Lumina Si Iluminatul Electric

Capitolul 1 Lumina si iluminatul electric

1.1 Lumina

Lumina are multe sensuri si poate inseamna multe lucruri in situatii diferite. Lumina poate proveni de la soare, de la o flacara, sau lumina produsa de om, cum ar fi becurile.

Lumina reprezinta efectul pe care il percepe un om atunci cand aceasta actioneaza asupra ochiului, mai precis asupra retinei si produce senzatia de vedere. Lumina este o unda de radiatie electromagnetica, care, pentru a putea fi perceputa, trebuie sa aiba anumite caracteristici. Lumina trebuie sa aiba o frecventa incadrata in limitele de sensibilitte vizuale a receptorilor din retina, iar intensitatea luminoasa trebuie sa depaseasca sensibilitatea acestor receptori. Termenul de lumina reprezinta unda electromagnetica ce are un caracter dublu, ondulatoriu si corpuscular, care duce la impresionarea ochiului uman.

Din totalul energiei radiante solare domeniul radiatiilor vizibile prezinta 44% si cuprinde toate cele sapte culori ROGVAIV.

Fig. 1.1. Spectrul radiatiilor vizibile

Radiatiile cele mai calde, care dau culori calde, sunt cele de culoare rosie, iar radiatiile cele mai reci, care dau culori reci, sunt cele de culoare violeta.

Ochiul omenesc este capabil sa fie excitat la maxim de culoarea galben verzuie, caracterizata prin lungimea de unde de 556 nm.

Eficienta luminii se numeste „ eficacitatea luminoasa a unei surse” si unitatea de masura lm/W ( lumen per Watt). Aceasta este de obicei interpretata in procente, bazata pe valoarea maxima teoretica a eficientei luminii care este de 683.002 lm/W.

De exemplu un led de 1 watt poate atinge o eficienta de peste 100 lm/w, adica o eficienta de aproape 15%. In timp ce aceasta valoarea pare mica, LED-urile sunt de fapt foarte eficiente in comparatie cu alte metode de iluminat.

1.2 Sisteme moderne de iluminat natural

Iluminatul natural asigura lumina necesara completarii sau inlocuirii iluminatului electric. Penrtu cladiri cu destinatie comerciala, iluminatul artificial si energia de racire asociata reprezinta 30-40% din energia totala utilizata.

Adaugarea luminii naturale intr-un spatiu interior poate aduce avantaje din punct de vedere al esteticii, sanatatii si economiei de energie.

Iluminatul natural nu are drept consecinta economii directe de energie, acestea obtinandu-se atunci cand necesarul de iluminat electric este redus gratie performantelor sistemelor de iluminat natural. Cel mai mare dezavantaj al utilizarii luminii naturale consta in variabilitatea sa, adica prin faptul ca nu poate „ opera” singura, fiind nevoie de existenta unui sistem de iluminat electric suplimentar care sa asigure iluminarea necesara in timpul zilelor cu cer acoperit sau dupa lasarea intunericului.

Un numar mare de aplicatii ce folosesc sisteme de iluminat natural au fost realizate, cel mai interesant si flexibil sistem fiind reprezentat de sistemul tuburilor de lumina. Prevăzut cu coturi reglabile și cu o suprafață interioară oglindată superreflectantă (reflectanță 98%), tubul solar SunPipe captează, focalizează și reflectă lumina naturală, distribuind-o apoi uniform în interior printr-un difuzor microprismatic. Odată instalat, poate ilumina orice spațiu interior fără nici un cost. Captarea luminii se poate face fie la acoperiș (înclinat sau orizontal, din orice fel de material), fie pe fațada sudică, printr-un dom de captare, compus din prisme plane și prisme verticale. (fig. 1.2.). Desi industria tuburilor de lumina a cunoscut o dezvoltare masiva in anii ’80, sistemele cu o eficienta mare inca sunt asteptate in practica. Privind eficienta tuburilor de iluminat inca este nevoie de munca de cercetare, dezvoltare si de productie, pentru a imbunatati eficienta globala a sistemelor de iluminat natural cu tuburi de lumina, astfel incat cererea de instalare la scara larga sa creasca, si sa contribuie astfel la realizarea unui mediu mai curat si mai sigur.

Fig. 1.2. Sistem de iluminat cu tuburi de lumina

1.3 Iluminatul electric

Una din primele aplicații tehnice ale fenomenelor electromagnetice s-a realizat prin anii 1860 – 1870 sub formă de iluminat, iar după inventarea lămpii cu incandescență și cu soclu filetat (în 1882, de către Thomas Edison) iluminatul electric a constituit prima aplicație tehnică a electromagnetismului implementată pe scară largă și cu utilizare obișnuită.

Iluminatul electric este, în prezent, cea mai răspândită aplicație tehnică a fenomenelor

electromagnetice, atât în iluminatul casnic, iluminatul stradal, iluminatul industrial, iluminatul de siguranță și avertizare, iluminatul artistic / spectacular, iluminatul publicitar etc. .Dintre toate avantajele tehnologice ale ultimului secol, iluminatul electric este unul dintre cele mai insemnate.

Iluminatul electric este cel mai vechi domeniu de utilizare a energiei electrice, insa randamentul de utilizare a energiei electrice pentru instalatiile de iluminat este de maxim 10% si trebuie sa realizeze un anumit nivel de iluminare si sa asigure anumiti parametri cantitativi precum: distributia uniforma a fluxului luminos, sau nivelul de iluminare, dar si cantitativi precum: redarea culorilor sau distingerea culorilor. Pentru indeplinirea acestor parametri sursele de lumina trebuie sa genereze radiatii luminoase complexe.

Exista multe moduri prin care putem ilumina o suprafata sau o camera, lampi incandescente, tuburi fluorescente, LED-uri, becuri cu halogen si altele. Acestea sunt comparate de obicei prin eficienta acestora de a converti energia electrica in energie luminoasa.

1.3.1. Functionare

Fenomenele care stau la baza funcționării lămpilor electrice sunt radiația termică și luminiscența.

In lămpile bazate pe radiația termică, emisia de radiație optică și, în principal, luminoasă este datorată unui corp solid, adus la incandescență de un curent electric.

Corpul incandescent poate funcționa în vid sau în atmosferă de gaz inert, iar temperatura de lucru joacă un rol esențial în obținerea eficacității sursei.

1.3.2. Luminiscenta

Fenomenul de luminescență constă în emiterea de către o substanță a unei radiații electromagnetice a cărei intensitate (pentru anumite lungimi de undă sau pentru intervale spectrale restrânse) este mai mare decât cea a radiației termice emise de către substanță, la aceeași temperatură. Radiația luminescentă poate avea loc indiferent de starea de agregare a substanței.

În funcție de cauza care provoacă radiația, în construcția lămpilor electrice prezintă interes electroluminescența și fotoluminescența (îndeosebi fluorescența). Electroluminescența apare sub acțiunea purtătorilor de sarcină (electroni și ioni) care se deplasează într-un câmp electric.

1.3.3. Electroluminiscenta

Electroluminescența este proprie descărcării electrice în gaze și în vapori metalici în care atomii gazului sau vaporilor metalici sunt excitați și ionizați de către ciocnirile cu purtătorii de sarcini. Fotoluminescența este produsă prin absorbția fotonilor, adică sub acțiunea unei radiații electromagnetice. Dintre fenomenele de fotoluminescență, interesează în mod deosebit fluorescența care reprezintă o fotoluminescență ce persistă un timp extrem de scurt (sub s) după excitarea substanței cu radiație electromagnetică. În lămpile cu descărcare electrică se folosește fluorescența unor substanțe solide, denumite luminofori, sub acțiunea radiației descărcării (în principal, radiația de rezonanță), în vederea creșterii eficacității luminoase și/sau a modificării compoziției spectrale a radiației.

Funcționarea anumitor lămpi are la bază folosirea unor radiații mixte cum sunt: electroluminescență + fotoluminescență, electroluminescență + radiație termică sau electroluminescență + radiație termică + fotoluminescență (fluorescență).

1.4. Tipuri de becuri pentru iluminat

In consecință, ținând seama și de caracteristicile mediului radiant, în tehnica iluminatului se folosesc următoarele categorii de becuri:

a. Becuri cu incandescență – bazate pe fenomenul de radiație termică. După mediul în care funcționează elementul radiant termic (filamentul), se deosebesc:

– becuri cu vid,

– becuri cu gaze inerte,

– becuri cu halogeni;

b. Becuri cu descărcare electrică în gaze sau în vapori metalici – bazate pe fenomenul de luminescență.

Cele mai utilizate becuri sunt:

– becuri cu vapori de mercur la joasă presiune și la înaltă presiune;

– becuri cu vapori de sodiu la joasă presiune și la înaltă presiune;

– becuri cu vapori de mercur și halogenuri metalice;

c. Becuri cu lumină mixtă, cea mai răspândită fiind lampa cu descărcare electrică în vapori de mercur la înaltă presiune, cu luminofor și cu filament incandescent încorporat în lampă, cu rol atât de element radiant termic, cât și de element de stabilizare a curentului de descărcare (balast).

d. LED – uri

e. OLED – uri

1.4.1. Parametrii principali ai becurilor electrice

Parametrii care servesc pentru compararea diverselor tipuri de lămpi, în vederea stabilirii sursei de lumină care urmează a fi folosită într-o instalație de iluminat, precum și pentru aprecierea avantajelor și dezavantajelor acestora, se pot grupa în trei categorii: parametri tehnici de bază, parametri tehnico-economici și de exploatare și cost. Încadrarea unui parametru în una din cele trei categorii nu este strictă deoarece nu se poate face totdeauna o distincție netă între un parametru tehnic (fizic) și un parametru de exploatare.

Valorile nominale ale parametrilor sunt prevăzute în standarde sau în normele interne de fabricație. Întrucât producția de lămpi este o producție de masă, în care intervin fluctuații atât în privința proprietăților și dimensiunilor materialelor folosite, cât și în privința procesului tehnologic de fabricație, standardele sau normele respective prevăd. de asemenea, abaterile admisibile de la valorile nominale ale parametrilor.

1.4.1.1. Parametri tehnici de baza

1. Puterea nominală P absorbită de la rețea determină consumul de energie electrică și servește ca bază pentru evaluarea eficacității sursei.

2. Tensiunea nominală trebuie să corespundă rețelei (circuitului) la care se conectează lampa.

3. Fluxul luminos φ emis la funcționarea lămpii în condiții nominale servește pentru aprecierea eficacității sursei, dar influențează și stabilirea numărului de surse de lumină necesare într-o instalație de iluminat.

4. Distribuția spectrală (culoarea radiației) este indicată prin temperatura de culoare Tc și, eventual, prin coordonatele tricromatice.

5. Durata de funcționare D este reprezentată prin intervalul de timp, exprimat în ore, în care lampa funcționează, în condiții date, până la înlocuirea sa, datorită pierderii totale sau parțiale a posibilității de funcționare. Durata poate reprezenta o funcționare neîntreruptă sau o sumă de intervale de funcționare a lămpii, de la punerea în funcțiune și până la scoaterea din exploatare. Durata este un parametru care se definește statistic pentru un lot de lămpi.

6. Durata totală este determinată de pierderea capacității de funcționare prin arderea filamentului sau imposibilitatea amorsării descărcării electrice. Durata medie se determină pentru un lot de lămpi și reprezintă intervalul de timp în care ies din funcțiune 50% din numărul lămpilor din lotul supus încercării. Durata medie este o dată importantă de catalog și este impusă de standarde. Durata garantată exprimă timpul în care trebuie să funcționeze orice lampă livrată de fabrică dacă sunt respectate condițiile de exploatare impuse (ea este, evident, inferioară duratei medii).

7. Durata utilă este determinată de scăderea fluxului luminos al lămpii până la o anumită limită, care poate fi 70 – 80% din fluxul luminos inițial, după care exploatarea lămpii nu mai este avantajoasă.

1.4.1.2. Parametri tehnico-economici și de exploatare

1. Eficacitatea luminoasă η este parametrul cel mai important al unei lampi, creșterea eficacității luminoase a lămpilor fiind principalul factor al nivelului tehnic, al fabricii producătoare și, în același timp, directia in care toti producatorii se indreapta pentru un LED mai performant. Acest lucru se explică prin faptul că o mare parte din producția de energie electrică a unei țări se consuma cu sistemele de iluminat și deci cea mai neînsemnată creștere a eficacității luminoase a unei lămpi are ca rezultat, la nivelul oricărui utilizator și la scară națională, o importantă economie de energie electrică și costuri mai scăzute de exploatare a instalațiilor de iluminat, concomitent cu îmbunătățirea iluminatului la locurile de utilizare.

Eficacitatea luminoasă se obține împărțind fluxul luminos φ emis de lampă la puterea electrică P absorbită de la sursa de alimentare (rețea):

η = φ / P, în lumen pe watt [lm]

La o putere specificata a lampii , marirea eficacitatii luminoase se realizează prin creșterea fluxului luminos, în acest fel, obținându-se, pentru aceeași putere consumată, o îmbunătățire a sistemelor de iluminat fără a crește consumul de energie electrică. Adaptarea unei lampi la instalația de iluminat se determina in functie de gama de puterilor la care este fabricata o lampa, de dimensiunile corpului luminos, si de schemele de conectare la rețea.

2.Stabilitatea fluxului luminos în timp și valoarea luminanței lămpii sunt parametri care influențează calitatea vederii. Valorile nepotrivite ale acestor parametri pot duce la oboseala ochiului uman și la reducerea performanțelor activității vizuale prin aparitia asa-zisului efect de orbire (reducerea sau pierderea temporară a capacității de a distinge obiectele observate).

Capitolul 2 Stadiul actual si de perspectiva in domeniul sistemelor de iluminat cu LED-uri de mare putere

2.1. Scurt Istoric

De peste 30 de ani, LED-urile au fost folosite in multe domenii, sisteme industriale, echipament Hi-Fi, sistemul de iluminat al masinilor, sau chiar in panouri publicitare( OLED). In decursul anilor trecuti, eficacitatea luminoasa a LED-urilor cu lumina alba a crescut uimitor pana la 130 lumeni pe watt sau mai mult. Acesta este un factor care va continua sa creasca in viitor. Pe langa acest lucru, efectul electroluminiscentei a fost descoperit acum mai bine de 100 de ani ( fig. 1.2)

Fig. 2.1. Originile tehnologiei LED

1962 – Primul LED creat de americanul Nick Holonyak, intra pe piata. Primul LED cu o lungime de unda care putea fi vazuta cu ochiul liber marcheaza inceputurile productiei industriale de LED-uri

1971 – Ca rezultat al dezvoltarii de noi materiale semiconductoare, LED-ruile sunt produse in culori noi, cum ar fi: verde, portocaliu sau galben.

1993 – Japonezul Shuji Nakamura dezvolta primul LED de culoare albastru stralucitor, si un LED cu o eficacitate foarte ridicata din spectrul culorii verzi. Ceva timp mai tarziu acesta dezvolta si LED-ul de culoare alba.

1995 – Primul LED de culoare alba rezultata din conversia luminiscentei este prezentat si lansat pe piata doi ani mai tarziu.

2006 – Prima dioda care emite lumina de 100 lumeni pe watt este produse. Eficienta acesteia este intrecuta doar de lampile cu descarcare in gaz.

2010 – LED-urile de diferite culori cu o eficacitate luminoasa imensa de 250 lumeni pe watt sunt dezvoltate in conditii de laborator.

2012 – Firma Cree a prezentat Lampa LED XLamp MK-R cu o eficiență de 200 Lumen/Watt si cu o dimensiune de 7 x 7 mm. Luminozitatea lămpii led este comparabilă cu cea a unui bec incandescent de 120 Watt, atingând 1769 Lumen la 15 W și 85°C.

2013 – Firma Cree a prezentat lampa LED de uz casnic cu o eficiență de 84 Lumen/Watt, consum 9 – 9,5 Watt, la un pret sub 10$ în varianta de 40W și cu fasung standard E27. Luminozitatea lămpii LED este comparata cu lumina unui bec incandescent de 60 watt, atingând până la 800 Lumen, fiind și variabilă ( în combinație cu un variator de tensiune).

Tehnologia de realizare a LED-urilor stralucitoare este extrem de dinamica. Ronald Haitz a enuntat o lege referitoare la evolutia LED-urilor, care se numeste legea lui Haitz. Aceasta lege afirma faptul ca stralucirea LED-urilor se dubleaza la fiecare 3 ani.

2.2. Modul de functionare al LED-urilor

LED-ul ( light-emitting diode) , adica dioda care emite lumina, consta intr-un cip de material semiconductor dopat cu impuritati pentru a crea o jonctiune p-n. Ca si in cazul altor diode, curentul trece cu usurinta din partea p, sau anod, in partea n, sau catod, dar nu si in directie inversa. Purtatorii de sarcina, electroni si gauri de electroni, plutesc in jonctiune de la electrozi cu voltaj diferit. Atunci cand un electron intalneste o gaura, cade intr-un nivel de energie mai mic si elibereaza energie sub forma unui foton (fig. 1.3)

Fig 2.2. Functionarea interna unui LED

Dezvoltarea LED-urilor a inceput cu dispozitive infrarosu si rosu produse cu arseniura de galiu. Dezvoltarea din stiinta materialelor a permis producerea de dispozitive cu o lungime de unda mult mai mica, lumina emisa fiind de o varietate de culori.

LED-urile sunt construite de obicei pe un substrat de tip n, cu un electrod atasat de substratul de tip p, pozitionat pe suprafata acestuia. Multe tipuri de LED-uri comerciale, in special GaN/InGaN, utilizeaza substrat din safir. Majoritatea materialelor folosite pentru productia unui LED au un indice de refractie foarte mare.

2.3. Modul de realizare la LED-urilor

Led-ul poate fi plasat la un capat al unei lentile de index foarte refractiv.Intreaga

lumina emisa de Led va fi capturata de fata de intrare a lentilei si ghidata catre fata

de iesire. Acolo, un plastic sau o portiune de polimer poate fi pozitionat astfel incatsa

aiba incastrat un strat de vopsea.

Aceasta va trebui sa fie foarte sensibila la lumina emisa de catre LED si sa emita, de

asemenea, lumina, pe o lungime de unda mai mare, cu eficienta cuantica interna mai

mare de 80%. O lentila sau alta structura cu rol de extractie va fi pozitionata dupa

polimer, astfel incat lumina emisa de pe stratul de polimer vopsit sa iasa in aer in emisfera dinainte.

Lumina va fi emisa izotrop in mediul polimeric (care este de preferat sa fie polistiren

sau toluen de polivinil). Se ia in calcul si lumina emisa spre emisfera din spate. Partea din spate este imbracata cu o oglinda, cu o mica deschizatura astfel incat lumina LED-ului sa patrunda, iar marimea ideala a baghetei este determinata de considerentele de cost, dar cu intelegerea faptului ca cu cat mai mare va fi zona de LED a lentilei, cu atat eficienta va creste.(fig. 2.3)

Fig. 2.3. LED de mare putere montat pe o placuta imbracata cu metal

Spre deosebire de LED-urile de mica putere (fig. 2.4) care sunt concepute pentru a semnaliza un eveniment, cum ar fi: un buton de iesire de la un dispozitiv, un buton verde de la un conputer, sau un buton rosu de la o camera video care lumineaza intermitent, aceste LED-uri(fig. 2.3) sunt folosite pentru a ilumina suprafete. Se folosesc mai multe LED-uri pe un singur suport pentru a mari puterea lampii si in acelasi timp pentru a creea o lumina de mare intensitate.

Fig. 2.4. LED clasic de putere mica