Lámpák, kompakt fénycsövek és LED-es fényforrások
2.1 Lámpák.
Az elsődlegesen sugárzó fényforrások azok a fényforrások melyek önmaguk fényt bocsájtanak ki. A világítástechnikai szaknyelv az elsődlegesen sugárzó fényforrásokat lámpának nevezi. Ez merőben eltér a hétköznapi használattól, melyben a „lámpa” szinte minden mesterséges fény forrására utal, függetlenül attól, hogy fényforrásról, lámpatestről, vagy világítótestről van-e szó. Léteznek másodlagosan sugárzó fényforrások is, melyek a rájuk eső fényt verik vissza vagy engedik át. [1] Ilyen másodlagos fényforrás például egy megvilágított falfelület mely „csak” visszaveri, vagy egy lámpatest ernyője, mely részben reflektálja részben pedig átereszti a rá eső fény bizonyos hányadát.
A továbbiakban csak az elsődlegesen sugárzó fényforrásokkal foglalkozom, ezeket nevezem fényforrásnak. A fényforrásokat működésük fizikai alapelvei szerint célszerű csoportosítani. [1] A csoportosítás mellett a különböző fényforrásokat rengeteg szempont alapján lehet jellemezni. Ezt a jellemzést olvashatják a továbbiakban, de nem minden fényforrásra kiterjedve, hanem csak a dolgozatomban szerepet kapó kompakt fénycsövek és LED-es fényforrások tekintetében.
1. ábra: Fényforrások csoportosítása [1, 102. oldal]
2.2 Kompakt fénycsövek
2.3 Történelmi áttekintés
A kompakt fénycsövek fejlesztését az 1973-1979-ig tartó olajválság indukálta. [2] Az energiaárak meredek növekedése miatt szükségessé vált az addigiaknál hatékonyabb és gazdaságosabb fényforrás. A kompakt fénycsövek teljesítették küldetésüket, azonban csak több éves fejlesztőmunkát követően: élettartamuk a hagyományos izzó lámpák élettartamának tízszerese volt és negyed akkora energiából voltak képesek előállítani azonos fényáramot. [3]
A kompakt fénycsövek mai verzióját 1976-ban a General Electric egyik mérnöke, Edward E. Hammer fejlesztette ki. Az alábbi képen látható a fejlesztés modellje, melyet Hammer „spirál lámpának” nevezett el. Az Edward E. Hammer által konstruált lámpa előtt is léteztek különböző kompakt fénycsöves megoldások, pl. John Campbell (General Electric) "Sequential Switching Lamp" fényforrása 1972-ből; William Roche (GTESylvania) "Short Arc Lamp"-je 1974-ből; John Anderson (General Electric) "Solenoidal Electric Field Lamp" fejlesztése; Donald Hollister (Lighting Technology Corporation) "Litek Lamp" elnevezésű megoldása az 1970-es évek közepéről, valamint Jan Hasker, a Philips mérnöke által az USA szabadalmi hivatalánál 4,101,185 lajstromszám alatt jegyzett "Recombinant Structure Lamp" megoldás 1976-ból. Ezek a fejlesztések egyike sem jutott el a sorozatgyártás fázisába, mert túlságosan drágának bizonyult az előállításuk. [4]
2. ábra: Edward E. Hammer modellje 1976-ból [4]
Az első kompakt fénycsöveket 1981-ben hozták kereskedelmi forgalomba. „A Philips ebben az évben két típust kezdett árusítani. A verziók eltérő paramétereivel két külön piaci szegmens elvárásainak kívánt megfelelni. Mind a két verziót a mai napig gyártják.” [5] Az alábbi képen látható a PL-7/9-es modell, melyet a cég a professzionális felhasználói piacnak szánt. Ebben a lámpában a két függőlegesen elhelyezkedő csövet összekötő üvegcső volt az újdonság (angolul „bridge weld”). Meglehetősen bonyolult volt az összekötő csőrész sorozatgyártása, de még mindig könnyebbnek bizonyult más dizájnok megvalósításánál.
3. ábra: PL-7/9-es modell 1983-ból [5]
A lakossági piacra szánt egyszerűbb SL modellel szemben, a PL-7/9 kivitele moduláris volt: a kompakt fénycsövet le lehetett választani az előtétről. A működésképtelenné vált cső cseréje így költséghatékonyabbá vált, mert az új csövet hozzá lehetett illeszteni az eredeti előtéthez. Mivel a PL típus lényegesen drágább volt az SL-nél, a PL fejelése is különbözött. A speciális G23-as fejjel kiküszöbölték a PL típusok lakossági felhasználók általi eltulajdonítását, mivel a G23-as fej csak professzionális lámpatestekben használt foglalathoz illeszkedett.
Ma is népszerű fényforrásoknak számítanak a kompakt fénycsövek. Világítástechnikában kevésbé jártas felhasználók sok esetben nem is tudják, hogy amit ők „energiatakarékos izzónak” neveznek, az valójában kompakt fénycső. A köznyelvben elterjedt elnevezés nem meglepő, ha az ilyen termékek csomagolására rá van írva és a gyártók marketing szövegében is benne van az „energiatakarékos” kifejezés.
A mai gyártmányok a néhány wattos teljesítményűtől egészen a 100W-ot meghaladó teljesítményűig, előtét nélkül vagy azzal egybeépítetve, 2700 - 6500 Kelvinig terjedő korrelált színhőmérsékletben, 6.000 – 15.000 órás várható élettartammal kaphatók. Ezek a gyártmányok ma már E27-es és az alábbi ábrán látható fejelésű kivitelekben is elérhetőek.
4. ábra: kompakt fénycsövek fej variációi1
2.4 Kompakt fénycsövek működési elve és felépítése
A fénycső és kompakt fénycső is kisnyomású kisülőlámpa (lásd 1. ábra). A kompakt fénycsövek működési elve megegyezik a fénycsövekével, azonban felépítésükben van néhány különbség.
Mint minden kisülő lámpának, a kompakt fénycsőnek is előtét szükséges a működtetéséhez. Az előtét ma már jellemzően elektronikus, mely tartalmazza a gyújtót.
1 Forrás: http://www.anrodiszlec.hu/article_info.php/articles_id/89
Sok gyártó kompakt fénycsövek fejébe helyezi el az előtétet, annak érdekében, hogy a lámpatest átalakítása nélkül ki lehessen váltani az E27-es fejelésű hagyományos izzó lámpákat.
A fénycső és a kompakt fénycső belső felépítése tulajdonképpen azonos: mindkettő belsejében nemesgáztöltés (általában argon és kripton, régebben neon) és katódmasszával bevont volfrámelektródok találhatók. Úgy, mint a fénycsövek esetében, az elektródákból kilépő elektron beleütközik (bekapcsoláskor a startergáz atomjaiba, majd) a higanyatomok elektronjaiba, melynek következtében az adott Hg elektron magasabb energiaszintre (energianívóra) kerül. Ezt a folyamatot gerjesztésnek hívják. Az elektron az eredeti energiaszintjére törekszik visszakerülni és amikor oda „visszazuhan”, akkor az elektron energiavesztése foton emisszióval jár. Az elsődleges sugárzás túlnyomórészt a 253,7 nm-es UV rezonanciavonal gerjesztésével jön létre, de a sugárzás nem a látható , hanem UV tartományban történik. A kisülőcső belső falára felvitt fényporon áthaladó foton hullámhossza megnő és a csőből kilépő sugárzást így változtatják meg, hogy az már a látható tartományban lépjen ki amikor a foton a bura külső falát elhagyja. A fénypor összetételétől függ a fénycsövek és a kompakt fénycsövek színvisszaadása.
A kompakt fénycsövek cső hosszának és keresztmetszetének csökkenése miatt növelni kellett a kisülőtérbe betáplált fajlagos teljesítményét [W/cm3] annak érdekében, hogy ne csökkenjen a fényforrások fényhasznosítása a fénycsövekéhez képest. A fajlagos teljesítmény az áramsűrűség és térerősség szorzata (Pfajl = j*E). Az áramsűrűség (A/m2) a kisebb keresztmetszett miatt egyébként is megnő, ezért „kisebb áramfelvételre kellett a csöveket méretezni”. [1] Az áramsűrűség növelése az elektródokon és az előtéten is nagyobb veszteséggel járt volna, ezért a térerősséget növelték meg a kisülő cső átmérőjének csökkentésével. A csőátmérő csökkentése nagyobb falhőmérséklettel, nagyobb gázhőmérséklettel és gáznyomással, eredményképpen pedig nagyobb ellenállással jár. Ez két problémát vetett fel.
(1) A fénycsövekhez képest kisebb falfelület miatt a burafal 1 cm2-ére jutó UV terhelést (0,04-0,08 W/cm2 helyett 0,12 W/cm2) a hagyományos fényporok nem bírják. Ezért a kompakt fénycsövek belső falán háromsávos fényport alkalmaznak, amelyek bírják a megnövekedett UV terhelést. Az ilyen fénypor kiváló színvisszaadást kölcsönöz a fényforrásnak.
(2) A maximális fényhasznosítás adott nyomás mellett érhető el a kisnyomású higanykisülések esetében. A nagyobb falterhelésű, kisebb keresztmetszetű csőben a bura fala jobban felhevül, ami a fényhasznosítás csökkenéséhez vezet. Annak érdekében, hogy a fényhasznosítás ne csökkenjen amalgámot alkalmaztak a kompakt fénycsövekben. Míg a fénycsőben higany található (hideg állapotban kis cseppek formájában), a kompakt fénycsövekben amalgámot alkalmaznak. A különböző fémek higannyal képzett ötvözeteit nevezzük amalgámoknak. [1] „Az amalgám egy része olvadt fázisban található – viszonylag nagy higanytartalommal -, másik része kristályos, fémes fázisban van, amely egyáltalán nem – vagy csak nagyon csekély mértékben – tartalmaz higanyt. Ha a hőmérséklet emelkedik, a stabil fémes összetevő olvadni kezd, és ez azt jelneti, hogy az olvadt fázis Hg koncentrációja csökkeni fog. A hőmérséklet emelése miatt ugyan a higany párolgásának intenzitása az olvadt fázisból növekszik, de a két folyamat együttesen azt eredményezi, hogy a higany gőznyomása a két fázis felett, egy elég széles hőmérséklettartományban viszonylag stabillá válik.” [1, 195. oldal]
A fényhasznosítás csökkenésének ellensúlyozására az amalgám alkalmazása mellett született egy másik megoldás is: a kisülőcsövet bizonyos helyeken kiszélesítették, létrehozva ezzel az ún. hideg kamrát. A nagyobb átmérőjű szakaszon ezzel csökkentették az áramsűrűséget, az elektromos térerősséget, következésképpen a bura falának hőmérsékletét. A hideg kamra kialakítása határozza meg a telített higanygőz nyomását, így a lámpakonstruktőrök a hideg kamra megfelelő méretezésével viszonylag pontosan be tudják állítani a cső belsejében működés közben fellépő nyomást, megőrizve a lehető legmagasabb fényhasznosítást. [1]
A mai kompakt fénycsövek 60-80 lm/W fényhasznosítással, 2700K-től 6500K-ig terjedő korrelált színhőmérséklet, 80-as vagy magasabb színvisszaadási indexszel kaphatók. Élettartamuk jellemzően 10-12 ezer óra, de a működési idő függvényében fényhasznosításuk folyamatosan csökken. Az élettartam végére az eredeti fényáram csak 25%-át produkálják. Az ilyen fényforrások felfutási ideje hosszúnak tekinthető (több mint 6 sec.). [1] A kompakt fénycsövek fényáramuk maximumát 25°C-os környezeti hőmérsékletben produkálják. Ennél magasabb vagy alacsonyabb környezeti hőmérsékletben a fényáramuk csökken. A csökkenés mértéke az alábbi ábrán látható.
5. ábra: Fénycsövek relatív fényárama a környezeti hőmérséklet függvényében [9]
A hőmérséklet függő fényáram nagy mértékű csökkenése nagy hátrány külső téri alkalmazások esetén a hidegebb hónapokban. Hideg időben a burafal is nehezebben melegszik be, ami növeli a kültéren alkalmazott kompakt fénycsövek felfutási idejét.
Végezetül, vannak dimmelhető és nem dimmelhető kompakt fénycsövek. A dimmelhető típusokat a gyártók jelölik a csomagoláson, azonban megfelelő előtét alkalmazása szükséges a dimmelés megvalósításához. A kompakt fénycsövek áttekintése után következzen a LED-ek fejlődése és működési elve.
2.5 LED-ek történelmi áttekintése A LED egy angol rövidítés, mely fény kibocsájtó diódát (Light Emitting Diode) jelent. A LED-ek története egészen 1907-ig visszanyúl, amikor Henry Joseph Round, a brit Marconi Laboratóriumok munkatársa észrevette, hogy a szilikon-karbid kristályokon átvezetett 10 voltos feszültség sárgás fény kibocsájtását eredményez. Először Oleg Vladimirovich Losev, egy orosz tudós írt a jelenség működési elvéről 1927-ben. Ezt követően különböző okokból semmiféle fejlődés nem mutatkozott a területen egészen 1955-ig, amikor a Radio Corporation of Americanál dologzó Rubin Braunstein leírta, hogy néhány egyszerű dióda infravörös elektromágneses sugárzást bocsájt ki, amikor áramot vezetnek át rajtuk. 1961-ben pedig a Texas Instruments nevű cég két mérnöke, Gary Pittman és Bob Biard vették észre, hogy a gallium-arsenide dióda infravörös spektrumban sugároz, ha áramot vezetnek át rajta. Az infravörösben sugárzó LED szabadalmát Pittman és Biard jegyzi, 1961-ből. A látható spektrumban történő sugárzás viszont Nick Holonyak Jr., a General Electric fejlesztőmérnöke találta fel egy évvel később, 1962-ben. [6] Az ő találmánya a spektrum vörös tartományában bocsájtott ki fényt áram hatására. Holonyak később elhagyta a céget és az illinoisi egyetemre ment tanítani, ahol 1972-ben az egyik diákja, M. Geroge Craford alkotta meg az első sárga tartományban sugárzó LED-et. Emellett előállított egy vörösben intenzívebben sugárzó LED-et is. 1976-ban Thomas P. Pearsall alkotta meg az első magas fényt adó LED-et, mely az optikai szálas kommunikáció területén jelentett előrelépést. A japán Nichia cég mérnöke, Shuji Nakamura állította elő az első kék LED-et 1979-ben, de a sorozatgyártott kék LED-ek költséghatékony gyártására egészen 1994-ig várni kellett. Nakamura, két másik kollégájával, Isamu Akasakival és Hiroshi Amanoval együtt az 1980-as és 1990es évekbeli eredményeik miatt 2014-ben fizikai Nobel díjat kaptak. Először ők tudtak gallium-nitrit félvezetőből hatékonyan kék fényt előállítani. [7]
A LED-ek fényhasznosítása és spektrális összetétele folyamatosan javul. Míg 2010-ben egy 50 lm/W fényhasznosítású LED jelentette a csúcsot, 2017 végére a Nichia japán cég piacra bocsájtott egy 222 lm/W fényhasznosítású fényforrást (ez a fényhasznosítás 25°Cos kristály hőmérsékleten értendő). Ugyanakkor az is igaz, hogy a LED-ek fényhasznosítása nem növekedhet a végtelenségig, sőt a fényhasznosítás javulása nem csak lassulni, hanem megállni látszik.
A kék led spektrális összetételét is sikerült az elmúlt években javítani, egészen addig, hogy a legjobb termékek már majdnem a teljes látható spektrumban sugároznak, bár eltérő intenzitással. Színhőmérséklet tekintetében is lényeges változások történtek az elmúlt évtized alatt: míg korábban kuriózumnak számítottak a vastagabb foszforréteggel bevont, alacsonyabb korrelált színhőmérsékletű LED fényforrások, ma már 1750K korrelált színhőmérsékletű LED fényforrásokat is gyártanak (pl. a Bridgelux cég által gyártott Vero sorozat egyes termékei).
2.6 LED-ek működési elve és tulajdonságai
A LED dióda egy összeillesztett p és n félvezető rétegből áll. A p réteg pozitív, az n réteg negatív töltéshordozó. A vezetési sávban az elektronok többlet energiával bírnak a vegyértéksávban lekötött elektronokhoz képest. Amikor áramot vezetnek át a diódán, akkor az n rétegben szabad elektronok diffundálni kezdenek a p réteg felé. Ahogy a p réteg is energiát vesz fel a villamos áram hatására, úgy a p réteg atomjaiból vegyérték elektronok válnak le és ún. lyukak képződnek. Az n rétegből a p réteg felé haladó elektronok a p-n átmenetben rekombinálódnak a lyukakkal. A rekombinációs folyamat során a vezetési sávból vegyértéksávba kerülő elektron a többletenergiáját elektromágneses sugárzás formájában adja le. A fénykeltés elve az alábbi ábrán látható.
6. ábra: a fénykeltés elve rekombinációval [8]
Tiltott sávnak a vezetési sáv és a vegyérték sáv közti sávot nevezik. A vezetési sáv és vegyérték sáv között lévő energiakülönbség határozza meg, hogy milyen hullámhosszú elektromágneses sugárzás jön létre a rekombináció során. A létrejövő sugárzás monokromatikus, amit a félvezető anyag minősége (sávszélessége) határozz meg.
Mind a p, mind az n félvezető réteget különböző vegyületekkel adalékolják annak érdekében, hogy különböző frekvenciájú sugárzást hozzanak létre a rekombináció során. [14]
7 ábra: A világítás színe és dióda összetétele [14]
Az adalékolt vegyületektől függően, a LED-ek spektrális eloszlása a monokromatikus színtől a fehérig terjed. Utóbbiak színhőmérséklete egészen 1750 K-től (lásd Bridgelux, Vero 18 széria, BXRC-17E4000-B-74 cikkszámú COB LED) 8000 K-ig terjed.
8 ábra: LED diódák spektrális teljesítmény-eloszlása [14]
A lumineszcencia jelenségét használják fel arra, hogy a monokromatikus sugárzást különböző hullámhosszúságúvá tegyék. Ezt a fénycsöveknél már bevált technológiával, fénypor alkalmazásával valósítják meg, melyet a fény emittáló dióda tokozása során a fénykilépő felületre visznek fel. A fénypor vegyületi összetételétől függően, ma már folytonos színképű, rendkívül magas színvisszaadási indexű (akár CRI=98) fényforrásokat is létre tudnak hozni. E tekintetben a LED-es fényforrások nem csak a legmagasabb színvisszaadási indexű (háromsávos) fénycsöveket, hanem a hagyományos λ [nm] Szín Anyag >760 IR GaAs, AlGaAs 700 Vörös GaP:Zn-O/GaP 660 Vörös GaAl0,3As/GaAs 630 Vörös GaAs0,35P0,65:N/GaP 610 Narancs GaAs0,25P0,75:N/GaP 590 Sárga GaAs0,15P0,85:N/GaP 565 Sárgás zöld GaP:N/GaP 555 Sárgás zöld GaP/GaP 520 Zöld InGaN; SiC 500 Kékeszöld InGaN 450 Kék InGaN, GaN <400 UV AlGaN, AlN (210 nm) izzólámpákat is gyakorlatilag utolérték. A LED-ek sugárzási szöge a 10-20°-tól 150°-ig terjed, de a ráépített optikával egészen 170°-os sugárzási szöget is el tudnak érni (ami már majdnem Lambert sugárzónak tekinthető). A fénytechnikai jellemzők közül érdemes még kiemelni, hogy a LED-es fényforrásoknak nagy a fénysűrűsége, fényhasznosításuk magas és élettartamuk rendkívül hosszú lehet a megfelelő működési körülmények biztosítása mellett. A megfelelő körülmények itt a névleges értékek betartását, megfelelő tokhőmérsékletet (azaz megfelelő hűtést) és stabil tápellátást jelent. A névlegesnél magasabb átfolyó áram, a chipben szerkezeti változásokat idézhet elő, ami a fényáram gyors csökkenéséhez vezet. A fényemittáló diódák hasznos élettartamát az L70 és L50 szabványosított értékei jelzik. Az L70 és L50 azt az időtartamot jelöli, amely alatt a fényforrás fényárama 70, illetve 50%-ra csökken. [14]
Végezetül, az általános világítástechnikában, három LED chip fajtát alkalmaznak. Ezek a következők: SMD LED, multichip LED és COB (chip on board) LED.
9 ábra: SMD, multichip és COB LED [14]
