Technológia

Fénycsövek

Az első kísérletek a fénycsövekkel a 19. század végére estek. Tesla és Edison kísérletezett a kisülési csövekkel. 1901 Peter Cooper Hewitt megszerezte a szabadalmat az alacsony nyomású higanygőzös kisülési csőre.

Az első fénycsövektől a múlt század 30. éveiben a foszforok területén történő fejlődés hosszú utat tett meg. Nagy hatással volt a színes televízió megjelenése és a lantanida elemek tulajdonságainak felfedezése, melyek korábban szinte ismeretlenek voltak.

Körülbelül 10 alap foszforpor típus létezik, amelyeket ha megfelelő arányban keverünk, megközelíthetjük a kívánt fénycső forrás spektrumát. Ezzel elérhetünk akár 90 Ra értéket.

Speciális foszforok használatával, melyek összetétele vagy szabadalmaztatott, vagy azokat a gyártó figyelmesen őrzi, el lehet érni akár 98-s Ra értéket.

A foszforok a komplexebb sók porkeverékeinek ötvözetei, például az antimon, bárium, cérium, ón európium, gadolínium, germánium, alumínium, magnézium, stroncium, terbium, kalcium, ittrium és a klór, fluor vagy foszfor.

Ha a foszforokból erősebb réteget használunk, akkor ez korlátozza a higanykibocsájtó látható fény átszivárgását, ami így hozzájárul a jobb színvisszaadáshoz, kisebb hatékonyság árán.

Az elektródák elrendezése szintén fontos találmány, melynek során lehetővé tették a higany hőátadását ellenkező irányba, mint ahogyan az atomok vezetik az elektromos áramot. Ez lehetővé teszi, hogy a fénycsövek egyenáramban is működjenek, például az elektromos előtétek.

Mivel a vékonyabb csövek hatásosabbak, csökkentik az anyag elhasználódását és lehetővé teszik a kisebb vagy kevésbé veszteséges konstrukciókat, a trend a csövek vékonyítása. A 30-as évektől a 80-as évekig az átlagos csövek 38 mm átmérőjűk voltak (T12), utánuk a T8-asok következtek 25 mm átmérővel, most pedig a T5-ös méretet támogatják 16 mm átmérővel.

Izzók

1802 óta, amikor Humphry Davy először világította meg a platina drótot elektromos energiával, az izzók nagy technológiai lépést tettek meg. Ma azonban tanúi vagyunk az elsötétedésüknek.

A klasszikus izzóknak csak korlátozott lehetőségeik vannak a napfény közelebb hozásával kapcsolatban. A színvisszaadási indexük ugyan tökéletes (Ra=100), viszont gond van a színhőmérséklettel Tc, ami az izzók esetében 2900 K körül mozog, ami a meleg sárga fény megfelelője.

Ez a határérték a volfrám olvadáspontja 3695 K, melynél az izzók szálait gyártják.

Az átlagos izzók szálainak hőmérséklete körülbelül 2800 K, a halogéneseké 2900–3000 K. A szálak hőmérsékletének megnövelése radikálisan csökkenti az izzó élettartamát. Például a projektorokban használt izzók szálainak hőmérséklete 3300 K és az élettartamuk csak néhány tíz óra.

Forradalmian új megközelítés ez esetben a szűrők használata, mely korlátozná a sárga szín túltengését. Jó filternek mutatkozott Nd2O3 neodímium oxid. Ezt az anyagot belekeverik az izzó üvegébe, ami így kapja a tipikus kékeslila árnyalatot. Az iont NdIII+ tulajdonságai miatt szintén használatos a csillagászati optika szűrőkben a kontraszt javítására, de legfőképp az infravörös lézerek gyártásánál.

A szűrő elnyeli a fényenergia egy részét a sárga szín hullámhossza körül, amit az átlagos izzónál leginkább észlelünk. Az eredmény a "kevésbé sárga" – azaz fehérebb – fény, ami a NASLI fénycsöves forrásokkal jobban kombinálható, mint az átlagos izzók fénye.

Az üveg melyhez hozzákeverték az Nd2O3 közel az infravöröshöz világít (1300 nm). Az elnyelt energia így hővé változik. A szűrő elnyeli körülbelül a 20-25%-át a fényáramlatnak.

A sárga szín átmenetet képez a spektrumban a piros és sárga színek között. A neodímium szűrő tehát növeli a színkontrasztot a piros és a zöld színek közt.

Tekintettel arra, hogy egy „színes” fényforrásról van szó, az eredeti módszerrel meghatározott Ra csak 75-80, ami meglehetősen félrevezető. A LED források "színminőségének" meghatározására egy új változó definiálásán dolgoznak, melynek jobban ki kellene fejeznie az adott forrás színvisszaadási minőségét, mint a meglévő Ra értékű módszer.

LED – világító diódák

Ezen forrásoknak a története visszanyúlik 1907-be, amikor H. J. Round, G. Marconi asszisztense felfedezte az elektorlumineszcenciát a szilícium-karbid kristályokon. O. V. Losev 1927-ben ezt a jelenséget részletesen leírta. A teoretikus magyarázatról 1951-ben K. Lehovec gondoskodott.

Az 50.-es évek végéig sikerült laboratóriumi körülmények között létrehozni több infravörös sugárzást imitáló félvezetőt, majd 1962-ben N. Holonyak megalkotta az első diódát, ami láthatóan imitálta a – vörös – fényt. Lassan felfedezték az eljárást mellyel sárga LED fényt tudtak előállítani és ezen elemek hatása tovább fokozódott. A 70.-es évek elején a LED-ek már annyira olcsóak voltak, hogy indikátoroknak is lehetett használni őket és zsebszámológépekben is megtalálták a helyüket. Később következett a zöld LED, de a kék színűt csak 1989-ben sikerült létrehozni, majd röviden utána jött a fehér LED. A kilencvenes évek felfedezései drámaian növelik a LED hatékonyságát például a többréteges, többfokos és rezonáns struktúrának köszönhetően. Az egyes LED-ek fogyasztása milliwattról watt egységekre emelkedett és teljesítményük felülmúlja a fénycsövekét is.

A LED-et megtaláljuk a legtöbb elektronikában, alávilágítják a mobiltelefonok kijelzőit, világítanak a zseblámpákban, néhány televízió készülékben és adatprojektorban fényforrásként működnek. Az utolsó években a LED-ek bekerültek a világítással foglalkozó területekbe is, mint a kültéri és épületek világítása, vagy a belső terek megvilágítása és a közlekedésnél használt világítás.

A LED a fény félvezetője, amit szilícium alapú és egyéb anyagrétegek alkotnak, melyet az elektromos áram áthaladása közben kvantumjelenségek és foton kibocsátása kísér. A kibocsájtott foton spektruma V-alakban, viszonylag szűk sávban van elrendezve a domináns hullámhossz körül, tehát bizonyos színű fényforrásról van szó.

A fehér fényt a LED segítségével több szín összerakásával lehet létrehozni. A leggyakoribb a kék LED sárga foszforral. A kék fény részlegesen áthalad és részlegesen sárgává alakul a foszforban, miközben a végső benyomás a fehér fény. Így lehet létrehozni a fehér LED-et a meleg fehértől egészen a nappali fehérhez 75–80 színvisszaadási indexel. Speciális foszforok használatával elérhetünk 90 körüli Ra-t, természetesen mérhető teljesítménycsökkenéssel. A további lehetőség az (ultra) ibolya LED használata sugár gerjesztőként, és foszfor ötvözet a fehér fénnyé változtatásra. Feltételezik, hogy ezzel az eljárással el lehet érni 97 Ra értéket, teljesítménycsökkenés nélkül. Egyéb lehetőség a fehér „keverése“ többszínű LEDek segítségével. Az átlagos LED segítségével RGB (R=piros, G=zöld, B=kék) csak 70 Ra értéket érhetünk el. Az újabb négyszínű komponensekkel RGBA (A=amber, borostyán sárga) megközelíthetjük a 90 Ra-t. Használatban van a RGBAW (W=fehér, WW=meleg fehér) mellyel 97 Ra érhető el. Az egyes színösszetevők egyenként is irányíthatóak, ami számtalan alkalmazást biztosít. A piacon az utolsó időben a LED/Light/Engin egységek jelennek meg, RGBW LED mattoló, hűtővel és elektronikával, amik komplett megoldást kínálnak a kellemes világításra variálható paraméterekkel, például a sötétítéshez, színhőmérséklet változtatáshoz, hangulatos, dekoratív vagy biodinamikus világításhoz.

A LED előnye a többi fényforrással szemben a nagy hatékonyság és annak további potenciális növekedése. A fénycsöveknél és kisülési lámpáknál elérhető a 100 lm/W teljesítmény, azonban a LED már ma 150 lm/W feletti teljesítménnyel bír és várhatóan elérhető lesz a 220 lm/W feletti teljesítmény is. További előny a feltételezett hosszú élettartam, ami 3-5x annyi, mint a fénycsöveké. A LED beindulási ideje nagyon rövid, ami nagy előny mondjuk az autók féklámpáinak izzóival szemben. E tulajdonság egy másik lehetséges alkalmazása az impulzus-szélesség moduláció (PWM), mely segítségével lineárisan teljes körűen irányítható a fényáram, elhanyagolható veszteséggel.

A LED alapvető hátránya a magas beszerzési ár, amit egyelőre nem egyenlít ki a magasabb hatékonyság és hosszabb élettartam kombinációja sem. A LED forrás melletti döntés általában új lámpák beszerzését is jelenti. Léteznek azonban LED-el helyettesíthető fénycsövek vagy kisülési lámpák, melyek általában kompromisszum megoldást jelentenek. Paradox módon hátrány lehet az eddig még nem is realizált mérési teljesítmény potenciálja a hosszú élettartamra vonatkoztatva. A befektetők ilyen szituációban általában az olcsóbb lehetőséget választják és várnak. A LED hosszú élettartamát gyakran túlbecsülik és a becsült 30–100 ezer órát gyakran nem lehet elérni magas hűtési költségek nélkül. A hátrány a teljesítményben is megmutatkozhat: LED szemaforok esetében – az izzókkal ellentétben – télen befagynak.

A LED-et gyakran alacsonyabb színvisszaadási Ra index-el bírálják. A tesztek azonban azt mutatják, hogy az emberek némelyik LED fényforrást jobbra értékelik, mint ami az Ra értékek összehasonlításából következne. Valószínű, hogy a LED felemelkedésével színre lép a világítástechnika, a színek új minőségértékelése, mely bizonyos fajta fényről jobban fogja tükrözni a szubjektív érzést, mint az Ra index, ami a LED-hez nem igazán illik.