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).