ŹRÓDŁA
ŹRÓDŁA
ŚWIATŁ
ŚWIATŁ
A
A
Dr hab. inż. Grażyna Jastrzębska,
Dr hab. inż. Grażyna Jastrzębska,
Prof..P.P.
Prof..P.P.
ŹRÓDŁA
ŹRÓDŁA
ŚWIATŁ
ŚWIATŁ
A
A
Dr hab. inż. Grażyna Jastrzębska,
Dr hab. inż. Grażyna Jastrzębska,
Prof..P.P.
Prof..P.P.
Pojęcia podstawowe, jednostki
Pojęcia podstawowe, jednostki
Światło (promieniowanie widzialne)
Światło (promieniowanie widzialne)
– to
– to
elektromagnetyczne
promieniowanie
o
elektromagnetyczne
promieniowanie
o
długości fali od 380-760 nm.
długości fali od 380-760 nm.
Oko ludzkie najsilniej reaguje na światło
Oko ludzkie najsilniej reaguje na światło
żółto – zielone, tj. o
żółto – zielone, tj. o
długości fali 555 nm
długości fali 555 nm
.
.
Względną skuteczność świetlną
Względną skuteczność świetlną
określa się
określa się
jako stosunek intensywności wrażenia
jako stosunek intensywności wrażenia
wzrokowego dla dowolnej długości fali do
wzrokowego dla dowolnej długości fali do
odpowiedniej - przy długości fali 555 nm.
odpowiedniej - przy długości fali 555 nm.
Strumień świetlny Φ:
Strumień świetlny Φ:
gdzie:
Fλdλ
–
moc
promienista
gdzie:
Fλdλ
–
moc
promienista
przenoszona przez promieniowanie zawarte
przenoszona przez promieniowanie zawarte
między długością fali λ i dλ, Vλ – względna
między długością fali λ i dλ, Vλ – względna
skuteczność świetlna, Km – fotometryczny
skuteczność świetlna, Km – fotometryczny
równoważnik promieniowania, 680 lm/W.
równoważnik promieniowania, 680 lm/W.
Strumień świetlny określa całkowitą
Strumień świetlny określa całkowitą
moc wypromieniowywaną przez źródło
moc wypromieniowywaną przez źródło
,
,
ocenianą według wrażenia wzrokowego,
ocenianą według wrażenia wzrokowego,
jest
równoznaczny
z
mocą
źródła
jest
równoznaczny
z
mocą
źródła
wysyłającego promieniowanie o długości
wysyłającego promieniowanie o długości
fali 555 nm. Jednostką jest
fali 555 nm. Jednostką jest
1 lumen
1 lumen
.
.
Natężenie oświetlenia E
Natężenie oświetlenia E
jest to gęstość
jest to gęstość
powierzchniowa strumienia świetlnego,
powierzchniowa strumienia świetlnego,
padającego na daną powierzchnię:
padającego na daną powierzchnię:
Jednostką natężenia oświetlenia jest
Jednostką natężenia oświetlenia jest
1
1
lux.
lux.
Światłość
Światłość
I to gęstość kątowa strumienia
I to gęstość kątowa strumienia
świetlnego, wysyłanego przez źródło
świetlnego, wysyłanego przez źródło
punktowe w danym kierunku:
punktowe w danym kierunku:
Jednostką światłości jest
Jednostką światłości jest
1 kandela.
1 kandela.
Luminancja
Luminancja
jest światłością w danym
jest światłością w danym
kierunku,
przypadająca
na
jednostkę
kierunku,
przypadająca
na
jednostkę
pozornej
powierzchni
źródła,
albo
pozornej
powierzchni
źródła,
albo
powierzchni
odbijającej
czy
powierzchni
odbijającej
czy
przepuszczającej światło:
przepuszczającej światło:
gdzie: α pomiędzy normalną do danego
gdzie: α pomiędzy normalną do danego
elementu a kierunkiem, w którym wyznacza
elementu a kierunkiem, w którym wyznacza
się luminancję.
się luminancję.
Jednostką jest
Jednostką jest
1 cd/m2.
1 cd/m2.
Klasyfikacja lamp elektrycznych
Klasyfikacja lamp elektrycznych
o temperaturowym wytwarzaniu
o temperaturowym wytwarzaniu
światła x
światła x
lampy łukowe zwykłe,
lampy łukowe zwykłe,
żarówki
żarówki
o luminescencyjnym wytwarzaniu
o luminescencyjnym wytwarzaniu
światła xx
światła xx
lampy wyładowcze,
lampy wyładowcze,
fluorescencyjne
fluorescencyjne
x temperaturowe wytwarzanie światła jest
x temperaturowe wytwarzanie światła jest
wynikiem termicznego wzbudzenia atomów
wynikiem termicznego wzbudzenia atomów
ciała promieniującego i charakteryzuje się
ciała promieniującego i charakteryzuje się
jednoczesnym wysyłaniem przez ciało
jednoczesnym wysyłaniem przez ciało
promieniujące fal o różnych długościach.
promieniujące fal o różnych długościach.
xx luminescencyjne wytwarzanie światła
xx luminescencyjne wytwarzanie światła
polega na promieniowaniu przez ciało w
polega na promieniowaniu przez ciało w
temperaturze zbyt niskiej, by termicznie
temperaturze zbyt niskiej, by termicznie
pobudzić
atomy
do
emitowania
pobudzić
atomy
do
emitowania
promieniowania
widzialnego.
Jest
to
promieniowania
widzialnego.
Jest
to
wzbudzenie
atomów
kosztem
energii
wzbudzenie
atomów
kosztem
energii
chemicznej, elektrycznej i promienistej.
chemicznej, elektrycznej i promienistej.
ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
Najbardziej popularnym źródłem światła
Najbardziej popularnym źródłem światła
używanym do oświetlenia wnętrz jest
używanym do oświetlenia wnętrz jest
tradycyjna żarówka. Co roku w krajach
tradycyjna żarówka. Co roku w krajach
Unii Europejskiej sprzedawanych jest
Unii Europejskiej sprzedawanych jest
ponad 2 miliardy sztuk żarówek.
ponad 2 miliardy sztuk żarówek.
Szacuje się, że wymiana żarówek na
Szacuje się, że wymiana żarówek na
bardziej efektywne źródła światła w
bardziej efektywne źródła światła w
obszarze
samej
Unii
przyniosłaby
obszarze
samej
Unii
przyniosłaby
oszczędności rzędu 3 mld EUR.
oszczędności rzędu 3 mld EUR.
Żarówkę wynalazł Edison w 1879 roku.
Żarówkę wynalazł Edison w 1879 roku.
Thomas Alva
Thomas Alva
Edison 1847-1931
Edison 1847-1931
ŻARÓWKI
ŻARÓWKI
Żarówka
(lampa
żarowa)
to
lampa
Żarówka
(lampa
żarowa)
to
lampa
elektryczna,
w
której
elementem
elektryczna,
w
której
elementem
świecącym
jest
przewód
rozżarzony
świecącym
jest
przewód
rozżarzony
(żarnik) do wysokiej temperatury na
(żarnik) do wysokiej temperatury na
skutek przepływu prądu.
skutek przepływu prądu.
Światło
wytwarzane
jest
w
wyniku
Światło
wytwarzane
jest
w
wyniku
promieniowania
cieplnego.
Aby
nie
promieniowania
cieplnego.
Aby
nie
nastąpiło utlenienie żarnika, jest on
nastąpiło utlenienie żarnika, jest on
umieszczany w bańce szklanej, wewnątrz
umieszczany w bańce szklanej, wewnątrz
której panuje próżnia lub jest ona
której panuje próżnia lub jest ona
wypełniana mieszaniną gazów obojętnych.
wypełniana mieszaniną gazów obojętnych.
Początkowo żarnik był wykonywany z
Początkowo żarnik był wykonywany z
grafitu a obecnie z wolframu.
grafitu a obecnie z wolframu.
Światło uzyskiwane z żarówek jest zbliżone do
Światło uzyskiwane z żarówek jest zbliżone do
słonecznego i cechuje się dobrym wskaźnikiem
słonecznego i cechuje się dobrym wskaźnikiem
oddawania barw przedmiotów, świeci cały czas
oddawania barw przedmiotów, świeci cały czas
jednakowo,
nie
powodując
efektu
jednakowo,
nie
powodując
efektu
stroboskopowego. Widmo światła emitowanego
stroboskopowego. Widmo światła emitowanego
przez
żarówkę
jest
ciągłe,
o
niższej
przez
żarówkę
jest
ciągłe,
o
niższej
temperaturze barwowej (bardziej żółte) niż
temperaturze barwowej (bardziej żółte) niż
słoneczne.
słoneczne.
Temperatura
barwowa
światła
Temperatura
barwowa
światła
emitowanego przez żarówkę wynosi ok. 2700 K.
emitowanego przez żarówkę wynosi ok. 2700 K.
Wadą żarówek jest ich mała skuteczność
Wadą żarówek jest ich mała skuteczność
świetlna, około 12 (od 8 do 18) lumenów/wat
świetlna, około 12 (od 8 do 18) lumenów/wat
(nawet 6 lumenów/wat), a także niska trwałość.
(nawet 6 lumenów/wat), a także niska trwałość.
Żarówka wykorzystuje
Żarówka wykorzystuje
ok. 5% energii na światło
ok. 5% energii na światło
widzialne, a reszta energii jest tracona w emisji
widzialne, a reszta energii jest tracona w emisji
ciepła. Rozważa się wycofanie żarówek i
ciepła. Rozważa się wycofanie żarówek i
zastąpienia ich lampami fluorescencyjnymi i
zastąpienia ich lampami fluorescencyjnymi i
diodami LED.
diodami LED.
Ze względu na niską sprawność żarówki coraz
Ze względu na niską sprawność żarówki coraz
częściej
zastępowane
są
lampami
częściej
zastępowane
są
lampami
wyładowczymi.
wyładowczymi.
Żarówka
Żarówka
Drucik żarowy
Drucik żarowy
HISTORIA
HISTORIA
Żarówki konstrukcji Edisona, Maxima i Swana
Żarówki konstrukcji Edisona, Maxima i Swana
oraz pierwsze próby ich trwałości.
oraz pierwsze próby ich trwałości.
1838
włókno węglowe żarzące się w próżni (Jobard)
1840
drut platynowy żarzący się w próżni (Robert
Grove)
1854 pierwsze praktyczne wykorzystanie żarówki z
włóknem ze zwęglonego bambusa do reklamy
(Göbel)
1860
brytyjski patent na świecące włókno węglowe w
bańce, z której wypompowano powietrze (Joseph
Wilson Swan)
1878
pierwsza
nadająca
się
do
praktycznego
wykorzystania żarówka, patent brytyjski (Joseph
Wilson Swan)
1878
masowa produkcja żarówek w USA (Hiram
Stevens Maxim) utworzył United States Electric
Lighting Company)
1879
patent USA (Thomas Alva Edison)
1890
wolframowy żarnik (Aleksander Łodygin)
Trwałość żarówek
Trwałość żarówek
Trwałość żarówek ogólnego użytku wynosi
Trwałość żarówek ogólnego użytku wynosi
przeciętnie
przeciętnie
kilkaset
godzin
kilkaset
godzin
,
jeśli
,
jeśli
eksploatowane
są
bez
przekroczenia
eksploatowane
są
bez
przekroczenia
normalnych warunków ich pracy.
normalnych warunków ich pracy.
Podczas eksploatacji pod zbyt wysokim
Podczas eksploatacji pod zbyt wysokim
napięciem trwałość żarówki znacznie maleje,
napięciem trwałość żarówki znacznie maleje,
proporcjonalnie
do
szesnastej
potęgi
proporcjonalnie
do
szesnastej
potęgi
napięcia, co oznacza, że eksploatacja żarówki
napięcia, co oznacza, że eksploatacja żarówki
pod napięciem tylko o ok. 5% zbyt wysokim
pod napięciem tylko o ok. 5% zbyt wysokim
skraca jej czas życia ponad dwukrotnie.
skraca jej czas życia ponad dwukrotnie.
Moc
(W)
moc świetlna
(lm)
sprawność
(lm/W)
15
120
8
25
200
8.0
34
350
10.3
40
500
12.5
52
700
13.5
55
800
14.5
60
850
14.2
67
1000
15.0
70
1100
15.7
75
1200
16.0
90
1450
16.1
95
1600
16.8
100
1700
17.0
135
2350
17.4
150
2850
19.0
200
3900
19.5
300
6200
20.7
Moc,
moc
świetlna
i
sprawność
żarówek
Skuteczność świetlna żarówki
na tle innych źródeł światła
Źródło światła
(każde o mocy 1 W)
Strumień świetlny
(w lm)
żarówka zwykła
8...20
żarówka halogenowa
20...30
świetlówka
40...90
rtęciówka zwykła
30...65
lampa rtęciowo-
żarowa
17...25
rtęciówka
halogenowa
75...100
sodówka
wysokoprężna
90...120
sodówka
niskoprężna
80...180
ŻARÓWKA PRÓŻNIOWA
ŻARÓWKA PRÓŻNIOWA
Skuteczność świetlna żarówki zależy od
Skuteczność świetlna żarówki zależy od
temperatury żarnika. W miarę zwiększania
temperatury żarnika. W miarę zwiększania
jego temperatury zwiększa się prędkość
jego temperatury zwiększa się prędkość
parowania
wolframu,
wskutek
czego
parowania
wolframu,
wskutek
czego
następuje tworzenie się przewężeń drutu
następuje tworzenie się przewężeń drutu
wolframowego, i w końcu przepalanie się
wolframowego, i w końcu przepalanie się
żarnika. Wolfram odparowany z żarnika
żarnika. Wolfram odparowany z żarnika
osadza się na bańce w postaci ciemnego
osadza się na bańce w postaci ciemnego
nalotu, pochłania część światła. Z tych
nalotu, pochłania część światła. Z tych
względów w żarówkach próżniowych (w
względów w żarówkach próżniowych (w
bańce
panuje
próżnia)
temperatura
bańce
panuje
próżnia)
temperatura
żarnika nie przekracza 2600 K.
żarnika nie przekracza 2600 K.
ŻARÓWKA GAZOWANA
ŻARÓWKA GAZOWANA
W celu zmniejszenia szybkości parowania
W celu zmniejszenia szybkości parowania
wolframu wprowadza się
wolframu wprowadza się
do wnętrza bańki
do wnętrza bańki
gaz obojętny (np. argon z domieszką
azotu).
Żarnik może pracować z wyższą
Żarnik może pracować z wyższą
temperaturą. Uzyskuje się bielsze światło
temperaturą. Uzyskuje się bielsze światło
oraz większą skuteczność świetlną.
oraz większą skuteczność świetlną.
Część mocy doprowadzonej do żarnika jest
Część mocy doprowadzonej do żarnika jest
odprowadzana poprzez gaz. Straty te
odprowadzana poprzez gaz. Straty te
zależą od długości żarnika. Wykonanie
zależą od długości żarnika. Wykonanie
żarnika w postaci skrętki powoduje
żarnika w postaci skrętki powoduje
skrócenie żarnika i obniżenie tych strat.
skrócenie żarnika i obniżenie tych strat.
Stosuje się też w miejsce argonu, gazy o
Stosuje się też w miejsce argonu, gazy o
mniejszym przewodnictwie cieplnym -
mniejszym przewodnictwie cieplnym -
krypton i ksenon
.
.
Jednak ich ceny są
Jednak ich ceny są
wysokie.
wysokie.
ŻARÓWKA HALOGENOWA
ŻARÓWKA HALOGENOWA
Do wnętrza bańki wprowadzony jest oprócz gazu
Do wnętrza bańki wprowadzony jest oprócz gazu
obojętnego
obojętnego
halogen,
halogen,
najczęściej jod. Tworzy on
najczęściej jod. Tworzy on
związek chemiczny z wolframem
związek chemiczny z wolframem
(a właściwie jego
(a właściwie jego
parami). Związek ten krąży wraz z gazem w
parami). Związek ten krąży wraz z gazem w
bańce, w temperaturze w pobliżu żarnika rozpada
bańce, w temperaturze w pobliżu żarnika rozpada
się na wolfram i jod. W reakcji następuje
się na wolfram i jod. W reakcji następuje
przenoszenie cząstek wyparowanego wolframu z
przenoszenie cząstek wyparowanego wolframu z
bańki na żarnik. Proces ten nazywa się
bańki na żarnik. Proces ten nazywa się
halogenowym cyklem regeneracyjnym.
halogenowym cyklem regeneracyjnym.
Pozwala to
Pozwala to
zwiększyć temperaturę żarnika do
zwiększyć temperaturę żarnika do
około 3200 K,
około 3200 K,
(wyższa
skuteczność
świetlna
(wyższa
skuteczność
świetlna
(do
18
(do
18
lumenów/wat).
lumenów/wat).
Podane temperatury pracy żarnika odnoszą się do
Podane temperatury pracy żarnika odnoszą się do
standardowych lamp dla których
standardowych lamp dla których
przewidziano
przewidziano
średni czas pracy 1000 godzin.
średni czas pracy 1000 godzin.
Żarówki
halogenowe
przewoltowane.
Żarówki
halogenowe
przewoltowane.
Gdy
Gdy
wymagane
jest
uzyskanie
światła
bardziej
wymagane
jest
uzyskanie
światła
bardziej
zbliżonego do światła dziennego, np. na planie
zbliżonego do światła dziennego, np. na planie
zdjęciowym, stosuje się żarówki pracujące z
zdjęciowym, stosuje się żarówki pracujące z
wyższą temperaturą żarnika, trwałość tych lamp
wyższą temperaturą żarnika, trwałość tych lamp
jest znacznie niższa.
jest znacznie niższa.
Lampa halogenowa
Lampa halogenowa
w oprawie z filtrem
w oprawie z filtrem
UV
UV
Lampa halogenowa ze
Lampa halogenowa ze
zintegrowanym
zintegrowanym
odbłyśnikiem
odbłyśnikiem
ŚWIETLÓWKA
ŚWIETLÓWKA
Odmiana lampy wyładowczej (jarzeniówka-
Odmiana lampy wyładowczej (jarzeniówka-
lampa fluorescencyjna), w której światło
lampa fluorescencyjna), w której światło
emituje
emituje
luminofor
luminofor
wzbudzony
przez
wzbudzony
przez
promieniowanie
powstałe
wskutek
promieniowanie
powstałe
wskutek
wyładowania
elektrycznego
w
rurze
wyładowania
elektrycznego
w
rurze
wypełnionej gazem.
wypełnionej gazem.
Pierwszą w świecie
Pierwszą w świecie
świetlówkę
świetlówkę
(emitującą
(emitującą
bladozielone
bladozielone
światło),
światło),
skonstruował
w
skonstruował
w
1935 roku Arthur
1935 roku Arthur
Compton.
Compton.
Badaniami
Badaniami
luminescencji
luminescencji
zajmował się m.in.
zajmował się m.in.
Polak
Stefan
Polak
Stefan
Pieńkowski
Pieńkowski
Kompaktowa lampa fluorescencyjna
Kompaktowa lampa fluorescencyjna
zwana potocznie "żarówką energooszczędną"
zwana potocznie "żarówką energooszczędną"
Jest to lampa elektryczna mająca najczęściej
Jest to lampa elektryczna mająca najczęściej
kształt
rury,
pokrytej
od
wewnątrz
kształt
rury,
pokrytej
od
wewnątrz
luminoforem wypełniona
luminoforem wypełniona
parami rtęci i
parami rtęci i
argonu
argonu
, w której źródłem świecenia jest
, w której źródłem świecenia jest
promieniowanie widzialne emitowane przez
promieniowanie widzialne emitowane przez
warstwę
luminoforu
pokrywającego
warstwę
luminoforu
pokrywającego
wewnętrzną powierzchnię rury.
wewnętrzną powierzchnię rury.
Wyładowania
Wyładowania
zachodzące
pomiędzy
zachodzące
pomiędzy
elektrodami wolframowymi zabudowanymi na
elektrodami wolframowymi zabudowanymi na
końcach rury
końcach rury
wytwarzają promieniowanie w
wytwarzają promieniowanie w
zakresie
widma
niewidzialnego
zakresie
widma
niewidzialnego
(promieniowanie
ultrafioletowe)
254
nm.
(promieniowanie
ultrafioletowe)
254
nm.
Odpowiednio dobrane luminofory przetwarzają
Odpowiednio dobrane luminofory przetwarzają
to
promieniowanie
na
promieniowanie
to
promieniowanie
na
promieniowanie
widzialne o pożądanej barwie światła (dzienne,
widzialne o pożądanej barwie światła (dzienne,
chłodnobiałe, białe lub ciepłobiałe).
chłodnobiałe, białe lub ciepłobiałe).
Kompaktowa lampa fluorescencyjna zwana jest
Kompaktowa lampa fluorescencyjna zwana jest
też żarówką energooszczędną lub świetlówką
też żarówką energooszczędną lub świetlówką
energooszczędną.
energooszczędną.
Poza świetlówkami prostymi są jeszcze kołowe,
Poza świetlówkami prostymi są jeszcze kołowe,
U-kształtne.
U-kształtne.
Świetlówki różnego typu
Świetlówki różnego typu
Jej podstawowa konstrukcja znana jest od
Jej podstawowa konstrukcja znana jest od
ponad 20 lat, została wprowadzona na rynek
ponad 20 lat, została wprowadzona na rynek
w 1985 roku przez firmę OSRAM.
w 1985 roku przez firmę OSRAM.
Różnorodność kształtów oraz małe zużycie
Różnorodność kształtów oraz małe zużycie
energii czynią je atrakcyjnym zamiennikiem
energii czynią je atrakcyjnym zamiennikiem
tradycyjnej
żarówki.
Energooszczędne
tradycyjnej
żarówki.
Energooszczędne
świetlówki kompaktowe zużywają około
świetlówki kompaktowe zużywają około
80%
80%
mniej energii
mniej energii
, ich
, ich
trwałość jest do 12 razy
trwałość jest do 12 razy
większa
większa
(6000-15000 godzin), zależy od
(6000-15000 godzin), zależy od
trwałości statecznika elektronicznego. W
trwałości statecznika elektronicznego. W
przeliczeniu na paliwo
przeliczeniu na paliwo
„zaoszczędza”
„zaoszczędza”
ona
ona
137 litrów ropy naftowej
137 litrów ropy naftowej
lub
lub
156 kg węgla.
156 kg węgla.
Skuteczność świetlna świetlówek dobrej
Skuteczność świetlna świetlówek dobrej
jakości to 33 lm/W (dla 3 i 5 W), do 65
jakości to 33 lm/W (dla 3 i 5 W), do 65
lm/W (dla 23 i 30 W).
lm/W (dla 23 i 30 W).
Energooszczędna świetlówka kompaktowa
Energooszczędna świetlówka kompaktowa
o mocy 15 W (odpowiada żarówce 75 W),
o mocy 15 W (odpowiada żarówce 75 W),
zapalona przez 12 godzin zużywa energii
zapalona przez 12 godzin zużywa energii
za 4 grosze (0,2401zł/kW
za 4 grosze (0,2401zł/kW
h).
h).
W przypadku
W przypadku
świetlówki DULUX EL
świetlówki DULUX EL
Longlife o mocy 200 W
Longlife o mocy 200 W
(odpowiednik
(odpowiednik
żarówki o mocy 100 W) marki OSRAM,
żarówki o mocy 100 W) marki OSRAM,
której trwałość wynosi 15000 godzin,
której trwałość wynosi 15000 godzin,
oszczędność
energii
elektrycznej
oszczędność
energii
elektrycznej
wynikająca z jej pełnego wykorzystania
wynikająca z jej pełnego wykorzystania
wyniesie 1,2 MW·h, a to redukcja emisji
wyniesie 1,2 MW·h, a to redukcja emisji
dwutlenku węgla do atmosfery o prawie
dwutlenku węgla do atmosfery o prawie
pół tony.
pół tony.
Do zasilania świetlówek stosuje się
Do zasilania świetlówek stosuje się
układy
układy
stabilizacyjno-zapłonowe:
stabilizacyjno-zapłonowe:
tradycyjny
tradycyjny
,
magnetyczny
ze
,
magnetyczny
ze
statecznikiem
statecznikiem
magnetycznym (dławik) i zapłonnikiem
magnetycznym (dławik) i zapłonnikiem
(starterem)
(starterem)
elektroniczny
elektroniczny
Ostatnio
stosowane
są
Ostatnio
stosowane
są
świetlówki
świetlówki
kompaktowe
zintegrowane
kompaktowe
zintegrowane
,
które
są
,
które
są
niewielkie,
mają
elektroniczny
układ
niewielkie,
mają
elektroniczny
układ
zapłonowo-stabilizacyjny znajdujący się w
zapłonowo-stabilizacyjny znajdujący się w
korpusie. Mogą one być podłączane bez
korpusie. Mogą one być podłączane bez
dodatkowych
układów
w
miejsce
dodatkowych
układów
w
miejsce
standardowych żarówek.
standardowych żarówek.
Zalety i wady
Zalety i wady
świetlówek
świetlówek
w porównaniu
w porównaniu
z oświetleniem
z oświetleniem
żarowym
żarowym
Zalety świetlówki w porównaniu z
Zalety świetlówki w porównaniu z
żarówką:
żarówką:
wytwarza znacznie mniej ciepła
wytwarza znacznie mniej ciepła
wyższa skuteczność świetlna (do 80 lm/W)
wyższa skuteczność świetlna (do 80 lm/W)
dłuższy czas pracy (ok. 8000 h)
dłuższy czas pracy (ok. 8000 h)
mniejsza zależność strumienia świetlnego
mniejsza zależność strumienia świetlnego
od
od
napięcia zasilającego
napięcia zasilającego
można wytwarzać świetlówki o różnych
można wytwarzać świetlówki o różnych
temperaturach barwowych
temperaturach barwowych
mniejsza luminacja
mniejsza luminacja
Wady
Wady
(głównie
przy
stosowaniu
(głównie
przy
stosowaniu
magnetycznego układu stabilizacyjno-
magnetycznego układu stabilizacyjno-
zapłonowego):
zapłonowego):
wymaga skomplikowanych opraw z dodatkowym
wymaga skomplikowanych opraw z dodatkowym
wyposażeniem (statecznik i zapłonnik)
wyposażeniem (statecznik i zapłonnik)
wydajność świetlna lampy zależna jest od
wydajność świetlna lampy zależna jest od
temperatury otoczenia
temperatury otoczenia
większy niż u żarówek spadek żywotności przy
większy niż u żarówek spadek żywotności przy
dużej częstości włączeń
dużej częstości włączeń
tętnienie strumienia świetlnego powodujące
tętnienie strumienia świetlnego powodujące
zjawisko stroboskopowe
zjawisko stroboskopowe
utrudniony zapłon przy obniżonym napięciu oraz
utrudniony zapłon przy obniżonym napięciu oraz
w niskiej temperaturze
w niskiej temperaturze
niski współczynnik mocy (ok. 0,5) powodujący
niski współczynnik mocy (ok. 0,5) powodujący
konieczność
stosowania
kondensatorów
konieczność
stosowania
kondensatorów
kompensujących
kompensujących
zawierają rtęć, która jest silną trucizną - mogą
zawierają rtęć, która jest silną trucizną - mogą
być niebezpieczne po stłuczeniu
być niebezpieczne po stłuczeniu
generują "zimne" światło
generują "zimne" światło
ŻARÓWKA LED
ŻARÓWKA LED
Ostatnio stosuje się również bardzo
Ostatnio stosuje się również bardzo
energooszczędne
żarówki
LED
energooszczędne
żarówki
LED
wykorzystujące
diody
wysokiej
wykorzystujące
diody
wysokiej
jasności.
jasności.
Dioda elektroluminescencyjna, dioda
Dioda elektroluminescencyjna, dioda
świecąca, LED (ang.
świecąca, LED (ang.
Light Emitting
Light Emitting
Diode
Diode
)
)
–
dioda
zaliczana
do
–
dioda
zaliczana
do
półprzewodnikowych
przyrządów
półprzewodnikowych
przyrządów
optoelektronicznych,
emitujących
optoelektronicznych,
emitujących
promieniowanie w zakresie światła
promieniowanie w zakresie światła
widzialnego, jak i podczerwieni.
widzialnego, jak i podczerwieni.
Wynalezienie diody
Wynalezienie diody
W latach dwudziestych XX wieku radziecki
W latach dwudziestych XX wieku radziecki
technik radiowy
technik radiowy
Oleg Władimirowicz Łosew
Oleg Władimirowicz Łosew
zauważył, że diody używane w odbiornikach
zauważył, że diody używane w odbiornikach
radiowych emitują światło, w latach 1927-30
radiowych emitują światło, w latach 1927-30
opublikował
łącznie
16
artykułów
opublikował
łącznie
16
artykułów
opisujących
działanie
diod
opisujących
działanie
diod
elektroluminescencyjnych.
elektroluminescencyjnych.
Do
produkcji
weszła
w
latach
Do
produkcji
weszła
w
latach
sześćdziesiątych w formie opracowanej
sześćdziesiątych w formie opracowanej
przez
amerykańskiego
inżyniera
przez
amerykańskiego
inżyniera
Nicka
Nicka
Holonyaka juniora
Holonyaka juniora
, który jest uważany za jej
, który jest uważany za jej
wynalazcę.
wynalazcę.
Struktura
Struktura
wewnętrzna diody
wewnętrzna diody
LED
LED
Niebieska,
Niebieska,
zielona
zielona
i czerwona dioda
i czerwona dioda
LED
LED
Diody LED
Diody LED
Diody wysokiej mocy (Luxeony)
Diody wysokiej mocy (Luxeony)
Zasada działania
Zasada działania
Działanie
Działanie
diody elektroluminescencyjnej
diody elektroluminescencyjnej
(LED)
(LED)
opiera się na zjawisku rekombinacji
opiera się na zjawisku rekombinacji
nośników
ładunku
(rekombinacja
nośników
ładunku
(rekombinacja
promienista).
promienista).
Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach
Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach
wówczas, gdy elektrony przechodząc z
wówczas, gdy elektrony przechodząc z
wyższego
poziomu
energetycznego
na
wyższego
poziomu
energetycznego
na
niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to
niższy zachowują swój pseudo-pęd. Jest to
tzw.
tzw.
przejście proste.
przejście proste.
Podczas tego przejścia
Podczas tego przejścia
energia elektronu zostaje zamieniona na
energia elektronu zostaje zamieniona na
kwant
promieniowania
kwant
promieniowania
elektromagnetycznego
elektromagnetycznego
.
Przejścia
tego
.
Przejścia
tego
rodzaju dominują w półprzewodnikach z
rodzaju dominują w półprzewodnikach z
prostym układem pasmowym, w którym
prostym układem pasmowym, w którym
minimum
pasma
przewodnictwa
i
minimum
pasma
przewodnictwa
i
wierzchołkowi
pasma
walencyjnego
wierzchołkowi
pasma
walencyjnego
odpowiada ta sama wartość pędu.
odpowiada ta sama wartość pędu.
Półprzewodnikiem cechującym się tego
Półprzewodnikiem cechującym się tego
rodzaju przejściami jest
rodzaju przejściami jest
arsenek galu
arsenek galu
(GaAs) Charakteryzuje go ponadto
(GaAs) Charakteryzuje go ponadto
duża
duża
sprawność kwantowa
sprawność kwantowa
– jest to parametr
– jest to parametr
określający
udział
przejść
określający
udział
przejść
rekombinacyjnych
w
wyniku
których
rekombinacyjnych
w
wyniku
których
generowane są fotony do ilości nośników
generowane są fotony do ilości nośników
ładunku przechodzących przez warstwę
ładunku przechodzących przez warstwę
zaporową
złącza
p-n,
przejścia
zaporową
złącza
p-n,
przejścia
rekombinowane zachodzą w obszarze
rekombinowane zachodzą w obszarze
czynnym złącza).
czynnym złącza).
W krzemie i germanie dominują
W krzemie i germanie dominują
przejścia
przejścia
skośne.
skośne.
Można spowodować, że promieniowanie
Można spowodować, że promieniowanie
diod elektroluminescencyjnych z GaAs jest
diod elektroluminescencyjnych z GaAs jest
widzialne
za
pomocą
przetworników
widzialne
za
pomocą
przetworników
podczerwieni, przez pokrycie powierzchni
podczerwieni, przez pokrycie powierzchni
diody luminoforem.
diody luminoforem.
Promieniowanie widzialne emitują diody
Promieniowanie widzialne emitują diody
elektroluminescencyjne
z
elektroluminescencyjne
z
półprzewodników
trójskładnikowych
półprzewodników
trójskładnikowych
GaAsP
GaAsP
, w których jak w GaAs są spełnione
, w których jak w GaAs są spełnione
warunki
dla
prostych
przejść
warunki
dla
prostych
przejść
rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują
rekombinacyjnych. Diody z GaAsP emitują
światło czerwone o długości fali l = 650
światło czerwone o długości fali l = 650
nm.
nm.
Diody
elektroluminescencyjne
są
Diody
elektroluminescencyjne
są
wytwarzane
z
materiałów
wytwarzane
z
materiałów
półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V
półprzewodnikowych (pierwiastki z III i V
grupy układu okresowego np. GaAs, GaP,
grupy układu okresowego np. GaAs, GaP,
GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu).
GaAsP o odpowiednim domieszkowaniu).
Barwa
promieniowania
zależy
od
Barwa
promieniowania
zależy
od
materiału (niebieska, żółta, zielona,
materiału (niebieska, żółta, zielona,
pomarańczowa, czerwona).
pomarańczowa, czerwona).
Długość
fali
emitowanego
Długość
fali
emitowanego
promieniowania
zwiększa
się
ze
promieniowania
zwiększa
się
ze
wzrostem temperatury złącza. Diody
wzrostem temperatury złącza. Diody
emitują
promieniowanie
w
bardzo
emitują
promieniowanie
w
bardzo
wąskim przedziale widma:
wąskim przedziale widma:
od 490 nm –
od 490 nm –
kolor niebieski do 950 nm – bliska
kolor niebieski do 950 nm – bliska
podczerwień.
podczerwień.
Materiał
Barwa
GaAs
podczerwień
GaP
czerwona, zielona, żółta
GaAs
1-x
P
x
czerwona,
pomarańczowa, żółta
Al
x
Ga
1-x
As
czerwona, podczerwień
Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym
Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym
polegającym na emitowaniu przez materię
polegającym na emitowaniu przez materię
promieniowania elektromagnetycznego pod
promieniowania elektromagnetycznego pod
wpływem czynnika pobudzającego,
wpływem czynnika pobudzającego,
które dla
które dla
pewnych długości fali przewyższa emitowane
pewnych długości fali przewyższa emitowane
przez
tę
materię
promieniowanie
przez
tę
materię
promieniowanie
temperaturowe.
temperaturowe.
W diodzie LED mamy do
W diodzie LED mamy do
czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy
czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy
wytworzeniu,
której
źródłem
energii
wytworzeniu,
której
źródłem
energii
pobudzającej
jest
prąd
elektryczny
pobudzającej
jest
prąd
elektryczny
dostarczony
zewnątrz,
czasami
pole
dostarczony
zewnątrz,
czasami
pole
elektryczne.
elektryczne.
Najefektywniejsza
elektroluminescencja
w
Najefektywniejsza
elektroluminescencja
w
półprzewodniku
powstaje
w
wyniku
półprzewodniku
powstaje
w
wyniku
rekombinacji swobodnych nośników ładunku
rekombinacji swobodnych nośników ładunku
w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w
w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w
kierunku przewodzenia.
kierunku przewodzenia.
Intensywność świecenia zależy od wartości
Intensywność świecenia zależy od wartości
doprowadzonego prądu. Zależność ta jest
doprowadzonego prądu. Zależność ta jest
liniowa w dużym zakresie zmian prądu.
liniowa w dużym zakresie zmian prądu.
Zjawiska
przeszkadzające
Zjawiska
przeszkadzające
elektroluminescencji
to:
pochłanianie
elektroluminescencji
to:
pochłanianie
wewnętrzne i całkowite wewnętrzne odbicie.
wewnętrzne i całkowite wewnętrzne odbicie.
Zalety diod elektroluminescencyjnych:
Zalety diod elektroluminescencyjnych:
mały pobór prądu
mały pobór prądu
mała wartość napięcia zasilającego
mała wartość napięcia zasilającego
duża sprawność
duża sprawność
mała moc strat
mała moc strat
małe rozmiary
małe rozmiary
duża trwałość
duża trwałość
duża wartość luminacji
duża wartość luminacji
Odmiany i zastosowania LED
Odmiany i zastosowania LED
IR
IR
–
emitują
promieniowanie
–
emitują
promieniowanie
podczerwone
–stosowane
w
łączach
podczerwone
–stosowane
w
łączach
światłowodowych,
w
urządzeniach
światłowodowych,
w
urządzeniach
zdalnego sterowania
zdalnego sterowania
HBLED
HBLED
-
-
High Brightness LED
High Brightness LED
– diody o
– diody o
wysokiej jasności świecenia; (jasność
wysokiej jasności świecenia; (jasność
przekracza
0.2 cd);
znajdują
one
przekracza
0.2 cd);
znajdują
one
zastosowanie w sygnalizacji ulicznej, w
zastosowanie w sygnalizacji ulicznej, w
oświetleniu pojazdów, w latarkach
oświetleniu pojazdów, w latarkach
tricolor LED
tricolor LED
– dioda o strukturze do
– dioda o strukturze do
generowania trzech podstawowych barw
generowania trzech podstawowych barw
(czerwony, zielony, niebieski), a przez
(czerwony, zielony, niebieski), a przez
możliwość ich mieszania, praktycznie
możliwość ich mieszania, praktycznie
dowolnej barwy
dowolnej barwy
warm white LED
warm white LED
– LED generuje światło
– LED generuje światło
zbliżone do światła żarówki (temperatura
zbliżone do światła żarówki (temperatura
barwy 3500 K, dobrana jaskrawość)
barwy 3500 K, dobrana jaskrawość)
Projektowanie oświetlenia
Projektowanie oświetlenia
Projektowanie oświetlenia polega na
Projektowanie oświetlenia polega na
takim wyborze rodzaju źródeł światła i
takim wyborze rodzaju źródeł światła i
ich mocy oraz rodzaju opraw i ich
ich mocy oraz rodzaju opraw i ich
rozmieszczenia,
przy
którym
są
rozmieszczenia,
przy
którym
są
spełnione wymagania, co do średniego
spełnione wymagania, co do średniego
natężenia
oświetlenia
i
jego
natężenia
oświetlenia
i
jego
równomierności.
równomierności.
Sposoby oświetlenia
Sposoby oświetlenia
:
:
ogólne
ogólne
miejscowe
miejscowe
złożone
złożone
Wielkością
decydującą
o
jakości
Wielkością
decydującą
o
jakości
wrażeń wzrokowych jest
wrażeń wzrokowych jest
luminancja.
luminancja.
Czynniki
decydujące
o
wielkości
Czynniki
decydujące
o
wielkości
luminancji:
luminancji:
wielkość obserwowanych obiektów
wielkość obserwowanych obiektów
ich kontrast z tłem
ich kontrast z tłem
długotrwałość pracy wzrokowej
długotrwałość pracy wzrokowej
czy obiekty są w spoczynku, czy w
czy obiekty są w spoczynku, czy w
ruchu
ruchu
Często nie określa się wymaganej
Często nie określa się wymaganej
wartości luminancji, a wymagane średnie
wartości luminancji, a wymagane średnie
natężenie oświetlenia powierzchni roboczej
natężenie oświetlenia powierzchni roboczej
i równomierność oświetlenia.
i równomierność oświetlenia.
Równomierność oświetlenia δ:
Równomierność oświetlenia δ:
Stosunek
najmniejszej
wartości
Stosunek
najmniejszej
wartości
punktowego natężenia oświetlenia Emin do
punktowego natężenia oświetlenia Emin do
średniej wartości natężenia oświetlenia Eśr
średniej wartości natężenia oświetlenia Eśr
na powierzchni roboczej.
na powierzchni roboczej.
Potrzebny strumień światła Φ0 wyznacza się
Potrzebny strumień światła Φ0 wyznacza się
metodą sprawności oświetlenia:
metodą sprawności oświetlenia:
Sprawność oświetlenia η:
Sprawność oświetlenia η:
Φ0 – łączny strumień wysłany przez wszystkie źródła
Φ0 – łączny strumień wysłany przez wszystkie źródła
światła
oświetlenia
ogólnego
zainstalowane
w
światła
oświetlenia
ogólnego
zainstalowane
w
pomieszczeniu, A – pole powierzchni oświetlanej, Φu –
pomieszczeniu, A – pole powierzchni oświetlanej, Φu –
strumień użyteczny (padający na powierzchnię pracy).
strumień użyteczny (padający na powierzchnię pracy).
k=0,6-0,8
współczynnik
zapasu
eksploatacyjnego,
k=0,6-0,8
współczynnik
zapasu
eksploatacyjnego,
uwzględniający zmniejszenie sprawności oświetlenia z
uwzględniający zmniejszenie sprawności oświetlenia z
upływem czasu.
upływem czasu.
PODSUMOWANIE
PODSUMOWANIE
Obecnie aż
Obecnie aż
19% światowego zużycia energii
19% światowego zużycia energii
jest
jest
wynikiem stosowania
wynikiem stosowania
źródeł światła.
źródeł światła.
W
Europie
sprzedaje
się
2,1
miliarda
W
Europie
sprzedaje
się
2,1
miliarda
nieefektywnych energetycznie źródeł światła.
nieefektywnych energetycznie źródeł światła.
Gdyby każdy konsument w Europie używał
Gdyby każdy konsument w Europie używał
jedynie energooszczędnych źródeł światła,
jedynie energooszczędnych źródeł światła,
emisja CO2 zmniejszyłaby się w ciągu roku o 57
emisja CO2 zmniejszyłaby się w ciągu roku o 57
mln. ton.
mln. ton.
Oparte na diodach LED moduły będą już
Oparte na diodach LED moduły będą już
wkrótce
najoszczędniejszym
i
najbardziej
wkrótce
najoszczędniejszym
i
najbardziej
trwałym źródłem światła w domach.
trwałym źródłem światła w domach.
Zużyte świetlówki kompaktowe nie trafiają na
Zużyte świetlówki kompaktowe nie trafiają na
wysypisko śmieci, a do ponownej produkcji
wysypisko śmieci, a do ponownej produkcji
(recykling).
(recykling).
