Parametry źródeł światła cz. 2

Parametry źródeł światła cz. 2

Parametry źródeł światła cz. 2

W tekście przedstawiamy parametry oraz cechy techniczne lamp rtęciowych, metalohalogenkowych i LED oraz wskazówki dotyczące ich stosowania.


W poprzednim numerze przedstawiliśmy żarówki standardowe głównego szeregu, żarówki halogenowe i świetlówki

Lampy rtęciowe (wysokoprężne)

Wysokoprężna lampa rtęciowa zwana potocznie rtęciówką ma eliptyczną bańkę ze szkła opalizującego, wewnątrz której umieszczony jest jarznik wykonany ze szkła kwarcowego. Ma kształt podłużnej rurki. Elektrody główne znajdują się na końcach jarznika, a obok jednej z nich jedna elektroda lub dwie elektrody zapłonowe (rysunek 1).

Rys. 1. Lampa rtęciowa: z lewej budowa, z prawej wygląd zewnętrzny (2)

Oprócz lamp z normalną bańką produkowane są rtęciówki źwierciadlone posiadające odbłyśnik umieszczony wewnątrz bańki od strony trzonka. Wszystkie typy mają trzonki (w zależności od mocy) E 27 i E 40.

Promieniowanie widzialne w lampie powstaje w wyniku przyłożonego napięcia i wzbudzenia atomów rtęci. Ciśnienie par rtęci podczas pracy lampy osiąga wartość rzędu 10000 Pa. Bańka zewnętrzna pokryta jest w większości typów luminoforem przetwarzającym część promieniowania powstającego w zakresie nadfioletu na promieniowanie widzialne.

Łączne promieniowanie wysokoprężnej lampy rtęciowej ma temperaturę barwową w zależności od typu w granicach 3200–4200 K. Wskaźnik oddawania barw Ra w zależności od składu chemicznego luminoforu zawiera się w granicach od 48 do 60.

Lampa musi współpracować ze statecznikiem ograniczającym prąd przez nią płynący i ustalającym właściwe parametry jej pracy. Z chwilą włączenia napięcia w pierwszej fazie następuje wyładowanie pomiędzy elektrodą zapłonową a główną, dopiero potem (po rozgrzaniu się lampy i osiągnięciu odpowiedniego ciśnienia par rtęci) pomiędzy elektrodami głównymi. Lampa pełny strumień świetlny osiąga po kilku minutach. Zgaszona przed ponownym zapłonem musi ostygnąć. Rtęciówki osiągają trwałość 20000 godzin oraz skuteczność 60 lm/W. Spadek napięcia zasilającego lampę o 10% powoduje obniżenie jej strumienia świetlnego o 25%.

Typoszereg produkowanych wysokoprężnych lamp rtęciowych obejmuje lampy o mocach od 50 do 1000 W. Rtęciówki o mocach do 80 W stosowane są w oprawach ogrodowych. Lampy o większych mocach muszą być instalowane na takiej wysokości, aby nie powodowały olśnienia. Dlatego stosuje się je w oświetleniu zewnętrznym (instalowane na wysokich słupach) oraz do oświetlania wysokich pomieszczeń.

Lampy żarowo-rtęciowe

W lampach żarowo-rtęciowych rolę stabilizatora spełnia skrętka z drutu wolframowego umieszczona razem z jarznikiem wewnątrz bańki lampy. Skrętka wytwarza jednocześnie część strumienia świetlnego lampy. Istotną zaletą tej grupy lamp jest świecenie niezwłocznie po załączeniu napięcia oraz natychmiastowy zapłon po ponowny włączeniu. Z chwilą załączenia napięcia przez skrętkę płynie duży prąd zapłonu części rtęciowej. Skrętka wytwarza więc większy strumień świetlny niż podczas pracy. W miarę rozwoju wyładowania w jarzniku następuje wzrost intensywności świecenia części rtęciowej lampy, a ponieważ maleje prąd płynący przez lampę zmniejsza się strumień świetlny części żarowej. Po ustabilizowaniu się wyładowania wielkość strumieni części żarowej i rtęciowej jest jednakowa. Wyglądem lampy żarowo-rtęciowe nie odbiegają od lamp rtęciowych.

Lampy metalohalogenkowe

W lampach metalohalogenkowych światło powstaje dzięki wyładowaniu elektrycznemu w mieszaninie par rtęci, argonu oraz halogenków metali (niekiedy również innych gazów szlachetnych oraz bromu lub jodu). Gazy te znajdują się pod wysokim ciśnieniem. Lampa składa się z ceramicznego lub kwarcowego jarznika oraz zewnętrznej bańki szklanej, która może być pokryta powłoką rozpraszającą światło i zatrzymującą promieniowanie UV. Lampy te świecą światłem białym przypominającym naturalne światło dzienne. Charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną (65–115 lm/W), długą żywotnością (od 7500 do 20 000 godzin) oraz idealnym oddawaniem barw.

Lampy metalohalogenkowe powstały na bazie wysokoprężnych lamp rtęciowych. Dzięki dodaniu do par rtęci w jarzniku lampy halogenków metali ziem rzadkich uzyskano poprawę skuteczności świetlnej oraz barwy światła (rysunek 2).

Rys. 2. Budowa dwutrzonkowej lampy metalohalogenkowej z jarznikiem kwarcowym (OSRAM)

Dalszym krokiem było zastosowanie do budowy jarznika specjalnego materiału ceramicznego, przezroczystego polikrystalicznego tlenku glinu. Pozwoliło to na podwyższenie temperatury pracy lampy i w efekcie uzyskanie dalszej poprawy wskaźnika oddawania barw, który w niektórych typach tych lamp osiąga wartość 95, a także zwiększenie skuteczności świetlnej. Produkowane są różne odmiany lamp metalohalogenkowych. W zależności od typu mogą mieć bańki o kształcie elipsy i cylindra. Mogą być także wyposażone w odbłyśnik. Stosowane są także różne typy trzonków z gwintem Edisona, dwustronne i szpilkowe (rysunek 3).

Rys. 3. Przykłady lamp metalohalogenkowych (6)

Lampy metalohalogenkowe wykonane w technologii ceramicznej mają jarznik w kształcie sfery. Taki kształt jarznika spowodował, że lampy te są bardziej trwałe, mają większą skuteczność świetlną i stabilniejszą barwę światła niż tradycyjne lampy metalohalogenkowe.

Lampy sodowe

Lampy sodowe produkowane są w dwu odmianach: nisko- i wysokociśnieniowej. Lampy niskociśnieniowe charakteryzują się bardzo dużą skutecznością świetlną sięgającą 200 lm/W, ale niskie ciśnienie par sodu powoduje promieniowanie lampy tylko w zakresie barwy żółtej. W takim świetle przedmioty mają nienaturalne kolory, stąd ograniczone możliwości zastosowania tego typu źródeł światła.

Dzięki zastosowaniu do budowy jarzników z polikrystalicznego tlenku glinu możliwe było zwiększenie ciśnienia i skonstruowanie sodowych lamp wysokoprężnych dających światło o lepszych parametrach barwnych.

Współcześnie produkowane wysokoprężne lampy sodowe charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną (do 130 lm/W) oraz dużą trwałością, ale w dalszym ciągu stosunkowo niską temperaturą barwową (rzędu 2000 K) oraz współczynnikiem Ra = 25. Jedynie w niektórych typach tych lamp współczynnik oddawania barw osiąga wartość Ra = 85 (rysunek 4).

Lampy sodowe produkowane są w różnych wersjach. Występują lampy z bańką cylindryczną lub eliptyczną i trzonkiem typu E27 lub E40 w zależności od mocy. Ponadto oferowane są lampy z cylindryczną bańką i trzonkiem ze szpilkami. Zestawienie parametrów wysokoprężnych lamp wyładowczych zawiera tabela 1.

Rys. 4. Budowa dwutrzonkowej wysokoprężnej lampy sodowej

Tabela 1. Parametry przykładowych wysokoprężnych lamp wyładowczych

Typ lampy

Bańka

Moc [W]

Strumień świetlny [lm]

Skuteczność świetlna [lm/W]

Luminancja [cd/m2]

Trwałość [h]

Rtęciowa

Pokryta lumino-forem

50

2000

40

50 000

20 000

80

4000

50

60 000

125

6500

52

80 000

250

14 000

56

110 000

400

24 000

60

120 000

Metalohalogenkowe

Przezroczysta

35

3300

94

48 000 000

12 000

70

6600

94

63 000 000

150

14 000

93

93 000 000

250

22 000

88

12 000 000

Elipsoidalna, pokryta luminoforem

70

5600

80

210 000

12 000

100

8600

86

300 000

250

20 000

80

150 000

Sodowe

Cylindryczna, przezroczysta

70

5900

84

2 500 000

25 000

150

14 500

97

3 000 000

250

27 000

108

5 000 000

400

48 000

120

6 000 000

Elipsoidalna, pokryta luminoforem

50

3500

70

40 000

25 000

70

5600

80

70 000

150

14 000

93

11 000

250

25 000

100

230 000

Lampy indukcyjne

Zasada pracy lampy indukcyjnej jest podobna do świetlówki. Generowane w lampie promieniowanie UV w środowisku wyładowczym składającym się z gazów szlachetnych i par rtęci jest przetwarzane na widzialne w luminoforze pokrywającym wewnętrzną powierzchnię bańki. Różnica w stosunku do innych lamp wyładowczych polega na tym, że do emisji promieniowania wykorzystane jest działanie pola elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej lub mikrofalowej, wytwarzanego przez wzbudnik w postaci cewki. Lampy indukcyjne nie posiadają elektrod wewnątrz naczynia wyładowczego, dzięki czemu uzyskują znacznie wyższą trwałość od lamp o standardowej konstrukcji.

Lampy wyładowcze o specjalnych zastosowaniach

Specjalne typy lamp wyładowczych znajdują zastosowanie w różnych sytuacjach. Świetlówka kompaktowa z reflektorem, wysyłająca ukierunkowaną wiązkę światła, może być stosowana do naświetlenia roślin w celu sterowania procesami fototropizmu lub też do podświetlania domowych kącików zieleni oraz roślin w akwariach.

Do lamp specjalnych zalicza się także bakteriobójcze świetlówki służące do dezynfekcji powietrza, a także świetlówki i lampy metalohalogenkowe do urządzeń opalających.

Do tej grupy lamp wyładowczych można zaliczyć także lampy ksenonowe. Są to lampy łukowe, w których łuk wytwarzany jest w atmosferze ksenonu. Produkowane są w szerokim zakresie mocy od 75 do 10000 W. Charakteryzuje je wysoka luminancja, temperatura barwowa światła 6000 K i wysoki poziom wierności oddawania barw (Ra > 95) przez cały okres użytkowania. Lampy ksenonowe zasilane są prądem stałym. Możliwy jest zapłon gorącej lampy (natychmiastowy restart). Lampy te stosowane są w wielu dziedzinach m.in. do iluminacji obiektów oraz przy projekcji filmowej i na planach zdjęciowych filmu i telewizji.

Elektroluminescencyjne źródła światła – diody LED

Diody LED (ang. Light Emitting Diode) od dawna stosowane są jako wskaźniki w wielu urządzeniach. Wykorzystywane są do iluminacji i sygnalizacji, a także w motoryzacji. Ostatnie lata charakteryzuje burzliwy rozwój tych lamp i zastosowanie diod LED także jako źródeł światła.

Diody LED charakteryzują się wysoką trwałością szacowaną nawet na 100 000 godzin. Wynika ona z ich budowy. Dioda składa się z dwu warstw półprzewodników typu: „p” i „n” tworzących tzw. złącze epilaktyczne, w którym energia elektryczna jest przetwarzana bezpośrednio na światło. W złączu spolaryzowanym w kierunku zaporowym elektrony i dziury nie rekombinują (rysunek 5 – część lewa). Proces rekombinacji rozpoczyna się z chwilą polaryzacji w kierunku przewodzenia (rysunek 5 – część prawa).

Rys. 5. Zachowanie dziur i elektronów dla różnych kierunków polaryzacji diody – z lewej kierunek zaporowy, z prawej przewodzenia (1)

Z chwilą spolaryzowania złącza w kierunku przewodzenia elektrony, przechodząc do obszaru o niższym poziomie energetycznym, oddają część swojej energii w postaci kwantu energii świetlnej.

W praktyce trwałość diody zależy od wielu czynników zewnętrznych takich jak wahania napięcia, zmiany temperatury pracy czy jakość połączeń z układami zasilania, a także trwałość samych układów zasilających. Oprócz wysokiej trwałości diody LED mogą osiągnąć wysoką skuteczność świetlną przekraczającą 100 lm/W.

Diody LED emitują światło jednobarwne zależne od zastosowanych przy ich produkcji związków chemicznych. Nie jest więc możliwe bezpośrednie uzyskanie światła białego z pojedynczego złącza półprzewodnikowego p-n, aby dioda LED mogła być zastosowana jako źródło światła do ogólnych celów oświetleniowych. Białe światło uzyskuje się więc stosując różne metody. Jedną z nich jest dodawanie w ścisłych stosunkach ilościowych barw czerwonej, zielonej i niebieskiej. W metodzie tej najczęściej umieszcza się w jednej obudowie 3 chipy LED tworzące diodę RGB (RGB – ang. Red, Green, Blue). Innym rozwiązaniem jest konwersja długości fali z wykorzystaniem luminoforu lub metoda hybrydowa będąca połączeniem 2 pierwszych.

Diody LED są szczególnie odporne na urazy mechaniczne i wibracje, ponieważ, w odróżnieniu od innych źródeł światła, nie posiadają żarnika, elementów wypełnionych gazem, a także części szklanych. Mogą pracować w dowolnej pozycji. Są ponadto odporne na warunki środowiskowe. Mogą działać w szerokim zakresie temperatur od –400C do +1000C.

Zastosowanie źródeł światła w zależności od charakteru obiektu

Źródła światła mogą być stosowane w różnych miejscach w zależności od rodzaju i parametrów technicznych. W pewnych przypadkach stosowanie niektórych z nich jest niewskazane lub wręcz zabronione. Przykładowo wysokoprężne lampy rtęciowe ze względu na swoją wysoką luminancję nie mogą być instalowane w polu widzenia pracowników lub przechodniów i kierowców. Żarówki halogenowe ze względu na wysoką temperaturę pracy nie nadają się do instalowania w pobliżu palnych przedmiotów. Zasady doboru źródeł światła zestawiono w tabeli 2. Pominięto w niej żarówki standardowe i lampy indukcyjne.

Tabela 2. Przykłady zastosowań źródeł światła

Źródło światła

Zastosowanie w obiektach

Mieszkalnych

Użyteczności publicznej

Sportowych

Przemysłowych

W terenie

Żarówki halogenowe

×

×

×

×

Świetlówki liniowe

×

××

××

××

×

Świetlówki kompaktowe

××

××

××

××

×

Wysokoprężne lampy wyładowcze

××

××

××

LED

××

××

××

××

××

Oznaczenia:

×× – zalecane

× – stosowane

– – niestosowane

Położenie pracy źródeł światła

Nie wszystkie lampy mogą pracować w dowolnej pozycji. Dopuszczalne położenie pracy poszczególnych źródeł światła określają ich producenci i do zaleceń tych należy się bezwzględnie stosować. W tabeli 3 zestawiono przykładowe dane w tym zakresie.

   Tabela 3. Położenie pracy źródeł światła

Źródło światła

Położenie pracy

Żarówka standardowa

dowolne

Żarówka halogenowa

dowolne*

Świetlówka liniowa

dowolne

Świetlówka kompaktowa

dowolne

Lampa rtęciowa

dowolne

Lampa żarowo-rtęciowa

pionowe trzonkiem ku górze

Lampa metalohalogenkowa

dowolne lub pionowe trzonkiem ku górze lub poziome (w zależności od typu)

Lampa sodowa niskoprężna

pionowe lub poziome (w zależności od typu)

Lampa sodowa wysokoprężna

dowolne

LED

dowolne

Lampa indukcyjna

dowolne

* przy większych mocach ograniczenia według wskazań producenta

 

Materiały źródłowe:

1. Wiśniewski A., Elektryczne źródła światła, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2010.

2. Żagan W., Podstawy techniki świetlnej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2005.

3. Materiały informacyjne i katalogowe firmy GE Lighting.

4. Materiały informacyjne i katalogowe firmy KANLUX.

5. Materiały informacyjne i katalogowe firmy LED EKOLOGIKA.

6. Materiały informacyjne i katalogowe firmy OSRAM.

7. Materiały informacyjne i katalogowe firmy PHILIPS Lighting.

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