4. fejezet - Fénytechnikai és világítástechnikai alapfogalmak és a fényforrások alapvető jellemzői

A fényforrás által kibocsátott fényáram, és a felvett villamos teljesítmény hányadosa. Azt mutatja meg, hogy az adott fényforrás 1 W felvett villamos teljesítmény felhasználásával az emberi szem számára mennyi hasznos optikai sugárzást, vagyis fényáramot képes előállítani. Az energiahatékonyságot így megfelelően karakterizálja és számszerűsíti. Mértékegysége a definícióból adódóan [lm/W].

A sugárzási hatásfok és a fényhatásfok szorzatából tevődik össze:

A fényhasznosítás a gazdaságosság egyik legfőbb szempontja, 50 lm/W felett már jónak mondható. Edison első izzója körülbelül 1,4 lm/W-ot produkált, míg egy hagyományos izzólámpa a felvett teljesítménytől függően 10-20 lm/W-ra képes. Halogén izzóknál ez az érték akár a 30 lm/W-ot is elérheti. Ezzel szemben a fénycsövek 45-100 lm/W-os jellemző értékekkel jóval gazdaságosabbak, ez magyarázza széleskörű elterjedésüket a beltéri világításokban. Az elsősorban csarnok és épületvilágításhoz alkalmazott fémhalogén fényforrások fényhasznosítása kiemelkedően magas, 65-120 lm/W is lehet, igaz a járművilágításban használt xenon-töltetű változataik ennél valamelyest gyengébb, körülbelül 90 lm/W-os értéket produkálnak. A közvilágítási lámpatestek jelentős része jellegzetes sárgás fényű, úgynevezett nagynyomású nátrium lámpa, mely 100-140 lm/W-os értékek mellett abszolút energiatakarékos, viszont a színvisszaadása rossz, ami alkalmazhatóságukat erősen korlátozza. A napjainkban egyre szélesebb körben alkalmazott LED-ek is széles palettán mozognak, maximális fényhasznosításuk meghaladhatja a 130-150 lm/W-ot. Laborkörülmények mellett napjainkban már 200 lm/W felett járnak!

Mindezek fényében érezhető, hogy a termikus elven működő izzólámpák közel sem nevezhetők gazdaságosnak, hiszen a felvett elektromos teljesítményük túlnyomó többsége hő veszteségre fordítódik. Habár színvisszaadásuk a legjobb, közel 100 %, fokozatosan tűnnek el a boltok kínálatából, gyártásuk hamarosan teljesen megszűnik, illetve teljes egészében a halogén típusokra korlátozódik.

A fényforrás gazdaságosságát jellemző másik fontos tényező. Több élettartamra vonatkozó definíciót különböztetünk meg [1.] :

Fényforrások élettartamához szorosan kapcsolódó fogalom a hasznos működési idő, mely időtartam alatt a fényforrás működési jellemzői az előírt tartományon belül maradnak.

A gyártók ezért gyakran megadják az adott termék kiégési- vagy más néven élettartam-görbéjét (4.1. ábra)– amennyiben a meghibásodások normál vagy más néven Gauss eloszlást követnek – amely az üzemidő függvényében tartalmazza egy gyártmánysorozat meghibásodási arányát. A reális (gyakorlati) sűrűségfüggvény mellett ábrázolható még az ideális, valamint a kedvezőtlen élettartam jelleggörbe is. Az 50%-hoz tartozó időtartam az adott fényforrás átlagos élettartama (T_a).

Gyakran jelölik továbbá a 84 %-os és a 16 %-os meghibásodáshoz tartozó időpontokat is (t₈₄, t₁₆). Ezen értékek ismeretében a világítás hatásfoka (UF: Utilization Factor) számítható:

Más jellemzők a mérvadóak LED-ek esetén.  A degradációra alkalmazott mérőszámok az L70 és L50 értékek, amelyek azt az időtartamot fejezik ki, ami alatt a fényáram 70 illetve 50 %-ra esik vissza. Az élettartamot pedig az úgynevezett B10 és B50 értékek karakterizálják, amelyek egy tesztelt LED sorozat esetén azt az időtartamot mutatják meg, ami alatt az adott sorozat 10 illetve 50 %-a meghibásodott.

A fényforrások általában különböző mértékben bocsátanak ki teljesítményt az egyes hullámhosszúságokon. Ezen eloszlásfüggvényt hívják a látható tartományban színképnek, általánosságban spektrális teljesítmény-eloszlásnak. Megkülönböztetünk folytonos, vonalas vagy "tüskés", és monokromatikus eloszlást (4.2. ábra). Ez a függvény a hullámhosszúság függvényében folytonos, ha minden pontban jobbról és balról véges, és azonos a határértéke [1.] . Ilyen jelleggörbével rendelkeznek a termikus sugárzók, például az izzólámpa, és a Nap. A "tüskés" spektrum a foto-lumineszcens fényforrások (fénycső, higanygőz lámpa) ismérve, hiszen a kisüléskor keletkező UV tartományba eső fotonok a fényporokkal történő kémiai kölcsönhatás eredményeképpen egy vagy több diszkrét hullámhossz csúccsal sugárzódnak ki a látható tartományban. Monokromatikus fényforrások a lézerek, melyek egy diszkrét hullámhossz és annak nagyon keskeny környezetében sugároznak. A színes LED-ek spektruma keskeny egy diszkrét csúcshullámhossz körül. A spektrális teljesítmény határozza meg a fényforrások színezetét és színvisszaadását.

Színhőmérséklettel a termikus elven sugárzó, folytonos spektrális teljesítmény eloszlású fényforrások színérzetét lehet karakterizálni. Termikus sugárzó minden olyan kellően nagy hőmérsékletű test, amely energiája egy részét fény formájában is kisugározza. Ilyen a hagyományos és a halogén izzó lámpa, valamint a tűz és a csillagok, így a Nap is. A kisugárzott fényenergia a test hőmérsékletének növelésével törvény szerint növekszik. Azonos hőmérsékletű testek közül az sugároz legjobban, amelyik a sugárzást legjobban elnyeli. Az etalonnak tekinthető ideális hőmérsékleti sugárzót fekete testnek, vagy Planck-sugárzónak hívják, amely minden ráeső sugárzást tökéletesen elnyel. Spektrális teljesítmény eloszlását a Planck-törvény írja le, és érvényesek rá a sugárzási törvények. Ilyen a Stefan-Boltzmann és a Wien-féle eltolódási törvény.

A Wien-féle eltolódási törvény értelmében a maximális intenzitás hullámhossza annál kisebb, minél nagyobb a sugárzó test hőmérséklete.

Tehát ha a sugárzó hőmérséklete növekszik, akkor λ _csúcs a rövidebb hullámhossz felé tolódik (4.3. ábra). Erre kiváló példa a csillagok színezete, ugyanis a jóval nagyobb energiájú és hőmérsékletű csillagokat (7000 K) kékesnek látjuk, míg az alacsonyabbakat vörösnek (4000 K).

Ez a törvény ad magyarázatot például arra is, hogy egy szoba radiátor sugárzását miért nem érzékeljük fényként. Sugárzási karakterisztikája a távoli IR tartományban található, kisugárzott energiája kevés, vagyis csak hőként érzékeljük. Elméletileg megfelelő hevítés hatására a maximális intenzitási hullámhossz elegendő mértékben tolódna a rövidebb tartomány felé, és végül a sugárzási karakterisztika egy része a látható tartományba esne, azaz elkezdene izzani.

A színhőmérséklet tehát a fekete test valódi hőmérsékletéhez tartozó színezet. Különböző színhőmérsékletű fekete testek színpontjai a CIE xy (1931) vagy más néven papucs diagramban a Planck-görbén találhatóak (4.5. ábra).

Mivel a tökéletes fekete test definíciójából adódóan egy teoretikus fogalom, ezért a színhőmérséklet a gyakorlatban szürke sugárzókra értelmezhető, vagyis olyan hőmérsékleti sugárzókra, amelyek spektrális emissziós tényezője a figyelembe vett hullámhossztartományban kisebb, mint 1 és független a hullámhosszúságtól és színük is megegyezik az azonos hőmérsékletű fekete sugárzóéval. Ez abból következik, hogy a két sugárzó spektrális eloszlása „hasonló”, csupán egy állandó szorzó, az emissziós tényező különbözteti meg őket.

Definíció szerint a színhőmérséklet tehát a fekete sugárzó valódi hőmérséklete, amelynek színe megegyezik a kérdéses szürke sugárzó színével [1.] . A fényforrás spektrális eloszlását jellemző, a színérzetet meghatározó fogalom. Jelölése T_c, ritkábban F. Mértékegysége K (Kelvin), és nem K°!

A világítási berendezések létesítésére vonatkozó MSZ EN 12464-1:2003 (Fény és világítás. Munkahelyi világítás szabvány) előírásai színhőmérsékleti csoportokat határoznak meg, melyek hasonló érzetet eredményező színhőmérsékleti intervallumok (Táblázat 4.2).

A táblázat alapján megfigyelhető, hogy a színhőmérsékleti csoportok elnevezése és az emittált energia, vagyis a sugárzó hőmérséklete között fordított logikai kapcsolat áll fenn. Ugyanis minél melegebb egy fényforrás, a színhőmérséklete annál nagyobb, mégis hidegebb.

Mivel a termikus sugárzókon kívül még számos más elven működő fehér fényforrás létezik – amelyek a definíció alapján nem jellemezhetőek színhőmérséklettel – ezért bevezették a korrelált színhőmérséklet fogalmát. Alkalmazásával objektíven karakterizálható például fénycsövek, LED-ek, vagy fémhalogén lámpák, vagy egyéb felületek színezete.

Definíció szerint „a fekete test azon valóságos abszolút hőmérséklete, amelynél a fekete test színe a legjobban hasonlít a kérdéses (szürke) sugárzó színére. A „legjobban hasonlít” fogalom azt jelenti, hogy csak olyan színpontokra alkalmazható, amelyek a CIE 1964 UCS színtérben a fekete-test vonalra állított merőleges trajektórián helyezkednek el, és Planck görbétől vett távolságuk nem nagyobb 10 megkülönböztethető árnyalatnál [1.] . Jelölése CCT (Correlated Color Temperature), vagy T_c. Mértékegysége K.

A Táblázat 4.3 különböző fényforrások korrelált és hagyományos színhőmérsékletét mutatja be.

Segítségével számszerűsíthető, hogy egy vizsgált fényforrás milyen mértékben képes a megjeleníthető színek palettáját reprodukálni egy etalon fényforráshoz képest. Ennek méréséhez referencia színmintákat alkalmaznak, melyek száma eltérő lehet. Ezeket a mintákat mindkét fényforrással megvilágítják, és az eredmények összevetésével a színek visszaadása számítható. Az egyes színmintákon mérhető egyedi színvisszaadás (R_i), számtani átlaga az általános színvisszaadási index, melynek jele R_a, és a spektrális telítettséget jellemző fogalom.

A CRI számítása:

ahol ΔE a színkülönbség, Δu’, Δv’, ΔL a CIE Lu’v’ koordinátákban számolt különbség.

A referenciasugárzó Planck sugárzó, ha a fényforrás korrelált színhőmérséklete kisebb, mint 5000 K és nappali fény, ha 5000 K-nél nagyobb [1.] . A színvisszaadás tehát az adott fényforrás színhőmérsékletétől is függ. A minta átlagából, a színi áthangolódást is figyelembe véve számított R_a általános színvisszaadási index értéke 100, ha nincs színeltolódás, és minél nagyobbak a színkülönbségek, az index annál kisebb. Körülbelül 40% alatt már nincs színvisszaadás.

A fényforrásokat színvisszaadási indexük alapján kategóriákba sorolják (Táblázat 4.4):

A világítástechnikában alkalmazott fényforrások közül az izzólámpák színvisszaadása a legjobb, gyakorlatilag 100%-nak tekinthető, hiszen termikus sugárzók, spektrumuk a látható tartományban végig folytonos. Ezért a Nap fényéhez hasonlóan minden színt képesek visszaadni. Jelenleg egyetlen más elven működő fényforrás sem képes erre, miközben gyártásuk már befejeződött. Ezért is nehézkes helyettesítésük a világítástechnikában. Elsőszámú alternatíváik a jóval energiatakarékosabb fénycsövek, melyek színvisszaadása legalább közepes (60 %), de a folyamatos fénypor fejlesztéseknek hála 85-90 % is lehet. Ezen kívül a legújabb LED diódák is képesek nem ritkán 90 %-nál jobb színvisszaadásra. Kültéri és csarnokvilágításnál a fémhalogén lámpák produkálják a legkiválóbb értékeket (80-93 %), színhőmérséklettől függően. A legrosszabb színvisszaadása a higanygőzlámpának (17 %) és a jellegzetesen sárga fényű nagynyomású nátriumlámpának (25 %) van. Ilyenkor a tárgyak színezete elvész, sárgás-szürkés árnyalatok jelennek meg. Az abszolút negatív rekorder a Nagy Britanniában gyakran alkalmazott kisnyomású nátriumlámpa, mely mindösszesen 0-18 %-ot produkál. A sokszor ködös Angliában azonban a kimagasló fényhasznosítás miatt ezt a kompromisszumot vállalják.

A fényforrás bekapcsolásától az állandósult állapotban tapasztalható fényáram 95 %-ának eléréséig eltelt idő.

A fényforrás a felfutási idő nagysága alapján lehet rövid felfutási idejű (6 mp-nél rövidebb) és hosszú felfutási idejű (6 mp-nél hosszabb). Előző csoportba a LED-ek, az izzólámpák, a hagyományos fénycsövek és bizonyos típusú kompakt fénycsövek, az utóbbi csoportba főként a nagynyomású kisülő lámpák és az indukciós lámpák tartoznak. Kivételt képeznek a fényszóró világításban is alkalmazott nagynyomású xenon-fényforrások, melyek a többi fémhalogén típushoz képest kivételesen gyorsan, kb. 3-6 másodperc alatt érik el az előírt fényáramot.

Az újragyújtási idő rövid idejű feszültség-kimaradás esetében a feszültség visszatérésétől az állandósult fényáram 95%-ának eléréséig szükséges idő. Hosszú újragyújtási idejű fényforrás újragyújtási ideje 6 mp-nél nagyobb, ilyen például a nagynyomású nátriumlámpa, vagy minden fémhalogén lámpa, melyek addig nem gyújthatók újra, míg elegendően le nem hűltek. Ezért például gépjárművekben távolsági fényként alkalmatlanok lennének, használatukhoz speciális megoldás szükséges (lásd Fémhalogén fényforrások fejezet).

A fényforrások sugárzásának irányát jellemző mennyiség, más néven félérték-szög. A síkba vetített maximális fényerősség iránya és a maximális fényerősség felének megfelelő irány között bezárt szög kétszerese (Φ) (4.6. ábra). Ezek alapján megkülönböztetünk szélesen sugárzó (flood > 30°) és keskenyen sugárzó (spot < 30°) fényforrásokat. Angol nyelvű termék katalógusokban gyakran találkozhatunk az FWHM jelöléssel (Full Width at Half Maximum) ami a maximális érték felének szélességét jelenti.