Urządzenia oświetleniowe

Spis treści

 

      1. Wstęp

      Oszczędzanie energii elektrycznej jest bardzo ważnym elementem racjonalnego zużywania zasobów energetycznych. Prawie 19% energii elektrycznej na całym świecie zużywana jest na oświetlenie. Szacuje się, że oświetlenie pochłania około 20% energii elektrycznej, zużywanej przez polskie gospodarstwa domowe.
      Energooszczędność w ochronie środowiska naturalnego przez zmniejszenie emisji szkodliwych zanieczyszczeń atmosfery powstających podczas spalania paliw stałych w procesie produkcji energii elektrycznej, wymaga również wycofania z użytku energochłonnego sprzętu oświetleniowego.
      Przy zastosowaniu innowacyjnych, energooszczędnych produktów zamiast tradycyjnych, można oszczędzić nawet do 80% zużywanej energii elektrycznej na oświetlenie.
      Każdy produkt energooszczędny powinien być oznaczony klasą energetyczną A, a dodatkowo dla produktów bardziej energooszczędnych, stosowane jest oznaczenie A+ lub A++. Jest to podstawowa informacja, która pozwala zorientować, w jakim stopniu dany produkt jest energooszczędny.
      Przy doborze zamienników tradycyjnych źródeł światła ważne jest jego dostosowanie do miejsca, w którym będzie używane. Dlatego oprócz klasy energetycznej należy wziąć pod uwagę ilość światła (strumień światła) oraz jakość emitowanego przez produkt światła (oddawanie barw i barwa światła).
      Do oświetlenia wnętrz należy stosować źródła światła o odpowiedniej barwie, która jest również oznaczona na opakowaniu produktu (w formie piktogramów). Ponadto przy doborze i stosowaniu wymagana jest dobra znajomość podstawowych parametrów oraz głównych zalet i wad nowoczesnych źródeł światła, w szczególności najczęściej stosowanych lamp LED oraz świetlówek kompaktowych.

▲ do góry

      2. Podstawowe parametry źródeł światła

      2.1. Wyróżnia się następujące wielkości charakteryzujące elektryczne źródło światła:
      - napięcie zasilające U, w V,
      - moc P , w W,
      - strumień świetlny Φ, w lm,  - określa całkowitą moc wypromieniowaną przez źródło światła w zakresie widzialnym, 
      - natężenie oświetlenia E, w lx (1 lx = 1 lm/m2) - stosunek strumienia świetlnego padającego na jakąś powierzchnię
        do pola tej powierzchni,
      - skuteczność świetlna η, w lm/W - charakteryzuje efektywność, czyli ilość światła wytwarzaną z jednego wata mocy,
      - trwałość T, w godzinach (h) - suma godzin świecenia, w czasie którego źródło spełnia normy,
      - luminancja L, w cd/m2 - światłość w danym kierunku przypadająca na jednostkę pozornej powierzchni źródła światła,
      - barwa światła, określa sie za pomocą temperatury barwowej Tc (temperatura barwowa najbliższa Tcn), w K,
      - ogólny wskaźnik oddawania barw Ra.

      2.1. Skuteczność świetlna źródeł światła
      Skuteczność świetlna źródła światła (η) jest miarą efektywności przemiany energii elektrycznej w energie świetlną, określaną stosunkiem wysyłanego przez źródło światła strumienia świetlnego Φ (lm) do mocy elektrycznej P (W) pobieranej przez źródło. Jednostką skuteczności świetlnej jest lumen [Im/W], który określa sprawność wytwarzania światła, podawaną dla źródeł światła jako ich skuteczność świetlna.

       2.2. Trwałość użyteczna
      Trwałość użyteczna jest określana najczęściej czasem świecenia źródła światła do chwili, kiedy wartość jego strumienia świetlnego zmniejszy się o 20 - 30% w stosunku do wartości początkowej. Trwałość T jest określana zwykle w godzinach (h).

      2.3. Barwa światła i oddawanie barw
      Zgodnie z normą PN-EN 12464-1:2012 jakość barwy światła zbliżonego do białego emitowanego przez lampę lub transmitowanego światła dziennego jest charakteryzowana przez dwie cechy:
      - wygląd barwy światła,
      - jego zdolność do oddawania barw, która wpływa na barwny wygląd obiektów i osób.

      Barwę światła określa się za pomocą tzw. temperatury barwowej (Tc) i podaje w kelwinach K. Wygląd barwy np. lampy odnosi się do wyglądu barwy (chromatyczności) światła emitowanego. Jest on kwantyfikowany przez jej temperaturą barwową najbliższą (TcP).
      Źródła, które emitują białą barwę światła, dzieli się, w zależności od ich temperatury barwowej, na trzy grupy: (Rys. 2)
      - ciepła (poniżej 3000 K),
      - pośrednia (od 3 300 do 5 300 K)
      - zimna (powyżej 5 300 K do 6500 K).

      Wraz ze wzrostem wartości średniej wymaganego natężenia oświetlenia powinna wzrastać wartość temperatury barwowej stosowanych źródeł światła. Wzrok różnie reaguje na barwy światła, promieniującego z obserwowanego źródła światła lub przedmiotu. Na przykład wygląd określonego przedmiotu może ulegać zmianom w warunkach oświetlania różnymi typami źródeł światła. Ważny jest zatem dobór odpowiedniego stopnia oddawania barw do danego rodzaju pracy. Właściwości oddawania barw przez źródła światła charakteryzuje się tzw. ogólnym wskaźnikiem oddawania barw (Ra), który jest miarą stopnia zgodności wrażenia barwy przedmiotu oświetlonego danym źródłem światła z wrażeniem barwy tego samego przedmiotu oświetlonego odniesieniowym źródłem światła w określonych warunkach.
      Oddawanie barw to inaczej zdolność oddawania właściwych barw oświetlonego przedmiotu, dzięki istnieniu całego spektrum fal w strumieniu światła padającego na ten przedmiot. Wskaźnik oddawania barw Ra określa stopień zgodności barwy faktycznej z jej obrazem widzianym przy danym oświetleniu. Im niższa jest wartość Ra, tym gorzej oddawane są barwy oświetlanych przedmiotów.
      Ustalona maksymalna możliwa wartość tego wskaźnika wynosi 100. Przyjmuje się ją dla światła dziennego i większości źródeł żarowych. Wartości zbliżone do 100 charakteryzują najlepsze właściwości oddawania barw. Im wyższe jest wymaganie dotyczące właściwego postrzegania barw, jak np. w przemyśle poligraficznym, tekstylnym, tym wskaźnik oddawania barw powinien być bliższy 100.

      Zgodnie z PN-EN 12464-1:2004 we wnętrzach, gdzie ludzie pracują lub przebywają przez dłuższy czas zaleca się stosowania źródeł światła o wskaźniku oddawania barw co najmniej 80. Ponadto norma ta podaje minimalne wartości wskaźnika oddawania barw dla różnych rodzajów wnętrz, zadań i czynności.

      W zależności od wykonywanych czynności zaleca się stosowanie źródeł światła o wskaźniku oddawania barw Ra:
      1) bardzo dużym - Ra ≥ 90, dla stanowisk pracy, na których rozróżnianie barw ma zasadnicze znaczenie, jak np.
          kontrola barwy, przemysł tekstylny i poligraficzny, sklepy,
      2) dużym - 90 > Ra ≥ 80, biura, przemysł tekstylny, precyzyjny, w salach szkolnych i wykładowych,
      3) średnim oraz ewentualnie małym - 80 > Ra ≥ 40, inne prace, jak np. walcownie, kuźnie, magazyny, kotłownie,
          odlewnie, młyny oraz wszędzie tam, gdzie rozróżnianie barw nie ma zasadniczego lub istotnego znaczenia.

      Wygląd barwy np. lampy odnosi się do wyglądu barwy (chromatyczności) światła emitowanego. Jest on kwantyfikowany przez jej temperaturą barwową najbliższą (TcP).
      Wymaga się, aby wraz ze zwiększaniem wartości średniej wymaganego natężenia oświetlenia powinna wzrastać temperatura barwowa stosowanego źródła światła.
      Dla poziomów natężenia oświetlenia:
      - poniżej 300 lx - temperatura barwowa powinna być niższa od 3300 K, co odpowiada ciepłobiałej barwie światła,
      - od 300 do 750 lx - temperatura barwowa powinna zawierać się w przedziale 3300 ÷ 5 300 K, co odpowiada neutralnej
        barwie światła,
      - powyżej 750 lx - temperatura barwowa powinna być wyższa od 5300 K, co odpowiada zimnej barwie światła.

      Wybór wyglądu barwy jest kwestią psychologii, estetyki i tego, co może być rozważane jak naturalność. Wybór ten będzie zależał od poziomu natężenia oświetlenia, barw pomieszczenia i mebli, klimatu i zastosowań oświetlenia. W ciepłych klimatach preferowany jest zimniejszy wygląd barwy światła, natomiast w chłodnych klimatach - cieplejszy
      Wraz ze zwiększaniem wartości średniej wymaganego natężenia oświetlenia powinna wzrastać temperatura barwowa stosowanego źródła światła. W tablicy 1. pokazano wartość wskaźnika oddawania barw dla różnych źródeł światła.

▲ do góry

      3. Elektryczne źródła światła

      Poszczególne rodzaje źródeł światła mają określony zakres zastosowań praktycznych. Do oświetlania wnętrz najkorzystniejsze są źródła o ciepłym promieniowaniu, znikomym udziale promieniowania UV i wysokiej wierności oddawania barw.
      Do oświetlenia zewnętrznego w oświetleniu dużych hal produkcyjnych lub magazynowych i ciągów komunikacyjnych, znajdują zastosowanie lampy wykonane w technologii LED.

     3.1. Podział elektrycznych źródeł światła
      W zależności od zasady działania elektryczne źródła światła można podzielić na trzy kategorie :
      - inkandescencyjne (temperaturowe), w których wykorzystano zjawisko świecenia ciał stałych, podgrzanych
        prądem elektrycznym do odpowiednio wysokiej temperatury. Do tej grupy źródeł światła zalicza się
        między innymi żarówki i lampy łukowe, luminescencyjne;
      - elektroluminescencyjne, w których wykorzystano zjawiska świetlne towarzyszące przepływowi prądu
        elektrycznego w gazach. Do tej grupy źródeł światła należy zaliczyć lampy wyładowcze np. rtęciowe i sodowe;
      - fotoluminescencyjne, w których wykorzystuje się przetwarzanie promieniowania w luminoforach, są to np. świetlówki.
      Stosuje się również źródła światła mieszane, które łączą jednocześnie w sobie cechy źródeł światła: temperaturowych i luminescencyjnych.

      3.2. Energooszczędność
      W dążeniu do ochrony środowiska naturalnego przez zmniejszenie emisji szkodliwych zanieczyszczeń atmosfery powstających podczas spalania paliw stałych w procesie produkcji energii elektrycznej w elektrowniach konwencjonalnych, Unia Europejska wydała wiele dyrektyw i rozporządzeń wycofujących z użytku energochłonny sprzęt oświetleniowy.
      Szczegółowe wymagania zostały zawarte w Rozporządzeniu Komisji (WE) NR 244/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla bezkierunkowych lamp do użytku domowego (Dz.U. L 76 z 24.3.2009).
      Ponieważ około 30% całej energii zużywanej w Europie wykorzystują gospodarstwa domowe, Komisja Europejska, zgodnie z Rozporządzeniem Komisji (WE) nr 244 z 18 marca 2009 roku, zdecydowała o wprowadzeniu zakazu sprzedaży przede wszystkim energochłonnych produktów oświetleniowych używanych w gospodarstwach domowych.
      Proces ten został podzielony na kilka etapów, aż do wycofania ze sprzedaży wszystkich żarowych źródeł światła w 2016 roku.
      W ten sposób, w okresie od 1 września 2009 do 1 września 2016 r. wszystkie tradycyjne żarówki o mocy od 25 do 100 W zostały wycofane ze sprzedaży, a ich produkcja została wstrzymana w całej Unii Europejskiej.
      Kwaifikacja energochłonnych źródeł światła opiera się na osiąganych kryteriach funkcjonalnych, takich jak:
      - skuteczność świetlna (lm/W),
      - oddawanie barw (Ra).
      - współczynnik zachowania strumienia świetlnego lampy.
      - współczynnik trwałości lampy.

      3.3. Etapy wycofywania lamp oświetleniowych
      3.3.1. W etapie pierwszym (2010) następujące typy lamp nie będą już wprowadzane na rynek EU27:
           1) świetlówki halofosforanowe:
              - liniowe T8,
              - U-kształtne,
              - koliste T9,
           2) świetlówki liniowe T4:
      3.3.2. W etapie drugim (2012) następujące typy lamp nie będą już wprowadzane na rynek EU27:
           3) świetlówki halofosforanowe:
           - T10,
           - T12.
           4) wysokoprężne lampy sodowe – HPS / lampy metalohalogenkowe (E27/E40/PGZ12)
          - ustalone kryteria funkcjonalne dla lamp MH E27/E40/PGZ12
          - standardowe HPS E27/E40/PGZ12
      3.3.3. W etapie pośrednim (2015) następujące typy lamp nie będą już wprowadzane na rynek EU27:
           5) wysokoprężne lampy rtęciowe,
           6) wysokoprężne lampy sodowe wtykowe / zmodernizowane - retrofit (wymiana HPM).
      3.3.4. W etapie trzecim (2017) następujące typy lamp nie będą już wprowadzane na rynek EU27:
           7) niskowydajne lampy MH E27/E40/PGZ12,
           8) świetlówki kompaktowe o trzonkach dwukołkowych i zintegrowanym zapłonniku
          (lampy te będą wycofywane w etapie 3, ponieważ w praktyce nie pracują ze statecznikami klasy A2).

▲ do góry

      3.4. Zamienniki tradycyjnych źródeł światła

      Stopniowa eliminacja tradycyjnych żarówek głównego szeregu z rynku europejskiego spowodowała, że konsumenci w zasadzie zmuszeni są do zastępowania ich tzw. energooszczędnymi zamiennikami. Warto jednak podkreślić, że określenie „energooszczędny” zgodnie z dyrektywą UE powinno być stosowane wyłącznie do źródeł światła z najwyższą klasą energetyczną (klasa A). Oczywiście, każdy kto w mieszkaniu używa jeszcze tradycyjnych żarówek nie musi ich zastępować bardziej wydajnymi źródłami światła. Regulacje UE zawarte w dyrektywie przedstawiają jedynie wymagania jakie muszą spełniać nowe lampy produkowane na rynek unijny.
      Oferta producentów źródeł światła mających zastąpić klasyczną żarówkę jest bardzo szeroka. W zasadzie już w każdym sklepie elektrycznym bądź markecie można nabyć proponowane zamienniki tradycyjnej żarówki.
      Ważną informacją dla nabywców żarówek było wprowadzenie przez Unię Europejską etykiet energetycznych pozwalających na rozpoznanie urządzeń o niskim zużyciu energii. Dane zawarte w etykietach informują także, jaki będzie koszt użytkowania urządzenia przez cały okres jego funkcjonowania, oraz jaki będzie miało ono wpływ na środowisko.
      Istotne jest również to, że zgodnie z dyrektywą UE pojęcie „energooszczędny" może być stosowane tylko do produktów z klasą energetyczną A. Na opakowaniu produktów energooszczędnych muszą być umieszczone bardzo proste informacje na temat mocy, klasy energetycznej, barwy światła itp. przedstawione za pomocą piktogramów. Nowa dyrektywa określa minimalne wymagania jakościowe dla żarówek.

      3.4.1. Żarówki halogenowe
      Specjalną odmianą żarówek są żarówki halogenowe, wprowadzone po 1960 r. jako pierwsze, praktycznie biorąc przydatne, żarówki jodowane. Zastosowano w nich tzw. regeneracyjny cykl halogenowy, polegający na tym, że do gazu w bańce dodaje się halogenek (np. jod, fluor, brom), który łączy się z odparowywanym wolframem w jodek wolframu. Ten, dyfundując w pobliże żarnika, rozpada się i wolfram na powrót osadza się na żarniku. Pozwala to podnieść temperaturę żarnika do ok. 3000oC (temperatura bańki ok. 800 oC), dzięki czemu zwiększa się strumień świetlny.
      Podstawowym wymaganiem, które musi być spełnione dla utrzymania w żarówce nieprzerwanego cyklu halogenowego przez cały okres jej trwałości, jest tak wysoka temperatura bańki, aby powstający halogenek wolframu nie mógł się na niej skondensować i pozostawał w fazie gazowej. Cykl regeneracyjny zwiększa trwałość żarówki do ok. 2000 h, a skuteczność świetlna [lm/W] zwiększa się dwukrotnie.
      W praktyce temperatura pracy żarnika jest większa niż w żarówkach konwencjonalnych. Dzięki temu uzyskuje się zwiększoną skuteczność świetlną (o około 25 %), a trwałość żarówki halogenowej przewyższa kilkakrotnie trwałość żarówki (od 2 do 4 razy).
      Wyższa temperatura pracy żarnika powoduje przeniesienie maksimum promieniowania w kierunku fal krótszych. Oznacza to, że w widmie żarówek halogenowych pojawia się niewielka ilość promieniowania ultrafioletowego, które może wydostać się na zewnątrz przez stosowane w tych żarówkach typowe szkło kwarcowe. Promieniowanie to może być szkodliwe dla zdrowia ludzkiego i oświetlanych przedmiotów.
      Na etapie produkcji, w celu wyeliminowania szkodliwego promieniowania ultrafioletowego, bańkę żarówki halogenowej umieszcza się w dodatkowej bańce szklanej, albo bańkę wykonuje się ze specjalnego szkła kwarcowego nieprzepuszczającego promieniowania ultrafioletowego.
      Żarówki halogenowe wykonywane są przede wszystkim na niskie napięcie (12V, 24 V), aby przy małych wymiarach bańki istniała możliwość inicjowania regeneracyjnego cyklu halogenowego.

     Do źródeł światła dopuszczonych do stosowania, które są zamiennikami klasycznych żarówek, można zaliczyć:żarówki halogenowe
         a) na napięcie sieciowe 230 V (Rys. 3),
         b) z kapsułką niskonapięciową 6 - 12 V) (Rys. 4).


Rys. 3. Żarówki halogenowe z kapsułką na napięcie sieciowe
wyposażone w: a) trzonek E 27, b i c) trzonek E 14.


Rys. 4. Żarówka halogenowa z kapsułą niskonapięciową

      3.4.2. Świetlówki kompaktowe
      Świetlówka kompaktowa, lub inaczej kompaktowa lampa fluorescencyjna (CFL ang. Compact fluorescent lamp), jest to rodzaj lampy fluorescencyjnej (świetlówki) o kształcie zapewniającym małe wymiary gabarytowe. Świetlówki takie mają najczęściej kształt litery "U" lub spirali.
      Świetlówki kompaktowe można podzielić na świetlówki ze zintegrowanym układem zapłonowym oraz świetlówki wymagające opraw z takim układem.
      Zaletą świetlówek ze zintegrowanym układem zapłonowym (ang. CFL-i Compact Fluorescent Lamp Integrated) jest fakt, iż są one bezpośrednimi zamiennikami żarówek głównego szeregu (posiadają taki sam gwint).
      Żywotność świetlówek kompaktowych mieści się w zakresie od 6000h do 15000h. Większość z nich nie jest przystosowana do stosowania w oprawach zamkniętych (używanie świetlówki w takiej oprawie znacząco skraca jej żywotność). Niektóre świetlówki posiadają własną obudowę rury fluorescencyjnej zmniejszającą luminację i poprawiającą walory estetyczne. Dostępne świetlówki zalicza się do klas energetycznych A lub B. Najczęściej spotykane mają temperaturę barwową 2700K (zbliżona do temperatury barwowej żarówki) albo 6400K (światło dzienne). Skuteczność świetlna wynosi ok. 50 lm/W.

      Nową, bardzo już rozpowszechnioną grupą lamp fluorescencyjnych o wysokiej jakości i parametrach są świetlówki kompaktowe (nazywane dość często, mylnie, żarówkami energooszczędnymi - są to po prostu świetlówki stworzone głównie jako bezpośredni zamiennik dla tradycyjnej żarówki. W ostatnich latach pojawiły się świetlówki kompaktowe (zwarte, zminiaturyzowane) wykonane z układem zapłonowym zintegrowanym ze świetlówką, z gwintem E27 lub E14, osadzone na trzonku tradycyjnej żarówki (Rys. 6).
      Właściwości obecnie produkowanych świetlówek kompaktowych są bardzo dobre. Zarówno oddawanie barw, jak i widmo rozkładu mocy jest na bardzo wysokim poziomie - i są nadal udoskonalane.

      W porównaniu z żarówkami świetlówki kompaktowe zużywają pięciokrotnie mniej energii elektrycznej czynnej, a ich średnia trwałość jest dziesięć razy większa. Należy pamiętać, że świetlówki kompaktowe uzyskują pełny strumień świetlny parę minut po włączeniu. Lamp tego typu nie należy stosować w obwodach ze ściemniaczami światła, wyłącznikami elektronicznymi oraz fotokomórką. Może to spowodować uszkodzenie świetlówki lub współpracującego urządzenia. W przypadku stosowania w instalacji dużej liczby lamp należy pamiętać o kompensacji pojemnościowej poszczególnych obwodów, w celu poprawy współczynnika mocy, który dla świetlówek kompaktowych wynosi 0,50-0,65.

      Świetlówki kompaktowe z odsłoniętymi rurkami: prostymi – o klasycznej formie w kształcie litery U
          (Rys. 5a), spiralnymi (Rys. 5d) lub ukształtowanymi w charakterystyczny sposób tworzący obrys
          do bańki tradycyjnej żarówki (Rys. 5c),
          a) z mlecznym kloszem (Rys. 5b),
          b) przystosowane/nieprzystosowane do współpracy ze ściemniaczem,
          c) z wymiennym trzonkiem (E14/E27), elektronicznym układem stabilizacyjno-zapłonowym oraz rurkami
              wyładowczymi,
          d) współpracujące z diodami LED.


Rys. 5. Świetlówki kompaktowe o różnych kształtach
a, b, c, d) zintegrowane, e) niezintegrowane

      Rurki wyładowcze świetlówek kompaktowych mogą być ukształtowane w zasadzie w dowolny sposób, przykładem tego może być świetlówka o oryginalnym kształcie.

▲ do góry

      3.4.3. Diody elektroluminescencyjne (LED)

      Na przełomie XX i XXI wieku nastąpił najbardziej znaczący rozwój półprzewodnikowych źródeł światła, a w szczególności diod elektroluminescencyjnych (ang. light emitting diode - LED). Obecny poziom rozwoju technologicznego diod elektroluminescencyjnych, przede wszystkim zdecydowana poprawa ich właściwości fotometrycznych, kolorymetrycznych i skuteczności świetlnej, wpływają na sukcesywne wypieranie przez diody elektroluminescencyjne innych, klasycznych źródeł światła.
      Diody LED są półprzewodnikowymi źródłami światła, emitującymi promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, podczerwieni i nadfioletu. Idea generowania światła polega głównie na rekombinacji elektronów i dziur w warstwie aktywnej złącza półprzewodnikowego p-n po przyłączeniu diody do źródła prądu elektrycznego. Światło wytworzone z diody elektroluminescencyjnej ma dość wąski zakres widmowy; jest to w zasadzie promieniowanie monochromatyczne, co dotychczas ograniczało ich zakres stosowania (głównie jako elementów sygnalizacji świetlnej).
      W skład budowy diody świecącej wchodzi warstwa półprzewodnika typu n, obszar aktywny zwany złączem p-n, warstwa półprzewodnika typu p oraz para metalowych połączeń z zewnętrznym źródłem elektrycznym – elektrody dodatniej (anody przyłączonej do materiału typu p) i elektrody ujemnej (katody przyłączonej do materiału typu n). Cechą charakterystyczną materiału p jest posiadanie nadmiaru dziur w paśmie walencyjnym, z kolei materiał n posiada w tym paśmie nadmiar elektronów. W momencie spolaryzowania diody, po przyłączeniu do źródła zasilania, w kierunku przewodzenia następuje przenikanie elektronów i dziur do warstwy aktywnej o niższym poziomie energetycznym. W złączu p-n (Rys. 5a), które jest połączeniem dwóch warstw materiałów półprzewodnikowych typu p i n, wzbudzone elektrony rekombinują z dziurami i pozbywają się nadmiaru energii, która zostaje wypromieniowywana w postaci kwantu światła (emisja fotonu).
      Wartość energii emitowanego fotonu jest w przybliżeniu równa wartości przerwy między stanami energetycznymi, charakterystycznej dla danego materiału półprzewodnikowego.


Rys. 5a. Ogólny schemat budowy półprzewodnikowej diody świecącej

      Na szerokość pasma i dowolną barwę emitowanego przez diodę światła możemy wpływać stosując odpowiedni dobór materiałów, które uzyskuje się poprzez odpowiednie domieszkowanie, tworzenie zestawów diod o wybranych barwach światła oraz ewentualne sterowanie ich strumieniem świetlnym.

      Na przykład z materiałów półprzewodnikowych:
      - AlGaAs, GaAsP, AlGaInP, GaP uzyskuje się barwę czerwoną o długości fali 610 ÷ 760 nm,
      - ZnSe, InGa, SiC, Si - barwę niebieską o długości fali 450 ÷ 500 nm ,
      - InGaN - barwę fioletową o długości fali 400 ÷ 450 nm.
      przy czym:
      - GaAs - (arsenek galu) - emituje w paśmie podczerwieni i czerwieni (650-950 nm),
      - GaAsP (arsenofosforek galu) – emituje w zakresie 590-630nm,
      - GaN (azotek galu) – świeci na niebiesko (430 nm).

          Źródła światła LED mogą być:
          a) wykonane z wykorzystaniem diod DIP (z ang. dual in-line package; diody, które kształtem przypominają
              kapsułkę – rys. 6c, 6d,),
          b) wykonane z wykorzystaniem diod SMD (z ang. surface mounted diode; mające kształt kwadratu lub
              prostokąta, rys. 6c),
          c) wykonane z nieosłoniętymi diodami LED,
          d) wyposażone w przezroczysty lub mleczny klosz (rys.6a. 6b, 6d),
          e) przystosowane/nieprzystosowane do współpracy ze ściemniaczem.

      Lampa LED to źródło światła oparte o diody elektroluminescencyjne, umieszczone w obudowie pozwalającej zastosować je w oprawie oświetleniowej przeznaczonej dla żarówek. Lampy diodowe, służące do oświetlania, posiadają cokół, np. E14 lub E27 (Rys. 6), który pozwala umieścić je w oprawie dla żarówek 230 V, ale też znormalizowane przyłącza bagnetowe albo igiełkowe. Niskie napięcie konieczne do zasilania diod świecących: białych lub "ciepło białych" (Warm White), jest w nich wytwarzane za pomocą przetwornicy impulsowej.
      Do zalet lamp diodowych, w porównaniu z lampami żarowymi, należy znacznie większa trwałość, szerszy zakres napięć roboczych, większa sprawność, znacznie mniejsze nagrzewanie, brak zależności temperatury barwowej światła od napięcia zasilającego, a w przypadku kontrolek, dodatkowo możliwość uzyskania dowolnego koloru świecenia bez użycia barwnych filtrów. Do wad należą: wysoka cena (rekompensowana przez dużo dłuższą żywotność), ograniczony kąt świecenia oraz niekompatybilność z tradycyjnymi ściemniaczami dla żarówek.

 


Rys. 6. Źródła światła LED o różnych kształtach

      Pierwsza dioda świecąca utworzona na bazie arsenku galu (GaAs) powstała w 1962 r. natomiast obecnie stosowane diody świecące wskaźnikowe o mocy 100 mW - w 1970 r.. Diody świecące wskaźnikowe o mocy 100 mW ze szkicem prezentującym poszczególne elementy jej budowy przedstawiono na rysunku 7.


Rys. 7. Diody świecące LED wskaźnikowe

      Diody LED są obecnie powszechnie stosowane np. w latarkach różnej wielkości (Rys. 8). Latarka z 14 diodami przy zasilaniu z trzech baterii typu AA świeci około 15 godzin. Przy takim zasilaniu klasyczna latarka z żarówką halogenową świeciłaby około 4-5 godzin, a trwałość takiej żarówki wynosi przeciętnie 20 godzin, podczas gdy trwałość diod LED sięga nawet stu tysięcy godzin.
      Wśród wielu innych zastosowań diod świecących można wymienić: oświetlenie tablic informacyjnych, reklam świetlnych, sygnalizacji świetlnej, oświetlenie bezpieczeństwa i wyjść ewakuacyjnych itp.


Rys. 8. Latarki z diodami LED

      Pierwsze diody LED początkowo emitowały światło monochromatyczne, najpierw podczerwone, potem czerwone, zielone, niebieskie, a na końcu białe. Obecnie technika świetlna dysponuje półprzewodnikowymi źródłami światła o wysokiej wydajności, emitującymi światło w trzech podstawowych barwach: czerwonej, zielonej i niebieskiej, a w wyniku połączenia tych trzech barw możliwe staje się otrzymanie światła białego, co umożliwia ich szersze zastosowanie.
      Dalszy rozwój technologiczny diod luminescencyjnych powoduje, że coraz częściej zastępują one wiele rodzajów źródeł światła używanych obecnie w instalacjach oświetleniowych. Praktycznie diody wytwarzające światło o barwie białej i wskaźniku oddawania barw Ra > 80 mogą być stosowane w oświetleniu niewielkich powierzchni, np. jako zamienniki żarówek halogenowych (Rys. 9). Przemawia za tym ich większa skuteczność świetlna (sięga 38 lm/W) niż żarówek halogenowych (26 lm/W) oraz znacznie dłuższa trwałość.


Rys. 9. Diody LED - zamienniki żarówek halogenowych

      Jako zamienniki tradycyjnych energochłonnych żarówek stosuje się obecnie świetlówki, żarówki halogenowe w wersji energooszczędnej oraz diody świecące LED. Przez stosowanie żarówek halogenowych nowej generacji można uzyskać do 50% oszczędności w zużyciu energii elektrycznej. Emitują one bardzo dobrej jakości światło i produkowane są w szerokiej gamie kształtów, dzięki czemu mogą być zamiennikami różnych typów żarówek.
      Natomiast w przypadków diod świecących potencjalne oszczędności energii wynoszą ponad 80%. Obecnie mogą one być zamiennikami podstawowych źródeł światła. Na rysunku 10. pokazano przykładowe kształty energooszczędnych diod świecących.


Rys. 10 Diody świecące LED - energooszczędne źródła światła

      Rok 1994 był kolejnym etapem w rozwoju diod świecących. Wyprodukowanie diody o mocy 0,4 W zapoczątkowało całą serię diod nowej generacji o mocach od 0,8 do 6 W, tzw. diod dużej mocy o różnych barwach, w tym o barwie białej, posiadającej niższe skuteczności świetlne od kolorowych. Wynoszą one obecnie od 60 ÷ 70 lm/W i trwałości 10 000 ÷ 50 000 godzin. Nadają się do oświetlania miejsc pracy.
      Wskaźnik oddawania barw Ra dostępnych diod o barwie białej, w zależności od typu, wynosi 70 ÷ 80. Obecnie dostępne są diody o skuteczności 80 lm/W, ale mają one wskaźnik oddawania barw nie większy niż 70 i zimną barw światła.


Rys. 11. Przykładowe diody LED - dużej mocy (1-5 W)

      Powszechne stosowanie diod LED do celów oświetleniowych będzie opłacalne, gdy osiągną one skuteczności świetlne na poziomie 100 lm/W, trwałość - 100 000 godzin, wskaźnik oddawania barw będzie wynosił powyżej 80, a barwa ich światła będzie ciepła.
      Poza bardzo dużą trwałością, niskim - bezpiecznym napięciem zasilania, diody barwne nie potrzebują żadnych dodatkowych filtrów w celu otrzymania określonej barwy. Dzięki temu nie występują straty strumienia świetlnego, co ma istotny wpływ na ich energooszczędność, a określona barwa światła jest bardzo wyrazista.
      Dalszy dynamiczny postęp technologiczny w produkcji diod luminescencyjnych, jako pełnowartościowych źródeł światła, prowadzi do całkowitego wycofania z rynku energochłonnych, żarowych źródeł światła.
      Coraz większe moce emisyjne diod LED pozwoliły na zastosowanie ich zarówno w oświetleniu w przemyśle motoryzacyjnym, do podświetlania dużych wyświetlaczy LCD, jak i w oświetleniu dekoracyjnym, architektonicznym, w sygnalizacji ulicznej oraz w oświetleniu ogólnym wewnętrznym i zewnętrznym (drogowym).
      W przepisach Unii Europejskiej ustalono harmonogram wycofania z rynku energochłonnych, żarowych źródeł światła. Zgodnie z planami proces ten trwa od września 2009 r. do 2016 r. Wszystkie wycofywane żarówki będą zastąpione przez lampy o większej efektywności. Innowacyjną i zarazem energooszczędną alternatywą dla tradycyjnych żarówek mogą stać się nowoczesne diodowe źródła światła.

▲ do góry

     3.5. Oświetlenie drogowe

      W pierwszych dwóch etapach wycofywania energochłonnych lamp oświetleniowych, zgodnie z Rozporządzeniem Komisji (WE) nr 245/2009, zmienionym przez rozporządzenie nr 347/2010, zakaz wprowadzania na rynek europejski objął również lamp oświetlenia drogowego, w tym w szczególności:
      - świetlówki typu T10 i T12 (w 2012 r.),
      - wysokoprężne lampy sodowe o najniższej skuteczności typu standardowego (do 2012 r.),
      - wtykowe i przystosowane do pracy ze statecznikami lamp rtęciowych (w 2012 r.),
      - wszystkie wysokoprężne lampy rtęciowe (w 2015 r.) oraz
      - wysokoprężne lampy metalohalogenkowe niespełniające kryteriów funkcjonalnych określonych
        rozporządzeniem.

      W kwietniu 2017 r. zakończył się 3 etap zmian określonych w rozporządzeniu Komisji (WE) NR 245/2009, zmienionym przez rozporządzenie NR 347/2010, dotyczący zakończenia produkcji i wycofania z rynku opraw ulicznych z tradycyjnymi lampami wysokoprężnymi – sodowymi i metalohalogenkowymi, nawet tymi o wysokiej efektywności energetycznej oraz statecznikami elektromagnetycznymi.
      W tej sytuacji, w wielu środowiskach i aglomeracjach miejskich, podjęto lub przeprowadzono modernizację oświetlenia zewnętrznego przy użyciu nowoczesnych i efektywnych energetycznie lamp oświetleniowych wykorzystujących technikę LED
      Zgodnie z Rozporządzeniem Komisji (WE) do sprzedaży i stosowania dopuszczone zostały:
      - wysokoprężne lampy metalohalogenkowe o ściśle określonych parametrach: dużej skuteczności świetlnej,
        oraz o odpowiednim współczynniku zachowania strumienia świetlnego i dużym współczynniku trwałości,
      - lampy wyładowcze spełniające podwyższone wymogi sprawności energetycznej dla stateczników
        elektromagnetycznych,
      - wysokoprężne lampy wyładowcze wyposażone w stateczniki.

      Energooszczędność i względy ekonomiczne zadecydowały o tym, że lampy wykonane w technologii LED są najczęściej stosowane do oświetlenia zewnętrznego w Polsce. Ogromną zaletą takiego rozwiązania jest zmniejszony pobór energii. Posiada ono trzykrotnie większą trwałość niż tradycyjne źródła światła, a skumulowane oszczędności energii mogą sięgnąć nawet 70 %. A co najważniejsze, poprawia bezpieczeństwo podróżujących i pozytywnie wpływa na komfort jazdy.
      Zaletą oświetlenia przy użyciu lamp LED jest zmniejszenie kosztów eksploatacji o blisko połowę, a zużycia energii elektrycznej o 40 procent Białe światło generowane przez diody LED sprawia, że otoczenie postrzegane jest jako jaśniejsze i bardziej naturalne (Rys. 12 ).


Rys. 12 Oświetlenie zewnętrzne w technologii LED
Szczecin - Trasa Zamkowa

      Istotnym jest również to, że diody LED nie emitują promieniowania nadfioletowego i podczerwonego oraz ograniczają emisję CO2, przez co mogą stanowić ekologiczną alternatywę dla standardowych źródeł światła.
      Ten rodzaj oświetlenia jest również kluczowym czynnikiem zwiększającym poczucie bezpieczeństwa, ponieważ dzięki niemu łatwiejsze staje się rozpoznawanie obiektów, kolorów i kształtów po zmroku Oświetlenie LED, będące ekologiczną alternatywą dla oświetlenia standardowego określa się dzisiaj jako jedną z najbardziej innowacyjnych i efektywnych technologii.

▲ do góry

Menu serwisu