Nejnovější trendy v oblasti světelných zdrojů

Nejnovější trendy v oblasti světelných zdrojů

Jakékoliv pojednání o současném stavu a základních trendech v oblasti světelných zdrojů nelze zahájit jinak než konstatováním, že jde o oblast vyvíjející se velmi dynamicky se soustavným doplňováním nových, technicky dokonalejších a hospodárnějších světelných zdrojů. Významné světelné firmy vyrábějící téměř celý sortiment, ale i menší výrobci soustřeďující se na určitý, velmi úzký úsek trhu přicházejí trvale s novinkami, které poskytují světelným technikům stále lepší možnost zajišťovat zrakovou pohodu při dodržení zásad hospodárnosti ve standardních osvětlovacích soustavách, stejně jako dosažení estetických účinků i v těch nejnáročnějších světelnětechnických projektech. Úvahy autora vycházejí ze studia literatury, z návštěv nejvýznamnějších evropských veletrhů a výstav a diskusí s předními experty v oboru světelných zdrojů.

Hlavní inovační trendy

• trvalé zvyšování provozní spolehlivosti a účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou, zejména u výbojových zdrojů;

• všeobecná snaha zmenšovat rozměry světelných zdrojů –nejsou-li předmětem přísné normalizace – s cílem vytvořit optimální podmínky pro výrobce svítidel z hlediska zlepšení optických vlastností svítidel i z hlediska materiálových a následně i přepravních nákladů;

• soustavný tlak na zvyšování ekologičnosti vyráběných světelných zdrojů, a to z hlediska výrobce, ale i spotřebitele (plná recyklovatelnost);

• pokračující elektronizace téměř všech oblastí světelné techniky, počínaje předřadnými obvody pro výbojové zdroje až po komplexní inteligentní řízení osvětlení v objektech s využitím počítačů v závislosti na požadovaných podmínkách a s cílem dosáhnout světelného komfortu a současně i úspor elektrické energie;

• aplikace technologie tenkých vrstev pro zlepšení teplotní bilance svíticího tělesa; zejména u halogenových žárovek, v kombinaci s tzv. nízkotlakou technologií a rozšiřující se aplikací xenonu jako nosného plynu se dosáhlo dalšího zlepšení užitných vlastností halogenových žárovek;

• zvyšující se podíl zářivek o Ć16 mm na celkovém objemu výroby lineárních zářivek;

• trvalá snaha výrobců kompaktních zářivek dosáhnout při zachování deklarované energetické výhodnosti těchto světelných zdrojů skutečně rovnocenných podmínek osvětlení na pracovní ploše;

• pokračující „průnik“ diod LED do dalších oblastí osvětlování;

• další rozšiřování sortimentu halogenidových výbojek s hořákem z korundové keramiky při současné racionalizaci konstrukce a technologie výroby korundových polotovarů;

• rozšiřování sortimentu bezelektrodových světelných zdrojů;

• rozšiřující se aplikace světlovodů.

Obecné důsledky naznačených trendů
Soustavné zvyšování provozní spolehlivosti souvisí s trvale se prosazujícími požadavky na zvyšování kvality výrobků, což se promítá do zpřísňujících se požadavků mezinárodních norem a v ještě větší míře do požadavků náročných zákazníků (např. prvovýrobců v automobilovém průmyslu nebo technických služeb zajišťujících osvětlení velkých měst apod.). V těchto intencích působí i různé certifikační systémy, jejichž uplatňování u výrobců světelných zdrojů je samozřejmou povinností.

Zlepšování parametrů světelných zdrojů, které naznačené trendy potvrzují:

• prodloužení záruční doby kompaktních zářivek nejvýznačnějších světových výrobců na pět let;

• deklarování spolehlivého provozu vysokotlakých sodíkových výbojek po dobu čtyř let, což umožňuje snížit náklady na údržbu osvětlovacích soustav zavedením skupinové výměny světelných zdrojů jednou za čtyři roky. Výpadky do této doby (přibližně do 16 000 h) činí u hlavního sortimentu pouze 5 %;

• prodloužení života kompaktních zářivek s integrovaným předřadníkem a žárovkovou paticí na 15 000 h;

• prodloužení života zářivek o Ć 26 mm s třípásmovými luminofory a ochrannou vrstvou na 15 000 h;

• prodloužení života halogenových žárovek v různých provedeních (včetně variant se studeným zrcadlem) na 3 000 až 4 000 h;

• obdobné tendence se projevují i u dalších typů světelných zdrojů, včetně obyčejných žárovek, kde při zachování středního života 1 000 h je limitován počet předčasně vyhořelých žárovek.

Trend zmenšování rozměrů světelných zdrojů
je pozorovatelný napříč celým jejich sortimentem. Tato snaha je motivována úsporami materiálů světelného zdroje i svítidla, popř. zařízení, v němž je světelný zdroj provozován. Menší rozměry výrobků významně snižují skladovací a přepravní náklady. Koncentrované svíticí těleso světelného zdroje umožňuje přesněji přerozdělovat světelný tok, zlepšit optickou soustavu svítidla, lépe řešit problémy s oslněním. Z nejdůležitějších opatření v této oblasti lze uvést:

• zkracování délky kompaktních zářivek s integrovaným předřadníkem;

• zmenšování rozměrů elektronické části kompaktních zářivek s integrovaným předřadníkem;

• již zmíněné zmenšení průměru zářivek (T5), včetně jejich délky, v porovnání s blízkým typovým představitelem zářivek T8 a T12;

• vývoj miniaturních zářivek s průměrem trubice 7 mm;

• vývoj vysokowattových halogenidových výbojek bez vnější baňky;

• vývoj halogenidových výbojek s křemennou vnější baňkou v sufitovém provedení;

• vývoj vysokotlakých sodíkových výbojek v sufitovém provedení;

• stále větší podíl svítivých diod v oblastech, kde se používaly trpasličí žárovky;

• vývoj vysokotlakých sodíkových výbojek s křemennou vnější baňkou v jednotiskovém provedení s kolíkovou paticí;

• vývoj halogenidových výbojek s korundovým hořákem;

• rozšiřování sortimentu celoskleněných žárovek (bez patice), a to i v oblasti halogenových žárovek.

Světelné zdroje a ekologie
Tendence zvýšení „ekologičnosti“ světelných zdrojů se projevuje tlakem na výrobce používat materiály a technologické postupy, které jsou co nejšetrnější během výroby světelného zdroje i během jeho provozu a zejména při likvidaci po ukončení jeho života.

Tímto způsobem již byly v minulosti z konstrukčních prvků světelného zdroje zcela vyloučeny takové prvky jako arzen a kadmium z luminoforů, trvale se zpřísňují požadavky na snižování množství rtuti ve všech výbojových zdrojích (u zářivek se množství snížilo z asi 150 mg až na 3 mg, část sortimentu vysokotlakých sodíkových výbojek se vyrábí bez rtuti), snižuje se obsah oxidu olovnatého ve skleně ných polotovarech, omezuje se používání butylacetátu při přípravě luminoforových suspenzí, vytváří se tlak na omezení obsahu thoria v emisních hmotách, chemické matování baněk pomocí kyseliny fluorovodíkové je nahrazováno elektrostatickým pokrýváním inertními prášky, vylučuje se používání organických rozpouštědel ve výrobním procesu a při údržbě výrobního zařízení. Pájení s využitím pájek s obsahem olova je nahrazováno obloukovým svařováním. Přes tato opatření ve světelných zdrojích ještě zůstávají některé ekologicky problematické materiály, které zatím nelze vyloučit. Proto vznikají specializované firmy, které profesionálně a ekologicky čistě likvidují světelné zdroje, a zamezují tak nežádoucímu vlivu na životní prostředí. Přední výrobci deklarují své světelné zdroje jako 100% recyklovatelné, což znamená, že po vyhoření se všechny materiály po příslušné úpravě znovu uplatní ve výrobě světelných zdrojů.

Zářivky
Zářivky s trubicí o Ć16 mm představují zatím nejmladšího člena rodiny zářivek. Jsou výhradně určeny k provozu s elektronickým předřadníkem. Vzhledem ke svým geometrickým parametrům (odlišné délky v porovnání se zářivkami 26 mm, resp. 38 mm) i paticím G5 a již vzpomínanému elektronickému předřadníku vyžadují nová svítidla, která jsou materiálově úspornější a zároveň působí více esteticky. Zářivky jsou vyráběny v sortimentu 14, 21, 28 a 35 W.

K jejich hlavním přednostem patří:

• vynikající účinnost: 96 až 104 lm/W, resp. 89 až 97 lm/W pro barvu „day light“;
• vynikající podání barev s R_a»85;
• vynikající stabilita světelného toku během života;
• maximální účinnost při teplotě okolí 35 °C, což jsou podmínky běžné ve většině svítidel;
• stmívatelnost v širokém rozsahu světelného toku;
• zvýšená zraková pohoda, vyplývající z vysokofrekvenčního napájení;
• menší rozměry a z nich vyplývající materiálové úspory u výrobce zářivek i svítidel.

Kromě zmíněné příkonové řady 14 až 35 W byla vyvinuta i příkonová řada 24, 39 a 54 W, resp. 49 a 80 W, která má poněkud nižší účinnost. Ta se však vyznačuje větším světelným tokem z jednotky délky trubice, projevujícím se sníženými investičními náklady na osvětlovací soustavu při zachování stejné hladiny osvětlenosti. Letošní novinkou byly kruhové zářivky.

Kompaktní zářivky
U kompaktních zářivek se trvale rozšiřuje sortiment ve všech možných směrech, a orientovat se v hlavních tendencích je značně obtížné. Přesto lze vypozorovat směry, které jsou rozdílné u špičkových výrobců a u ostatních firem dodávajících uvedený sortiment.

Významní výrobci se soustřeďují na:

• zlepšování užitných vlastností klasického sortimentu, tj. dvoutrubicových, čtyřtrubicových a šestitrubicových kompaktních zářivek s paticemi G23, G24d, G24q, GX24d, GX24q atd., spočívající v prodlužování života (přibližně 15 000 h);

• zlepšování stability světelného toku, zmenšování množství rtuti (3 mg), zajištění vyhovujícího světelného toku v širokém rozsahu teplot (vlivem používání amalgámu nebo přesně definovanou teplotou chladného bodu);

• doplnění příkonové řady o zářivky s vyšším příkonem (až na 57 W);

• zmenšování rozměrů: u kompaktních zářivek s integrovaným elektronickým předřadníkem je pozorovatelná snaha zmenšit rozměry, zejména celkovou délku (ať již zmenšením rozměrů vlastního předřadníku nebo přechodem na tvar výbojové trubice 3U), s cílem maximálně se přiblížit geometrickým parametrům žárovky, včetně rozložení svítivosti. Dosud v důsledku značně rozdílného rozložení svítivosti kompaktní zářivky a žárovky je náhrada za příslušnou zářivku neekvivalentní z hlediska podmínek osvětlení na pracovní ploše, a tedy deklarované úspory elektrické energie jsou pouze fiktivní. Díky těmto snahám se podařilo uvést na trh kompaktní zářivky s integrovaným předřadníkem a paticí E27, jejichž výbojová trubice je překryta vnější baňkou s rozptylnou vrstvou ve tvaru žárovky, jejíž rozměry (Ć asi 65 mm, délka asi 118 mm) jsou již velmi blízké rozměrům klasické žárovky (příkonová řada 6, 9, 11 a 16 W). Obdobně se objevily kompaktní zářivky s paticí E14, kde svíticí trubice je překryta vnější baňkou s rozptylnou vrstvou ve tvaru svíčky, jejíž rozměry (Ć asi 45 mm, délka asi 128 mm) se blíží rozměrům svíčkové žárovky (příkonová řada 6, 9 a 11 W). Zatímco život zářivek s paticí E27 je 12 000 až 15 000 h, život zářivek s paticí E14 se uvádí 6 000 h. Zajímavá je účelná konstrukce patice – minimální spotřeba kovu na její plášť, zvýšené využití plastů, zřejmě výhodné i z hlediska možnosti využít prostor v patici pro uložení elektronických součástek předřadníku a využít technologii svařování přívodu s kontaktní destičkou patice;

• výrobu zářivek s integrovaným předřadníkem – významní výrobci kromě uvedených typů kompaktních zářivek uvádějí na trh rovněž zářivky s integrovaným předřadníkem v nižší cenové hladině, zřejmě s cílem alespoň zčásti konkurovat nízkým cenám výrobků z asijských zemí, které mají deklarovaný kratší život (asi 6 000 h). Jsou zde použity jednodušší obvody (např. nezajišťující šetrný start zářivky) a levnější součástková základna, což je pro laickou veřejnost nakupující renomovanou značku za velmi přijatelnou cenu určitě lákající.

Kompaktní zářivky jsou však nabízeny velkým množstvím výrobců ze zemí Dálného a Středního východu, jejichž sortiment je velmi široký, provedení výbojové trubice velmi rozmanité, z našeho hlediska cenově nedosažitelně příznivý. Lze však očekávat, a informace z různých stran to potvrzují (včetně našich měření na zahraničních vzorcích), výrazně nižší kvalitu, projevující se předčasnými výpadky po několika stech hodinách svícení, značným úbytkem světelného toku během svícení, rychlým a intenzivním černáním výbojové trubice v blízkosti elektrod a pravděpodobně i nepřípustnou hladinou rádiových poruch.

Při nákupu kompaktních zářivek je tedy nutné postupovat s maximální obezřetností a dávat přednost renomovaným, byť dražším výrobkům před levným zbožím bezejmenných, resp. neznámých firem.

Výbojky
Za velký úspěch výzkumně-vývojových prací a zároveň za velmi perspektivní skupinu světelných zdrojů jsou považovány halogenidové výbojky s hořákem z korundové keramiky. Jde o technologicky velmi náročné zdroje, které kombinují vynikající vlastnosti keramického hořáku z hlediska teplotní odolnosti (čímž je umožněno zvýšit pracovní teplotu hořáku, a tedy i účinnost výboje) s neméně vynikající variabilností vyzařovaného spektra (díky možnosti používat velký počet různých svítících příměsí a jejich kombinací). Výsledkem jsou výbojky, které se vyznačují:

• kompaktními rozměry hořáku a následně i vnější baňky,
• velkou účinností 85 až 95 lm/W při nízkých příkonech 70 a 150 W,
• vynikajícím podáním barev s R_ał80,
• nízkou náhradní teplotou chromatičnosti T_cn»3 000 K,
• možností provozu s indukčním předřadníkem pro SHC (existuje však již i elektronický předřadník),
• stabilitou kolorimetrických parametrů v průběhu života (na rozdíl od klasických halogenidových výbojek),
• dlouhým životem, který dosáhl již 9 000 až 12 000 h a nepochybně se bude dále prodlužovat,
• novým provedením: vedle provedení s paticí E27, resp. E40, jsou i výbojky s křemennou baňkou a kolíkovou paticí, resp. v sufitovém provedení.

Pro tyto vlastnosti, které umožňují konstruovat materiálově úsporná svítidla s velmi dobrými optickými parametry, jsou tyto výbojky vhodné pro osvětlení interiérů i exteriérů s vysokými požadavky na kvalitu osvětlení.

Co se týče bezelektrodových světelných zdrojů, v nichž je výboj buzen pomocí vnějšího zdroje buď v parách rtuti a inertního plynu (nízkotlaké výbojky), nebo v parách síry s inertním plynem (vysokotlaké výbojky), se sortiment v posledních dvou třech letech ustálil na několika typech; v budoucnosti lze očekávat jejich postupné doplňování o některé další příkony. V tomto sortimentu jde o výbojky firmy Philips typu QL – 55 W, 85 W a 165 W, dále o výbojky firmy Osram typu Endura 100 a 150 W a o sirné výbojky firmy Fussion (USA). Jejich společné přednosti lze charakterizovat takto:

• velký měrný výkon 65 lm/W u typu QL, 80 lm/W u typu Endura a dokonce 130 lm/W u sirných výbojek;
• dlouhý život, přesahující 50 000 h a určený kvalitou součástkové základny použité na konstrukci vlastního vf zdroje – napájení;
• vysoká stabilita světelného toku během svícení, vyplývající z bezelektrodové konstrukce;
• vynikající podání barev, charakterizované R_ał 80;
• minimální náklady na údržbu osvětlovací soustavy.

Zmíněné výbojky jsou vhodné pro použití zejména v osvětlovacích soustavách, kde je obtížná častější výměna světelných zdrojů (např. vysoké haly, tunely apod.). Nevýhodou z hlediska specializovaného výrobce světelných zdrojů je náročný zdroj vf – energie a poměrně úzká oblast aplikace.

Elektroluminiscenční diody
V posledních letech se stále výrazněji v různých světelnětechnických aplikacích prosazují diody LED. K jejich významným technickým přednostem patří:

• minimální spotřeba elektrické energie (typická spotřeba elektrického výkonu 50 mW);
• minimální rozměry, jde v podstatě o bodové zdroje;
• široký sortiment výrazných (sytých) barev (červená, zelená, žlutá, modrá), nejnověji i bílá;
• nízká provozní povrchová teplota;
• malá závislost parametrů na teplotě okolí;
• poměrně dobrá účinnost, závisející na barvě až 10 lm/W, což převyšuje účinnost trpasličích žárovek;
• extrémně dlouhý život, výrazně převyšující život těchto žárovek;
• možnost dosáhnout velké směrové svítivosti použitím vhodné čočky;
• malé provozní napětí;
• dobrá odolnost proti vibracím;
• nevyzařují v oblasti UV záření;
• minimální pokles světelného toku během života;
• je možné je stmívat.

Je zcela zřejmé, že svítivé diody spolehlivě vytlačují miniaturní žárovky a nacházejí i zcela nové použití, např. v dopravní signalizaci, při osvětlení exponátů ve vitrinách s exponáty citlivými na UV záření v muzejích apod.

Závěr
V tomto příspěvku jsou pro omezení jeho rozsahu vynechány některé dosud používané skupiny světelných zdrojů, jejichž podíl na trhu se postupně zmenšuje (např. směsové výbojky, vysokotlaké rtuťové výbojky) a nebo které z hlediska běžného spotřebitele (nikoliv však výrobců) nevykazují výraznější pokrok (např. běžné žárovky, ale i nízkotlaké sodíkové výbojky aj.). Ze stejného důvodu nebyly do příspěvku zahrnuty ani světelné zdroje pro speciální účely (lékařství, zemědělství, polygrafický průmysl a další průmyslová odvětví).

Z článku však jednoznačně vyplývá, že i do budoucna lze počítat s dalším rozvojem světelných zdrojů, který svým tempem nijak nezaostává za rozvojem ostatních oblastí vědy a techniky.