ARTO MATTILA JULKISTEN TILOJEN ERIKOISVALAISIN Diplomityö Tarkastajat: Laboratorioinsinööri Tapani Nurmi, Professori Teuvo Suntio Tarkastaja ja aihe hyväksytty Sähkötekniikan osaston osastoneuvoston kokouksessa 4. kesäkuuta 2003
II TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Sähkötekniikan koulutusohjelma MATTILA, ARTO: Julkisten tilojen erikoisvalaisin Diplomityö, 61 sivua Kesäkuu 2010 Pääaine: Sähkönkäyttötekniikka Tarkastajat: Laboratorioinsinööri Tapani Nurmi, Professori Teuvo Suntio Avainsanat: Valaisinsuunnittelu, pienoisloistelamppu, lamppusimulointi, DIALuxvalaistuslaskentaohjelmisto. Julkisissa tiloissa tarvitaan mataliin tiloihin soveltuvia valaisimia. Tämä työ aloitettiin L-tyypin pienoisloistelampulle soveltuvan uuden valaisimen kehittämisellä, mutta kun tutkimuksen alkuvaiheissa huomattiin lampun vaakapolttoisuuden eri asentojen, suhteessa lampun pitkittäisakseliin, vaikutukset valaisimen valovirtaan, niin päätettiin syventyä tarkemmin tähän aiheeseen. Alkuselvityksessä huomattiin myös, että niin lamppu- kuin valaisinvalmistajiltakaan ei löydy tutkittua tietoa kyseisestä pienoisloistelampun käyttöalueesta. Tutkimus jakaantuu kahteen osaan: Simulointiosassa mallinnetaan valaisimen ja kaksiputkisen L-tyypin pienoisloistelamppu DIALux -laskentaohjelmalla sekä tehdään valonjakomittauksia simuloiva mittaustila, jossa lasketaan eri lamppuasentojen optiset ominaisuudet sekä muodostetaan näiden simuloitujen valaisimien valonjakokäyrät. Valaistuslaboratoriossa tehtävässä koevalaisimen mittausosassa verrataan Ulbrichtin pallon avulla koevalaisimen eri heijastimien ja sulkulasien sekä lampun asennon vaikutusta valaisimen valovirtaan. Tutkimus osoittaa, että L-tyypin pienoisloistelampun vaaka-asentoisessa poltossa on lampun putkien asennolla valaisimen ja heijastimen pohjaan nähden huomattava merkitys valaisimen valovirran suuruuteen. Samalla osoitetaan, että yleisestä käytännöstä poikkeavalla valaisinsuunnittelulla voidaan löytää entistä parempia ja valotehokkaampia ratkaisuja. Ristiriitaista tutkimuksen tuloksissa oli kuitenkin simulointien ja todellisilla valaisimilla tehtyjen mittauksien täysin päinvastaiset lopputulokset. Tulosten erilaisuuden johdosta onkin aiheellista selvittää jatkossa tarkemmin valaisinten, lamppujen ja niihin liitettävien komponenttien todellisia ominaisuuksia eri käyttötilanteissa sekä laajentaa simulointi myös muilla periaatteilla toimiviin mallinnusohjelmiin.
III ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Electrical Engineering MATTILA, ARTO: Special luminaire for public spaces Master of Science Thesis, 61 pages June 2010 Major: Power utilization Examiner: Laboratory Engineer Tapani Nurmi, Professor Teuvo Suntio Keywords: Design of luminaire, compact fluorecent lamp, lamp simulation, DIALux lighting calculation software Public spaces are in the need of the luminaries that are suitable also to the low spaces. Preceding need was highly in the mind when this thesis was started to develop a new luminaire using the L-type compact fluorescent lamp as light source for low spaces. Already in the early stage of the project, it was realised, that changing the angle of the tubes of the lamp around the longitudinal axis of the lamp in horizontal burning will change a lot of the luminous flux of the luminaire. In the initial study it was also found that there were done no tests or measurements of this topic by the manufacturers of luminaires or lamps. So there were no earlier data available. Because of the lack of knowledge the direction of this research was decided to aim to solve and study this topic. The thesis is divided into two parts. In the simulation part the luminaire and the L-type compact fluorescent lamp were modelled with the DIALux -light calculation software, also a simulated calculation room was made for modelling the measurement of the luminous flux curves and to calculate of the optical properties of different burning positions. With the results of calculation it was able to make the luminous flux curves of these simulated objects. In the measuring part, done in the lighting laboratory of the university, were the effects to the luminous flux of the test luminaires of changing the properties of the test luminaires measured with the Ulbricht ball. The results of the thesis indicates that with the changing of the burning position of the L-type compact fluorescent lamp in horizontal burn has a noteworthy meaning to the amount of the luminous flux of the luminaire. Besides is also shown that with the unordinary planning methods, against the common practice, in the designing of luminaires, is possible to found better and more light efficiency solutions for luminaires. Discrepancy from the results of the research was, however, that the simulations and the measurements made with the test luminaires, had the exact opposite outcome. Results Because of these different results it is appropriate to examine more detailed the actual characteristics and differences of the luminaires, lamps and accessory components in different lighting situations, and to expand the use of simulation in other modeling programs with different operating principles in the future.
IV ALKUSANAT Toimiessani valaistus- ja sähkösuunnittelijana 1980- ja 1990-luvuilla eri sähkösuunnittelutoimistoissa sekä ollessani myynti-insinöörinä I-Valo Oy:ssä 2000- luvulla tuli lähes kuukausittain eteen kohde tai projekti, johon olisi kaivattu matalaan tilaan, lähinnä julkiseen ulko- tai sisätilaan, soveltuvaa valotehokasta, kestävää ja matalaprofiilista valaisinta laajalla valonjaolla. Valonlähdevaatimuksena oli valotehokkuusvaatimuksesta johtuen joko purkauslamppu tai loisteputki. Odotuksista huolimatta ei sellaista valaisinvalikoimiin ilmestynyt, ei Suomen, eikä muunkaan Euroopan myyntiin. Ajatus lähteä tutkimaan kyseisen valaisimen toteutusta diplomityön kautta oli viritetty jo ollessani ensimmäisessä sähkö- ja valaistussuunnittelijan kesätyössäni, APT- Suunnittelu Oy:ssä, toimiston vetäjän, Aimo Tiaisen, ehdottamana ja kyseistä tuotetta jo pitkään odottaneena. Opintojen rauhallisesti edettyä riittävän pitkälle aloitin tämän diplomityön valmistelun 2000-luvun taitteessa professori Juhani Kärnän tuella. Työpaikan vaihto vuonna 2001 I-Valo Oy:n myynti-insinöörin töihin viivästyttivät tutkimuksen etenemistä joksikin aikaa. Vuonna 2003, kesällä, hyväksytin kuitenkin aiheen nimikkeellä Julkisten tilojen erikoisvalaisin ja aloitin työn tekemisen normaalityön ulkopuolella opintojeni ohella ja omalla kustannuksellani. Työntarkastajan ja ohjaajan tehtävä periytyi samalla Tapani Nurmelle Juhani Kärnän siirtyessä eläkkeelle. Nyt, vuonna 2010, tutkimus on vihdoin valmis, vaikkakin näin ajan saatossa sisällöltään hieman alkuperäisestä tavoitteestaan muuttuneena. Näiden alkusanojen ohessa haluan erityisesti kiittää työni tarkastajaa Tapani Nurmea erittäin pitkämielisestä ja valmistumista tukevasta toiminnasta koko projektin ajan ja tehoelektroniikan laitoksen henkilökuntaa kaikesta tuesta ja loistavasta kannustavasta ilmapiiristä sekä Valaistuslaboratoriota mahdollisuudesta tehdä työhön liittyvät mittaukset tiloissaan ja välineillään. Lisäksi haluan vielä kiittää teitä kaikkia entisiä ja nykyisiä työtovereitani, kollegoitani, asiakkaitani niin kuin kilpailijoitanikin siitä kaikesta arvokkaasta tiedosta ja tuesta, jonka olette minulle jakaneet näiden vuosien aikana. Tampereella kesäkuun 5. päivänä, 2010 Arto Mattila
V SISÄLLYS Tiivistelmä... II Abstract... III Alkusanat... IV Lyhenteet ja merkinnät... VII 1. Johdanto... 1 2. Valaistustekniikan perusteet... 2 2.1. Optinen säteily... 2 2.2. Optisen säteilyn spektri ja spektritiheys... 3 2.3. Valovoima... 4 2.4. Valovirta ja säteilyvirta... 4 2.5. Silmän suhteellinen herkkyyskäyrä... 5 2.6. Valaistusvoimakkuus... 6 2.7. Luminanssi... 6 2.8. Heijastumis-, absorbtio- ja läpäisysuhde... 7 2.9. Valon väri, värilämpötila ja värintoisto... 7 2.10. Optiikka... 9 2.10.1. Lambertin laki... 9 2.10.2. Valon heijastuminen ja läpäisy... 10 2.10.3. Peiliheijastumislaki... 10 2.10.4. Snelliuksen laki (Snellin laki)... 11 2.10.5. Neliölaki ja kosinilaki... 12 3. Tutkimuskohde ja -välineet... 14 3.1. Loistelampun periaatteellinen toiminta ja rakenne.... 14 3.1.1. Loistelampun rakenne... 14 3.1.2. Loistelampun periaatteellinen toiminta... 16 3.1.3. Loistelampun liitäntälaitteet... 17 3.2. Loistelampun valotekniset ominaisuudet... 18 3.2.1. Loistelampun valovirta ja valovirran alenema... 18 3.2.2. Loistelampun elinikä... 21 3.2.3. Loistelampun luminanssi, spektri, värintoistokyky ja värilämpötila. 21 3.2.4. Loistelampun valovoima ja valonjakauma... 22 3.2.5. Loistelampun valotehokkuus... 23 3.3. Testivalaisin... 24 3.3.1. Perusrakenne... 24 3.3.2. Runko, heijastimet ja lampunpidin... 24 3.3.3. Kuvut... 25 3.3.4. Liitäntälaite... 26 3.4. DIALux -valaistuslaskentaohjelma... 26 3.5. Valaistuslaboratorio... 27 3.5.1. Ulbrichtin pallo eli integroiva pallo... 27
3.5.2. Valaistusvoimakkuusmittari (luksimittari)... 28 3.5.3. Lämpömittari... 29 3.5.4. Yleismittari... 30 3.5.5. Virtalähde... 30 4. Simulointi DIALux-ohjelmistolla... 31 4.1. Valaisimen mallintaminen ja simulointi... 31 4.2. Valonlähteen mallintaminen ja simulointi... 31 4.3. Laskentapinnat ja -pisteet... 37 5. Mittaukset Ulbrichtin pallolla... 39 5.1. Asennukset... 39 5.2. Mittauskytkennät... 40 5.3. Mittauksien valmistelu... 41 5.4. Mittaustoimenpiteet... 42 5.5. Mitatut verrannollisuusvaihtoehdot... 43 5.6. Muut mittaukset... 46 6. Tulosten tarkastelu... 48 6.1. DIALux -simuloinnin tulokset... 48 6.2. Ulbrichtin pallossa tehtyjen mittauksien tulokset... 50 6.3. Mittaustapojen ja tuloksien vertailu... 57 7. Päätelmät... 59 Lähteet... 61 VI
VII LYHENTEET JA MERKINNÄT LOR CIE UGR Light output ratio. Valaisimen käyttöhyötysuhde Commission Internationale de l Eclairage, kansainvälinen valaistuskomissio Unified Glare Rating. CIE:n häikäisyindeksi V (λ) silmän suhteellinen herkkyyskäyrä, päivänäkeminen V (λ) silmän suhteellinen herkkyyskäyrä, hämäränäkeminen V M (λ) silmän suhteellinen herkkyyskäyrä, mesooppinen näkeminen η valotehokkuus ρ heijastumissuhde α absorptiosuhde τ läpäisysuhde ρ heijastumissuhde
1 1. JOHDANTO Työssä lähdettiin suunnittelemaan mataliin, alle 2,5 m korkuisiin, tiloihin soveltuvaa kattoon asennettavaa valaisinta. Tavoitteena oli kaksiputkisen, niin sanotun L-mallin, pienoisloistelampun käyttäminen valonlähteenä sen hyvän valotehokkuuden, valon värintoisto- ja värilämpötilavaihtoehtojensa sekä runsaiden liitäntälaitevaihtoehtojensa johdosta. Kohteena olevien tilojen mataluuden myötä pinta-asennuksessa tuli välttää tarpeettoman korkeata rakennetta eikä uppoasennuksissakaan ollut useimmiten upotussyvyyttä kuin nimeksi. Tämä johti pienoisloistelampun käyttöön vaakapolttoisena. Tutkittaessa olemassa olevia eri valmistajien vaihtoehtoja, havaittiin, että kaikki vaakapolttoiset valaisimet oli suunniteltu ja toteutettu samalla tavalla, pienoisloisteputken putket symmetrisesti rinnakkain valaisimen pohjaan ja heijastimeen nähden asennettuina. Yhtään vaihtoehtoa ei löytynyt vaihtoehtoisena, joko päällekkäin tai viistosti asennettuina. Tarkemmin osa-aluetta selvitettäessä ilmeni, että tarkistetuilla lamppuvalmistajilla ( Osram, Philips, GE, Sylvania) tai valaisinvalmistajilla (Esim. Philips, Luxo, Fagerhult, Zumtobel, Concord, I-Valo) ei ollut minkäänlaista mitattua tietoa kyseisistä vaihtoehdoista. Tämän seurauksena tässä diplomityössä tutkitaan vaihtoehtoisen lampun asennon vaikutusta valaisimen valotehokkuuteen ja valonjakaumaan eri heijastin- ja kupumateriaalien vaihtoehdoilla. Varsinaisia valoteknisiä mittauksia varten todettiin Ulbrichtin pallon olevan riittävän hyvä mittaväline eri vaihtoehtojen vertailussa. Lisäksi haluttiin selvittää lampun asennon optisia vaikutuksia valaisimen valonjakoon ilman valonlähteen päällä olon vaikutusta. Tämän tutkimiseksi todettiin ilmaisen ja tekijälle tutun DIALux valaistuslaskentaohjelman olevan hieman modifioituna varsin käyttökelpoinen.
2 2. VALAISTUSTEKNIIKAN PERUSTEET Valaistustekniikka on yksinkertaistettuna ihmisen näkemän sähkömagneettisen säteilyn synnyttämistä ja suuntaamista. Lähtökohtana valaistustekniikkaan on ihmisen kyky havaita osaa sähkömagneettisesta säteilystä. Säteilyn havaitsemiseen ihminen käyttää näköelimeksi kutsuttua järjestelmää, joka ihmisellä sisältää silmäosan, näköhermon ja tietyt aivojen osat. Järjestelmällä ihminen muodostaa aivoissaan mielikuvan ympäristöstään silmään tulevan optisen säteilyn alueelle osuvan sähkömagneettisen säteilyn aiheuttamien ärsykkeiden pohjalta. 2.1. Optinen säteily Valaistustekniikan perustana oleva optinen säteily pitää sisällään kolme eri aallonpituusaluetta, jotka ovat infrapunasäteily, näkyvä valo ja ultraviolettisäteily (kuva 2.1.1). Optisesta säteilystä silmin nähtävän näkyvän valon alueen ulkopuolella olevasta osuudesta ihminen itse havaitsee välittömästi vain infrapunasäteilyä ihon lämpöaistimuksen avulla sekä pienellä viiveellä ultraviolettisäteilyn vaikutuksen fotokemiallisina reaktioina ihossa, mitkä näkyvät esimerkiksi pigmentin muutoksina. Sähkömagneettisesta säteilyn osa-alue optinen säteily sijoittuu aallonpituusalueelle n.100 nm 1 mm ja on niin sanotusti ionisoimatonta säteilyä eli säteilyn energia ei vielä riitä irrottamaan elektroneja väliaineen atomeista. Kuva 2.1.1 Sähkömagneettisen säteilyn jako eri aallonpituuksiin ja näkyvän valon aallonpituudet.
3 Optisesta säteilystä ihmissilmin havaittavaa osuutta eli näkyvää valoa on aallonpituusalue n. 380 nm n.760 nm välillä. Ultraviolettisäteilyä aallonpituusalue 100 nm 380 nm ja infrapunasäteilyä 760 nm 1 mm. Taulukko 2.1. Optisen säteilyn eri osa-alueiden nimitykset ja aallonpituusalueet. ULTRAVIOLETTISÄTEILY UV-C 100 280 nm UV-B 280 315 nm UV-A 315 380 nm NÄKYVÄVALO violetti 380 436 nm sininen 436 495 nm vihreä 495 566 nm keltainen 566 589 nm oranssi 589 627 nm punainen 627 780 nm INFRAPUNASÄTEILY IR-A 780 nm 1,4 µm IR-B 1,4 3 µm IR-C 3 µm 1mm 2.2. Optisen säteilyn spektri ja spektritiheys Optisen säteilyn spektri määritellään kyseisen säteilyn sisältäminä eri aallonpituuksina. Spektrit ovat joko jatkuvia, yksittäisistä aallonpituuksista tai edellä mainittujen yhdistelmistä koostuvia. Optisen säteilyn spektritiheys kertoo spektrin säteilyvirran jakautumisen eri aallonpituuksille. Näillä arvoilla saadaan määritettyä säteilyn spektrijakautumiskäyrä. Auringon tuottaman optisen säteilyn spektri vastaa noin 5500 K lämpötilaisen mustan kappaleen emittoimaa säteilyä sisältäen optisen säteilyn alueen aallonpituuksia jatkuvana spektrinä. Maanpinnalle saapuessaan säteilyn eri aallonpituuksien intensiteetit ovat ilmakehän koostumuksen, eri aineiden absorbtion, lämpötilaerojen ja säteilyn tulokulman vaikutuksesta muuttuneet ja niiden yhteisvaikutus nähdään erilaisina taivaan ja valon väreinä. Valaistustarkoituksiin käytettävät keinovalot säteilevät yleensä runsaasti eri aallonpituuksia sisältävällä spektrillä. Hehkuvan kappaleen sisältävät valonlähteet tuottavat useimmiten jatkuvan spektrin, mutta muilla valonlähteillä spektrit ovat painottuneita muutamaan pääaallonpituuteen, joiden yhteisvaikutuksella saadaan aikaiseksi ns. valkoisena nähtävää valoa.
4 2.3. Valovoima Valovoima, valaistustekniikan perussuure, jonka muut valaistustekniikan suureet voidaan johtaa. Valovoiman yksikkö on kandela ja sen tunnus on I. Alkujaan 1800-luvulla kandela on tarkoittanut tarkoin määritellyn kynttilän tuottamaa valovoimaa. Nykyään määritellään, että valonlähteen valovoima tiettyyn suuntaan on yksi kandela ( 1 cd ) silloin kun valonlähde säteilee monokromaattista, 540 x 10 12 Hz taajuista säteilyä ja sen säteily tähän suuntaan on 1/683 W/sr. Toisin ilmaistuna valovoima on pistemäisen valonlähteen määräsuuntaan säteilemän valovirran ja avaruuskulman suhteen raja-arvo, jota osamäärä Φ / ω lähestyy, kun ω pienenee nollaa kohti. Tässä ω on tämän suunnan sisältävä hyvin pieni avaruuskulma ja Φ tähän avaruuskulmaan säteillyt valovirta. Valovoima kuvaa siis valonlähteestä tiettyyn suuntaa säteilevän valon voimakkuutta eli intensiteettiä. Vastaavasti voidaan määrittää myös ihmisen havainnointikyvalonlähteen säteilyteho. Säteilyintensiteetin tunnus on I e ja yksikkö on watti steradiaania kohti (W/sr). 2.4. Valovirta ja säteilyvirta Valovirta on suure, joka ilmaisee säteilyvirran lasketun kyvyn synnyttää valoisuusaistimukseen johtava ärsytys. Säteilyn eri aallonpituuksien suhteellinen kyky lasketaan kuhunkin olosuhteeseen sopivan suhteellisen silmänherkkyyskäyrän mukaan. Valoviran tunnus on Φ ja yksikkö lumen (lm). Säteilyvirran tunnus on Φ e ja yksikkö watti (W). Valonlähteen tuottaman valovirran suhdetta valonlähteen säteilemään säteilyvirtaan osoittaa yhtälö, jossa Km = 683 lm/w = vakiokerroin.
5 Koska Km ja V(λ) ovat paljaita lukuja, olisi valovirran luonnollinen yksikkö watti, niin jotta valovirtaa ja säteilyvirtaa ei käsitteinä sekoitettaisi toisiinsa, on valovirran yksikölle annettu oma nimensä lumen (lm). 2.5. Silmän suhteellinen herkkyyskäyrä Viime vuosisadan alkupuolella määritettiin kokeellisesti silmälle arvot, jonka mukaan voidaan arvioida kunkin näkyvän valon aallonpituuden vaikutusta valoaistimuksen voimakkuuteen. Kyseisen tutkimuksen tulokset ovat perustana CIE:n julkaisemaan silmän suhteelliseen herkkyyskäyrään eli silmänherkkyyskäyrään. Kuva 2.5 Silmänherkkyyskäyrät V(λ), V (λ), V 10 (λ) ja V M (λ) aallonpituuden funktiona. Silmänherkkyyskäyrä kertoo kuinka herkästi ihmissilmä reagoi näkyvän valon eri aallonpituuksiin eri valaistusolosuhteissa kuvan 2.5 mukaan. Päivänäkemisessä eli korkeammissa valaistusvoimakkuuksissa silmä reagoi voimakkaimmin tappisoluilla kellanvihreään valoon, jonka aallonpituus on noin 555 nm. ( Käyrä V(λ) ). [Halonen, 1992] Hämärämmässä silmän valoisuusaistimus siirtyy enemmän sauvasolujen tehtäväksi, jolloin myös värinäkeminen jonkin verran heikkenee. Hämäränäkemisessä silmänherkkyyskäyrä on vastaava kuin päivänäkemisessäkin, mutta paras reagointi on n. 505 nm aallonpituudella sinivihreässä valossa. ( Käyrä V (λ) ). Siirryttäessä vielä matalampiin valoisuusarvoihin ja samalla pienempään pintaluminanssiin, alle 20 cd/m 2, alkaa silmänherkkyyskäyrän muoto muuttua ja näkemisessä korostuu entistä lyhyemmät aallonpituudet, lähinnä sininen ja violetti valo. ( Käyrä V m (λ) ).
6 Tätä matalien valoisuusarvojen näkemisen aluetta kutsutaan mesooppiseksi näkemiseksi ja sen merkitystä on ymmärretty paremmin vasta viime vuosina. Valaistustekniikassa sen merkitys tulee esille kun valonlähteille annetaan niiden valovirta-arvoja. Normaalisti valonlähteiden valovirrat on arvotettu päivänäkemisen mukaan, mutta hämärässä, esimerkiksi öisillä liikennealueilla lumen arvot pitäisikin määritellä mesooppisen näkemisen silmänherkkyyskäyrän mukaan, jolloin valonlähteen todellinen kyky aiheuttaa valoisuusaistimusta silmässä tulee esille. 2.6. Valaistusvoimakkuus Valaistusvoimakkuus on pinnalle kaikista suunnista saapuvan kokonaisvalovirran (Φ) suhde pinnan pinta-alaan (A). Tason tietyssä pisteessä valaistusvoimakkuus on se rajaarvo, jota tulevan valovirran ja pinta-alan suhde ( Φ / A) lähenee pinta-alan ( A) pienentyessä nollaa kohti. Tällöin A on tässä tarkastelutasossa ao. pisteen sisältävä pieni pinta-alkio ja Φ tälle alkiolle kaikista suunnista lankeava kokonaisvalovirta. E = dφ /da Valaistusvoimakkuuden tunnus on E ja yksikkö on luksi (lx). Vastaavasti määritellyn säteilyvoimakkuuden eli irradianssin tunnus on E e ja yksikkö on watti neliömetriä kohti (W/m 2 ). 2.7. Luminanssi Luminanssi eli valotiheys on valoa lähettävän rajallisen äärettömän pienen pinnan määräsuuntaan säteilemän, läpäisemän tai heijastaman määräsuuntaisen valovirran suhde tätä suuntaa vastaan kohtisuorassa tasossa olevan äärettömän pienen pintaelementin projektiopinta-alaan ja siihen äärettömän pieneen avaruuskulmaan, joka sisältää annetun suunnan. = Luminanssin tunnus on L ja yksikkö on kandela neliömetriä kohden (cd/m 2 ). Luminanssia vastaavan säteilytiheyden eli radianssin tunnus on L e ja yksikkö wattia neliömetriä kohden ( W/m 2 ). Luminanssi on valaistustekniikan ainoa suure jonka ihminen varsinaisesti näkee. Sen aiheuttamia valoaistimuksia ei voi kuitenkaan suoraan aritmeettisesti kuvata vaan näköaisti reagoi luminanssin muutoksiin on lähinnä logaritmisesti.
7 2.8. Heijastumis-, absorbtio- ja läpäisysuhde Valon kohdatessa aineen pinnan osa valosta heijastuu, osa absorboituu eli imeytyy aineeseen ja osa läpäisee aineen. Heijastumissuhde ρ on pinnalta heijastuneen valovirran suhde sille saapuneeseen valovirtaan. Absorbtiosuhde α on aineeseen imeytyvän valovirran suhde aineeseen saapuneeseen valovirtaan. Läpäisysuhde τ on kappaleen läpäisseen valovirran suhde sille saapuneeseen valovirtaan. Heijastus, absorbtio- ja läpäisysuhteen arvot ilmoitetaan yleensä prosentteina. Φ= Φ+ Φ+ Φ, + + =1 Eri suhteet eivät yleensä ole vakioita vaan ne riippuvat esimerkiksi tulevan valon suunnasta ja spektrikoostumuksesta ja ovat siten vuorovaikutuksessa toisiinsa. 2.9. Valon väri, värilämpötila ja värintoisto Valon värejä ovat kaikki spektrissä nähtävät aallonpituudet. Yleisemmin valon väristä puhuttaessa tarkoitetaan kuitenkin valkoisen valon väriä ja lähinnä mitä värilämpötilaa se edustaa. Valkoinen valo voidaan jakaa kolmeen pääluokkaan: lämmin valkoinen (<3300 K), neutraali valkoinen (3300 K 5000 K) ja päivänvalo (>5500 K). Pääluokkien alueet ovat näkyvissä kuvan 2.9.1 väridiagrammissa. Kuva 2.9.1. CIE väridiagrammi ja Plancin käyrä sekä valkoisen valon kolme pääluokkaa. Valonlähteen värilämpötilaksi sanotaan sitä täydellisen säteilijän (musta kappale) lämpötilaa, jossa täydellisen säteilijän valo on samanväristä kuin kysymyksessä olevan valonlähteen valo. Silloin valonlähteen värikoordinaatit sijoittuvat väridiagrammissa
8 nähtävälle Plancin käyrälle. (Kuva 2.9.1.) Esimerkiksi halogeenilampussa hehkulangan säteily noudattaa täydellisen säteilijän säteilylakia niin hyvin, että sen värilämpötila on käytännössä sama kuin hehkulangan lämpötila [Nurmi, 2006]. Väri-lämpötilan yksikkö on kelvin (K). Valonlähteen värilämpötilalla sanotaan olevan suoraviivainen suhde tilan valaistusvoimakkuuden kanssa. Mitä korkeampi on valonlähteen värilämpötila, niin sitä suurempi täytyy tilan valaistusvoimakkuuden olla, jotta tilan vaikutelma olisi ihmisen mielestä luonteva ja miellyttävä. Joskin tietyissä matalissa valaistusvoimakkuuksissa ja pienillä pintaluminansseilla korkeamman värilämpötilan valo ja varsinkin sen sininen osuus tuntuvat paremmilta näkemiseen ja tilan hahmottamiseen. Värilämpötilan ja valaistuksen suhdetta voitaneen verrata päivänkiertoon, aamu- ja iltahämärissä valo on sinertävää, auringon nousun ja laskun aikana kellertävänpunaista ja päivällä kirkkaan valkoisesta pilvien siniseen. Huolimatta tilan valaistusvoimakkuudesta tai sen sopivuudesta valonlähteen värilämpötilaan, voitaneen yleisesti ottaen todeta, että keinovalolla valaistuissa kohteissa pitäisi voida nähdä myös värit mahdollisimman oikeina, kuten normaalissa päivänvalossa. Valonlähteestä lähtevän valon kykyä toistaa eri värejä arvioidaan yleisen värintoistoindeksin (R a -indeksin) avulla. Valonlähteet voidaan jakaa R a -indeksin avulla eri luokkiin värintoistokykynsä mukaan. Värintoistoindeksi mittaa kohteen värin vastaavuutta siihen väriin, joka havaitaan kun sitä valaistaan vertailuvalonlähteellä. Pääsääntöisesti nykyisin käytössä olevat lamppujen Ra -indeksit on määritelty DIN 6169 normin mukaisesti, jolloin valaistaan kahdeksaa määriteltyä testiväriä vertailuvalonlähteellä ja kyseisellä lampulla. Mitä pienempiä ovat havaitut erot, sitä parempi on valonlähteen värintoisto. R a -arvo 100 kertoo, että valonlähde toistaa värit yhtä hyvin kuin vertailuvalonlähde, R a 95, että valonlähde toistaa värit noin 95 prosenttisesti. Periaatteena siis, että mitä pienempi on värintoistoindeksin arvo, sitä huonompi on valonlähteen värintoisto. Lampuissa ilmoitetaan yleensä lampun värintoistokyky osana kolminumeroista lukua, jossa ensimmäinen luku kertoo lampun värintoistoluokan ja kaksi seuraavaa lampun värilämpötilan. Luku on yleensä osa lampun tuotenimeä. Esimerkiksi, lampun nimi OSRAM DULUX L 36W/840, kertoo valmistajan, lampputyypin, tehon, värintoistoluokan ja värilämpötilan. Kaksi viimeksi mainittua osoitetaan numerosarjalla 840, jossa 8 tarkoittaa värintoistoluokkaa R a 80-89 ja 40 värilämpötilaa 4000 K.
9 2.10. Optiikka Optiikka on näkyvän valon, osana sähkömagneettista säteilyä, käyttäytymistä ja ominaisuuksia sekä valon ja aineen vuorovaikutusta tutkiva fysiikan osa-alue, joka jaetaan perinteisesti kahteen pääalueeseen, geometriseen ja fysikaaliseen optiikkaan. Geometrinen tutkii enemmän valon kulkua eri väliaineissa, taittumista ja heijastumista, fysikaalinen enemmän valon dualismiin liittyviä alueita. Valaistustekniikassa molemmat osa-alueet ovat perustaltaltaan yhtälailla edustettuina, kuitenkin tässä tutkimuksessa keskitytään pääsääntöisesti geometrisen optiikan osa-alueeseen alla olevien valon käyttäytymisestä kertovien lakien ja ominaisuuksien kautta. 2.10.1. Lambertin laki Käytännön valaistustekniikassa useimpiin valoa lähettäviin pintoihin voidaan soveltaa tasahajoittavan säteilyn lakia eli Lambertin lakia. θ= cos = L = luminanssi L θ = luminanssi suuntaan θ I θ = valovoima suuntaan θ Laki määrittelee tasahajottavasti säteileväksi pinnaksi sellaisen pinnan, jonka pintaalkion luminanssi on kaikkiin suuntiin sama ja valonjakokäyrä on pinta-alkiota sivuava ympyrä. Kuva 2.10 Tasahajoittavan pinta-alkion da, luminanssin ja valovoiman jakautuminen.
10 2.10.2. Valon heijastuminen ja läpäisy Valon kohdatessa aineen pinnan osa valosta heijastuu ja osa absorboituu eli imeytyy aineeseen, kun tämä aine on valoa läpäisemätöntä. Jos valo pääsee vielä kulkemaan kohtaamassaan aineessa ja poistumaan muuhun kuin saapumissuuntaansa, niin aine on valoa läpäisevää ja tätä kulkutapaa nimitetään läpäisyksi. Sitä osaa aineen pinnalle saapuneesta kokonaisvalovirrasta Φ, joka heijastuu takaisin (ρφ), absorboituu aineeseen (αφ) ja läpäisee sen (τφ), ilmaistaan seuraavilla suhdeluvuilla, heijastumissuhteella ρ, absorptiosuhteella α sekä läpäisysuhteella τ, Eri suhteet eivät yleensä ole vakioita, vaan ovat riippuvaisia esimerkiksi tulevan valon suunnasta ja spektrikoostumuksesta ja ovat siten vuorovaikutuksessa toisiinsa. Niiden summa on jokaisessa yksittäistapauksessa kuitenkin aina yksi energian häviämättömyyden lain nojalla. Φ= Φ+ Φ+ Φ, + + =1 Heijastus, absorptio- ja läpäisysuhteen arvot ilmoitetaan yleensä prosentteina. Heijastuminen ja läpäisy jaotellaan kolmeen pääryhmään riippuen siitä, millä tavoin jakautuneena valo heijastuu tai läpäistyään poistuu aineesta. Teoreettiset ääritapaukset ovat hajaheijastuminen ja hajaläpäisy, joissa valovirrat ρφ ja τφ ovat jakautuneet tasahajotetusti Lambertin lain mukaan sekä suuntaheijastuminen ja suuntaläpäisy, joissa edellisessä yhdensuuntainen valosädekimppu heijastuu optisen peiliheijastumislain mukaan ja jälkimmäisessä läpäisee väliaineen optisen taittumisen lain (Snelliuksen lain) mukaan. Peiliheijastumislain mukana heijastumiskulma β on tulokulman α suuruinen ja optisen taittumisen lain mukaan tulokulman sinin suhde taitekulman siniin on vakio ja yhtä suuri kuin vastaavien taitekertoimien suhde. 2.10.3. Peiliheijastumislaki Peiliheijastumislain mukaan tulevan valonsäteen ja heijastuneen valonsäteen etenemissuunnat muodostavat yhtä suuret kulmat rajapinnan normaalin kanssa eli valonsäteen tulo- ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. Nämä kulmat määritellään etenemissuunnan ja rajapinnan normaalin väliseksi. Lisäksi pinnan normaali, tuleva säde ja heijastunut säde ovat samassa tasossa. Heijastuneella valonsäteellä on sama aallonpituus ja etenemisnopeus kuin tulevilla aalloilla.
11 Kuva 2.10.3 Heijastumislaki, valon tulokulma α = heijastumiskulma β. 2.10.4. Snelliuksen laki (Snellin laki) Snelliuksen laki eli taittumislaki kuvaa valon taittumista kahden aineen rajapinnalla. Taittumislaki pohjautuu aineen vaikutukseen sitä läpäisevään sähkömagneettiseen säteilyyn. Tätä vaikutusta kuvataan aineen taitekertoimella, joka optisen säteilyn osaalueella kuvaa aineen optista tiheyttä. Taitekerroin riippuu materiaalista ja säteilyn aallonpituudesta. Tyhjiön taitekerroin on 1, ilma n. 1.003 ja esimerkiksi tavallisen ikkunalasin taitekerroin on noin 1,5. Kahden aineen rajapinnalla valon etenemisnopeuden muutos aiheuttaa valon taittumisen. Taittuminen tapahtuu Snelliuksen lain mukaisesti (kuva 2.10.4.1), jossa valon tulo- ja taitekulman sinien suhde on sama kuin valon tulosuunnasta katsottuna aineiden taitekertoimien suhteen käänteisarvo. sin = = Osa tulevasta valosta heijastuu aina takaisin. Heijastuminen on sitä voimakkaampaa, mitä suurempi taitekerroinmuutos aineiden rajapinnassa on. Valon tullessa optisesti tiheämmästä aineesta harvempaan tiettyä taitekertoimien määrittämässä kulmassa tai sitä loivemmassa kulmassa tapahtuu kokonaisheijastus, jolloin kaikki tuleva valo heijastuu. Tämä tapahtuu sitä pienemmillä tulokulmilla, mitä suurempi on sen aineen taitekerroin, josta valo tulee rajapinnalle. Kokonaisheijastumisessa taittuvan säteen kulman sin β = 1. Kokonaisheijastuksen tulevan valonsäteen rajakulmaa merkitään usein symbolilla ja sen kaava on sin = Kokonaisheijastuneelle valolle pätee heijastuslaki eli pinnan normaalin ja valonsäteen välinen tulokulma on yhtä suuri kuin pinnan normaalin ja heijastuneen säteen välinen kulma, kun säteet ovat samassa tasossa.
12 Kuva 2.10.4.1. Valon heijastuminen ja taittuminen, kokonaisheijastuksen rajakulma ja kokonaisheijastuminen. Kuvan 2.10.4.1 merkinnät: α on tulokulma (aineesta A aineeseen B), β on taitekulma α r on kokonaisheijastuksen rajakulma β 1 on kokonaisheijastuksen rajakulman taitekulma α 2 on kokonaisheijastuksen tulokulma n 1 on aineen A optinen taitekerroin n 2 on aineen B optinen taitekerroin 2.10.5. Neliölaki ja kosinilaki Heijastumis- ja taittumislakien ohella valaistusteknisissä laskelmissa erikokoisten ja muotoisten valonlähteiden, jollekin ympäristön tasolle, suoraan säteilemällä tuotettu valaistusvoimakkuus on käytännön valaistuslaskennan peruskivi. Pistemäiseksi katsotun valonlähteen osalta voidaan laskenta jakaa kahteen peruslakiin, neliölakiin ja kosinilakiin. Näitä lakeja voidaan helposti kuvata oheisella kuvan 2.10.5 piirroksella.
13 Kuva 2.10.5 Neliö- ja kosinilakia kuvaava piirros. Valovoimalla I α suuntaan V - P säteilevä pistemäinen valonlähde tuottaa tason T pisteeseen P valaistusvoimakkuuden, joka on kääntäen verrannollinen etäisyyden r neliöön ja suoraan verrannollinen tulokulman α kosiniin eli matemaattisesti lausuttuna: = cos = h Yhtälöstä saadaan pisteen P valaistusvoimakkuus suoraan lukseina, kun valovoima I on kandeloina ja korkeus h metreinä.
14 3. TUTKIMUSKOHDE JA -VÄLINEET Tutkimuksen lähtökohtana oli eri valaisimien eri ominaisuuksien muuttuminen erilaisissa käyttötilanteissa erilaisilla materiaalivalinnoilla ja erilaisilla valonlähteillä toteutettuina. Voimakkaimmin näitä muutoksia ilmenee loisteputkivalaisimilla ja niissä eritoten pienoisloistelamppuja hyödyntävillä malleilla. Tutkimuksessa selvitetään pienoisloistelampulla yhden lampunasentomuutoksen ja kahden heijastinvaihtoehdon ja neljän kupuvaihtoehdon keskinäisiä vaikutuksia valaisimen ominaisuuksiin. Valaisimissa niiden hyötysuhteeseen ja valonjakoon merkittävimmin vaikuttavia tekijöitä ovat lamppujen vanhenemisesta aiheutuva valovirran alenema, optiikan ja liitäntälaitteiden vanheneminen, lamppujen ja valaisimen likaantuminen, käyttöjännite, asennuspaikka ja ulkoinen lämpötila. Siten käytännössä jokaisen valaisimen valotekniset ominaisuudet muuttuvat kullakin yksilöllä ajan mukana omalla tavallaan käyttöpaikasta, -määrästä, -tavasta ja -olosuhteista riippuen. Tässä työssä käytettiin varsinaisena testikappaleena OSRAM DULUX 36W/840 pienoisloistelamppua. 3.1. Loistelampun periaatteellinen toiminta ja rakenne. Hieman yksinkertaistaen, niin loisteputkessa tuotetaan sähköpurkauksella kiihdytettyjen elektronien törmäyksillä virittyneitä elohopea-atomeja, jotka viritystilan purkautuessa säteilemällänsä ultraviolettisäteilyllä virittävät taasen putken sisäpinnan loisteaineen eri atomeja, jotka oman viritystilansa purkautuessa säteilevät näkyvää valoa. 3.1.1. Loistelampun rakenne Rakenteellisesti perusloisteputki on ilmatiiviisti suljettu lasiputki, jonka sisällä on hieman elohopeaa, jalokaasutäytös, ohut loisteainepinnoite lasiputken sisäpinnalla ja lampun kantoihin yhdistetyt elektrodit putken molemmissa päissä. [SVS, 1999] Loisteputkia voi olla useampia eri muotoja, mutta periaatteellisesti niiden rakenne on sama kuin kuvassa 3.1.1.1.
15 Kuva 3.1.1.1 Loisteputken ja kaksiputkisen pienoisloisteputken periaatteellinen rakenne Putken molemmat elektrodit ovat volframikierukoita, toimien kumpikin vuorotellen katodina tai anodina sähkövirran kulkusuunnan mukaan.. Kierukoihin on lisätty myös emissioaineita, jotka kuumetessaan emittoivat herkästi elektroneja sähköpurkauksen aikaansaamiseksi ja ylläpitämiseksi sekä tietyissä malleissa on lisätty vielä erillinen levy katodin juureen emissioaineiden pinta-alan kasvattamiseksi ja syttymisen nopeuttamiseksi (kuva 3.1.1.2). Elektrodit on yleensä suojattu lisäksi ns. katodisuojalla, jolla vähennetään elektrodin vieressä olevan putken alueen tummumista. Elektrodien sijoittamisella voidaan myös vaikuttaa loisteputken kylmäpisteen paikkaan Kuva 3.1.1.2 Lähikuva kaksiputkisen S-tyypin pienoisloistelampun anodista ja katodista. Kuvan loisteputki on ilman loisteainetta.
16 Putken jalokaasutäytös on yleensä argonia tai kryptonia ja sen paine on noin 200-600 pascalia. Jalokaasun tehtävänä on suojella katodeja elohopea-atomeilta sekä helpottaa sähköpurkauksen syntyä. Loisteputkessa oleva elohopeahöyry on kyllästettyä, jolloin osa elohopeasta on höyrystynyt ja osa on vielä pisaroina putkessa, ja sen paine ja tiheys määräytyvät putken pinnan alimman lämpötilan mukaan. Putken ulkopuolisen lämpötilan muutokset ja sähköpurkausputkessa siirtyvä energia muuttavat elohopeahöyryn tilaa ja siten myös vaikuttavat loisteputken tuottamaan valovirtaan. Elohopeahöyryn säteily on tehokkainta, kun sen paine purkaustilassa on 1,3 pascalia. Tämä paine saavutetaan, kun putken kylmäpisteen lämpötila on n. 40 C, täytöskaasuseoksien erilaisilla seossuhteilla voidaan jonkin verran vaikuttaa tähän arvoon. 3.1.2. Loistelampun periaatteellinen toiminta Höyrystyneiden elohopea-atomien virittämiseksi katodien välisellä sähköpurkauksella kiihdytetään katodeilta emittoituvat elektronit sellaiseen nopeuteen, että osuessaan elohopea-atomiin niiden energia riittää nostamaan atomin elektronin korkeammalle energiatasolle [Osram, 2007]. Palatessaan alemmille energiatasoille elektroni luovuttaa energiansa säteilemällä tasojen välisen energiaeron mukaan. Tässä purkautumisessa syntyy sekä ultraviolettisäteilyä että näkyvää valoa (kuva 3.1.2). Näkyvä valo ja pitkäaaltoinen UV-säteily läpäisevät loisteainekerroksen ja lasiputken, korkeaenergisempi ultraviolettifotoni sitä vastoin absorboituu loisteaineeseen virittäen sen molekyylejä. Kuva 3.1.2 Loistelampun yksinkertaistettu toimintaperiaate.
17 Absorboidessaan sopivan energian omaavan fotonin, loisteaineen atomin elektroni voi virittyessään hypätä muutaman atomin elektronikuoren yli jollekin ulommalle elektronikuorelle. Viritystila purkautuu useimmiten vaiheittain, jolloin elektronit tekevät kulkiessaan alkuperäistä aukkoa kohti monta pientä hyppäystä atomin kuorelta toiselle. Näin ollen atomi emittoi esimerkiksi näkyvän valon alueella olevia fotoneja, koska emittoituvien fotonien energiat ovat pienempiä kuin atomin virittyessään absorboiman ultravioletti fotonin energia. Eri alkuaineilla energiatasojen erot ovat erilaisia, joten viritystilojen purkautuessa ne säteilevät kukin omien ominaisuuksiensa mukaan. Loisteputkissa käytettävien loisteaineiden fluoresenssissa syntyy näkyvän valon lisäksi myös infrapunasäteilyä ja hieman ultraviolettisäteilyä. Loisteaineen alkuainevalinnoilla ja rakenteella on kaksi tavoitetta valontuotossa: pyritään varmistamaan virittävän ultraviolettisäteilyn mahdollisimman täydellinen absorbointi sekä tarkoituksen mukainen viritystilan purkautuminen näkyvän valon alueella. 3.1.3. Loistelampun liitäntälaitteet Loistelampun liittäminen sähköverkkoon edellyttää kullekin loistelampputyypille ja - teholle ominaisen liitäntälaitteen kytkemistä loistelamppuun osaksi virtapiiriä. Liitäntälaite osallistuu lampun sytyttämiseen ja toimii purkauksen virranrajoittimena. Liitäntälaitteita on periaatteeltaan kahta erilaista mallia, perinteinen sytyttimen ja kuristimen muodostama pari ja elektroninen liitäntälaite, joka hoitaa näiden molempien toiminnot. Oheisessa kuvassa esitetään loistelamppujen ja niiden liitäntälaitteiden periaatteelliset kytkennät (kuva 3.1.3). Pienoisloistelamppujen kytkentä on vastaava kuin putkienkin, lampun nastat ovat vain yhdessä päässä lamppua. Kuva 3.1.3. Loisteputken periaatteelliset kytkennät perinteisellä kuristin sytytin yhdistelmällä ja elektronisella liitäntä laitteella.
18 Elektronisella liitäntälaitteella saadaan monia etuja perinteiseen vaihtoehtoon verrattuna. Valo saadaan ihmissilmälle välkkymättömäksi hakkurilla saatavilla kymmenien kilohertsien vaihetaajuuksilla. Korkealla taajuudella saadaan aikaiseksi myös enemmän valoa pienemmällä teholla, samalla säästetään energiaa parhaimmillaan 30 % ja lamppujen elinikä kasvaa jopa 50 %. Syttyminen saadaan varmemmaksi ja liitäntä laite ns. haistelee lampun ominaisuuksia ja, kun lamppu ei enää syty helposti tai kun sen arvot heikkenevät, liitäntälaite kytkee sen pois päältä. Elektronisilla liitäntälaitteilla voidaan myös helposti toteuttaa lampun valovirran säätö eri ohjausjärjestelmiä käyttäen. Elektronisen liitäntälaitteen ominaisuuksia ovat lisäksi hakkurivirtalähteen aiheuttamat harmoniset yliaallot ja kuristimeen verrattuna lyhyt elinikä, noin 50000 tuntia, joka sekin riippuu voimakkaasti kytkentämääristä ja ympäristön lämpötilasta. 3.2. Loistelampun valotekniset ominaisuudet Loistelamppujen valoteknisiä ominaisuuksia ovat lampun tuottaman valovirran määrä ja sen alenema polttoiän ja olosuhteiden myötä, lampun polttoikä, tuotetun valon värilämpötila ja spektri, valotehokkuus ja valonjakauma. 3.2.1. Loistelampun valovirta ja valovirran alenema Loistelampun antama valovirta on verrannollinen loisteputken kylmäpisteen lämpötilaan. OSRAM DULUX -pienoisloistelampuilla lampun optimaalinen valontuotto saadaan kun kylmäpisteen lämpötila on noin 45 C, tämä kylmäpisteen lämpötila on DULUX -lampuilla yleisesti noin 15 C korkeampi kuin lampun ympäristölämpötila. Oheisessa kuvassa 3.2.1.1 on esitetty pienoisloistelampun ympäristölämpötilan tyypillinen vaikutus lampun valovirtaan. Kuvaajan arvot koskevat siis vain lampun välitöntä ympäristölämpötilaa lampun eri polttoasennoissa. Kun lamppu sijoitetaan valaisimeen, avoimeen tai suljettuun, muuttuu lampun ympäristölämpötila ympäröivän tilan lämpötilasta valaisimen sisälämpötilaksi, jonka arvoon vaikuttavat valaisimen ja sen komponenttien ominaisuudet sekä niissä syntyvät hukkalämmöt. Tästä johtuen valaisimiin merkitään tarvittaessa niiden korkein käyttöpaikan ympäristölämpötila, jossa valmistaja takaa valaisimen toimivuuden ilmoittamillaan ominaisuuksilla. Normaaleissa perusvalaisimissa on ympäristölämpötilan oletuksena 25 C, jolloin kyseistä merkintää ei käytetä.
19 Kuva 3.2.1.1. Tyypillinen pienoisloistelampun valovirran suhteellinen arvo lampun ympäristölämpötilan funktiona lampun eri polttoasennoilla.[osram, 2007] Loistelampun valovirta alenee merkittävästi ensimmäisten käyttötuntien aikana aleneman ollen erilainen kullakin yksilöllä. Noin 100 tunnin polttamisen jälkeen yksittäisen lampun arvot alkavat vakiintua ja aleneman kasvu muutamien tuntien jaksoissa on jo hankalasti havaittavaa. Valonlähdetoimittajien luetteloissaan loistelampuille antamat valovirta-arvot ovat kyseisen lampputyypin laboratoriomittauksissa saatuja keskimääräisiä arvoja 100 polttotunnin jälkeen. Kuvan 3.2.1.2 valovirranalenemakäyrä on yhdistelmä monesta kontrolloiduissa ja vakaissa laboratorio-olosuhteissa tehdyistä tutkimuksista. Käytännössä yksittäisen lampun tai lamppuryhmän arvot voivat merkittävästikin erota näistä arvoista. Mittaukset on tehty kolmen tunnin kytkentäjaksolla. (165 min päällä/ 15 min pois / IEC 60901). Suhteellisena lähtöarvona käytetään kunkin lampputyypin valovirta-arvoja 100 polttotunnin jälkeen. Valovirta alenee suhteellisen nopeasti ensimmäisten 6000 poltetun tunnin aikana, mutta tasaantuu sitten. Valovirran aleneminen jatkuu lampussa koko sen eliniän ajan johtuen käytön aiheuttamista muutoksista elektrodeissa, lampun tummumisesta ja loisteaineessa olevan fosforin kemiallisista muutoksista, joiden myötä sen valontuottokyky heikkenee. OSRAM DULUX lampuissa käytettävän trikromifosforin (LUMILUX ) hävikki on noin 15 % lampun eliniän aikana.
20 Kuva 3.2.1.1 Tämä käyrä esittää pienoisloistelamppujen valovirran keskimääräistä alenemaa polttotuntien suhteen perinteistä kuristinta käytettäessä. [OSRAM, 2007] Pienoisloistelamput ja loistelamput eivät pysty antamaan täyttä valovirtaansa välittömästi sytyttämisen jälkeen, kuten esimerkiksi hehkulamput tai ledit. Täyden valovirran saavuttaminen voi normaalissa huoneenlämmössäkin kestää useita minuutteja (kuva 3.2.1.3). Samoin lampun syttyminen voi kestää pidempään kuin toivotaan, joskus useita sekuntejakin, joten loistelamput eivät ole parhaita valintoja liikeilmaisin tms. ohjauksiin, joissa valon tarve on usein välitöntä ja lyhytaikaista. Myös lampun asennolla on vaikutusta valovirran määrään sytyttämisen jälkeisinä hetkinä. Suhteellinen valovirta % 100 80 60 40 20 0 0 50 100 150 200 250 300 Päälläoloaika ( s ) Kanta alaspäin Kanta ylöspäin Vaakapoltto Kuva 3.2.1.3 Kaksiputkisten pienoislamppujen valovirta ajan funktiona sytyttämisen jälkeen eri polttoasennoilla. Lampun ollessa riittävän kylmässä voi lampun syttyminen estyä kokonaan tai lampun valovirta pysyy vähäisenä lampun alhaisen lämpötilan takia. Syttymisen helpottamiseksi käytetään loistelampuissa sytytysliuskaa loisteputken kyljessä helpottamaan valokaaren syntymistä tai käytetään niin sanottuja pakkassytyttimiä, joiden avulla saadaan aikaiseksi tehokkaampi jännitepiikki elektrodien välille samalla pidentäen elektrodien esihehkutusaikaa. Kylmässä tilassa loisteputken lämpenemistä voidaan nopeuttaa
21 valaisimen oikealla suunnittelulla sekä lampun käyttöasennon valinnalla. Pienoisloistelampuilla lampun asentaminen kanta alaspäin parantaa syttyvyyttä ja nopeuttaa lampun lämpenemistä kylmissä oloissa. Mittauksissa käytettävän OSRAM DULUX L 36W/840 -pienoisloistelampun kokonaisvalovirraksi ilmoitetaan 2900 lm. 3.2.2. Loistelampun elinikä Loisteputkien ja pienoisloisteputkien elinikä vaihtelee lampputyypistä ja mallista sekä käytetystä liitäntälaitteesta johtuen vajaasta 6000 tunnista yli 15000 tuntiin. Joillakin erikoisloistelampuilla väitetään olevan jopa yli 40000 tunnin elinikä. Loistelampun elinikä määritellään sen ajankohdan mukaan kun IEC 60901 standardin mukaisissa testausjärjestelyissä mukana olleista lampuista puolet on vikaantuneita tai kun lamppujen valovirta on alentunut 30 % alkuperäisestä arvostaan. Valovirran alkuperäarvo mitataan loistelampuista 100 tunnin vanhentamispolton jälkeen. Myös termejä huoltoväli, polttoikä tai hyötypolttoikä käytetään ilmaistessa kuinka hyvin lampun valovirtaominaisuudet säilyvät läpi lampun käyttöiän. Esimerkiksi hyötypolttoikä määrittelee lampun polttoiän, jolla lampun alkuperäisestä valovirrasta on jäljellä vielä 90 %. Mittauksissa käytettävän OSRAM DULUX keskimääräinen elinikä on 10000 tuntia. L 36W/840 -pienoisloistelampun 3.2.3. Loistelampun luminanssi, spektri, värintoistokyky ja värilämpötila Loistelamppu on tyypillinen hajasäteileväksi määriteltävissä oleva valonlähde, sen luminanssi eli pintakirkkaus vaihtelee kaupallisissa sovelluksissa välillä 0,7 7,0 cd/cm 2 kunkin suunnitellun käyttötarkoituksen mukaan [Philips, 2004]. Yleisesti voidaan kuitenkin todeta, että loisteputkien pintakirkkaus on sitä suurempi, mitä pienempi on putken halkaisija tai mitä lyhyempi putki on verrattuna siinä käytettävään tehoon. L-tyypin pienoisloistelamppujen luminanssit ovat luokkaa 2,1-3,7 cd/cm 2, Osram ilmoittaa 36 W lampulle pintakirkkaudeksi noin 2,8 cd/cm 2 [OSRAM, 2007]. Pintakirkkaus vaihtelee hieman myös loistelampun spektrin ja sitä myötä värilämpötilan mukaan. Loistelamppujen spektreissä näkyvät selvästi myös elohopea-atomien virittymisen purkautumisessa syntyvät näkyvän valon aallonpituudet kohonneina piikkeinä tietyillä aallonpituuksilla, muutoin lamppujen eri värilämpötilat, värintoistokyvyt ja valovirratkin säädellään loisteaineen koostumusta muuttamalla. Kuvassa 3.2.3.1 esitellään 36 W / 840 pienoisloistelampun spektri.
22 Kuva 3.2.3.1 OSRAM DULUX L 36 W/ 840 pienoisloistelampun näkyvän valon tehojakauma aallonpituuksien funktiona. Loistelampun spektri määrittää niin R a -indeksin kuin lampun värilämpötilankin.. Lampuista löytyy runsaasti erilaisia vaihtoehtoja ja niiden värintoistoindeksit vaihtelevat välillä n. 50 99. Yleisimmin käytössä olevien 80 - ja 90 -sarjan loisteputkien ja pienoisloistelamppujen värintoistoindeksit ovat vastaavasti välillä 80 89 ja 90-99. Loistelampuista löytyy myös useita erilaisia yhden värin tai painotetun värijakauman omaavia lamppuja erikoiskäyttöihin. Loisteputkia ja pienoisloistelamppuja tehdään lähes kaikkiin värilämpötiloihin 2700 K ja 8000 K välillä. Pienoisloistelampuista L-tyypin lampulla on laajin värintoisto ja värilämpötila valikoima, jonka johdosta se on myös yksi suosituimmista valonlähdevaihtoehdoista valaisinvalmistajilla. Korkean värilämpötilan, 8000 K, valo vastaa jotakuinkin keskipäivän pilvisen taivaan valon väriä ja saattaa tottumattomasta tuntua epämiellyttävältä, varsinkin, jos tilan keskimääräinen valaistustaso on alhainen, alle 500 lx. Siten se soveltuu kohtalaisen huonosti perinteiseen julkisen tilan valaistukseen. Valaistustasoa nostettaessa korkeampi värilämpötila alkaa tuntua sopivammalta, mutta tällöin myös energiakustannukset kasvavat valon määrän lisääntyessä. Tähän tutkimukseen valittiin testattavaksi valonlähteeksi 840-sarjan L- pienoisloistelamppu, jonka värisävyllä ja värintoistoindeksillä varustetuilla loistelampuilla on nykyisellään (2009) suurin markkinaosuus julkisten tilojen ja toimistojen loistelamppumyynnistä. [Philips, 2010]. 3.2.4. Loistelampun valovoima ja valonjakauma Loisteputken valovoima ja valonjakauma on putken pituusakselin ympäri katsottuna joka suuntaan sama koko ympyrän alueella poikittain tähän nähden se vastaa Lambertin lain mukaista säteilijää. Pienoisloistelampuilla valonjakauman voi karkeasti määrittää laskien vierekkäisten putkien valovoimat yhteen kuhunkin laskettavaan suuntaan jättäen huomiotta putkien läpimeneväksi suuntautuvat valovoimat. Alla olevassa kuvassa 3.2.4 esitetään neljän eri pienoisloistelamppumallin valonjaot. Kuvaa lukiessa tulee huomioida, että valonjakokäyrien mittakaavat eivät aina ole
23 toisiaan vastaavat, vaan niitä pitää arvioida huomioiden myös kaavioihin merkityt lukuarvot. Käyrät kuvaavat, kuten yleensäkin kaikki valonjakokäyrät, kuhunkin suuntaan lähtevää valovoimaa laskettuna lampusta lähtevää 1000 lm kohti. Valonjakojen ja lamppujen paremmuuden tai käytettävyyden vertaamiseksi tarvitaan myös kunkin lampputyypin valovirrat. Kuva 3.2.4. OSRAM DULUX -pienoisloistelamppujen valonjakokäyriä valovoimaarvoineen. Lampputyypit vasemmalta oikealle ylhäältä alas: S, S/E, L; T, T/E; D, D/E; F. Valonjaot kanta ylöspäin polttoasennossa. Tutkimuksessa käytettiin 36 W L-tyypin pienoisloistelamppua. 3.2.5. Loistelampun valotehokkuus Loisteputken valotehokkuus on tämän hetken valonlähteistä parhaimpia, valotehokkuus T5 (Ø 16 mm) loisteputkella elektronisella liitäntälaitteella käytettynä on jopa 105 lm/w. Paksummissa, Ø 25 mm, perusloisteputkissa valotehokkuus on yli 18 W teholuokissa noin 70 90 lm/w. Pienoisloistelampuilla vastaavassa teholuokassa valotehokkuus on noin 50 85 lm/w. Vastaavasti monimetallilamppujen valotehokkuus on noin 70 110 lm/w ja suurpainenatriumlampuilla noin 80-150 lm/w. Ledeillä löytyy valotehokkuutta laidasta laitaan, mutta tämän hetken kaupallisesti merkittävillä tuotteilla eli hehkulamppua korvaavilla lampuilla valotehokkuus on n. 50 lm/w ja yleisvalaistukseen käytettävillä lampuilla ja valaisimilla noin 70 110 lm/w. Laboratorio-olosuhteissa ledistä on saatu irti jo 208 lm/w ledvalmistaja CREEn ilmoituksen mukaan. (CREE, 2/2010). Valotehokkuutta arvioitaessa on kumminkin huomioitava, että arvot ovat laskennallisia ja määräytyvät päivänäön silmänherkkyyskäyrän mukaan ja arvoissa on ilmoitettu vain
24 lampun valotehokkuus. Valaisimeen asennettuna valotehokkuuteen vaikuttavat vielä lisäksi ainakin valaisimen hyötysuhde, liitäntälaitteiden häviötehot ja laitteen tuottaman virran ominaisuudet sekä ympäristölämpötila. 3.3. Testivalaisin Koevalaisimeksi (kuva 3.3) tehtiin alumiinirunkoinen valaisin irrotettavalla häikäisysuojalla varustettuna. Valaisimen aihiona käytettiin I-Valon turvaloisteen runkoa ja matalampaa kupuosaa. Valaisimessa käytettiin valonlähteenä yhtä OSRAM DULUX L 36W/840 pienoisloistelamppua. Kuva 3.3. Mittauksissa käytetty testivalaisin. 3.3.1. Perusrakenne Rakenteellisesti valaisin on tiivis, tiiveyden takaamiseksi rungon ja kehyksen välillä on joustava silikoniputkitiiviste, hitsaussaumojen raot on tukittu silikonimassalla. Normaalisti myös häikäisysuojalevy on liimattu ja tiivistetty kehykseen silikonimassalla. Rakenteen lujuuden takaa kaksi kiristävää lukitussalpaa kummankin puolen valaisinta. Koekappaleessa vapaata ilmankiertoa voi tapahtua kehyksen ja häikäisysuojana toimivan levyn välistä. Kyseisessä liitoskohdassa osat puristuvat toisiaan vasten kehyksen kiinnityksessä heijastimen toimiessa puristavana jousena sekä myös painovoiman pitäessä levyä paikoillaan, kun valaisin on käyttöasennossaan valoaukko alaspäin. Kehyksen ja levyn välistä vastakkaista pintaa on noin 5 mm levyinen nauha levyn reunoista lukien. Lisäksi valaisimessa on kaksi läpivientiaukkoa (Ø22mm) valaisimen valonlähteen kannan puoleisessa päässä. Läpivientiaukkoja käytettiin mittaus ja syöttöjohtojen kulkureittinä, eikä niissä käytetty läpivientiholkkeja eikä tiivisteitä. 3.3.2. Runko, heijastimet ja lampunpidin Valaisimelle otettiin runko I-Valo Oy:n maalatusta 6211 rungosta, joka oli tehty 3,0 mm paksuisesta alumiinilevystä. Runko oli pinnoitettu ulkopuolelta harmaalla
25 epoksimaalilla, joka edes auttoi valaisimen jäähtymistä. Valaisimesta voitiin tehdä tavallista matalampi kun liitäntälaite jätettiin valaisimen ulkopuolelle. Heijastimina käytettiin loisteputkille tehtyä tasapohjaista alumiiniheijastinta erittäin kirkkaalla heijastinpinnalla, heijastimen levyn paksuus oli 0,5mm ja spraypohjamaalilla mattavalkoiseksi maalattua samanmuotoista heijastinta (kuva 3.3.2). Mattavalkoisen heijastimen ominaisuuksien säilyneisyys varmistettiin vielä ennen kokeita ja kokeiden jälkeen tehdyillä mittauksilla. Heijastimien vaihto edellytti koko valaisimen purkamista alkutekijöihinsä. Kuva 3.3.2 Testivalaisimen heijastinvaihtoehdot, valkoinen mattaheijastin ja kirkas alumiininen peiliheijastin. Lampunpitimelle, 2G11, rakennettiin ilman työkalua avattava teline, jonka avulla valonlähteen asentoa voitiin kääntää pituusakselin ympäri 360 astetta. Valonlähteelle käytettiin kahta erilaista lisätukea lampun asennosta riippuen. 3.3.3. Kuvut Kupu tehtiin matalasta maalaamattomasta alumiinikehikosta ja suojalevystä. Suojalevyjä oli käytössä kolme erilaista, kirkas lasilevy (4,0mm), kirkas akryylilevy (3,1mm) ja opaaliakryylilevy (3,2mm) (kuva 3.3.3). Neljäntenä mittausvaihtoehtona oli valaisin avoimena ilman suojalevyä. Kuva 3.3.3. Testivalaisimeen kuvun kehykseen asennettuina kirkas lasilevy vasemmalla ja opaaliakryylilevy oikealla.
26 3.3.4. Liitäntälaite Liitäntälaitteena käytettiin kahdelle TC-L 36W pienoisloistelampulle suunniteltua Helvar Electronic Ballast EL2x36HF 220-240V 50-60Hz (N2045) elektronista liitäntälaitetta, joka asennettiin mittauksia varten valaisimen ripustukseen valaisimen ulkopuolelle. Samalla toinen käytettävistä lampuista johdotettiin noin 1,5 metrin päähän valaisimesta. 3.4. DIALux -valaistuslaskentaohjelma DIALux -valaistuslaskentaohjelma on yksi nykyaikaisen tietokoneavusteisen valaistussuunnittelun perusohjelmistoista. Ohjelma on yksittäisistä valaisinvalmistajista riippumaton ja eri valmistajien valaisimilla laskettaessa vertailukelpoisia arvoja antava valaistuslaskentaan ja valaistuksen visualisointiin soveltuva valaistuslaskentaohjelma. Ohjelmasta on useita erikielisiä versioita, myös suomeksi, ja se on ladattavissa ilmaiseksi DIALux:in verkkosivuilta. DIALux -valaistuslaskentaohjelma on tarkoitettu sisä- ja ulkotilojen valaistuslaskentaan, niiden mallintamiseen ja esittämiseen sekä turvavalaistuslaskentaan. Käytettävät valaisimet valonjakokäyrineen ja muine tietoineen löytyvät ohjelmistosta valaisinvalmistajien sinne toimittamina ja päivittäminä. Ohjelmassa on mahdollista käyttää myös kuvitteellisia valaisimia ja valonjakokäyriä hyödyntämällä yksinkertaista EULUMDAT -formaatin mukaista tekstitiedostoa. Tässä tapauksessa valaisimen ulkonäkö ja muoto voidaan valita muutaman perusvaihtoehdon väliltä. Valaisimen todellisen ulkomuodon käyttäminen ja lisääminen ohjelmaan edellyttää 3D-mallinnuksen käyttöä ja maksullista sopimusta ohjelmiston ylläpitäjän kanssa. Laskennallisesti DIALux valaistuslaskentaohjelma toimii kuten useimmat muutkin valaistuslaskentaohjelmat. Rajatun tilan pinnat (seinät, lattia ja katto) ja siinä sisällä olevien komponenttien pinnat jaetaan osiin laskentarasteriksi, joko automaattisesti tai itse määrittäen tiettyjen laskennallisten rajojen puitteissa. Valaisimesta tuleva valo lasketaan kuhunkin rasteripisteeseen, jonka jälkeen kutakin pistettä käsitellään kuin uutta valonlähdettä tilan sisällä, huomioiden tietysti kyseisen pisteen heijastusominaisuudet, ja lasketaan siitä heijastuvan valon vaikutus muihin pisteisiin. Tätä laskentaa iteroidaan muutama kierros, kunnes laskentatulos katsotaan olevan riittävän tarkka. Laskentaa helpottaakseen kaikki pinnat on määritelty täysin hajaheijastaviksi eli laskettaessa edelleen niiden lasketaan olevan tasahajottavasti valoa säteileviä valaisimia. Tarvittaessa kyseisten rasterien arvot voidaan ottaa esille myös osaksi laskentatulosta. Mitä enemmän on pisteitä, sen pidempi laskenta aika ja vastaavasti myös tarkempi tulos.
27 Laskentatulosten saamiseksi eri kohdista voidaan käyttää kolmenlaisia laskelmapisteitä, vaakasuoria, pystysuoria ja vapaita laskelmapisteitä ja -pintoja. Näissä simuloinneissa käytettiin vapaita laskelmapisteitä asetellen ne simuloidun valaisin mallin ympärille niin, että ne vastaavat valonjakokäyrien mittauksissa käytettyjä mittauspisteitä. Laskennassa pisteiden saamat arvot ovat käytettävissä eri vaihtoehtojen verrannollisuuteen toisiinsa sijoittamalla pisteiden arvot kunkin vaihtoehdon EULUMDAT -formaatin mukaiseen tiedostoon ja tuomalla se takaisin DIALux - ohjelmaan, jolloin saadaan kyseisen vaihtoehdon valonjakokäyrä ominaisuuksineen esille. 3.5. Valaistuslaboratorio Käytännön mittaukset tehtiin TTY:n sähkövoimatekniikan laitoksella valaistustekniikan laboratoriossa noin kolmen viikon aikana, jolloin mitattiin eri vaihtoehtojen tuottamat valaistusvoimakkuudet Ulbrichtin palloon kytketyllä valaistusvoimakkuusmittarilla. 3.5.1. Ulbrichtin pallo eli integroiva pallo Valonlähteen kokonaisvalovirran mittaukseen käytetään valoa integroivaa laitetta. Tässä mittaussarjassa sellaisena laitteena toimiin sisäpinnaltaan valkoiseksi hajaheijastavaksi maalattu pallo, ns. Ulbrichtin pallo (kuva 3.5.1.1), jonka sisään mitattava valaisin valonlähteineen pantiin. Kuva 3.5.1.1 TTY:n Valolaboratorion Ulbrichtin pallo ja pallon kytkentäpiste. Integroivan pallon teoria edellyttää tyhjää palloa, jonka sisäpinta on täysin valoa hajottava ja joka heijastaa näkyvän valon alueella kaikkia aallonpituuksia yhtä hyvin (epäselektiivinen eli valkoinen pinta). Tällöin pinnan jokainen piste heijastaa siihen tulleen valon jokaiseen muuhun pallon sisäpinnan pisteeseen ja tämä heijastuminen
28 tapahtuu äärettömän monta kertaa peräkkäin, jolloin pinnan jokaiseen pisteeseen muodostuu valaistusvoimakkuus kahdesta komponentista: valonlähteen suoraan pinnan pisteeseen tuottamasta valaistusvoimakkuudesta ja pallon muiden osien heijastaman valon tuottamasta valaistusvoimakkuudesta. Näistä heijastuneen valon komponentti on suoraan verrannollinen valonlähteen valovirtaan riippumatta valonjakautumasta. Kuva 3.5.1.2 Integroivan pallon varjostin ja valaistusvoimakkuusmittarin anturin aukko. Mittaus integroivalla pallolta tehdään mittaamalla pallon sisäpinnan valaistusvoimakkuus sellaisesta kohdasta, johon ei pääse valoa suoraan valonlähteestä. Suoran valon pääsy mittaavaan valokennoon on estetty valkoisella pallon sisään asennetulla varjostimella kuvan 3.5.1.2 mukaisesti. 3.5.2. Valaistusvoimakkuusmittari (luksimittari) Valaistusvoimakkuusmittari eli luksimittari on yleisimpiä sovelluksia valosähköisen kennon käytöstä. Yksinkertaisimmillaan tällainen mittari on kannettava kennon ja mikroampeerimittarin yhdistelmä, jossa jälkimmäisen asteikko on kalibroitu näyttämään suoraan valaistusvoimakkuutta lukseina (kuva 3.5.2.1). Puolijohde- ja digitaalitekniikka on tuonut kannettaviin mittareihin myös vahvistimet ja digitaaliset numeronäytöt. Mittareiden herkkyys on kasvanut lineaarisuuden säilyessä hyvänä laajallakin mittausalueella johtuen valokennon pienemmästä napajännitteestä. Nykyisistä numeronäytöistä on mittarin lukeminen heikoissakin valaistusolosuhteissa helppoa ja tarkkaa. Valaistusvoimakkuusmittarin asteikko kalibroidaan tavallisesti hehkulampun valolla, jonka väri-lämpötila on mahdollisimman lähellä CIE:n normaalivalon A värilämpötilaa 2 856 K. Tällaisille mittareille valmistaja lupaa tarkkuudeksi tavallisesti ± 5 %, erikoisesti laboratoriokäyttöön tarkoitetuille parhaimmillaan ± 2 %. Valosähköisen kennon ja mittarin ominaisuudet muuttuvat kuitenkin ajan funktiona, lisäksi mittarit
29 voivat joutua ulkoisille rasituksille alttiiksi, joten uudelleenkalibroinnit on tehtävä tarvittaessa ja vähintään kuitenkin kerran vuodessa. Kuva 3.5.2.1. Mittausanturi palloon kiinnitettynä ja anturiin kytketty digitaalinen mikroampeerimittari valaistusvoimakkuusarvojen lukemiseksi. Valaistuslaboratoriossa oli käytössä laboratorion oma pallon mittausaukkoon sopiva mittausanturina toimiva valosähköinen kenno ja digitaalisen mikroamppeerimittarin muodostama konsepti integroivan pallon mittauksiin. Mittarin lukema oli noin 60 % todellisesta valaisimen valovirrasta. Kuva 3.5.2.1. Samaista anturia käytettiin myös suojalasien valonläpäisykyvyn määrittämiseen yksinkertaisella, mutta menetelmällä asettamalla kukin levy vuorollaan anturin päälle ja vertaamalla mittarin lukemaa ilman levyä mitattuihin arvoihin kuvan 3.5.2.2 mukaisesti. Kuva 3.5.2.2 Valonläpäisykyvyn mittauksen periaate. 3.5.3. Lämpömittari Lämpötilan mittauksiin käytettiin kahta, Fluke 54 II Thermometer, lämpömittaria, joista toisesta oli toisen kanavan mittauspiiri rikki. Lämpötilamittaukset tehtiin kolmella PT100 anturilla. Valaisimissa ollessa päällä mittausjohtimiin indusoitui häiriövirtoja, jotka aiheuttivat mittarien lukema-arvojen säännöttömän muuttumisen, joten niitä arvoja ei voinut käyttää. Kuvassa 3.5.3 ovat molemmat käytössä olleet lämpömittarit.
30 3.5.4. Yleismittari Kuva 3.5.3. Fluke 54 II Thermometer, 2 kpl. Valaisimelle syötetyn jännitteen arvoa valvottiin kuvassa 3.4.5 olevalla Fluke 45 yleismittarilla. 3.5.5. Virtalähde Kuva 3.5.4. Fluke 45 Dual Displey Multimeter, TEL 478. Järjestelmän virtalähteenä käytettiin suojaerotusmuuntajalla varustettua laboratorion kiinteää virtalähdettä, josta syöttö Ulbrichtin pallon kytkentärasiaan ja sitä myötä valaisimelle otettiin suojaerotettujen pistorasioiden kautta kuvan 3.5.5 mukaisesti. Kuva 3.5.5 Valolaboratorion suojaerotusmuuntajalla varustettu säädettävä virtalähde ja jännitteen mittaus yleismittarilla.
31 4. SIMULOINTI DIALUX-OHJELMISTOLLA Simulointia varten luotiin DIALux -ohjelmaan kuutiomainen sisätila, jonka kaikki sisäpinnat määriteltiin mustiksi ja heijastushyötysuhteeltaan nollaksi. Tila määriteltiin riittävän isoksi, 40 m x 40 m x 40 m, jotta laskentatasot ja laskentapisteet saadaan riittävän kauaksi valaisimesta ja laskentatila itsessään aiheuttaa mahdollisimman vähän virheitä mittaustuloksiin. Valaisimelle valittiin mittasuhteeksi 10:1 mallintamisen ja laskennallisen työn helpottamiseksi. 4.1. Valaisimen mallintaminen ja simulointi Mallinnettava valaisin toteutettiin viidestä eri seinäkkeestä, jotka muodostivat valaisimen rungon, pohjan ja neljä seinää, sekä erilaisista lisäkappaleista, joista tehtiin valaisimien heijastimet. Nämä osat muokattiin ohjelman vakiokalusteista muotoilemalla ja niiden heijastusominaisuudet määritettiin normaaleja valaisinkomponentteja vastaaviksi. Valaisin sijoitettiin simulaatiossa siten, että valaisimen valoaukon keskipisteen kohdalla olevan simuloidun lampun putkien välinen keskipiste oli mitattavan tilan keskipisteessä. Mittauksissa lamppua käännettiin tämän keskipisteen kautta kulkevan lampun keskiakselin ympäri. Mallinnettu valaisin oli myös helposti muokattavissa eri komponentteja liikuttamalla esimerkiksi syvästä pieniaukkoisesta v-muotoisesta kuilusta laajan matalareunaiseen laatikkoon, jolloin valaisimen muodon ja erilaisten heijastinvaihtoehtojen vaikutukset olivat helposti nähtävissä. Verrannollisuusmittauksiin haettiin mittasuhteet ja ominaisuudet, jotka vastasivat projektin valaistusmittauksissa ollutta hajasäteilevällä heijastimella varustettua valaisinvaihtoehtoa vastaavaksi. Tehdyissä simulointitesteissä koetettiin rakentaa valaisimeen myös opaalimuovista kupua vastaava häikäisysuoja valoaukon eteen, mutta muutaman yrityksen jälkeen se todettiin vielä liian hankalaksi toteuttaa niin, että mittauksissa saatuihin voisi luottaa. 4.2. Valonlähteen mallintaminen ja simulointi Tutkimuksen reaalisissa mittauksissa käytettiin OSRAMin tyypiltään FSD-36/840/1A- E-2G11 pienoisloistelamppua ( OSRAM DULUX L 36W /840 ). DIALuxissa
32 tehtävän mallintamisen lähtökohdaksi otettiin siten OSRAMilta löytyvä kaksiputkisen L-lampun valonjakokäyrä, jonka ominaisuudet simuloitiin 10:1 mittakaavaan. Kuvassa 4.2.1 OSRAM DULUX L pienoisloistelamppua kuvaava valonjakokäyrä. Valonjakokäyrä on ilmoitettu lampunkanta ylöspäin asennolle. Vapaasti vaakatasossa olevalle lampulle ei löytynyt valmistajilta erillistä valonjakokäyrää ja tiedusteltaessa sen muodon ei todettu oleellisesti muuttuvan edellä mainitusta valonjakokäyrästä. Simulointiin todettiin ilmoitetun valonjaon olevan riittävän hyvä. [DIALux, 2010] Kuva 4.2.1. OSRAM DULUX L Pitkittäinen ja säteittäinen valovirtajakauma 1000 lm kohti. Polttoasento lampunkanta ylöspäin. [OSRAM, 2007] Simulointien teko aloitettiin luomalla DIALuxiin kaksiputkista pienoisloistelamppua kuvaava valaisin, jonka valonjako vastaisi kyseisen pienoisloistelampun valonjakokäyrää ja voisi siten toimia valonlähteenä eri simuloinneissa. Kuvaavan valaisimen dimensioiden ollessa näin suuret suhteessa pistemäiseen valonlähteeseen ja käytettyihin laskentapintoihin oli tarkoituksenmukaista jakaa valonlähdettä kuvaava valaisin useammaksi keskenään samanlaiseksi valaisinmoduuliksi. Valonlähde jaettiin viiteen eri valokappaleeseen (kuva 4.2.2), jonka dimensiot vastasivat kaksiputkista pienoisloistelamppua ja kunkin kappaleen valonjakokäyrä oli edellä esitetyn kaksiputkisen pienoisloistelampun valonjakokäyrän mukainen. Laskennassa havaittiin yhdistelmästä syntyvän valonjakokäyrän vastaavan kohtuullisesti alkuperäistä kun laskelmassa mitattiin vain simuloitua valonlähdettä ilman simuloidun valaisimen heijastavia pintoja.