Energiansäästölamppujen valotehokkuuden mittaaminen

Transkriptio

1 Tomi Pulli Energiansäästölamppujen valotehokkuuden mittaaminen Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta Kandidaatintyö Espoo Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Työn ohjaaja: DI Tuomas Poikonen A? Aalto-yliopisto Teknillinen korkeakoulu

2 aalto-yliopisto teknillinen korkeakoulu kandidaatintyön tiivistelmä Tekijä: Tomi Pulli Työn nimi: Energiansäästölamppujen valotehokkuuden mittaaminen Päivämäärä: Kieli: Suomi Sivumäärä: 7+27 Tutkinto-ohjelma: Elektroniikka ja sähkötekniikka Vastuuopettaja: TkT Markus Turunen Ohjaaja: DI Tuomas Poikonen Euroopan komission asetus N:o 244/2009 poistaa lähes kaikki yleiskäyttöön tarkoitetut hehkulamput vaiheittain vuoden 2012 syyskuuhun mennessä. Komissio arvioi valaistuksen aiheuttaman energiankulutuksen pienentyvän huomattavasti, kun hehkulamput korvataan valotehokkuudeltaan paremmilla valonlähteillä. Tässä työssä mitattiin sekä halogeeni-, pienoisloiste- että loistediodilamppujen valotehokkuuksia ja verrattiin niitä hehkulamppujen valotehokkuuteen. Valotehokkuus selvitettiin mittaamalla kunkin lampun valovirta integroivan pallon ja fotometrin avulla sekä niiden kuluttama pätöteho erillisellä sähkötehomittarilla. Tutkittujen lamppujen spektrit mitattiin spektroradiometrillä. Valovirtamittauksia varten integroivan pallofotometrin vaste selvitettiin ulkoista lähdettä käyttäen. Mitattuja valotehokkuuksia verrattiin myös valmistajien ilmoittamiin arvoihin. Tutkittujen hehkulamppujen mitatut valotehokkuudet olivat välillä 8,4 9,5 lm/w ja halogeenilamppujen välillä 10,0 17,4 lm/w. Suoraputkisten pienoisloistelamppujen valotehokkuuksiksi saatiin 44,9 52,6 lm/w. Vastaavasti kierrettyjen pienoisloistelamppujen valotehokkuudeksi mitattiin 64,9 67,7 lm/w. Loistediodilamppujen valotehokkuuksissa havaittiin eniten vaihtelua, ja arvot olivat välillä 26,1 57,9 lm/w. Valotehokkuusmittausten laajennettu mittausepävarmuus (k = 2) on tutkitusta lampusta riippuen 1,2 2,7 %. Suurimmat epävarmuuskomponentit aiheutuvat sähköverkon heilahteluista johtuvasta valovirta- ja sähkötehomittausten hajonnasta, sähkötehomittausten resoluutiosta sekä integroivan pallon vasteen karakterisoinnista. Mittausepävarmuutta voidaan jatkossa pienentää stabiloimalla sähköverkon jännite ja käyttämällä suurempaan tarkkuuteen pystyvää sähkötehomittaria. Avainsanat: Fotometria, valovirta, sähköteho, valotehokkuus, integroiva pallo, LED, loistediodilamppu, CFL, pienoisloistelamppu, hehkulamppu, halogeenilamppu

3 iii Esipuhe Tämä työ on tehty Mittaustekniikan tutkimusryhmässä Aalto-yliopiston teknillisessä korkeakoulussa. Haluan kiittää professori Petri Kärhää mielenkiintoisesta työn aiheesta sekä tilaisuudesta työskennellä Mittaustekniikan tutkimusryhmässä. Suuri kiitos kuuluu diplomi-insinööri Tuomas Poikoselle loistavasta ohjauksesta sekä avusta ja tuesta koko työn ajan. Lisäksi haluan kiittää koko MIKES-Aalto Mittaustekniikan henkilökuntaa mukavasta ja rennosta työympäristöstä. Lamput työn mittauksia varten toimitti SLO Oy, SET-Systems Oy, Limic Oy ja Artisan-Rinaldo Oy. Näille yhtiöille kuuluu erityiskiitos kandidaatintyöni tukemisesta. Lopuksi haluan kiittää perhettäni sekä ystäviäni tuesta koko kandidaatintyön kirjoitusprosessin aikana. Otaniemi, Tomi P. Pulli

4 iv Sisältö Tiivistelmä Esipuhe Sisällysluettelo Symbolit ja lyhenteet ii iii iv vi 1 Johdanto 1 2 Teoreettinen tausta Fotometria V(λ)-painotus Valovirta ja valaistusvoimakkuus Sähköteho Valotehokkuus Tutkitut lampputyypit Hehkulamppu Halogeenilamppu Pienoisloistelamppu Loistediodilamppu Laitteisto ja mittausten kulku Laitteisto Integroiva pallo Standardifotometri Spektroradiometri Sähkötehomittari Mittaukset Valovirta- ja spektrimittaukset Lamppujen ikäännyttäminen Integroivan pallofotometrin vasteen karakterisointi Lamppujen itseabsorptio

5 v Värikorjaustekijä Tulokset Valotehokkuus Syttymisnopeus Tehonkulutus Lamppujen spektrit Epävarmuustarkastelu Yhteenveto 23 Viitteet 25 Liite A 27 A Tutkitut lamput 27

6 vi Symbolit ja lyhenteet Symbolit A E E e (λ) E v F f f 1 h I I e (λ) I v i i 0 i f i l L e (λ) L v P Q R s R s (λ) S S S e (λ) S i (λ) S mit (λ) s rel (λ) T (λ) U V (λ) V (λ) α η v λ Φ e (λ) Φ ref Φ v φ Ω pinta-ala kielletyn energiavälin leveys puolijohteessa irradianssi valaistusvoimakkuus värikorjaustekijä fotonin taajuus CIE 53 -standardin mukainen spektrinen hyvyysluku fotometrille Planckin vakio 4, ev s virran tehollisarvo spektrinen säteilyintensiteetti valovoima fotometrin virta referenssivalovirralle fotometrin virta absorptiomittauksessa ilman tutkittavaa lamppua fotometrin virta tutkittavalle lähteelle fotometrin virta absorptiomittauksessa tutkittavan lampun kanssa spektrinen radianssi luminanssi pätöteho loisteho integroivan pallofotometrin valovirtavaste integroivan pallofotometrin spektrinen herkkyys kompleksinen teho näennäisteho ulkoisen standardivalonlähteen spektri tutkittavan lampun spektri integroivan pallon läpi mitattu lampun spektri fotometrin suhteellinen spektrinen herkkyys Integroivan pallon spektrinen läpäisy jännitteen tehollisarvo painotuskäyrä ihmissilmän spektriselle herkkyydelle (fotooppinen) painotuskäyrä ihmissilmän spektriselle herkkyydelle (skotooppinen) itseabsorptiokorjaus valotehokkuus aallonpituus spektrinen tehojakauma vasteen mittauksen referenssivalovirta valovirta jännitteen ja virran välinen vaihe-ero avaruuskulma

7 vii Lyhenteet CFL CIE E27 LED NTC PMT UV compact fluorescent lamp, pienoisloistelamppu Commission internationale de l éclairage, kansainvälinen valaistusjärjestö halkaisijaltaan 27 mm:n Edison-kierrekanta lampuille light emitting diode, loistediodi negative temperature coefficient, negatiivinen lämpötilakerroin photomultiplier tube, valomonistinputki ultravioletti(säteily)

8 1 Johdanto Euroopan komissio antoi ympärisäteilevien kotitalouslamppujen ekologista suunnittelua koskevan asetuksen N:o 244/2009 [1]. Asetuksessa määritellään tiettyä valovirran arvoa vastaava suurin sallittu tehonkulutus kirkkaille ja muille kuin kirkkaille lampuille. Käytännössä asetus poistaa yleiskäyttöiset ympärisäteilevät hehkulamput markkinoilta vaiheittain. Himmeäkupuisten hehku- ja halogeenilamppujen sekä kaikkien 100 W:n tai sitä suurempitehoisten hehkulamppujen markkinoille saattaminen kiellettiin syyskuussa Yleisessä käytössä olevat 60 W:n hehkulamput puolestaan poistuvat syyskuussa 2011 ja loputkin yleiskäyttöön tarkoitetut hehkulamput vuotta myöhemmin. [2] Asetuksen tavoitteena on vähentää yleisvalaistuksen aiheuttamaa energiankulutusta ja ohjata kehitystä ympäristöystävällisempään suuntaan. Euroopan komissio uskoo asetuksen pienentävän sähkönkulutusta jopa 39 terawattitunnilla vuonna 2020 [1, 2]. Ympärisäteilevien lamppujen energiatehokkuuden arvioinnin kannalta olennainen parametri on valonlähteen valotehokkuus, joka kertoo, kuinka suuren valovirran lamppu tuottaa suhteessa sen kuluttamaan sähkötehoon. Valotehokkuuden yksikkö on lm/w (lumenia/watti). Valovirta kuvaa valonlähteen kokonaissäteilytehoa painotettuna ihmissilmän spektrisellä herkkyydellä, ja sen yksikkö on lumen (lm). Työn tarkoituksena oli selvittää ja verrata erilaisten energiaa säästävien lamppujen valotehokkuutta mittaamalla niiden valovirta integroivalla pallolla sekä sähköteho erillisellä kulutusmittarilla. Erityisen kiinnostuneita oltiin siitä, missä vaiheessa loistediodilamppujen kehitys tällä hetkellä on. Tutkittavien lamppujen valovirta mitattiin uusina sekä sadan tunnin polton jälkeen. Jälkimmäinen luku vastaa valmistajien tyypillisesti ilmoittamaa arvoa [1]. Valovirran muutosta mitattiin lampun päällekytkemisen jälkeen, jolloin voitiin arvioida aika, joka lampuilta kuluu täyden valovirran saavuttamiseen. Syttymisaika onkin olennainen tieto, kun lamppua on tarkoitus käyttää esimerkiksi käytävävalaistuksessa tai muissa kohteissa, joissa lamppuja kytketään usein päälle ja pois lyhyeksi aikaa. Lamppujen spektrit mitattiin spektroradiometrillä. Mittausten avulla voitiin selvittää kunkin lampun värilämpötila ja kuinka suuri osa lampun säteilystä on näkyvän valon alueen eli aallonpituusalueen nm alapuolella, ultraviolettialueella. UV-säteilyllä on lukuisia tunnettuja haittavaikutuksia, ja sen on todettu aiheuttavan muun muassa harmaakaihia [3, s. 250]. Lamppujen UV-säteilyn osuus tulisikin olla mahdollisimman pieni. Sähkötehomittauksilla voidaan selvittää, kuinka paljon eri lampputyypit kuluttavat energiaa ja millaisina kuormina ne näkyvät sähköverkossa. Perinteiset hehku- ja halogeenilamput edustavat sähköisten ominaisuuksien kannalta resistiivistä kuormaa. Muut valonlähteet saattavat kuormittaa verkkoa eri tavoin, ja niillä voi esimerkiksi olla pätötehon lisäksi loistehokomponentti. Loisteho ei tee varsinaista työtä, mutta aiheuttaa virran, joka kuormittaa siirtoverkkoa [4, s. 231]. Tutkimukseen valittiin kotitalouskäyttöön soveltuvia, Euroopan komission asetuk-

9 sen myötä vaiheittain poistuvia hehkulamppuja mahdollisimman hyvin vastaavia E27-kantaisia tuotteita. Vertailukohtina olleiden hehkulamppujen lisäksi mitattiin erilaisten halogeenilamppujen, pienoisloistelamppujen (engl. compact fluorescent lamp, CFL) ja loistediodilamppujen (engl. light emitting diode, LED) valotehokkuudet. Seuraavassa luvussa käydään lyhyesti läpi fotometriaan ja sähkötehoon liittyvää teoriaa. Eri lampputyyppien toimintaperiaateet ja tärkeimmät ominaisuudet on esitetty luvussa 3. Luvussa 4 kuvataan käytetty mittausjärjestely sekä eri mittalaitteiden toiminta. Saadut mittaustulokset ja tulosten epävarmuustarkastelu on esitetty luvussa 5. 2

10 3 2 Teoreettinen tausta Tässä luvussa tarkastellaan tutkimuksessa tarvittua teoreettista taustaa fotometriaan ja sähkötehon mittaamiseen liittyen. Valovirran mittaaminen integroivalla pallolla ja mittauksiin liittyvät laskutoimitukset on kuvattu tarkemmin luvussa Fotometria V(λ)-painotus Fotometriassa valosuureita mitataan painotettuna ihmissilmän herkkyyskäyrällä. Kansainvälinen valaistusjärjestö CIE (Commission internationale de l éclairage) on määrittänyt painotuskäyrän V (λ) ihmissilmän keskimääräiselle spektriselle herkkyydelle voimakkaassa valaistuksessa (fotooppinen alue, tappinäkeminen). Fotometriset suureet saadaan muunnettua vastaavista radiometrisistä suureista painottamalla niitä tällä käyrällä. V (λ)-käyrä on nollasta poikkeava aallonpituusvälillä nm ja saavuttaa suurimman arvonsa vihreän valon alueella aallonpituudella 555 nm. Heikossa valaistuksessa (skotooppinen alue, sauvanäkeminen) käytetään edellisestä poikkeavaa painotuskäyrää V (λ). Fotometri on mittalaite, joka tuottaa mitattavaan valotasoon verrannollisen sähköisen signaalin. Se kooostuu yksinkertaisemmillaan fotodiodista ja optisesta V (λ)- suodattimesta. Radiometri puolestaan mittaa optista säteilyä ilman V (λ)-painotusta. Jos säteilyn spektrinen tehojakauma Φ e (λ) aallonpituuden funktiona tunnetaan, voidaan optista kokonaistehoa vastaava fotometrinen suure, valovirta Φ v laskea yhtälöstä 830 nm Φ v = K m Φ e (λ)v (λ)dλ = 683 lm/w Φ e (λ)v (λ)dλ, (1) nm missä integrointimuuttuja λ on aallonpituus. Kerroin K m = 683 lm/w muuttaa lopputuloksen yksikön wateista lumeneiksi. Korvaamalla edellisessä integraalissa jakauma Φ e (λ) toisella radiometrisellä suureella voidaan laskea myös muita fotometrisia suureita. Spektrisestä säteilyintensiteetistä I e (λ) saadaan painotettua fotometrinen suure valovoima I v (yksikkö kandela, cd), spektrisestä radianssista L e (λ) luminanssi L v (cd/m 2 ) ja spektrisestä irradianssista E e (λ) valaistusvoimakkuus E v (luksi, lx). [5, s. 45] Valovirta ja valaistusvoimakkuus Yhtälön 1 mukaisesti valovirta kuvaa valonlähteen säteilytehoa painotettuna silmän spektrisellä herkkyydellä V (λ) [6, s. 35]. Ympärisäteileviä valonlähteitä käsiteltäessä tarkastellaan täyteen Ω = 4π sr:n avaruuskulmaan säteilevää tehoa. Kun

11 valonlähteen valaistusvoimakkuus E v valonlähdettä ympäröivällä pinnalla A tunnetaan, voidaan valovirta laskea kaavasta Φ v = E v da. (2) A Valovirta siis lasketaan integroimalla valaistusvoimakkuus valonlähdettä ympäröivän suljetun pinnan yli. [7] Yhtälön 2 mukaisesti valaistusvoimakkuus kuvaa valovirran tiheyttä. Sen yksikkö on luksi (lx). [6, s. 36] Valaistusvoimakkuus on tärkeä suure fotometriassa, ja esimerkiksi fotometrien kalibroinnit perustuvat usein valaistusvoimakkuuden mittaamiseen [8]. Valaistusvoimakkuuden ja valovirran välistä yhteyttä on havainnollistettu kuvassa 1. Kuvan mukaisesti valonlähteen valovirta, toisin kuin valaistusvoimakkuus, ei riipu tarkastelusuunnasta tai etäisyydestä. Ympärisäteilevien valonlähteiden valontuottokykyä kuvataankin yleisimmin valovirran avulla. 4 Φ A 2 E 2 A 1 E 1 Kuva 1: Havainnekuva valaistusvoimakkuuden ja valovirran välisestä yhteydestä. Ympärisäteilevien lamppujen valovirta mitataan tavallisesti joko goniofotometriä tai integroivaa palloa käyttäen. Goniofotometri mittaa valaistusvoimakkuutta eri kulmista lampun ympärillä. Kokonaisvalovirta lasketaan integroimalla valaistusvoimakkuus lamppua ympäröivän suljetun pinnan yli yhtälön 2 mukaisesti. Yksinkertaisempi menetelmä valovirran mittaamiseen on integroiva pallo, joka nimensä mukaisesti integroi valovirran optisesti. [7] 2.2 Sähköteho Kuorman kuluttama näennäisteho S voidaan laskea kertomalla kuorman läpi kulkevan virran I ja kuorman yli olevan jännitteen U tehollisarvot keskenään. Näennäisteho on kompleksisen tehon S itseisarvo. Varsinaista työtä tekevä pätöteho P sekä loisteho Q saadaan erotettua näennäistehosta ottamalla virran ja jännitteen välinen vaihe-ero φ huomioon. Asiaa voidaan kuvata yhtälöillä P = S cos φ = UI cos φ ja (3) Q = S sin φ = UI sin φ. (4)

12 5 Yhtälön 3 termiä cos φ kutsutaan tehokertoimeksi. Vaihe-eron ja tehokomponenttien välistä yhteyttä on havainnollistettu kuvassa 2. Pythagoraan lauseen perusteella saadaan edelleen näennäis-, lois- ja pätötehon väliselle yhteydelle lauseke S 2 = P 2 + Q 2. (5) Loistehokomponentin ollessa nollaa suurempi sanotaan kuorman olevan induktiivinen. Vastaavasti negatiivisilla loistehon arvoilla kuorma on kapasitiivinen, ja sen sanotaan tuottavan loistehoa verkkoon. Loisteho ei tee varsinaista työtä, mutta sen aiheuttama virta kuormittaa esimerkiksi siirtoverkkoa ja aiheuttaa näin kustannuksia sähköyhtiöille. Resistiivisellä kuormalla virran ja jännitteen välinen vaiheero on 0 ja tehokerroin 1. [4, s ] jq Im{S} S ϕ Re{S} Kuva 2: Näennäis-, lois- ja pätötehon sekä vaihekulman välinen yhteys kompleksisen tehon avulla kuvattuna. P 2.3 Valotehokkuus Valonlähteen valotehokkuus η v lasketaan lähteen valovirran Φ v ja sen kuluttaman pätötehon P suhteesta kaavalla η v = Φ v P. (6) Valotehokkuuden yksikkö on lumenia/watti (lm/w). Valotehokkuuden vaikuttaa muun muassa lampussa tapahtuvat sähköiset häviöt sekä lampun rakenteiden aiheuttama varjostus. Koska tunnusluku lasketaan fotometrisestä suureesta, vaikuttaa myös säteilyn spektrisen tehojakauman muoto valotehokkuuteen.

13 6 3 Tutkitut lampputyypit Työssä rajoitettiin tarkastelu Euroopan komission asetuksen [1] piiriin kuuluvien ympärisäteilevien, ei-erikoiskäyttöön tarkoitettuihin lamppuihin. Edelleen keskityttiin yleisellä E27-kannalla varustettuihin hehku-, halogeeni-, pienoisloiste- ja LED-lamppuihin. Kaikkien tutkittujen valonlähteiden ilmoitettu värilämpötila on välillä K, joten niiden valo on lämpimän valkoista ja ne sopivat hyvin kotitalouksien yleisvalaistukseen. LED-lamppuja, joiden valovirran arvo on yli 400 lumenia, on markkinoilla vain rajoitetusti, joten tutkimuksessa keskityttiin pääosin tuotteisiin, joiden valovirran suuruus on likimain 400 lumenia tai joiden on ilmoitettu vastaavan noin 40 watin hehkulamppua. Kuvassa 3 on esitetty osa työssä tutkituista lampuista. Seuraavissa kappaleissa on kuvattu kunkin lampputyypin toimintaperiaate ja ominaispiirteet lyhyesti. Kaikki työssä mitatut valonlähteet on listattu liitteen A taulukossa A1. Kuva 3: (Vasemmalta lukien) Hehkulamppu, muuntopiirillä varustettu halogeenilamppu, suoraputkinen ja kierretty pienoisloistelamppu, öljytäytteinen LEDlamppu sekä jäähdytysrivallinen LED-lamppu valonlähteiden ikäännytystelineessä. 3.1 Hehkulamppu Hehkulampussa sähkövirta kuumentaa lasikuvun sisällä hapettomassa kaasussa tai tyhjiössä olevaa hehkulankaa. Tavallisesti volframista valmistetun hehkulangan resistanssi on langan ohuuden takia suuri, joten se kuumenee voimakkaasti. Korkeas-

14 sa lämpötilassa oleva kappale säteilee termisesti näkyvää valoa. Suurin osa hehkulampun säteilystä on kuitenkin infrapuna-alueella. [6, s , 186] Tutkittavien hehkulamppujen ilmoitettu valotehokkuus on noin 10 lm/w ja elinikä noin 1000 tuntia. Elinikä rajoittuu tavallisesti hehkulangan höyrystymisestä aiheutuvaan langan katkeamiseen [6, s. 187]. Kaasutäytteisten hehkulamppujen värilämpötila on noin K [6, s. 191]. Euroopan komission asetus [1] poistaa markkinoilta suurimman osan yleiskäyttöön tarkoitetuista hehkulampuista vaiheittain 2012 syyskuuhun mennessä Halogeenilamppu Halogeenilamppujen valontuotto perustuu hehkulamppujen tapaan termiseen säteilyyn. Valotehokkuuden parantamiseksi halogeenilampun täytekaasun joukkoon on lisätty halogeenia. Niin sanotussa halogeenikierrossa hehkulangalta höyrystynyt volframi kiinnittyy kierron päätteeksi takaisin hehkulankaan. Prosessi estää myös volframin kerääntymisen lampun kuvun seinämiin. [6, s , 199] Halogeenilamppu on hehkulamppua kestävämpi, ja esimerkiksi tutkittujen lamppujen eliniäksi ilmoitetaan tuntia. Halogeenikierron ansiosta voidaan langan lämpötilaa nostaa hehkulamppuun verrattuna, jolloin lampun valotehokkuus paranee. Samalla myös lampun värilämpötila kasvaa. Tavalliset xenon-kaasutäytteiset E27-kantaiset halogeenilamput toimivat verkkojännitteellä. Hehkulamppuja korkeamman valotehokkuutensa ansiosta ne pysyvät markkinoilla ainakin vuoteen 2016 asti. Uudempaa teknologiaa edustavat infrapunaan reagoivaa päällystettä hyödyntävät halogeenilamput yltävät edellisiä suurempaan valotehokkuuteen. Lampun halogeenipolttimo toimii kuitenkin tasajännitteellä, joten verkkojännitekäyttöä varten muuntopiiri pitää integroida lampun kantaan. [2] Mitatuista halogeenilampuista Philipsin MASTERClassic kuuluu tähän luokkaan [9]. 3.3 Pienoisloistelamppu CFL-, eli pienoisloistelampuista käytetään yleisesti nimitystä energiansäästölamput. Niiden toiminta perustuu sähköpurkaukseen elohopeaa sisältävässä kaasussa. Elohopeakaasu tuottaa pääosin ultraviolettisäteilyä, joka muutetaan näkyväksi valoksi loisteputken pinnalla olevan fluoresoivan loisteaineen avulla. [6, s. 205] Pienoisloistelamppujen valotehokkuus on huomattavasti suurempi kuin hehku- tai halogeenilamppujen, ja valmistajien ilmoittamat valotehokkuudet mittaukseen valituille tuotteille ovatkin likimain lm/w. Ne sisältävät kuitenkin pieniä määriä ihmiselle ja ympäristölle haitallista elohopeaa. Loistelamppujen taloudellista elinikää rajoittaa loppuunpalamisen sijaan tyypillisesti valovirran liiallinen alenema [6, s. 210]. Tutkittujen pienoisloistelamppujen eliniäksi on ilmoitettu tuntia.

15 Mittaukseen valituista pienoisloistelampuista Osram DULUX Intelligent Longlife ja Philips MASTER PL-Electronic ovat suoraputkisia. Osram DULUX Superstar Micro Twist sekä Philips TORNADO -pienoisloistelamppujen rakenne on sen sijaan kierretty. Kierrettyjen lamppujen valotehokkuus on tavallisesti suoraputkisia lamppuja jonkin verran korkeampi, sillä näin aseteltuna putket varjostavat toisiaan vähemmän Loistediodilamppu Loistediodin, eli LEDin toiminta perustuu suoran energiavälin puolijohteen pn-liitoksessa tapahtuvaan elektronien ja aukkojen rekombinaatioon. Emittoituvan säteilyn taajuuden f sekä johtavuus- ja valenssivyön välissä olevan kielletyn energiavälin suuruuden E välistä yhteyttä kuvaa yhtälö E = hf, (7) missä h = 4, ev s on Planckin vakio. LEDin säteily on normaalisti lähes monokromaattista, eli sen spektri on hyvin kapea. [10, s ] Valkoista valoa voidaan tuottaa käyttämällä kolmea eriväristä LEDiä samanaikaisesti (ns. RGB-LEDit) tai käyttämällä esimerkiksi sinistä LEDiä ja fosforipäällystettä [11]. Mitatut LED-lamput toimivat jälkimmäisellä periaatteella. LED-lamput sisältävät yleensä useampia LEDejä sekä tarvittavan ohjauselektroniikan. LEDien valotehokkuus riippuu niiden kannan lämpötilasta [7, 12], ja liiallisen lämpenemisen estämiseksi lamppuihin on kiinnitetty metallinen jäähdytysripa. Tutkitussa Liquidleds-lampussa käytettiin jäähdytyksen tehostamiseksi lisäksi öljytäytettä. LED-lamppujen valoa on totuttu pitämään värilämpötilaltaan kylmänä. Kaikkien tässä tutkimuksessa tarkasteltujen valonlähteiden ilmoitettu värilämpötila on kuitenkin välillä K. LED-teknologia kehittyy jatkuvasti, ja samalla LEDien valotehokkuus kasvaa. Testattujen tuotteiden ilmoitettu valotehokkuus on välillä lm/w. Valmistajien arviot mitattujen valonlähteiden eliniästä vaihtelevat tunnista jopa tuntiin.

16 9 4 Laitteisto ja mittausten kulku Tässä luvussa kuvataan lyhyesti mittauksissa käytettävä laitteisto integroivan pallon, fotometrin, spektroradiometrin sekä sähkötehomittarin osalta. Lisäksi käydään läpi itse mittausten kulku ja korjaustekijöiden määrittäminen pääpiirteittäin. 4.1 Laitteisto Integroiva pallo Työn valovirtamittauksissa käytettiin Mittaustekniikan laboratorion isoa integroivaa palloa Labsphere LMS-650 (kuva 4), jonka halkaisija on noin 1,65 metriä. MIKES-Aalto Mittaustekniikka on optisten suureiden kansallinen mittanormaalilaboratorio. Integroivaa palloa sekä siihen kuuluvaa laitteistoa käytetään tavallisesti niin valovirran yksikön ylläpitoon, tutkimustarkoituksiin kuin asiakaskalibrointeihin. Kuvassa 4(a) näkyy valotanko, detektoriportti ja sitä suoralta valolta suojaava varjostin (puolipallon keskellä) sekä ulkoiselle lähteelle tarkoitetun portin eteen asetettu varjostin. Tavanomaisesti palloon kytkettyjä valonlähteitä ajetaan tasavirralla, joten käytetty valotanko jouduttiin uusimaan vaihtojännitteellä toimivien lamppujen mittauksia varten. (a) Lampun valaisema puolipallo. (b) Lampun kiinnitys palloon. Kuva 4: Mittaustekniikan laboratorion iso integroiva pallo. Tutkittavan lähteen valo ohjataan integroivan pallon sisälle joko laitteen kyljessä olevan portin kautta tai sijoittamalla lähde suoraan pallon sisälle. Pallon sisäpinta

17 on maalattu valkoisella diffuusilla suuren heijastuskertoimen pinnoitteella (bariumsulfaatti, BaSO 4 ), joka saa siihen osuvan valon heijastumaan laajaan avaruuskulmaan. Useiden heijastusten jälkeen pallon sisäpinnan valaistusvoimakkuus E v on käytännössä yhtenäinen. Valaistusvoimakkuus on suoraan verrannollinen lähteen valovirran suuruuteen, jolloin integroivan pallon kylkeen asetetulla valaistusvoimakkuutta mittaavalla fotometrillä saadaan valovirtaan verrannollinen mitattava virtasignaali. Kun tämä virtasignaali suhteutetaan valovirraltaan tunnetun valonlähteen tuottamaan signaaliin ja otetaan huomioon erilaiset korjaustekijät, saadaan selville tutkittavan lampun valovirran absoluuttiarvo. [13] Lähteen valovirran suuruus saadaan tällöin kaavasta 10 Φ v = i f R s αf, (8) missä i f kuvaa fotometrin virtasignaalia tutkittavalle lähteelle, R s integroivan pallon ja fotometrin yhteistä valovirtavastetta (yksikkö A/lm), α tutkittavan lampun itseabsorptiosta aiheutuvaa korjaustekijää ja F värikorjaustekijää. [14] Integroivan pallon toiminta ja eri korjaustekijöiden laskeminen on kuvattu tarkemmin valovirran yksikön realisointia käsittelevässä artikkelissa [13]. Lamppujen suuntaavuudesta aiheutuvaa korjaustekijää ei kuitenkaan laskettu, vaan se otettiin huomioon lopullisten mittaustulosten epävarmuudessa. Artikkelin mittausjärjestelystä poiketen ulkoista lähdettä ei pidetty päällä tutkittavien lamppujen valovirtaa mitattaessa, vaan tyhjän pallon vaste selvitettiin ulkoista standardivalonlähdettä käyttäen kerran ja lamppujen erilaisen rakenteen vaikutus tuloksiin otettiin huomioon mittaamalla itseabsorptiosta aiheutuva korjaustekijä kullekin lampulle erikseen. Tältä osin menetelmä vastaa LEDien valovirtamittauksia käsittelevässä artikkelissa [14] kuvattua mittausjärjestelyä. Menettelyllä ulkoisen standardivalonlähteen polttoaikaa voidaan lyhentää huomattavasti mittaustarkkuuden kärsimättä liikaa Standardifotometri Valovirtamittauksissa integroivan pallon detektoriportissa käytettiin PRC Krochmannin valmistamaa standardifotometriä LM-1 (kuva 5(a)). Laitteelta saatava virtasignaali on suoraan verrannollinen fotometrin diffuuserin pinnalle osuvan valon valaistusvoimakkuuteen. Fotometrin mitattu suhteellinen spektrinen herkkyys s rel (λ) noudattaa varsin tarkasti V (λ)-painotuskäyrän muotoa. CIE 53 -standardin mukainen spektrinen hyvyysluku fotometrille LM-1 on f 1 = 1,97 % [15]. Luku kuvaa keskimääräisen virheen suuruutta laajakaistaisen valonlähteen mittauksissa siinä tapauksessa, että värikorjaustekijää F ei käytetä. Integroivan pallon spektrisen läpäisyn T (λ) ja standardifotometrin spektrisen herkkyyden tulona määritelty pallofotometrin yhdistetty spektrinen vaste R s (λ) on esitetty kuvassa 6. Kuvaajaan on piirretty myös painotuskäyrä V (λ) sekä käyrien suhteellinen ero aallonpituuden funktiona. Koska fotometriä käytetään integroivan pallon kanssa, on sen sisääntulo-optiikassa

18 11 (a) Standardifotometri LM-1. (b) Spektroradiometrilaitteisto. Kuva 5: Mittausvälineistöä. 1,0 0,9 V(λ) Rs(λ) Suhteellinen herkkyys 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Ero Suhteellinen ero / % 0, Aallonpituus / nm Kuva 6: Integroivan pallon ja fotometrin muodostaman kokonaisuuden spektrinen herkkyys R s (λ) aallonpituuden funktiona. Kuvassa on esitetty myös CIE:n määrittämä V (λ)-painotuskäyrä sekä käyrien suhteellinen ero. käytetty diffuuseria hyvän kulmavasteen aikaansaamiseksi. Mitattu kulmavaste noudattaa varsin läheisesti kosinifunktion muotoa.

19 Spektroradiometri Valonlähteiden spektrit mitattiin Bentham DM150 -spektroradiometrillä kytkemällä sen diffuuseripää optisella kuidulla fotometrin LM-1 tilalle integroivan pallon detektoriporttiin. Valo kulkeutuu optista kuitua pitkin monokromaattorille, jonka sisällä on mekaanisesti kääntyvä hila. Monokromaattorin rakojen koko määrää ulostulevan valon aallonpituuskaistan. Monokromaattinen valo ohjataan lopulta valomonistinputkeen (engl. photomultiplier tube, PMT), joka toimii detektorina. Kuvassa 5(b) näkyy mittauksissa käytetty spektroradiometri ja siihen liittyvä laitteisto. Kuvan kannettavalla tietokoneella ajettiin varsinainen mittausohjelmisto ja tallennettiin saadut tulokset. Spektroradiometrin monokromaattori ja valomonistinputki ovat telineen ylimmällä tasolla kannettavan tietokoneen takana. Spektroradiometrin ohjausyksikkö on asetettu telineen keskimmäiselle tasolle. Alimmalla tasolla oleva yleismittari mittaa spektroradiometrin valomonistinputken lämpötilaa putken pinnalle kiinnitetyn NTC-termistorin avulla Sähkötehomittari Lamppujen kuluttama sähköteho mitattiin Energy Optimizers Limited -yrityksen Plogg ZigBee -tehomittarilla, jonka tarkkuus on osoittautunut käyttötarkoitukseen riittävän hyväksi aiemmissa testeissä [16]. Laite kytketään suoraan pistorasian ja tutkittavan laitteen virtajohdon väliin, kuten useimmat kulutusmittarit. Moduulissa ei ole omaa näyttöä vaan mittaustulokset siirretään Zigbee-yhteyden välityksellä tietokoneelle. Plogg Manager -ohjelman avulla voidaan laitteen asetuksia muuttaa tarvittaessa. Ohjelma mahdollistaa myös Plogg-moduulin sisäisen releen ohjauksen, minkä ansiosta valonlähteet voitiin kytkeä päälle ja pois tietokoneen kautta. Työssä lampun johto kytkettiin suoraan sähkötehomittariin. Sähkötehomittari puolestaan kiinnitettiin verkkosuodattimeen, jota käytettiin sähköverkon harmonisten yliaaltojen suodattamiseen. Verkkojännitettä ei työssä reguloitu vaan suodatin kytkettiin suoraan yleiseen sähköverkkoon. 4.2 Mittaukset Valovirta- ja spektrimittaukset Tutkimukseen valittujen lamppujen valovirrat ja spektrit mitattiin ensimmäisen kerran uusina ilman esipolttoa. Tutkittava lamppu kiinnitettiin integroivan pallon sisällä olevaan valotankoon ja standardifotometri LM-1 kiinnitettiin pallon detektoriporttiin. Fotometrin virtasignaali syötettiin Vinculum SP042 virta jännitemuuntimeen, jonka herkkyydeksi asetettiin 10 6 V/A. Muunnettu jännitearvo mitattiin HP 3458A -yleismittarilla ja lukema siirrettiin tietokoneelle tallennettavaksi. Valovirran suuruuteen verrannollisesta jännitearvoja tallennettiin sekunnin vä-

20 lein National Instrumentsin LabVIEW-ohjelmistolla rakennetun hallintaohjelman avulla. Samalla Plogg-moduuli otti näytteitä valonlähteen hetkellisestä pätö- ja loistehosta, vaihekulmasta, jännitteen ja virran tehollisarvosta sekä taajuudesta kahden sekunnin välein. Valovirran asettumista tarkkailtiin tietokoneen ruudulta. Kun merkittäviä muutoksia ei enää havaittu, valovirtasignaalin mittaus pysäytettiin ja sähkötehomittarin tallentamat arvot ladattiin tietokoneelle. Tyypillisesti valovirtasignaalin asettumisessa kesti noin minuuttia. Mittausten jälkeen integroivaan palloon kiinnitetyn fotometrin LM-1 tilalle vaihdettiin spektroradiometrin diffuuseripää spektrimittausta varten. Valovirraltaan stabiloitunutta lamppua ei sammutettu detektorin vaihdon ajaksi, sillä lämpenemisvaiheessa esiintyvä valonlähteen ryömintä vääristäisi spektrimittausta. Ensimmäisissä, ikäännytystä edeltävissä spektrimittauksissa tarkasteltiin aallonpituusaluetta nm, jotta nähtäisiin vuotavatko lamput haitallista UV-säteilyä. Mittauksissa käytettiin 5 nm:n aallonpituuskaistaa ja askelpituutta. Näillä asetuksilla mittaus kesti noin 10 minuuttia. Koska vain murto-osa lamppujen spektrijakaumasta oli alhaisimmilla aallonpituuksilla ja koska pienoisloistelamppujen spektrissä esiintyvät piikit olivat hyvin kapeita, muutettiin järjestelyä siten, että ikäännyttämisen jälkeen tehdyissä mittauksissa tutkittavaksi aallonpituusalueeksi asetettiin nm ja askelpituudeksi sekä kaistaksi 1 nm. Mittausten kesto kasvoi tällöin noin 30 minuuttiin. Spektrimittauksen päätyttyä lamppu sammutettiin ja sen annettiin jäähtyä noin 5 minuuttia ennen seuraavan lampun vaihtamista. Mittaukset toistettiin vastaavasti kullekin lampulle Lamppujen ikäännyttäminen Ensimmäisen mittauskierroksen jälkeen lamppuja ikäännytettiin siten, että niiden kokonaispolttoaika oli toimenpiteen jälkeen noin 100 tuntia. Näin toimittiin, koska valmistajien tuotteilleen ilmoittamat arvot on mitattu vastaavan ikäisillä lampuilla [1]. Lamppuja ikäännytettiin polttamalla niitä kahdessa erässä yhtäjaksoisesti noin 99 tuntia 20 minuuttia lampputelinettä (kuva 3) ja erillisiä lampunripustimia käyttäen. Kuvasta 3 poiketen eniten lämpöä tuottavat hehku- ja halogeenilamput asetettiin erilleen muista lampuista, sillä ainakin LED-lamppujen suorituskyky ja elinikä riippuvat voimakkaasti LEDien lämpötilasta [12] Integroivan pallofotometrin vasteen karakterisointi Integroivan pallon ja siihen kiinnitetyn standardifotometrin yhdistetyn vasteen mittaaminen perustuu tunnetun valovirran syöttämiseen pallon sisälle ja valovirtaan verrannollisen fotometrin virtasignaalin mittaamiseen. Tunnettu valovirta muodostettiin ulkoista, mahdollisimman tarkasti 2856 kelvinin värilämpötilaan asetettua standardivalonlähdettä sekä pinta-alaltaan tunnettua tarkkuusapertuuria käyttäen, ja sen suuruus laskettiin yhtälöstä Φ v = E v A. Valaistusvoimakkuus aper-

21 tuuritasolla mitataan valaistusvoimakkuusmittauksissa käytettävällä standardifotometrillä HUT-2. [13] Kun valaistusvoimakkuutta mittaava fotometri HUT-2 poistetaan ja referenssivalovirta Φ ref ohjataan integroivan palloon, voidaan pallon ja sen detektoriportissa olevan fotometrin LM-1 yhteinen vaste R s laskea fotometrin virtasignaalin i suuruuden perusteella kaavalla R s = i. (9) Φ ref Fotometrien signaaliarvoista vähennettiin pimeävirta, eli fotometrin virtasignaalin suuruus, kun mitattava valo peitetään. Pimeävirta koostuu fotometreille osuvasta hajavalosta sekä mittalaitteiden mahdollisista offset-jännitteistä. Vasteen laskemisessa otettiin huomioon myös muita korjaustekijöitä, joiden laskeminen on kuvattu integroivalla pallolla tehtäviä valovirtamittauksia kuvaavassa artikkelissa [13] Lamppujen itseabsorptio Koska integroivasta pallosta ja fotometristä koostuvan systeemin vaste selvitettiin ulkoista lähdettä käyttäen pallon sisällä olevan valotangon ollessa tyhjillään, piti mittauksissa ottaa erikseen huomioon mitattavien lamppujen fyysisestä rakenteesta aiheutuva itseabsorptio. Korjaustekijän laskemiseksi integroivan pallon ulkoiseen porttiin kiinnitettiin tasavirralla toimiva halogeenilamppu, jonka suhteellista valovirtaa mitattiin pallofotometrillä. Valovirtaan verrannollinen jännite kirjattiin ylös sekä tutkittavan lampun ollessa kiinnitettynä että valotangon ollessa tyhjillään. Halogeenilampun stabiilisuutta monitoroitiin tarkkailemalla sen jännitettä mittausten aikana. Mittausten perusteella laskettiin kullekin lampulle korjaustekijä α kaavasta α = i 0 i l, (10) missä i 0 on fotometrin LM-1 virtasignaali ilman tutkittavaa lamppua ja i l sen kanssa [14]. Tutkittavat lamput olivat mittausten ajan sammutettuina, ja ainoastaan ulkoisen portin halogeenilamppu oli päällä Värikorjaustekijä Kullekin tutkitulle lampulle laskettiin värikorjaustekijä F, sillä fotometrin suhteellisesta spektrisestä herkkyydestä s rel (λ) sekä integroivan pallon suhteellisesta spektrisestä läpäisystä T (λ) muodostuva pallofotometrin spektrinen herkkyys R s (λ) = T (λ)s rel (λ) ei ole täysin CIE:n määrittämän ihmissilmän spektristä herkkyyttä kuvaavan painotuskäyrän V (λ) muotoinen (kuva 6). Värikorjaustekijä laskettiin kaavalla Se (λ)r s (λ)dλ F = Se (λ)v (λ)dλ Si (λ)v (λ)dλ Si (λ)r s (λ)dλ, (11) missä S e (λ) on ulkoisen standardivalonlähteen spektri ja S i (λ) on tutkittavan lampun todellinen spektri. Todellinen spektri voidaan määrittää integroivaan palloon

22 kiinnitetyllä spektroradiometrillä mitatusta spektristä S mit (λ) redusoimalla integroivan pallon spektrinen läpäisy mittaustuloksista kaavalla S i (λ) = S mit(λ) T (λ) 15. (12) Kun tutkittavan lampun valovirta lasketaan kaavasta 8 siten, että värikorjaustekijä F otetaan huomioon, vastaa tulos ideaalisella V (λ)-käyrällä painotettua mittausta. Mikäli korjaustekijää ei käytettäisi, painotettaisiin yhtälössä 1 spektristä kokonaistehoa pallofotometrin suhteellisella spektrisellä herkkyydellä R s (λ), eikä tulos tällöin vastaisi todellista valovirran arvoa. [13]

23 16 5 Tulokset 5.1 Valotehokkuus Taulukossa 1 on esitetty valotehokkuusmittausten tulokset. Koska mittauksissa havaittiin selvää sähköverkosta johtuvaa hetkellistä vaihtelua myös lampun stabiloiduttua, keskiarvoistettiin stabiilin alueen valovirta- ja pätötehomittausten näytteitä 20 sekunnin ajalta ja valotehokkuus laskettiin näiden keskiarvojen suhteena. Sähköverkon jännite oli koko tutkimuksen ajan välillä V. Lämpötila mittauslaboratoriossa oli C ja suhteellinen ilmankosteus % kaikkien mittausten aikana. Hehkulamput Halogeenit Pienoisloistelamput LED-lamput Taulukko 1: Valotehokkuusmittausten tulokset. Lampun malli Värilämpötila Ikäännytys Valovirta Pätöteho Valotehokkuus Osram CLASSIC A (240 V) Osram CLASSIC A (230 V) K lm W lm/w 2603 ± ± 30 Neolux (230 V, him.) 2604 ± 30 Osram CLASSIC A ES 2641 ± 30 Philips MASTERClassic Osram DULUX Intelligent Longlife Philips MASTER PL- Electronic Osram DULUX Superstar Micro Twist 2822 ± ± ± ± 30 Philips TORNADO 2557 ± 30 Osram PARATHOM CLASSIC A 40 Philips MASTER GLOW LEDbulb MV 3198 ± ± 30 SELED 8W LED E ± 30 Limic B-E27-C5x1-M 2656 ± 30 Liquidleds BULB A548N 2985 ± 30 ennen 334,1 37* jälkeen 304,7 36,1 8,4 ± 0,1 ennen 385,4 40,1 9,6 ± 0,1 jälkeen 364,4 39,6 9,2 ± 0,1 ennen 384,8 41,8 9,2 ± 0,1 jälkeen 386,5 40,9 9,5 ± 0,1 ennen 288,3 28,2 10,2 ± 0,1 jälkeen 281,6 28,2 10,0 ± 0,1 ennen 324,9 19,6 16,6 ± 0,2 jälkeen 339,9 19,6 17,4 ± 0,2 ennen 388,1 7,3 53,3 ± 0,9 jälkeen 383,0 7,3 52,6 ± 0,8 ennen 390,3 8,5 46,1 ± 1,0 jälkeen 378,1 8,4 44,9 ± 0,7 ennen 531,5 7,9 67,1 ± 1,2 jälkeen 504,6 7,8 64,9 ± 1,3 ennen 553,5 7,9 69,8 ± 1,3 jälkeen 528,9 7,8 67,7 ± 1,2 ennen 357,3 8,0 44,6 ± 0,7 jälkeen 350,6 8,0 43,8 ± 0,7 ennen 420,6 8* jälkeen 416,0 7,2 57,9 ± 0,9 ennen 241,6 8,3 29,2 ± 0,6 jälkeen 234,0 8,2 28,5 ± 0,4 ennen 210,1 5,6 37,8 ± 1,0 jälkeen 208,7 5,5 37,7 ± 0,9 ennen 94,4 3,7 25,2 ± 0,5 jälkeen 94,9 3,6 26,1 ± 0,6 * Sähköteho mitattu Clas Ohlson EMT707C TL -kulutusmittarilla. Osram CLASSIC A (240 V) -hehkulampun ja Philipsin MASTER GLOW LEDbulb -loistediodilampun ensimmäisissä valotehokkuusmittauksissa käytettiin Clas

24 Ohlson EMT707C TL -kulutusmittaria, koska Plogg-mittari ei vielä tällöin ollut saatavilla. Mittari ei ollut tallentava ja kertoi sähkötehon vain kokonaisluvun tarkkuudella. Lisäksi mittarin teholukema LED-lampulle poikkesi Plogg-mittarin tuloksesta jopa 10 %. Valotehokkuus jätettiin näistä syistä laskematta kyseisissä mittauksissa. Valovirran, pätötehon ja valotehokkuuden lisäksi taulukkoon 1 on merkitty myös lamppujen mitatuista spektreistä lasketut värilämpötilat. Sekä värikorjaustekijän että värilämpötilan arvo laskettiin hehku-, halogeeni- ja LED-lampuille 5 nm:n aallonpituuskaistalla ja askelpituudella mitatuista spektreistä. Pienoisloistelamppujen vastaavia arvoja laskettaessa käytettiin sen sijaan 1 nm:n kaistalla mitattuja spektrejä. Näin meneteltiin, koska monokromaattorin rakojen pienentäminen lisäsi mittauskohinan suuruutta korkeilla aallonpituuksilla hehku-, halogeeni-, ja LEDlamppuja tutkittaessa. Toisaalta 5 nm:n kaista vääristää pienoisloistelamppujen spektripiikkien muotoa, jolloin myös värikorjaustekijän ja värilämpötilan arvot olisivat virheelliset. Hehkulamppujen valotehokkuudet ikäännyttämisen jälkeen olivat suuruusluokaltaan 8,4 9,5 lm/w. Eri käyttöjännitteille (230 V ja 240 V) tarkoitetut muuten toisiaan vastaavat Osramin hehkulamput erosivat valovirraltaan merkittävästi toisistaan. Himmeäkupuisen hehkulampun valotehokkuus oli jopa hieman suurempi kuin kirkaskupuisen hehkulampun. Lampuilla oli kuitenkin eri valmistaja, joten käytetyn kuvun lisäksi tulokseen voi vaikuttaa myös muita tekijöitä. Osramin perinteisen CLASSIC A ES -halogeenilampun valotehokkuus ei eronnut merkittävästi hehkulamppujen valotehokkuudesta ja oli noin 19 % tuotteelle ilmoitettua valotehokkuutta pienempi (taulukko A1). Pienoisloistelamppujen valotehokkuudet olivat välillä lm/w. Philips MASTER PL-Electronic -lamppua lukuun ottamatta, arvot olivat ilmoitettuja valotehokkuuksia suurempia. LED-lamppujen valotehokkuudet vaihtelivat odotetusti mitatuista lampputyypeistä eniten. Arvot olivat välillä lm/w. SELED-lampun valotehokkuus oli jopa 35 % ilmoitettua pienempi. Valtaosassa tutkituista lampuista valovirta pieneni ikääntymisen seurauksena. Selvän poikkeuksen tässä suhteessa muodosti Philips MASTERClassic -halogeenilamppu, jonka valovirta ja valotehokkuus kasvoivat noin 5 % ensimmäisestä mittauksesta. Koska osassa mittauksia myös lamppujen tehonkulutus oli toisella mittauskerralla vähäisempää, ei valotehokkuus kuitenkaan aina pienentynyt samassa suhteessa valovirran kanssa. Tutkittujen hehku-, halogeeni- ja pienoisloistelamppujen itseabsorptiokorjausten suuruuksiksi mitattiin 1,0023 1,0063. LED-lamppujen itseabsorptiokorjaukset olivat selvästi suurempia, välillä 1,021 1,037, niiden suurehkojen jäähdytysrakenteiden takia Syttymisnopeus Kuvassa 7 on esitetty mitatut syttymisnopeudet osalle tutkituista lampuista. Kaikkien tutkittujen hehkulamppujen sekä Osram CLASSIC A ES -halogeenilampun

25 valovirta käyttäytyi ajan funktiona kuten kuvatun Osram CLASSIC A (230 V) -hehkulampun valovirta. Philipsin pienoisloistelamppujen valovirran käyttäytyminen muistutti Osramin suoraputkisen CFL-lampun DULUX Intelligent Longlife valovirtakäyrän muotoa. Myös tutkitut LED-lamput muistuttivat valovirran käyttäytymisen osalta toisiaan Valovirta / lm Aika / min Hehkulamppu, CLASSIC A (230 V) Halogeeni, MASTERClassic CFL, Intelligent Longlife CFL, Superstar Micro Twist LED, SELED - - Kuva 7: Hehkulampun, infrapunaan reagoivalla pinnoitteella päällystetyn halogeenilampun, kahden pienoisloistelampun sekä LED-lampun valovirran käyttäytyminen ajan funktiona sytyttämisen jälkeen. Kuvan 7 mukaisesti hehkulamppujen sekä Osram CLASSIC A ES -halogeenilampun valovirta kasvaa lähes välittömästi lopulliseen arvoonsa eikä kuluttajan kannalta suuria valovirran muutoksia polton aikana enää tapahdu. Omalla elektroniikalla varustetun Philips MASTERClassic -halogeenilampun valovirta sen sijaan kasvaa jonkin verran käynnistyksen jälkeisestä arvostaan. Lisäksi valovirta putoaa hetkellisesti likimain 50 lumenia noin 200 sekunnin kohdalla. Piikki oli havaittavissa niin ikäännyttämistä edeltävässä kuin sen jälkeisessä valovirtamittauksessa. Pienoisloistelamppujen valovirta kasvaa hitaasti käynnistämisen jälkeen, ja esimerkiksi Osram DULUX Intelligent Longlife -lampun valovirta saavuttaa lopullisen arvonsa vasta yli 4 minuutin polton jälkeen. Lamppujen valovirta nousi 60 %:iin lopullisesta arvostaan noin sekunnin kuluttua sytyttämisestä. Osram DULUX Superstar Micro Twist -pienoisloistelampun valovirran käyttäytyminen oli tutkittavien lamppujen joukossa poikkeuksellista. Myös lampun kuluttuma sähköteho kääntyi laskuun noin 2,5 minuutin jälkeen ja nousi edeltävälle tasolle vasta noin 15 minuutin polton jälkeen. Valovirta- ja sähkötehokäyrien muoto oli pääpiirteittäin sama molemmilla mittauskerroilla, joten käyttäytyminen johtuu hyvin toden-

26 näköisesti lampun sisäisestä toiminnasta eikä ulkoisesta häiriöstä. SELED-loistediodilampun valovirta aleni koko mittauksen ajan sytyttämisen jälkeen saavuttamasta arvostaan. Noin 30 minuutin polton jälkeen muutos oli niin vähäistä, että valovirran katsottiin tasaantuneen ja valotehokkuus laskettiin tässä pisteessä. Philips MASTER GLOW LEDbulb ja Liquidleds -lamppuja lukuun ottamatta myös muiden LED-lamppujen valovirta aleni selvästi valovirtamittausten kuluessa. Ilmiö johtuu todennäköisesti LEDien lämpötilan noususta, jonka on todettu pienentävän niiden tuottamaa valovirtaa [12]. Lamppujen jäähdytysripa puskuroi LEDien lämpenemistä, minkä takia havaittu valovirran pienentyminen oli verrattain hidasta Tehonkulutus Kaikki tutkitut hehkulamput, Osram CLASSIC A ES -halogeenilamppu sekä öljytäytteinen Liquidleds-pienoisloistelamppu edustivat sähkötehon kannalta resistiivistä kuormaa, eli niillä ei ollut loistehokomponenttia, ja niiden tehokerroin oli yksi. Muiden tutkittujen valonlähteiden sähkötehomittauksissa havaittiin pätötehon lisäksi myös loistehokomponentti. Koska loistehon arvo oli negatiivinen, lamput vastasivat reaktiiviselta osaltaan kapasitiivista kuormaa ja tuottivat loistehoa verkkoon. Philips MASTERClassic -halogeenilampun tehokerroin oli noin 0,96 molemmilla mittauskerroilla, SELED- ja Limic-loistediodilamppujen noin 0,98 ja muiden LED-lamppujen sekä pienoisloistelamppujen välillä 0,84 0, Lamppujen spektrit Eri lamppujen tyypilliset spektrit on esitetty kuvassa 8 normalisoituna huippuarvoon yksi. Lukuun ottamatta kahta eri toimintaperiaatteella toimivaa halogeenilamppua, samaa lampputyyppiä edustavien valonlähteiden spektrit ovat muodoltaan samanlaiset. Osram CLASSIC A ES -halogeenilampun spektri oli mittausten perusteella hyvin lähellä hehkulampun spektriä. Poikkeavista spektrimuodoistaan huolimatta kaikki lamput säteilivät valkoista valoa, ja niiden värikorjaustekijät F olivat pieniä. Hehku- ja halogeenilamppujen värikorjaukset olivat välillä 1, ,00068 ja pienoisloiste- sekä LED-lamppujen värikorjaukset välillä 1,0033 1,0076. Kuvan 8 perusteella voidaan tehdä joitain havaintoja eri lampputyyppien toiminnasta. Infrapunaan reagoivan pinnoitteen vaikutus näkyy selvästi Philips MAS- TERClassic -halogeenilampun spektrissä tason pienenemisenä korkeilla aallonpituuksilla. Toiseksi, tutkittujen LED-lamppujen spektrissä näkyy sinisen valon alueella (noin 450 nm) selvä piikki. Huipun aiheuttaa itse LEDit, jotka emittoivat sinistä valoa kapealla aallonpituusalueella. Lampun fosforipinnoite reagoi LEDien valoon ja synnyttää leveän spektrihuipun korkeammille aallonpituuksille. Kolmanneksi, pienoisloistelamppujen spektri ei ole tasainen vaan koostuu kapeista piikeistä, joiden välissä taso on hyvin alhainen. Ensimmäisellä mittauskierroksella tarkasteltavan aallonpituusalueen alarajaksi ase-

27 20 Normalisoitu spektrinen teho 1 0,8 0,6 0,4 0,2 Hehkulamppu, CLASSIC A (230 V) Halogeeni, MASTERClassic CFL, PL-Electronic LED, MASTER LEDbulb Aallonpituus / nm Kuva 8: Hehkulampun, infrapunaan reagoivalla pinnoitteella päällystetyn halogeenilampun, pienoisloistelampun sekä LED-lampun tyypilliset spektrit normalisoituna maksimiarvoon 1. tettiin 250 nm ja toisella 300 nm. Vain hyvin pienen osa tutkittujen lamppujen säteilystä todettiin olevan ultraviolettialueella eli aallonpituuden 360 nm alapuolella. Pienoisloistelamppujen tuottaman UV-säteilyn osuus oli jonkin verran muita lampputyyppejä suurempi. Esimerkiksi Philips TORNADO -pienoisloistelampun aallonpituudella 313 nm esiintyvän spektripiikin korkeus oli noin 1,73 % näkyvän valon alueen korkeimman spektripiikin korkeudesta. Muiden pienoisloistelamppujen UV-alueen tasot olivat tätä pienempiä. 5.5 Epävarmuustarkastelu Valotehokkuusmittausten yksinkertaistettu epävarmuusbudjetti on esitetty taulukossa 2. Yhdistettyä epävarmuutta ei laskettu taulukossa suoraan epävarmuuskomponenttien ääriarvojen perusteella, vaan yhdistetyn epävarmuuden rajat kuvaavat tutkituille lampuille saatua pienintä ja suurinta mittausepävarmuutta. Integroivan pallon vasteen karakterisoinnin epävarmuudessa on otettu huomioon ulkoisen lähteen valaistusvoimakkuusmittauksessa käytetyn fotometrin HUT-2 vasteen epävarmuus, ulkoisen lähteen stabiilisuus sekä värikorjaus, tarkkuusapertuurin pinta-alan epävarmuus, valaistusvoimakkuuden epätasaisuudesta apertuuripinnalla aiheutuvan korjaustekijän epävarmuus, pallon sisälle ohjattavan referenssivalovirran kohtauskulma- ja spatiaalikorjauksista aiheutuva komponentti sekä palloon kiinnitetyn fotometrin LM-1 mittausepävarmuus. Pallon vasteen karakterisointiin liittyviä epävarmuustekijöitä on kuvattu tarkemmin valovirran yksikön rea-

28 21 Taulukko 2: Valotehokkuusmittausten epävarmuusbudjetti. Epävarmuuskomponentti Integroivan pallon vasteen karakterisointi Standardiepävarmuus / % 0,50 Pallofotometrin stabiilisuus 0,20 Integroivan pallon pinnan vasteen epätasaisuus 0,05-0,20 Valotangon vaikutus 0,20 Sähköverkon stabiilisuus 0,01-1,02 Sähkötehomittauksen resoluutio 0,07-0,80 Lampun itseabsorptiokorjaus, α 0,10-0,30 Lampun värikorjaus, F 0,02-0,35 Yhdistetty epävarmuus / % 0,60-1,35 Laajennettu epävarmuus (k=2) / % 1,21-2,70 lisointia käsittelevässä artikkelissa [13]. Pallofotometrin mahdollisen ryöminnän vaikutus otettiin huomioon, koska ensimmäisten ja viimeisten mittausten väli oli noin 40 päivää ja koska pallon vaste mitattiin ulkoisen lampun kanssa vain kerran mittausten aikana. Standardifotometrin LM-1 stabiilisuudesta aiheutuvan epävarmuuskomponentin suuruutta arvioitiin laitteelle säännöllisesti tehtävien karakterisointimittausten tulosten perusteella. Integroivan pallon pinnan vasteen epätasaisuudesta aiheutuva epävarmuuskomponentti on sitä suurempi, mitä suuntaavampi tutkittava lamppu on. Hehkulamppu sekä tavallinen halogeenilamppu säteilevät hyvin laajaan avaruuskulmaan. Näille lampuille pallon pinnan vasteen epätasaisuuteen liittyvän epävarmuuden arvioitiin olevan noin 0,05 %. Philips MASTERClassic -halogeenilampun, öljytäytteisen LED-lampun sekä pienoisloistelamppujen rakenne rajoittaa säteilyä kannan suuntaan hieman enemmän, joten epävarmuudeksi oletettiin näille lampuille noin 0,10 %. Muiden tutkittujen LED-lamppujen jäähdytysripa estää merkittävästi kannan suuntaista säteilyä. Vasteen epätasaisuudesta aiheutuvan epävarmuuden suuruusluokaksi arvioitiinkin kyseisille valonlähteille noin 0,20 %. Mittauksissa käytetyllä integroivalla pallolla tutkitaan tavallisesti tasavirralla ajettavien lamppujen valovirtaa. Palloon jouduttiin rakentamaan uusi tilapäinen valotanko vaihtovirralla toimivia lamppuja varten. Uudesta, osaksi maalaamattomasta valotangosta aiheutuvan epävarmuuskomponentin suuruuden arvioitiin olevan 0,2 %. Sähköverkon jännitteen vaihtelu vaikutti sekä valovirta- että sähkötehomittausten keskihajontaan. Valovirran keskihajonta oli lampusta riippuen 0,01 0,40 % ja sähkötehon keskihajonta 0,00 1,00 %. Jännitteen vaihtelu näkyi erityisen selkeästi hehkulamppujen valovirran ja sähkötehon käyttäytymisessä. Mittauksissa käyte-

29 tyn Plogg-tehomittarin resoluutio oli noin 0,1 W. Tästä aiheutuva epävarmuus laskettiin jakamalla lukematarkkuuden puolikas tekijällä 3, koska sähkötehon arvon todennäköisyys on tasajakautunut. Tulos jaettiin edelleen mitatulla teholla, jolloin saatiin selville tehomittauksen resoluutiosta aiheutuva suhteellinen standardiepävarmuus. Itseabsorptiokorjauksen epävarmuutta arvioitiin laskemalla korjauksen arvoja poikkeuttamalla tyhjän pallon tapauksessa saatua signaalia ulkoisen halogeenilampun ryömintään perustuen. LED-lamppujen itseabsorptiokorjauksen epävarmuuden arvioitiin olevan noin 0,30 %, kun muille lampuille käytettiin arvoa 0,10 %. LEDlamppujen α-korjauksen epävarmuus asetettiin suuremmaksi toisaalta suuremman korjauksen ja toisaalta kookkaan, mahdollisesti mittauksiin vaikuttavan jäähdytysrivan takia. Värikorjaustekijän epävarmuuden suuruudeksi arvioitiin hehku- ja halogeenilampuille likimain 0,02 %, LED-lampuille noin 0,20 % ja CFL-lampuille noin 0,35 %. 22