A fényforrások fejlődése október 9.

Átírás

1 A fényforrások fejlődése? Balázs László, PhD GE Lighting

2 Égésen alapuló fényforrások

3 Gázvilágítás Kína: fűtés és világtás földgázzal XVIII. sz. Fa és szén elgázosítása 1790 W. Murdoch első gázvilágítás 1807 London Utcai világítás 1812 Gas Light & Coke Co. az első gázgyár 1816 Gázvilágítás Baltimore 1820 Párizs 1856 Pest 1891 Auer gázharisnya

4 Gázvilágítás energiaelosztó-hálózat Gázgyár: 1. szénlepárlás 2. városi gáz (C+H 2 O CO + H 2 ) mérőóra elosztó hálózat

5 Az elektromos világítás kezdetei Alessandro Volta tartós áramforrás, izzószál Humphry Davy izzószál ívfény

6 Ívlámpák Áramfejlesztés: 1831 Faraday elektromágneses indukció 1861 Jedlik Ányos - dinamo elve 1865 Siemens áramtermelés dinamóval 1871 Gramme az első erőmű Ívlámpák 1870 Jablocskov gyertya 1878 Brush ívlámpa

7 Izzólámpák Edison előtt Év Feltatláló Ország Izzószál Gáztöltés 1802 Davy Anglia platina szalag levegő 1820 De larue Anglia Platina tekercs vákuum 1841 De Moleyns Anglia Platina - szén vákuum 1850 Shepard USA szén henger vákuum 1859 Farmer USA platina szalag levegő 1860 Swan Anglia Elszenesített papír vákuum 1878 Sawyer USA grafit nitrogén 1878 Maxim USA grafit rúd szénhidrogén

8 Edison: az első kereskedelmi forgalomba került izzólámpa nagyellenállású szénszál nagyvákuum üvegburában, platina bevezető elektródák (fém-üveg kötés) Feszültség Fényáram Teljesítmény Élettartam Fényhasznosítás Izzószál hőmérséklet 110 V 200 lm 93W 600 óra ~2 lumen/ watt 1900 K US223,898

9 Miért Edison? Villamosenergia-hálózat párhuzamos kapcsolás nagy ellenállású izzó csavaros (Edison) foglalat javított hatásfokú dinamó mérőóra biztosíték

10 Human eye perception Spectral response of cones Spectral response of the eye 507 nm 555 nm scotopic photopic

11 Spectrális sűrűség (W/(m 2 nm)) Egy kis fotometria v( ) E( ) Fényáram Luminous flux (lumen, lm) K m E( ) v( ) d v( ) az emberi szem spektrális érzékenysége sugárzott teljesítmény E( ) K m 683lm W hullámhossz (nm) Fényhasznosítás Efficacy (lm/watt) P fényáram felvett teljesítmény

12 Színnel kapcsolatos mérőszámok Színvisszaadási tényező, Color Rendering Index (CRI):. CRI 70 CRI 100 Színhőmérséklet, Correlated Color Temperature (CCT) Feketetest sugárzás cool white (6500K) warm white (2700K)

13 A mérőszámok az emberi látásra vonatkoznak Kutyák: 2 fotoreceptor A kutyák másként érzékelik a színeket, mint az ember Ember: 3 fotoreceptor

14 Spectrális sűrűség (W/(m 2 nm)) Hogyan működik az izzólámpa? Edison első izzólámpa szabadalma: termosztatikus áramkör-szabályozó Hőmérsékleti sugárzás: Stephan Boltzmann P A T 4 Planck E(, T) 2 hc 5 2 e hc kt T 2 > T hullámhossz (nm)

15 Spectrális sűrűség (W/(m2 nm)) Hatásfoknövelés izzószál töltőgáz feltaláló 2850K 1930 W spirál Kr 15 Bródy 2700K 1913 W spirál Ar 13 Langmuir 2500K 1910 W szál vákuum 10 Coolidge 1904 W szál vákuum 8 Just & Hanaman 2100K 1879 C szál vákuum 2 Edison hullámhossz (nm)

16 Dr. Just, F. Hanaman és a Tungsram

17 Halogén izzó g Zubler, Mosby, 1959 volfrám párolgás oxihalogenidek képződése volfrám lerakódás +20% hatásfoknövekedés

18 Infravörös tükör IR +30% hatásfoknövelés

19 Efficacy [lpw] Az izzólámpák fejlődése Based on 60 Watts, 120 Volts and 1000 hours Life IR Filter Gas Filled Drawn Wire Tungsten GEM Carbon Coiled Coils Halogen Year

20 Nagynyomású kisülőlámpák Az anyagtudomány sikerei

21 Nagynyomású kisülőlámpák GE fejlesztések 1934 Az első nagynyomású higanylámpa 1955 Áttetsző alumínium-oxid (Lucalox) Robert L. Coble, GE 1961 Nagynyomású nátriumlámpa (Lucalox) William Louden, Kurt Schmidt and Elmer Homonnay, GE 1962 Az első fémhalogén lámpa Gilbert Reiling, GE

22 Nagynyomású higany és fémhalogén Kvarc bura High Pressure Mercury LPW 36 CRI 45 Quartz Metal Halide, QMH LPW 84 CRI 65

23 Nagynyomású nátrium és kerámia fémhalogén Kerámia bura High Pressure Sodium. HPS LPW 86 CRI 25 Ceramic Metal Halide, CMH LPW 90 CRI 88

24 Fénycsövek 1938 George Inman and Richard Thayer, GE Az első kereskedelmi forgalomba került fénycső (Mazda-F)

25 Fénycsövek működése fénypor üveg elektróda Töltőgáz és higany ballast fénypor nélkül fényporral Hg UV emisszió Fénypor lumineszcencia

26 Hg content [mg] T12 T12-WM System LPW T8- Tri T5 T8- WM T5WM A fénycsövek fejlődése Rendszer hatásfok System LPW ` Today

27 Fényforrások fejlődése fémhalogén LED lámpa kompakt fénycső izzó halogén Source U.S. DOE SSL R&D Multy-Year Program Plan, 2011

28 Light Emitting Diode, LED 1962 Nick Holonyak, GE Az első, látható fényt kibocsátó dióda

29 A LED technológia fontos állomásai vörös LED Nick Holonyak, GE 1993: kék LED 1996: fehér (fényporos) LED s/laureates/2014/popular-physicsprize2014.pdf

30 Fehér LED elektróda lencse fénypor A fehér LED emissziós spektruma fénypor contact kékled kék LED 1 atom

31 Az első felvevőpiac: kijelzők Nagyteljesítményű LED piac, 2010 LED eladások: $10,800 MM világítás 8% 92% szórakoztató elektronika

32 Piaci analógia Az önálló cserepiactól az integrált rendszerek felé Vákuumtechnológia Rövid élettartamú alkatrészek Jelentős cserealkatrész-piac Félvezetők Hosszú élettartamú alkatrészek Moduláris felépítés vagy integrált rendszer Szűk cserealkatrész-piac

33 A LED-ek fejlődése Source: CFL A LED hatékonyabb a hagyományos fényforrásoknál A LED ára is versenyképes

34 Organic Light Emitting Diode, OLED 2008 GE unveils the world s first demonstration of Roll-to-Roll processed OLEDs

35 OLED market segments

36 Biokémiai fényforrások szentjánosbogár Luciferin: Luciferin + O 2 oxi-luciferin + h A biokémiai fénykeltés hatásfoka: ~90%

37 Dióda lézer (Laser diode) 3-5nm US3,245, nm 1962 Solid state laser Bob Hall, GE

38 Fényforrások családfája Incandescent Fluorescent High intensity discharge Solid-state lighting HAL LFL CFL HPS QMH CMH LED LD OLED

39 Többfunkciós eszközök svájci bicska dugóhúzó konzervnyitó... okos telefon ébresztőóra naptár fényképezőgép zseblámpa... LED világítótest internetcsatlakozási pont? Mit hoz a jövő???

40 1 bit információ 40

41 Hangtovábbítás napfénnyel Photophone - Alexander Bell

42 A fényforrások fejlődése LED: rövid válaszidő (25-130ns) gyors kapcsolásra alkalmas hosszú válaszidő ki-be kapcsolásra érzékeny LED lámpa kompakt fénycső izzó halogén izzó

43 Fényforrás opciók Fényforrás Spektrum Modulációs sávszélesség Optikai csatornák száma Moduláció Fehér LED < 5MHz 1 egyszerű összetett Legnagyobb adatátviteli sebesség < 40 Mbit/s < 1 Gbit/s RGB LED < 25 MHz 3 egyszerű összetett < 100 Mbit/s < 3 Gbit/s Lézerdióda < 1000 MHz 3 36 összetett összetett < 14 Gbit/s < 100 Gbit/s

44 Adatátvitel fénnyel Lámpatest Nagysebességű internet kapcsolat Adatátvitel modulált fénnyel Mobile eszköz kamera (fotodióda)

45 Beltéri navigáció: ahol a GPS már nem működik Helymeghatározás fény-jel alapján Beltéri térkép a mobil eszközön Alkalmazások: Üzletek Bevásárlóközpontok Repülőterek Pályaudvarok Kórházak Iskolák Múzeumok 45

46 Hely alapú szolgáltatások Helymeghatározás fény-jel alapján A valós és virtuális tér összekapcsolása Személyre szabott, a helynek megfelelő mobilszolgáltatás Termék infomáció Helyhez kötött promóció Kiterjesztett valóság 46

47 Nagysebességű adatátvitel fény segítségével iroda kórház gyártósor 5G hálózat - optikai atto-cella Biztonságos: a fény nem hatol át a falon Nagy adatsűrűség: WiFi-hez képest több felhasználó kapcsolódhat Ott is alkalmazható, ahol rádió eszközök használata nem megengedett 47

48 Intelligens világítási rendszer Világítás és IT infrastruktúra összekapcsolása: Fotonika+IoT LED világítótest internet kapcsolat beépített érzékelők szoftver adatelemzés felhő alapú szolgáltatás GE Predix Cloud 48

49