VALAISTUSTEKNIIKKA H. Honkanen Liikkumis- ja pienvalaistus on perinteisesti toteutettu hehkulampulla. Nyt vaihtoehdoksi on nousemassa valodiodiin ( LED ) pohjautuva tekniikka. Isojen tilojen valaistukseen käytetään loisteputkivalaisimia ja ulkotiloissa kaasupurkauslamppuja. Kuvassa silmän suhteellinen herkkyys eri aallonpituuksille. Tappisoluja on erityyppisiä, joten ne reagoivat eri tavoin eri aallonpituuksiin, ja mahdollistavat eri värien erottamisen. Sauvasolut ovat herkempiä ja samanlaisia, ne mahdollistavat näkemisen vähäisemmässä valossa, mutta eri värejä ei voi erottaa Kuva: Silmän suhteellinen herkkyys Kuva: Sähkömagneettinen spektri KÄSITTEITÄ Valovoima Suuretunnus: I Yksikkö: cd [kandela ] ( SI perusyksikkö ) 1cd säteilyteho 555 nm aallonpituiselle säteilylle annetussa suunnassa on 1/683 W steradiaania kohti Valovirta Suuretunnus: Ø,Φ Yksikkö : lm [lumen ] Valolähteestä lähtee avaruuskulmaan ( ω ) valovirta ( Φ ). Valovirta saadaan kertomalla valolähteen valovoima ( I ) avaruuskulmalla ( ω ) : A I,jossa: [ sr,steradiaani ] 2 r Kuvaa valonlähteen valontuottokykyä ( = valon määrää )
Luminanssi, Valotiheys Suuretunnus: L Yksikkö: Cd/m² I L A Kuvaa valonlähteen pintakirkkautta Valaistusvoimakkuus Suuretunnus: E Yksikkö: lx [Luksi ] E A I I 2 A r Kuvaa valaistavalle pinnalle tulevan valon määrää Taulukko: Suositeltava valaistusvoimakkuus Värilämpötila Säteilyspektrin vastaavuus ns. mustan kappaleen säteilyyn. Yksikkönä K ( Kelvin ) Värintoisto-ominaisuus Kuvaa valonlähteen valon kykyä toistaa valaistavan kohteen eri värejä. Tämähän riippuu valon spektrin koostumuksesta. Auringon valossahan on kaikki spektrin värit edustettuina. Keinovalonlähteitä verrataan auringon valoon. Yksikkönä käytetään yleisesti Ra-indeksiä (DIN-normi). Mitä korkeampi Ra-indeksi (korkein mahdollinen Ra-indeksi on 100) sen parempi värintoisto-ominaisuus. Esimerkiksi Ra-indeksi 85 tarkoittaa erittäin hyvää värintoistoa
VALAISINTEKNIIKKAA HEHKULAMPPU* Hehkulampun toimintaperiaate perustuu ns. mustan kappaleen säteilyyn, eli kappale lähettää sähkömagneettista säteilyä, jonka taajuusspektri ja voimakkuus riippuvat lämpötilasta. Mustan kappaleen säteilyhän juontaa juurensa lämpöliikkeen aikaansaamalle elektronien virittämiselle. Jos ja kun lämpötila nostetaan riittävän korkeaksi, säteilyspektri yltää näkyvän valon alueelle. Riittävän resistanssin aikaansaamiseksi hehkulampussa on ohut hehkulanka, jonka lämpötila nostetaan riittäväksi sähkövirran avulla. Wolframilla on metalleista korkein sulamispiste ( 3410 C ) ja se säilyttää lujuutensa muita metalleja paremmin korkeissa lämpötiloissa, joten se soveltuu parhaiten hehkulangan raaka-aineeksi. Hehkulangan tavoitelämpötila on noin 2700 K. Tämä on samalla myös hehkulampun säteilyn värilämpötila. ( Värilämpötilamäärittely tuleekin juuri mustan kappaleen säteilyspektristä lämpötilan suhteen ) Kuvun sisällä on joko tyhjiö tai se on täytetty inertillä jalokaasulla kuten argonilla.inertti kaasu hidastaa volframin haihtumista. Hehkulampun säteilyspektri on laaja, painottuen lämpösäteilyalueelle ( IR ) Valotehokkuus noin 12 lm/w HALOGEENILAMPPU Halogeenilamppu on hehkulamppu, jonka suojakupu on täytetty jodi- tai bromikaasulla, joka mahdollistaa hehkulangan polttamisen kuumempana ja kirkkaampana tavalliseen hehkulamppuun nähden. Kuumasta hehkulangasta haihtunut volframi reagoi kaasuuntuneen halogeenin kanssa ja kiinnittyy takaisin langan kuumimpiin osiin. Tällä mahdollistetaan hehkulangan lämpötilan nostaminen kuumemmaksi, kuin tavallisella hehkulampulla. Halogeenilamput ovat tavallisiin hehkulamppuihin verrattuina taloudellisempia, kestävämpiä ja tehokkaampia. Kuumempi hehkulanka antaa paremman valohyötysuhteen. Wolframin kiertoprosessi edellyttää, että lampun, ml. lasikuvun lämpötila on käytön aikana riittävä korkea. Tästä syystä halogeenilamppujen himmentäminen, päinvastoin kuin tavallisissa hehkulampuissa, lyhentää lampun elinikää. Halogeenilampun säteilyspektri on laaja. LOISTEPUTKI Loisteputkessa valo tuotetaan pisaralla elohopeaa, joka kaasuuntuu sähköpurkauksen vaikutuksesta ja synnyttää UV-säteilyä, kun sähkö purkautuu sen läpi. Loisteputki toimii tasa- ja vaihtovirralla. Yleisin käyttö on 50/60 hertsin taajuudella. Nykyisin kuristin voidaan korvata hakkuritekniikalla. Tällöin loisteputken läpi kulkeva virta on 20...100 khz taajuista. Loistelamppu on täytetty kaasulla, esimerkiksi argonilla tai kryptonilla. Kaasua tarvitaan helpottamaan syttymistä ja pitämään sähköpurkaukset kurissa. Loisteputken sisäpinta on päällystetty fluoresoivalla materiaalilla, joka muuttaa elohopeahöyryssä olevan sähköpurkauksen synnyttämän UV-säteilyn näkyväksi valoksi. Loisteputken sisäpinnassa olevan loisteaineen koostumus määrää sävyn ( = värilämpöytila ) ja spektrin tasaisuuden ( = RA indeksi ) Valotehokkuus noin 80 lm/w Kuva: Loisteputkivalaisimen rakenne Loisteputkivalaisimen osat: S = Sytytin C = Kondensaattori L = Loisteputki R = Kuristin
Sytytys: Kytkettäessä magneettisella kuristimella* varustettuun valaisimeen jännite, sytyttimen sisällä olevat bi-metallikärjet ovat aluksi auki ja niiden välille syntyy 230V jännite. Sytyttimen sisällä olevassa kaasussa tapahtuu sähköpurkaus, joka lämmittää bi-metallia ja kärjet sulkeutuvat. Kärkien sulkeuduttua virta pääsee kulkemaan kuristimen ja loisteputken molemmissa päissä olevien lämmitysvastuksien kautta, jolloin ne lämpeävät. Lämpeneminen höyrystää putkessa olevan elohopean. Koska virta kulkee myös kuristimen kautta siihen muodostuu magneettikenttä. Jonkin ajan kuluttua bi-metallikärjet jäähtyvät ja avautuvat. Tällöin kuristimen magneettikenttä purkautuu muodostaen kuristimeen korkean jännitteen. Korkea jännite aiheuttaa sähköpurkauksen loisteputkessa, ja lamppu syttyy. Loisteputken kaarijännite on n 60...120V, eli alhaisempi, kuin sytyttimen hohtopurkauksen syttymisjännite. Loistevalaisin on siirtynyt sytytysvaiheesta normaaliin valon tuottamiseen. Elektroniset liitäntälaitteet muuttavat syöttöjännitteen loisteputkelle sopiviksi jännitteiksi. Pääsääntöisesti ne syöttävät hehkuille omat ja putkelle oman jännitteensä. Hehkujännitteet ovat ennen putken syttymistä n 6...12V suuruisia, putkijännite n 400...600V suuruinen. Putken syttymisen jälkeen jännitteet ovat alhaisempia. Jännitteet ovat riippuvaisia putken tehosta ja halkaisijasta ( sisällä olevasta kaasusta). Elektronisten liitäntälaitteiden avulla päästään perinteistä magneettista kuristinta käyttävää rakennetta parempaan hyötysuhteeseen, eroon loiskomponentista ja syttiminen on nopeampaa ja vilkkumatonta. Heikkouksiakin on, ilman virranmuodonkorjausta ( PFC ) virranmuoto vääristyy ja aiheuttaa yliaaltoja, lisäksi rakenne on mutkikkaampi, eikä käyttöikää ( =luotettavuutta ) todennäköisesti saada yhtä hyväksi, kuin vanhemmalla, magneettista kuristinta käyttävissä valaisimissa Loisteputkilla käytetään joko G13 tai G5 kantaa G13 on vanhempi, ja putket ovat suunniteltu magneettisille kuristimille. Putkine pituudet ovat 60cm, 120cm tai 150cm. Putkien halkaisija 26mm, aiemmin käytetty myös 38mm G5 putket ovat optimoituja elektronisille liitäntälaitteille. Putki on vain 16mm paksu ja pituudet ovat 55cm, 85cm tai 115cm. Värintoistoluokitus: Alla esimerkki kahden erilaisen loisteputken säteilyspektristä ( Osram ):
PIENOISLOISTEPUTKET Pienoisloisteputkille on useita eri kantarakenteita, riippuen muun muassa liitäntälaitteen rakenteesta ( Kuristin/elektroninen ). Yleisin kanta on G23 ( kuvassa). Muita kantatyyppejä mm: G24d, G24q, 2G7, 2G11 ja 2G10 PIENOISLOISTEPUTKET KIERREKANTAAN eli ns. Energiansäästölamput Pienoisloisteputkilamput sopivat hehkulampuille suunniteltuihin E27 tai E14 kantoihin. Ne sisältävät kaiken tarvittavan elektroniikan. Elektroniikalle käytettävissä oleva tila on hyvin rajallinen. Halvalla toteutettujen pienoisloisteputkilamppujen käyttöikä jää paljon siitä, mikä olisi teknisesti mahdollista. Lisäksi ne aiheuttavat merkittävästi harmonisia virtakomponentteja sähköverkkoon. KAASUPURKAUSLAMPUT ELOHOPEAHÖYRYLAMPPU* Elohopeahöyrylampun valontuotto perustuu elohopeahöyryn korkeassa lämpötilassa ja paineessa lähettämään säteilyyn, josta pääosa on näkyvää valoa ja osa ultraviolettisäteilyä. Polttimoa ympäröi loisteaineella pinnoitettu suojakupu, joka ultraviolettisäteilyn vaikutuksesta säteilee näkyvää valoa. Näin haitallista UV-säteilyä ei pääse ulos. Elohopealampun suojakuvun rikkoontuessa paljas polttimo saattaa jäädä toimimaan. Tällainen elohopealamppu näyttää palaessaan himmeän sinivihreältä ja on vaarallinen, ultraviolettisäteily voi aiheuttaa silmä- ja ihovaurioita. Elohopeahöyrylamppu tuottaa melko valkoista valoa, joka on aavistuksen verran sinertävää tai vihertävää.
Elohopealamput ovat suuritehoisista purkauslampuista edullisimpia, mutta myös pienitehoisimpia ja hyötysuhteeltaan huonoimpia. Ne myös menettävät merkittävästi tehoaan elinkaarensa aikana. Kuva: Elohopealampun säteilyspektri Elohopealampulla tuotettua ultraviolettisäteilyä käytetään desinfiointiin mm. sairaaloissa ja vedenpuhdistuksessa. MONIMETALLILAMPPU Monimetallilamppu on purkauslamppu, jonka valontuotto perustuu sen purkausputkessa käytettyyn useiden eri metallien seokseen. Lamppu on samankaltainen kuin elohopeahöyrylamppu, mutta sen tuottama valo on puhtaamman valkeaa ja värientoistokyky parempi. Monimetallilamput myös valaisevat elohopealamppuja tehokkaammin, ja niiden valotuoton alenema on pienempi, mutta ovat hieman lyhytikäisempiä. Monimetallilamppu on valotehokkuudeltaan lähes suurpainenatriumlampun veroinen. Monimetallilamppujen purkausputkissa käytetään elohopean lisäksi eri metallien halideja. Halidi on halogeenin yhdiste, jossa halogeeni on elektronegatiisempana osapuolena. Halogeenithan ovat jaksollisen järjestelmän 17. ryhmän, 7. pääryhmän alkuaineet. Monimetallilamput toimivat suuressa paineessa. Siten niissä on räjähdysvaara. Suojalasi valaisimeen on turvallisuussyistä aiheellinen. SUURPAINENATRIUM Suurpainenatriumlamppu tuottaa vaaleankeltaista valoa. Syttyessään se ei saavuta lopullista väriään ihan heti, vaan väri on aluksi vaaleanvioletti, muuttuen muutaman minuutin aikana vähitellen lopulliseen sävyynsä. Suurpainenatriumlampun toiminta perustuu siihen, että natriumhöyry, joka on korkeassa paineessa ja jonka läpi ajetaan virtaa lähettää näkyvää valoa. Lampun keltainen valo saa värit näkymään keltaisen eri sävyissä. Tämän vuoksi suurpainenatriumlamppujen valossa olevat liikennemerkit pitää valaista erillisellä valaisimella. MATALAPAINENATRIUM Matalapainenatriumlamppu tai pienpainenatriumlamppu tuottaa kirkkaan keltaista, lähes monokromaattista valoa aallonpituudella 589 nm. Matalapainenatriumlamppu on hyötysuhteeltaan paras sähkölamppu: se tuottaa valoa jopa 200 lm/w, mikä johtuu erityisesti siitä, että sen tuottaman valon aallonpituus on hyvin lähellä aallonpituutta, jolle ihmissilmä on kaikkein herkin (n. 550 nm). Sytytettäessä pienpainenatriumlamppu säteilee aluksi muutaman minuutin lämpenemisvaiheen aikana punaista neonvaloa. Äärimmäisen kapean spektrinsä takia matalapainenatrium ei sovellu lainkaan kasvivalaisimeksi. LED Valodiodista on kehittynyt varteenotettava valonlähde, jonka valotehokkuus on hyvä ja tärinänsieto erinomainen. Heikkoina puolina heikko lämpötilan kesto, tehohäviön hukkaamisongelma ja hinta. Valodiodin toiminta perustuu ( kuten normaalinkin piidiodin ) PN rajapintaan. Kun virtaa ajetaan LED:n läpi liitosalueen tuntumassa elektronit ja aukot törmäävät, mikä saa aikaan atomien virittymisen, jonka seurauksena vapautuu energiaa fotoneina ( eli valona ) Ledivalon väri määräytyy käytettävästä puolijohdemateriaalista. Nykyiset teholedit on rakennettu lähinnä kahdesta eri puolijohdemateriaalista. Punaiset, oranssit ja keltaiset ledit valmistetaan alumiini-gallium-indium-fosfidista (AlGaInP),toisinaan myös alumiini-indium-gallium-fosfidista (AlIn-GaP).
Vihreät, siniset ja valkoiset ledit tehdään indium-gallium-nitridi-puolijohteesta (InGaN). Pienetkin muutokset puolijohdemateriaalien seossuhteessa vaikuttavat ledin valon väriin. Ledien valohyötysuhde on parhaimmillaan luokkaa 100 lm/w. LED:n valoteho heikkenee lämpötilan kasvaessa. Kuva: LED:n valotehon muutos lämpötilan suhteen LED:n säteilyspektri on luonnostaan hyvin kapea. Valkoinen valohan on laajakaistaista. Valkoinen LED: Valkoinen LED voidaan toteuttaa kolmella eri tavalla. - Samassa kotelossa on punainen, vihreä ja sininen puolijohdediodi - Punaista, vihreää ja sinistä puolijohdediodia käyttävässä menetelmässä näiden keskinäisiä kirkkauksia säätäen voidaan muodostaa valkoista valoa tai minkä väristä valoa tahansa. - Ultravioletin ledipuolijohteen päällä on sininen, vihreä ja punainen fosfori - Käytettäessä punaista, vihreätä ja sinistä fosforia valkoinen valo syntyy näiden yhdistelmän tuloksena. - Sinisen ledipuolijohteen päällä on keltainen fosfori. - Valkoinen valo saadaan aikaan päällystämällä 450 470 nanometrin aallonpituudella valoa lähettävä sininen puolijohdediodi keltaista valoa fosforoivalla aineella. - Näin saadaan valolähde, jossa sinisen ja keltaisen valon yhdistelmä näkyy valkoisena valona. - Ensimmäisen sukupolven ledeissä värilämpötila oli 5000 6000 Kelviniä ja värintoistoindeksi parhaimmillaankin vain noin 70. - Uudempien ledisukupolvien värilämpötila-alue on laajentunut yltämään lämpimässä päässä jo 3000K:n luokkaan ja värintoistoindeksiksi saadaan jo 85. LED:n käyttöikä on luokkaa kymmeniä tuhansia tunteja. Korkea lämpötila lyhentää käyttöikää. LED:n heikkoutena on LED:n puolijohdepalan heikko lämpötilan kesto. Korkea käyttölämpötila pienentää saatavaa intensiteetttiä ja nopeuttaa valodiodin pysyvää intensiteetin laskua. Puolijohdepalan maksimilämpötila on alhainen, luokkaa +100 C. Valodiodin jäähdytys on myös ongelma. Valodiodi ei säteile lämpösäteilyalueella, joten kaikki hukkalämpö on poistettava johtamalla. Pientehoisissa LED:ssa ( < 0,5W ) se voi vielä onnistua komponentin johtimia myöten, mutta suurtehoisemmissa tarvitaan LED:ssa erillinen jäähdytyslevy. Lämpöresistanssin mitoistusohjeet pätevät luonnollisesti myös valodiodien maailmassa Linkki mitoistusohjeisiin LED valaisimilla saa jo hehku- halogeeni- ja loisteputkivalaisimien paikalle asennettavana. Kuvassa G10 halogeenikantaan ja loisteputkivalaisimeen sopivat LED tekniikalla toteutetut lamput
Kuva: Värillisten LED valojen säteilyspektri ( Lähde: Luxeon ) Kuva: Tyypillinen valkoisen [ 5500K ] LED:n säteilyspektri ( Lähde: Luxeon ) *EuP [ Energy Using Products ] direktiivin vaikutukset valaisintekniikkaan: EuP direktiivi asettaa vaatimuksia valotehokkuudelle. Direktiivin vaatimusten vuoksi perinteiset hehkulamput, elohopeahöyrylamput ja loisteputkien magneettiset liitäntälaitteet poistuvat myynnistä vaiheittain vuosien 2009 2016 -aikana