IZVORI SVETLOSTI

I

SVETILJKE

IZVORI SVETLOSTI

• Od brojnih karakteristika izvora svetlosti mogu

se izdvojiti one koje dominantno utiču na naš

sud o njihovom kvalitetu. To su pre svega:

1. Svetlosna iskoristivost, koja predstavlja odnos

svetlosnog fluksa i aktivne električne snage

izvora svetlosti,

2. Vek trajanja (prosečan broj časova rada izvora

svetlosti koji proteknu dok njegov svetlosni

fluks ne opadne za određeni procenat),

Procentualno opadanje svetlosnog fluksa metal-halogenih izvora

Procenat nepregorelih metal-halogenih izvora

Степен запрљања околине

Тип извора светлости

Период одржавања (T) Висок Средњи Низак

Степен

механичке

заштите

светиљке

Конвенционални NaVP извори (типа

PRO): T = 36 мес. (3 год.)

0.67 0.72 0.77 IP5X

0.73 0.77 0.79 IP6X

0.78 0.80 0.84 SEALSAFE

NaVP извори типа MASTER SON-T PIA

Plus: T = 48 мес. (4 год.)

/ / / IP5X

0.74 0.81 0.85 IP6X

0.84 0.86 0.89 SEALSAFE

Конвенционални HgVP извори: T = 24

мес. (две године)

0.67 0.69 0.72 IP5X

0.71 0.71 0.72 IP6X

0.72 0.73 0.76 SEALSAFE

HgVP извори типа HPL 4 Pro:

T = 48 мес. (4 год.)

0.72 0.73 0.76 IP5X

0.75 0.76 0.76 IP6X

0.76 0.76 0.80 SEALSAFE

Метал-халогени извори снаге 250 W и

400 W: T = 18 мес. (годину и по)

0.71 0.72 0.75 IP5X

0.74 0.75 0.76 IP6X

0.75 0.76 0.79 SEALSAFE

Метал-халогени извори снаге 70 W,

100 W и 150 W (типа CDO-TT):

T = 18 мес. (годину и по)

0.69 0.70 0.72 IP5X

0.71 0.72 0.73 IP6X

0.73 0.73 0.76 SEALSAFE

Компакт флуо извори за спољно

осветљење са електронским

предспојним уређајем: T = 42 мес.

(три и по године)

/ / / IP5X

0.72 0.77 0.80 IP6X

0.79 0.81 0.85 SEALSAFE

Табела фактора одржавања светиљки

Na naš sud o kvalitetu izvora svetlosti značajno

utiču i:

3. (Pridružena) temperatura boje, i

4. Indeks reprodukcije boja.

Prva karakteristika se odnosi na boju svetlosti

izvora, a druga na njenu sposobnost da verno

reprodukuje boje tela i površina u prostoru.

Plankov lokus na dijagramu boja

Deo Plankovog lokusa, sa kosim crtama koje

predstavljaju linije istih pridruženih temperatura boje

• Prema vrsti procesa kojim se vrši transformacija

električne energije u svetlost, električni izvori

svetlosti se mogu podeliti na:

- Izvore sa užarenom niti,

- Izvore sa električnim pražnjenjem, i

- Poluprovodničke (LED) izvore.

Pojavu da metal zagrejan do visoke temperature

еmituje svetlost prvi put je demonstriрao Hemfri

Dejvi pred članovima Britanskog kraljevskog

društva, dalekе 1809. godine. Svetlost je

еmitovalo vlakno izrađeno оd platine.

Prva sijalica sa užarenim vlaknom konstruisana je

1835. godine u Škotskoj.

Prvu komercijalnu sijalicu sa užarenim vlaknom,

izrađenim od ugljena, konstruisao je Amerikanac

Tomas Edison, 1878. godine.

Sijalice sa vlaknom od volframа, koje se i danаs

koriste, prvi put su se pojavile na tržištu 1911.

godine.

Volfram poseduje optimalne karаkteristike sa

аspekta emisиvnosti, stepеna isparаvanja i

mehaničke čvrstoće.

Standardna sijalica (1 - podnožak (bajonet tipa-levi deo, i u obliku navojnice-desni deo), 2 - balon i 3 - nit)

Jednostruko (a) i dvostruko (b) spiralizovana nit

Spektar sijalice sa užarenom niti

Providna (a), matirana (b) i opalizovana (c) sijalica sa užarenom niti

Reflektorske sijalice (sa metaliziranom kalotom (a), duvane (b) i presovane (c))

Prve halogene sijalice (sa balonom izrađenim od

kvarca) pojavile su se pre pedesetak godina.

Primer cevaste halogene sijalice

IZVORI SVETLOSTI SA ELEKTRIČNIM

PRAŽNJENJEM

Osobina jonizovanog gasa da može da proizvodi

svetlost prvi put je primećena daleke 1675. godine.

Lučna lampa sa elektrodama od ugljena prvi put je

predstavljena 1801. godine.

Neonske lampe su se prvi put pojavile 1911.

godine, a fluorescentne cevi koje su bile

prethodnica onima koje se danas koriste 1938.

godine.

Izvori svetlosti sa električnim pražnjenjem

niskog pritiska:

- Fluorescentne cevi

- Indukcioni izvori

- Natrijumovi izvori niskog pritiska.

Strujno kolo pomoću koga se fluo cev priključuje na mrežu

Spektri zračenja standardnih fluo cevi:

a) toplo bele boje (T=3000 K);

b) svetlo bele boje (T=3500 K);

c) bele boje (T=4000 – 4500 K);

d) boje dnevne svetlosti (T=6500 K)

Zavisnost svetlosnog fluksa fluo cevi od

temperature ambijenta

Izgled natrijumove sijalice niskog pritiska

i njenog spektra

Početkom pedesetih godina XX veka konstruisane su natrijumove sijalice niskog pritiska.

Izvori svetlosti sa električnim pražnjenjem

visokog pritiska:

- Živini izvori visokog pritiska

- Metal-halogeni izvori

- Natrijumovi izvori visokog pritiska

Živine sijalice visokog pritiska konstruisane su

približno istovremeno kad i fluorescentne cevi

(tridesetih godina prošlog veka).

Izgled živinog izvora

visokog pritiska

Izgled spektra živinog izvora visokog pritiska za slučaj:

a) providnog spoljnog balona

b) spoljnog balona sa standardnim fluorescentnim slojem

Živini izvori visokog pritiska:

- P≤1000 W

- η≤60 lm/W

- T≈8000 h

- Tb=4000 K

- Ra≈45

- vreme paljenja 3 min.

- vreme ponovnog paljenja 10 min.

Različite verzije metal-halogenih izvora

(u obliku elipsoida (a), providne cevi (b) i sofite (c))

Metal – halogeni izvori:

- P≤3500 W

- η≤80 lm/W

- T≈8000 h

- Tb=4000 - 4500 K, 5600 K

- Ra≈65 - 80 (preko 90 za izvore koji se koriste za TV prenose)

- vreme paljenja 3 min.

- vreme ponovnog paljenja 10 min.

Pre dvadesetak godina konstruisane su metal-

halogene sijalice sa keramičkim gorionikom.

• Metal – halogeni izvori sa keramičkim gorionikom:

- P= 35 – 250 W

- η≤95 lm/W

- T≤8000 h

- Tb=3000 K i 4000 K (Tb=const.)

- Ra>80

- Mogu da rade sa predspojnim uređajima za Na izvore visokog pritiska

Raspodela snage zračenja i prikaz

dve verzije natrijumovih sijalica visokog pritiska

Početkom šezdesetih godina XX veka konstruisane

su natrijumove sijalice visokog pritiska.

• Natrijumovi izvori visokog pritiska:

- P≤1000 W

- η≤130 (150) lm/W

- T≤16000 (20000) h

- Tb≈2100 K

- Ra=23

- vreme paljenja 5 min.

- vreme ponovnog paljenja 1 min.

SVETILJKE

Razvoj izvora svetlosti bio je praćen razvojem

svetiljki, i to kako optičkog bloka (reflektora i

protektora), tako i električnog bloka

(predspojnih uređaja, startera, ...).

Delovi svetiljke koji utiču na

raspodelu svetlosnog fluksa

• U određivanju raspodele svetlosnog fluksa

svetiljke mogu da učestvuju:

- Reflektori,

- Refraktori,

- Difuzori,

- Štitnici,

- Sočiva, i

- Filteri.

Štitnici

Zaštitna mreža

Rasteri

Zaslon

Tuba

Rasteri

Danas se posebna pažnja posvećuje tehnologiji

proizvodnje sočiva, koja predstavljaju jedan od

ključnih elemenata LED svetiljki.

Filteri u boji

Faktori transparencije filtera u boji

Izvor svetlosti : CDM-T

0.75 0.3 0.21

0.025 0.012

Stepen mehaničke zaštite svetiljki

• IP XY

X – zaštita od prodora čvrstih čestica

Y – zaštita od prodora vode

X=0 - 6

Y=0 - 8

Stepen zaštite svetiljki od

mehaničkog udara

• Opseg stepena zaštite: IK0 – IK10

(IK0 – nema nikakve zaštite; IK10 – svetiljka

zaštićena od vandalskog delovanja)

• Većina fotometrijskih podataka o svetiljci

odnosi se na fluks izvora od 1000 lm

(normalizovana tabela svetlosnog

intenziteta, normalizovani polarni

dijagrami,...).

Axis of rotation of

C-planes

C=180°

C=90°

C=0°

C=270°

C-γ SYSTEM OF COORDINATES

Izvod iz tabele svetlosnog intenziteta

Polar diagram of a road lighting luminaire

Industrijska (rotaciono-simetrična) svetiljka

Polar diagram of an industrial lighting luminaire

Polar diagram of a floodlight luminaire

Transversal light distribution

Longitudinal extensivity

Davne 1907. godine, priključivši kristal izrađen

od dva poluprovоdnička materijalа na

jednosmerni izvor napona 10 V, Englez Henri

Džozef Raund bio je zapаnjen onim što je video

– kristal je еmitovao žućkastu svetlost.

Prvi patent u oblasti LED tehnolоgije pripadа

Rusu Olegu Vladimiroviču Losevu (1929.

godine).

Ipak, smatra se da je prvi LED čip konstruisao

Englez Nik Holоnajk (1962. godine).

Komercijalna upotreba LED čipova (crvene

boje) započela je 1968. godine.

Od tada, svake decenije, svetlosna iskoristivost

LED čipova povećavana je 20 puta, dok je u

istom periodu njihova cena padala 10 puta.

Posle čipova crvene boje konstruisani su čipovi

žute, zelene i, na kraju, plave boje.

Prvi LED izvor bele svetlosti 1993. godine

konstruisao je Japanac Shuji Nakamura, koji je

2014. godine za to dobio Nobelovu nagradu.

LED (Light Emitting Diode) izvori

1. Zasnovani su na poluprovodničkoj tehnologiji.

2. Izrađuju se kao monohromatski čipovi crvene, amber, zelene i plave boje.

3. Konstruisan je i LED paket bele boje (veoma dobre reprodukcije boja), i to najpre u varijanti hladne, a ubrzo i u varijantama neutralne bele i toplo-bele boje.

• Kristal koji se sastoji od poluprovodničkog

materijala p-tipa i poluprovodničkog materijala

n-tipa koji imaju zajedničku dodirnu površinu

naziva se dioda.

• Poluprovodnički p-n spoj (dioda, LED čip) uvek se

postavlja u plastičnu kapsulu, čime se obrazuje LED paket.

Izgled jednog LED paketa nove generacije

• Plastična kapsula može da bude difuzna, kada obezbeđuje

emisiju svetlosti u svim pravcima, a može da bude i

providna, kada se usmeravanje svetlosti vrši uz pomoć

sočiva koje okružuje kapsulu.

• Da bi se obezbedila zaštita svetiljke od prodora

prašine i vode, sem sekundarne optike (sočiva)

izvodi se i tzv. tercijarna optika, odnosno

protektor izrađen od stakla ili providne plastike

otporne na ultraljubičasto zračenje.

Primer protektora svetiljke za ulično osvetljenje

• Iako su istraživanja sa LED čipovima započeta još

pre pola veka, tek 1990. godine učinjen je odlučujući

napredak koji je omogućio masovniju primenu LED

tehnologije, i to kako u unutrašnjem, tako i u

spoljašnjem osvetljenju. Tada je konstruisan LED čip

plave boje (blue - B), koji je, sa do tada razvijenim

čipovima crvene (red - R) i zelene boje (green - G),

upotpunio skup od tri osnovne boje čijom se

kombinacijom mogu dobiti skoro sve boje spektra.

Kombinacijom ta tri čipa (RGB) dobijena je i bela

boja, koja je bila neophodna za realizaciju cilja da

LED tehnologija dominira u oblasti osvetljenja.

• LED čip plave boje predstavljao je i osnovni

element za dobijanje LED paketa bele boje,

kome se od početka težilo. Naime, premazom

unutrašnje strane kapsule koja sadrži LED čip

plave boje specijalnim luminiscentnim

supstancama žućkaste boje koje obezbeđuju

dobijanje preostalih boja spektra, proizveden je

LED paket bele boje, veoma dobre

reprodukcije boja.

• Kriva spektralne raspodele snage zračenja

LED paketa bele boje ima oštar pik u području

plave boje (440 – 460 nm) i zaravnjen pik u

području žute boje (540 – 575 nm) ili u

području crvene boje (610 nm).

Spektralna raspodela snage LED paketa bele boje

• Stalnim poboljšanjima karakteristika diode,

luminiscentnih supstanci i kapsule LED

paketa, u poslednje dve decenije svetlosna

iskoristivost LED paketa povećala se sa 5 na

preko 250 lm/W (ostvareno u lab. uslovima).

• Komercijalno raspoloživi LED paketi bele

boje imaju oko dva puta manju svetlosnu

iskoristivost.

Očekuje se da do 2025. godine komercijalni LED izvori bele svetlosti dostignu 200 lm/W. Veruje se da će ubrzo posle toga ostali tipovi izvora svetlosti polako prestajati da se proizvode.

Procenjuje se da će ekskluzivna upotreba LED tehnologije na globalnom nivou omogućiti uštede električne energije koje odgovaraju proizvodnji čak 250 velikih nuklearnih elektrana.

• Pošto diode (uključujući i one koje sadrže LED paketi

bele boje) ne emituju infracrveno (toplotno) zračenje,

proizvedena količina toplote može da se preda okolini

samo provođenjem (kondukcijom) ili strujanjem okolnog

vazduha (konvekcijom). Odvođenje toplote predstavlja

jedan od glavnih problema sa kojima se susreću

konstruktori LED svetiljki (kućišta svetiljki su velikih

dimenzija i sa rebrima). Nedovoljno odvođenje toplote

dovodi do povećanja temperature spoja LED paketa i

podloge, koje redukuje svetlosni fluks, a naročito životni

vek LED paketa.

• Vodeći proizvođači LED paketa generalno deklarišu

životni vek LED paketa kao vreme za koje njegov

svetlosni fluks padne na 80% početne vrednosti. Slika

pokazuje da se životni vek od 60000 h, koji su do

nedavno proizvođači najčešće deklarisali, može postići

samo ako temperatura spoja nije veća od 65 °C.

Φrel (%)

Vreme (h)

Zavisnost tipičnog životnog veka LED paketa od

temperature spoja (°C)

• Obavezan deo svake LED svetiljke

predstavlja LED drajver, koji obezbeđuje

da LED paketi rade sa jednosmernim

naponom od oko 3.3 V. Potrošnja

drajvera iznosi oko 10% ukupne

potrošnje LED čipova.

• LED izvori svetlosti predstavljaju skoro idealno rešenje u

instalacijama sa češćim uključenjima (isključenjima) i

promenama svetlosnog fluksa svetiljki. Česta uključenja

(isključenja) ne utiču nepovoljno na njihov životni vek, a

nominalan svetlosni fluks dostižu za manje od jedne

milisekunde.

• Ne samo što se regulacijom svetlosni fluks LED izvora

može smanjiti čak ispod 1% početnog, nego se za

približno isti procenat tada smanjuje potrošnja električne

energije. Uz to, redukcijom svetlosnog fluksa ne menja se

boja svetlosti LED izvora (boja svetlosti NaVP izvora

postaje sve bliža narandžastoj boji).

• Pošto je moguća redukcija svetlosnog fluksa svakog

LED paketa, moguća je i redukcija njegovog

svetlosnog intenziteta, koja se vrši za isti procenat.

Dakle, promena svetlosnog intenziteta RGB LED

svetiljki, bez promene boje svetlosti, vrši se tako što

se svetlosni fluks svakog LED paketa smanji za isti

procenat. Različitim redukcijama svetlosnog fluksa

LED čipova crvene, zelene i plave boje (RGB)

moguće je postići beskonačno mnogo različitih boja

svetlosti RGB LED svetiljki.

• Upotreba LED paketa bele boje, zbog prisustva

komponente plave boje velike emisione moći u

njihovom spektru, kao i zbog velike sjajnosti LED

paketa (koji se, zbog veoma malih dimenzija,

nazivaju i tačkasti izvori svetlosti), može da izazove

oštećenja mrežnjače oka (ovom riziku su posebno

izložena deca).

• Drugi negativan efekat se ogleda u činjenici da

svetlost plave boje čije su talasne dužine blizu

480 nm negativno utiče na čovekov biološki

sat – produžava stanje budnosti.

• Činjenica da su LED paketi hladne bele boje, iako

energetski najefikasniji od svih LED paketa bele boje,

najnepovoljniji sa aspekta fotobiološkog rizika,

predstavlja dodatni razlog da ovakve izvore svetlosti

ne treba primenjivati u osvetljenju (osnovni razlog je

njihova neprihvatljiva, hladna boja svetlosti).

• Nedavno sprovedeno istraživanje je pokazalo da pri

upotrebi LED umesto NaVP svetiljki u uličnom

osvetljenju ušteda električne energije može da iznosi

do 64%, ali i da u pojedinim slučajevima (centralni

raspored stubova, 3 vozne trake) dolazi do povećanja

potrošnje električne energije, koje može da iznosi i

21%.

• Tehno-ekonomska analiza je pokazala da su ukupni

troškovi instalacija uličnog osvetljenja izvedenih sa

LED svetiljkama uglavnom veći od onih koji

karakterišu instalacije realizovane primenom svetiljki

sa NaVP izvorima svetlosti. Međutim, trend je jasan:

konstruišu se sve kvalitetnije (pre svega energetski

efikasnije) LED svetiljke, a njihova cena i dalje

opada, mada mnogo manje nego prethodnih godina.

Očekuje se da će za samo nekoliko godina LED

svetiljke biti skoro nezamenljive u uličnom

osvetljenju.

• U okviru pilot projekta parkovskog osvetljenja,

koji je realizovan juna 2012. godine, ispitivani

su subjektivni doživljaji ispitanika po pitanju

svih relevantnih karakteristika ambijentalnog

osvetljenja izvedenog pomoću LED i MH

svetiljki. U anketi je učestvovalo 112

ispitanika, od kojih je 49 imalo, a 63 nije imalo

predznanja iz oblasti osvetljenja. Rezultati

sprovedene ankete su pokazali da je preko

86% ispitanika iz obe grupe preferiralo

osvetljenje staze i ambijenta izvedeno pomoću

MH izvora svetlosti.

• Glavne karakteristike LED svetiljki koje ih

preporučuju za arhitektonsko urbano osvetljenje su:

• relativno male dimenzije i usmereni svetlosni snopovi

LED reflektora,

• širok dijapazon pridružene temperature boje i veoma

dobra reprodukcija boja LED izvora svetlosti,

• mogućnost proizvodnje svetlosti bilo koje boje, i

• dinamično osvetljenje.

Gimnazija “Takovski ustanak” u Gornjem Milanovcu

Kapetan Mišino zdanje u Beogradu

Objekat pri dnevnoj svetlosti i u dva režima veštačkog

LED osvetljenja

Dinamično osvetljenje Sidnejske opere tokom

Festivala svetlosti

Most na Adi u Beogradu

Prednosti LED izvora obezbeđuju

nove aplikacije:

1. U vlažnim sredinama (kupatila, npr.);

2. Kao efekat ili orijentacija pri kretanju;

3. LED izvori kao deo nameštaja;

4. Potpuna sloboda u kreiranju svetiljki novih

oblika;

5. Mogućnost menjanja boje ambijenta.