Elektrické svetlo

Čo viete o podstate svetla?

Svetlo → je elektromagnetické žiarenie schopné vyvolať zrakový vnem.

Elektrické svetlo –> svetlo získané elektrickými prostriedkami.

---

Prijímačom viditeľného svetla je ľudské oko.

Vlnové dĺžky elektromagnetického žiarenia, ktoré vníma naše oko, sú od 0,38µm – 0,76µm. Podľa dĺžky vlny vyvoláva svetlo farebný dojem. Najkratšie vlny má fialové svetlo, najdlhšie vlny červené.

Ľudské oko je najcitlivejšie na žlto-zelené svetlo, ktoré má vlnovú dĺžku 0,55µm.

Obr. Spektrum elektromagnetického žiarenia

Na strane kratších vlnových dĺžok prechádza toto žiarenie na neviditeľné ultrafialové žiarenie (ktoré má chemické, biologické a iné účinky). Ešte kratšie vlnové dĺžky má röntgenové žiarenie, rádioaktívne žiarenie, kozmické žiarenie. Na strane väčších dĺžok prechádza svetlo do infračerveného žiarenia. Svetlo vzniká vo svetelnom zdroji premenou energie (napr. chemickej, elektrickej) na svetelnú energiu.

Svetelné zdroje delíme na:

1. prirodzené (Slnko, Mesiac, hviezdy)
2. umelé (žiarovky, výbojky)

Kontrolná otázka č. 1

Aký je rozdiel medzi ultrafialovým a infračerveným svetlom? Fialové svetlo prechádza na neviditeľné ultrafialové svetlo s chemickými účinkami, ďalej na röntgenové lúče, kozmické žiarenie.

Červené svetlo prechádza na neviditeľné infračervené svetlo s tepelnými účinkami a ďalej na elektromagnetické vlny televízne, rádiové. Červené svetlo preniká aj hmlou a je najďalej viditeľné (napr. výstražné svetelné signály, červená farba slnka pri západe).

Kontrolná otázka č. 2

Aký je rozdiel medzi prirodzeným a umelým svetlom?

Svetlo je prirodzené a umelé.

Prirodzené svetlo je od Slnka, Mesiaca, hviezd.

Umelé svetlo si vyrábame, najmä z elektrických zdrojov svetla.

Názvoslovie, veličiny, jednotky

Svetelný tok (Ф, F) – množstvo svetla („počet lúčov“), ktoré svetelný zdroj vyžiari za jednotku času do určitého priestorového uhla (ω).

Svetelný tok je vlastne svetelný výkon zdroja. (má obdobu v elektrickom výkone)

Jednotka svetelného toku (výkonu) je lúmen [lm].

V praxi: dekalúmen; 1Dlm = 10 lm

Svietivosť (I) – podiel svetelného toku vyžiareného zdrojom a priestorového uhla, ktorým tok vychádza.

      Ф
I = –-–––
      ω

Svietivosť I vo svetelnej technike je obdoba elektrického prúdu v elektrotechnike. Jednotkou svietivosti je kandela [cd].

Osvetlenie (intenzita osvetlenia E) – plocha, na ktorú dopadá svetelný tok, je osvetlená.

Osvetlenie – podiel svetelného toku a plochy, na ktorú tento tok dopadá.

      Ф
E = –––––
      S

Jednotkou osvetlenia je lux [lx].

Svetelná účinnosť – účinnosť premeny elekrickej energie na svetelnú.

       Ф
η  = ––––– 
       p

Jednotkou svetelnej účinnosti je lúmen na watt [lm/W].

Niekoľko príkladov osvetlenia v praxi:

• hrubá práca – 40 lx
• jemná práca – 100 lx
• veľmi jemná práca – 300 lx
• čítanie, písanie – 100 až 200 lx
• Slnko na poludnie – 150 000 lx
• Mesiac pri splne – 0,15 lx
• žiarovka (70 – 100 W) vyvolá osvetlenie kolmej plochy vo vzdialenosti 1 m asi 80 lx.

Svetelné veličiny, ich vzorce a jednotky so značkami v prehľadnej tabuľke Veličina Značka Vzorec Jednotka Značka Svetelný tok Ф (F) Ф = E . S Ф = I . ω lúmen lm Dlm Svietivosť I

      Ф
I = ––––
      ω

kandela

cd

Osvetlenie

E

     Ф
E = –––––
     S

lux

lx

Svetelná účinnosť

η

      Ф
η = –––– 
      p

lúmen/watt

lm/W lm.W^-1

Porovnanie svetelných veličín

Na elektrický svetelný zdroj – napr. žiarovku – pripájame elektrický výkon vo wattoch, svetelný zdroj vydá svetelný výkon (tok) Ф v lúmenoch.

Časť svetelného toku pripadajúceho na jednotku priestorového uhla je svietivosť (v kandelách ).

Časť svetelného toku, ktorý dopadá na jednotku plochy je osvetlenie ( v luxoch), ktoré so štvorcom vzdialenosti ubúda

Obrazne povedané:

Do žiarovky dáme watty, žiarovka nám dá lúmeny, proti žiarovke v rôznom smere je rôzna svietivosť v kandelách a na osvetlenom predmete vidíme luxy.

Meranie svetla

Čím meriame osvetlenie?

• a) Vizuálne meranie (subjektívne) – spočíva v porovnaní jasov dvoch susedných plôch.

Jas – podiel celkovej svietivosti a plochy, ktorá svieti [kandela . m^-2].

• b) Fyzikálne meranie (objektívne) – ľudské oko ako prjímač je nahradené fyzikálnymi snímačmi – fyzikálne fotometre (selénové fotónky, emisné fotónky).

Osvetlenie sa meria prístrojom – luxmeter. (citlivý fotoelektrický článok, t. j. zariadenie, ktoré mení svetelnú energiu na elektrickú)

Zásady správneho osvetlenia:

Správne osvetlenie má predovšetkým:

• a) vytvoriť priaznivé podmienky pre videnie (tým zabrániť predčasnej únave, predchádzať úrazu)
• b) vytvárať dobrú svetelnú pohodu (príjemné pocity a dobrú náladu)

Týmto požiadavkám vyhovieme: - primeranou intenzitou osvetlenia, vhodným jasom, kontrastom jasu a farby, správnym smerom dopadu svetla, čo najmenším oslnením.

Oslnenie→ nepriaznivý stav zraku, ruší zrakovú pohodu, zhoršuje až znemožňuje videnie.

Elektrické svetelné zdroje

Elektrické svetelné zdroje rozdeľujeme na:

• a) žiarové (žiariče)
• b) výbojové

a) Žiarové zdroje

Žiarovky

Sú to umelé svetelné zdroje, ktoré vyžarujú svetlo z vlákna, rozžeraveného elektrickým prúdom. Žiarovky sú najbežnejší a najlacnejší zdroj svetla, ale ich svetelná účinnosť je malá (veľká časť energie sa vyžiari vo forme tepla).

Z elektrickej energie, ktorú odoberie žiarovka zo siete, sa premení na svetlo len 8 %. Zvyšok energie sa premení na teplo (92 %).

Životnosť žiarovky je okolo 1 000 hodín.

Na životnosť žiarovky má veľký vplyv kolísanie napätia. (Pri znížení napätia stráca žiarovka veľa svetelného toku.)

Žiarovka – vlákno sa vyrába z volfrámu, práškovou metalurgiou. Vlákno je navinuté do jednoduchej alebo dvojitej špirály, zavesené je na krátkych háčikoch. Prostredie v banke je: vákuum (do 25 W) - vzduchoprázdno plyn (nad 25 W)

Ako plyn sa používa zmes argónu alebo kryptónu (zle vedie teplo) s dusíkom (zabraňuje odparovaniu vlákna - predlžuje životnosť).

Teplota vlákna:

• 2 200°C – vákuové žiarovky
• 2 600°C – žiarovky plnené plynom
• 3 000°C – premietacie, fotografické žiarovky

Max. hodnota špecifického (merného) výkonu je:

• 10 lm.W^-1 – vákuové žiarovky
• 18 lm.W^-1 – žiarovky plnené plynom (10 až 20 lm.W^-1)
• 30 lm.W^-1 – premietacie žiarovky

Druhy žiaroviek:

normálne žiarovky (majú normálnu päticu s Edisonovým závitom E 27)

špeciálne žiarovky:

• a) automobilové
• b) premietacie
• c) fotografické
• d) indikačné

3. halogénové žiarovky

Obr. Žiarovka

Halogénová žiarovka

Je to žiarovka plnená plynom s prímesou určitého množstva halogénu (ako halogén sa používa jód) a nazývajú sa tiež žiarovky s jódovým cyklom (halogénový cyklus = regeneračný cyklus). Majú tvar priamej rúrky z kremenného skla. Podstata halogénovej žiarovky: využitie termochemickej vratnej reakcie volfrámu a halogénu.

Atómy volfrámu sa zlučujú s atómami halogénu na halogenid. V blízkosti rozžeraveného vlákna sa halogenid opäť rozkladá na pôvodné zložky, atómy volfrámu sa usadzujú späť na vlákno, vlákno sa teda nestenšuje, a tým sa jeho životnosť predlžuje.

Merný výkon halogénovej žiarovky je 12 až 15 lm/W.

Halogénové žiarovky sú úspornejšie a majú asi 3x dlhšiu životnosť (majú vysoký svetelný výkon pri nízkej spotrebe prúdu).

Svetlo halogénových žiaroviek môže osvetliť rovnomerne celé priestory, ale môže byť tiež viazané do úzkeho zväzku.

Používajú sa:

• na osvetlenie výkladov, spoločných priestorov i bytov – osvetlenie vitrínky, obrazu, pracovného stola, na čítanie
• na osvetlenie vozoviek – halogénové autožiarovky
• infraohrev – halogénová infražiarovka
• na osvetľovanie štartovacej a pristávacej dráhy letísk

Nízkovoltové halogénové žiarovky

- v domácnostiach sa využívajú skôr na malé napätie (6, 12 alebo 24 V). Na ich prevádzku je preto potrebné mať k dispozícii vhodný klasický alebo elektronický transformátor.

Vyrábajú sa buď bez reflektora alebo so zabudovaným reflektorom. Skladajú sa zo sklenej banky, v ktorej je volfrámové vlákno. Banka je naplnená vzácnym plynom napr. kryptónom, s malým množstvom halogénu (napr. jódu). Žiarovky sa zasúvajú do pätíc, preto sú opatrené kontaktnými kolíkmi.

b) Výbojové zdroje

Sú to svetelné zdroje, v ktorých vzniká svetlo pri elektrickom výboji v ionizovaných plynoch, kovových parách alebo ich zmesiach.

(Akýkoľvek horúci plyn je ionizovaný. Ionizovaný plyn teda obsahuje nosiče elektrického náboja – elektróny a ióny – a stáva sa elektricky vodivým).

Pri všetkých výbojkách musíme do obvodu predradiť vhodný obmedzovací odpor, aby nenastala lavínovitá ionizácia.

Obmedzovací predradený odpor (tlmivka) spôsobí, že vzrastom vodivosti plynu sa pri raste ionizácie zväčší úbytok napätia na predradenom odpore a napätie na výboji poklesne.

Tým sa prúd zmenší opäť na pôvodnú veľkosť a nenastane zväčšenie prúdu, ktorý by výbojku tepelne zničil. (Tlmivka – cievka s veľkou indukčnosťou, ktorá tlmí prechod prúdu) – indukčný predradník

Rozdelenie výbojových zdrojov:

podľa elektród:

• so studenými elektródami; výboj je samostatný, pretože sa prostredie ionizuje, takže sa po zapálení sám udrží (neónky, tlejivka)
• so žeravými elektródami po celý čas svietenia; výboj je nesamostatný, sám sa bez žeravenia elektród neudrží ( niektoré nízkonapäťové výbojky)
• so žeravenými elektródami len na zapálenie výboja; výboj je samostatný, žeraví sa len pri zapálení (žiarivky)

podľa náplne:

• s plynom – dusík, oxid uhličitý, vzácne plyny (neón, hélium, argón, kryptón)
• s kovovými parami – ortuť, sodík

V moderných výbojkách sa používa ortuť a sodík. podľa tlaku plynu:

• s nízkym tlakom (nízkotlakové) do 1,3 kPa (ortuť, sodík)
• so stredným tlakom – do 1 MPa (ortuť)
• s vysokým tlakom (vysokotlakové) od 1 – 30 MPa (ortuť, sodík)

Žiarivky

- sú nízkotlakové svietiace rúrky plnené ortuťovými parami. Prevažná časť žiarenia je v ultrafialovej oblasti, takže preto vnútorné steny rúrok a baniek sú pokryté luminoforom (látka schopná luminiscencie – mení ultrafialové žiarenie na svetlo). Hlavnou náplňou je ortuť, na uľahčenie zapálenia sa pridáva argón.

Žiarivky sa pripájajú na napätie 230 V s tlmivkou (Tl) v sérii. Toto napätie nestačí na zapálenie výboja pri studených elektródach, a preto sa musia elektródy pred zapálením rozžeraviť a potom zvýšeným napätím zapáliť. Na to slúži štartér (1), najčastejšie tlejivkový.

Sú účinnejšie ako žiarovky – merný výkon η = 80 až 100 lm/W. Ich životnosť dosahuje 8 000 až 10 000 hodín svietenia. Životnosť závisí aj od toho ako často sa zapína.

Opis žiarivky

Žiarivka má tvar dlhej rúrky zo skla. Na oboch koncoch rúrky sú dva kolíkové kontakty spojené s volfrámovou špirálou (dve žeraviace vlákna, ktoré majú inú úlohu ako svietiť). Špirálové vlákna sa žeravia na začiatku zapaľovania žiarivky (prúd nimi prechádza len dovtedy, kým sa žiarivka nerozsvieti).

Žiarivka nemá nijaký závit, ktorým by sa upevnila v objímke. Na upevnenie žiarivky sú na jej koncoch kolíky, ktoré sú súčasne prívodmi prúdu. Žiarivka sa teda upevňuje do dvoch špeciálnych objímok.

Obr. Žiarivka

Čo vieme o svetle žiarivky?

Má veľký merný výkon: 80 až 100 lm/W

Z elektrickej energie zo siete premieňa asi 20 % na svetlo.

Žiarivka má malý jas, t. j. celý svetelný tok je rozložený na veľkú plochu valcovitej žiarivky, neoslňuje teda tak, ako žiarovka.

Hoci malý jas žiarivky nevyžaduje tienidlo, predsa ho používame na úpravu svetelného toku pre továrne, obchodné domy, spoločenské miestnosti.

Použitie žiariviek:

Žiarivky sa používajú tam, kde treba trvalo svietiť (továrenské haly, železničné stanice, spoločenské miestnosti, obchodné domy, školy…).

Žiarivky nie sú vhodné na vonkajšie osvetlenie, lebo pri nižších teplotách sa ťažko zapaľujú.

Princíp činnosti:

Obr. Zapojenie žiarivky

• 1 - štartér (tlejivka plnená neónom)
• 2 – trubica žiarivky
• 3 – luminofor
• 4 – elektródy žiarivky
• C1 – kondenzátor, ktorý sa pripája paralelne k tlejivke
  • C1 = 0,005 µF, zlepšuje zapaľovacie podmienky a obmedzuje rušenie rozhlasu.
• C2 – kompenzuje účinník žiarivky
  • C2 = 4,5 µF (v žiarivke s príkonom 40 W)

Tl – tlmivka, má dve funckie: ako predradený obmedzovací odpor zabraňuje lavínovitej ionizácii a spolu so štartérom vytvára napäťový impulz, ktorý zapáli výboj v žiarivke.

Štartér: je tlejivka – má dve elektródy: jedna je pevná, druhá je z kovového prúžku (dvojkovu). Za studena sa elektródy nedotýkajú.

Ak sa do obvodu zapne žiarivkový prúd, zapáli sa tlejivka, (vzniká tlejivý výboj), dvojkov sa zohreje, prehne a spojí elektródy tlejivky.

Od tohto okamihu prechádza elektródami žiarivky veľký prúd (až o 50 % väčší ako menovitý) a elektródy žiarivky sa rozžeravia (800° C).Náplň žiarivkovej rúrky sa ionizuje.

Medzitým sa však dvojkov ochladzuje (v tlejivke) a elektródy sa opäť rozpoja. Pri rozpojení vznikne v obvode prepätie (470 V), ktorým sa zapáli oblúk v žiarivke. Ak sa zapáli výboj a žiarivkou začne prechádzať prúd, rozdelí sa sieťové napätie medzi žiarivku a tlmivku.

Otázka č. 1

Prečo je štartér najčastejšou príčinou porúch žiarivkového osvetlenia? Funkcia štartéra je veľmi dôležitá.

Pliešky štartéra sa pri zapnutí prúdu často nespoja a žiarivka sa nemôže rozsvietiť. Táto porucha štartéra je nebezpečnejšia, lebo sa ľahko prepália vlákna žiarivky, ktoré sú dimenzované na krátkodobý prechod prúdu. Táto porucha sa javí tak, že žiarivka sa nerozsvieti a konce žiarivky pritom trvale žiaria červenkastým svetlom. Treba prúd vypnúť a vymeniť štartér.

Otázka č. 2

Možno žiarivky rôzneho výkonu zameniť ako žiarovky?

Nevýhoda žiariviek – nezámennosť

Tam, kde bola žiarivka 25 W, nemožno dať žiarivku 40 W, pretože 40 W žiarivka potrebuje inú tlmivku, ako 25 W. Štartér je zámenný.

Otázka č. 3

Ako zistíme pri poruche svetla žiarivky, či je chybný štartér alebo žiarivka? Keď pochybujeme, či žiarivka nesvieti pre poruchu štartéra alebo žiarivky, skúšame najjednoduchšie tak, že vložíme do objímky dobrý štartér. O tom, či sú prepálené vlákna žiarivky sa presvedčíme skúšacou lampou. Keď je vlákno v poriadku, žiarovka sa rozsvieti. Takto skúšame obe vlákna.

Otázka č. 4

Ako odstraňujeme stroboskopický jav pri žiarivke? V každej výbojke, a teda aj v žiarivke, elektrický výboj, t. j. svetlo 100x zháša a 100x má maximálnu hodnotu za sekundu, čo oko nepostrehne. Pri osvetlení v továrňach s točivými obrábacími strojmi treba takémuto kmitaniu svetla zabrániť (stroboskopický jav).

To dosiahneme súčasnou prevádzkou troch fáz alebo aspoň dvoch žiariviek do jednej fázy, pričom jedna žiarivka má pomocou indukčnosti alebo kapacity posunutú fázu. Viditeľné a rušivé blikanie žiarivky nie je zapríčinené striedavým prúdom siete 50 Hz, ale chybou žiarivky a jej zapaľovacieho systému.

Kompaktné žiarivky

• úsporné žiarivky
• sú v podstate žiarivky, ktoré majú elektronický predradník zabudovaný do pätice (majú rovnakú päticu ako žiarovky).

Porovnanie efektívnosti využitia žiarovky a kompaktnej žiarivky:

• 80 % úspory elektrickej energie
• 100 W žiarovku môžeme nahradiť 20 W kompaktnou žiarivkou a úroveň osvetlenia je zachovaná. Nie je jedno, či so 100 wattmi si osvetlíme jednu izbu alebo celý byt.
• životnosť – 12 rokov
  • kompaktná žiarivka svieti asi 12 000 hodín (priemerne 2,7 hodín denne).
• viac ušetríte, ako zaplatíte
  • úspora nákladov na spotrebu elektrickej energie používaním kompaktnej žiarivky určite presiahne ich cenu
• vysoká bezpečnosť prevádzky
  • klasické žiarovky počas svojej prevádzky vďaka vysokému vývinu tepla môžu ľahko zapáliť niektoré horľavé materiály.
  • Kompaktné žiarivky sú oproti tomu počas prevádzky značne chladnejšie a tým i bezpečnejšie
• prispieva k ochrane životného prostredia – jedna jediná kompaktná žiarivka dokáže počas svojej životnosti ušetriť až 970 kWh elektrickej energie. K výrobe tejto energie je potrebných asi 600 kg čierneho uhlia alebo 240 litrov vykurovacieho oleja.

Obr. Kompaktná žiarivka

Výbojky

Druhy: - ortuťové, sodíkové, halogenidové

Ortuťové výbojky

- sú výbojové zdroje s ortuťovými parami. Vnútorný povrch banky je pokrytý luminoform, ktorý mení ultrafialové žiarenie na viditeľné. Náplň horáku tvorí ortuť a argón.

Svetelný výkon je 60 lm/W.

Použitie: osvetľovanie ulíc, továrenských hál

Sodíkové výbojky

- výbojky sa rozdeľujú na nízkotlakové a vysokotlakové.

Nízkotlakové – hlavnou náplňou horáku je sodík, pomocnou náplňou na zapálenie pomocného výboja je neón. Svetelný výkon je až 150 lm/W.

Vysokotlakové – v horáku okrem sodíka je ešte argón, xenón, ortuť. Svetlo sodíkových výbojok je žlté, dobre preniká hmlou, prachom a pod.

Používajú sa:

• na osvetľovanie ulíc, námestí, tunelov, diaľnic, letísk, zlievarní
• na osvetľovanie výrobných a skladových hál
• pracovné osvetlenie na stavbách
• reprezentačné osvetľovanie budov
• patria medzi najhospodárnejšie svetelné zdroje
• majú vysoký merný výkon (100 lm/W)
• majú dlhšiu životnosť

Halogenidové výbojky

- od ortuťových výbojok sa líšia tým, že v horáku sú ešte okrem ortuti aj ďalšie kovy – halogenidové zlúčeniny napr. jodidy, bromidy.

Výhody:

• merný výkon je 75 – 80 lm/W.
• majú dlhšiu životnosť (až 9 000 h).
• malé tepelné vyžarovanie, znižuje náklady na klimatizáciu.

Halogenidové výbojky môžeme použiť:

• na reprezentačné osvetľovanie interiérov – priemyselné haly, veľtrhy, výstavné priestory
• na vonkajšie osvetlenie – ulice, parky, stavby, športoviská

Obr. Výbojky

Svietiace trubice – neónky

- najčastejšie výbojky so studenými elektródami (plnené vzácnym plynom s nízkym tlakom) nazývame – neónky.

Použitie: na reklamné účely

1. rozličné sfarbenie sa dosahuje náplňou a farbou skla trubíc, napr.:
   1. čistý neón – červené svetlo
   2. pary sodíka – žlté svetlo
   3. argón – fialové svetlo
   4. hélium – bielo-ružové svetlo
   5. kryptón – ružové
   6. neón s argónom a parami ortuti – modré svetlo
2. životnosť neónky je až 15 000 hodín