Parametry źródeł światła

Parametry źródeł światła

Parametry źródeł światła

Elektryczne źródła światła dzielone są na lampy żarowe i luminescencyjne. W tekście przedstawione zostały parametry oraz cechy techniczne tych z nich, które dziś znajdują szersze praktyczne zastosowanie i z którymi spotyka się pomiarowiec.

Elektryczne źródła światła można podzielić na temperaturowe (inkadescensyjne) oraz luminescencyjne. Do pierwszej grupy należą żarówki, do drugiej zaś źródła wyładowcze i źródła elektroluminescencyjne. Na pograniczu tych dwu grup znajdują się lampy rtęciowo-żarowe, w których oprócz jarznika z parami rtęci występuje skrętka z drutu wolframowego.

Systematykę elektrycznych źródeł światła ilustruje rysunek 1.

Rys. 1. Systematyka źródeł światła (pozycja 1w materiałach źródłowych)

Elektryczne źródła światła charakteryzują następujące wielkości:

– moc oznaczana literą P i wyrażana w watach [W],

– strumień świetlny oznaczany literą ф i wyrażany w lumenach [lm],

– skuteczność świetlna wyrażana w lumenach na wat [lm/W],

– wskaźnik oddawania barw (niemianowany) Ra,

– luminancja oznaczana literą L i wyrażana w candelach na metr kwadratowy [cd/m2],

– temperatura barwowa wyrażana w kelwinach [K],

– trwałość wyrażana w godzinach świecenia [h],

– napięcie pracy wyrażane w woltach [V],

– wymiary zewnętrzne,

– typ trzonka,

– położenie pracy.

Moc źródła światła ma wpływ na zużycie energii elektrycznej. Im mniejsza moc źródła światła (przy tym samym strumieniu świetlnym), tym źródło efektywniejsze. Wskaźnikiem tej efektywności jest skuteczność świetlna – wielkość określająca, jaki strumień świetlny możemy uzyskać, pobierając z sieci moc równą 1 watowi (tabela 1).

Tabela 1. Porównanie parametrów źródeł światła

Parametr

Żarówki

Żarówki halogenowe

Lampy rtęciowe

Lampy metaloha-logenkowe

LED

Skuteczność świetlna [lm/W]

6–16

16–30

40–60

75–110

80–230

Moc [W]

20–200

55–100

50–500

20–24000

0,1–100

Niebezpieczne składniki chemiczne

brak

halogeny

argon, rtęć

argon, rtęć

brak

Zasilacz

brak

dla niskonapięciowych

występuje

występuje

występuje

Wskaźnik oddawania barw Ra

100

100

20–60

65–95

65–99

Temperatura barwowa [K]

2700

2700–3500

3200–4200

3000–6000

2700–8000

Zastosowanie

wnętrza i na zewnątrz

wnętrza, sklepy, mieszkania

wysokie wnętrza, drogi, place i parki

wysokie wnętrza, drogi, place i parki

wnętrza, drogi, place, parki

Trwałość [h]

1000

1000–3000

12000–24000

6000–20 000

50 000

Regulacja strumienia świetlnego [%]

0–100

0–100

50–100

50–100

0,1–100

Inne

duży udział promieniowania podczerwonego

duży udział promieniowania podczerwonego

długi czas rozruchu, rozruch tylko zimnej lampy

duży udział promieniowania ultrafioletowego

mały udział promieniowania podczerwonego i ultrafioletowego

Charakterystyka

wytwarzanie światła w wyniku rozżarzenia żarnika

dodanie halogenków ogranicza odparowanie wolframu i umożliwia podniesienie temperatury żarnika

światło wytwarzane jest dzięki wyładowaniom w parach rtęci oraz wzbogacaniu widma w luminoforze pokrywającym bańkę zewnętrzną

dodanie do jarznika domieszek wzbogaca widmo i zwiększa skuteczność świetlną

Oprócz wskaźników energetycznych ważną sprawą jest takie oświetlenie przedmiotów, aby ich barwy nie były zniekształcone. W tym celu w miejscach, w których istotne jest prawidłowe rozróżnianie barw, należy stosować lampy o barwie światła zbliżonej do światła słonecznego. Dwa elementy są związane z cechami charakteryzującymi barwę światła. Pierwszą cechą jest temperatura barwowa (tabela 2), a drugą oddawanie barw (tabela 3).

Tabela 2. Temperatury barwowe przykładowych źródeł światła

Źródło światła

Temperatura barwowa

K

Księżyc

Świeca stearynowa

Żarówka standardowa

Żarówka halogenowa 230 V

Żarówka halogenowa niskonapięciowa

Świetlówka liniowa

Świetlówka kompaktowa

Lampa rtęciowa wysokoprężna

Lampa żarowo-rtęciowa

Lampa metalohalogenkowa

Lampa sodowa wysokoprężna

LED

Słońce

4100

1900

2600–2850

2900

3000–3100

2900–6500

2700–6500

3200–4200

3300–3700

3000–5600

2000–2500

2700–5000

4900–6000

Tabela 3. Wygląd barwy lamp (według PN-EN 12464-1:2012)

Wygląd barwy

Temperatura barwowa najbliższa TCP

Ciepły

poniżej 3300 K

Neutralny

od 3300 od 3300 do 5300 K

Chłodny

Powyżej 5300 K

Przy ocenie źródeł światła ważną rolę spełnia określany symbolem Ra wskaźnik oddawania barw (tabela 4). Z tego względu w normie PN-EN 12464-1:2012 jego wartość jest określona dla poszczególnych czynności lub obszarów, a w pomieszczeniach, w których ludzie przebywają stale, nie może on mieć mniejszej wartości niż 80.

Tabela 4. Zależność jakości oddawania barw od wielkości wskaźnika Ra

Wartość Ra

Jakość oddawania barw

91–100

bardzo dobra

81–90

dobra

51–80

średnia

< 50

słaba

Żarowe źródła światła

Żarówki standardowe głównego szeregu

Żarówka do niedawna była powszechnie stosowanym źródłem światła, ale ze względu na swoją konstrukcję i sposób wytwarzania światła nie ma dużej skuteczności świetlnej. Dlatego stopniowo wypierana jest przez inne lampy, w tym ostatnio przez diody świecące (LED).

Standardowa żarówka posiada bańkę, z której usunięto powietrze. Bańka żarówki może być ze szkła przezroczystego, mlecznego lub opalizującego. Produkowane są także żarówki z bańkami z kolorowego szkła. Wewnątrz bańki umieszczona jest skrętka z drutu wolframowego. Żarzenie skrętki wolframowej powoduje parowanie cząstek wolframu, które osadzają się jako czarny osad na ściankach bańki żarówki. Ograniczeniu parowania wolframu służy próżnia, a w żarówkach o większych mocach wypełnienie bańki gazem szlachetnym lub obojętnym.

Żarówki są czułe na zmiany napięcia. Jego podwyższenie o 5% zwiększa wprawdzie emisję światła o 25%, ale powoduje obniżenie trwałości o 50%. Mimo to żarówki tradycyjne są ciągle jeszcze chętnie stosowane. Przemawia za tym zarówno ich stosunkowo niska cena, jak i przyzwyczajenia użytkowników. Dodatnią cechą żarówek jest możliwość współpracy ze ściemniaczem.

Do zamocowania żarówki w oprawce oraz do podłączenia napięcia służy trzonek. Występują trzonki różnych typów i wielkości. Najpopularniejsze są trzonki z gwintem Edisona oznaczone dużą literą E i dwoma cyframi oznaczającymi średnicę trzonka w milimetrach. Trzonki E14 stosowane są w żarówkach o mocach do 60 W, w trzonki E27 wyposażane są żarówki o mocach do 200 W, natomiast trzonki E40 mają żarówki o mocach 300 W i większych. Te ostatnie w praktyce wyszły już z użycia. Żarówki do zastosowań specjalnych, np. samochodowe, mają trzonki innego typu – najczęściej bagnetowe. Do każdego typu trzonka musi być dostosowana oprawka, w której ma być umieszczona żarówka.

Żarówki halogenowe

W lampach halogenowych do gazu wypełniającego bańkę dodany jest halogen (np. jod, brom itp.) zmniejszający negatywne zjawiska występujące w standardowej żarówce, w tym zaczernianie bańki (rysunek 2).

Rys. 2. Schemat procesu regeneracyjnego w żarówce halogenowej. Parujący ze skrętki wolfram w strefie przy wewnętrznej powierzchni bańki łączy się z jodem i wraca na żarnik (2).

Dodatkowo dzięki zastosowaniu bańki wykonanej z żaroodpornego szkła kwarcowego możliwe jest bardzo znaczne zmniejszenie jej wymiarów. Małe gabaryty gwarantują stabilność zjawisk zachodzących wewnątrz bańki. Dzięki temu lampa może pracować w wyższej temperaturze, zachowując lepszą trwałość.

Żarówki halogenowe dają światło o temperaturze barwowej zbliżonej do dziennej.

Żarówki halogenowe mają wiele zalet w stosunku do żarówek standardowych. Są od nich trwalsze i zachowują stały strumień świetlny w ciągu całego okresu żywotności. Podobnie jak żarówki standardowe mogą współdziałać ze ściemniaczami. Z tych względów 17 kwietnia 2015 r. państwa członkowskie UE zaaprobowały propozycję Komisji Europejskiej przedłużenia etapu wycofywania żarówek halogenowych (klasa „D”) z rynku Unii Europejskiej do 1 września 2018 r. (zamiast planowanej pierwotnie daty 1 września 2016 r.).

Żarówki halogenowe produkowane są w dwu wersjach: wysokonapięciowej dostosowanej do zasilania napięciem 230 V i niskonapięciowej 6, 12 lub 24 V. Wersja niskonapięciowa wymaga stosowania odpowiedniego transformatora. Lampy niskonapięciowe oferowane są w wersji z reflektorem lub bez. Mają specjalne szpilkowe trzonki pasujące tylko do odpowiednich oprawek (rysunek 3).

Rys. 3. Niskonapięciowa żarówka halogenowa z trzonkiem szpilkowym (6)

Natomiast trzonki lamp wysokonapięciowych (230 V) mają najczęściej kształt i gwinty takie same jak w zwykłych żarówkach (rysunek 4).

Rys. 4. Żarówka halogenowa na napięcie 230 V z trzonkiem E27 (6)

Trzonki z gwintem Edisona oraz kształty baniek pozwalają na wymienne stosowanie żarówek halogenowych na 230 V z żarówkami standardowymi. Wersje niskonapięciowe halogenów dzięki swojej zwartej budowie nadają się do precyzyjnego ukierunkowania wiązki świetlnej przede wszystkim w oświetleniu dekoracyjnym. Lampy te, ze względu na zasilanie niskim napięciem, pobierają stosunkowo duży prąd. Należy to uwzględnić, stosując odpowiednio większe przekroje przewodów zasilających. Na przykład lampy o mocy 100 W, przy napięciu zasilania 6 V, pobierają prąd ok. 17 A, wymagają więc zasilania przewodem miedzianym o przekroju 2,5 mm2 (a nie np. 1,5 m2) i zabezpieczenia o prądzie znamionowym 20 A.

Żarówki specjalne

Do żarówek specjalnych (oprócz motoryzacyjnych i sygnalizacyjnych) należą żarówki zwierciadlane – wyposażone w wewnętrzny odbłyśnik, żarówki dekoracyjne – o różnych kształtach i barwach baniek oraz promienniki podczerwieni – służące do miejscowego podgrzewania np. w ogrodnictwie lub hodowli zwierząt, a także w terapii. Innym ciekawym rozwiązaniem jest podświetlacz, czyli mała lampka o niskim poborze mocy (0,3 W) o zielonkawym lub czerwonym świetle, przydatna w pokoju dziecięcym , na korytarzu, w pokoju osoby chorej itp.

Do grupy lamp specjalnych można zaliczyć także zwierciadlane (wyposażone w wewnętrzny odbłyśnik) lampy typu „DISCO”. Mają bańkę pokrytą kolorowym przezroczystym lakierem i doskonale nadają się do wytwarzania ciekawych impresji barwnych, np. w czasie przyjęcia w ogrodzie. Wytwarzane są w sześciu kolorach. Inną lampą do specjalnych zastosowań jest małogabarytowa żarówka o mocy 15 lub 25 W z bańką koloru niebieskiego, przeznaczona do oświetlenia pomieszczenia w czasie oglądania telewizji.

Luminescencyjne źródła światła

Luminescencyjne źródła światła z punktu widzenia sposobu powstawania promieniowania widzialnego dzielą się na dwie grupy (por. rysunek 1). Do pierwszej zaliczamy lampy fotoluminescencyjne, czyli świetlówki, a do drugiej – elektroluminescencyjne. W pierwszej grupie wyróżniamy świetlówki liniowe, świetlówki jednotrzonkowe i lampy indukcyjne. Druga grupa dzieli się na lampy wyładowcze i diody świecące zwane w skrócie LED. Lampy wyładowcze dzielą się na lampy wysokoprężne i lampy niskoprężne. W podgrupie wysokoprężnych lamp wyładowczych wyróżniamy lampy rtęciowe, lampy metalohalogenkowe i lampy sodowe. Podgrupa niskoprężnych lamp wyładowczych obejmuje tylko niskoprężne lampy sodowe.

Świetlówki liniowe

Świetlówka jest lampą wyładowczą zawierającą pary rtęci o niskim ciśnieniu. Świetlówka liniowa ma kształt długiej rury, na której końcach zamocowane są trzonki z kołkami stykowymi (rysunek 5).

Rys. 5. Budowa świetlówki liniowej: 1 – kołki trzonka, 2 – rurka pompowa (do usunięcia powietrza z wnętrza lampy), 3 – elektroda, 4 – kropla rtęci, 5 – szklana rura lampy pokryta od strony wewnętrznej luminoforem (1)

Wewnętrzna powierzchnia rury pokryta jest luminoforem przetwarzającym (powstające w lampie na skutek przepływu przez nią prądu) promieniowanie nadfioletowe o długościach fali 253,7 nm i 185,0 nm na promieniowanie widzialne. Świetlówka musi współpracować z układem stabilizująco-zapłonowym z reguły montowanym w korpusie oprawy (rysunki 6 i 7).

Rys. 6. Statecznik elektroniczny do świetlówek (6)

Rys. 7. Zapłonnik do świetlówek liniowych (6)

Procesy fizyczne zachodzące w świetlówce powodują, że strumień świetlny tętni w takt sinusoidalnych zmian napięcia zasilającego. Powoduje to powstawanie m.in. zjawiska stroboskopowego polegającego na błędnej ocenie ruchu wirujących przedmiotów. Aby ograniczyć skutki tego zjawiska, stosuje się specjalne układy połączeń, dwu- lub wieloświetlówkowe, a także zasilanie trójfazowe.

Przez sporo lat świetlówki kojarzyły się z wieloma jeszcze innymi negatywnymi cechami. Należało do nich migotanie lampy w momencie zapalania światła oraz znaczny spadek trwałości przy częstych włączeniach i wyłączeniach. Współczesne nowoczesne świetlówki dzięki zastosowaniu elektronicznych układów stabilizująco-zapłonowych włączają się bez migotania, a ich trwałość tylko w niewielkim stopniu zależy od częstości włączeń. Ograniczone zostało także w poważnym stopniu zjawisko stroboskopowe.

Produkowane są świetlówki liniowe różnych długości, średnic i mocy. W grupie świetlówek prostych występują lampy o średnicy 16 mm, 26 mm i 38 mm oraz długościach do 2,4 metra. Rozpiętość mocy też jest duża od kilku do 125 watów. Nowoczesne świetlówki trójpasmowe serii T5 charakteryzuje wysoka skuteczność świetlna przekraczająca 100 lm/W oraz wartość współczynnik Ra >80 i trwałość 15 000 godzin ze statecznikami magnetycznymi oraz 20 000 godzin przy zastosowaniu stateczników elektronicznych.

Poza prostymi rurkami różnej długości i średnicy istnieją świetlówki kołowe lub w kształcie litery U. Świetlówki liniowe wyposażone są w różne luminofory. W zależności od składu chemicznego luminoforu mogą dawać światło o różnych barwach, od dziennej (chłodnej) poprzez białą do ciepłobiałej i tzw. de Luxe. Dla uzyskania lepszych efektów oświetleniowych skuteczności świetlnej i wysokiej wartości wskaźnika Ra skonstruowano lampy trójpasmowe, a także świetlówki wielopasmowe charakteryzujące się bardzo dobrym oddawaniem barw (Ra>90), ale niższą skutecznością świetlną (ok.60 lm/W).

Generacja czteropasmowych świetlówek liniowych „skywhite” (ang. „biel nieba”) zawiera w widmie dodatkowe pasmo wytwarzające niebieskie światło stymulujące lepszą koncentrację i dobre samopoczucie. Świetlówki czteropasmowe charakteryzuje temperatura barwowa 8000 K, wskaźnik oddawania barw Ra > 80 oraz przy zastosowaniu stateczników elektronicznych skuteczność świetlna 84 lm/W i trwałość 20 000 godzin.

W standardowych świetlówkach w stanie spoczynku rtęć znajduje się w stanie metalicznym (por. rysunek 5). Po zapłonie lampy rtęć odparowuje, tworząc pary rtęci, w których powstaje promieniowanie nadfioletowe. Ciśnienie par rtęci w lampie zależy od temperatury panującej w jej wnętrzu oraz od temperatury otoczenia i wpływa na ilość wytwarzanego promieniowania nadfioletowego, a w efekcie na wartość strumienia świetlnego lampy. Z myślą o stabilizacji wartości strumienia świetlnego powstały świetlówki amalgamatowe. W lampach tych zamiast metalicznej rtęci stosowany jest jej związek z innymi metalami, czyli amalgamat. Z chwilą uruchomienia lampy amalgamat rozgrzewa się, a rtęć z niego odparowuje. Jeżeli temperatura wewnątrz lampy obniży się, rtęć stygnie i powraca do amalgamatu. Proces taki powtarza się cyklicznie, utrzymując na stałym poziomie temperaturę i ciśnienie par rtęci, a więc i strumień świetlny lampy. Świetlówki amalgamatowe mają odpowiednio skonstruowane elektrody (rysunek 8).

Rys. 8. Konstrukcja elektrody świetlówki amalgamatowej (6)

Świetlówki kompaktowe (jednotrzonkowe)

Świetlówki kompaktowe zostały opracowane z myślą o zastąpieniu standardowych żarówek. Pracują cicho, nie migoczą i zapalają się zaraz po włączeniu, a pełne światło dają po kilkudziesięciu sekundach. W wersji zintegrowanej z układem zapłonowo-stabilizacyjnym wbudowanym w trzonek z gwintem E14 lub E27 pasującym do standardowych opraw mogą być stosowane wymiennie ze zwykłymi żarówkami (rys. 9).

Rys. 9. Przykładowe świetlówki kompaktowe w wersji zintegrowanej (7)

Umieszczając świetlówkę kompaktową w oprawie z kloszem, należy jednak wziąć pod uwagę także jej wymiary, które mogą być większe niż odpowiadającej jej żarówki. Świetlówki kompaktowe mają prawie pięciokrotnie wyższą skuteczność świetlną, a więc zamiast żarówki o mocy 100 W można zastosować świetlówkę o mocy 23 W, uzyskując taki sam efekt oświetleniowy. Ponadto trwałość dobrej jakościowo świetlówki jest dziesięciokrotnie, a nawet niektórych typów, piętnastokrotnie większa niż żarówki. Te dwa elementy w pełni kompensują wyższy koszt zakupu świetlówki kompaktowej, często nazywanej nieprawidłowo, także w reklamach producentów, „energooszczędną żarówką”.

Odrębną grupę stanowią kompaktowe świetlówki niezintegrowane. Są wyposażone w specjalne trzonki (rysunek 10), natomiast wygląd zewnętrzny wielu z nich nie różni się od większości typów lamp zintegrowanych. Lampy tej grupy wymagają specjalnych oprawek oraz odrębnie instalowanych układów stabilizująco-zapłonowych.

Rys. 10. Przykładowe świetlówki kompaktowe w wersji niezintegrowanej (6)

Dobierając zamiennik żarówki należy porównywać strumienie świetlne lamp. Strumień świetlny zamiennika powinien być równy lub większy niż strumień świetlny żarówki.


 

W następnym numerze omówione zostaną cechy i parametry lamp rtęciowych, metalohalogenkowych, oraz diod LED, a także zalecenia dotyczące stosowania poszczególnych źródeł światła.


 

Autor: mgr inż. Janusz Strzyżewski członek Centralnego Kolegium Sekcji Instalacji i Urządzeń Elektrycznych, członek Polskiego Komitetu Oświetleniowego SEP, członek Izby Inżynierów Budownictwa