Novinky ve světelných zdrojích na veletrhu Light & Building 2006

Ing. Vladimír Dvořáček,
S Lamp Panenské Břežany

Úvod

Nejvýznamnější veletrh světelné techniky, který je pravidelně pořádán každé dva roky v německém Frankfurtu nad Mohanem v rámci velkoryse pojaté mezinárodní akce Light & Building, je již tradičně přehlídkou nejnovějších úspěchů v oblasti světelných zdrojů a svítidel. Informaci o svítidlech ponechám povolanějším kolegům, já se ve svém ohlédnutí za výstavou zastavím u světelných zdrojů, které i nadále procházejí velmi dynamickým rozvojem z hlediska dalšího rozšiřování sortimentu i soustavného zlepšování užitných hodnot již vyráběných typů. Přestože letos nebyly předvedeny žádné nové principy generování světla, je třeba konstatovat, že až na výjimky se ve všech hlavních skupinách světelných zdrojů objevily zajímavé novinky, které zcela jistě zaujaly odbornou veřejnost i běžného spotřebitele.

Významný pokrok zaznamenaly zejména elektroluminiscenční diody LED a halogenidové výbojky s keramickým hořákem, dále vysokotlaké sodíkové výbojky, kompaktní a lineární zářivky i halogenové žárovky. Poněkud za očekáváním zůstaly bezelektrodové indukční výbojky, ačkoliv i zde se objevily některé zajímavé inovace.

Obr. 1. Emisní spektrum vybraných barevných LED

Novinkami se prezentovaly především tradiční a významní světoví výrobci, firmy Philips a Osram, a to v oblasti světelných zdrojů, co se týče svítidel, upoutala svým pojetím i pozoruhodnými exponáty na vysoké technické a estetické úrovni především firma Siteco. Vedle těchto firem zaujalo velké množství podniků zejména z Číny a dalších asijských zemí s velmi rozmanitým sortimentem světelných zdrojů a svítidel, které jsou velmi tvrdou konkurencí tradičním výrobcům zejména svými velmi nízkými cenami, atraktivním vzhledem a rovněž lepšící se kvalitou.

Diody LED

Bouřlivý rozvoj diod LED, probíhající již několik let, pokračuje. Teoretické možnosti zvyšování účinnosti přeměny elektrické energie na světelnou jim předurčují velmi významné místo mezi základními skupinami světelných zdrojů. Nové materiály a technologické postupy umožňují stálé zvyšování měrného výkonu. Účinnosti 30 lm/W je dosahováno již běžně, účinnost špičkových výrobků je až 50 lm/W.

Sortiment LED vyráběný v současné době obsahuje všechny základní barvy (červenou, zelenou, modrou, žlutou). Uvedené typy se vyznačují velmi úzkou křivkou spektrálního složení, zahrnující interval vlnových délek do několika desítek nanometrů (obr. 1). Doplnění sortimentu o modrou barvu umožnilo vyvinout i diody bílé barvy zářící v celé viditelné oblasti spektra; tím se významně rozšířila oblast jejich použití, včetně všeobecného osvětlení. Příklad spektra bílé diody LED, využívající jeden z několika možných principů získání bílého světla (pomocí luminoforu buzeného světlem LED modré barvy), je uveden na obr. 2.

Obr. 2. Emisní spektrum bílé LED (luminofor buzený světlem modré diody)

Vynikající vlastnosti LED (vysoká čistota barvy barevných diod, dlouhý život, dosahující několika desítek tisíc hodin, kompaktní rozměry, rostoucí měrný výkon při postupně se zlepšujícím indexu podání barev u bílých diod aj.) rozšiřují možnosti jejich použití do dalších oblastí osvětlení (signalizace, vnitřní osvětlení, osvětlení automobilů, zdravotnictví apod.), a dokonce v blízké budoucnosti i do uličního osvětlení, kde se s jejich zařazením kdysi vůbec nepočítalo. Frankfurtský veletrh nabídl neobyčejně rozmanité množství příkladů uplatnění diod LED v nejrůznějších světelných přístrojích, v nichž jsou tyto diody základem. K vidění bylo mnoho velmi nápaditých aplikací z nejrůznějších oblastí osvětlení v atraktivním prostředí.

Halogenidové a vysokotlaké sodíkové výbojky

Druhou dynamicky se rozvíjející skupinou světelných zdrojů jsou halogenidové výbojky. Ty zaznamenaly kvalitativní skok zvládnutím náročné technologie umožňující vnášet halogenidy vhodných kovů do hořáku zhotoveného z korundové keramiky. Tím byly výrazně doplněny přednosti klasických halogenidových výbojek s křemenným hořákem (spočívající především v možnosti velké úpravy spektrálního složení vyzařovaného světla díky velmi širokému výběru svíticích prvků při velkém měrném výkonu), zejména ve směru:

• rozšíření příkonové řady směrem k malým příkonům (aktuálně až na 20 W), při nichž by výbojky s křemenným hořákem byly již neefektivní,

• významného zvýšení měrného výkonu u typů s malými příkony (20, 35 W) při vynikajícím podání barev,

• omezením rozptylu kolorimetrických parametrů mezi jednotlivými výbojkami nezávisle na poloze svícení a znatelné zlepšení jejich stability během života (teplota chromatičnosti T_cp se pohybuje v rozmezí ±200 K v porovnání s ±600 K u výbojek s křemenným hořákem),

• zmenšení rozměrů vlastního hořáku, a tedy i výbojky; z toho vyplývá další zlepšení účinnosti soustavy světelný zdroj – předřadník – svítidlo a snížení materiálových nákladů na svítidlo,

• významného zlepšení zrakové pohody při použití výbojek s menšími příkony provozovaných pouze s elektronickými vysokofrekvenčními předřadníky,

• dosažení delšího života.

Obr. 3. Halogenidová výbojka Philips CosmoWhite s elektronickým předřadníkem
Obr. 4. Vysokotlaká sodíková výbojka Philips CosmoGold s elektronickým předřadníkem

Tyto trendy byly potvrzeny zejména novinkami firmy Philips, která představila již dříve avizovanou příkonovou řadu výbojek typu CosmoWhite 45, 60, 90 a 140 W, vyznačující se měrným výkonem až 120 lm/W při R_a 65 až 70 a T_cp 2 800 až 3 000 K a velmi kompaktními rozměry (obr. 3). Zmíněné výbojky jsou konstruovány výlučně pro provoz s elektronickými předřadníky umožňujícími i stmívání. Zároveň pro ně byla vyvinuta vhodná svítidla optimalizovaná pro danou konstrukci výbojek. Zde je třeba velmi pozitivně hodnotit komplexní přístup k optimalizaci spotřeby energie celého kompletu světelný zdroj – předřadník – svítidlo, a nikoliv pouze jeho jednoho článku.

Obdobný přístup jako u výbojek CosmoWhite byl uplatněn i u stejné příkonové řady výbojek typu CosmoGold (obr. 4). Zde jde o vysokotlaké sodíkové výbojky s měrným výkonem až 120 lm/W při R_a 25. Tento projekt, který představen jako významný přínos firmy k omezení emisí skleníkových plynů, přinese velké úspory elektrické energie. Dalšími pozoruhodnými výrobky ze skupiny halogenidových výbojek s keramickým hořákem jsou výbojky o příkonu 20 a 35 W velmi kompaktních rozměrů, které jsou připravovány do výroby v nejbližší době. Jsou provozovány s elektronickým předřadníkem a jejich měrný výkon dosahuje dříve nevídaných 85 lm/W při R_a > 80. Další výbojky 35 a 70 W se rovněž vyznačují velmi malými rozměry, vynikající účinností, převyšující 90 lm/W, při stejně vynikajícím podání barev s R_a 88. Firma Osram v této oblasti představila především výbojky, jejichž korundový hořák je, rozdíl od dřívějšího válcového tvaru s ostrými hranami, kulového, resp. eliptického tvaru. Ten totiž lépe opisuje kontury výboje, snižuje teplotní rozdíly mezi jednotlivými částmi hořáku, což umožňuje příznivě nastavit jeho teplotní režim, a zvýšit tak měrný výkon výbojky. Tento tvar výbojové trubice je používán u výbojek o příkonu 20 až 250 W v různých provedeních (tvar vnější baňky, typ patice, u některých typů integrovaný reflektor). Náročnou technologii výroby výbojek tohoto typu může zatím skutečně vykázat pouze omezený počet světových firem.

Zářivky

Nízkotlaké výbojové zdroje byly na veletrhu zastoupeny lineárními a zejména kompaktními zářivkami, především v provedení s integrovaným elektronickým předřadníkem a žárovkovou paticí E27, popř. E14. Sortiment této skupiny kompaktních zářivek je velmi bohatý a je soustavně dále rozšiřován o nové typy z hlediska příkonu, konfigurace výbojového prostoru, tvaru vnější baňky, geometrických parametrů, konstrukce patice apod. Důležitým požadavkem jsou zejména malé obrysové rozměry, jichž je dosahováno účelným složením výbojové dráhy do dvou, čtyř, šesti nebo osmi paralelně umístěných a vzájemně propojených trubic tak, že vytvářejí jeden společný výbojový prostor. Vyskytují se i další podoby výbojové trubice, vycházející např. ze základního polotovaru ve tvaru písmene U, který je následně spojován do složených tvarů 2U, 3U, 4U (na výstavě se dokonce objevily zářivky 8U). Časté jsou rovněž zářivky s výbojovou trubicí ve tvaru různých šroubovic i jiných složitějších a technologicky velmi náročných tvarů. Zajímavé z hlediska uživatele je umístění výbojové trubice zářivek s malými příkony (do max. 23 W) do vnější baňky různého tvaru (hruškový, kulový, svíčkový, hříbkový apod.) s rozptylnou vrstvou (obr. 5). Základním motivem tohoto uspořádání je co nejvíce se jeho obrysovými rozměry i křivkou rozložení svítivosti přiblížit běžným reflektorovým, popř. dekoračním žárovkám. Teplotní závislost světelného toku je korigována pomocí amalgámu vhodného kovu (např. india). Tím se podstatně rozšiřuje teplotní interval, v němž světelný tok dosahuje požadované hodnoty. Celý sortiment kompaktních zářivek je vyráběn v základních odstínech bílé barvy, charakterizovaných náhradní teplotou chromatičnosti 2 700 až 6 000 K.

Obr. 5. Kompaktní zářivky s integrovaným elektronickým předřadníkem 11 W General Electric (a – reflektorová, b – hrušková, c – svíčková)

Lineární zářivky byly prezentovány především verzí s průměrem trubice 16 mm (T5), provozované na vysoké frekvenci s elektronickým předřadníkem. Tyto zářivky, vyráběné ve dvou příkonových řadách (14, 21, 28 a 35 W – s optimálními parametry z hlediska měrného výkonu a v odpovídajících teplotních podmínkách dosahují až 104 lm/W při R_a 80 až 89; 24, 39, 49, 54 a 80 W – vyznačují se větším světelným tokem z jednotky délky trubice a v odpovídajících teplotních podmínkách dosahují až 87 lm/W), sice již nejsou „nejžhavějšími„ novinkami, avšak díky nim se objevilo množství nových estetických, materiálově úsporných a zároveň účinnějších zářivkových svítidel. Negativní vliv okolní teploty je řešen používáním amalgámů vhodných kovů, které rozšiřují teplotní interval, v němž si světelný tok zářivek udržuje hodnotu blízkou optimální. U zářivek T5 je tlak par rtuti regulován vytvořením umělého tzv. chladného bodu, jehož teplota určuje tlak nasycených par rtuti a udržuje jej na hodnotě, při které je světelný tok zářivky maximální. Provedení konstrukčně spočívá ve vysunutí jedné elektrody blíže ke středu trubice, takže chladné místo vznikne v oblasti za touto elektrodou. Tento konec zářivky je zřetelně označen a při použití několika zářivek v jednom svítidle je nutné takto označené konce shodně orientovat. Výhody zmíněných zářivek souvisejí s lepšími vlastnostmi luminoforů, optimálními podmínkami výboje a s provozem na vysoké frekvenci (větší účinnost – až o 10 % při vynikajícím podání barev, stabilní svícení bez míhání, úplné potlačení stroboskopického jevu, menší ztráty v předřadníku aj.).

V poslední době se objevily zářivky s náhradní teplotou chromatičnosti 8 000 K, označované názvem např. Skywhite, ActiViva, které se vyznačují větší složkou v modré oblasti spektra a jsou pro své stimulující účinky na člověka určeny do provozů s nedostatkem denního světla. Vedle těchto zářivek se vyrábějí i barevné zářivky (modré, zelené, červené aj.), které se kromě dekoračního osvětlení uplatňují i v soustavách s dynamickým řízením světla počítači, umožňujících vytvářet v podstatě nekonečný počet odstínů vydávaného světla.

Významní výrobci kladou důraz i na ekologickou stránku výroby zářivek. Výrazným omezením množství jedovaté rtuti používané v zářivce až na hodnoty kolem 3 mg splňují nové přísné mezinárodní hygienické normy, a tak přispívají k ochraně životního prostředí při jejich vlastní výrobě i při likvidaci vyhořelých zdrojů. Některé typy zářivek jsou opatřeny ochranným průhledným obalem po celé délce trubice, který se ani při náhodném rozbití zářivky neporuší a zabraňuje rozptýlení rtuti a střepů do okolního prostředí. Ekologicky šetrný přístup ke konstrukci a výrobě světelných zdrojů ostatně na výstavě zdůrazňovali téměř všichni významní výrobci. Stejně tak každé zvýšení měrného výkonu světelného zdroje (včetně např. halogenových žárovek) anebo prodloužení jeho života bylo prezentováno jako příspěvek ke snížení emisí oxidu uhličitého, souvisejícího s úsporou elektrické energie při jeho provozu nebo výrobě.

Obr. 6. Halogenové žárovky na síťové napětí Osram; a) s pyramidovou baňkou 25 W, 260 lm, 1 500 h, E14 Halolux^® HC, b) reflektorová 40 W, 510 cd, 30°, 2 000 h, E14 Halolux^® R50

Zaslouženou pozornost budily i novinky v oblasti halogenových žárovek. Přestože jejich měrný výkon značně zaostává za halogenidovými výbojkami s malým příkonem a v současné době již i za diodami LED, pro jejich další vynikající vlastnosti (příjemné bílé světlo, vynikající podání barev, dobrá stabilita světelného toku, kompaktní rozměry, koncentrované vlákno umožňující nasměrovat světlo na požadovanou plochu atd.) existují aplikace, kde jejich uplatnění lze oprávněně upřednostnit. Díky vhodným geometrickým parametrům žárovek byla u některých typů s úspěchem použita náročná technologie interferenčních vrstev nanesených na vnější baňku, které propouštějí viditelné světlo a odrážejí infračervené záření zpět na vlákno, a zlepšují tudíž jeho energetickou bilanci. Výsledkem při zachování života je měrný výkon vyšší až o 35 %. Technologicky velmi náročné jsou další novinky ze skupiny halogenových žárovek, a to žárovky s malým příkonem (již od 20 W) na síťové napětí, které jsou zabudovanány do vnější baňky různých tvarů (svíčkové, kroucené, válcové aj.) a opatřeny paticí E14, E27, G9, GZ10 aj. (průměrný život 2 000 h, měrný výkon 12 až 17 lm/W, rozsah příkonů 20 až 150 W). Pozoruhodné ze světelnětechnického hlediska jsou zejména žárovky s reflektorovou baňkou, které podstatně zjednodušují konstrukci, snižují cenu svítidla a umožňují usměrnit světelný tok na potřebnou plochu. Zajímavou novinkou je halogenová žárovka pro dopravní signalizaci, spořící v porovnání s dosud používanými klasickými žárovkami odolnými proti otřesům až 60 % energie. U halogenových žárovek je vesměs zdůrazňováno, že jejich baňka je vyrobena ze skla nepropouštějícího UV záření.

Závěr

Příznačný pro poslední desetiletí je velmi silný pozitivní vliv elektroniky a výpočetní techniky na celou oblast osvětlování, jenž vede k významným úsporám elektrické energie (menší ztráty energie v předřadníku, možnost účelného stmívání, aktivní reagování na úroveň denního osvětlení, sledování přítomnosti lidí v místnosti a podle toho regulování provozu soustavy, podstatné zlepšení podmínek vidění díky provozu na vysoké frekvenci, dynamické řízení podmínek osvětlení podle stanoveného programu, odpojování vadných světelných zdrojů atd.). Tato skutečnost se na výstavě projevovala na každém kroku. Můj celkový dojem z výstavy díky jejímu uspořádání a hlavně díky její náplni je tradičně velmi dobrý. Všem návštěvníkům určitě poskytla mnoho příjemných zážitků a zejména nových poznatků. Lze se těšit na její další pokračování za dva roky.