg pogonskog tlaka. Naime, kod višeg pogonskog tlaka ionizacija nije moguća s dostupnim naponom, već je potrebno čekati da se žarulja ohladi, čime joj i pada tlak.

Niskotlačne natrijeve žarulje
Svjetlost se generira u natrijevim parama pri niskom tlaku (0,7 Pa), čime se postiže gotovo monokromatsko žuto svjetlo (589,0 i 589,6 nm) i izuzetno visoka iskoristivost do 200 lm/W. Kao startni plin koristi se neon. Pri ovako niskom tlaku, natrijeve pare imaju temperaturu od 260ºC, koja se održava vanjskim balonom u kojem je vakum. Svako odstupanje od ove temperature dovodi do bitnih odstupanja od nazivnih pogonskih parametara.
Period startanja traje do 20 minuta, a u početku u proboju dominira neon (crvena boja), kojeg poslije zamjenjuje izrazito žuta boja natrija. Ponovno paljenje je gotovo trenutno. Kao predspojna naprava najviše se koristi autotransformator, koji daje potreban startni napon od 400 – 550V.

k52-Korak02-09-300.jpgLED izvor
Troše višestruko manje električne energije od žarulje sa žarnom niti. Dimenzijama su pak toliko male da mogu biti praktički nevidljiv i nenametljiv izvor svjetla…
Svi oni koji tek osmišljavaju izgled životnoga prostora imaju čime razbijati glavu: uzeti “normalne” žarulje sa žarnom niti, štedljive fluokompaktne žarulje, halogenu rasvjetu ili revolucionarne LED svjetiljke. Dok su ove prve dobro poznate i raširene, LED-ice se tek etabliraju kao novi – i bolji – način iluminacije kuće ili stana.
-Izvor svjetla budućnosti
-Vrlo visok vijek trajanja
-Ne emitira toplinu u smjeru svjetlosti
-Niski napon napajanja
-Minimalni troškovni održavanja
-Male dimenzije

Uredništvo stručnog časopisa Korak

PODIJELI