Arató András Dr. Borsányi János Klinger György Dr. Kovács Károly Molnár Károly Zsolt Nádas József Dr. Vetési Emil INNOVATÍV VILÁGÍTÁS

Átírás

1 Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Kar Mikroelektronikai és Technológia Intézet INNOVATÍV VILÁGÍTÁS Arató András Dr. Borsányi János Klinger György Dr. Kovács Károly Molnár Károly Zsolt Nádas József Dr. Vetési Emil INNOVATÍV VILÁGÍTÁS JEGYZETSZÁM: OE-KVK 2108 Budapest

2 Szerkesztette: Molnár Károly Zsolt Lektorálta: Némethné Dr. Vidovszky Ágnes Felelős kiadó: Dr, Turmezei Péter,az ÓE KVK dékánja Nyilvántartási szám: OE-KVK, 1450/2,

3 Tartalomjegyzék 1. Bevezetés 8 2. Hogyan jellemezhető a jó világítás Látáskomfort és emberközpontúság Világítástechnikai alapfogalmak Radiometria és fotometria Radiometriai és fotometriai alapmennyiségek Fotometriai anyagjellemzők Alapvető fotometriai összefüggések A színtan alapjai Az emberi szem és a látás mechanizmusa Az emberi szem felépítése A látás mechanizmusa A világítástechnikával összefüggő látási folyamatok A jó világítás mennyiségi és minőségi jellemzői Megvilágítás Fénysűrűség eloszlása Térbeli és időbeli egyenletesség Ne lépjen fel káprázás A fény iránya árnyékhatások Fényszín és színvisszaadás Természetes világításhoz való illesztettség Üzembiztonság Egészségre és környezetre gyakorolt hatás Szabályozhatóság Gazdaságosság, energiahatékonyság A világítás eszközei I. Fényforrások A fényforrások csoportosítása és általános jellemzése A hagyományos izzólámpa Miért nem korszerű a hagyományos izzólámpa? Halogén izzólámpák A halogénlámpák működési elve: a volfrám-halogén körfolyamat Halogénlámpák konstrukciója A halogénlámpák általános tulajdonságai Törpefeszültségű halogénlámpák Hálózati feszültségű halogénlámpák A kisülőlámpák működéséről általában A hagyományos fénycső A fénycsövek villamos üzemeltetése Fénycsőkapcsolások Speciális fénycsövek Kompakt fénycsövek A kompakt fénycsövek típusai A kompakt fénycsövek működtető egységei A kompakt fénycsövek tulajdonságai Egyéb kisnyomású kisülőlámpák Az indukciós lámpa Kisnyomású nátriumlámpa 115 3

4 3.8 Nagynyomású kisülőlámpák A higanylámpa Fémhalogénlámpák A nagynyomású nátriumlámpa LED-ek OLED fényforrások A működés fizikai, kémiai alapjai A világítás eszközei II Működtető eszközök Transzformátorok törpefeszültségű halogénlámpák működtetéséhez Gyújtókészülékek Elektronikus előtétek LED tápegységek Lámpatestek A lámpatestek rendeltetése és funkciói A lámpatestek fajtái, csoportosításuk Lámpatestek alkatrészei A lámpatestek jelölései Lámpatestek fénytechnikai jellemzése Védettség szilárd testek és víz behatolása ellen, ütésállóság (IP és IK számok) Áramütés elleni védelem (érintésvédelem) A lámpatestek felszerelése Energetikai hatékonyság (EEC osztályok) Biztonsági vizsgálatok Lámpatestek kiválasztási szempontjai A lámpatestekre vonatkozó fontosabb európai szabványok Fényforrások szabályozhatósága, elektronikus üzemeltető készülékek Fényáram-szabályozás szükségessége Izzólámpa szabályozhatósága, elvi megfontolások Izzólámpa bekapcsolásakor fellépő jelenségek Elektronikus transzformátorok 12 V-os halogén izzókhoz Felépítés, működési elv Fázishasításos dimmerek Gyújtásszög- és az oltásszög-vezérlés elve Fénycső szabályozhatósága 181 Az elektronikus előtétek tulajdonságai Gazdaságossági kérdések Fénycsövek fényáram-szabályozásának alapelve Az elektronikus előtétek felépítése, működése Beépítési, üzemeltetési tanácsok Üzemeltetési problémák Nagynyomású kisülő lámpák 194 Nagynyomású kisülő lámpák hagyományos üzemeltető berendezései 194 Nagynyomású kisülő lámpák elektronikus üzemeltető berendezései 195 Nagynyomású kisülőlámpák üzemi tulajdonságai 197 Nagynyomású kisülő lámpák dimmelésének műszaki lehetőségei 198 A közvilágítás dimmelésének problémái LED modulok szabályozhatósága 201 Az I-U jelleggörbe 201 4

5 6. Világítás és környezet Az optikai sugárzás emberre gyakorolt hatásai Az ultraibolya sugárzás hatásai A látható sugárzás hatása Infravörös sugárzás hatásai Az optikai sugárzással kapcsolatos biztonsági előírások Fényforrások környezeti értékelése Fényszennyezés Bevezetés A zavaró fény és a fényszennyezés A zavaró fény hatásai A zavaró fény terjedése A zavaró fény okozói A zavaró fények mérőszámai Jogi szabályozás és zavaró fények Meglévő hazai törvények, jogszabályok Összefoglalás Gazdaságosság A gazdaságosság helye a műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés rendszerében A villamosmérnöki és a közgazdasági egyetemi hallgatók tanulmányainak összefüggése A műszaki és a gazdasági témák alapvető fogalmi összefüggései A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés sorrendje A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés várható végeredménye A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés témáinak összefüggése A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés alanyai -nak összefoglalása és jellemzése A gazdasági számítás költségelemei Költségnemek Létesítési költség Éves üzemeltetési költség Éves ráfordítási költség Műszaki megbízhatósági vizsgálat Műszaki számítások Gazdasági számítások Törlesztési tényező A törlesztési tényező statikus képlete A dinamikus és a statikus ráfordítás közötti különbség Műszaki-gazdasági számítások Műszaki minőségvizsgálat Műszaki-gazdasági hatékonyságvizsgálat Két tervezett berendezés összehasonlító gazdasági vizsgálata és minősítése Egy meglévő berendezés korszerűsítése egy tervezett berendezéssel (összehasonlító gazdasági vizsgálat és minősítés) A korszerűsítés okai A statikus és a dinamikus megtérülési időtartam képleteinek levezetése A gazdaságossági számítások négy alapesete A négy világításkorszerűsítési alapeset példaszámításai A fényforrásjellemzők befolyása az üzemeltetési költségre Hány fényforrásjellemző befolyásolja az üzemeltetési költséget? 255 5

6 Hasznos következtetések a fényforrásjellemzők tanulmányozása eredményeként A méréstechnika helye és eredményei a világítástechnikában Érzékelők Termikus detektorok Fotoelektromos érzékelők Fénytechnikai jellemzők mérése Megvilágítás mérés Fényerősség mérés Fénysűrűség mérés Fényáram mérés Spektrális jellemzők mérése Anyagjellemzők mérése Fénytechnikai mérőműszerek és segédeszközök Megvilágításmérők Fénysűrűségmérők Integráló fotométergömbök Goniométerek Spektrumanalizátorok Etalon lámpák, referencia előtétek Ipari méréstechnika Fényforrások mérése Lámpatestek mérése Világítás mérése Világítástervezés a XXI. században Számítási módszerek Számítás hatásfok-módszerrel Számítás pontmódszerrel Számítógépes méretezés Példák az innovatív világításra Mit nevez(z)ünk innovatívnak? Az innovativitás időhorizontja Építész és belsőépítész elvárások Tervezői együttműködések Kivitelezés, megvalósítás Fényforrások Kiaknázatlan lehetőségek hétköznapi fényforrásokban Ritka, érdekes vagy ígéretes fényforrások Beltéri követelmények gyakori helyiségtípusok esetén Szabványosság Oktatási intézmények Irodahelyiségek, irodai funkciók Kereskedelmi létesítmények Vendéglátóipari, szállodaipari létesítmények Szabadidős létesítmények Egészségügyi létesítmények Múzeumok, tárlatok Lakásvilágítás Egyedi világítási rendszerek Fényvezetős rendszerek Nagyfelületű világító berendezések 335 6

7 Tükrös világítási rendszerek Egyedi rendszerek tervezése, készítése Kültéri példák Funkcionális világítások Díszvilágítások 345 7

8 1. Bevezetés Jegyzetünk az Innovatív világítás címet viseli. Az Innováció szót lépten-nyomon halljuk szinte az élet minden területén. Maga a szó latin eredetű, újítást, megújulást jelent. A technika és a természettudományok igen gyors fejlődése, az egész világban uralkodó versenyszellem a III. évezred elején erőteljes kihívást jelent az egyes szakterületek művelői számára. A műszaki élet területén működő szakemberek kutatók, tervezők, gyártók a jobb minőséget, gazdaságosabban célok elérésén fáradoznak. Mit jelent az innováció a világítástechnikában? Elöljáróban nem árt a figyelmet felhívni a világítástechnika rendkívül összetett voltára; számos részterületet foglal magában, melyek látszólag ugyan távol vannak egymástól, ám együttesen a világítást szolgálják és vele az embert, aki jól szeretne látni, amellett jól akarja érezni magát a világított környezetben. A világítástechnikában megtalálhatjuk a klasszikus alap-tudományok a matematika, fizika, biológia, kémia elemeit, ezeken kívül olyan szaktudományok alkalmazása is szerephez jut, mint az elektrotechnika, az informatika, a szabályozástechnika, látásfiziológia, a színdinamika, a munkavédelem, a gazdasági ismeretek, az esztétika, hogy csak a legfontosabbakat említsük, de bizonyos esetekben nem árt építészeti, művészettörténeti és közlekedésbiztonsági ismeretekkel is rendelkezni. Természetesen szó sincs arról, hogy a világítástechnikus minden itt felsorolt területen szakember legyen, de az illető szakterület világítástechnikai vonatkozásait célszerű ismernie. Ezek alapján innovációt jelent: A fény érzékelését, fiziológiai és pszichológiai hatását elemző legújabb ismeretek felhasználása, a látási komfort fokozása, a világítással a munkáját és egyéb tevékenységét végző ember minél jobb kiszolgálása. Mind a világítási eszközök fejlesztésével, mind a világítás módjának helyes alkalmazásával a minél gazdaságosabb és energia-hatékonyabb világítás megvalósítása. A világítási eszközökről szólva, hogy éppen ezekben az években történik meg az izzólámpa fokozatos kiszorulása a világítási gyakorlatból, és egyre inkább teret hódítanak a LED-ek. Évszázados világítási szokás lassú megváltozásának vagyunk tanúi és ez a változás széleskörű szemléletváltást igényel. Környezetünk kímélése, ide értve a csillagos égbolt felé sugárzott ún. zavaró fények kiküszöbölését, a kisebb teljesítményfelvétel miatt kevesebb nyersanyag felhasználását és kevesebb káros anyag kibocsátását az erőművekben, valamint megfelelő módszer kidolgozását a már nem működő fényforrásokból származó hulladékok kezelésére. Az informatika és a szabályozástechnika felhasználásával olyan intelligens világítási rendszerek létrehozása, amelyekkel megvalósítható a természetes világításhoz való lehetőség szerinti legjobb illeszkedés, szem előtt tartva mind a jó látás, mind a gazdaságosság feltételeit. Az ember szépérzékének és gyönyörködtetésének, az esti városképek esztétikus megjelenítésének kiszolgálása, a dekoratív- és díszvilágítás újabb lehetőségeinek megtalálásával. A közbiztonság jobb szolgálata; a közterületek világításának javításával bűnesetek előzhetők meg vagy fedezhetők fel. A közlekedésbiztonság fokozása érdekében a közút- vasút- és járművilágítás területén a kevésbé korszerű világítási berendezések szükség szerinti lecserélése, az esti- éjszakai fényviszonyokhoz való (mezopos látás) jobb alkalmazkodás. 8

9 Az elektronikus formában itt közölt ismeretanyag a BMF Világítástechnika I., II. jegyzet rövidített és átdolgozott, az utóbbi évtized szakmai újdonságait tartalmazó változata. A szerzők továbbra is az érdeklődők figyelmébe ajánlják egyes témák részletesebb tanulmányozása céljából a fent említett kétkötetes és ezidáig használt jegyzetet. Ez mindenképpen vonatkozik a szakmérnök hallgatókra, hiszen ők változatlanul nagy óraszámban hallgatják a világítástechnika egyes részterületeivel foglalkozó tantárgyakat. Szeretnénk, ha jegyzetünk felkeltené a hallgatók érdeklődését a világítástechnika iránt és szolgálná a minél eredményesebb felkészülést. 9

10 2. Hogyan jellemezhető a jó világítás 2.1 Látáskomfort és emberközpontúság Az emberi történelem kezdetén, amikor az ember birtokba vette a tüzet, és bevitte a barlangjába többek között azzal a céllal, hogy világítson vele, kielégítette őt az a tény, hogy olyankor és olyan helyen is lát, amikor és ahová a természetből éppen nem jut elegendő fény. Nem foglalkozott azzal, hogy ennek a világításnak vannak-e kényelmetlenséget okozó vagy káros hatásai, hanem egyszerűen élvezte a mesterséges világítás nyújtotta előnyöket. Az ember mesterséges világításhoz való viszonya az elektromos világítás elterjedéséig, a XX. század elejéig nagyjából változatlan maradt. A világítási eszközöknek két fő követelményt kellett kielégíteniük: minél több fényt bocsássanak ki, és formai megjelenésük feleljen meg a kor és a felhasználó követelményeinek. Ennél több elvárást az akkori technikai színvonal nem is igen tudott volna kielégíteni. A XX. században azonban a világítástechnika olyan fejlődésen ment keresztül, aminek következtében már nem csak a mivel, hanem a hogyan világítsunk kérdés is felmerülhetett. Egyre több fényt kibocsátó, egyre gazdaságosabb fényforrások jelentek meg; lehetőség nyílt a lámpák fényének irányítására, így a lámpatestek térbeli elhelyezése is nagyobb szabadságfokot kapott. Ugyanakkor felmerültek olyan kérdések is, miszerint egyes lámpák fénye kellemetlen, túl erősek, színük eltér a természetben megszokott színüktől, mellettük a tárgyak nem olyannak tűnnek, mint ahogy azokat a napfényben láthatnánk, esetleges villogásukkal zavarják az embereket. Ezek és az ehhez hasonló kérdések vezettek oda, hogy az ezredfordulóra a világítástechnika új fogalommal, a vizuális komfort témakörével bővült. A komfort szó mindenkinek pozitív csengésű, kényelmes jó dolgot sugall. Hogyan kapcsolható ez össze a világítással? A vizuális komfort tudati megelégedés a látással kapcsolatban, mértéke a megelégedettséget tükrözi. 1 Ez a megelégedettség nem merül ki abban, hogy elegendő fény van ahhoz, hogy egy adott feladatot elvégezzünk, hanem kiterjed arra is, hogy ezen feladat ellátása közben kellemesen érezzük magunkat az adott belső illetve külső térben. Ez akkor lehetséges, ha a világítás minden előnye érvényesül, miközben a negatív hatásokat sikerül elkerülni. Az ép látásúak érzéki információik 90%-át a látás útján nyerik. Az információszerzés szempontjából tehát egyáltalán nem közömbös, hogy a környezet vizuális körülményei milyenek. Az információszerzés minőségét annak gyorsaságával (észlelés sebessége), és pontosságával (látás élessége) jellemezhetjük. A gyakorlati tevékenység során a szükséges vizuális információk folyamatosan változnak. Munkahelyünkön az asztalnál írva a környezetből csak az fontos számunkra, hogy a papírt, és az írott szöveget megfelelően lássuk, viszont amikor kollégánkkal beszélgetve az asztalról feltekintünk, az ő arckifejezései válnak fontossá számunkra, és az asztalon lévő papír láthatósága másodlagossá válik. Ez csak egyetlen példa arra, hogy térben és időben hogyan változnak a fontos és másodlagos környezeti információk. Mindannyian tapasztaljuk, hogy hétköznapi tevékenységünk során a környezetből milyen sok vizuális információt gyűjtünk be, és ezek között milyen gyorsan változik a fontossági sorrend. Természetes világítás mellet megszoktuk azt, hogy ezek a vizuális információk bármikor rendelkezésünkre állnak anélkül, hogy a világítás módja változnék. Ugyanezt várjuk 1 Majoros András: Belsőtéri vizuális komfort, TERC Kft., Bp pp

11 el a mesterséges világítástól is, vagyis azt hogy a világítás megváltoztatása nélkül kifogástalanul lássuk azt, amit éppen szeretnénk. A nézett objektum jó láthatóságát több tényező is befolyásolja ennek részleteiről a 2.4 fejezetben olvashatunk. Itt most csak röviden foglaljuk össze a láthatóság követelményeit. A látott tárgyak két fontos vizuális információval rendelkeznek: formai és színbeli megjelenésük. Egy tárgy csak akkor válik láthatóvá számunkra, ha az megkülönböztethető a környezetétől akár színében, akár tónusában. Ezt a megkülönböztethetőséget nevezzük különbségérzékelésnek. Lényeges továbbá az is, hogy a nézett tárgy síkban, vagy térben helyezkedik el. Térbeli alakzatok esetén a környezettől való megkülönböztethetőségen túl szükséges információk még a térbeli kiterjedés és irányultság. A térbeliség érzékelése egy bonyolult agyi tevékenység, ami a sztereo-látáson valamint az árnyék- és fényviszonyok értékelésén alapul. Ez pedig szorosan összefügg a tárgyat megvilágító fény irányával. A vizuális komfort megteremtésének első eleme tehát olyan fényviszonyok megteremtése, amikor a láthatóság (különbségérzékelés, térbeli kiterjedés és irányultság, árnyék- és fényviszonyok) megvalósul. Ez azonban nem elegendő ahhoz, hogy kellemesen érezzük magunkat egy adott térrészben, hanem el kell még kerülni azokat a kényelmetlenséget ill. zavart okozó tényezőket is, amelyek a világítástól származnak. Melyek is ezek? Mindannyian találkoztunk már a káprázás jelenségével. A szemünkbe tűző Nap, vagy egy rosszul beállított utcai lámpa fényét egy kis hunyorgással vagy fejünk elfordításával sokszor elviselhetővé tudjuk tenni anélkül, hogy az aktuális tevékenységünkben akadályozna. Ugyanakkor éjszakai vezetés közben a szembe jövő autó fényszórója annyira elvakíthat bennünket, hogy kénytelenek vagyunk sebességünket csökkenteni, és még így sem lehetünk biztosak abban, hogy mindent látunk, amíg az autó el nem halad mellettünk. De nemcsak közvetlen rálátással zavarhat bennünket valamilyen fényforrás, hanem úgy is, hogy fénye valamilyen tükröző felületről visszaverődve közvetett módon jut a szemünkbe. (Gondoljunk csak arra, amikor egy rosszul beállított monitorban megjelenik a lámpa képe, vagy amikor egy fényes papírra nyomtatott szöveget csak úgy tudunk elolvasni, hogy vagy a papírt, vagy a fejünket kell megfelelően elfordítanunk.) A káprázás mértéke több tényezőtől is függ, melyről bővebben a 2.4 fejezetben olvashatunk, de azt máris leszögezhetjük, hogy ez egy olyan zavaró vagy látást akadályozó tényező, amit a megfelelő világítási komfort érdekében kerülnünk kell. Az is közismert jelenség, amikor este egy szobában lekapcsolva a villanyt szinte teljesen vaknak érezzük magunkat, majd rövid idő elteltével kezd visszatérni a látásunk. Ez ugyan elég szélsőséges eset, de ehhez hasonlót élünk át vezetés közben egy alagutakkal tűzdelt útszakaszon is, ahol szemünk folyamatos alkalmazkodási kényszernek van kitéve a váltakozó fényviszonyok miatt. Az már szinte fel sem tűnik számunkra, hogy ugyanilyen alkalmazkodásra van kényszerítve szemünk az iskolapadban is, amikor felváltva hol a sötét táblára, hol a világos füzetünkre, ill. a tanárra tekintünk. A világos és sötét felületek váltakozó szemlélése közben nem érzünk sem vakságot és sokszor kényelmetlenséget sem, azonban kimutatható, hogy ilyen körülmények között végzett munka esetén sokkal gyorsabban elfáradunk. A komfortos világításhoz tehát hozzátartozik az, is, hogy szemünknek minél kevésbé kelljen alkalmazkodnia a fényviszonyokhoz. A fény erőssége nemcsak lassan a szemet alkalmazkodásra kényszerítve változhat, hanem olyan gyorsan is, hogy bár még érzékeljük a fényingadozást, de 11

12 már képtelenek vagyunk azt követni. Ilyen esetben beszélhetünk a villogás jelenségéről. Szórakozóhelyeken a hangulat fokozására, vagy pl. kereskedelemben, reklámoknál, a közlekedésben a figyelem felkeltésére előszeretettel alkalmaznak villódzó fényeket, de általánosságban a villogás rontja a látási feltételeket (ld. később Talbot-törvény), kifáradáshoz, ingerültséghez vezet, és bizonyos esetekben veszélyforrás is lehet. Mozgó ill. forgó tárgyak szemlélésekor ugyanis jelentkezhet a stroboszkóp hatás, vagyis bizonyos frekvenciával ingadozó fénnyel megvilágítva őket sebességük (fordulatszámuk) látszólag lecsökken, vagy akár állónak is láthatjuk azokat. Olyan munkahelyeken ezért, ahol forgógépek üzemelnek, munkavédelmi okokból kifejezetten tiltják a villogást (flicker-t). Egy bizonyos frekvencia (fúziós frekvencia) fölött a szem nemcsak követni, de érzékelni sem tudja a villogást (ld. 2.4 fejezet). Ilyenkor a fényt folyamatosnak látjuk, és nem érzékelünk semmiféle pulzálást. (Mint tudjuk, ezen az elven alapulnak a mozgókép vetítő eszközök is.) A fúziós frekvencia fölött üzemeltetett világítási berendezések a világítás komfortját nem csökkentik, alkalmazásuk megengedett. Szemünk felépítéséből adódóan látóterünk lefedi a körülöttünk lévő tér egyharmad részét, sőt a szemmozgásokat is figyelembe véve a vizuális információkat majdnem egy teljes féltérből gyűjthetjük be. (Ez az arány a fejmozgást is figyelembe véve még tovább növekszik.) Legtöbb esetben természetesen ezen információknak csak töredéke lényeges számunkra egy adott látási feladathoz, sőt bizonyos esetekben kifejezetten csak kis területre (térrészre) koncentrálunk, a szemünk azonban ilyenkor is gyűjti és továbbítja a látottakat az agy felé. Ennek köszönhetően képesek vagyunk könyvet olvasva végigmenni az utcán úgy, hogy nekiütköznénk egy lámpaoszlopnak, vagy akaratlanul lelépnénk az úttestre. A vizuális információk tehát akkor is fontosak számunkra, ha a térnek nem abból a részéből érkeznek, amire koncentrálunk. Ezen másodlagos információk segítségével helyezzük el magunkat a térben, ami egyfajta biztonságérzetet ad. Ennek fontosságát akkor vesszük észre leginkább, amikor hiányoznak ezek az információk. Gondoljunk csak arra az esetre, amikor éjszakai túrán zseblámpával kell végigmenni az erdőn. A látás szempontjából elegendő lenne mindig csak oda világítani, ahová lépünk, mégis időközönként újra és újra végigpásztázzuk lámpánkkal a környéket, hogy adott ideig emlékezetünkben tárolva a környezet látképét megszerezzük a térbeli biztonságot. Ellenkező esetben úgy érezzük, mintha a körülöttünk lévő tér ránk zsugorodna, mintha egy szűk szobába zártak volna minket. Ez a jelenség a világítástechnikában barlanghatás néven ismert. Ennek elkerülésére nem elegendő csak a tér éppen szemlélt részét jól megvilágítani, hanem az is szükséges, hogy a környezet megvilágítása olyan legyen, hogy az onnan érkező másodlagos vizuális információk beszerezhetők legyenek. A vizuális információknak csak egy részét teszik ki az alakfelismerés, valamint a térbeli elhelyezkedés és irányultság. Az információk jelentős részét a színekből szerezzük. A színek részint pszichésen hatnak az emberre, másrészt a világítás színösszetétele (spektruma) meghatározza, hogy a nézett objektumot mennyire színhűen látjuk. Talán kerültünk már olyan helyzetbe, amikor egy kép vagy ruhadarab színeinek megvizsgálásához nem voltunk elégedettek az adott világítással, és egy lámpa vagy a napfény felé kellett fordulnunk a jobb színlátás érdekében. A vizuális komfort szempontjából tehát nem közömbös a világítás színe és színvisszaadása, melyekről részletesebben a 2.4 fejezetben olvashatunk. Nem közvetlenül világítástechnikai probléma, de a komfortérzetünket befolyásolják a világítási eszközök által keltett hő és hanghatások, valamint a világítás 12

13 melléktermékeként jelentkező ultraibolya sugárzás, ill. elektromos és mágneses tér. Kétségtelen, hogy a fénykeltés ma ismert módjai mellett ilyen hatások kisebbnagyobb mértékben előfordulhatnak, ezért a világítástechnikusnak ezek jelenlétére és szükség szerinti korlátozására nemcsak egészségügyi szempontból, de a világítási komfort növelése érdekében is ügyelnie kell. Ezen tényezőkről bővebben olvashatunk a 6.1 fejezetben. A XX. században a szakemberek sokat fáradoztak azon, hogy olyan világítási berendezéseket alkossanak, melyek segítségével minél több fényt juttathatunk a felhasználók rendelkezésére. Ennek eredményeként napjainkban már oda és akkor is jut fény, amikor és ahol nem tartjuk kívánatosnak. Mindenki tudja, hogy mekkora bosszúságot jelent az utcai lámpa hálószobába betűző fénye, mennyi csillag vált láthatatlanná a civilizált településeket övező éjszakai fényfüggöny hatására, és sorolhatnánk még a negatív példákat. Az ezredfordulóra tehát szembe kellett néznünk egy új problémakörrel, a fényszennyezés kérdésével. Nem nevezhetjük komfortosnak azt a világítást, amely szemet huny efelett a probléma felett, ezért a 6.3 fejezetben részletesen is kitérünk erre a kérdésre. Ezidáig arról esett szó, hogy mit kell tennünk, ill. mit kell elkerülnünk a jó láthatóság, a vizuális komfort megteremtése érdekében. Vizsgálódásunk középpontjában a látás volt. Fényre azonban nem csak a látásunkhoz van szükség. Az orvostudomány egyre szélesebb körben tárja fel azokat az élettani folyamatokat, amelyekhez fényre, vagy épp ellenkezőleg, annak hiányára van szükség. (Ezekről bővebben olvashatunk a 6.1 fejezetben.) Napjainkban egyre többet hallunk a kék fény melatonin-elnyomó hatásáról, és ennek következtében a daganatos megbetegedések növekedésének kockázatáról, a csak mesterséges fény mellett dolgozók alvászavarairól, a fényhiány miatti kimerültségről, depresszióról, egyes fényforrások esetleges egészségkárosító hatásáról. Ugyanakkor találkozunk olyan fényforráshirdetésekkel, melyek kiemelik, hogy a termék fénye mennyire hasonlít a napfényhez, és hangsúlyozzák a fényforrás egészségre gyakorolt pozitív hatását. Vannak olyan lámpák, amelyeket kifejezetten gyógyítási céllal forgalmaznak, és melyeket egyre többen vásárolnak, bízva azok gyógyító erejében, annak ellenére, hogy ma még egzaktul nem igazolt azok működési, gyógyítási mechanizmusa. A világítástechnikustól tehát (részben) joggal várjuk el, hogy ne csak a láthatóságra, hanem az egész emberre koncentráljon. Ez annyiban jogos, hogy a világításnak minden káros hatását el kell kerülni, de sokan (részben alulinformáltságnak köszönhetően) minden negatívumért a lámpákat, illetve a világítástechnikusokat okolják. Ne felejtsük el azt, hogy a mesterséges világításban szinte semmi olyan nincs amit a természettől nem kapnánk meg, sőt inkább spektruma a természetes világításhoz képest szegényebb. Így mindazok a negatívumok amelyeket a mesterséges világítás rovására írnak, felhozhatók a természetes világítással szemben is, mégis annak alkotóját nem hibáztatjuk. Az ember szervezeti felépítése olyan, hogy igazodik mindahhoz, amit a természettől kap. Az ember életciklusa alapvetően olyan, hogy nappal természetes fényben tevékenykedik, abból táplálkozik, éjszaka pedig sötétben pihen és regenerálódik. Korunk embere azonban felrúgta ezt az életritmust. Mennyi embert láthatunk nappal besötétített szobában lámpafénynél tevékenykedni, éjjel számítógép, vagy a tévé előtt ülve dolgozni, vagy szórakozni. Egyre több helyen találkozunk olyan munkahelyekkel, kereskedelmi intézményekkel ahova a napfény be sem jut, és csak mesterséges fény mellett dolgoznak az emberek, akár napi tíz-tizenkét órát is. Télen sötétben érkeznek és sötétben távoznak a 13

14 munkahelyükről, így napfénnyel napokig nem is érintkeznek. Ilyen életvitel mellett felmerül a kérdés, hogy jogos-e a lámpákat hibáztatni az esetleges egészségkárosodások miatt? Hangsúlyozni szeretnénk, hogy a mesterséges világításnak nem az a szerepe, hogy a természetes világítást kiváltsa félre téve a természet adta lehetőségeket az egészséges élethez, hanem a természetes világítás pótlása azokban az időszakokban és helyeken, amikor és ahol annak mértéke az adott munkavégzéshez nem elegendő. A világítástechnikusnak tehát az a feladata, hogy ezen szituációkban a munkavégzéshez szükséges látási feltételeket biztosítsa úgy, hogy közben a világítás káros hatásait minimalizálja. Az emberközpontúság a világítástechnikában azonban azt is jelenti, hogy a világítástechnikus együtt működik az építésszel, belsőépítésszel és más szakágak képviselőivel annak érdekében, hogy az emberek napi tevékenységük során minél nagyobb mértékben részesüljenek természetes világításban, és a mesterséges világítás amikor szükséges, minél jobban illeszkedjen a természetes világításhoz. A jövő szakembereinek egyik kihívása az lesz, hogy a napfényt minél nagyobb mértékben bejuttassa a zárt terekbe, és amikor ez már nem elegendő az ott végzett tevékenységhez, akkor gondoskodjon annak pótlásáról úgy, hogy a bent tartózkodó személyek minél kevésbe vegyék észre a váltást a természetes és mesterséges világítás között. Ez az igazán innovatív kihívás a világítástechnikában. A jövő emberének viszont ez lesz a feladata, hogy ismételten megtanuljon úgy élni, hogy elsődlegesen a természet nyújtotta adottságokra támaszkodik (a világításban is), és nem kiváltani, hanem kiegészíteni próbálja a természetet felhasználva a szakmai kutatás és fejlesztés eredményeit. 2.2 Világítástechnikai alapfogalmak Fizikai tanulmányainkból tudjuk, hogy a fény elektromágneses sugárzás, s mint ilyen, egyfajta energia, amit a fizikusok a hagyományos energetikai mennyiségekkel (watt, joule, W/m 2, stb.) jól tudnak jellemezni. A világítástechnikában azonban nem ezekkel a mértékegységekkel és nem az ezekhez tartozó megnevezésekkel találkozunk, hanem új fogalomrendszert kell megismernünk, melyet az MSZ EN szabvány részletesen tartalmaz. Vajon ez csak a világítástechnikusok különcködéséből fakad, vagy tudományos oka is van a fizikától eltérő megnevezéseknek és mértékegységeknek? Ennek megértéséhez először ismerkedjünk meg a fotometria és a radiometria fogalmával Radiometria és fotometria A fizikának az elektromágneses sugárzásokkal foglalkozó területét radiometriának nevezzük. Ennek a keretében a sugárzást, mint energiát értelmezzük, függetlenül attól, hogy az adott sugárzás milyen hullámhosszal ill. frekvenciával rendelkezik. Ezt a megközelítést alkalmazzuk akkor, amikor csak a sugárzás tényleges energiatartalmára vagyunk kíváncsiak. Ilyen jellegű követelményeket tartalmaznak többek között pl. az egészségügyi előírások is. Az elektromágneses sugárzás az élettelen tárgyakban és az élőlényekben számtalan hatást vált ki (anyagszerkezeti változások, sejtrombolás, anyagcsere folyamatokra gyakorolt hatás, fertőtlenítés, stb.). Az egyik leglényegesebb hatás az, hogy egyáltalán mennyire vagyunk képesek érzékelni az adott sugárzást. A sugárzás által az élő és élettelen szervezetekre gyakorolt hatásának erőssége (mindenféle hatás esetében) függ a sugárzás hullámhosszától (λ), így minden hatásra felírható egy ú.n. hatásfüggvény B(λ). A hatásfüggvény tehát azt mutatja meg, hogy a sugárzás éppen vizsgált hatása az adott 14

15 hullámhosszon mennyire érvényesül. A hatásfüggvényt célszerű úgy felvenni, hogy annak maximuma 1 legyen, így relatív hatásfüggvényről beszélhetünk. Amennyiben a hatásfüggvény értéke egy adott λ hullámhossznál B λ, és a sugárforrás a λ hullámhossz nagyon kis λ tartományában kisugárzott teljesítménye P λ, akkor a sugárforrás λ hullámhossznál kifejtett hatásának erősségét a H λ = k Pλ Bλ összefüggés fejezi ki, ahol H λ a hatás erőssége, k pedig a hatáserősség mértékegysége és a teljesítmény mértékegysége közötti váltószám. Ha a sugárforrás hatásának nagyságát a λ 1 és λ 2 hullámhosszak közötti tartományban kívánjuk meghatározni, akkor a tartományt fel kell osztanunk λ szélességű részekre, és az ezekben kiszámított hatások nagyságát összegeznünk kell. Amennyiben λ tart a nullához, akkor a sugárforrásnak λ 1 és λ 2 hullámhosszak közötti tartományban kifejtett hatása a 2.1 képlet alapján számítható. λ ( λ) dp H = k 2 dλ λ 1 B ( λ) dλ ahol: H a hatás erőssége az adott hatásra vonatkozó mértékegységben, k a hatáserősség mértékegysége és a teljesítmény mértékegysége közötti váltószám, dp( λ) a sugárzott teljesítmény hullámhossz szerinti sűrűségfüggvénye, és dλ B(λ) pedig az adott hatásra vonatkozó relatív hatásfüggvény. Az 2.1 egyenlet szerinti összefüggés tehát azt jelenti, hogy a sugárzott teljesítmény sűrűségfüggvényét súlyoznunk kell az adott hatásfüggvénnyel, így kapjuk meg a hatáserősség hullámhossz szerinti eloszlásfüggvényét. A vizsgált hullámhossztartományban kifejtett teljes hatás nagysága ezen görbe alatti területtel arányos, vagyis matematikailag a görbe integrálja. Az elektromágneses sugárzás által kifejtett hatás erősségének számítását a 2.1 ábra illusztrálja. 1,1 B(λ) - hatásfüggvény 1,0 P(λ) - fényforrás spektruma P(λ) B(λ) - hatásfüggvénnyel súlyozott spektrum Relatív intenzitás 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Hullámhossz (λ) [nm] 2.1. ábra: Az elektromágneses sugárzás által kifejtett hatás erősségének számítása (2.1) Az 1. egyenlet nagyon fontos, mert ezen alapul a radiometria és fotometria közötti különbség, továbbá ilyen jellegű egyenletekkel írható le minden biológiai hatás, és ugyanilyen egyenleteken alapul a felületszínek jellemzése is (amit jelen jegyzetünkben csak érintünk). 15

16 Ha arra vagyunk kíváncsiak, hogy a sugárzás mennyire látható, akkor a láthatóságra jellemző hatásfüggvényt, azaz a láthatósági függvényt (más néven szemérzékenységi görbe, vagy hivatalos nevén a CIE szabványos fénymérő észlelő függvény) kell alkalmaznunk. Ennek jelölésére a láthatóság szó angol megfelelőjének (visibility) kezdőbetűjéből kiindulva a V(λ) jelölést használjuk. A V(λ) függvényt (ld. 2.2 ábra) tapasztalati úton határozták meg mind 2 os, mind 10 -os látómezőre, (nappali és éjszakai látási körülményekre is) és a vizsgálatok eredményei alapján a függvényt hivatalosan a nemzetközi világítástechnikai társaság, a CIE (Comission Internationale d Éclairage) deklarálta. Relatív érzékenység 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Szabványos CIE fénymérő észlelő függvények V(λ) - nappali (fotopos) látás esetén V'(λ) - éjszakai (szkotopos) látás esetén 0, Hullámhossz (λ) [nm] 2.2. ábra: CIE szabványos fénymérő észlelő függvény nappali (fotopos) látás esetén V(λ), és éjszakai (szkotopos) látás esetén V (λ) A fotometria tehát azt fejezi ki, hogy egy radiometriai (fizikai) mennyiség a láthatósági függvénnyel súlyozva milyen hatást fejt ki, azaz az adott radiometriai mennyiség mennyire látható. A radiometria és fotometria közötti kapcsolat meghatározásához most már csak azt kell tisztáznunk, hogy a láthatósági függvény milyen hullámhossz tartományban értelmezhető. A 2.3 ábrán láthatjuk az elektromágneses sugárzás hullámhossz szerinti (spektrális) felosztását (színképét). Kozmikus Gamma Röntgen Optikai színkép Mikrohullám Rádióhullámok URH; rövid; közép; hosszú λ [m] 2.3. ábra: Az elektromágneses sugárzás spektrális felosztása Az ábrán látható, hogy 100 nm és 1 mm közötti tartományt nevezzük optikai színképnek (optikai sugárzásnak), amely a 2.4 ábra szerint tovább osztható. 16

17 Ultraibolya (UV) UV-C UV-B UV-A Látható sugárzás IR-A 780 Infravörös (IR) IR-B IR-C mm 2.4. ábra: Az optikai színkép felosztása Az emberi szem tehát az elektromágneses sugárzásnak csak nagyon kis tartományát, a nm közötti tartományát érzékeli. Az ebbe a tartományba eső sugárzást nevezzük látható sugárzásnak, vagyis világítástechnikai értelemben fénynek (helyesebben kifejezve fényingernek). A 100 nm és 400 nm közötti hullámhossz tartomány az ultraibolya (UV) sugárzás, míg a 780 nm és 1 mm közötti hullámhossz tartomány az infravörös (IR) sugárzás. Mivel világítástechnikai szempontból csak a nm közötti tartomány számít fénynek, ezért helytelen olyan kifejezéseket használni, mint: UV-fény, vagy infravörös fény. (Megjegyezzük, hogy a nm közötti tartomány mind a látható, mind az UV tartományba beleesik. Ez azt jelenti, hogy ez a tartomány világítástechnikai szempontból fénynek számít, míg radiometriailag ultraibolya sugárzás.) Ezzel el is érkeztünk a radiometria és fotometria közötti összefüggés megfogalmazásához, amit a 2.5 ábra szemléltet. λ [nm] Optikai RADIOMETRIA Az optikai sugárzást fizikai mennyiségek formájában határozza meg. ( λ) 780 dxr XF = k V d dλ 380 ( λ) λ FOTOMETRIA Az optikai sugárzást az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző színképi függvény szerint értékeli ábra: A radiometria és fotometria közötti összefüggés A radiometriai mennyiségekből a fotometriai mennyiségek matematikai leírása tehát a 2.2 összefüggés szerint történik: X F 780 = k 380 dx R dλ ( λ) V ( λ) dλ (2.2) ahol: X F a fotometriai jellemző mérőszáma, k a fotometriai jellemző és a radiometriai jellemző mértékegységei közötti váltószám, dx ( λ) R a radiometriai jellemző hullámhossz szerinti sűrűségfüggvénye, és dλ V(λ) pedig a világosban jellemző láthatósági függvény. 17

18 A fotometriai jellemzők a V (λ) (sötétben jellemző) láthatósági függvénnyel is számolhatóak lennének (és bizonyos esetekben élünk is ezzel a számítási lehetőséggel), de a szabványos fotometriai jellemzőket mindig a fotopos V(λ) láthatósági függvény alkalmazásával számítjuk. Megjegyzés: Néhány a szakmaiságot részben vagy teljesen nélkülöző kiadványban találkozunk olyan esettel is, amikor a világítási berendezések adatait a szkotopos láthatósági függvénnyel határozták meg (és pl. pupillumen -t emlegetnek). Ilyenkor mindig megfelelő kritikával kell kezelni a kiadványt, és az abban szereplő paramétereket nem szabad összehasonlítanunk a szabványos számítási eredményekkel. Az optikai radiometria és a fotometria közötti kapcsolatot tehát a láthatósági függvény teremti meg. A radiometriai jellemzőket használjuk akkor, amikor energetikai szempontból vizsgáljuk a jelenségeket, és a fotometriai jellemzőket alkalmazzuk abban az esetben, ha a láthatóság szempontjából értékeljük az elektromágneses sugárzást. A továbbiakban a két jellemzőt egymással párhuzamosan tárgyaljuk Radiometriai és fotometriai alapmennyiségek RADIOMETRIA FOTOMETRIA Megnevezés Sugárzott teljesítmény Fényáram Jele Ф e, (Ф, P) (Ф v ), Ф Mértékegysége watt [W] lumen [lm] DEFINÍCIÓ Képlete Sugárzás formájában kibocsátott, áteresztett vagy felfogott teljesítmény. A Ф e sugárzott teljesítményből, a sugárzásnak a CIE fénymérő észlelőre gyakorolt hatása alapján származtatott mennyiség, annak fotometriai megfelelője. 780 ( λ) dφ e Φ = Km V ( λ) dλ, ahol: dλ 380 V(λ) a fotopos látásra vonatkozó láthatósági függvény, dφ ( λ) e a sugárzott teljesítmény dλ spektrális eloszlása, K m a fotopos látásra 683 lm/w. A fényáram tehát teljesítmény jellegű mennyiség. Mértékegységének definícióját később adjuk meg. Ha a sugárzás valamekkora ideig tart, akkor energiát közöl a besugárzott tárggyal. Fizikai tanulmányainkból tudjuk, hogy a W = P t összefüggést időben változó teljesítményre kiterjesztve az energiát a teljesítmény idő szerinti integráljaként kapjuk meg. Ezt felhasználva bevezethetjük a sugárzott energia ill. a fényenergia fogalmát. 18

19 RADIOMETRIA FOTOMETRIA Megnevezés Sugárzott energia Fényenergia Jele Q e, (Q) (Q v ), Q Mértékegysége joule [J]= [Ws] ; [Wh] lumenóra [lmh] DEFINÍCIÓ A Φ e sugárzott teljesítménynek az adott t időtartamra vonatkozó idő szerinti integrálja. A Ф fényáramnak az adott t időtartamra vonatkozó idő szerinti integrálja. Képlete Q e = t2 t1 Φ dt Q Φ dt e Van, amikor nem a teljes térbe kisugárzott teljesítmény (vagy fényáram) érdekel minket, hanem csak annak egyetlen irányba terjedő része. Az ezt jellemző mennyiségek: RADIOMETRIA t2 = t1 FOTOMETRIA Megnevezés Sugárerősség Fényerősség Jele I e, (I) (I v ), I Mértékegysége W sr -1 (ejtsd: lumen per szteradián) DEFINÍCIÓ Képlete A sugárforrást elhagyó és az adott irányt tartalmazó dω elemi térszögben terjedő dφ e sugárzott teljesítmény és a dω elemi térszög hányadosa. I e = dφ e dω kandela [cd] = lm sr -1 (ejtsd: lumen per szteradián) A fényforrást elhagyó és az adott irányt tartalmazó dω elemi térszögben terjedő dφ elemi fényáram és az elemi térszög hányadosa. dφ I = dω Mind a sugárerősség, mind a fényerősség irányfüggő, tehát csak adott irányban értelmezhetők. (Helytelen tehát azt mondani, hogy egy lámpa 500 cd fényerősségű, ha nem tesszük hozzá, hogy milyen irányban. Az viszont már helyes, hogy egy lámpa maximális fényerőssége 500 cd.) Az adott irány kifejezés matematikailag nem dφ értelmezhető, ezért használjuk helyette az adott irányt tartalmazó elemi dω térszög kifejezést (ld. ábra). Ennek megértéséhez azonban definiálnunk kell a dω térszög fogalmát: Térben meghatározott nagyságú, irányított tartományok jellemzésére szolgál a térszög. Ennek nagysága az adott irányt tartalmazó térszöghöz tartozó gömbsüveg felületének és a gömbsugár négyzetének a hányadosával jellemezhető (2.7 ábra), vagyis 2.6. ábra: Fényerősség értelmezése gömbfelületen kimetszett terület térszög =. 2 (sugár) Mértékegysége a szteradián [sr]. A teljes gömbi tér térszöge a definíció alapján 4π szteradián. 19

20 Végtelen távolságban lévő A felülethez tartozó térszög a 2.8 ábra jelöléseit A A' cosε alkalmazva az Ω = = összefüggéssel írható le. 2 2 r r 2.7. ábra: A térszög értelmezése 2.8. ábra: Végtelen távoli felülethez tartozó térszög A fényerősség mértékegységét, a kandelát az SI mértékegységrendszer független alapegységként definiálja: DEFINÍCIÓ: 1 kandela annak az Hz (λ 555 nm) frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrásnak adott irányban kibocsátott fényerőssége, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W sr -1. Ezt ismerve most már definiálhatjuk a fényáram mértékegységét is, a lument: DEFINÍCIÓ: 1 lumen az a fényáram, amelyet az 1 kandela fényerősségű, minden irányban egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás 1 szteradián térszögbe sugároz. Ezzel egyenértékű definíció: 1 lumen az Hz frekvenciájú monokromatikus sugárnyaláb fényárama, amelynek sugárzott teljesítménye 1/683 Watt. A fényerősség tehát nem más, mint a fényáram térszög szerinti sűrűsége (deriváltja) adott irányban, tehát vektor jellegű mennyiség. (Hasonló megállapítás vonatkozik a sugárerősségre is.) A 2.6 ábra szerint a fényerősség az egy pontból (végtelenül kis felületről) kiinduló fénysugarak sűrűségét mutatja meg. A valóságban azonban mindig véges méretű felületeket szemlélünk. Egy véges méretű felület fényességének jellemzésére tehát olyan mennyiségre van szükségünk, amely a fényerősségen túl figyelembe veszi azt is, hogy mekkora a szemlélt felület nagysága. Ennek bevezetéséhez képzeljünk el két lapos fényforrást (pl. egy-egy lapra sűrűn szerelt LEDeket). Mindkét fényforrás legyen ugyanakkora fényáramú, de az egyik fele akkora teljesítményű LEDeket tartalmazzon, mint a másik, így az előbbibe kétszer annyi LEDet építünk be. Ennek megfelelően a fényforrás mérete (területe) is kétszer akkora lesz. Tételezzük fel, hogy a fényforrások a teljes fényáramukat egy nagyon kis Ω térszögbe sugározzák ki. A fényerősség definíciója alapján tehát a két fényforrás fényerőssége azonos. (ld. 2.9/a. ábra). Most képzeljük el, hogy mindkét fényforrást letakarjuk úgy, hogy csak egy kis (ugyanakkora területű) része legyen látható. Könnyen belátható, hogy a nagyobb méretű fényforrás látható része (amelyikbe a kisebb teljesítményű LEDeket szereltük) sötétebbnek fog tűnni, mint a nagyobb teljesítményű LEDekkel szerelt párja (ld. 2.9/b. ábra). 20

21 A INNOVATÍV VILÁGÍTÁS Φ 2 n n Φ I = 2 1 = Ω Ω Ω I L1 = 2 A A 2 a.) n Φ I = = Ω 2 I 1 Ω 2.9. ábra: Fénysűrűség értelmezése I L2 = = 2 L 2 A b.) Ez az elvi kísérlet arra mutat rá, hogy valaminek a világossága nem csak attól függ, hogy mekkora a fényerőssége, hanem attól is, hogy ez a fényerősség mekkora felülettől származik, mekkora felületen oszlik el. Ennek jellemzésére használjuk a következő fogalmakat: RADIOMETRIA FOTOMETRIA Megnevezés Sugársűrűség Fénysűrűség Jele L e, (L) (L v ), L Mértékegysége W m -2 sr -1 cd/m 2-1 = lm m -2 sr DEFINÍCIÓ Egy felületelemet merőlegesen elhagyó elemi di fényerősségnek és a felületelem da területének hányadosa. vagy Egy da területű felületelemet elhagyó elemi di fényerősségnek és a felületelemnek a fényerősségvektorra merőleges síkban vett vetületének hányadosa. Képlete A képletek értelmezése 2 d Φe die Le = = da cosθ dω da cosθ dφ e a sugárzott teljesítmény, amelyet az elemi sugárnyaláb az adott felületelemen át továbbít és amely az adott irányt tartalmazó elemi térszögben halad da a sugárnyaláb azon elemi metszetének területe, amely az adott pontot tartalmazza Θ a metszeti felület normálisa és a sugárnyaláb iránya közötti szög dω a sugárnyalábot tartalmazó elemi térszög 2 d Φ di L = = da cosθ dω da cosθ dφ az a fényáram, amelyet az elemi sugárnyaláb az adott felületelemen át továbbít, és amely az adott irányt is tartalmazó dω térszögben halad da a sugárnyaláb azon elemi metszetének területe, amely az adott pontot tartalmazza Θ a metszeti felület normálisa és a sugárnyaláb közötti szög. A táblázatban szereplő képletekben felhasználtuk a sugárerősségre ill. a fényerősségre vonatkozó összefüggéseket. A sugársűrűség ill. fénysűrűség képletek nevezőjében szerepel a 21

22 cosθ kifejezés. Ez azért szükséges, mert amennyiben a nézés iránya nem merőleges a nézett felület síkjára, úgy a szemlélő csak a felületnek a nézési irányra merőleges vetületét érzékeli. A számítás során tehát ezt kell figyelembe venni (ld ábra). Hasonló a helyzet akkor is, ha a vizsgált felület nem sík, hanem térbeli. A sugársűrűség és fénysűrűség számításoknál ilyenkor a nézett térbeli felületnek a nézési irányra merőleges síkban vett vetületével számolunk. (Pl. egy gömb alakú fényforrás esetében annak a nézési irányra vett merőleges vetülete egy kör, tehát a számított terület a gömb sugarával azonos sugarú kör területe.) ábra: A sugárforrás területének értelmezése a nézési iránnyal nem derékszöget bezáró felület esetén A sugársűrűség és a fénysűrűség (mivel a sugárerősségen ill. fényerősségen alapulnak) irányfüggő mennyiségek, tehát csak adott irányban értelmezhetők. Nagyságuk nem függ a vizsgált felület távolságától. (Ha egy felület Ω térszög alatt látszik, majd ugyanazt a felületet fele akkora távolságból ugyancsak Ω térszög alatt szemléljük, akkor az eredeti felületnek csak negyed részét látjuk, amelyről csak az eredeti fényáram ugyancsak negyed része esik az Ω térszögbe. A képletben tehát mind a számláló, mind a nevező negyedére csökken, tehát a tört értéke nem változik.) Eddig egy adott fényforrást vagy felületet elhagyó sugárzás jellemzésével foglalkoztunk. Van azonban olyan eset is, amikor minket az érdekel, hogy egy adott felületre mekkora sugárzás jut. Egy könyvet olvasó embert például nem az érdekli, hogy mekkora a szobában lévő lámpa fényárama, hanem az, hogy ebből mennyi jut az általa olvasott könyvre. A felületre jutó sugárzás mennyiségét az optikai radiometriában a besugárzott felületi teljesítmény, a fotometriában pedig a megvilágítás fogalma írja le. Ezek értelmezését segíti elő a 2.11 ábra. RADIOMETRIA FOTOMETRIA Megnevezés Besugárzott felületi teljesítmény Megvilágítás Jele E e, (E) (E v ), E Mértékegysége W m -2 lux [lx] = lm m -2 DEFINÍCIÓ Képlete A felület egy adott pontját tartalmazó felületelemre beeső dφ e sugárzott teljesítmény és a felületelem da területének hányadosa. E e = dφe da A megvilágítás a felület egy adott pontjában az adott pontot tartalmazó felületelemre beeső dφ fényáram és a felületelem da területének hányadosa. dφ E = da 22

23 A leírtakhoz hasonlóan értelmezhető valamely sugárzó felületéről kilépő teljesítmény felületi sűrűsége is. A besugárzott felületet megkülönböztetésül 1 indexszel, a felfogó felületet 2 indexszel jelöljük. A kisugárzott felületi teljesítmény jele M e, mértékegysége W m -2. Fotometriai megfelelője a kisugárzott felületi fényáram, jele M v, mértékegysége lm m -2, ami jelen esetben nem egyenértékű a luxszal, amit csak a megvilágítás jellemzésére ábra: A megvilágítás értelmezése használunk. A megvilágítást definíciója alapján egy pontban (kiterjedés nélküli felületen), irányítottságtól függetlenül értelmezzük. A valóságban azonban mindig véges nagyságú felületekkel dolgozunk (egy érzékelő mérete sem lehet végtelenül kicsi), amelynek már az iránya is meghatározható (pl. vízszintes horizontális, vagy függőleges vertikális). Ezen irányított felületek esetében már lényeges, hogy a sugárzás milyen irányból éri a felületet, mert a megvilágítás (besugárzott felületi teljesítmény) szempontjából csak a sugárzásnak a felületre merőlegesen beeső komponense vehető figyelembe. Ez részletesebb kifejtésre kerül a fejezetben. A radiometriai és fotometriai alapmennyiségek sorát két gazdasági mutatóval zárjuk. RADIOMETRIA FOTOMETRIA Megnevezés Sugárzási hatásfok Fényhasznosítás Jele η K Mértékegysége nincs lm/w DEFINÍCIÓ A sugárzó által kisugárzott és felvett teljesítmény hányadosa. A Φ v fényáram és az annak megfelelő Φ e sugárzott teljesítmény hányadosa Képlete Φ η = e P φ k v K = = φ e φ e, λ φ ( λ) V ( λ) ( λ) dλ A sugárzás fényhasznosításának maximuma 555 nm-nél van, értéke K max = 683 lm/w világosban (fotopos) látás esetén. A sötétben (szkotopos) látás V (λ) görbéjének maximuma 507 nm-nél van. Az 555 nm-es sugárzás esetén a mért fotometriai mennyiségnek attól függetlenül, hogy V(λ) vagy V (λ) függvényt használunk-e, azonosnak kell lennie, ebből adódik, hogy K (λ) legnagyobb értéke K max = 1700 lm/w (λ = 507 nm-nél). A K max és K max értékének eltéréséből adódik, hogy a kisebb hullámhosszakon dominánsan sugárzó fényforrások fotometriai paraméterei V (λ) függvény alkalmazásával számértékben nagyobbnak adódnak, mint ha azokat a V(λ) függvénnyel számoltuk volna. Úgy tűnik tehát, hogy az ilyen fényforrások esetében előnyösebb a V (λ) függvény alkalmazása. Ez azonban tévedés, mert a fotometriai jellemzők szabványos számítása mindig a V(λ) e, λ dλ 23

24 függvénnyel történik. Egyes forgalmazók elsiklanak efölött a tény fölött, és termékeiket a szkotopos láthatósági függvénnyel számolt fotometriai paraméterekkel igyekeznek jellemezni. Jegyezzük meg, hogy ez törekvés önbecsapás, ugyanis attól valami nem lesz világosabb, mert matematikai leírásához más függvényt (más mértékegységet) alkalmazunk. Olyan ez, mintha azt próbálnák állítani, hogy a 100 LE teljesítményű gépkocsi jobb, mint a 90 kw-os. Igaz, hogy 100 több, mint 90, de az alkalmazott mértékegységek is eltérnek, így a 100 LE megfelel 75 kw-nak, ami kevesebb, mint 90. A kétfajta szemérzékenységi görbének abban rejlik a jelentősége, hogy más-más látási mechanizmus mellett (ld. 2.3 fejezet) reálisan írják le az egyes hullámhosszok világosságának érzékelhetőségét. Az eltérés tehát csak az érzékelhetőségben van, és nem a fényforrások teljesítőképességében. A fotopos és szkotopos láthatósági függvények alkalmazásának azonban van gyakorlati jelentősége is. Egyre kisebb fénysűrűségek esetén az emberi szem érzékenysége folyamatosan tolódik a fotopos tartománytól a szkotopos tartomány felé. Ezt az átmeneti szakaszt nevezzük mezopos tartománynak, ami kifejezetten a közvilágítás melletti látási viszonyokra jellemző. Ennek matematikai leírása meglehetősen bonyolult (amit jelen jegyzetünk nem tartalmaz, de bővebben olvashatunk róla a ****). A mezopos látásra jellemző fotometriai paraméterek meghatározásához szükséges a fényforrások ú.n. S/P arányszámának megadása, ami a szkotopos ill. fotopos láthatósági függvénnyel számolt fotometriai jellemzők arányát jelenti (ld ábra) ábra: S/P arány értelmezése adott spektrális eloszlású fényforrás esetében Fotometriai anyagjellemzők Az ebben a fejezetben leírtakat bár az elektromágneses sugárzás teljes színképtartományára igazak az egyszerűsítés kedvéért csak a fényre, vagyis az optikai sugárzás nm közötti tartományára értelmezzük. Ennek megfelelően elektromágneses sugárzás helyett mindenhol fényt említünk. Minden anyag az őt érő fény egy részét elnyeli, másik részét átengedi, és a fennmaradó részt visszaveri (ld ábra). Ez azt jelenti, hogy a beérkező Φ fényáram három részre oszlik: Φ α (elnyelt abszorbeált), Φ τ (áteresztett transzmittált) és Φ ρ (visszavert reflektált) fényáram hányadok. Mivel a beérkező fényáramnak meg kell egyeznie az elnyelt, áteresztett és visszavert fényáram-hányadok összegével, ezért igaz a 2.3 összefüggés: 24

25 Φ = Φα + Φτ + Φρ (2.3) A 2.3 egyenlet mindkét oldalát osztva a beérkező Φ fényárammal a 2.4 Φ Φ Φ α Φτ ρ összefüggéshez jutunk: = + + = α + τ + ρ = 1 (2.4) Φ Φ Φ Φ ahol α, τ és ρ rendre az illető anyag abszorpciós, transzmissziós és reflexiós tényezői. Ezeket nevezzük világítástechnikai anyagjellemzőknek. A 2.4 egyenletből két megállapítást szűrhetünk le: A három anyagjellemző összege egyenlő eggyel. A feltüntetett anyagjellemzőknél nem szerepel a spektrális eloszlás, vagyis ezeket az anyagjellemzőket (a spektrális eloszlástól független) integrális ábra: Fény elnyelés, áteresztés és visszaverés anyagjellemzőknek nevezzük. Természetesen az egyes anyagok a különböző hullámhosszú sugárzást nem egyforma mértékben nyelik el, eresztik át vagy verik vissza, ezért az anyagjellemzők felírhatók a hullámhossz függvényében is: α(λ); τ(λ) ill. ρ(λ) formában is. A hullámhossz függvényében megadott anyagjellemzőket nevezzük spektrális anyagjellemzőknek. Ezekre bármely λ hullámhossznál igaz a 2.4 összefüggés, azaz összegük minden hullámhossz esetében eggyel egyenlő. Az integrális és spektrális anyagjellemzők között fennáll a 2.5 összefüggés, azaz (pl. a reflexiós tényező esetében): Φ e(λ) ρ(λ) V(λ(λ) ρ = dλ (2.5) Φ e(λ) V(λ(λ) dλ (Ugyanez felírható α-ra és τ-ra is.) Az egyes anyagok érdességüktől függően más-más irányba eltérő mértékben eresztik át vagy verik vissza a beérkező fényt. Ezt az irányfüggőséget az anyagra jellemző szórási indikatrix-szal jellemezhetjük. DEFINÍCIÓ: A szórási indikatrix az áteresztett vagy visszavert fényerősség-vektorok végpontjait összekötő felület. Szórási indikatrixuk alapján a felületek a 2.14 ábra szerint csoportosíthatók: a.) Szabályosan visszaverő vagy áteresztő ábra: A visszaverés és áteresztés fajtái test, ha a beeső sugárzás a tükrös visszaverődésnek megfelelő irányban verődik vissza ill. irányváltoztatás nélkül halad át. 25

26 b.) Egyenletesen szórt áteresztésről ill. visszaverésről beszélünk akkor, ha az eredeti beesési irány, mint kitüntetett irány nem ismerhető fel, a visszavert ill. áteresztett sugárzás minden irányban azonos intenzitású. c.) Szórt visszaverésről vagy áteresztésről van szó akkor, ha a tér minden irányában észlelhető visszavert vagy áteresztett sugárzás. d.) Vegyes visszaverésről vagy áteresztésről beszélünk, ha a szabályos visszaverés ill. áteresztés irányában ugyan maximális a visszavert vagy áteresztett sugárzás, de ezektől eltérő irányokban is észlelhető több-kevesebb sugárzás. A szórási tulajdonságok jellemzésére gyakran használt mérőszám a szóróképesség (σ): L 20 + L70 σ =, amely a 20 és 70 -nál mért fénysűrűségek összegének és az 5 -nál mért L5 fénysűrűségnek hányadosa. A szórási indikatrix speciális esete a 2.14/b ábrán látható. Ebben az esetben a szórási indikatrix a felületet érintő gömb (ill. annak síkmetszete egy kör). Az ilyen szórási tulajdonsággal rendelkező felületeket Johann Heinrich Lambert svájci matematikusról Lambert-féle felületnek (vagy rövidebben Lambert-felület) nevezzük. A Lambert-felületre jellemző, hogy mivel a felületet elhagyó fényerősség-vektorok végpontjai egy gömb felszínén helyezkednek el matematikailag levezethető, hogy fénysűrűségük bármilyen irányból szemlélve ugyanakkorának adódik, azaz a Lambert-felület fénysűrűsége a nézés irányától függetlenül állandó. (Ennek levezetése megtalálható a KVK-2024 Világítástechnika I. jegyzetben.) A Lambert-felület tehát a hétköznapi szóhasználattal matt - nak nevezett felület. Mivel a Lambert-felület speciális fényeloszlási geometriával rendelkezik, ezért ennek jellemzésére (a KVK-2024 Világítástechnika I. jegyzetben leírt levezetések alapján) felírható néhány jellegzetes összefüggés (ld ábra): I I 0 Θ I 1 ρ ρ I 0 = Φ, és L = E π π ahol: I 0 a felületet merőleges elhagyó fényerősség-vektor, Φ a felületre beeső fényáram, és ρ a felület integrális reflexiós tényezője L a felület (bármely irányból szemlélt) fénysűrűsége, és E a felületet érő megvilágítás A a.) Szórási indikatrix b.) Fénysűrűség eloszlás c.) Nevezetes összefüggések ábra: Lambert-felület jellemzői A fejezetben leírtakból tudjuk, hogy egy felület adott irányból szemlélt fénysűrűsége csak az adott irányba mutató fényerősség vektor nagyságától és a felületnek a nézési irányra merőleges vetületének nagyságától függ. A felületről visszavert (vagy áteresztett) fényerősség eloszlást (szórási indikatrix) ugyan a felület anyagi minősége befolyásolja, de a fényerősség értékek arányosak a felületre jutó megvilágítás nagyságával. Ezek alapján minden felületre általánosan felírható, hogy a felület adott irányból szemlélt fénysűrűsége arányos a felületet érő megvilágítás nagyságával (2.6 összefüggés). L = q E (2.6) 26

27 ahol L a felület adott irányból szemlélt fénysűrűsége, E a felületet érő megvilágítás értéke, q pedig a fénysűrűségi együttható. Ennek értéke minden irányban más-és más lehet, de nagyságát csak a felület anyagi minősége befolyásolja. Megjegyzés: Ügyeljünk arra, hogy a 2.6 összefüggés csak adott felület megvilágítása, és ugyanazon felület adott irányból szemlélt fénysűrűsége között teremt kapcsolatot, és nem különböző felületek megvilágítása és fénysűrűsége között. Tipikus hiba szokott ugyanis lenni, hogy egy adott irányból adott fénysűrűségűnek látszó fényforrás által valamely pontban létrehozott megvilágítás számításánál ezt az összefüggést kívánják alkalmazni. Ez helytelen! Ennek kapcsán azonban el is érkeztünk oda, hogy összefoglaljuk, hogy az eddig megismert fotometriai jellemzők segítségével a gyakorlatban hogyan tudunk helyesen világítástechnikai számításokat végezni. Ezt tartalmazza a fejezet Alapvető fotometriai összefüggések A fotometriai jellemzők leírásánál (ld fejezet) láthattuk, hogy (a fényáram kivételével) azok mindegyike a fényáram sűrűségére vonatkozik. A fényerősség a fényáram térszög szerinti sűrűsége, a megvilágítás a felületi sűrűséget adja meg, míg a fénysűrűség mind a térszög, mind a felület szerinti sűrűséget tartalmazza. Ez a sűrűségszámítás mint láttuk differenciális mennyiségekkel történik, vagyis végtelenül kicsi térszöggel ill. felülettel számolunk. A differenciális mennyiségek elhagyhatók, ha a világítás geometriája olyan, hogy annak következtében a vizsgált térszög(ek) ill. felület(ek) nagysága elhanyagolhatóvá válik a fényforrás és a megvilágított felület ill. szemlélési pont távolságához képest, ugyanis ilyen esetben a vizsgált felület pontnak, a vizsgált térszög pedig adott iránynak tekinthető. Ez tehát gyakorlatilag azt jelenti, hogy számításaink során az adott felületet úgy tekintjük, hogy rajta a fényáram eloszlása egyenletes, és az adott térszög -ben is feltételezzük az egyenletes fényeloszlást. Számításaink tehát ezen elhanyagolhatóan kicsiny felületek ill. térszögek esetében átlagérték számítást jelentenek. Azt a távolságot, aminél az alábbiakban leírt számítási eljárásokat alkalmazhatjuk, fotometriai határtávolságnak nevezzük. Ennek gyakorlati értéke a fényforrás legnagyobb kiterjedésének ötszöröse. (Egy 60 mm átmérőjű izzólámpa esetében tehát 0,3 m, míg egy 1,5 m hosszú fénycső esetében ez elérheti a 7,5 métert is.) Ezek után vegyük sorra az alapvető fotometriai számítási összefüggéseket. Fényforrás átlagos fényerőssége és fénysűrűsége A tér meghatározott Ω tartományába egyenletesen sugárzó Φ fényáramú fényforrás átlagos fényerőssége a fényerősség definíciója alapján a 2.7 összefüggéssel adható meg: Φ I átl = (2.7) Ω Egy gömb alakú, minden irányban egyenletesen sugárzó fényforrás átlagos fényerőssége tehát Φ cd, míg egy félgömb alakú (pl. mennyezetre szerelt ún. UFO -lámpa) átlagos 4π Φ fényerőssége cd. Nem árt azonban még egyszer kihangsúlyozni, hogy ezek átlagos 2π fényerősség értékek, melyek csak egyenletes fényeloszlású fényforrások esetében igazak. 27

28 Az átlagos fényerősség kiszámításához általában a fényforrás fénysűrűségének meghatározásánál van szükségünk. Egy minden irányba egyenletesen sugárzó fényforrás (pl. egy opálburás fényforrás megközelíti ezt a feltételt) adott irányból szemlélt fénysűrűsége az átlagos fényerősség ismeretében a 2.8 összefüggéssel határozható meg. I átl L = (2.8) Avet ahol A vet a fényforrás nézési irányra merőleges vetülete. Ebből a merőleges vetületből következik, hogy a fénysűrűség definíciós képletében szereplő cosθ értéke 1, vagyis azt nem kell figyelembe vennünk. Gömb vagy félgömb alakú fényforrás A vet felületének kiszámítása viszonylag egyszerű, hiszen ezek vetülete egy kör vagy félkör (attól függően, hogy honnan nézzük), és hengeres fényforrás (pl. fénycső) esetében sincs gondunk, hiszen annak vetülete egy téglalap. Ennél bonyolultabb felületű fényforrások számítása azonban már meglehetősen komplikált lehet. Amennyiben a fényforrás fényerősség-eloszlása ismert, úgy a 2.8 összefüggés számlálójában az I átl helyett a nézési irányba mutató fényerősség írható be, amellyel így a fényforrás fénysűrűsége bármely irányba meghatározható. Fényforrás által létrehozott megvilágítás számítása Határozzuk meg egy felületelem P pontjában a tőle R távolságra lévő fényforrás által létrehozott megvilágítás nagyságát, amennyiben a fényforrás méretére teljesül a fotometriai határtávolság feltétele, és ha tudjuk, hogy a fényforrás fényerőssége az adott pont irányában I (ld ábra). Ehhez először vegyük körül a P pontot egy nagyon kicsiny da felülettel. Az I da fényerősség tehát egy kicsiny, dω = cosθ 2 R térszög alatt kisugárzott dφ fényáram és a dω térszög hányadosa (definíció értelmében), amiből I da következik, hogy dφ = I dω = cosθ, 2 R ahol Θ a fényforrást és a P pontot összekötő egyenes (a fényerősség iránya) és a da felületelem normálisa által bezárt szög. A da felületelem ( P pont) megvilágítása ebben az esetben a megvilágítás definíciója alapján: dφ I da E = = cosθ, amiből da-val történő 2 da R da egyszerűsítés után a 2.9 összefüggéshez jutunk: I E = cosθ 2 R (2.9) A 2.9 szerinti összefüggés nevezzük fotometriai távolságtörvény-nek ábra: A fotometriai távolságtörvény értelmezése 28

29 Megjegyzések a fotometriai távolságtörvényhez: 1. A törvény csak a fotometriai határtávolságnál nagyobb távolságban lévő fényforrások esetében alkalmazható. 2. A megvilágítás definíciójából tudjuk, hogy az irányfüggetlen mennyiség. A 2.9 összefüggésben mégis szerepel a Θ szög cosinusa. Ennek az az oka, hogy bármily kicsiny is a P pontot körülvevő da felület nagysága, mégis rendelkezik irányítottsággal, így a megvilágítás számítása szempontjából csak a felületet érő fényerősség-vektor felületre merőleges komponense számít. Ugyanerre a következtetésre juthatunk akkor is, ha abból indulunk ki, hogy a dω térszög kiszámításánál a da felületelemnek csak a fényerősség irányára merőleges vetületével számolunk. Mindkét gondolatmenetnek az a végeredménye, hogy kiterjedéssel rendelkező felületek esetében a felület megvilágításának számításánál az őt érő fényerősség-vektorok felületre merőleges komponenseivel kell számolnunk. 3. Hibát szokott okozni a Θ szög helytelen értelmezése, ezért hangsúlyozzuk, hogy ez nem a fényerősség-vektor és a felület által bezárt szög, hanem a fényerősségvektor és a felületelem normálisa által bezárt szög. 4. A 2.9 összefüggés bal és jobb oldalának mértékegységei látszólag nem egyeznek, lm hiszen lm sr 2. Ne feledkezzünk meg azonban arról, hogy a levezetés során mind 2 m m a számlálóban, mind a nevezőben egyszerűsítettünk da-val, azaz a jobb oldal lm 2 m 2 lm 2 m m 2 lm mértékegysége eredetileg így nézett ki: sr = m = = lx, vagyis a m m m m m megvilágítás mérőszáma valóban luxban adódik. Adott megvilágítású felület fénysűrűsége és fényerőssége A fejezet 2.6 összefüggésében már megadtuk egy felület megvilágítása és ugyanazon felület adott irányból szemlélt fénysűrűsége közötti kapcsolatot: L = q E, ahol q a felület adott irányban jellemző fénysűrűségi együtthatója. ρ Lambert-felületre azt is tudjuk, hogy visszaverő felületre q =, ill. áteresztő felületre π τ q = ahol ρ ill. τ a felület integrális reflexiós ill. transzmissziós tényezője, és q értéke π független az iránytól. Ennek megfelelően igaz, hogy a felület bármely irányból szemlélt fénysűrűsége ρ τ visszaverő felületre L = E, ill. áteresztő felületre L = E (2.10) π π Természetesen ezek az összefüggések visszafelé is alkalmazhatók, vagyis ha ismerjük egy Lambert-felület reflexiós (transzmissziós) tényezőjét és fénysűrűségét, abból a 2.10 összefüggések közül a megfelelővel kiszámíthatjuk a felületet érő megvilágítást. Látszólag a 2.10 egyenletek jobb és bal oldalának mértékegysége itt sem egyezik meg, de ez az eltérés csak az összefüggések levezetésében szereplő egyszerűsítésekből adódik. A levezetés megtalálható a Világítástechnika I. (KVK-2024) jegyzetben. 29

30 Összefoglaló mintapélda Most egy konkrét példa kapcsán nézzük meg, hogy az eddig megismert összefüggések a gyakorlati számítások során hogyan alkalmazhatók. Feladat: Egy P=1000 W-os, η=80 lm/w fényhasznosítású, 10 cm átmérőjű, gömb alakú, minden irányban egyenletesen sugárzó fényforrással megvilágítunk egy tőle vízszintesen R 1 = 2 m távolságban lévő ρ=0,8 reflexiós tényezőjű, 5 5 cm nagyságú, Lambert-felületű papírlapot úgy, hogy a papír középpontját és a fényforrás középpontját összekötő egyenes 60 -os szöget zár be a papír síkjával. A papírról visszaverődő fény megvilágítja a földön álló vízszintes asztal P pontját, ami R 2 = 3 m távolságban van a papírlap középpontjától. A P ábra: Mintapélda pontot és a papírlap középpontját összekötő egyenes 60 -os szöget zár be az asztal síkjával (ld ábra). Számítsuk ki, hogy a papírlapról visszaverődő fény mekkora megvilágítást hoz létre az asztal felületén a P pontban. Megoldás: Legelőször határozzuk meg a világítási elrendezés geometriai sajátosságait, vagyis az ábrán jelölt szögek nagyságát. A feladatból adódóan α = δ = 60, amiből adódik, hogy β = ε = 30. Mivel az I 1 fényerősség vízszintes irányú, ezért belátható, hogy ε + β + γ = 90, amiből az következik, hogy γ = 30. A papírlap által a P pontban létrehozott megvilágítás a fotometriai távolságtörvény értelmében E P I = 2 cosε, aminek kiszámításához csak I 2 értékére van szükségünk. Ennek R 2 2 meghatározásához induljunk el a fényforrás felől. A fényforrás teljesítményéből (P) és fényhasznosításából (η) a fényáram Φ = P η = lm -nek adódik. Mivel a fényforrás minden irányban egyenletesen világít, ezért az I 1 fényerősség az átlagos fényerősségnek felel meg, azaz (a 2.7 összefüggés alapján) Φ I1 = = 6366, 2 cd. 4 π A fényforrás által a papírlapon létrehozott megvilágítás a fotometriai I1 6366,2 távolságtörvénnyel számolható, vagyis E papír = cos β = cos30 = 1378, 3 lx. 2 2 R1 2 A 2.10 összefüggés értelmében a papírlap fénysűrűsége (minden irányban) ρ 0,8 cd Lpapír = E papír = 1378,3 = 350,99. A papírlap fénysűrűsége ugyan minden irányban 2 π π m azonos, de fényerőssége nem, ugyanis a fénysűrűség definíciós egyenletében a vizsgált felületnek csak a fényerősségre merőleges vetülete szerepel, amiből következik, hogy 2 I = Iγ = L A cosγ = 350,99 0,05 cos30 0, cd. Ezt az értéket 2, papír papír papír = 76 30

31 visszahelyettesítve a megoldás elején felírt I E = 2 P cosε összefüggésbe azt kapjuk, hogy R 0,76 E P = cos30 = 0, 0731lx. 2 3 A kapott megvilágítási érték nagyon kicsi, ezért önállóan kiszámolhatjuk a fényforrás által közvetlenül létrehozott megvilágítás értékét is a P pontban. Ehhez a geometriai adottságokból kiszámítható, hogy a fényforrás és a P pont közötti távolság 7 m, valamint a fényforrástól a P pont felé mutató fényerősség-vektor (melynek nagysága megegyezik I 1 értékével) az asztallapra merőleges iránnyal 10,89 -os szöget zár be. Ezeket az adatokat a fotometriai távolságtörvénybe beírva kapjuk, hogy a fényforrás által a P pontban I1 közvetlenül létrehozott megvilágítás értéke E P, fényforrás = cos10,89 = 893lx. 2 2 ( ) Első ránézésre talán meglepő, de valósághű, hogy egy viszonylag nagy fényáramú fényforrás az adott geometriai elrendezés mellett több mint tízezerszer nagyobb megvilágítást eredményez az asztal egy pontjában, mint ugyanennek a fényforrásnak a fénye, egy kisméretű, a fényt szóró papírlapról visszaverődve A színtan alapjai A fény mennyiségi leírására a pontban ismertetett fotometriai jellemzőket használjuk. Már ott is említettük, hogy ezek értékét nagymértékben befolyásolja a fény spektrális összetétele, azaz színe. Ha a fényt minőségi szempontból kívánjuk jellemezni, akkor kifejezetten erre a spektrális eloszlásra és az ebből fakadó színtani jellemzőkre kell koncentrálnunk. A színtannal széles körű szakirodalom foglalkozik főleg idegen nyelven [***], melynek csak tömör kivonatát tartalmazza a Világítástechnika I. jegyzet (KVK-2024). Jelen jegyzetünknek nem az a célja, hogy ezt a szakterületet részletesen bemutassuk, hanem csak az, hogy a világítástechnikus szempontjából lényeges színtani fogalmakat megismerjük, azokat helyesen alkalmazzuk. Ebben a fejezetben tehát számos összefüggést levezetés nélkül az eredeti forrásra hivatkozva közlünk, és főként az alapvető fogalmak tisztázására és a színtani jellemzők definiálására koncentrálunk. Mindannyian tudjuk, hogy a színérzet egy szubjektív fogalom, amely nagymértékben függ a szemlélő személyes adottságaitól. Felmerül tehát a kérdés: hogyan lehet a színeket objektíven (matematikailag) jellemezni, ha azok érzékelése személyfüggő. A válasz a színkeverés törvényein alapul. A színkeverésnek két változatát különböztetjük meg: Az additív színkeverés során egymástól független színek megfelelő arányú összeadásával kapjuk a kikevert színt, míg szubsztraktív színkeverés esetén a fehér fényből színszűrők alkalmazásával kivonjuk az egyes színek megfelelő mennyiségét, és így jutunk a keresett színhez. A kétféle színkeverés módszerére és alapszíneire a 2.18 ábra mutat be példát. A kétféle színkeverés elvéből adódik, hogy additív színkeverés során az összes alapszín összegeként fehéret kapunk, míg szubsztraktív színkeverés esetén az összes alapszín kivonásának eredménye a fekete lesz. A színkeverési törvények akkor érvényesek, ha a fénysűrűség ahhoz már elég nagy, hogy a csapmechanizmus (ld. 2.3 fejezet) működjék, de még nem okoz káprázást

32 a.) Additív színkeverés ábra: Színkeverés lehetséges módozatai b.) Szubsztraktív színkeverés Mindkét színkeverési módszerre igaz, hogy a keverék-színeket három alapszín összegéből (különbségéből) állítja elő, ami szoros összefüggésben áll az emberi szem színérzékelési adottságaival (ld. 2.3 fejezet). Bármelyik színkeverési módszer alapján el lehet jutni az alapvető színtani jellemzők megfogalmazásához, de az általános gyakorlathoz alkalmazkodva mi az additív színkeverés törvényeit használjuk fel, amelyeket a XIX. században élt matematikus, Hermann Günter Grassmann foglalt össze: 1. Egy szín jellemzéséhez (megadásához) három egymástól független adat szükséges és elégséges (színezet, telítettség, világosság). A színezet (hue) a hétköznapi értelemben vett szín fogalmával azonos, tehát: piros, sárga, zöld, kék stb. A telítettség (chroma, saturation) azt mutatja meg, hogy a vizsgált színben milyen mértékben található meg egy alapszín a fehérhez viszonyítva. Ennek megfelelően a szivárvány bármely színe 100%-os telítettségű, míg a fehér fény 0% telítettségű. A világosság (lightness) fogalmát legegyszerűbben egy példa kapcsán érthetjük meg: Egy adott színre lefestett falon az árnyékhatásoknak megfelelően más-más tónusokat tapasztalhatunk. Fénytechnikailag ez leírható a fénysűrűség-értékek viszonyával, azonban, ha egy festő szeretné megfesteni ennek a falnak a képét, úgy neki a különböző fénysűrűségű helyeken különböző színeket kell alkalmaznia. A világosság tehát nemcsak fénysűrűségbeli eltérést, hanem színi eltérést is jelent. 2. A keverékszínek minőségét az összetevők színinger jellemzői határozzák meg, azok spektrális összetételétől függetlenül (pl. a sárga komponens lehet akár monokromatikus egyetlen hullámhosszt tartalmazó sárga, akár zöld-vörös keverék, az eredmény ugyanaz lesz). Ez szoros összefüggésben van az ún. metameria jelenségével, ami azt jelenti, hogy eltérő spektrális összetételű fényt az emberi szem képes azonos színűnek érzékelni. 3. Ha a színingerek additív színingerkeverésében egy vagy több összetevőt folyamatosan változtatunk, az eredményül kapott színingerjellemzők is folyamatosan változnak. Ez a törvény látszólag triviálisnak tűnik, mégsem hagyhatjuk el, mert ebből következik, hogy bár különböző spektrális összetételű fényt érzékelhetünk azonos színűnek az eltérő színösszetevőket tartalmazó színeket mindig eltérőnek látjuk. De mik is ezek a színösszetevők (helyesebben színingerösszetevők), amelyek egyértelműen meghatározzák a színérzetet, egyértelműbben, mint a spektrális összetételük? 32

33 Grassmann additív színkeverésre vonatkozó törvényeiből következik, hogy minden (helyesebben szólva majdnem minden) szín kikeverhető három egymástól független alapszín megfelelő arányú keverékeként. Az egymástól való függetlenség azt jelenti, hogy a három színből egyik sem állítható elő a másik kettő keverékeként. Amennyiben az emberi színlátáshoz igazodva a három alapszínnek a vöröset (Red), zöldet (Green), és kéket (Blue) választjuk, akkor az RGB-színrendszerhez jutunk. Tételezzük fel, hogy az RGB-színrendszerben a K keverékszínt r mennyiségű vörös színből, g mennyiségű zöldből és b mennyiségű kékből állíthatjuk elő. A mennyiség szó alatt itt fotometriai jellemzőt (pl. fénysűrűséget) értünk, de nem annak közvetlen számszerű értékét, hanem azt, hogy az adott R, G, B színek fénysűrűsége hányszorosa az alapszínekhez definiált egységeknek. Az RGB-színrendszerben egységnyinek nevezzük az alapszínek mennyiségét, amennyiben az R, G és B színösszetevők fénysűrűségének aránya: L R : LG : LB = 1: 4,5901: 0,0601. Ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy ha például egy színben az R-G-B alapszínek fénysűrűsége rendre 1 2,3 0,12 cd/m 2, akkor azok 1 0,5 2 színösszetevőnek felelnek meg. Az r g b mennyiségű alapszínekből k mennyiségű keverékszín állítható elő: k ' = r' + g' + b'. Ha arra vagyunk kíváncsiak, hogy egységnyi keverékszín előállításához mennyi R, G, B színre van szükségünk, akkor az egyenlet minkét oldalát elosztva k -vel a k' r' + g' + b' r' g' b' r' g' b' = = 1 = + + = + + = r + g + b (2.11) k' k' k' k' k' r' + g' + b' r' + g' + b' r' + g' + b' összefüggéshez jutunk. Az egyenletben r, g és b az adott keverékszín színingerösszetevői, r' míg r, g és b az adott keverékszín színkoordinátái, és értékük: r = r' + g' + b' ;! g' g = r' + g' + b' és b' b = r' + g' + b'. A színkoordináta tehát azt mutatja meg, hogy az adott színingerösszetevő hányad része a színingerösszetevők összegének. Színkoordinátájuk alapján a színek koordinátarendszerben ábrázolhatók. a.) ábra: RGB-színrendszer Mivel minden szín három koordinátával jellemezhető, ezért ábrázolásuk nem a hagyományos, Descartes-koordinátarendszerben történik, hanem a 2.19/a. ábra szerint. Mivel 33 b.)

34 azonban a színkoordinátákra a 2.11 összefüggés alapján igaz, hogy összegük 1, ezért két színkoordinátából a harmadik mindig meghatározható, annak értéke már új információt nem tartalmaz. Mivel két színkoordináta egyértelműen jellemez egy színt, ezért a 2.19/a. ábrából elhagyva az egyik koordinátát a színek Descartes-koordinátarendszerben is ábrázolhatók a 2.19/b. ábra szerint. A színek ily módon történő jellemzése tökéletes megoldás lenne, ha a feltételezett három alapszín lineális kombinációjával minden létező szín kikeverhető lenne. Ez azonban nem igaz például a szivárvány színei, spektrumszínek nem állíthatók elő a három alapszín keverékeként, ami matematikailag azt jelenti, hogy vannak olyan színek, amelyek bizonyos koordinátái negatívak. Mivel a negatív szín fizikailag nem értelmező, ezért szükséges volt bevezetni egy olyan matematikai transzformációt, amelynek segítségével minden színkoordináta a pozitív tartományba vihető át. Ennek eredményeként kapjuk az XYZszínrendszert, amelyben sem az X, sem a Z koordináta nem hordoz fénysűrűségre (azaz fotometriai adatokra vonatkozó) információt, hanem azt kizárólag az Y-színösszetevő tartalmazza ábra: XYZ-színrendszer Az XYZ-színrendszerben (lásd 2.20 ábra) nagy X, Y, Z betűkkel jelöljük a színösszetevőket, míg kis x, y, z betűkkel az ezekből számítható színkoordinátákat. A színkoordináták számítására itt is igaz a 2.11 összefüggés, vagyis: X x = ; Y y X + Y + Z = X + Y + Z és Z z = X + Y + Z (2.12) A 2.20 ábra alapján ismerkedjük meg azokkal a fontosabb alapfogalmakkal, amelyekkel a színek jellemezhetők. Ezek közül már említettük a színkoordinátákat (x, y, z). Egy speciális pont a színrendszerben az ú.n. fehérpont (F), mely a minden hullámhosszon egyenletesen sugárzó (equienergetikus) fényforrás színkoordinátáit 1 1 1,, mutatja meg Az ábrán patkóalakú ív a spektrális színpálya, amelyen az ún. spektrumszínek (szivárványszínek) helyezkednek el. Ezek mindegyikéhez egyetlen konkrét hullámhossz rendelhető, azaz monokromatikus színek. Minden más, keverék (polikromatikus) szín a spektrális színpályán (színpatkó) belül helyezkedik el. Bár ezek több hullámhossz keverékeként jönnek létre, mégis mindegyikhez hozzárendelhető egy domináns hullámhossz (λ D ), amit úgy kapunk meg, hogy a spektrális színpályát elmetsszük azzal az egyenessel, ami az adott szín koordinátáihoz tartozó pontot és a fehérpontot köti össze. (A 2.20 ábrán a P 34

35 ponthoz tartozó domináns hullámhossz λ P.) Minél közelebb van a vizsgált szín a fehérponthoz, színe annál jobban eltér a domináns hullámhossz által meghatározott monokromatikus színtől. Annak jellemzésére, hogy a vizsgált szín mennyire telített a (mennyire monokromatikus), a 2.20 ábra szerinti p = hányados szolgál. A p=0 érték az b abszolút fehéret, míg a p=1 a monokromatikus spektrumszínt jelenti. A színpatkót alulról az ún. bíborvonal határolja. Vannak olyan színek is, amelyek a bíborvonal és a fehérpont közé esnek. Ezek ugyan nem hasonlítanak egyetlen spektrumszínhez sem, domináns hullámhosszuk azonban megadható. Ennek módja ugyanaz, mint ahogy azt korábban leírtuk, de annak jelzésére, hogy az adott szín nem a spektrális színpálya hanem a bíborvonal felé esik, negatív előjelet használunk. Ez csak jelzés értékű, ennek matematikai jelentősége nincs. (A 2.20 ábrán a P ponthoz tartozó domináns hullámhossz λ P.) A fehérponton halad keresztül a Planckvonal, amely az abszolút fekete test (lásd 3. fejezet) különböző hőmérsékletű állapotaihoz tartozó színeket jeleníti meg (2.21 ábra). Egy testet fokozatosan egyre melegebbre hevítve az eleinte vöröses, majd egyre sárgább, később szinte fehér lesz, és ha el nem olvad akár még a kékes színt is elérhetné. Látjuk tehát, hogy mennél nagyobb a test hőmérséklete, színe annál inkább tolódik el a meleg érzetet nyújtó vöröstől a hideg érzetet keltő kék irányába. Ehhez kapcsolódva definiálhatjuk a színhőmérséklet fogalmát, amelyre a 3. fejezetben a fényforrások jellemzéséhez lesz szükségünk. DEFINÍCIÓ: Színhőmérsékletnek (T C ) nevezzük az ábra: Színhőmérséklet abszolút fekete test azon hőmérsékletét, amelynél az abszolút fekete test színe megegyezik a vizsgált fényforrás színével. Mivel ez a gyakorlatban szinte soha nem fordulhat elő (nincs olyan fényforrás, amelynek színe pontosan megegyezne a fekete test színével), ezért a színhőmérséklet helyett a valóságban a korrelált színhőmérséklet fogalmát használjuk. DEFINÍCIÓ: Korrelált színhőmérsékletnek (T CC vagy CCT) nevezzük az abszolút fekete test azon hőmérsékletét, amelynél az abszolút fekete test színe legkevésbé tér el a vizsgált fényforrás színétől. A definícióban szereplő legkevésbé tér el kifejezés azt jelenti, hogy az adott fényforrás színkoordinátái a Planck-vonal közelébe esnek. A 2.21 ábrán az azonos korrelált színhőmérsékletű pontokat egyenes szakaszok kötik össze. Megjegyzés: Az legkevésbé tér el kifejezésből az következne, hogy az azonos korrelált színhőmérsékletű pontokat összekötő egyenes szakaszoknak merőlegeseknek kellene lenniük a Planckvonalra. Ez azonban szemmel láthatólag nem így van. Ennek az az oka, hogy mint később látni fogjuk más színrendszerek is léteznek és a merőlegesség azok egyikében fordul elő. 35

36 Színhőmérsékletük alapján a fényforrásokat 3 csoportra osztjuk: Melegfehér: Semlegesfehér: Hidegfehér: T CC < 3300 K 3300 K T CC 5300 K T CC > 5300 K Először talán meglepőnek tűnik, hogy meleg -nek nevezzük azokat a fényforrásokat, amelyek korrelált színhőmérséklete kis számértékkel jellemezhető, és hideg -nek azokat, amelyek korrelált színhőmérséklete nagy számértékekkel írható le. A színek és a feketetest hőmérséklete közötti kapcsolat alapján definiáltuk a színhőmérséklet ill. korrelált színhőmérséklet fogalmát. A meleg semleges hideg jelzők azonban nem a feketetest hőmérsékletére, hanem az adott szín megjelenésére, pszichológiai hatására vonatkoznak. A kisebb hőmérsékleten (1-2 ezer kelvin) izzó tárgyak vöröses színéhez pszichésen a meleg fogalom, míg a nagyobb hőmérsékleten (többezer kelvin) izzó fehér vagy kékes színéhez a hideg fogalma kapcsolható. A meleg-, hideg- és semlegesfehér fogalmak tehát a hideg és meleg színek és nem a hideg vagy meleg tárgyak fogalmához köthetők. Az eddigiekben láttuk, hogy egy szín miként jellemezhető a három alapszín keveréséből adódó színkoordinátákkal, domináns hullámhosszukkal, telítettségükkel ill. színhőmérsékletükkel. Arról azonban még nem esett szó, hogy ezek a paraméterek hogyan függnek össze az adott szín spektrális összetételével. Grassmann 2. ill. 3. törvényéből is csak azt a következtetést tudjuk levonni, hogy egy adott spektrális eloszlás egyértelműen határoz meg egy színt, míg ennek fordítottja nem igaz, azaz egy színhez nem rendelhető hozzá kizárólagosan egyetlen spektrális eloszlás. (Ezt nevezzük metaméria jelenségének.) Hogy egy adott spektrális eloszlású fény milyen színérzetet vált ki, annak megértéséhez érdemes egy picit felidéznünk a fejezetben ismertetett hatásfüggvényeket. Ezek lényege, hogy az optikai sugárzás bármilyen hatása minden hullámhosszon más-más intenzitással jelentkezhet 2.1 ábra). Igaz ez a színekre is. A színekre vonatkozó hatásfüggvények meghatározásához képzeljük el az alábbi kísérletet: Egy kísérleti alanyt egy osztott tábla elé ültetünk le (ld ábra). A tábla egyik felére egy tetszőleges színű fényfoltot, míg a másik felére a három alapszínből kikeverhető fényfoltot vetítünk. A kísérleti személy feladata, az alapszínek megfelelő intenzitásának beállításával a vizsgált etalon szín kikeverése. (Ennek technikai és matematikai akadályait itt nem részletezzük.) A kísérlet alapján elképzelhetjük, hogy minden spektrumszínhez (monokromatikus színhez) hozzárendelhető egy számhármas, amely az adott spektrumszín színösszetevőit tartalmazza. Ha ezen színösszetevő értékeket a teljes látható spektrumra ábra: Színinger megfeleltető függvények meghatározása felvesszük, akkor három függvényt, az ún. CIE színinger megfeleltető függvényeket kapjuk. Ezeket szoktuk színingerösszetevő-függvényeknek is nevezni. Az előbbi gondolatkísérlet alapján mivel három létező alapszínnel dolgoztunk az RGB-színrendszer színinger megfeleltető függvényeit kaphattuk meg. Ezek az RGBszínrendszerről írottak alapján negatív értékeket is felvesznek, ezért helyettük a 2.23 ábrán látható XYZ-színrendszerbe transzformált változatokat szoktuk alkalmazni. 36

37 Az ábrából kitűnik, hogy az x ( λ) függvény elsődlegesen a nagy hullámhosszak (vörös) tartományában, y ( λ) függvény a közepes hullámhosszak (zöld) tartományában, z ( λ) függvény pedig a kis hullámhosszak (kék) tartományában domináns. Az ( λ) x függvény a kék tartományban is rendelkezik egy helyi maximummal, aminek az oka, az RGB-színrendszerből történő transzformálás során a negatív függvényértékek megszüntetése. A színinger megfeleltető függvények tehát felfoghatók olyan hatásfüggvényeknek, amelyek megmutatják, hogy egy adott hullámhosszú fény mennyire nevezhető kéknek, vörösnek vagy zöldnek. Több hullámhosszt is tartalmazó spektrális eloszlású fény esetében azok színtartalmának, vagyis színösszetevőinek meghatározásakor hasonló módon járhatunk el, mint a hatásfüggvények eredő hatásának kiszámításakor (2.1 összefüggés). Igaz tehát, hogy adott spektrális eloszlású fény színösszetevői figyelembe véve, hogy az ( λ) tényezőjű felületről visszaverődve, vagy ( λ) ρ reflexiós τ transzmissziós felületen áthaladva érkezik a szemünkbe a 2.13, 2.14 és 2.15 összefüggésekkel határozhatók meg: 780 X = k ϕ( λ) x( λ) dλ (2.13) Y = k ϕ( λ) y( λ) dλ (2.14) Z = k ϕ( λ) z( λ) dλ (2.15) ábra: Színinger megfeleltető függvények ahol ϕ( λ) = S ( λ) τ ( λ) átlátszó felületek esetében, illetve ϕ( λ) = S ( λ) ρ( λ) visszaverő felületek esetében, ha S(λ) a fényforrás spektrális eloszlása. Ez azt jelenti, hogy a felületről érkező fényáramot súlyozva az adott színinger megfeleltető függvénnyel, és a súlyozott függvényt integrálva a látható tartományban, megkapjuk az adott alapszínre vonatkozó színösszetevő értékét. A három színösszetevőből a színkoordináták a 2.12 összefüggés alapján számíthatók. 37

38 Hogy egy adott felületet milyen színűnek látunk, az részben tehát attól függ, hogy annak milyen a ρ ( λ) reflexiós illetve a τ ( λ) transzmissziós tényezője, de függ a felületet megvilágító fényforrás spektrális összetételétől is. Nem mondhatjuk tehát, hogy: ez a felület ilyen vagy olyan színű, hanem csak azt, hogy: ez a felület adott világítás mellett ilyen vagy olyan színű. A színek megítéléséhez fontos tehát számunkra a megvilágító fényforrás spektrális összetétele. Ahhoz, hogy a felületszínekről egységesen tudjunk beszélni, rögzíteni kellett néhány referenciának tekinthető fényforrás spektrális eloszlását. Különböző színtani feladatokhoz más-más referencia fényforrást alkalmaznak, melyek közül a teljesség igénye nélkül itt csak kettőt említünk meg. Az A fényforrás: 2858 K-es fekete sugárzó, megvalósítása 2858 K színhőmérsékletű izzóval lehetséges. A D65 sugárzó: 6506 K színhőmérsékletű nappali fény, melyet táblázatban adott spektrális eloszlás határoz meg. Megvalósítására ez idő szerint nincs szabványosított megoldás, fénycsövek és izzólámpák fényének keverékével közelítik. A fényforrások színpontjait a 2.21 ábrán tüntettük fel. Egy fényforrás színtani jellemzésénél fontos, hogy az a különböző színeket egy referencia fényforráshoz viszonyítva mennyire helyesen adja vissza. Ennek matematikai leírására alkalmas a színkülönbség számítás módszere. Két szín színkülönbsége alatt azok színpontjainak távolságát értjük egy adott színrendszerben. A kiét pont távolsága a Pythagoras-formula szerint: 2 2 E = ( x1 x2 ) + ( y1 y2 ) (2.16) ahol E a két szín színkülönbsége az adott színrendszerben, x 1, y 1 és x 2, y 2 pedig a két szín színkoordinátái az adott színrendszerben. (A fogalmazásnál azért használjuk az adott színrendszer kifejezést, mert a színkülönbség-formula bármely színrendszerben alkalmazható, nem csak az XYZ-színrendszerben. A 2.16 összefüggésben azonban mi az XYZ-színrendszer jelöléseit használtuk.) Ha egy felületet külön-külön megvilágítunk egy referencia fényforrással ill. egy vizsgált fényforrással, akkor az így kapott színpontok színkülönbsége alkalmas annak jellemzésére, hogy a vizsgált fényforrás mennyire helyesen adja vissza a felület színét. Mivel a természetben előforduló színek száma végtelen, ezért lehetetlen olyan fényforrást találni, amelyik minden színt helyesen jelenít meg. A CIE rögzítette azt a 14 színt, amelyek színlátásunk szempontjából a legfontosabbak, és amelyek közül legalább 8 esetében vizsgálni kell egy fényforrás egyedi színvisszaadását (R i ) és ezek matematikai átlagából képezhető a fényforrásra jellemző átlagos színvisszaadási index (R a ) vagy más jelölés szerint (CRI) Colour Rendering Index. A színvisszaadási index számításának algoritmusa megtalálható a Világítástechnika I. (KVK-2024) jegyzetben ill. a [...] irodalomban, melyek eredménye: R = 100 4, 6 (2.17) i E i 14 1 R = (2.18) a R i 14 i= 1 A színvisszaadási index egy önkényesen definiált mértékegység nélküli mutatószám, melynek maximális értéke (a 2.17 összefüggésből adódóan) 100. Legkisebb értéke matematikailag negatív is lehet, de nulla alatt nem beszélünk színvisszaadásról. A maximum 100-as értéket néha félreértelmezik, mintha az százalékos kifejezést jelentene, és ennek megfelelően helytelenül említik pl. hogy egy fényforrás színvisszaadása 80%. Színvisszaadásuk alapján a fényforrások a 2.1 táblázat szerint kategorizálhatók. 38

39 2.1. Táblázat: Színvisszaadási kategóriák INNOVATÍV VILÁGÍTÁS Kategória Ra Minősítés 1A kiváló 1B kiváló 2A jó 2B jó közepes S 40 alatt rossz Amennyiben egy fényforrás átlagos színvisszaadási indexe matematikailag negatívnak adódik, abban az esetben úgy fogalmazunk, hogy az adott fényforrás színvisszaadása nem értelmezhető. A fényforrások színhűségének jellemzésére napjainkban is a színvisszaadási indexet használjuk. A LEDek elterjedésével azonban egyre inkább előtérbe került az a felvetés, hogy ez az értékelési eljárás nem ideális, mert már a LEDek korai generációjában is voltak olyanok, amelyek mellett a felületszínek viszonylag elfogadhatóak voltak, miközben a fényforrás hagyományos színvisszaadási indexe a 3. vagy az S kategóriába tartozott. Éppen ezért jelenleg is zajlanak olyan vizsgálatok, amelyek segítségével a fényforrások színhűségének jellemzésére a színvisszaadási indexnél jobb formulát kívánnak felállítani. Mint láttuk, a színvisszaadás meghatározása a színkülönbségek számításán, azaz az egyes színpontok közötti távolság számításán alapul. A számított színkülönbségek akkor jellemzik jól a színbeli eltéréseket, ha két szín eltérésének szubjektív megítélése arányos a számított színkülönbséggel. Ha az XYZ-színrendszerben megvizsgáljuk, hogy egy adott színponttól különböző irányokba történő, azonos szubjektív megítélésű eltéréshez mekkora színkülönbségek tartoznak, akkor megállapíthatjuk, hogy ezek az értékek a különböző irányba eltérőek. Egy színtől szubjektíve azonos mértékben eltérő színek színpontjai tehát a referenciapont körül nem kör, hanem ellipszis mentén helyezkednek el. Ezeket nevezzük MacAdam ellipsziseknek (ld ábra). Azokat a színrendszereket (színtereket), amelyekben az egyenlő színérzet különbségekhez nem egyenlő színkülönbségek tartoznak, nem egyenlő közű színtereknek nevezzük. Ilyen például az RGB vagy az XYZ-színrendszer is ábra: MacAdam ellipszisek Az XYZ-színrendszerből nem lineáris transzformációval eljuthatunk olyan színtérbe is, ahol az egyenlő színérzet különbségekhez egyenlő színkülönbségek tartoznak. Ilyen színtérből több is létezik, és gyűjtőnevük: egyenlő közű színterek. Van köztük olyan, amelyikben a színkülönbségekre (távolságokra) helyezik a hangsúlyt, és van olyan, amelyikben a színezet megfelelő eloszlására, az irányokra vannak elsődleges tekintettel. A felhasználási céltól függ, hogy mikor, melyik színteret (színrendszert) részesítik előnyben. A ábrán a két leggyakrabban használt kvázi egyenlő közű színteret. Mutatjuk be. Az Labszínrendszert főként másodlagos sugárzók azaz felületek színtani jellemzésére, míg az Luv-színrendszert főként az elsődleges sugárzók azaz fényforrások jellemzésére használják. 39

40 a.) Lab-színrendszer ábra: Egyenlő közű színterek 2.3 Az emberi szem és a látás mechanizmusa b.) Luv-színrendszer A látás egy bonyolult pszicho-fizikai folyamat, melyben a szem az érzékelő szerepét tölti be. A szembe érkező látható sugárzást a receptorok fotokémiai mechanizmusokon keresztül elektromos jellé alakítják, és ez a látóidegeken keresztül jut az agyba, ahol megtörténik annak feldolgozása. Az agy a látóidegeken keresztül kapott elektromos információk és az emlékezési mechanizmusok alapján alakítja ki a látott képet. A látás (képfeldolgozás) agyi folyamatairól még keveset tudunk, de az orvostudomány már meglehetősen sok ismerettel rendelkezik a szem működéséről, a fény érzékelésének módjáról. Mivel ennek fizikai és biológiai korlátai vannak, a világítástechnikus számára fontos, hogy megismerje azokat a fényérzékelés szempontjából fontos folyamatokat, amelyekre a világítás hatással van Az emberi szem felépítése 2 A közel gömb-alakú szem a csontos koponyában védetten helyezkedik el. Egyes részeit a 2.26 ábra szemlélteti. A szem legkülső rétege az ínhártya, melynek látható része a szaruhártya. A szem hátsó oldalán ebből lép ki a látóidegeket tartalmazó köteg. Az ínhártyát béleli ki a pigmentekkel borított, erekkel sűrűn behálózott érhártya. A sötétbarna pigmentszemcsék a szóródó fény csökkentésére szolgálnak. Szerepük hasonló a fényképezőgép belsejének fekete festéséhez. Az érhártya külső része a sugártestből eredő szivárványhártya, amely az ember szemének színét meghatározza. A szivárványhártya nyílása a pupilla. A szivárványhártya izmai a pupilla nyílásának változtatására képesek. Az így elérhető fényváltozás azonban a szem alkalmazkodóképességének csupán kis részét teszi ki, a fennmaradó mintegy 6 nagyságrendet kitevő részt az érzékelő mechanizmus magyarázza. 2 Világítástechnika I. jegyzet (KVK-2024) 2.1 fejezet 40

41 2.26. ábra: Az emberi szem felépítése ábra: A retina szerkezete 4 A szem fényérzékelőit tartalmazó réteg az ideghártya, idegen kifejezéssel a retina. Ezen a szemtengely közelében a pupillával átellenben található a sárgafolt (fovea), melynek mintegy 2 -os centrális része a látógödör (fovea centralis). A szem optikai elemei a retinára képezik le a külvilágot, így annak egyes részei a külső térrészeknek felelnek meg. A látógödörtől mintegy 15 távolságban, az orr felőli oldalon helyezkedik el a látóideg kilépési helye. Mivel itt nincsenek idegvégződések, itt látásérzet sem keletkezik. Ezt a kb. 2 mm 2 nagyságú területet vakfoltnak nevezzük. A retina szerkezetének vázlata a 2.27 ábrán látható. (Az ábrát úgy kell értelmeznünk, hogy a fény az ábrán alulról érkezik.) A retina külső felén (a fény érkezésével ellentétes oldalon) helyezkednek el a látás szempontjából fontos idegvégződések (receptorok). Ezeknek kétféle típusát különböztetjük meg: a nagyobb érzékenységű, de kisebb felbontóképességű és lassabb ingerületvezetésű pálcák főleg a látótér külső részén helyezkednek el, míg a csapok főleg a sárgafolt mintegy 1 mm-nyi középső részén, a látógödörben találhatók. Ezek kisebb érzékenységűek ugyan, de felbontóképességük nagyobb a csapokénál, így ezek játszanak szerepet az éleslátásban. Működésük is gyorsabb, mint a pálcáké. A csapokból a hullámhossz szerinti érzékenységük alapján három típust különböztetünk meg: a rövid hullámhosszakra (kék, ~420 nm) érzékeny S, a közepes hullámhosszakra érzékeny (zöld, ~530 nm) M, illetve a hosszú hullámhosszakra (vörös, ~560 nm) érzékeny L típusokat. Ezek spektrális érzékenységét mutatja be a 2.28 ábra. Az emberi szemben mintegy csap található. Legnagyobb sűrűségük kb db/mm 2 a látógödör területére esik, ahol az éleslátás jellemző. Ettől kifelé haladva sűrűségük rohamosan csökken. A pálcák száma mintegy , vagyis jelentősen nagyobb, mint a csapok száma. Sűrűségük a látógödör környékén a legkisebb, majd a periféria felé haladva rohamosan növekszik, és a látógödörtől távolságban elérve maximális sűrűségüket számuk egyre csökken (ld ábra). A retinán a receptorokon kívül további idegsejtek (horizontális, bipoláris, amakrin és ganglion sejek) helyezkednek el, melyek szerepe a receptorok által generált ingerületek előzetes feldolgozása, összegzése, kódolása és jeltovábbítása. Ezek a sejtek a fény irányát tekintve a receptorok előtt helyezkednek el, azaz a receptorokat elérő fénynek ezeket át kell világítania. Ezen sejtek működésére jelen jegyzetünkben nem térünk ki, azt azonban 3 ( ) 4 ( ) 41

42 fontos megjegyezni, hogy a receptorok által gerjesztett elektromos jelek ezen sejtek segítségével már előzetes jelfeldolgozáson esnek át, vagyis az agy nem egy az egyben kap információt a receptorok által érzékelt képpontokról, hanem a receptorok kvázi kommunikálnak egymással, és az agyba a receptorok egyes csoportjainak előzetesen feldolgozott jele (információja) érkezik ábra: Csapok spektrális érzékenysége ábra: Csapok és pálcák eloszlása a retinán 6 A retinán található a jelfeldolgozásban szerepet játszó sejtek közül külön említést kell tennünk a ganglion sejtekről, melyek az orvostudomány legújabb eredményei szerint más funkcióval is rendelkeznek. A legújabb kutatási eredmények szerint ugyanis ezek a sejtek önállóan is képesek a fény érzékelésére, de ezen fényérzékenységük nem játszik szerepet a látási folyamatban, hanem a vizuális cortex-et kikerülve közvetlenül befolyásolják a vegetatív idegrendszert. Ennek jelentőségéről bővebben olvashatunk a 6.1 fejezetben. A szem optikai rendszere a szaruhártyából, a csarnokból, a lencséből és az üvegtestből áll. A csarnokot kitöltő csarnokvíz táplálja a szaruhártyát, amelynek nincsenek erei. A szemlencse átlátszó, rugalmas anyagú bikonvex lencse, melynek görbületi sugarát az ún. ciliáris izmok segítségével lehet változtatni. Ily módon folytonosan változtatható fókusztávolságú Zoom lencséje van az emberi szemnek. A szemlencse és a retina közötti teret az átlátszó, kocsonyás anyagú üvegtest tölti ki. Az egész szemgolyó mozgatását a zsíros kötőszövettel bélelt szemüregben a hat szemmozgató izom teszi lehetővé. A látótér mérete (kétszemes látás esetén) a vízszintes síkban mindkét irányban kb. 100, a vízszintes síktól felfelé 50 60, lefelé A látás mechanizmusa A látási folyamat a nézett tárgynak a retinára történő optikai leképzésével kezdődik. Ennek alapelve a centrális leképzés, aminek lényege, hogy a tárgyról induló fénysugarak egy közös pontban keresztezve egymást jutnak a retinára, amin ennek következtében fordított állású, kicsinyített valódi kép alakul ki. A centrális leképzés történhet optikai elemek felhasználása nélkül (ld. camera obscura), vagy mint az emberi szemben is optikai elem (bikonvex lencse) közbeiktatásával. 5 ( ) 6 ( ) 42

43 A látott kép élességét nagymértékben befolyásolja a szemlencse görbületi sugarának megfelelő beállítása, amiről a ciliáris izmok gondoskodnak. Ezek gyengülésével illetve a szemlencse rugalmasságának csökkenésével a látás élessége csökken, amit megfelelő szemüveg alkalmazásával lehet korrigálni. Mivel a képalkotás a retinán a centrális leképzés elvén alapul, az éleslátás hibái nemcsak szemüveg alkalmazásával, hanem a centrális leképzés másik módszere alapján is korrigálhatók. Szemüveges emberek megfigyelhetik, hogy szemüveg hiányában ábra: Centrális leképzés ujjaikkal kicsiny nyílást képezve és azon átnézve ugyanolyan éles képet látnak, mint megfelelően kiválasztott szemüveggel. A tárgy képe tehát a retinán fordítottan és kicsinyítve jelenik meg úgy, hogy az egyes képpontok különböző receptorokat ingerelnek. Fényinger hatására a receptorokban biokémiai folyamatok indulnak be. Sötétben termelődik az ún. látóbíbor, ami fény hatására lebomlik. Ennek következtében a receptorokon elektromos potenciálváltozás jön létre, azaz a fény intenzitásával (fénysűrűséggel) arányos elektromos jel keletkezik, melynek amplitúdója arányos a fénysűrűséggel. Az agyba azonban nem ez az amplitúdómodulált jel érkezik, hanem a retinán található további sejtek segítségével egy nagyfrekvenciájú jel indul el a vizuális cortex felé, melynek frekvenciája arányos a fényinger nagyságával. Úgy is fogalmazhatunk, hogy az emberi szemben egy AD-átalakítás (analóg-digitális konverzió) játszódik le. Ezek után joggal hihetnénk, hogy az agy ezt a digitális jelet képpontonként dekódolja, és ezek alapján alakul ki a látott kép. Ez azonban nem ennyire egyszerűen történik. Mindannyian láttunk már olyan képeket, amelyek optikai csalódás alapján becsapták látásunkat. Ez azért van, mert a látott képet az agy az emlékezetben tárolt képekkel kívánja összehasonlítani, és ezek alapján dönt arról, hogy valójában mit is lát. Ebbe az összehasonlításba beletartoznak az irány- és formafelismerések, és számos olyan pszichológiai tényező, amelyek az orvostudomány mai állása alapján még nem eléggé ismertek. Azt azonban leszögezhetjük, hogy a látott kép nemcsak attól ábra: Optikai csalódás (fiatal, vagy öreg?) függ, hogy milyen fényinger éri az emberi szemet, hanem attól is, hogy az agy bonyolult működése alapján ezt hogyan dolgozza fel. Egyetlen példával hagy illusztráljuk ezt a bonyolult agyi tevékenységet: A 2.31 ábrán látható kép nem egyértelmű. Van, aki egy idős banyát lát rajta, és van, aki egy fiatal dámát. A különbség nem a fényingerben rejlik, még csak nem is az emberi szem működésében, hanem az agyi tevékenységben. A világítástechnikus számára azért fontosak ezek az ismeretek, mert feladatunk az, hogy olyan világítási körülményeket teremtsünk, amelyek mellet még ha az agy be is 43

44 csapható legalább az érzékelőbe, a szembe olyan információk jussanak el, ami a legpontosabb érzékelést teszik lehetővé. A látás mechanizmusának ismertetése során ki kell térnünk a színlátás módjára is. Mint korábban említettük, a színlátásban a háromféle hullámhossz-tartományra érzékeny csapok vesznek részt. Ezek az érzékelési tartományok összhangban vannak a fejezetben említett R-G-B alapszínekkel, joggal feltételezhetjük tehát, hogy színlátásunk azon alapul, hogy a három csaptípus mennyi vörös, zöld ill. kék fény ingert továbbít az agynak. A valóságban azonban ez a folyamat is bonyolultabb. Az agyba ugyanis nem a három receptor ingerei érkeznek közvetlenül, hanem ezek is előzetes feldolgozáson esnek át. A Young- Helmholtz elmélet ugyanis kimondja, hogy a színek tekintetében valóban három inger (stimulus) érkezik az agyba, de ezek nem közvetlenül a három alapszín összetevői, hanem azok bizonyos kombinációi. A 2.32 ábra alapján láthatjuk, hogy a három alapinformáció közül az első akromatikus, vagyis a ábra: Színlátás a Young-Helmholtz elmélet szerint 7 kromatikus (színtani) információt hordoz, mégpedig a vörös-zöld ill. a sárga-kék ellentétről. Ezen három információ alapján alakítja ki az agy a látott szín képét. A vörös-zöld ill. sárga-kék ellentét egyébként színlátásunkban azért jelentős, mert ezek a színpárok a természetes színlátás alapján kialakított színkörön (2.33 ábra) egymással szemben helyezkednek el. Színlátásunk tehát nem a három alapszín egymástól független érzékelésén, hanem a vöröszöld ill. sárga-kék ellentét valamint a fénysűrűség érzékelésén alapul. fénysűrűséggel arányos, azaz a három csaptípus ingereinek összegével arányos. A másik két jel ábra: Színkör A világítástechnikával összefüggő látási folyamatok Akkomodáció Az egészséges, normális fénytörésű (emmetrop) szem nyugalmi állapotban a végtelen távoli tárgy képét a retinára képezi le. A végtelen távolságban levő tárgyak képét a szemlencse domborúságának változtatásával állítja élesre a szem. A fiatal szem rugalmas szövetei, izmai tág határok között képesek a lencse domborulatát változtatni. A szemnek ezt az alkalmazkodóképességét akkomodációnak nevezzük. A szem akkomodációs képessége az életkor előrehaladtával folyamatosan csökken, a lencsefeszítő izmok erejének csökkenése és a lencse rugalmasságának csökkenése miatt a 7 ( ) 44

45 közelpont állandóan távolodik. Az idomulási tartomány függ a fénysűrűségtől, így nagyobb világítási szinttel az időskori élettani messzelátás bizonyos fokig kompenzálható. A legtöbb embernél azonban év között szükségessé válik a közeli tárgyak szemléléséhez, olvasáshoz korrekciós szemüveg Táblázat: A dioptria az életkor függvényében Életkor Közepes dioptria Szórás 8 13,8 2, , , , ,5 A szem akkomodációs képességét a dioptriával jellemezzük. Ez a közelpont méterben kifejezett értékének reciproka. A közelpont távolságát úgy kaphatjuk meg, hogy egy élesnek látszó képet addig közelítünk a szemünk felé, amíg már nem tudunk ráfókuszálni. Az életkor előrehaladtával mint említettük ez a távolság folyamatosan növekszik, vagyis a szem dioptriája a 2.2 táblázat szerint folyamatosan csökken. Korábbi fizikai tanulmányainkból tudjuk, hogy az anyagok így a szemlencse törésmutatója is a hullámhossz függvényében változik. Ennek következményeként a szem mindig csak egyetlen hullámhosszúságú fényre tud egyszerre ráfókuszálni. A fókuszpont eltolódása a hullámhossz változása miatt általában olyan csekély mértékű, hogy nem okoz gondot az éleslátásunkban. Ha viszont egymás ábra: Kromatikus aberráció mellett nagyon eltérő hullámhosszúságú képpontokat (pl. piros és kék) kell szemlélnünk, akkor ez már folyamatos akkomodációs kényszert jelenthet a szemnek, ami gyors kifáradáshoz vezethet. A szemlencse fókuszpontjának a hullámhossz szerinti eltolódását kromatikus aberrációnak nevezzük (ld ábra). Adaptáció Ha világos térből sötétbe megyünk, vagy fordítva, látásunk hirtelen romlik. A romlás mértéke annál nagyobb, minél nagyobb a két fénysűrűség közötti különbség. Az új világítási szinten látásunk egy idő után újra javul és adott idő után nem változik. Az eközben lezajló folyamatot illeszkedésnek vagy adaptációnak nevezzük. Az emberi szem nagyon széles határok között képes illeszkedni (kb szörös tartományt fog át). Ebben a folyamatban részt vesz a pupilla, melynek átmérője 1:4 arányban képes változni, ennek megfelelően a pupilla tágasságával szoros fénysűrűsség-különbséget képes kiegyenlíteni. Az ennél jóval nagyobb mértékű fénysűrűség-változásokhoz történő illeszkedés részint a fotokémiai folyamatok megváltozásának, részint pedig a pálcák ill. csapok működésének köszönhető. Az adaptáció sebessége eltérő, ha világosról kell sötétre ill. sötétről világosra illeszkednünk. Az utóbbi jóval gyorsabban játszódik le. Ennek főként a közvilágítás területén van jelentősége. Amikor ugyanis egy kivilágított útszakaszról egy kivilágítatlanra hajtunk át, akkor a szemnek jelentős időre van szüksége az illeszkedéshez. Ezalatt az idő alatt a látásunk oly mértékben romlik, hogy lehetnek olyan tárgyak, amelyeket nem veszünk észre, hiszen szemünk még nem készült fel a kisebb fénysűrűségek érzékelésére. Ez a tény már számos közúti balesetben szerepet játszott, ezért a világítástechnikusnak fokozottan oda kell figyelnie az adaptáció jelentőségére. Az adaptációs állapot elérésnek és fenntartásának a világítástechnikában kiemelt jelentősége van. A látási folyamatok közül ez az, amit a világítástechnikus leginkább 45

46 befolyásolni tud. A látás akkor optimális, ha szemünk a látómező átlagos fénysűrűségéhez illeszkedett állapotban van. Ez megvalósul akkor, amikor folyamatosan nézünk egy adott területet. Abban az esetben azonban, amikor felváltva különböző fénysűrűségű felületeket szemlélünk, a szem folyamatos adaptációs kényszernek van kitéve. Ilyen lehet például, amikor egy iskolai foglakozás során felváltva tekintünk a sötét táblára és a világos füzetünkre. Az adaptációs állapot bármely olyan mértékű megzavarása, amelyet szemünk nem képes gyors illeszkedési mechanizmussal kiegyenlíteni, rontja a látási teljesítményt, idő előtti fáradást okoz. Ennek elkerülésére ügyelni kell arra, hogy: a.) a látómezőben ne jelenhessen meg aránytalanul nagy fénysűrűségű felület (káprázás), b.) a megvilágítás térbeli egyenletességét biztosítsuk, c.) a megvilágítás időbeli egyenletessége kielégítse a követelményeket. A világítástechnikában gyakran használt fogalom az adaptációs fénysűrűség. Ez azt a fénysűrűség értéket jelenti, amelyhez a szem működése aktuálisan illeszkedett. Az adaptációs fénysűrűség tehát nem feltétlenül egyezik meg a látótér átlagos fénysűrűségével, azonban amennyiben a látótér változatlan marad, a szem alkalmazkodik annak átlagos fénysűrűségéhez, és idővel az adaptációs fénysűrűség megegyezik a látótér átlagos fénysűrűségével. Ezt az állapotot nevezzük adaptált állapotnak, amikor a szem a legkisebb vizuális igénybevételnek van kitéve. Különbségérzékelés A szemlélt tárgyakat, azok részleteit akkor tudjuk felismerni, ha azok eltérnek (elkülönülnek) környezetüktől. A látás szempontjából tehát az abszolút fényérzékenységnél jellemzőbb mennyiség a különbségérzékelés. Voltaképpen az abszolút fényérzékenység nem más, mint a háttérhez viszonyított, még éppen érzékelhető küszöbfénysűrűség, abban az esetben, ha a háttér sötét, azaz fénysűrűsége nulla. Az abszolút küszöbfénysűrűségre jellemző adatként közlik, hogy teljes sötétadaptáció esetén a szaruhártyán mért 10-9 lx megvilágítás még észlelhető. A tárgyak észleléséhez tehát az szükséges, hogy környezetüktől fénysűrűségben, ill. csapmechanizmussal való látás esetén, színben eltérjenek. Ezen eltérés érzékelését nevezzük kontrasztnak. Mivel a különbségérzékelés létrejöhet eltérő fénysűrűségű ill. eltérő színű felületek esetében is, így megkülönböztetjük a fénysűrűség-kontraszt és a színkontraszt fogalmát. Világítástechnikai szempontból az előbbi a mérvadó. A fénysűrűség-kontraszt jellemzésére a (2.19) összefüggés szolgál. L c = (2.19) L Lényeges, hogy a kontraszt valamilyen fénysűrűség különbségnek egy adott fénysűrűséghez való viszonyát jelenti. A szakirodalomban többféle formulát is találhatunk ennek matematikai leírására, de a leggyakrabban alkalmazott összefüggés a (2.20) képlet. Ltárgy Lháttér c = (2.20) Lháttér ahol: c a kontraszt, L háttér a háttér fénysűrűsége, míg L tárgy a tárgy fénysűrűsége. Amennyiben a tárgy fénysűrűsége nagyobb a háttér fénysűrűségénél, abban az esetben c értéke pozitív, és ilyenkor pozitív kontrasztról beszélünk. Ellenkező esetben használjuk a negatív kontraszt fogalmát. Annak jellemzésére, hogy mi az a legkisebb kontraszt, amit szemünk még érzékelni képes, használjuk a kontrasztérzékenység fogalmát. Ennek matematikai megfogalmazását 46

47 tartalmazza a (2.21) összefüggés, ahol S C a kontrasztérzékenység, L az adaptációs fénysűrűség és L min az a minimális fénysűrűség, amit szemünk már érzékelni képes. L S c = (2.21) L min A kontrasztérzékenység tehát azt mutatja meg, hogy adott adaptációs fénysűrűség mellett mi az a minimális fénysűrűség különbség, amit szemünk érzékelni képes. (Ez az érték minél kisebb, vagyis a 2.21 képlet nevezője minél kisebb, a tört értéke a kontrasztérzékenység annál nagyobb.) Az emberi szem kontrasztérzékenysége függ az adaptációs fénysűrűség értékétől. Ezt mutatja be a 2.35 ábra ábra: Kontrasztérzékenység alakulása az adaptációs fénysűrűség függvényében Az ábrán látható az adaptációs fénysűrűséghez viszonyított, még észlelhető kontrasztérzékenység az adaptációs fénysűrűség függvényében. Látható, hogy néhány száz cd/m 2 -ig a kontrasztérzékenység növekszik, azaz relatíve egyre kisebb fénysűrűségkülönbségeket tudunk érzékelni. Ezután hiába növeljük a fénysűrűséget, a kontrasztérzékenység tovább nem növelhető, sőt, túl nagy fénysűrűségnél a káprázás miatt már romlik is. A közölt értékeket befolyásolja még a látómező és a tárgy mérete, az észlelési idő, a határfelület élessége és alakja, a szem illeszkedési állapota. Logaritmikus érzékelés Minden érzékelési mechanizmusunkra (így a látásunkra is) igaz, hogy az érzékelt fizikai mennyiségnek van egy olyan minimális értéke, amelynél kisebbet már nem tudunk érzékelni, illetve két (érzékelt) fizikai mennyiség között csak akkor tudunk különbséget tenni, ha a különbség relatíve összemérhető az érzékelt mennyiséggel. Konkrét példán keresztül érzékeltetve ez a következőképpen néz ki: Létezik egy minimális súly, amit képesek vagyunk érzékelni (pl. egy cseresznye). Azt is meg tudjuk különböztetni, hogy egy vagy két cseresznyét tartunk a kezünkben. Azt viszont már nem tudjuk megkülönböztetni, hogy 100 vagy 101 cseresznyét méregetünk. 100 és 200 cseresznye között azonban újra különbséget tudunk tenni. Érzékelési képességeinknek ezt a jellemzését (a világítástechnikára vonatkoztatva) Weber és Fechner a (2.22) összefüggéssel írta le: É = k ln L (2.22) 47

48 dl illetve dé = k (2.23) L ahol É a fényérzet, L a környezetre jellemző adaptációs fénysűrűség és dl a vizsgált fénysűrűségek közötti különbség. A Weber-Fechner törvény tehát világítástechnikai szempontból azt mondja ki, hogy a fényérzet változás arányos a fényinger változás logaritmusával, azaz csekély mértékű fénysűrűség változást az emberi szem képtelen észrevenni. Ezt az összefüggést használják ki azok, akik energia megtakarítás címén csökkentik a fényáramot, mondván, a fényáram csökkenés alig érzékelhető. Ez a tény igaz, de a világítástechnikusnak el kell tudnia dönteni, hogy mekkora megvilágítás (fénysűrűség) csökkenést tud elfogadni az adott világítási feladathoz. A Weber-Fechner törvény helytelen gyakorlati alkalmazása tehát elsődlegesen azokat a gazdasági érdekeltségeket segíti, amelyek abban érdekeltek, hogy minél kisebb fényáramot szolgáltassanak, mondván: a csökkenést az emberek úgy sem fogják érzékelni. A világítástechnikusnak azonban mérlegelnie kell, hogy a mérhető fizikai paraméterek változása mellett hogyan változnak meg a fotometriai paraméterek, és elsődlegesen ezek alapján kell értékelést megfogalmazniuk. Időfüggő látási folyamatok A világítástechnika szempontjából főleg a periodikus, viszonylag gyorsan változó fényjelek érzékelése fontos kérdés (tévé, filmtechnika, váltakozóáramról táplált fényforrások). Az egyes impulzusok felől haladva először villogást észlelünk, amely a frekvencia növelésével látszólag folyamatos fényingerbe megy át. Azt a frekvenciát, amelyen a villogás állandó fénysűrűségbe olvad össze, fúziós frekvenciának nevezzük. A fúziós frekvencia elsősorban az átlagos fénysűrűség nagyságától függ, de értéke személyes biológiai adottságok miatt minden embernél más és más lehet. A fénycsöveknél a szokásos belsőtéri fénysűrűségek mellett, a fúziós frekvencia 70 Hz alatt marad. Mozifilmek nézésekor ahol (frekvencia 48 kép/s) már 30 cd/m 2 -nél villogásra kell számítani. A tárgyak észlelési sebessége szintén függ a megvilágítási viszonyoktól. A látómező fénysűrűségén kívül az észlelési sebesség függ a tárgy látószögétől és a tárgy és a háttér fénysűrűség-viszonyától. Ezt a jelenséget mozgó berendezések (futószalag, vasúti kocsik jelzése stb.) és sportlétesítmények világításánál kell figyelembe venni. Az álló tárgyakon egyébként villogást nem okozó, periodikusan ingadozó fény forgómozgást végző tárgyakon megtévesztő mozgásállapot érzékelését idézheti elő, az ún. stroboszkóp hatás miatt. Ha a forgó tárgy periódusa a fény villogási periódusával megegyezik, vagy annak egészszámú többszöröse, állónak látjuk, különféle frekvenciaarányok esetében a forgás a valóságosnál lassabbnak tűnhet. Ezt a jelenséget figyelembe kell venni, ha forgó gépeket világítunk váltakozó áramról táplált fényforrásokkal, amelyeknek fénye kisebbnagyobb mértékben ingadozik a hálózati periódus folyamán. Az időfüggő látási folyamatok értékelése tehát azon alapszik, hogy a fénysűrűségváltozás sebessége milyen. Az emberi szem ugyanis képes felismerni a fénysűrűség bizonyos gyorsaságú (25-50 Hz) változását, de ennél nagyobb frekvencia esetén a fénysűrűség-változás mértékét az emberi szem átlagolja a összefüggés szerint: 1 L = L( t) dt (2.24) T A 2.24 összefüggés (Talbot-törvény) tehát azt mondja ki, hogy időben változó fénysűrűségek esetén a mért (átlagos) fénysűrűség hogyan alakul az adott felület reflexiós tulajdonságait figyelembe véve. 48

49 2.4 A jó világítás mennyiségi és minőségi jellemzői A 2.1 fejezetben már összefoglaltuk a jó világítás kritériumait. Ennek során hangsúlyoztuk az emberközpontúságot, és megállapítottuk, hogy a világítás részben számszerűsíthető paraméterekkel, részben pedig szubjektív megítéléssel értékelhető. Ebben a fejezetben részletezzük azokat a szempontokat, amelyeket a világítás tervezésekor figyelembe kell venni Megvilágítás A megvilágítás fogalmával, meghatározásával, mértékegységével a fejezetben már megismerkedtünk. Idevonatkozó ismereteink kiegészítését az MSz EN és MSz EN jelenleg érvényben levő szabványok megfogalmazásai és előírásai alapján végezzük. Ismeretes, hogy a megvilágítást adott pontban értelmezzük. Egy felületen, vagy helyiségben átlagos megvilágításról beszélhetünk (E av ). Az átlagos megvilágítás a szóbanforgó felület meghatározott pontjain mért megvilágítás értékek számtani közepe. A szabvány a látási feladatnak minimálisan megfelelő megvilágítást ír elő, mely a megvilágításnak karbantartási értéke (E m ). Ez alá az érték alá az átlagos megvilágítás a megadott felületen nem csökkenhet, tehát ezen az értéken a karbantartást el kell végezni. (Természetesen a vizsgált terület egyes pontjain mért megvilágítás lehet kisebb is E m -nél, hiszen a követelmény az átlagos megvilágításra vonatkozik.) A szabvány által ajánlott megvilágítási értékek a következők: 20, 30, 50, 75, 100, 150, 200, 300, 500, 750, 1000, 1500, 2000, 3000, 5000 lx. A skála kiindulási értéke azért 20 lx, mert kb. ennyi szükséges az emberi arcvonások felismeréséhez. A tervezőnek figyelembe kell vennie a világítási berendezés öregedését és szennyeződését. Erre szolgál az ún. avulási tényező (MF). Ez egy 1-nél kisebb szám, mellyel osztva a megvilágítás karbantartási értékét a kezdeti megvilágítást (E i ) kapjuk meg. Az avulási tényező függ a fényforrások, a működtető eszközök, a lámpatest és a környezet avulási jellemzőitől, valamint a karbantartás várható gyakoriságától. Megvilágítást természetesen a tér bármely kiválasztott síkján lehet értelmezni, a világítástechnikai gyakorlatban a vízszintes síkon értelmezett, horizontális megvilágítás (E h ), és a normálisával meghatározott függőleges síkon értelmezett vertikális megvilágítás (E v ) a kitüntetett jelentőségű. Ezeken kívül használunk még nem sík felületen értelmezett megvilágítás fogalmakat is, úgymint: szférikus (gömb felületen értelmezett) megvilágítás ( E0 = LdΩ ); félszférikus (félgömb felületen értelmezett) megvilágítás ( E hs = LdΩ ); 4πsr cilindrikus (hengerpaláston értelmezett) megvilágítás ( E z 2πsr 1 = L sin εdω ) és félcilindrikus π 4 1 (félhenger palástján értelmezett) megvilágítás ( Esz = L sin εdω ). Ezekkel a π 2 πsr fogalmakkal egy geometriai alakzat körülvilágítottságát tudjuk jellemezni, vagyis az alakfelismerés lehetőségéről nyújtanak információt. Megjegyzendő, hogy az előírt értékek a munkafeladat síkjára vonatkoznak. Vízszintes síkon történő munkavégzés esetén álló személynél minimálisan 0,85 m magasan kell a megvilágítást mérni. Közlekedő terekben illetve közvilágításnál a padló síkjában ill. az úttest síkjában kell az előírt értéknek meglennie. πsr 49

50 A közölt és nemzetközileg elfogadott értékeket számos kísérleti személy bevonásával alakították ki. Ahogy káros és szemet rongáló az alulvilágítottság, ugyanúgy kellemetlen és ráadásul energiapazarló a túlvilágítás. Pl. ha valaki 5000 lx megvilágítás mellett olvas, a fehér papír reflexióját figyelembe véve ez kb cd/m 2 fénysűrűséget eredményez, amely tartósan zavarólag hat (kápráztat), közérzetünket rontja. Ugyanakkor a szem logaritmikus fényérzékelése miatt, az 500 lx-hoz képest nem fogunk tízszer jobban látni! Fénysűrűség eloszlása Tudjuk, hogy a szemünk fénysűrűséget észlel, a látást a nézett tárgynak és környezetének fénysűrűsége teszi lehetővé. A fénysűrűséget viszont a megvilágítás és a ρ felület reflexiós tényezője (ρ) befolyásolja. Lambert-felület esetén L = E. A fénysűrűségigényt a munka jellege, a látási feladat határozza meg. Ha a reflexiós viszonyok adottak, π ez meghatározza a szükséges megvilágítás-értéket. (Nem Lambert-felület esetén a ρ π hányadost a q fénysűrűségi tényező helyettesíti, amely szintén a reflexió mértékére utaló mennyiség (ld fejezet). A fejezetben leírtak alapján azt is tudjuk, hogy előnytelen, ha a munkavégzés során szemünknek folyamatosan alkalmazkodnia kell a változó fénysűrűség viszonyokhoz. Az adaptációs kényszer elkerülése érdekében tehát a tér jellemző felületeinek (mennyezet, falak, padló, munkaterület) reflexiós tényezőjét úgy kell megválasztani, hogy a különböző felületek fénysűrűsége között ne legyen kiemelkedően nagy eltérés. A szabvány javaslatot is tesz ezen paraméterekre. Mennyezet: 0,6 0,9 ; falak: 0,3 0,8 ; padló: 0,1 0,5 ; munkaterület: 0,2 0,6. A felületek kialakítása elsődlegesen a belsőépítészek feladata, ezért fontos, hogy a világítástechnikus a világítást a belsőépítészekkel együttműködve alakítsa ki. Amennyiben a felületek reflexiós tényezői jelentősen eltérnek egymástól és így nagy fénysűrűség eltérés várható akkor megfelelő fényeloszlású világítótestek alkalmazásával és megfontolt elhelyezésével tudjuk az adaptációs kényszert csökkenteni. Lényeges tehát, hogy a világítás tervezésénél nemcsak a munkaterület megvilágítására kell gondot fordítani, hanem a környező felületek fénysűrűség viszonyaira is Térbeli és időbeli egyenletesség Térbeli egyenletesség A világítótestek fényeloszlásuktól és elhelyezésüktől függően egy adott térben, térrészben vagy felületen bizonyos megvilágítás-eloszlást hoznak létre, melyet a világítás térbeli egyenletességével (e) fejezünk ki. A térbeli egyenletesség mérőszáma a legkisebb megvilágítású hely megvilágításának (E min ) és az átlagos megvilágításnak (E av ) a hányadosa: E e = min. E av A szabvány kitér arra, hogy a munkaterületnek és közvetlen környezetének átlagos megvilágítása között nagy eltérés ne legyen. A munkaterületen a megvilágítás egyenletességének legalább 0,7-nek, a közvetlen környezetén legalább 0,5-nek kell lennie. Bizonyos esetekben előfordulhat, hogy az általános világítással nem, vagy csak gazdaságtalanul érhető el a megfelelő megvilágítás vagy térbeli egyenletesség. Ilyenkor az általános világítást helyi világítással kell kiegészíteni. 50

51 Egy helyiség általános világításában kedvezőbb egyenletességet érhetünk el, ha A lámpatest fényeloszlásából adódóan túlnyomórészt a mennyezetről visszavert fénnyel világítunk (főleg közvetett vagy közvetett világítási mód). Ugyanazt a fényáramot több, kisebb egységteljesítményű fényforrás szolgáltatja. A helyiséget határoló felületek reflexiós tényezője viszonylag nagy. Az itt ismertetett egyenletesség-definíción kívül ismeretesek egyéb egyenletességi mutatók is. Ilyen pl. az E min /E max aránnyal meghatározott mennyiség (az ún. határegyenletesség), melyet főként a külső terek világításának számításánál alkalmaznak. Időbeli egyenletesség Az a tény, hogy egy világítási berendezés időben nem egyenletes megvilágítást hoz létre, több egymástól erősen különböző okra vezethető vissza. A.) A fényforrások fényáram ingadozása a váltakozó áramú táplálás következtében. A fényforrások fényárama a tápláló hálózat frekvenciájának megfelelő hullámosságot mutat. Ezt jól megfigyelhetjük, ha a fényforrás közelében kistehetetlenségű érzékelőt (pl. fotodiódát) helyezünk el, és róla a fényárammal arányos jelet oszcilloszkópra visszük. A jelenséget többféle mérőszámmal jellemezhetjük: a.) hullámosság: Φ Φ max min Φ min b.) egyenletességi tényező: Φ min Φ max c.) villogási tényező: Φ Φ max min Φ max + Φ min A megvilágítás időbeli egyenletessége függ egyrészt a fényforrás típusától, fizikai működésétől, másrészt az elektromos üzemeltetés módjától is. A lámpatesteket több fázis között elosztva az időbeli egyenletesség jelentősen javítható. A mai, korszerű fényforrások alkalmazásával az egyenletességi tényező megközelítheti, sőt el is érheti az 1 értéket. A nagyfrekvenciával működtetett fénycsöveknél pl. a fénypor utánvilágító hatása gyakorlatilag megszünteti a fényáram ingadozását. Az egyenáramról táplált LEDek esetében pedig egyáltalán nem beszélhetünk hullámosságról. B.) Az élettartam során bekövetkező fényáram csökkenés A világítási berendezések avulása az üzemeltetési idő előrehaladtával szükségszerű fényáram csökkenéssel, és így a megvilágítás csökkenésével jár. Ez részben a fényforrások öregedésének (emittáló anyag, fénypor, volfrám párolgás stb.), részben a berendezés piszkolódásának tudható be. Ha a megvilágítás a kezdeti érték 80%-a alá csökken, a berendezés gazdaságtalanná válik és felújításra szorul. 51

52 2.4.4 Ne lépjen fel káprázás Káprázás akkor lép fel, ha a szemet adaptációs állapotához képest nagy fénysűrűség éri. Vagyis káprázást okoz, ha a látóterünkbe nagy fénysűrűségű felület kerül, jóval nagyobb, mint amelyre a szem éppen adaptálódott. Ez lehet maga a világítótest (fényforrás), ilyenkor közvetlen káprázásról beszélünk, vagy lehet egy erősen megvilágított felület, melyről visszaverődés útján éri túl nagy fénysűrűség a szemet; ez a közvetett káprázás (pl. a nap által megvilágított könyvlap). A kápráztató hatásnak több fokozata van; a zavaró- (pszichológiai) káprázás pusztán látási kényelmetlenséget okoz. Ennél súlyosabb a rontó (fiziológiai) káprázás, ez valóban rontja a látási teljesítményt, csökkentheti a tárgyak felismerhetőségét, végső soron balesetet is okozhat. (pl. szembejövő gépjármű fényszórója). Ennek szélsőséges esete a vakítás, ilyenkor a látás szinte teljesen lehetetlenné válik. A mesterséges világítás területén a káprázás sok esetben a világítási berendezés hibája, s a világítástechnikus fontos feladata a berendezés kápráztató hatásának a minimalizálása (pl. kirakatban rosszul elhelyezett fényforrás kápráztatja a szemlélőt, aki éppen emiatt nem látja a kínált terméket). A káprázás fiziológiai magyarázatával több kutató foglalkozott. Schober szerint az adaptációs fénysűrűséghez egy ún. fátyolfénysűrűség adódik, mely a kápráztató forrás képéről és a szem különböző részein (szemlencse, szaruhártya, üvegtest) szóródó fényekből tevődik össze. Ez a fényfátyol kiterjedhet a szóródások miatt szinte az egész retinára, ily módon csökkentve kontrasztot, és ezzel együtt a látási teljesítményt. Milyen tényezők befolyásolják a káprázás mértékét? Elsősorban a kápráztató felület fénysűrűsége. Tapasztalat szerint 10 4 cd/m 2 fénysűrűség felett már fellép a káprázás. (Ennyi lehet a fénysűrűsége egy lámpatest nélküli szabadon sugárzó fénycsőnek.) A káprázás függ a kápráztató felület nagyságától is, melyet úgy is kifejezhetünk, hogy mekkora térszög alatt látjuk az illető felületet. Befolyásolja a káprázás mértékét a háttér fénysűrűsége, valamint a kápráztató forrásnak és a káprázásnak kitett személy egymáshoz képest elfoglalt helyzete. (Ez megadja, hogy a látótérben van-e kápráztató felület.) Az itt felsorolt négy tényező szemléletesen megmutatkozik a jelenleg alkalmazandó káprázásszámítási képletben (lásd később). A káprázás korlátozásának céljából ismeretesek grafikus és numerikus számítási módszerek, melyek közül kettőt ismertetünk. Magyarországon 2003-ig az MSz-6240 szerint a fénysűrűség-határérték görbék (Söllner-görbék) segítségével történt a kápráztató hatás értékelése tól az MSzEN12464-ben foglaltak alapján az UGR-index használata az előírt. Mivel a előtt installált világítási berendezések felülvizsgálatát az akkor hatályban levő szabvány szerint kell végezni, röviden ismertetjük a Söllner-görbéken alapuló módszert, a téma iránt bővebben érdeklődők lapozzák fel a BMF Világítástechnika II. tankönyv erre vonatkozó fejezetét. 52

53 Fénysűrűség-határérték görbék módszere INNOVATÍV VILÁGÍTÁS ábra: A kisugárzási szög kritikus tartománya A 2.36 ábra a káprázásnak kitett személy és a közvetlen káprázást okozó világítótest egymáshoz viszonyított helyzetét ábrázolja. Azt a függőlegeshez képest mért szöget, amely alatt a személy a világítótestet látja, kisugárzási szögnek nevezzük. A világítótest akkor van a látótérben, ha a kisugárzási szög viszonylag nagy, 45º és 85º fok közötti érték (pl. alacsony mennyezetről függesztett lámpatest). Az ε szöget az ernyőzés pótszögének nevezzük, értéke meghatározza az ernyőzési tartomány nagyságát. A káprázás elkerülése céljából az a döntő, hogy a kritikus tartományban ne jelentsen a világítótest nagy fénysűrűségű felületet. Ezt a feltételt célszerű γ-l függvénykapcsolattal grafikus formában kifejezni. Erre szolgáltak a Söllner-görbék (ld ábra). A vízszintes tengelyen ábrázolták a fénysűrűséget logaritmikus léptékben, a függőleges tengelyen pedig a kisugárzási szöget a kritikus tartományon belül. A kiválasztott görbe segítségével megállapíthatjuk, hogy az illető lámpatest káprázáskorlátozás szempontjából megfelelő-e számunkra. Minden lámpatesthez hozzárendelhető egy γ-l görbe, ezt a katalógusok általában közölték, s ha ez a görbe a mi feltételeinkre érvényes Sölllner-görbétől balra esik, úgy a lámpatest megfelelő. γ 85 Határérték-görbe A lámpatest fénysűrűséggörbe B lámpatest fénysűrűséggörbe L [cd/m 2 ] ábra: Lámpatest kápráztató hatásának megállapítása: Az ábra szerint az A lámpatest megfelelő, a B lámpatest nem. 53

54 A görbeseregből a számunkra mértékadó görbét a szabvány által előírt káprázási fokozat és a helyiségben uralkodó megvilágítás figyelembevételével kell kiválasztani. A káprázási fokozatok: 1. fokozat legszigorúbb 2. fokozat átlagos 3. fokozat mérsékelt káprázáskorlátozást jelentenek. UGR káprázás értékelési skála A zavaró káprázással kapcsolatos számításoknak több, mint fél évszázados története van. Többféle álláspont vált ismeretessé, bonyolult vagy kevésbé bonyolult képletekkel alátámasztva. A kényelmesen kezelhető, de szakmailag nem tökéletes Söllner-módszer helyett kellett a félévszázados viták tapasztalataiból kiindulva új és korrekt eljárást kidolgozni. Így született meg az 1990-es évek első felében a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) munkája nyomán az azóta elfogadott és nálunk óta szabványban rögzített UGR számítási módszer. Az UGR angol elnevezésből eredő betűszó (Unified Glare Rating), és a kápráztató hatás számszerű értékét adja meg a következő képlet alapján: ahol: 2 0,25 L Ω UGR = 8 lg 2 (2.25) Lb p L b L Ω p a háttérfénysűrűség, a világítótestek fénysűrűsége a vizsgált irányban, a térszög, amely alatt a világítótestek látszanak, az úgynevezett Guth-féle pozíció-index. A képletben tehát szerepel az a négy tényező, amely a kápráztató hatást befolyásolja. A fénysűrűség és a térszög fogalmak már ismertek a hallgatók előtt. A pozíció-index megértéséhez a helyiséget képzeletben helyezzük el egy derékszögű térbeli koordinátarendszerben úgy, hogy a megfigyelő szeme ennek a koordináta-rendszernek az origójában legyen, (lásd a 2.38 ábrát), tehát a T-R tengelyek által meghatározott sík az 1,2 m-es szemmagasságban vízszintesen helyezkedik el. A hosszúság (R) a szélesség (T) és a magasság (H) adathármas, ill. a képzett H/R és T/R hányadosok meghatározzák a lámpatest helyzetét a megfigyelőhöz képest ábra: A megfigyelő pozíciója a fényforráshoz képest. 54

55 A H/R és T/R értékpárokból itt nem részletezett számítások alapján egy-egy pozíció-index adódik, melynek nagysága 1-től 16,2-ig terjedhet és a lámpatest-gyártók ennek ismeretében készítik el UGR-táblázataikat. A közölt képlet a módszer elméleti alapját szolgáltatja és a gyakorlati világítástechnikusnak (felhasználónak) a közölt UGR-formulával semmi dolga nincs. A módszernek ui. óriási előnye, hogy táblázatos formában használható; táblázatban adja meg a lámpatest-gyártó, hogy különböző feltételek (geometriai méretek, reflexiós tényezők) esetében a szóban forgó lámpatest káprázás szempontjából milyen UGR-értékkel jellemezhető. A szabványban megadott UGR-skálában az értékek hármasával követik egymást, a legkisebb érték 10, a legnagyobb egyre szigorúbb egyre jobban kápráztat A táblázat kezeléséhez a tervezőnek (felhasználónak) a következő adatokat kell megadnia: a reflexiós tényezők a helyiségben geometriai méretek az alkalmazandó fényforrás(ok) fényárama az adott lámpatest adatai (a lámpatest-katalógus alapján) A lámpatest-katalógusban közölt táblázatból többszörös interpolálással nyerhető az UGR, a reflexiós tényezők és a geometriai méretek ismeretében. A méreteket a fénypont-magasság egész számú többszöröseként fejezi ki. Anélkül, hogy teljes táblázatot közölnénk, lássunk egy gyakorlati példát az UGR meghatározására Táblázat: UGR-értékek adott világítótestre vonatkozóan a reflexiós tényezők és a helyiség-méretek ismeretében. Legyen az elképzelt helyiség szélessége (a) 4 m, hosszúsága (b) 8 m, magassága (c) 3,2 m. Reflexiós tényezők: ρ mennyezet = 0,7 ; ρ fal = 0,3 ; ρ munkasík = 0,2. Szemmagasság = 1,2 m. Kiválasztottuk valamelyik cégnek egy lámpatestjét, (a kibocsátott fényáram történetesen 1200 lm), a cég a gyártmányismertetőjében megadta a lámpatest káprázási tulajdonságaira vonatkozó táblázatot, amelynek egy részletét tartalmazza az itt közölt 2.3 táblázat. Esetünkben: H = 3,2 m - 1,2 m = 2 m a = 4 m = 2 H b = 8 m = 4 H 55

56 A táblázatban levő UGR értékek közül számunkra tehát a 2H 4H vízszintes sornak és a 0,7 ; 0,3 ; 0,2 függőleges sornak megfelelő szám érvényes, vagyis 16,7 lesz. (Példánk adatait úgy választottuk, hogy ne legyen szükség interpolálásra. Ha 16,7 nem nagyobb, mint a helyiségben végzendő tevékenységhez az MSz EN ben előírt UGR-érték, akkor káprázás szempontjából a választott lámpatest megfelelő. Az említett szabvány az egyes tevékenységekhez (a megvilágítás és a színvisszaadási fokozat mellett) az UGR-értéket, vagyis a káprázás legnagyobb megengedett értékét is feltünteti. A 2.4 táblázatban példaképpen feltüntettük néhány helyiségre az MSZ EN /2012 szabvány szerint megengedett legnagyobb UGR értéket: 2.4. Táblázat: Helyiségekre megengedett UGR értékek Helyiség megnevezése Megengedett maximális UGR érték műszaki rajzterem 16 előadóterem 19 bolti eladótér 22 öntödei munkák 25 Természetesen az UGR-módszer sem abszolút tökéletes, vannak alkalmazási korlátai. Nem használhatók a helyiséghez képest túl nagy méretű lámpatestek (Ω 0,1sr), vagy túl kis méretű világítótestek esetében (Ω 0,0003sr). Az eljárás célszerűen és pontosan alkalmazható elsősorban kisméretű és egyszemélyes helyiségek esetében, ahol a fix helyzetű lámpatestek egymástól való távolsága nem nagyobb, mint H/ A fény iránya árnyékhatások A tárgyak térbeliségét, plaszticitását a fény-árnyék arány megfelelő megválasztásával tudjuk kiemelni. Ezt gyakorlatilag úgy érzékeljük, hogy különböző irányokból különböző nagyságú megvilágítást hozunk létre a megvilágítandó tárgy felületén, emiatt a felületek (azonos szín esetén is) eltérő fénysűrűségűek lesznek ábra: A térlátásnak kedvez a határoló felületek eltérő megvilágítása és fénysűrűsége Kedvező árnyékosság alakul ki, ha az E h horizontális megvilágítás minimálisan kétszerese, de nem nagyobb, mint háromszorosa az E v vertikális megvilágításnak. Ugyanez a feltétel érvényes a horizontális és a cilindrikus megvilágítás (E z ) arányára is. Az árnyékosság helyes megválasztásának az adott térben végzett tevékenység szempontjából is jelentősége van. Egyes tevékenységeknek amikor sík felületen dolgozunk a gyenge árnyékosság kedvez (pl. műszaki rajzolás), másoknak amikor a tárgyak 56

57 térbelisége jelentős szerepet kap (pl. órás munka) éppen a nagyobb árnyékosság előnyös. Megfelelő árnyékosságot jól elhelyezett és a fényeloszlás szempontjából helyesen választott lámpatestekkel érhetünk el. Amennyire fontos a világítás térhatásának szempontjából az árnyékosság helyes alkalmazása, annyira kerülendők a munkafelületen keletkező vetett árnyékok. Ennek tipikus példája írás közben a tollat tartó kéz árnyéka, ha jobb kézzel írunk, és jobb oldalról érkezik a fény. (A tantermek ablakai általában éppen ezért a baloldalon vannak.) A látótérben kialakuló fénysűrűség-különbségeknek (a pontban részletezett kontrasztnak) más fontos szerepe is van. A kontraszt mértékét a világítási mód megválasztásával és a nézett felületek reflexiós tulajdonságaival tudjuk befolyásolni. A kontraszt mértéke jelentősen befolyásolja a látási teljesítményt, a nagyobb kontraszt a látást általában megkönnyíti. Ezen kívül a kontraszt mértéke pszichikailag is hat ránk. Az emberi arcot például erőteljes kontraszttal (1:30) megvilágítva drámai hatást tudunk elérni, míg csekély kontraszt esetén lágy, megnyugtató (esetleg unalmas) látványt kelt. Ezt főként a színpadi világításban használják fel a kívánt teátrális hatás fokozására. Képrögzítő eszközök alkalmazása során azonban nem előnyös a túl nagy kontraszt, mert ezen eszközök fénysűrűség átfogási tartománya 1:50 környékén van, így az ennél nagyobb kontrasztot az eszköz nem tudja érzékelni. Ennek megfelelően a stúdióvilágításnál például derítő fényekkel kifejezetten igyekeznek csökkenteni a kialakuló kontraszt mértékét. Bár a színpadvilágítás és a stúdióvilágítás ugyanazon szórakoztató műfajt igyekszik kiszolgálni, mégis a leírtak alapján kitűnik, hogy ezek világítási megoldásai jelentősen eltérhetnek egymástól. A fény irányítottságának jelentős szerepe lehet a sík felületű műtárgyak (olajfestmények, textíliák) megvilágításánál is. Ezen tárgyakat a felületre merőlegesen megvilágítva elsődlegesen a felületen kialakított képet tudjuk hangsúlyozni. Ha azonban ezen tárgyakat a felülettel közel párhuzamosan világítjuk meg, akkor az árnyékhatások következtében elsődlegesen azok textúrája, a felület érdessége válik hangsúlyossá. Ezt a hatást jól lehet alkalmazni például olyan esetekben, amikor egy szőttes szövésmintáját akarjuk kiemelni. A fény irányítottságát eddig csak a fény-árnyékhatások szempontjából elemeztük. A fény irányítottságának azonban jelentős szerepe van a csillogó (irányított szórási indikatrixú) felületek megvilágításánál is. Amennyiben ezen felületeket egy irányból világítjuk meg, úgy azokon bizonyos nézési irányban erőteljes csillogás (nagy fénysűrűség) jelenik meg. Ez hátrányos lehet abban az esetben, ha a nézett felületen valamilyen részletfelismerés (pl. hiba felismerése) szükséges, mert a felület kontrasztviszonyai jelentősen megváltoznak. Amennyiben tehát a csillogó felületeken a részletfelismerés szükséges, úgy az irányított fényt kerülni kell. Ilyen esetben csak szórt fényt, közvetett világítást szabad alkalmazni. Más a helyzet azonban, ha (pl. egy ékszerüzletben) a kiállított ékszerek csillogását akarjuk hangsúlyozni. Ilyen esetben kifejezetten előnyös lehet az irányított világítás. Amikor azonban már a kiválasztott ékszer részleteit (pl. annak mintázatát, a gravírozást) kívánjuk részletesebben megvizsgálni, akkor a szórt fény alkalmazása előnyös Fényszín és színvisszaadás A világítás színhatását az alkalmazott fényforrások színtani tulajdonságai valamint a felületek reflexiós tulajdonságai határozzák meg. Ez utóbbit elsődlegesen a belsőépítészeti elvárások határozzák meg, így a világítástechnikusnak elsődlegesen a fényforrások színtani tulajdonságaira kell ügyelnie. 57

58 A színmegjelenésnek legáltalánosabb használt mennyiségi jellemzője a színhőmérséklet (T C ), illetve a korrelált színhőmérséklet (T CC ill. CCT) (ld fejezet). Ennek értéke szerint csoportosítjuk a fényforrásokat meleg-, semleges és hidegfehér fényforrásokra. Hogy ki, melyik színhőmérsékletet kedveli, az meglehetősen szubjektív megítélés kérdése, de általánosan megfogalmazhatunk néhány szabályt az optimális színhőmérséklet kiválasztásához. Egyes kutatások eredményei alapján kimutatták, hogy az emberek többsége nagy megvilágítás (fénysűrűség) esetén a hideg színeket kedveli, míg kis megvilágításnál a melegebb színeket részesítik előnyben. Ennek megfelelően 500 lx átlagos megvilágítás alatt a meleg (M, T CC <3300 K), 500 és 2000 lx között a semleges, (S, 3300 K<T CC <5300 K), 2000 lx felett a hideg (H, T CC >5300 K) fehér fényű fényforrások alkalmazása szolgáltatja a kellemes közérzetet. Az optimális színhőmérséklet kiválasztását azonban nemcsak a környezet fénysűrűség viszonyai, hanem annak hőmérsékleti viszonyai is befolyásolják. Nagy környezeti hőmérsékletű helyeken (kohászat, pékség, trópusi országok, stb.) előnyben részesítik a hidegfehér fényforrásokat, míg kis környezeti hőmérséklet esetén (hűtőkamrák, skandináv országok, stb.) a melegfehér fényforrásokat alkalmazzák előszeretettel. A megfelelő színhőmérséklet kiválasztása során tekintettel kell lennünk a környezetben lévő felületek színére is. Olyan térben, ahol elsődlegesen a meleg színek uralkodnak (piros, sárga, narancs), célszerű melegfehér fényforrásokat alkalmazni, míg hideg környezeti színek (kék, ibolya, stb.) esetén a fényforrások színhőmérsékletének is ehhez kell igazodnia. A színhőmérsékletnek pszichológiai hatásai is ismeretesek. A melegfehér fény inkább nyugtató, ellazító hatású, míg a hidegfehér fény stimuláló, serkentő hatást vált ki. Ennek ismeretében például egyes gyorséttermek előszeretettel alkalmaznak hidegfehér fényforrásokat nagy megvilágítási szint mellett, serkentve ezzel a fogyasztókat arra, hogy minél gyorsabban fogyasszák el menüjüket, és adják át helyüket az újabb vásárlóknak. Az exkluzív (nagyobb árszínvonalú) éttermekben azonban nem a gyors vendégcsere a cél, hanem az, hogy a vendég minél több időt töltsön el az étteremben. Ennek érdekében melegfehér fényforrásokat alkalmaznak viszonylag kisebb megvilágítási szint mellett. A színhőmérséklet pszichológiai hatásait nemcsak a kereskedelemben, de az ipari termelésben is lehet alkalmazni. Vizsgálatok bizonyítják, hogy nagyobb színhőmérsékletű fényforrások esetén a termelékenység növelhető. Ez gazdaságilag előnyös lehet, de a dolgozók túlzott stimulálása hátrányokkal is járhat. Ennek ismeretében már vannak olyan munkahelyek, ahol a napszakhoz és a munkafolyamatokhoz illeszkedve folyamatosan változtatják a világítás színhőmérsékletét. Munkakezdéskor és a munkaidő végén a melegfehér szín az uralkodó a nyugtató hatás miatt, míg a munkálatok során a stimulálás érdekében a hidegebb színhőmérsékletet alkalmazzák. A fentiekből kitűnik, hogy az optimális színhőmérséklet választás nagyon fontos, de ennek megvalósítására is vannak elvárások. Nem szerencsés, ha egy adott térben a színhőmérséklet beállítására eltérő színhőmérsékletű fényforrásokat alkalmazunk. Egy térrészben ugyanolyan színhőmérsékletű fényforrásokat kell alkalmazni, amennyiben a fényforrásokra közvetlen rálátás nyílik. Amennyiben a színhőmérséklet változtatását (keverését) különböző fényforrásokkal oldják meg, úgy gondoskodni kell arról, hogy a színkeverés valamilyen diffúz (szóró) felület mögött történjen meg úgy, hogy az eltérő színhőmérsékletű fényforrások önállóan ne legyenek felismerhetőek. A színtani tulajdonságok elemzésénél meg kell említenünk azt a tényt is, hogy a színhőmérséklet a látási folyamatokat is befolyásolja. A látásélesség növelésére elsődlegesen 58

59 a melegfehér fényforrások hatnak kedvezően, míg az észlelés sebességét a hidegfehér fényforrások alkalmazásával növelhetjük. Ebből következően olyan helyeken, ahol az észlelés sebessége fontosabb, mint a látásélesség (pl. közvilágítás), a hidegfehér fényforrásokat kell előnyben részesíteni. Ezt a legújabb szakmai kutatások is alátámasztják, aminek értelmében hidegfehér fényforrások alkalmazása esetén kisebb megvilágítási szint alkalmazása is megfelelő lehet Természetes világításhoz való illesztettség Mindenek előtt meg kell jegyeznünk, hogy minden fény természetes, függetlenül attól, hogy azt a természet szolgáltatja számunkra, vagy mesterségesen állítjuk elő. Ennek megfelelően nem beszélhetünk természetes vagy mesterséges fényről, hanem csak természetes vagy mesterséges világításról. Tudjuk, hogy a természet által szolgáltatott fény (mennyiségileg és minőségileg is) nagyon fontos a biológiai funkcióink ellátásához. A természetes világítás mértéke ugyanis meghaladhatja a mesterséges világítás által szolgáltatott paramétereket, ezen kívül pedig spektrális eloszlása kedvezőbb sok a gyakorlatban alkalmazott fényforráshoz viszonyítva. Pontosan ennek köszönhető, hogy napjaink építészeti megoldásai között egyre fontosabbá válik a természetes világítás a minél nagyobb bevilágító felületek alkalmazásával. A természetes világítás azonban csak a nap egy részében szolgáltatja a szabványos világítástechnikai követelményeket, így a mesterséges világítás is szerephez jut a nap egyes részeiben. Olyan helyeken, ahol a természetes és mesterséges világítás is jelen van (akár egyidőben, akár felváltva), a kétféle világítási módot össze kell hangolni. A természetes világítás mértéke és színtani jellemzői a földrajzi helyzettől, az építészeti adottságoktól, az évszaktól, a napszaktól és az időjárási körülményektől függ. Ezen tényezőkbe nem tudunk beavatkozni, ezért a természetes világítást befolyásolni nem tudjuk, legfeljebb csak szükség szerinti árnyékolással korlátozni tudjuk annak mértékét. Ebből következik, hogy a természetes és mesterséges világítás összehangolása alatt elsődlegesen a mesterséges világításnak a természetes világításhoz való illesztését értjük. Az illesztés során egyrészt a térben kialakuló megvilágítási viszonyokat kell összehangolni, másrészt a két világítás színtani illesztését kell elvégezni. Megvilágítási viszonyok összehangolása A természetes világítás a helyiség bevilágítóinak (ablakainak) elhelyezésétől és méretétől függően valamilyen megvilágítás eloszlást hoz létre a belső felületeken. A megvilágítás mértéke és eloszlása az évszaktól, napszaktól és az időjárástól függően folyamatosan változik. Ennek következtében mind térben, mind időben változó módon előfordulhatnak olyan helyek, ahol a megvilágítás értéke nem éri el az adott munkafolyamatra előírt értéket. A mesterséges világítást tehát úgy kell kialakítani, hogy ezeken a helyeken pótolja a hiányzó fényt, miközben a természetes világítás által jól megvilágított területeken nem okoz túlvilágítást. Ehhez célszerű több, önállóan kapcsolható és/vagy szabályozható világítótestet elhelyezni az adott térben, melynek vezérléséről többféleképpen is gondoskodhatunk. A legegyszerűbb és legolcsóbb megoldás, ha az ablakokkal párhuzamos vonalban helyezzük el a lámpatesteket, és ezek elektromos bekötését úgy oldjuk meg, hogy az egyes lámpasorokat önállóan lehessen kapcsolni. Ebben az esetben a természetes világításhoz történő illesztés a helyiségben tartózkodó személyek szubjektív megítélése alapján az egyes lámpasorok fel ill. lekapcsolásával történik. Ezzel a megoldással nem optimalizálható a 59

60 két világítási mód illesztése, de némi költségmegtakarítást jelenthet, ha bizonyos időszakokban nem üzemel minden lámpatest. Hátrányt jelent az is, hogy a vezérlés az emberekre van bízva, így előfordulhat, hogy egyes lámpasorok néha fölöslegesen üzemelnek. Ennél kedvezőbb megoldás, ha a lámpatestek vezérlése, szabályozása (ld. 5. fejezet) automatikusan történik. Ez kialakítható úgy, hogy egy vagy több helyen elhelyezett megvilágítás érzékelő szolgáltatja a vezérlés alapját. Ezek jeleinek kiértékelése alapján elektronikusan vagy számítógépes szoftver segítségével vezérelhetők az egyes lámpatest csoportok. Ennek a megvalósítása már nagyobb beruházási költséggel jár, de alkalmazásával optimalizálható a megvilágítás eloszlása a helyiségben. A módszer gyakorlati megvalósításánál ügyelni kell arra, hogy az időjárási viszonyok változásával a természetes világítás mértéke néha gyorsan is változhat (pl. felhő elvonulásakor), és nem szerencsés, ha a mesterséges világítás szabályozása leköveti ezeket a gyors változásokat. Ennek elkerülésére a szabályozási rendszerbe késleltetést szoktak beépíteni. A megvilágítás érzékelők alkalmazása akár el is hagyható, amennyiben ismert a megvilágítás eloszlás térbeli és időbeli változásának menete. Ilyenkor a különböző lámpatest csoportok fényáramát számítógép segítségével egy előre megírt menetrend szerint szabályozzák. Ezzel a megoldással jól követhetők az évszakok és napszakok okozta változások, de a módszer nem veszi figyelembe az időjárás változás következményeit. További lehetőség még a két világítási mód illesztésére, ha minden lámpatestben elhelyezünk megvilágítás érzékelőket, amelyek úgy szabályozzák az adott lámpatest fényáramát, hogy az alatta lévő területen a megvilágítás egy előre beállított állandó érték legyen. Ilyenkor nincs szükség központi szabályozó egységre (pl. számítógép), ugyanakkor nem is garantálható a teljes világítórendszer összehangolt működése. A világítástechnikusnak a műszaki elvárások és anyagi lehetőségek figyelembe vételével kell eldönteni, hogy melyik módszert alkalmazza, illetve lehetséges még ezek ötvözése is a helyi igények és adottságoknak megfelelően. Színtani illesztés A természetes világítás színhőmérséklete a nap folyamán folyamatosan változik. Napkeltekor semleges fehér, majd a reggeli órákban rohamosan növekszik a színhőmérséklet akár 6000 K fölé is. A délelőtti maximumot elérve ez az érték folyamatosan csökken, és napnyugtakor már melegfehérnek mondható a természetes világítás. Ha egy helyiségben a természetes világítás mértéke mérvadó, de mesterséges világítást is alkalmazunk, akkor nem szerencsés, ha ezek színhőmérséklete jelentősen eltér egymástól. Ilyen esetben tehát a mesterséges világítás színhőmérsékletét illeszteni kell a természetes világításhoz. Ennek során figyelembe kell vennünk, hogy milyen napszakban üzemel a mesterséges világítás, és annak színhőmérsékletét úgy kell megválasztani, hogy az ne térjen el jelentősen a természetes világítás napszakra jellemző értékétől. Amennyiben a mesterséges világítást főként sötétedéskor kapcsoljuk csak be, akkor a meleg vagy semleges fehér színhőmérséklet a kedvező. Ha a mesterséges világítás nappal is üzemel, akkor megfontolandó a semleges vagy hidegfehér lámpák választása. (A színhőmérséklet kiválasztásánál azonban nem szabad figyelmen kívül hagynunk a pontban leírtakat sem.) Amennyiben a világítási rendszer kialakítása lehetővé teszi, akkor érdemes a mesterséges világítás színhőmérsékletét a napszaknak megfelelően változtatni, de ilyenkor is el kell kerülni, hogy a mesterséges világításnál eltérő színhőmérsékletű fényforrások jelenjenek meg a látótérben. 60

61 2.4.8 Üzembiztonság A világítás üzembiztonsága szempontjából meg kell különböztetnünk az alkalmazott eszközök biztonságát illetve a biztonságos munkavégzéshez szükséges világítás fogalmát. Az eszközök biztonsági követelményeiről a 4.2 fejezetben olvashatunk, így ebben a fejezetben csak a biztonságos munkavégzéshez szükséges világítási követelményeket foglaljuk össze. A munkafolyamatok biztonságos elvégzéséhez szükséges fényviszonyokat az ún. üzemi világítás hivatott megteremteni. Ennek különféle gyakorlati megvalósításáról a 10. fejezetben olvashatunk. A világítás azonban akkor nevezhető biztonságosnak, ha az üzemi világításon kívül takarékvilágítás létesítésére is sor került. Hálózati feszültség kimaradása, tűzeset, elektromos zárlat vagy egyéb esemény bizonytalan időre megszüntetheti az üzemi világítást. Ez a lakásvilágításban is sokunk által tapasztalt kellemetlenséget jelent, egy több száz, esetleg több ezer fős munkahelyen, közintézményben viszont a kellemetlenségen túl termeléskiesés, élet- és vagyonbiztonság veszélyeztetését idézheti elő. A világítóberendezések üzembiztonságára vonatkozóan jelenleg az MSz EN előírásai érvényesek. A tartalékvilágítás olyan világítás, amely akkor lép működésbe, amimkor az általános mesterséges világítás tápellátása meghibásodik. Alapvető célja, hogy az üzemi tápellátás megszűnése esetén lehetővé tegye a megkezdett munkafolyamatok szükség szerinti befejezését vagy leállítását és a hely biztonságos elhagyását. A tartalékvilágításnak többféle feladatnak és megoldási módnak megfelelően több fajtája van, melyeket a 2.40 ábra szerint tekinthetünk át: Tartalékvilágítás Biztonsági világítás Helyettesítő világítás Kijárati utak biztonsági világítása Pánik elleni világítás Különösen veszélyes munkaterületek megvilágítása ábra: Tartalékvilágítás területei A biztonsági világítás a tartalékvilágítás azon része, amely megvilágítást szolgáltat a helyiség/épület biztonságos elhagyásához, vagy ezt megelőzően a potenciálisan veszélyes tevékenység befejezéséhez. A kijárati utak biztonsági világítása lehetővé teszi a menekülés eszközeinek felismerését, és azok biztonságos használatát. A szabvány szerint a legfeljebb 2 m széles kijárati utak középvonalában a padló szinten levő megvilágításnak legalább 1 lx-nak kell lennie. Hogy a kijárati úton haladó személyek látóterébe kápráztató világítótest ne legyen, a szabvány kikötést tesz adott fénypontmagasság esetén az adott szögtartományban megengedett maximális fényerősség-értékekre vonatkozóan. Pl. ha a fénypontmagasság a 61

62 padlószint felett 2,5 m-nél kisebb, a lefelé mutató függőleges iránytól mért 60 és 90 közötti tartományban a fényerősség nem lehet nagyobb, mint 500 cd. A pánik elleni világítás a pánikot megelőzve lehetővé teszi az olyan helyre való eljutást, ahonnan a menekülési útvonal egyértelműen felismerhető és elérhető. Irányuljon lefelé a vonatkoztatási területre, de kellő mértékben világítsa meg az efölött 2 m-re levő akadályokat is. A horizontális világítás (E h ) a szabad talajszinten nem lehet kisebb, mint 0,5 lx. A különösen veszélyes munkaterületek világítása a potenciálisan veszélyes helyzetben tevékenykedő személyek biztonságát szolgálja, és lehetővé teszi a szükséges leállítási műveletek biztonságos elvégzését. Itt a megvilágítás a vonatkozási felületen érje el a tevékenységre előírt megvilágításnak legalább a 10 %-át, de nem lehet kisebb, mint 15 lx. A szabvány ezen kívül előírja, hogy a biztonsági világítás céljára 40-nél kisebb színvisszaadási indexű fényforrás nem használható. A helyettesesítő világítás a tartalékvilágításnak az a része, amely a szokásos tevékenység lényegében változatlan elvégzését teszi lehetővé. Ha az erre a célra szolgáló megvilágítás kisebb, mint annak a feladatra előírt minimális értéke, akkor a helyettesítő világítást csak a tevékenység leállításához, befejezéséhez szabad használni Egészségre és környezetre gyakorolt hatás Egy szabványosan tervezett, szabályosan felszerelt és kifogástalanul működő világítási berendezésnek az egészségre nézve káros hatása nincs. Mégis sokszor elhangzanak olyan vélemények, mint pl.: egyes fényforrásoknak káros sugárzása van, villogásuk zavaró, színük kellemetlen, zajosak stb.. Vegyük sorra, milyen válaszokat adhatunk ezekre mai tudományos ismereteink alapján. Fényforrások káros sugárzása A 2.2 fejezetben megismertük az optikai sugárzás hullámhossz szerinti feloszlását, ami szerint megkülönböztetünk ultraibolya (UV), látható és infravörös (IR) sugárzást. Ezek aktinikus hatásairól a 6.1 fejezetben még részletesen olvashatunk. Most elegendő csak annyit megjegyeznünk, hogy a fényforrások spektrális eloszlását működési elvük határozza meg, így valóban léteznek olyan fényforrások, amelyek a látható sugárzáson kívül akár UV, akár IRsugárzást is tartalmaznak. Ismeretes, hogy a szem és bőr egyaránt képes az UV sugárzás elnyelésére, egy bizonyos szintű UV sugárzás pedig megnöveli a rosszindulatú bőrdaganatok kockázatát. Egy másik hatás a látási kontrasztnak az UV-A sugárzás okozta csökkenése. A kérdéssel kiterjedten foglalkoznak nemzetközi szervezetek; így az IRPA (International Radiation Protection Association), melynek biztonsági szabványát számunkra mértékadónak tekinthetjük. Az IRPA által megadott hatásfüggvényből számítható a megengedett t λ 2 besugárzottság H = E( λ t) dλ dt 0 λ 1,, illetve a megengedett expozíciós idő (PET). Hazánkban a 22/2010.(V.7.) EüM rendelet foglalja össze a munkavállalókat érő mesterséges optikai sugárzás expozícióra vonatkozó minimális biztonsági és egészségi követelményeit. Ki kell hangsúlyozni, hogy ezen követelmények radiometriai és nem fotometriai jellemzőkben kerültek meghatározásra, hiszen ezen hatásoknál a sugárzott energia a lényeges és nem annak láthatósága. 62

63 Olyan fényforrásokhoz, melyek sugárzásában az UV hányad viszonylag nagy, védőszűrőket célszerű alkalmazni, illetve a fényforrást UV-t elnyelő burába kell szerelni. Az így kifejlesztett UV-mentes lámpák sugárzásában az UV-tartalom jóval a megengedett határ alatt van. Villogás Ezt a hatást leginkább csak fénycsövek esetében szokták negatívumként emlegetni. A hagyományos (vasmagos) előtétek alkalmazása során a fénycsövek végeinél valóban észlelhető volt 50 Hz-es villogás. Napjainkban a korszerű, elektronikus előtétek alkalmazásával (ld. 4.1 fejezet) a nagyfrekvenciás üzemeltetésnek köszönhetően ez a probléma teljesen megszűnt. Színhatás A fejezetből tudjuk, hogy a fényforrások színtani tulajdonságai a színképükkel (teljesítményük spektrális eloszlásával) vannak összefüggésben. Színtanilag optimálisnak tekinthető az a fényforrás, amelyik minden hullámhosszon egyenlő teljesítménnyel sugároz (equienergetikus). Ilyen a gyakorlatban nem létezik. Fényforrásaink spektruma vagy folytonos (minden hullámhosszon sugároz, de nem egyenlő mértékben), vagy vonalas (azaz csak bizonyos hullámhosszú vonalak jelennek meg a színképében). A kisülő fényforrások ilyenek. A vonalas spektrum mivel bizonyos színeket nem tartalmaz színtanilag előnytelen lehetne, de a mai fényportechnológiának köszönhetően a kisülőlámpák ezen hiányossága folyamatosan csökken. Ugyanez elmondható a LEDekről is, melyeknél szintén az alkalmazott fénypornak köszönhetően gyakorlatilag folytonos spektrumot kapunk. Bizonyos speciális lámpák kivételével napjainkban szinte mindenféle fényforrás színvisszaadási indexe eléri a 80-at, azaz kiváló. Ennek köszönhetően nyugodtan kijelenthetjük, hogy a korszerű fényforrások az általános vizuális feladatoknál színhatás szempontjából megfelelőek. Amennyiben valamilyen munkafolyamathoz speciális színtani igény merül fel, úgy ebben az esetben egyedileg kell kiválasztani a megfelelő esetleg speciális fényforrást. Zajhatás A vasmagos előtétekkel üzemeltetett kisülőlámpák (pl. fénycsövek) esetében az előtét öregedésével a vasmag lemezei fellazulhatnak, így rezgésük kellemetlen zajhatással jár. Emiatt a fénycsöves világítás elterjedésekor sok panasz merült fel a lámpatestek zúgása miatt. A korszerű, nagyfrekvenciás, elektronikus előtétek alkalmazásával ez a probléma is folyamatosan megszűnőben van, ugyanis ezek frekvenciatartománya az emberi fül felső határfrekvenciája felett van, így az esetleges zajuk ami egyébként is minimális nem hallható. Meg kell azonban jegyeznünk, hogy nem megfelelően kialakított elektronikus előtétek is zúghatnak, ezért ezek kiválasztásánál nemcsak a beszerzési árat, hanem a konstrukció minőségét is célszerű figyelembe venni. 63

64 Környezetre gyakorolt hatás Napjainkban szinte minden emberi tevékenység kapcsán felmerül a környezetre ható esetleges ártalmasság kérdése. Ez alól a világítás sem kivétel. A következőkben három olyan területet említünk, ahol a világítástechnikusnak tennie kell a környezetkárosítás elkerülésére. 1. A világítás eszköz oldala. Világítási eszközeink, különösen a fényforrások olyan anyagokat tartalmaznak, amelyek a tönkremenetel után veszélyes hulladékként mérgezik a környezetet. Ilyenek elsősorban a higany, egyéb nehézfémek, és nem azonos mértékben a különféle fényporok. Itt a megoldási lehetőségek: Amennyire lehetséges, minimalizálni a veszélyes anyag (pl. higany) tartalmat, illetve kiváltani a környezetre nem veszélyes anyaggal. Ezek a fényforrásgyártó cégek feladatai, és az utóbbi években több sikeres megoldás is született. A már használatlan fényforrásokat legalábbis részben újrahasznosítani. Ez a recycling, melyet fénycsövek esetében néhány világcég már sikerrel alkalmaz. A tönkrement eszközök kijelölt helyen történő szelektív gyűjtése, majd szakszerű megsemmisítése, ill. környezetkárosodást nem okozó elhelyezése. Ennek megoldása állami feladat, de fegyelmezett megvalósításában a világítási szakembereknek is részt kell venniük. 2. Gazdaságos, energiahatékony világítás. Minden olyan eljárás, amely energiát takarít meg, végeredményben a környezetvédelmet szolgálja. Minden feleslegesen fogyasztott kilowattóra energia az erőműben több fossilis energiahordozó elégetését, több égéstermék kibocsátását, nagyobb légszennyezést jelent. Ezen témakörrel függ össze a ill fejezet, melyek részletes kifejtéséről az 5. ill. 7. fejezetben olvashatunk. 3. Fényszennyezés. A civilizáció káros kísérőjeként a nagyvárosok világítása bizonyos mértékben világítja az égboltot is megnehezítve a csillagászati megfigyeléseket, és rontva az éjszakai állatok életfeltételeit. A magántulajdonokra jutó nem kívánatos fény az emberek éjszakai nyugalmát zavarja. Ennek korlátozása kiemelten fontos. Ezzel a területtel napjainkban sok szervezet és szakember foglalkozik. A fényszennyezés témaköréről részletesebben a 6.3 fejezetben olvashatunk. Az egészségre és környezetre gyakorolt hatások értékelésénél ki kell térnünk egy nagyon fontos szemléletbeli kérdésre. Az emberek sokszor a technikát (pl. a világítástechnikát) okolják bizonyos kellemetlenségekért. Megfeledkezünk azonban arról, hogy ezen technikát az ember hozta létre, és nem kötelező használni. A 2.1 fejezetben már említettük, hogy a természet mindent megad az embernek a megélhetéshez. Ha az ember viszont a természetet kikerülve igyekszik magáról gondoskodni, akkor számolnia kell ennek minden negatív következményével. Ne a mesterséges világítást szidjuk tehát annak esetleges negatív hatásai miatt, hanem az embert, aki a természetes világítást akkor is le kívánja cserélni a mesterségesre, amikor az nem indokolt. 64

65 Szabályozhatóság Mind energetikai megfontolások alapján, mind az optimális látás szempontjából fontos, hogy a mesterséges világítással megfelelő mennyiségű fényt juttassunk a megfelelő helyre a megfelelő időben. Ennek megvalósítását a fényáram-szabályozás teszi lehetővé, aminek technikai részleteiről az 5. fejezetben olvashatunk. Itt kívánjuk megjegyezni, hogy ezen folyamat helyes megnevezése a kiemelten szedett fényáram-szabályozás, és kerülnünk kell az olyan kifejezések használatát, mint pl. fényerő-szabályozás vagy dimmelés. Napjainkban a közintézmények világítását úgy kell kialakítani, hogy azok fényárama legalább az egyes áramkörök külön-külön kapcsolhatóságával szabályozható legyen. A szabályozhatóság azonban nemcsak a belső terekben, de a közvilágításban is egyre jobban előtérbe kerül. A forgalmi viszonyok ugyanis az idő során változnak, és célszerű, ha a világítást is ehhez igazítjuk. A fényáram szabályozás megtervezése során három szempontra kell tekintettel lennünk: mennyiség, hely és idő. Ennek értékelése alapos előkészítési munkát igényel. Mérésekkel ill. statisztikai alapadatokkal meg kell határoznunk, hogy a vizsgált tér mely területein, milyen időpontokban, milyen fotometriai paramétereket kell biztosítanunk. Ennek során figyelembe kell vennünk a környezet világosságát, a területen tartózkodó személyek számát, tevékenységét és látási feladatait. Előfordulnak olyan szituációk, amikor a világítás teljesen lekapcsolható, ha az adott térben nem tartózkodnak személyek (pl. irodákban), de olyan szituációval is találkozhatunk, amikor minimális világításról mindenkor gondoskodnunk kell (pl. parkokban a biztonságérzet elősegítése érdekében a tőlünk távoli helyeken is igényeljük, hogy láthassuk a környezetet). A szabályozás időzítésénél ügyelnünk kell arra, hogy ez ne eredményezze a mesterséges világítás folyamatos villódzását, mert az zavaró lehet. Nagy terek, hosszú útszakaszok fényáram-szabályozásánál előfordulnak olyan megoldások, hogy a tér azon részein, ahol nem tartózkodnak személyek, a fényáramot csökkentik. Amennyiben a térben tartózkodók mozgása miatt a különböző területek folyamatos fényáram csökkentése ill. növelése zavaróvá válhat, akkor ezen megoldás alkalmazhatóságát újra kell értékelni. Az időzítés során ugyancsak tekintettel kell lennünk az emberi szem adaptációs képességeire. A világításnak mindenkor biztosítania kell a szem adaptált állapotát, és nem engedhető meg, hogy a szabályozás következtében szemünk folyamatos adaptációs kényszernek legyen kitéve. A világítás szabályozhatósága tehát nagyon fontos, de csak megfelelő korlátok mellett szabad alkalmazni. A túlkapások ezen a területen is több kárt okozhatnak, mint amennyi hasznot hajtanak. A fényáram szabályozás technikai oldalával az 5. fejezetben foglalkozunk részletesen. Itt csak ennek fontosabb műszaki feltételeit foglaljuk össze. Az egyes fényforrások más-más módon és mértékben szabályozhatók. Erre tekintettel kell lennünk a világítási rendszer kialakításánál. Amennyiben a szabályozhatóság elsődleges kérdés, akkor ezt már a fényforrás kiválasztásakor is figyelembe kell vennünk. A fényáram változtatható előzetesen kialakított menetrend szerint, amikor a környezeti fényviszonyokat és a jelenlévők helyzetét nem vesszük figyelembe. Ilyenkor nem szabályozásról, hanem vezérlésről beszélünk. Ez előnyösen alkalmazható olyankor, amikor a környezeti fényviszonyok időbeli változása előre jól becsülhető, és a térben tartózkodó személyek mozgása miatt a megvilágítandó és elsötétítendő területek nem különíthetők el határozottan (pl. bevásárló központok, közvilágítás stb.). 65

66 Ha a környezet világossága időben kiszámíthatatlan módon változik, és jelentősen befolyásolja a vizsgált tér fotometriai paramétereit (pl. bevilágítók jelentős szerepe esetén), akkor célszerű a mesterséges világítást a tér tényleges fotometriai paraméterei alapján szabályozni. Ezt a tér meghatározott pontjaiban elhelyezett fényérzékelő szenzorok jeleit megfelelő algoritmussal kiértékelve valósítjuk meg. Amennyiben a vizsgált térben jól elhatárolhatók a személyek bent tartózkodásának ill. távollétének időszakai, úgy a szabályozási rendszert célszerű jelenlét érzékelőkkel is kiegészíteni Gazdaságosság, energiahatékonyság Ma minden területen előtérbe kerültek a gazdaságossági szempontok. Különösen igaz ez a jelentős energiafelhasználással járó területekre, beleértve a világítást is. A gazdaságosság értékelési módszereit a 7. fejezet részletesen ismerteti. Itt arra szeretnénk a figyelmet felhívni, hogy milyen szempontokat kell szem előtt tartani a világítástechnikai berendezések gazdaságosságának vizsgálatánál függetlenül attól, hogy bármiféle számítást végeznénk ezen a területen. A műszaki-gazdasági élet szereplői eltérő érdekeltségűek, ennek megfelelően eltérően súlyozzák a műszaki-gazdasági paramétereket. Vannak tehát olyan szempontok, amelyeknél nem fogalmazható meg objektíven a jó és a rossz fogalma, csak az, hogy ez kinek a szempontjából jó vagy rossz. Minden gazdaságossági értékelésnél tisztázni kell, hogy mit-mivel és miért hasonlítunk össze. Nem célszerű az új berendezés paramétereit összehasonlítani a régi berendezés avult állapotának paramétereivel, hanem csak az újat újjal, a régit régivel. Kivételt képez az az eset, ha azt akarjuk bemutatni, hogy egy új berendezés mennyivel jobb, mint az avult régi. Az értékelni kívánt paramétereket előre, megfontoltan definiálni kell. Előre meg kell határozni, hogy beruházás, üzemeltetés vagy rekonstrukció gazdaságosságát kívánjuk vizsgálni, és ezek alapján kell kiválasztani az értékelendő műszaki és gazdasági paramétereket kiválasztani. Nem mindegy például, hogy egy helyiségben kétféle berendezés egységnyi fényáramának fajlagos beruházási költségét, vagy két eltérő méretű és rendeltetésű helyiségben az 1 m 2 -en 1 lx előállításának fajlagos költségét kívánjuk összehasonlítani. A gazdaságosság értékelésénél minden befolyásoló tényezőt (ár, élettartam, műszaki paraméterek stb.) figyelembe kell venni. Az időben elhúzódó beruházások számítására a dinamikus számítási módszereket kell alkalmazni. Sokan gazdaságosság alatt vagy csak a beruházási költségeket, vagy csak az energiafelhasználás költségeit értik. A gazdaságossági számítások azonban ennél sokkal összetettebbek, és elhibázásuk súlyos anyagi veszteségeket okozhatnak. Éppen ezért célszerű megismerkedni ezen számítások 7. fejezetben leírt módszereivel, mert napjaink mérnökei nem koncentrálhatnak kizárólagosan a műszaki szempontokra, hanem azok gazdasági oldalait is tudniuk kell értékelni. 66

67 3. A világítás eszközei I. Fényforrások A világítás alapvető eszközei a fényforrások. A fényforrásokat általában lámpatestbe helyezve alkalmazzuk. A fényforrásokat tartalmazó lámpatesteket világítótesteknek nevezzük. Egyes fényforrások üzemeltetéséhez egyéb működtető eszközökre is szükség van, ezeket általában a lámpatestek beépítve tartalmazzák. A világítástechnikai nyelvhasználatban lámpán a fényforrásokat értjük ábra: a.) fényforrás b.) lámpatest fényforrással együtt: világítótest 3.1 A fényforrások csoportosítása és általános jellemzése Tegyünk képzeletben egymás mellé egy izzólámpát és egy fénycsövet. Ez a két fényforrás két jellegzetes képviselője kétféle fénygerjesztési módnak, úgymint a hőmérsékleti sugárzásnak és a gázokban, ill. fémgőzökben lejátszódó villamos ívkisülésnek. A legutóbbi időkig ez a két fénykeltési eljárás képezte a felosztás alapját, az utóbbi évtizedekben azonban megjelentek a LED-ek, melyek a világítástechnikai innováció első számú képviselőiként széles körben terjedtek el, és fokról fokra hódítják meg a világítástechnika különböző területeit. A LED-ek félvezető alapú szilárdtest fényforrások, tehát bennük a fénykeltés módja eltér az izzólámpákban és a kisülőlámpákban végbemenő fénygerjesztéstől. A csoportosítást tehát a fényforrások működésének fizikai alapelve szerint végezzük. Fényforrások Hőmérsékleti sugárzók (izzólámpák) Kisüléses fényforrások Félvezető -alapú fényforrások (LED-ek) hagyományos halogén kisnyomású nagynyomású fénycső indukciós lámpa kisnyom. nátrium higanylámpa fémhalogén nagyny. nátrium hagyományos kompakt xenon 3.2. ábra: Fényforrások csoportosítása működésük fizikai alapelve szerint 67

68 A felosztás természetesen tovább finomítható, elsősorban konstrukciós megoldások alapján. Ezekről szükség szerint szó lesz a későbbi alfejezetekben az egyes konkrét lámpatípusok tárgyalásakor. Ehelyütt annyit említünk meg, hogy a fényforrások nagy többsége a belső szerelvényt nem véve figyelembe két fő részből áll, a burából és a fejből. Ez utóbbit sokan helytelenül foglalatnak hívják; jegyezzük meg, hogy a foglalat a lámpatest része, melybe a fényforrást a fej segítségével rögzítjük. Mivel a felhasználás szempontjából lényeges, hogy a fej a foglalatba illeszthető legyen, itt ismerkedünk meg a különböző fejtípusokkal. A lámpafejnek mechanikai és elektromos funkciója van; feladata a lámpa foglalatba való rögzítése és esetenként a spirál pozíciójának meghatározása, ugyanakkor az elektromos kapcsolat létesítésére szolgál a lámpa és a foglalat érintkezői között. A fényforrástechnika sokféle típusú fejet alkalmaz, minden típust betűjellel és egy vagy több számmal jelölnek. A fényforrások nagy részéhez Magyarországon az Edison-fejet alkalmazzák. (Betűjele: E) A betű után közölt szám a fejátmérőt adja meg mm-ben. A nálunk szabványosított méretek szerint a lámpák E10 (törpe vagy miniatűr) E14 (mignon) E27 (normál) E40 (góliát vagy nagylámpa) fejekkel készülhetnek. Az Edison-fej menetes kialakítású, és így rögzítődik a foglalathoz. A menetes hüvelyt egy kontaktlemezkétől üvegszigetelő választja el. A lámpa két kivezető drótját a menetes hüvelyhez, ill. a kontaktlemezkéhez forrasztják, ezek biztosítják az elektromos érintkezést. (3.3 ábra /a) Mind a hüvely, mind a kontaktlemez anyaga fém. Ez lehet sárgaréz, alumínium, nikkelezett vagy horganyozott vas. Egyes lámpatípusoknál üvegszigetelés helyett kerámiaszigetelést alkalmaznak. A másik gyakran alkalmazott fejtípus a bajonett. (3.3 ábra /b) Jelölése: B. (Ha autólámpa-fejről van szó, a BA jelzést alkalmazzák). Itt a sima hüvelyen két csap található, ezek segítségével történik a pontos pozicionálás és rögzítés a foglalatban ábra: Fejtípusok a.) Edison-fej,b.)Bajonet-fej,c.)halogén ceruzalámpa feje, d.)hagyományos fénycső feje, e.)kompakt fénycső lehetséges feje 68

69 A fénycsöveket, egyes kompakt fénycsöveket és halogénlámpákat csapos fejekkel készítik. (Pl.: G13, G5, a szám a csapok egymástól való távolságát jelenti) A két végükön fejelt, ún. soffita kivitelű törpelámpákat két, kúposan kialakított fejjel látják el. (S7, S8,5 a szám a fej átmérőjét jelzi mm-ben) A fényforrás katalógusok minden fényforrásnál közlik a fej típusát. Az itt nem tárgyalt viszonylag ritkán előforduló fejtípusoknak a katalógusokban utánanézhetünk. A fényforrások jellemzésének szempontjai: A fényforrásokat sokféle adat és tulajdonság alapján jellemezhetjük. A felhasználáshoz szükséges adatokat a katalógusok általában tartalmazzák. (tápfeszültség, teljesítmény, geometriai méretek, fejtípus, fényáram, stb.) a szakember számára a megfelelő áttekintés céljából szükséges az egyes lámpatípusok jellemzőinek számszerű ismerete. A számszerűség természetesen nem jelent mindig pontos számértékeket, sok esetben a tól-ig vagy a kb. megjelölés is elegendő. Pl. nem mondhatjuk, hogy az izzólámpának (mint fényforrás fajtának!) a fényhasznosítása 13 lm/w, mert ez közelítőleg a 100 W-os világos burájú normálizzóra igaz, de nem igaz pl. sem a 40 W-osra sem az 500 W-osra. Tehát csak annyit mondhatunk, hogy a hagyományos izzólámpa fényhasznosítása 6 és 18 lm/w között van, a teljesítmény, a burakikészítés, az alkalmazott töltőgáz függvényében és természetesen a névleges feszültségen üzemeltetve. Melyek azok a típusjellemzők, melyek ismerete fontos számunkra? Gazdaságosságra utaló jellemzők: Fényminőségre utaló jellemzők: Fényhasznosítás Színhőmérséklet Élettartam Színvisszaadási index Az élettartamtól függ, hogy milyen gyakran kell a tönkrement helyébe új fényforrást vásárolnunk, a fényhasznosítás megszabja, hogy adott fényenergia-szolgáltatásért mennyit fizetünk. A fényhasznosítást, a színhőmérsékletet és a színvisszaadást a 2. fejezetben tárgyaltuk. A következőkben az élettartammal foglalkozunk. Az élettartam (általában órákban kifejezve) azt jelenti, hogy a fényforrás mennyi ideig üzemképes. Az egyedi fényforrások élettartamában egy típuson belül is jelentékeny szórás mutatkozik (tényleges élettartam). Tapasztalatunk szerint az is előfordult, hogy a nemrégiben vásárolt izzólámpa néhány nap után tönkrement, ugyanakkor egy másik még másfélezer óra használat után is üzemképes maradt. Ezért a gyártók által a katalógusokban közölt, úgynevezett névleges élettartam egy átlagértéket jelent. Az átlagérték fogalmat az élettartam-görbe (3.4 ábra) alapján érthetjük meg ábra: Élettartam-görbe 69

70 A görbét olyan koordináta-rendszerben ábrázoljuk, amelynek vízszintes tengelyén az üzemidő, függőleges tengelyén a még működő fényforrások darabszáma szerepel százalékban kifejezve. A lámpatípus átlagos élettartamának a vízszintes tengelyen az az üzemidő felel meg, amikor a lámpák 50%-a még üzemképes. Matematikailag kifejezve ez a görbe inflexiós pontjához tartozó érték. A görbéből láthatjuk, hogy az átlagos élettartamtól balra és jobbra viszonylag kis időtartományokon belül ég ki a fényforrások nagy többsége. Az átlagos élettartam szerepel névleges élettartamként (T n ) a gyártmányismertetőkben mint a gyártó által deklarált átlagérték. A normál izzólámpák névleges élettartama 1000 óra, ez közepes hosszúságú élettartamnak számít. Vannak rövid élettartamú (néhány órás) és igen hosszú élettartamú (több tízezer órás) fényforrások. A tervezett élettartamot a fénykeltés fizikai elvén kívül a lámpakonstrukció szabja meg. Pl. a nagy fényáramú vetítőlámpák izzószála az átlagosnál nagyobb hőmérsékleten izzik, az erőteljesebb volfrámpárolgás hamarább vezet a szál elszakadásához. Az élettartamgörbe első deriváltja szolgáltatja a közismert haranggörbét, vagyis a meghibásodások bekövetkezésének sűrűségfüggvényét. (Az inflexiós pont helyén van az első derivált maximuma.) Ismeretes még az ún. prognosztizált élettartam (az ismert tényleges üzemi viszonyok és fényforrás jellemzők alapján kalkulált élettartam), valamint a garantált élettartam. (Ezt a fényforrás gyártója szerződésben rögzített feltételek mellett garantálja). A lámpák jellemzésére szolgál még a felfutási idő. Eszerint a fényforrások lehetnek rövid vagy hosszú felfutási idejűek. Rövid felfutási idejűnek minősül a fényforrás, ha a bekapcsolástól számított 6 mp-en belül teljes fényáramának 95%-át sugározza. Ellenkező esetben hosszú felfutási idejűnek tekintjük a fényforrást. Rövid felfutási idejű: izzólámpa, hagyományos fénycső, LED Hosszú felfutási idejű: kompakt fénycső, kisnyomású nátriumlámpa, nagynyomású kisülőlámpák. Különösen a nagynyomású kisülőlámpák esetében van jelentősége az újragyújtási idő fogalmának. Ezen azt az időintervallumot értjük, amely az üzemelő lámpa kikapcsolása és azonnali újrabekapcsolása, valamint a 95%-os fényáram elérése között telik el. (Magyarázat: a forró és viszonylag nagy gáznyomású lámpa nem tud azonnal újragyújtani.) A jelenségnek gyakorlatban főként a feszültség megszűnése által okozott kialvás (pl. üzemzavar miatt) és az üzemelés újra megindítása kapcsán van jelentősége. Végül: általánosságban jellemző minden fényforrásra az élettartam során bekövetkező fényáramcsökkenés. Ennek fényforrástípusonként különböző oka van. Belátható, hogy nem gazdaságos változatlan elektromos energiafogyasztás mellett csökkent mértékű fényenergiát szolgáltató fényforrás használata. Így pl. a kisülőlámpák esetében: ha kezdeti fényáramuk a 70%-ára csökken, célszerű azokat új fényforrásokra cserélni. (Pl. csoportos csere a közvilágításban.) 3.2 A hagyományos izzólámpa Miért nem korszerű a hagyományos izzólámpa? A címben feltett kérdésre a választ elsősorban fizikai tanulmányainkban kell keresnünk. Az izzólámpák hőmérsékleti sugárzók, a hőmérsékleti sugárzásnak, mint fizikai jelenségnek a törvényszerűségeit főként Max Planck (1900) munkásságának (és zsenialitásának) köszönhetően ismerhettük meg. 70

71 Ismétlésül idézzük fel azt az ábrát, amely a legszemléletesebben mutatja be a hőmérsékleti sugárzás alapvető törvényszerűségeit! A függőleges tengelyen a felizzított test (izzószál) által kibocsátott (emittált) teljesítmény szerepel. Ez a sugárzott teljesítmény melyet emisszióképességnek nevezünk különböző hullámhosszúságokon különböző nagyságú, tehát spektrális eloszlással jellemezhető. Ezért szerepel a vízszintes tengelyen a hullámhossz, felölelve az ún. optikai színképnek (UV, látható, IR) azt a részét, melyet a hőmérsékleti sugárzás lefed. Mivel a sugárzott teljesítmény az izzítási hőmérsékletnek is függvénye, több görbét tartalmaz az ábra, mindegyikük egy adott hőmérsékletre érvényes. Az ábrából látható, hogy nagyobb hőmérsékletre hevített test ugyanazon a hullámhosszon nagyobb emisszióképességű. A nagyobb emisszióképesség céljából tehát minél nagyobb hőmérsékletre kellene az izzószálat felhevíteni; ennek viszont határt szab az INNOVATÍV VILÁGÍTÁS izzószál anyagának a volfrámnak olvadáspontja. Annak ellenére, hogy a volfrám a legnagyobb olvadáspontú (~3500K) fémek egyike, még ezen a hőmérsékleten sem éri el az emisszióképesség maximuma a láthatóság határát (780 nm). Tudvalevő, hogy a hőmérsékleti sugárzás törvényeit Planck egy idealizált, ún. fekete testre vonatkozóan vezette le, melynek a legnagyobb az emisszióképessége (lásd fizikai tanulmányok). A gyakorlatban használt volfrám izzószál természetesen nem fekete test, de minél nagyobb a hőmérséklete, annál jobban megközelíti a fekete testet. Tovább elemezve a 3.5 ábrát, láthatjuk a fő okát az izzólámpa igen gyenge fényhasznosításának. Ha összehasonlítjuk bármelyik görbe alatti terület esetében az üresen hagyott (infravörös tartományba eső) és a bevonalkázott (látható tartományba eső) területrészeket, láthatjuk, hogy a kisugárzott energiának túlnyomó hányada IR-(hő) sugárzásként jelenik meg. A görbék összehasonlításából az is kiderül, hogy nagyobb hőmérsékleten a maximális emisszióképességhez tartozó hullámhossz a kisebb hullámhossz-értékek felé tolódik el, de ahogy már említettük még 3500 K-en sem éri el a látható tartomány határát. Ennek kifejezése a Wien-féle eltolódási törvény, melyet úgy fogalmazhatunk meg, hogy a fekete test maximális emisszióképességéhez tartozó hullámhossz (λ Emax ) az abszolút hőmérséklettel fordítottan arányos. λ Emax T = állandó = 2884µmK 3.5. ábra: Az emisszióképesség hőmérséklet- és hullámhosszfüggése Könnyen kiszámítható, hogy a látható tartomány 780 nm-es határát 2884 = 3697K hőmérsékleten érné el. Ez a hőmérséklet a volfrám normális nyomáshoz 0,780 tartozó olvadáspontja felett van. 71

72 A volfrám több, mint 100 éve az izzószál anyaga. Ezt több évtizedes kutatás előzte meg, természetesen az igen nagy hőmérsékleten olvadó anyagok jöhettek számításba, a minél nagyobb emisszióképesség elérése céljából. A volfrámnak egyéb kedvező tulajdonsága, hogy összehasonlítva a fekete testtel, a látható tartományban viszonylag jobb hatásfokkal sugároz, mint az infravörösben, és minél nagyobb a hőmérséklete, annál jobban megközelíti a fekete testet. Így 3000 K körül a felizzított volfrám tényleges hőmérséklete csak kis mértékben tér el a színhőmérsékletétől. A kis eltérés ( K) is indokolja azonban itt is a korrelált színhőmérséklet kifejezés használatát. Az izzószállal érintkező árambevezető drótokat és magát a volfrámszálat egy állványnak nevezett üvegalkatrész rögzíti, mely a burába annak tengelye mentén nyúlik be. Mivel az állvány üvegből van, de fémeket is tartalmaz, lényeges volt, hogy vákuumtömör fém-üveg kötést hozzanak létre a különböző mértékű hőkitágulás kivédésére. A volfrámszál két végét a két árambevezető nikkeldrót végeihez csíptetik. Mivel ennek a jegyzetnek nem feladata a fényforrás-konstrukciók bővebb ismertetése, felhívjuk a figyelmet, hogy a felépítés részletesebb tárgyalása megtalálható a BMF KVK-2024 számú, Világítástechnika I. című jegyzetben. Az izzólámpa három fő alkatrészét a 3.6 ábra szemlélteti ábra: A három fő alkatrész: az állvány, a bura és a fej. Izzólámpáinkban az izzószál hőmérséklete teljesítménytől függően K között van, és ilyen nagy hőmérsékleten erőteljes a párolgás. A lámpagyártás egyik fontos művelete a levegő kiszivattyúzása a burából, enélkül a volfrám azonnal oxidálódna, a keletkezett volfrám-oxid sárga bevonatként csapódnék a burafalra. Ha nem is hoznak létre tökéletes vákuumot, kb Pa-ra lecsökkentett nyomás elegendő az oxidáció megakadályozására. Könnyen belátható, hogy ilyen rendkívül ritka gáztérben a párolgás igen intenzív folyamat, különösen azokon a szinte pontszerű helyeken, ahol a szál anyagában valamilyen inhomogenitás (hibahely) van. Gondoljuk meg, hogy néhányszor 10 mikron vastagságú szálról van szó, melyet volfrámporból sajtolással, szintereléssel, körkovácsolással és többszöri szálhúzással állítanak elő. A párolgás szálvékonyodással, lokális túlmelegedéssel, további párolgással, tömegcsökkenéssel jár, mely előbb-utóbb szálszakadáshoz, vagyis a lámpa élettartamának végéhez vezet. Másik káros jelenség, hogy a bura terébe kijutó volfrámatomok a bura jóval hidegebb falán lerakódnak, és bizonyos idő eltelte után a bura áteresztési tényezőjét és így a lámpa fényáramát csökkenti. A párolgás csökkentése céljából a kutatók szinte az izzólámpa feltalálásával egy időben a burát olyan gázzal töltötték meg, mely kis kémiai reakciókészsége folytán a volfrám atomokkal nem lép reakcióba. Ezek a nemesgázok és a nitrogén. Ma az izzólámpák 72

73 nagy részét gázzal töltik, általában argon + nitrogén, vagy kripton + nitrogén eleggyel, egyes speciális lámpáknál xenon töltést is alkalmaznak. A gáztöltés azonban újabb problémát vetett fel; a gázok hővezető képességüknek köszönhetően hűtik az izzószálat, hőt vezetnek a száltól a bura felé, erősen felmelegítve azt. A szálhőmérséklet csökkenése pedig mint láttuk fényemisszó-csökkenést eredményez! A Nobel-díjas Langmuir kutatásai mutatták meg, hogy a gázok hűtőhatása csökkenthető, ha nem egyenes, hanem spiralizált szálat építenek a lámpába. (részletezést lásd Világítástechnika I. jegyzetben). A gázzal töltött lámpákban általában kétszeresen spiralizált szál világít az általános világítási lámpákban 40 W-tól felfelé. Ez annyit jelent, hogy az egyszeresen spiralizált szálat fonalként kezelve még egyszer spiralizálják rövidítésnek vetve alá. Az így kialakított geometriának köszönhetően csökken az izzó spirálról elvezetett hő, valamint a sugárzási tulajdonságok is kedvezőbbé váltak. A gáztöltés akadályozza az elpárolgott volfrám burára rakodását, de a párolgás csökkentett mértékben így is fennáll, és csökkentve a száltömeget az élettartam végéhez vezet. Így elérkeztünk a fényforrások gazdaságosságát jellemző mindkét mennyiséghez, a fényhasznosításhoz és az élettartamhoz. Láthatjuk a 3.8 ábrán, hogy a kisugárzott energiának csak kis része esik a 380 nm és a 780 nm közti tartományba. Ezen kívül figyelembe kell venni az emberi szem spektrális érzékenységét is. A V(λ) görbe maximumán (fotopos látás esetén 555 nm-nél) 1 W teljesítménynek 683 lm fényáram felel meg. Az izzólámpa folytonos színképében minden hullámhossz képviselve van, és az 555 nm-től eltérő hullámhosszokon a lm/w egyenérték kisebb, mint 683 (az ábrán a befeketített rész). A bevezetett elektromos teljesítménynek egy része alakul át sugárzó energiává (vannak a hőelvezetésből adódó veszteségek, ld. 3.7 ábra), a teljes kisugárzott energiának csak kis része esik a látható tartományba, és még ennek is egy kisebb részét képviseli a V(λ) görbe alatti feketével jelzett terület. Matematikailag megfogalmazva: η = 683 η s η f lm/w, ahol η s a sugárzási hatásfok, η f a sugárzás fényhatásfoka. η s = összes kisugárzott teljesítmény felvett elektromos teljesítmény látható fény teljesítménye η f = összes kisugárzott teljesítmény Egy 100 W-os normál izzólámpára alkalmazva: η s ~ 0,8, η f ~ 0,0254 η 683 0,8 0,025 = 13,66 lm/w 100% fémalkatrészek által elvezetett hő gáz által elvezetett hő sugárzásos hőveszteség 3-8% 15-22% 75-80% fény 3.7. ábra: Gáztöltésű izzólámpa energiamérlege 4-5% 73

74 3.8. ábra: Hőmérsékleti sugárzó által emittált fényteljesítmény a teljes kisugárzott teljesítményhez képest. A kapott fényhasznosítás a mai korszerű fényforrásokkal összehasonlítva igen kicsi érték. (pl. egy T5-ös egyenes fénycső fényhasznosítása eléri a 100 lm/w-ot, nem is beszélve a rendkívül rohamosan fejlődő LED-ekről.) Érdemes elgondolkozni, hogy 1879-ben mekkora szenzációt jelentett Edison szénszálas lámpája, melynek fényhasznosítása csak 4-5 lm/w volt. A volfrám kb. 30 évvel későbbi bevezetése után még kb. 100 évig használta az emberiség általános világításra az izzólámpát nem gondolva arra, hogy minden, lámpával közölt 1 kwh elektromos energiából 0,95 kwh használódik fel fűtésre és mindössze 0,05 kwh világításra. Mindezt kifejezi az izzólámpa energiamérlege. Ez típus és teljesítményfüggő, de a 3.7 ábrán látható tól-ig értékek jó támpontot adnak. Érdemes megjegyezni, hogy az emittált fényáram nem lineáris függvénye a bevezetett teljesítménynek, ami annyit jelent, hogy a fényhasznosítás teljesítményfüggő. Ennek lámpakonstrukciós oka van, ugyanis a hő nem csak sugárzással, hanem áramlással és vezetéssel is terjed; és az egyéb fémalkatrészek (árambevezetők, tartók) által elvezetett hő a különböző méretek miatt egységteljesítményenként változik. Így pl. a 25 W-os izzó mindössze 9,2 lm/w fényhasznosítású, de még az 1000 W-os sem éri el a 20 lm/w-ot. Hozzá kell tenni, hogy kriptontöltés esetén a kripton előnyös tulajdonságai miatt a fényhasznosítás valamivel megemelkedik. (drágább is) A fényhasznosítás szoros kapcsolatban áll az élettartammal. A normál izzólámpák névleges élettartama 1000 óra, melyet a lámpakonstruktőrök főként a spirál adatokkal állítanak be. A kapcsolat nyilvánvaló: adott felvett elektromos teljesítmény adott spirálkonstrukció (tömeg!) mellett adott szálhőmérsékletet eredményez, amely a Plancktörvény értelmében meghatározza a kisugárzott teljesítményt, (tehát a fényt is). Így minden egységteljesítményhez adott izzási hőmérséklet tartozik, a normállámpák esetében kb K és 2900 K között. Ha az izzószál ehhez képest nagyobb hőmérsékletű, (túlfeszített állapotú), fokozott igénybevételnek van kitéve, erőteljesebb a párolgás, amely lecsökkenti az élettartamot, de ugyanekkor megnövekszik a fényhasznosítás. Ellenkező irányú változtatás természetesen hosszabb élettartammal és csökkentett fényhasznosítással jár. A többi fényforrást figyelembe véve az izzólámpa élettartama rövid. Egyes kisülőlámpák élettartama óra között van, a LED-ek élettartama az órát is elérheti. A fejezetcímben feltett kérdésre tehát a választ a gyenge gazdaságossági mutatók adják meg, melyek kihatnak a villamos energia kis hatásfokú felhasználásán keresztül az erőművekbe táplált tüzelőanyagok mennyiségére és környezetünk állapotára egyaránt. 74

75 Az Európai Unió országaiban az Európai Bizottság rendelkezése folytán fokozatosan megtörténik (megtörtént) a hagyományos háztartási izzólámpáknak a piacról való kivonása. (244/2009/EK rendelet). A kivonás első üteme a nem irányított fényű háztartási lámpákra vonatkozik. Évente egyféle egységteljesítményű izzólámpáktól kellett elbúcsúznunk; 2009-től kezdődően, mindig szeptember 1-i kezdettel ben a 100 W-os lámpával kezdődött a kivonás, és 2013-ban már a 25 W-os izzókat érinti. A rendelet hatálya alá esnek a világos burájú lámpák mellett a homályosított- és részben a festett burájú izzók is. Az előzőekben láttuk, hogy a hőmérsékleti sugárzó gazdaságtalansága objektív fizikai törvények következménye. A használatból való kivonást természetesen azokkal a típusokkal kellett elkezdeni, amelyek alkalmazása sokmilliós darabszámban történik (háztartások!), és amelyek kiváltása sokkal gazdaságosabb fényforrásokkal (pl. kompakt fénycsövek) viszonylag egyszerűen megoldható. A hagyományos (nem halogén) izzólámpáknak a háztartáson kívül sok egyéb felhasználása van (járművilágítás, optikai célú alkalmazás), ahol legalábbis egyelőre a használatnak nincs jogi akadálya. A továbbiakban is forgalomban levő izzólámpák az alkalmazásnak megfelelően a megszokottól sok esetben eltérő konstrukciójúak. A következőkben néhány fontosabb képviselőjüket mutatjuk be. Törpelámpák Törpelámpákhoz vagy másképpen miniatűr lámpákhoz azokat az izzólámpákat soroljuk, melyek 2 18 mm közötti átmérőjűek, legfeljebb 24 V-on üzemelnek, áramfelvételük nem nagyobb, mint 1 A. A normál konstrukciótól való eltérés oka a kicsi méret, a törpelámpák nem rendelkeznek hagyományos állvánnyal. Alapvetően kétféle típusúak lehetnek: gyöngyállványos szoffita kivitelű A gyöngyállványos törpelámpák többféle burakivitelben és többféle fejjel készülhetnek. Leggyakoribb a gömb, ill. a csőalakú bura. Speciális típus a lencsés burával gyártott lámpa; ilyenkor a buratetőn egy kétszer domború kis lencsét alakítanak ki, mely az elülső térfélbe irányuló fényt összegyűjti. A zseblámpaizzóknál a zseblámpa tükör rendszere az izzónak a hátsó térfélbe irányuló fényének fókuszálásával fokozza ezt a hatást. A törpelámpákat általában E 10, Ba7s vagy Ba9s-es fejjel gyártják, de ismeretesek az ún. üvegfejű gyöngylámpák. Itt a fejelés az árambevezető végeknek a lapításon való rögzítését jelenti. A lapítás egyik oldalán hosszanti bemélyedés van az egyik bevezető rögzítésére, a másik, sima oldalára fektetik fel a másik bevezető hajtűszerűen kialakított végét. Az üvegfej típusjele W. A gyöngyállványos törpelámpákat zseblámpaizzóként rádió-skála-izzóként, jelzőlámpaként vagy jármű-segédvilágítási lámpaként alkalmazzák. 75

76 A törpelámpák másik csoportjába a szoffitalámpák tartoznak. Felépítésük lényegesen eltérő a gyöngylámpákétól; hengeres burában tengelyszerűen helyezkedik el a spirál, a burát a két végén egy-egy fej zárja le. A lámpa üvegállványt nem tartalmaz, a spirált a két áram-bevezetőhöz a 3.9 ábra szerinti módon rögzítik. A szoffitalámpák ma még igen elterjedtek a gépjárművilágításban (motorház, csomagtér, rendszámtábla stb. világítása). Rögzítésük speciális foglalatot igényel; a két kúposan kialakított fej rugalmas érintkezőkön levő lyukakba illeszkedik. A szoffitafej jelölése S, méretét tekintve S7 vagy S8,5 lehet. Kétfonalú autófényszóró lámpák Az autófényszóró-lámpáknak ez a típusa két spirált tartalmaz, egyikük az országúti világítást szolgálja, másikuk a tompított fényt bocsátja ki. Ennek megfelelően belső szerelvénye eltér a normálistól. A főspirált (országúti) úgy pozícionálják, hogy a gépkocsiban a paraboloidreflektor fókuszának közelébe kerüljön, így párhuzamosan irányítva nagyobb távolságra világít előre. A mellékspirál a fókusz előtt helyezkedik el; alatta árnyékoló sapka van. Így a fény felfelé verődik a gépkocsi lámpaház tükrére, s onnan lefelé az útfelületre. Az árnyéksapka a mellékspirált =165 szögtartományban árnyékolja le, annak érdekében, hogy a kivetített tompított fény aszimmetrikus legyen és 15 levágással rendelkezzen, ezáltal biztosítsa, hogy az autófényszóró főként az úttest jobboldalát világítsa meg ábra: Szoffita kivitelű törpelámpa ábra: Fényirányítás kétfonalú autófényszóró lámpával a.) országúti, b.) tompított A két spirál jelenléte legalább három árambevezetőt tesz szükségessé, egyet a főspirálhoz, egyet a mellékspirálhoz, és egyet, amely közös. Így a fejnek három kivezetése van. A fejnek jellegzetes része a fejtárcsa, ezt optikai beállítás után forrasztják a kész lámpa fejéhez, a kivetített spirálokat látva állítják be azok pozícióját a fejtárcsa bázissíkjához képest. (optikai fejelés). A tárcsás fej jelölése: P. (pl. P 45t fejtárcsa átmérő 45 mm, kivezetések száma 3.) A kétfonalú fényszórólámpát és a hozzátartozó fejet a 3.11 ábra mutatja. Megjegyezzük, hogy igen elterjedtek a halogén autófényszóró-lámpák. Erre a halogénlámpákról szóló fejezetben visszatérünk. Szokás a fényszórólámpák fényét színesíteni pl. szelektív sárgára, melyet a bura anyagának színezésével vagy a burára felvitt vékonyrétegekkel érnek el. A bura anyagának színezését környezetvédelmi okokból a vékonyréteg bevonat váltja fel. A sárga szín (nagyobb hullámhosszúságú fény) a ködben kevésbé szóródik és jobb látást biztosít. a b 76

77 PAR 38-as lámpa ábra: Kétfonalú autófényszóró-lámpa 1 főspirál; 2 mellékspirál;takarósapka;4 bura; 5 bázis-sík 6 fejtárcsa; 7 fej; 8 fejtárcsa a kivezetések oldaláról; 9 főspirál érintkező 10 mellékspirál érintkező; 11 test (közös) érintkező A PAR 38-as lámpa tükrözött burájú, irányított fényű fényforrás. A PAR betűszó a Parabolic Aluminium Reflector kifejezés rövidítése, amely arra utal, hogy alumíniummal tükrösített, paraboloid alakú lámpáról van szó. A 38 azt jelenti, hogy a lencse (ld. később) átmérője 38/8 inch. Ez 122 mm-nek felel meg. Lényeges, hogy a PAR lámpák burája az eddig tanultaktól teljesen eltérő kivitelű és gyártású. Kemény üvegből préseléssel készül és két részből áll, a forgásparaboloid alakú kónuszból és a gyártás során ráolvasztandó, tányérszerű lencséből (3.11 ábra). Évtizedekkel ezelőtt valóban csak a 38-as méretben létezett, de ma már a PAR lámpáknak egész családjuk van; mindegyikre a kétrészes préseltüveg bura a jellemző. Ezeket sokféle méretben gyártják, részben halogén betétlámpával ellátva (PAR 16, 20, 25 stb.), így a halogénlámpák típusválasztékát növelik ábra: PAR 38-as lámpa felépítése 1 préseltüveg reflektor; 2 Al- ill. hidegtükör; 3 préseltüveg lencse ;4 duplaspirál; 5 NiMn elektród; 6 Mo-tartó;7 ZrAl-getter; 8 állványhíd; 9 átvezető kupak; 10 fejrögzítő; 11 a fej szigetelt része; 12 keményforrasz; 13 hegesztési pont; 14 szívócsonk; 15 oldalkivezető; 16 menetes rész; 17 biztosító; 18 vitrit; 19 érintkező 77

78 A PAR betűszó ugyan alumíniumtükörre utal, de a tükröző bevonat ún. hidegtükör is lehet. Ez utóbbinak az a tulajdonsága, hogy a fényt visszaveri, a hősugárzást azonban átengedi. Az üvegre két, egymástól lényegesen különböző törésmutatójú anyagból (pl. ZnSból és MgF 2 -ból) felváltva igen vékony rétegeket visznek fel. A tükör két rétegrendszerből áll, egy réteg vastagsága az átengedett tartomány átlagos hullámhosszának egy negyede, (λ/4-es rétegek); 440/4nm ill. 600/4 nm. A hidegtükröt egyéb irányított fényű lámpánál is alkalmazzák; igen alkalmasak hőre érzékeny anyagok megvilágítására. A lámpát mechanikus fejeléssel E 27-es fejjel látják el. A sugárzási szög értéke vagyis, hogy a lámpa keskenyen vagy szélesen sugárzó legyen-e a lencse mintázatától függ; a spot típus lencséje gyengén érdesített, a flood mintázata nagyobb alakzatokból áll, a fényt jobban szórja. A PAR lámpák részben robusztus felépítésüknél fogva, részben az alkalmazott keményüveg kedvező hőtágulási tulajdonságainak köszönhetően, jól ellenállnak a mechanikus és az időjárásból adódó hatásoknak. Alkalmazhatók pl. vizes környezetben, ill. víz alatti világításokhoz. Színes lencsékkel is kaphatók. (gondoljunk a színes szökőkút világításra!) pácolt (rubinirozott) lencsével készítik a melegítési és gyógyászati célú INFRAPAR lámpát. A PAR lámpák mellett továbbra is használhatók az egyéb irányított fényű lámpák, melyek hagyományosan fújt burájúak, oldaluk tükrösítve van, általában alumíniumrétegnek vákuumpárologtatásával. Az irányított fényű lámpákat a sugárzási szöggel szokás jellemezni. A sugárzási szög annak a szögnek a kétszeresét jelenti, amelyet a maximális fényerősséget képviselő irány (lámpatengely) és a maximális fényerősség felének megfelelő irány egymással bezár ábra: Sugárzási szög fogalma I max 2 I max I max 2 A sugárzási szög alapján megkülönböztetünk szélesen sugárzó (flood) és keskenyen sugárzó (spot) lámpákat. A sugárzási szöget másképpen félértékszögnek hívják. Az irányított fényű lámpáknak szokás a tizedértékszögét is I max megadni. ( I max és 10 irányok közti szög kétszerese.) A katalógusok az irányított fényű lámpák esetében általában nem a fényáramot adják meg, hanem a maximális fényerősség értéket és a sugárzási szöget. Pl. az előbb ismertetett PAR 38-as lámpára vonatkozó adatok (P = 120 W). SPOT I max = 7000 cd α = 12º FLOOD I max = 3000 cd α = 30º A hagyományos izzólámpákat tárgyaló fejezet végén foglaljuk össze röviden néhány fontos tulajdonságukat. 1. Az élettartam során a fényáram csökken. (Ez egyébként minden fényforrásra igaz, csak az okok különbözők.) Vákuumlámpa esetében a fényáramcsökkenés nagyobb mértékű, mint a nemesgázzal töltött lámpáknál a fokozottabb volfrámpárolgás miatt. A jelenség a bura fényáteresztő képességének csökkenésével és szálvékonyodással is jár; 78

79 ez utóbbi befolyásolja a felvett villamos teljesítményt. 2. A tápfeszültség változása exponenciális egyenletekkel leírható módon változtatja meg a többi lámpaparamétert. Pl. az áram-feszültség összefüggésre az "x"-kitevő jellemző (értéke kb. 0,5). x I U Φ U = I U vagy = 0 0 U Φ 0 0 A nulla-index-szel jelölt mennyiségek a névleges értékeket jelölik. Matematikailag hasonlóan írható fel a felvett teljesítmény változása. Az "y" teljesítménykitevő értéke 1,5 körül van, így a fényáram lefelé történő szabályozása (dimmelés) tovább rontja a fényhasznosítást. Egyébként az izzólámpa dimmelése az áramerősségének és így a spirálhőmérséklet csökkentésével teljes mértékben végbemehet; a fenti ok miatt azonban még gazdaságtalanabb alkalmazást jelent. Lényeges, hogy a feszültség növelése élettartamcsökkenést eredményez, a "c" kitevő nagysága ennek drasztikus mértékét mutatja. c T0 U = T ahol c gáztöltésű lámpánál 13,5. U0 A névlegesnél kisebb feszültség alkalmazása viszont meghosszabbítja az élettartamot. A nagyobb feszültségen történő üzemeltetés élettartamcsökkentő hatása alapján mód van a forszírozott élettartamvizsgálatra. Meghatározott körülmények közötti, megemelt feszültségen történő égetés lerövidíti a vizsgálatot. 3. Az izzólámpák a rövid felfutási idejű fényforrások közé tartoznak. 4. Az izzólámpák élettartamának vége hirtelen halállal (szálszakadással, fonaltöréssel) következik be, ennek egyik okát a fejezet elején már érintettük; a szál mentén uralkodó hőmérsékletgradiens egyenlőtlen mértékű párolgást okozhat, ezt fokozzák az egyes kristályrácshibák, melyek a párolgás szempontjából aktív helyként viselkednek. Másik oka lehet az ún. bekapcsolási jelenség; a bekapcsolás pillanatában a volfrámszálnak még hideg ellenállása van, amely jóval kisebb, mint az üzemi áramfelvételre tervezett érték. Így a névlegesnél 15-ször nagyobb áram is folyhat a spirálon, mely különösen az élettartam vége felé kiégéshez vezet. Gáztöltésű lámpáknál harmadik okként felléphet az ívleégés, az árambevezetők között kialakuló villamos térerősség hatására a gáz ionizálódik, ez ívképződést okozhat, mely előidézi a lámpa tönkremenetelét. Ennek valószínűségét a gyártó megfelelő gázösszetétellel csökkenti. (Néhány % nitrogén keverése a nemesgázhoz.) A hagyományos izzólámpák ugyan ma már nem korszerű fényforrások, tárgyalásuk mégis indokolt volt, mert: Több, mint 130 éven keresztül a legelterjedtebb és legnépszerűbb fényforrások voltak. Meg kell ismertetni a leendő szakembereket a korszerűtlenség okaival. A hagyományos izzólámpa-családon belül még bizonytalan ideig használható (tehát gyártható és forgalmazható) marad jónéhány lámpatípus. n 79

80 3.3 Halogén izzólámpák A bevezetőben olvashattuk, hogy a hőmérsékleti sugárzáson alapuló fényforrásokat két nagy csoportba oszthatjuk: hagyományos izzólámpák halogén izzólámpák. A hagyományos villanykörték utódai részben a halogénlámpák lehetnek, melyek annak ellenére, hogy hőmérsékleti sugárzók, a bennük zajló fizikai-kémiai folyamatoknak köszönhetően gazdaságosabban, nagyobb fényhasznosítással működnek. Az a gondolat, hogy a hagyományos izzók hátrányos tulajdonságainak csökkentésére valamilyen halogén elemet juttassanak a lámpa terébe, érdekes módon a kutatókban már a XIX. század vége felé megfogalmazódott. (Az első ilyen témájú írás 1881-ben keletkezett.) Az első használható halogén izzó megjelenéséig mégis sokáig várni kellett; 1959-ben kezdték gyártani Amerikában a halogén-adalékos lámpákat, melyek a 60-as évek elején Európában is gyorsan és széles körben elterjedtek A halogénlámpák működési elve: a volfrám-halogén körfolyamat C felett a volfrám párolgását a lámpába töltött nemesgáz (leggyakrabban argon) sem tudja megakadályozni, legfeljebb csak bizonyos mértékben csökkenteni. A cél tehát adott volt: Mivel a volfrámpárolgás az üzemi hőmérsékleten törvényszerű és gyakorlatilag megakadályozhatatlan, el kellett érni, hogy: 1. Az elpárolgott volfrám ne tudjon ráválni a burára és feketedést okozni. 2. Lehetőség szerint jusson vissza az izzószálhoz és csökkentse a szálvékonyodást. 3. Ezeknek a pozitív hatásoknak köszönhetően büntetlenül lehessen a volfrámszál hőmérsékletét növelni és így mód nyíljék nagyobb fényhasznosítású, gazdaságosabb fényforrások előállítására. A kitűzött cél pusztán fizikai módszerrel nem valósítható meg, itt a kémiának kell segítenie. Ez annyit jelent, hogy az elpárolgott volfrámot ideiglenesen kémiailag le kell kötni vegyületbe vinni elérni, hogy ez a vegyület ne váljék ki a burafalon, és ne okozzon burafeketedést, valamint elbomlása után a folyamat a volfrámot kormányozza vissza az izzószál felé. Lényegében tehát egy megfordítható kémiai folyamatról van szó, melyben a volfrám először reakcióba lép egy másik elemmel, a keletkezett vegyület pedig újból szétbomlik, és a volfrám felszabadul. A gondolat megvalósításához lényegében két dolog kellett: 1. a fém volfrámhoz megtalálni a megfelelő nemfém partnert, amellyel létrejöhet a megfordítható kémiai reakció, 2. olyan lámpakonstrukciót kialakítani, amelyben megvalósulhatnak a vegyületképződés és bomlás hőmérsékleti feltételei. A reakciópartner kémiai szempontok alapján teljesen kézenfekvően valamelyik halogén elem lehet. A halogének a Mengyelejev-féle periódusos rendszer VII. oszlopának elemei, a legreakcióképesebb nemfémek. Az elpárolgott volfrámmal a lámpa terében az erre megfelelő hőmérsékletű zónában képesek vegyületet képezni. (volfrám-halogenidet) 80

81 A halogén elemek közé a következők tartoznak: fluor F klór Cl bróm Br jód I A volfrám többféle vegyértékkel vehet részt a reakcióban (lehet 2, 4, 6 vegyértékű). Tehát 1 W atom 2, 4, vagy 6 halogén atomot képes lekötni. Általánosítsuk ezeket a számokat n-nel, a halogén elemet pedig jelöljük X-szel, és akkor a folyamatot így szemléltethetjük: W + nx WX n A kettős nyíl jelenti a folyamat megfordíthatóságát, vagyis, hogy lényegében egy körfolyamat zajlik le, melyet volfrám-halogén körfolyamatnak szokás nevezni. A megfordítható reakciók kémiai egyensúlyra vezetnek. Egyensúly akkor áll be, amikor az egyesülés sebessége (felső nyíl) megegyezik a bomlás sebességével (alsó nyíl). Minden kémiai egyensúly egy adott hőmérsékleten következik be (egyensúlyi hőmérséklet). Jelen esetben az egyesülésnek az egyensúlyinál a kisebb, a bomlásnak nagyobb hőmérséklet kedvez. A folyamat lejátszódásához tehát bizonyos hőmérsékleti feltételeknek kell érvényesülniük. Képzeljünk el olyan lámpakonstrukciót, hogy a csőalakú burában a cső tengelyének megfelelően helyezkedik el a spiralizált volfrámszál. A spirál és a burafal közötti teret körkörösen osszuk fel három hőmérsékleti zónára! A legbelső zónában az izzószál közelében igen nagy a hőmérséklet, itt még nem tud bekövetkezni a kémiai egyesülés, a zónában különálló volfrám és halogén atomok vannak jelen. A középső zóna a reakció egyensúlyi zónája. Itt már nem olyan forró a lámpatér, a halogén atomok nagy valószínűséggel reakcióba lépnek az izzószálról elpárolgott és a burafal felé tartó volframatomokkal. A folyamat gőzfázisban játszódik le, a ábra: Halogénlámpában kialakuló hőmérsékleti zónák képződött WX n is légnemű halmazállapotú. A külső zóna már a burafallal érintkezik. Itt a legkisebb a lámpatér hőmérséklete, amely ezért a vegyületformációnak kedvez. A volfrám-halogenid molekulák nagy része rendelkezik akkora mozgási energiával, hogy átjut ebbe a hidegebb zónába. Mi történhet itt a WX n molekulákkal? Két dolog: 1. Ha olyan felülettel találkoznak, amelynek hőmérséklete kisebb a kondenzációs hőmérsékletüknél, akkor a volfrám-halogenid azonnal lecsapódik rá, és a volfrámregenerálódás kivihetetlenné válik. Ennek igen fontos következménye van a lámpakonstrukcióra nézve: a burafal nem lehet kisebb hőmérsékletű, mint a volfrámhalogenid lecsapódási hőmérséklete! Ez gyakorlatban minimálisan kb. 250 C-os burahőmérsékletet jelent. 81

82 2. A volfrám-halogenid molekulák felhalmozódnak a külső zónában. Kialakul egy jelentős koncentráció különbség a spirál és a burafal között; a fal környékén viszonylag nagy a volfrám-halogenid koncentráció, a spirál közelében elvileg nulla. Mivel a koncentráció különbség a molekulák mozgását idézi elő, a nagyobb koncentrációjú helyről a kisebb koncentrációjú hely irányában, ezt a mozgást diffúziónak nevezzük megindul a WX n molekulák diffúziója a spirál felé. A középső zóna egyensúlyi hőmérsékletű helyeit megközelítve egyre nagyobb számban bomlanak vissza volfrám- és halogén atomokra. A legbelső zónában a szabaddá vált volfrám atomokból álló gőzréteg fékezi az újabb párolgást, illetve egyes W-atomok visszarakódhatnak a spirálra, mások a hidegebb zóna felé mozogva újból egyesülnek valamelyik halogén atommal. A körfolyamat így regeneratív, és a halogénlámpa működőképes. A fentírtakból következik, hogy a halogénlámpában a következő hőmérséklet-sorrendnek kell megvalósulnia. Hőmérséklet csökkenés Izzószál hőmérséklet W-halogén reakció egyensúlyi hőmérséklete Burahőmérséklet Volfrám-halogenid vegyület lecsapódási hőmérséklete A négy halogén elem közül a halogénlámpákban részben technológiai meggondolások, részben hőmérsékleti tulajdonságaik miatt a jódot és a brómot alkalmazzák. Hogy mikor melyiket, azt a készülő lámpa fényhasznosítása, élettartama, (tehát hőmérsékletből adódó jellemzői) szabják meg. A volfrám-jód reakció számára a legkedvezőbb hőmérséklet kb C, a volfrámbróm reakció számára pedig kb C. Ebből következik, hogy a jódot viszonylag kisebb spirálhőmérsékletű, tehát hosszabb élettartamú, a brómot nagyobb szálhőmérsékletű, tehát rövidebb élettartamú lámpákban alkalmazzák. A bróm kémiailag agresszívabb a jódnál, már kis feleslegben alkalmazva is megtámadja a hidegebb fémalkatrészeket, ennek mérséklésére ismeretesek módszerek. Ilyen pl. a brómnak hidrogénnel történő ideiglenes lekötése a hidegebb helyek környékén Halogénlámpák konstrukciója A volfrám-halogén körfolyamat megvalósulásához igazodnia kell a lámpakonstrukciónak mind a felhasznált anyagok, mind a geometriai kialakítás tekintetében. Mivel a bura jóval melegebb, mint a hagyományos izzólámpák esetében, a tartós hőigénybevételnek nem felel meg a normál lámpákhoz alkalmazott lágyüveg. A halogénizzó burája kvarcból vagy egyes lámpatípusoknál keményüvegből készül. Árambevezetőként molibdénfóliát vagy keményüveg bura esetében molibdéndrótot használnak. Nagyon lényeges, hogy az árambevezető fémnek és a buraanyagnak a hőkitágulása között ne legyen túl nagy különbség, ezért esett a választás a molibdénre. Az izzótest nagytisztaságú, spiralizált volfrám. 82

83 A hagyományos izzólámpák nagy részéhez hasonlóan a halogénlámpákat is nemesgázzal töltik, ez legtöbb esetben kripton, vagy xenon. A töltési nyomás többszöröse a hagyományos lámpáknál alkalmazott nyomásnak, legalább 2 3 bar. A halogéneket melyekből egy lámpában igen kis mennyiség szükséges, könnyen bomló vegyület formájában juttatják a lámpatérbe a nemesgáz töltéssel együtt. Ami a geometriai kialakítást illeti, döntő szempont a hőmérsékleti feltételek teljesítése. A kellően nagy burahőmérséklet elérése céljából a burafalat minél közelebb kell hozni a spirálhoz, lehetőleg a teljes spirál mentén azonos távolságra. Ennek megvalósítását szolgálja a ceruza kivitel, vagyis csőbura, tengelyében a spiralizált volfrámszállal. Ez a típus a két végén fejelést teszi szükségessé ábra: Két végen fejelt hálózati feszültségű halogénlámpa A halogénlámpák másik nagy csoportját a hagyományosabb, egy végen fejelt típusok alkotják. a.) b.) ábra: Egyvégen fejelt halogénlámpák a.) kétcsapos (G-fejű) halogénizzó b.) halogénizzó kónuszba építve. Üzemeltetés szempontjából a halogénlámpák lehetnek törpefeszültségen vagy hálózati feszültségen működők. A megfelelően nagy spirálhőmérséklet eléréséhez kellően nagy áramerősségre van szükség, az alkalmazott feszültség és a tervezett teljesítmény így elsősorban spirálkonstrukciós feladatot jelent, melyben jelentős szerepet játszanak a volfrámszál geometriai méretei és a tömege. Törpefeszültségre maximum 100 W-os, hálózati feszültségre W-os lámpákat gyártanak A halogénlámpák általános tulajdonságai A későbbiekben látni fogjuk, hogy a halogénlámpák is sokfélék lehetnek, de vannak tulajdonságok, amelyek általában jellemzőek a halogén izzókra. Ezeket a következők szerint foglalhatjuk össze: 1. A mérsékelt volfrámpárolgás miatt a bura fényáteresztő képessége és így a fényáram az élettartam során gyakorlatilag változatlan marad. 2. A spirál izzási hőmérséklete nagyobb, mint a hagyományos izzólámpák esetében. A volfrám-halogén körfolyamat és a nagyobb nemesgáz nyomás következtében a spirál adatait (méretek, tömeg) a gyártók úgy határozhatják meg, hogy az üzemi hőmérséklet 83

84 típusfüggően K-t is elérheti. A spirálhőmérséklet beállítása igen lényeges momentum, mert ezzel a lámpa fényhasznosítása és élettartama is befolyásolható. Például a 3300 K izzószál hőmérsékletű lámpa fényhasznosítása elérheti a 32 lm/wot, ugyanakkor élettartama 100 óra alá is lecsökkenhet. Ilymódon a lámpafejlesztőknek módjukban áll viszonylag kisebb fényhasznosítású (15-20 lm/w) és hosszabb élettartamú ( óra), vagy viszonylag nagy fényhasznosítású (30-33 lm/w), de rövid élettartamú (pl.15 óra) lámpát előállítani. Ez utóbbiak elsősorban a vetítőberendezésekben használatosak. A fogyasztók számára fontos üzenet, hogy a háztartásokba javasolt halogénlámpáknak a fényhasznosítása is jobb, és az élettartama is hosszabb, mint az eddig használt hagyományos izzólámpáknak. 3. A halogénlámpák színvisszaadása kiváló, hiszen színképük folytonos, CRI = Színhőmérsékletükről szólva megjegyezhetjük, hogy a volfrám minél nagyobb hőmérsékleten izzik, annál jobban megközelíti a feketetestet. Így a lámpa színhőmérséklete jó közelítéssel megegyezik a spirál tényleges izzási hőmérsékletével. Összehasonlítva a hagyományos izzólámpával a halogénlámpákat néhány száz kelvinnel nagyobb színhőmérséklet és így fehérebb színű fény jellemzi, de még így is a szabványban megfogalmazott meleg fehér tartományban maradnak. 5. A nagyobb spirálhőmérséklet azzal jár, hogy a lámpa viszonylag többet sugároz ultraibolya tartományban. Ez a látható színkép folytatásaként jelentkezik, tehát az UVsugárzásnak legnagyobb része még az emberre legkevésbé veszélyes (UV-A) tartományába esik. Fokozottan UV-érzékeny tárgyak világításához használt lámpákban külön előtét üveglap szolgál az UV-hányad kiszűrésére. 6. Fényáram-szabályozás tekintetében a halogénlámpák kényesebbek a hagyományos izzóknál. Mivel általában lefelé szabályozásról van szó, a műszaki szóhasználatban erre a dimmelés kifejezést alkalmazzák. (to dim angolul homályosítást, fénycsökkentést jelent.) A fényáram-csökkentés csak addig következhet be, míg a lámpatérben kialakult hőmérsékleti viszonyok nem akadályozzák a volfrám-halogén körfolyamatot. A törpefeszültségű lámpák dimmelése speciális, erre alkalmas transzformátorokkal történik. A dimmelés leggyakoribb módja a hálózati feszültséggel működő lámpákat is beleértve az ún. fázishasítás alkalmazása, mely megfelelő dimmerekben teljesítmény-elektronikai eszközök útján valósítható meg. Erről jelen jegyzet 5. fejezetében olvashatunk részletesen. A névlegesnél nagyobb feszültség nagymértékben csökkenti a lámpák élettartamát. 5%-os túlfeszültség folyamatosan alkalmazva felére csökkenti az élettartamot. A 3.17 ábra egy törpefeszültségű halogénlámpa fényáramváltozását mutatja be a feszültség függvényében ábra: Halogénlámpa fényáramváltozása az alkalmazott feszültség függvényében. Fényáram (%) Feszültség a névleges érték %-ában 84

85 Az egyvégen fejelt halogénlámpák az esetek többségében kisméretűek ezt megköveteli a nagy burahőmérséklet miatt szükséges kis spirál-bura távolság. A kisebb méretű fényforrások jobban megközelítik a pontszerűséget, optikai berendezésekben fényük jobban fókuszálható. Az előzőekben láttuk, hogy a körfolyamat érdekében a burahőmérsékletnek nagynak, (legalább 250 C-nak) kell lennie. Ezért szabály, hogy a halogénlámpák buráját még hideg állapotban sem szabad csupasz kézzel megfogni. Az ujjakon mindig jelenlevő zsírszerű szennyeződés átragad a burára, és bekapcsolás után a forró burán nyomot hagy, a fényáteresztő képességet csökkenti. Az ilyen jellegű szennyeződést acetonnal vagy alkohollal el lehet távolítani Törpefeszültségű halogénlámpák A törpefeszültséggel működő (leggyakrabban 12 V-on) irányított fényű (reflektorburás) lámpákkal gyakran találkozhatunk, mint reprezentatív belső terek, kirakatok világításának eszközeivel; de egyre inkább részesei a lakások világításának is. A lámpa alapvetően két főrészből áll, magából a kisméretű halogén fényforrásból és a tükrösített burából, mely a fényforrást beragasztva tartalmazza. (3.16/b ábra) A fényforrástechnikában alkalmazott tükör lehet vákuumpárologtatott alumíniumréteg, és lehet ún. hidegtükör. Ez utóbbi vetítőlámpakénti alkalmazás esetén a filmanyagot nem éri káros hősugárzás. Ez az előnyös tulajdonság természetesen az általános világítás területén is kamatoztatható, amikor hőre érzékeny anyagot kívánunk megvilágítani. A hidegtükrös lámpák dichroic jelzéssel kerülnek forgalomba. A tükrösített burájú irányított fényű lámpáknak nem a fényáramát, hanem a maximális (tengelymenti) fényerősségét közlik a katalógusok. Másik jellemzőjük a sugárzási szög. (lásd 3.13 ábra) Ennek alapján az irányított fényű lámpák lehetnek keskenyen (spot) és szélesen (flood) sugárzóak. A meghatározásokból adódóan keskenyebb sugárzási szöghöz (α) nagyobb maximális fényerősség (I max ) tartozik és fordítva. (lásd PAR lámpák) Például: I max α cd cd cd U = 12 V P = 35 W Általános világításra természetesen szélesebben sugárzó, egyes céltárgyak megvilágítására keskenyebben sugárzó lámpát célszerű használni. A sugárzás UV-tartalma miatt egyes típusokat UV-sugárzást elnyelő előtéttel (UVstop) látnak el. Pl.: múzeumi tárgyak világításánál ez elengedhetetlen. Maguk a halogénizzók egyes típusokban kaphatók külön is, vagyis reflektorbura nélkül. Ezeknek a buraanyaga az UV-sugárzást nagyrészt elnyeli (speciális UV-t blokkoló kvarc vagy a kisteljesítményűeknél keményüveg). Alkalmazhatók pl. eleve tükörrel ellátott íróasztallámpában vagy állólámpában. Az itt tárgyalt törpefeszültségű lámpákat G betűjelzésű csapos fejjel gyártják. A fej jelölésben szereplő szám a két tűszerű csap egymástól való távolságát jelzi milliméterben. 85

86 3.18. ábra: Csapos fejű reflektorburás halogénlámpák A tükrösített burájú, törpefeszültségű lámpáknak ma már igen népes családja van, ennek megfelelően többféle szempontból jellemezhetők. Az alkalmazható feszültség szempontjából lehetnek: 6, 12 és 24 V feszültségen működők, leggyakoribbak a 12 V-os típusok. Teljesítmény szempontjából: 20, 35, 50, 75 és ritkábban 100 W-osak lehetnek. Fényhasznosításuk: lm/w között mozog. Élettartamuk minimálisan 2000 óra, de léteznek 4000, 5000 sőt 6000 órás típusok is. Ez a nem túl nagy fényhasznosítás (és spirálhőmérséklet) alapján érthető. Sugárzási szögük gyártók szerint különbözik, 8º és 60º között sokféle érték létezik. Színvisszaadásuk kiváló, CRI = 100. A lámpacsalád alkalmazása ma már széleskörű. A reflektorburás törpefeszültségű lámpák kiemelő vagy helyi világítások létrehozása mellett egyre gyakrabban szerepelnek belső terek általános világítást szolgáltató fényforrásaiként. (gyógyszertárak, bankok, éttermek stb.) Lakásokban pl. vezetősínre szerelve tetszés szerint mozgatható lámpatestekben flexibilis világítási rendszer hozható létre általuk. Ezek a fényforrások természetesen nem a hagyományos izzólámpák közvetlen helyettesítését szolgálják. A rájuk kapcsolható feszültség értékéből és a menetestől eltérő lámpafejből ez egyenesen következik. Működtetésükhöz transzformátorral ellátott lámpatestre vagy törpefeszültségű hálózatra van szükség. A 230 V hálózati feszültségnek leggyakrabban 12 V-ra történő letranszformálásához hagyományos vagy elektronikus transzformátorokat alkalmazunk. A hagyományos vasmagos transzformátorok ma már nem korszerűek; hátrányaik a viszonylag nagy teljesítményveszteség, a nagy súly, az esetlegesen hallható zúgás, továbbá a lámpákat tápláló szekunder oldali feszültség függése a primer, hálózati feszültségtől. Az elektronikus transzformátor nagyfrekvenciás árammal (~40 khz) táplálja a lámpát. Ez kisebb teljesítményveszteséggel, kisebb súllyal és térfogattal jár, valamint könnyen megoldhatóvá teszi a fényáramszabályozást. Az elektronikus transzformátorról bővebben a működtető egységekről szóló fejezetben olvashatunk. 86

87 3.3.5 Hálózati feszültségű halogénlámpák A hálózati feszültségen működő halogénlámpák is lehetnek egy végen vagy két végen fejeltek. A két végen fejeltek természetesen csak olyan lámpatestben működtethetők, melynek erre alkalmas, a lámpát két végén rögzítő foglalatpárja van. Ezek ritkábban szolgálnak általános világítási célokat, inkább optikai berendezések (pl. írásvetítők) fényforrásaiként találkozhatunk velük. A kültéri világításban a náluk gazdaságosabb fémhalogén kisülőlámpák elterjedése előtt szerepeltek nagyobb számban. Felépítésükre a csőalakú bura és a bura tengelyében végigfutó volfrámspirál jellemző. A kvarccső két végét vékony molibdén fóliára lapítják, melyek árambevezetőül szolgálnak. Ezekhez rögzítik a speciális kialakítású fejet. (ilyen pl. a fémérintkezővel ellátott hasított kerámiahüvely). A cső hosszát a teljesítmény befolyásolja. Alakjukról ceruzalámpáknak is nevezik őket. 60, 100, 150, 200, 250, 300, 500, 750, 1000, 1500 és 2000 W egységteljesítménnyel készülnek. Fényhasznosításuk típusfüggően 15 és 22 lm/w között van, élettartamuk 2000 óra. A hagyományos izzólámpa utódjaiként természetesen azok a halogénlámpák jönnek elsősorban szóba, melyek egy végen fejeltek és az izzólámpás lámpatestbe (íróasztallámpa, hangulatlámpa, csillár stb.) közvetlenül becsavarhatók, vagyis E 27 vagy E 14 fejjel vannak ellátva. Ma már a kereskedelemben ezek a fényforrások egyre szélesebb típusválasztékkal kaphatók. Célszerű őket kivitel szempontjából két csoportra osztani: Egyik csoportjukat képezik a reflektorburás, tehát irányított fényű lámpák. Ezek lehetnek az ún. PAR-család tagjai, PAR 16, 20, 25 és 30. A szám a buratetőt képező ún. frontlencse átmérőjét jelenti nyolcad inch-ekben kifejezve. Néhány alkalmazott típus méretét és fejtípusát az alábbiakban foglaltuk össze: E 14 fej, W Típus Átmérő PAR mm PAR 20 64,5 mm PAR mm PAR mm E 27 fej, 50, 75, 100 W A lámpa a törpefeszültségű típushoz hasonlóan tölcsérszerű kónuszból, a belerögzített kisméretű halogén izzóból és a kónuszt lezáró frontlencséből áll. Irányított fényű lámpákról lévén szó, a gyártmányismertetők a maximális fényerősséget adják meg. Sugárzási szögüket tekintve lehetnek keskenyen vagy szélesen sugárzók. Élettartamuk típusfüggően óra lehet. Használatuk egy adott munkafelület irányított megvilágítására célszerű, főként azok számára, akik idegenkednek a kompakt fénycsövektől és meglevő lámpatestjeik normál (E 27) vagy mignon (E 14) foglalatot tartalmaznak ábra: Hálózati feszültségű E 14 fejű, 40 W-os reflektorburás halogénlámpa A másik csoportba a nem irányított fényű kettős burával ellátott lámpák tartoznak; a kisméretű halogén izzó egy külső burában nyert elhelyezést, melyet E 27 vagy E 14 fej zár le. 87

88 Főként ezek azok a halogénlámpák, amelyek általános világítási céllal a hagyományos izzók helyett alkalmazhatók ábra: Példák a hagyományos izzókat kiváltó halogénlámpákra Igen változatos kivitelűek, a gyártók palettáján a gyertyaburás kiviteltől a nagyobb teljesítményű E40-es fejű csőburás típusig számos lámpa megtalálható. Általában óra élettartamúak, fényhasznosításuk kb. 12%-kal több, mint a velük azonos teljesítményű hagyományos izzónak. Egységteljesítményük 40 W-tól 1000 W-ig terjed. A 75 W-os normál izzólámpa helyett pl a 60 W-os halogénlámpa alkalmazása javasolt. Ha viszont 100 W-os hagyományos izzó helyébe ugyancsak 100 W-os halogénlámpát helyezünk, 1350 helyett 1550 lm fényáramot sugárzó fényforrásunk lesz, amelynek élettartama kétszerese a hagyományos izzólámpáénak. 75 W 1000 órán át 60 W 2000 órán át ábra: 75 W-os hagyományos izzólámpa helyett alkalmazhatunk 60 W-os halogénizzót. 3.4 A kisülőlámpák működéséről általában A kisülőlámpák olyan fényforrások, amelyekben villamos ívkisülés következményeképpen elektromágneses sugárzás jön létre. A sugárzás megjelenhet közvetlenül fény és/vagy ultraibolyasugárzás formájában, ez utóbbit lumineszkálás közbeiktatásával kell láthatóvá tenni. Az alapeszköz egy ún. kisülőcső, melynek két végébe fémelektródokat ültettek, magát a csövet valamilyen gáz és/vagy fémgőz tölti ki. Az elektródokra megfelelően nagy feszültséget kapcsolva a gáz-gőz elegy ionizáció útján elektromosan vezetővé válik. A kisülőlámpák nagy részében mind a sugárzás keltésének, mind az elektromos vezetővé válásnak az az alapja, hogy az eredetileg semleges fémgőz atomokhoz a villamos tér hatására felgyorsított elektronok ütköznek, mire az atomok részben ionizálódnak (valamely külső elektronjuk leszakad, mely szintén ütközésre képes), részben gerjesztett állapotba kerülve 88

89 elektromágneses sugárzást bocsátanak ki. Gerjesztéskor az atom valamelyik elektronja eredeti energiaszintjénél magasabb energiaszintre kerül. Itt az elektron igen rövid ideig tartózkodik, (kb s), s alacsonyabb energiaszintre lép vissza, miközben a két szint közti különbségnek ( E) megfelelő energiát kisugározza (Planck). E = h f, ahol: f a kibocsátott sugárzás frekvenciája, h a Planck-állandó (6, Js). Mivel a sugárzás frekvenciája (és így hullámhossza is) meghatározott energiaszintek közti különbséghez kötött érték, a kisüléses fényforrások színképében csak meghatározott, az illető atom minőségére jellemző frekvenciájú (hullámhosszúságú) sugárzások fordulhatnak elő. Ennek köszönhetően a kisülőlámpák színképe vonalas, eltérően a folytonos színképű izzólámpáktól. A gerjesztés és az ionizáció is csak akkor játszódhat le, ha az ütköző elektron mozgási energiája legalább akkora, mint a gerjesztéshez ill. ionizációhoz szükséges energia. Az ütközésben résztvevő elektronokat a bekapcsoláskor felmelegedő elektródok bocsátják ki. Ezt a jelenséget termikus emissziónak nevezzük, és az ívkisülés egyik jellemzője. Mind a lavinaszerűen bekövetkező ütközési ionizáció, mind a termikus emisszió hatására igen rövid idő (tizedmásodperc) alatt nagyon megnő az elektronok száma és ezzel együtt a csövön áthaladó áram erőssége. Azért, hogy a hirtelen fellépő nagy áram ne tegye tönkre a lámpát, áramkorlátozó elemet (pl. ellenállást) kell vele sorba kötni. Jól jegyezzük meg, hogy hasonló ok miatt áramkorlátozást minden kisüléses fényforrásnál alkalmazni kell! A lámpával sorbakötött áramkorlátozó elemnek ( fojtótekercs ) az is szerepe, hogy beállítsa a cső munkapontját vagyis a működési feszültség és a lámpaáram értékét és ezzel stabilizálja az ívet. Az optimális működéshez tartozó áramerősség akkor alakul ki, ha a lámpára eső feszültség négyzete és az előtétre eső feszültség négyzete együttesen éppen kiadják a hálózati feszültség négyzetét ábra: Munkapont a negatív ellenállás-karakterisztikán A 3.1 fejezetben láttuk, hogy a kisülőlámpákat kisnyomású és nagynyomású lámpákra osztjuk. Mi indokolja ezt a felosztást? A kisüléses fényforrások döntő többségében nemesgáz és fémgőz együttesen van jelen. A fénykeltésben a fémgőz játszik szerepet, a nemesgáztöltésnek egyéb rendeltetése van. A fénykeltésre legelőször és ma is nagy mennyiségben alkalmazott fém a higany, nátriumlámpákban a nátrium. A fémhalogénlámpák egyéb fémeket is tartalmaznak, ezekről később részletesen olvashatunk. Az első különbség a kis- és nagynyomású kisülések között a kibocsátott optikai sugárzás jellegében van. 89

90 Különböző nyomású higanygőz esetében vizsgálva a kisüléskor gerjesztett sugárzás intenzitását, azt tapasztalták, hogy kicsi kb. 0,8 Pa nyomáson a kibocsátott sugárzásnak maximuma van. A nyomás növekedésével csökken az intenzitás, Pa között éri el a minimumot, majd kb. 1, Pa után újból erőteljesen növekszik. A két, egymástól jól elválasztható nyomástartományban kibocsátott sugárzás spektrumának vizsgálata a következő eredményre vezet. Kisnyomáson: Nagynyomáson: Hullámhossz Tartomány, szín [nm] 185,0 UV 253,7 UV 365,0 UV 405/408 látható, ibolya 436 látható, kék 546 látható, zöld 577/579 látható, sárgászöld Rezonanciavonalak Mi az oka a fénykeltés ilyenforma nyomásfüggésének? Ha kicsiny a nyomás, két elektron-higanyatom ütközés között viszonylag nagy a közepes szabad úthossz, az elektronok nagy mozgási energiára tudnak szert tenni az elektromos tér hatására. Az alapállapotból viszonylag nagy energia közlésével gerjesztett higanyatomok a kis elektronkoncentrációjú plazmában még egy újabb ütközés bekövetkezte előtt újból alapállapotba kerülhetnek, és közben ennek megfelelő nagyobb energiájú (kisebb hullámhosszúságú) fotont emittálhatnak. A színképben így keletkezett vonalakat rezonanciavonalaknak nevezzük. Kisnyomáson működő, rezonanciasugárzás kibocsátásán alapuló legfontosabb fényforrásunk a fénycső. Mivel a higany rezonanciavonalai az UV-tartományban vannak, a cső belső falára szükséges olyan anyagot felvinni, amely az UV-sugárzást láthatóvá alakítja. Ez a fénypor. Megnövelve a nyomást (10 4 Pa fölé) megváltozik a kisülés jellege. Gyakoribbá válnak az atom-elektron ütközések, az elektronok kisebb szabad úthosszon gyorsulva közölnek energiát a már valamilyen gerjesztési szinten levő atomokkal, melyek a következő ütközésig az alapállapotba visszatérni csak igen kis valószínűséggel tudnak. Ezzel szemben gerjednek a magasabb nívók és megjelennek a látható vonalak. A nyomás növekedésével a kisugárzott vonalak hullámhossza kevésbé meghatározottá válik, a vonalak bizonyos mértékben kiszélesednek. Ennek fő oka, hogy a nagy nyomás következtében az atomok közelebb kerülnek egymáshoz, nagy az egymásra gyakorolt kölcsönhatás, a külső héjon levő elektronok egymást perturbálják. Az egyes energialépcsők ( term -ek) is határozatlanabbá válnak. (Közeledés a folyadékok folytonos színképe felé.) 90

91 Energia, ev 10,43 Ionizáció Gerjesztés Sugárzás Ion 7,73 6,46 4,89 4,67 zöld kék ibolya 546,1 435,8 404,7 nm Gerjesztett állapotok 0 Alapállapot 91 Ultraibolya rezonanciasugárzás 253,7 nm ábra: Energiaszintek a higanyatomon belül Nagy nyomáson annak is megnő a valószínűsége, hogy ion és elektron találkozzék, és semleges atommá alakuljon, vagyis bekövetkezzék a rekombináció. A rekombináció alkalmával energia szabadul fel. Az elektronok mozgási energiájuk egy részét sugárzás formájában adják le, de mivel a mozgási energia bármilyen értékű lehet (nem kvantált), a rekombinációs sugárzás színképe folytonos. A nagynyomású higanygőz kisülésekben tehát a vonalas színkép mellett a folytonos színkép is megjelenik. Nagynyomású higanygőzben történik a fénygerjesztés a higanylámpa esetében. Itt is gerjed UV-sugárzás a látható vonalak mellett (365 nm), tehát a burán fényporbevonatnak kell lennie. A két nyomástartomány közötti sugárzásminimumnak az az oka, hogy a kisnyomáson gerjedő rezonanciavonalak a nyomás növekedtével egyre inkább elnyelődnek. Amikor már elegendően nagy a higanyatomok koncentrációja, az alapállapotban levő higanyatom elnyelheti a fotont, újból emittálja, az újra emittált foton újból elnyelődhet s.í.t., anélkül, hogy a cső falát elérné. (Rezonanciasugárzás-csapda) Ahhoz viszont kicsiny a higanykoncentráció, hogy a nagyobb gerjesztési energiájú nívókra is jussanak fel elektronok, s ebből látható sugárzás keletkezhessen. A rezonanciavonal önabszorpciója jól megfigyelhető a kis- és nagynyomású nátriumlámpa színképének összehasonlításakor is. Azon a hullámhosszon, ahol a kisnyomású lámpának éles rezonanciavonala (fénykisugárzása) van, a nagynyomású lámpa kiszélesedett színképében befűződés, sugárzásminimum jelentkezik. Különböző nyomások esetén a hőmérsékleti viszonyokban is jelentkeznek különbségek. Ahogyan növekszik a nyomás, növekszik az elektron-atom ütközések száma. Ezek főként rugalmas ütközések, így az elektronok mozgási energiát adnak át (lassulnak), a nehezebb részecskék pedig energiát kapva nagyobb hőmérsékletűek lesznek. Az elektron,- és gázhőmérséklet közelítőleg azonossá válik ( K között), a plazma lokálisan (a kisülőtér valamely elemi térfogatában) a termodinamikai egyensúly állapotába kerül. A "plazma" szót azért alkalmazzuk, mert a kisülés terében lévő anyag plazma állapotú, vagyis ionok, elektronok, fotonok, gerjesztett és semleges atomok rendszere alkotja. Nagynyomású ívekben a jóval nagyobb töltéskoncentráció nagyobb áramerősséget eredményez, az elektródok közötti nagyobb térerősség nagyobb áramsűrűséggel párosul. Ez a

92 jelenség kihat a lámpakonstrukcióra; a nagynyomású lámpák kisülőcsöve rövidebb, kisebb átmérőjű, anyagának bírnia kell a nagy hőterhelést (kvarc vagy Al 2 O 3 kerámia). A kisülés elindításához egy semleges gázban villamos ív alakulhasson ki megfelelően nagy térerősségre van szükség, vagyis a kisülőcső elektródjaira megfelelően nagy feszültségnek kell jutnia. Ezen a feszültségen melyet gyújtófeszültségnek nevezünk az ionizációval keletkezett szabad elektronok felgyorsulnak, és ütközések révén újabb elektron-ion párokat hoznak létre. A gyújtási (vagy gyújtó) feszültség nagyobb a hálózati feszültségnél, egyes nagynyomású lámpák esetében több tízezer voltos gyújtóimpulzusra van szükség a kisülés beindításához. A gyújtáshoz ezért vagy külön áramköri egységre van szükség (gyújtó, gyújtókészülék) vagy a kisülőcsőbe az egyik elektród mellé ún. segédelektródot ültetnek be. (higanylámpa esetében). A korszerű elektronikus előtétek a gyújtóegységet is tartalmazzák. Az egyes gyújtási megoldásokra a fényforrások részletes tárgyalásánál visszatérünk. A kutatások szerint a gyújtási feszültség elsősorban a következő tényezőktől függ: Az elektródok közötti távolság A gáz nyomása A gáz anyagi minősége A kisülőcső átmérője Az elektródok minősége Néhány kiegészítés a felsoroláshoz: 1. A gáznyomás függvényében a gyújtófeszültség az elektródtávolság és a nyomás szorzatának függvényeképpen minimumgörbe szerint változik. (Paschen törvénye) ábra: A gyújtási feszültség változása a nyomás és az elektródtávolság szorzatának függvényében, különböző gázok esetében 2. A gyújtófeszültséget befolyásolja az elektródok anyagi minősége, alakja és hőmérséklete. Az anyagi minőség az elektron kilépéshez szükséges munka értékét határozza meg. Az elektronkibocsátás a katódból történik, de mivel a fényforrások zömének működtetésére váltakozó feszültség szolgál, félperiósusonként az elektródok katód- és anódszerepe felcserélődik. Így mindkét elektród azonos felépítésű. Az elektródként alkalmazott fémnek (ált. volfrámnak) a kilépési munkája viszonylag nagy, ezért az elektródokat oxidbevonattal látják el, melynek kilépési munkája az elektródfémnél kisebb. Erre a célra alkáliföldfém (kalcium, stroncium, bárium) oxidokat, vagy ritkaföldfém-oxidokat alkalmaznak. (emissziós anyag, katódmassza ) Megjegyzendő, hogy egyes kisülőlámpákban kémiai okok miatt nem 92

93 alkalmaznak emissziós anyagot (fémhalogén lámpák). Ilyen esetben tóriumtartalmú volfrámból készülhetnek az elektródok a megfelelő emisszió eléréséhez. A gyújtófeszültség csökkentése szempontjából elvben az lenne a legkedvezőbb, ha az elektród kis görbületi sugárban (hegyesen) végződne. Így érvényesül legjobban a felületi töltéssűrűség-okozta csúcshatás. A katódmassza felvitele és megtapadása szempontjából viszont nagy felületű elektród kialakítása célszerű (pl. tripla spirál) Az elektród hőmérsékletének növelésével nő az emisszió mértéke, és ez a gyújtófeszültség csökkenését vonja maga után. A kisülőlámpák működése szempontjából igen lényeges az elektródok hőmérsékletének alakulása. A fénycsövek esetében nagy általánosságban véve mint a későbbiekben látni fogjuk előfűtött, meleg elektródokkal történik a gyújtás. Ez amellett, hogy megkönnyíti a gyújtást, kedvezően hat az elektródok tehát a fénycső élettartamára is. Sok esetben viszont hidegen-gyújtás megy végbe. Ilyenkor termikus emisszió nem lévén, a villamos tér hatására felgyorsult pozitív ionok becsapódnak a katódba, és onnan elektronokat üthetnek ki, melyek részvételével az íváramnál nagyságrenddel kisebb áram folyik a két elektród között. Ez a folyamat játszódik le a parázsfény-kisülésben; a parázsfénykisülés jóval nagyobb katódesése kellő sebességre tudja az ionokat gyorsítani. Hidegen gyújtással állunk szemben a reklámcsövek esetében is, itt többezer voltos feszültség hatására gyújtanak be a csövek. A kisülés beindulása után közvetlenül a fényforrások még nincsenek stabilizált állapotban sem az elektromos jelenségek, sem a kibocsátott fény tekintetében. Mi történik a lámpában ez alatt az idő alatt? (felfutási idő: lásd 3.1 fejezet) A világítástechnikai gyakorlatban használt fényforrásokban üzemi állapotban nemesgáz és fémgőz együtt van jelen, de begyújtás előtt, azaz hideg állapotban a fém még folyékony (apró higanycseppek), netán szilárd halmazállapotú ( amalgámgolyók ). A kisülés tehát a nemesgázban indul el. Az elektron-gázatom ütközések melegítik a gázt és a kisülőcsövet, a keletkezett hő hatására a kismennyiségű fém elpárolog. Ahogy az elpárolgott fématomok száma növekszik a kisülőtérben, úgy egyre több lesz az elektronfématom ütközések száma is. Mivel a fémeknek mind az ionizációs, mind a gerjesztési energiája jóval kisebb a nemesgázokénál, mind az áramvezetésben, mind az elektromágneses sugárzásban a fémgőz egyre inkább átveszi a szerepet a nemesgáztól. Ennek a folyamatnak az időtartama fényforrásonként különböző. A nemesgáztöltésnek tehát a kisülés beindításában van szerepe ( starter gáz ). Van azonban egyéb oka is a gáztöltés alkalmazásának. Nemesgáztöltés nélkül az emittált elektronok közepes szabad úthossza olyan nagy volna, hogy az esetek többségében ütközés nélkül tennék meg az utat a másik elektródig. A nemesgáz-atomok sok ütközést előidézve zeg-zugos pályára kényszerítik az elektronokat, így azok nagyobb valószínűséggel ütköznek a fémgőz atomokkal. A nemesgáz másik előnye, hogy a katódbevonat párolgási sebességét jelentősen csökkenti, így az élettartam alakulására kedvezően hat. Hátrányként említhető a gáz hővezetése, mely a burafalat melegítve veszteséget okoz. A kisülőlámpák egy részében ahol a higany gerjesztése során keletkezik a sugárzás elsődlegesen UV-sugárzás gerjed. Ennek oka a Hg-atomok energianívó-rendszerében (ld ábra) keresendő. Kis nyomáson (fénycsövek) főként a 253,7 nm-es UV-sugrzás keletkezik, amely amellett, hogy káros, az emberi szem számára nem is látható. Nagy nyomáson (higanylámpa) a 365 nm-es UV-sugárzás kísérője a vonalszegény látható spektrumnak. Szükséges tehát olyan anyag használata, amelynek szerepe: 93

94 a.) a gerjesztett ultraibolya sugárzásnak (különösen a higany 253,7 nm.es vonalának) láthatóvá alakítása, b.) különböző világítási célokra megfelelő színképi összetételű fény kibocsátása. Ezt az anyagot fénypornak hívjuk, és bevonat formájában viszik fel a bura belső falára. A fizikai jelenség, amely a fényporok működésének alapja, a lumineszcencia. A lámpákban használatos lumineszcens anyagok szilárd, kristályos szerkezetű vegyületek. Kémiailag jellemezve őket oxidok, vagy oxisavas sók. (aluminátok, vanadátok stb.) A lumineszcencia jelensége a fizikából ismeretes. A lumineszcens anyagot meghatározott hullámhosszúságú (frekvenciájú) foton éri, erre gerjesztett állapotba kerül, és szintén fotont bocsát ki (sugároz), melynek energiája a veszteségek miatt valamivel kisebb, mint a gerjesztő foton energiája. (Nagyobb semmiképpen sem lehet; az eneriamegmaradás törvényének a kiterjesztése a lumineszcenciára az ún. Stokes-törvény.) Ha a kisugárzás a gerjesztés megszűnte után 10-8 s-on belül befejeződik, a folyamat neve fluoreszcencia, ellenkező esetben foszforeszcenciával (utánvilágítással) van dolgunk. Kis hatásfokkal sok anyag lumineszkál adott anyag nagy hatásfokú lumineszcenciáját az alaprácshoz igen kis mennyiségben adagolt speciális, ún. aktivátor anyagok szabják meg. Belátható, hogy a fénycsövekhez és a higanylámpához nem azonos kémiai összetételű fényport alkalmaznak. Régebben a fénycsöveket ún. halofoszfát fényporral vonták be. A halofoszfáttal bevont fénycsövek gyengébb színvisszaadásúak, ma már a korszerű fénycsövek legalább háromsávos fényporral készülnek. Ez olyan keveréket jelent, amelyben minden komponens a színkép valamely tartományába kibocsátott sugárzásért felelős. Különösen alkalmasak erre a célra a ritkaföldfém vegyületek. Lényeges, hogy a fénycső fényének spektrumát (így színhőmérsékletét és színvisszaadását) az alkalmazott fénypor kémiai összetétele szabja meg! E λ ábra: Háromsávos fénypor spektruma Higanylámpák esetében a 365 nm-es UV-sugárzás láthatóvá alakítása és a vörösben szegény higanyszínkép vörösben történő gazdagítása a fénypor feladata. Ennek anyaga ma elsősorban európiummal aktivált ittrium-vanadát. Mivel a fényporok lényegében energiaátalakító szerepet töltenek be, ezt valamekkora hatásfokkal végzik. A hatásfokot befolyásolja, hogy milyen frekvenciájú UV-sugárzást 94

95 milyen frekvenciájú látható vonallá alakít, valamint hogy az emittált fotonok száma mennyi az abszorbeált UV-kvantumokhoz képest. A fénypor-minőség tehát jelentősen befolyásolja magának a lámpának a fényhasznosítását. Az is megjegyzendő, hogy a fényporok anyaga is öregszik, a többezer órás használat során hatásfok-romlással kell számolnunk. A fényporok hatásfoka átlagosan %-ra tehető. 3.5 A hagyományos fénycső Összefoglalva röviden az előző fejezetben írottakat: A fénycső kisnyomású higanygőzzel és nemes gázzal töltött kisülőlámpa. A sugárzáskeltésben a higanygőznek van szerepe, melynek nyomása igen kicsiny, 1 Pa alatt van! A higanyatomok gerjesztésével ezen a kis nyomáson ultraibolya sugárzás keletkezik (főként 253,7 nm hullámhosszú). Az UV-sugárzást a cső belső oldalára felvitt fluoreszkáló bevonat, a fénypor teszi láthatóvá, tehát a fénycső működésében két fizikailag jól elválasztható folyamat játszik szerepet, egyik az UV-sugárzás gerjedése az ívkisüléskor, másik a lumineszkálás jelensége, vagyis megfelelő fluoreszcens anyag közreműködésével az UV-sugárzás láthatóvá tétele úgy, hogy a fény lehetőleg kedvező spektrális eloszlású legyen ábra: A fénycső felépítése A fénycső szimmetrikus felépítésű üvegcső, a két végében egy-egy állvánnyal, melyek az elektródot tartalmazzák. Az elektródok többszörösen spiralizált volfrámhuzalok, rajtuk a megfelelő elektronemisszió érdekében bevonat, ún. katódmassza van. A fénycsövek élettartamának végét legtöbbször ennek az anyagnak az inaktívvá válása jelenti. A csőbe a gyártás során néhány mg higanyt és néhányszáz Pa nyomású nemesgázt (Ar-Kr) töltenek. Lényeges, hogy a sugárzás keltésében csak a higanynak van szerepe, a nemesgázokra egyéb okok miatt van szükség (kisülés megindítása, elektródok védelme, ütközési valószínűség növelése). Nagyon helytelen tehát a fénycsövet neonnak nevezni, ami a köznapi nyelvhasználatban sajnálatosan elterjedt. A fénycsövek hátrányaként szokás emlegetni a nagy geometriai méreteket. Általánosságban elmondhatjuk, hogy a méretek alakulásának elsősorban kisülésfizikai okai vannak; a kisülés stabilizációjának elektrotechnikai feltételei vannak, ezek pedig bizonyos méretbeli követelményeket vonnak maguk után. Tekintettel arra, hogy az ív a teljes csőkeresztmetszetre kiterjed, lényeges paraméterként szerepel az áramerősség és a keresztmetszet hányadosa, az áramsűrűség. Ez a számítások szerint ma/cm 2 -nek adódott. Hasonlóképpen optimalizált érték a villamos térerősség. Ez a kisnyomású higanykisülés esetében kb. 1 V/cm. Ezekkel az értékekkel lehet a stabil ívet és az optimális termikus viszonyokat fenntartani. Az üzemeltetés során az elektródok között kialakult feszültség kb. 115 V (működési feszültség), és az ehhez 95

96 tartozó íváram (36 W-os fénycsőben 430 ma) döntően befolyásolják a méreteket. A 36 W-os cső hosszúsága a csapokat nem számítva 1200 mm. A nagyobb teljesítmény és íváram (változatlan keresztmetszet mellett) nagyobb csőhosszt (csőtérfogatot) tesz szükségessé; ellenkező esetben a gáztér túlzott felmelegedése a fényhasznosítás csökkenését eredményezné. Az 58 W-os fénycső így 1500 mm hosszú. A két végén fejelt fénycsöveket ma túlnyomórészt 26 mm (T8) és 16 mm (T5) átmérővel gyártják. A T betű utáni szám az átmérőt jelenti, 1/8 inch-ben kifejezve. A 80-as évekig kizárólag 38 mm-es fénycsöveket gyártottak. A 26 mm-es (és annál vékonyabb) fénycsöveket nem tiszta argonnal, hanem kripton-argon gázeleggyel töltik. A nagyobb százalékban alkalmazott kripton kisebb ionizációs energiájának és rosszabb hővezetőképességének köszönhetően csökkenthetőek voltak a veszteségek, így a 26 mm-es fénycsövek a 38 mm-esekhez képest a fényáram változatlanul hagyása mellett 10%-kal kevesebb teljesítményt vesznek fel: 38 mm 20 W 40W 65 W 26 mm 18 W 36 W 58 W A 26 mm-es fénycsövek másik előnye a kisebb helyigény gondoljunk többezer fénycső raktározására, szállítására, kevesebb üveg- és fénypor szükséglet. Az azonos csaptávolságú fejek alkalmazása lehetővé tette a 38 mm-es fénycsövekkel a csereszabatosságot. A három leggyakoribb egységteljesítményen kívül a különféle cégek egyéb teljesítményű fénycsöveket is gyártanak, így léteznek 26 mm átmérővel 15, 38, 50, 70 W-os fénycsövek is. 38 mm-es fénycsövekkel ma már egyre ritkábban találkozunk, viszont elterjedőben vannak a 16 mm-es (T5-ös) típusok. A T5-ös fénycsövek kifejlesztése a további méretcsökkenés jegyében történt. Így előnyei a kis helyigény, kisebb lámpatestek, belsőépítészeti és egyes lakásvilágítási megoldásokhoz való könnyebb alkalmazhatóság. A kisebb átmérő (és a kisebb lámpatérfogat) bizonyos mennyiségi jellemzők megváltozásával járt, és konstrukciós változásokat is tett szükségessé. Az átmérő mellett lecsökkent a lámpatérfogat. A kisebb térfogatban nagyobb a felmelegedés, a leghidegebb hely (a hidegpont) nem az elektródok közötti térben van, hanem az egyik elektród mögött. Ez az elektród valamivel beljebb kerül, tehát a fénycső felépítése aszimmetrikussá vált. A melegebb burán speciális fényporbevonat van, s a T5-ös csövek maximális fényáramukat 35ºC-os környezeti hőmérsékleten bocsátják ki. Ez megnöveli az alkalmazási lehetőségek számát; belső terekben a mennyezethez közel a hőmérséklet könnyen elérheti a 35ºC-ot! A lámpa hossza itt is a kívánt teljesítménytől függ. Adott lámpaáram mellett a fénycső működési feszültsége a névleges teljesítmény növekedésével természetesen nő, és ezzel együtt a lámpa is egyre hosszabb. A 16 mm-es fénycsövek is gazdag teljesítményválasztékkal készülnek. Így gyártanak 4W, 6W, 8W, 13W, 14W, 21W, 28W, 35W, 39W, 54W, 80W teljesítményű T5-ös fénycsöveket. A T8-as csöveket G13-as, T5 -ös csöveket G5 fejek zárják le. A hagyományos, két végén fejelt fénycsövek családját meglehetősen nagy típusgazdagság jellemzi. Vásárlás esetén milyen tulajdonság alapján kérjünk adott típusú fénycsövet? Tételezzük fel, hogy a legáltalánosabban használt, 26 mm átmérőjű fénycsőre van szükségünk. Lényeges adat a teljesítmény, hiszen ez a hosszúságot is meghatározza, és a 96

97 lámpatest adott hosszúságú fénycső befogadására alkalmas. Ezután választhatunk, hogy milyen színhőmérsékletű fénycsövet vásárolunk, vagyis melegfehéret, fehéret vagy hidegfehéret. A fénycső speciálisan olyan fényforrás, amely széles színhőmérsékletskálával készül a 2700 K-tól a 6500 K-ig. Ez, mint ismeretes, a különféle fényporoknak köszönhető, melyek egyúttal a színvisszaadási indexet is meghatározzák. A korszerű (háromsávos, polylux) fényporok általában 1.b színvisszaadási kategóriába sorolják a fénycsöveket, de forgalomban vannak 2. és 3. színvisszaadási fokozatba tartozó fénycsövek is (Standard típusok). A színhőmérséklet és a színvisszaadási index számszerű értékei a fényárammal és az élettartammal együtt a gyártó cég termékismertetőjéből a megfelelő fényforrással a típusjelzés alapján azonosíthatók. Pl. Típusjelzés: F18W/827 Fényáram: 1350 lm Élettartam: h Színhőmérséklet: 2700 K Színvisszaadási index: 85 A következőkben tekintsük át egy átlagos, 26 mm-es 36 W-os fénycső energiamérlegét! ábra: Hagyományos fénycső energiamérlege A betáplált 36 W-ból tehát 10 W fordítódik fényre, ez csaknem 28%; mivel az idézett fénycső fényárama 3250 lm, a fényhasznosítás értéke 90 lm/w-nak adódik. (Vessük össze a normál izzólámpa lm/w-os fényhasznosításával!) Most csak a fénycső által felvett teljesítményt vettük figyelembe, tudvalevő, hogy az előtét is fogyaszt néhány wattot. A fényhasznosítás típusfüggő; értékét befolyásolja a konstrukció, a fényporminőség és a teljesítmény. Ezért általában a fénycsövek fényhasznosításának megállapításánál egy alsó és egy felső határértéket állapítanak meg. Az alsó és felső határértékek széles intervallumot fognak át, a mai fénycsövek fényhasznosítása lm/w között lehetséges. A kisebb teljesítményű, rövidebb fénycsöveknek a fényhasznosítása is kisebb. Összehasonlításképp nézzük a standard F33-as típuson belül a különböző fénycsövek fényáramát és fényhasznosítását! Teljesítmény [W] Fényáram [lm] Fényhasznosítás [lm/w] , , , ,3 A legkorszerűbb T5-ös fénycsövek fényhasznosítása a 100 lm/w-ot is túllépheti. 97

98 A fénycsövek mint általában a kisüléses fényforrások hosszú élettartamúak. Ezen belül hozzá kell tennünk, hogy az élettartam típus- és üzemeltetésfüggő. A standard, halofoszfát fényporral bevont és hagyományos előtéttel működtetett fénycsövek névleges élettartama 9000 óra. Háromsávos fényporbevonat és nagyfrekvenciás működtetetés mellett a névleges élettartam óra is lehet. A fénycső élettartamának végét az elektródok inaktívvá válása jelenti; nem képesek a kisülés megindításához elegendő elektront kibocsátani. A működés állandó katódmasszapárolgással jár, ez a gyújtás fázisában fokozott intenzitású és így az aktív anyag az élettartam során egyre fogy. Az elektródok között mérhető feszültség (működési feszültség) növekszik, ez gyújtási nehézséggel jár. Mindehhez járul a fénypor öregedési folyamata is, tehát az élettartam során a fényáram fokozatosan csökken. Mivel az emittáló anyag párolgása, porlódása különösen gyújtáskor jelentős, érthető, hogy a ki- bekapcsolások száma befolyással van a fénycső élettartamára. Az élettartam akkor egyezik meg a gyártó által deklarált értékkel, ha 3 óránként történik egy ki- bekapcsolás. (3.28 ábra) A folyamatosan (megszakítás nélkül) üzemelő fénycső élettartama viszont a névleges érték két- és félszeresét is elérheti. T, % Folyamatos üzemeltetés Két egymást követő bekapcsolás között átlagosan eltelt idő ábra: A fénycső élettartama a kapcsolások gyakoriságának függvényében A fénycsövek villamos üzemeltetése A standard fénycső üzemeltetéséhez az áramkorlátozó előtéten kívül még egy segédeszközre van szükség, a gyújtóra. Gyújtó nélkül csak egyes speciális csövek gyújtanak be. (lásd később) A gyújtó szerepe az, hogy közreműködésével megjelenjen az elektródok között az a viszonylag nagy (esetenként 1000 V-nál is nagyobb) feszültség, amely elegendő a fénycső üzembe helyezéséhez. (gyújtási feszültség) A fénycső hálózatra kapcsolásának rajzát a 3.29 ábra szemlélteti. Ez a hagyományos, fojtótekerccsel történő működtetésre vonatkozik ábra: Fojtótekercses, gyújtós fénycsőkapcsolás L 98

99 Biztonsági előírás, hogy a D előtétet a fáziságba kell kötni, G a gyújtó, K a hálózati kapcsoló. A gyújtó egy kis glimmlámpa, melynek legalább az egyik elektródja bimetallból készült. A hálózati feszültséget a rendszerre kapcsolva a gyújtóban megindul a glimmkisülés, mert a gyújtó gyújtási feszültsége kisebb, mint a hálózati feszültség. A glimmáram felmelegíti a gyújtó elektródjait, melyek a hő hatására összezáródnak, minek következtében áram folyik át a fénycsőelektródokon és az előtéten. Ez az áram felizzítja a fénycsőelektródokat, amelyekből megindul az elektronemisszió. Mivel közben a gyújtóban megszűnt a kisülés, a bimetall lehűl, és megszakítja az áramkört. Ez az áramerősség változás a fojtótekercsen akkora feszültséget indukál (kb. 800 V), amely már elegendő a fénycső begyújtásához. Ha mégsem gyújt be, a folyamat újrakezdődik, hiszen a gyújtó megkapja ismét a glimmeléshez szükséges feszültséget. Ha a cső begyújtott, a sarkain lévő feszültség kisebb, mint a gyújtó gyújtófeszültsége, így az visszagyújtani s több gyújtáskísérletet végezni nem tud. A fénycső élettartamának vége felé az elektródok fokozatosan elhasználódnak, s a működési feszültség megnő. Ilyenkor fordul elő, hogy a gyújtó újra gyújt, a cső kialszik, újragyújt, erre a gyújtó ismét glimmel, s.í.t., s előbb-utóbb vagy a fénycső, vagy a gyújtó teljesen tönkremegy. Az elektródok felizzítása az indukált feszültséglökés előtt igen fontos folyamat a fénycső élettartama szempontjából. A felfűtési idő 1-2 s, nagysága a gyújtókonstrukcióval állítható be. Fénycsőgyújtóból kétféle használatos, aszimmetrikus és szimmetrikus. A kettő között az a különbség, hogy az aszimmetrikus egy bimetall érintkezőt tartalmaz, amely egy Ni elektródhoz zár a rajta átfolyó áram hatására, míg a szimmetrikus kivitelnél két egyező méretű bimetall lemez között jön létre az érintkezés. Az aszimmetrikus kisebb feszültségen kezd működni, amelyet azzal érnek el, hogy az egyik elektródot valamilyen kis kilépési munkájú anyaggal (bárium, lantán) vonnak be ábra: Fénycsőgyújtók felépítése Az elektródok kisméretű parázsfény lámpa elektródjai. Kivezetésükhöz párhuzamosan zavarszűrő kondenzátort kötnek, s az egészet együtt egy alaplemezre erősítve fém- vagy műanyagtokba helyezik. A kondenzátor szerepe még, hogy az árammegszakítás idejét csökkentve a fojtón indukált feszültséglökés növekedését, s így a begyújtást segíti elő. A gyújtóra vonatkozó adatok a megszólalási feszültség és a nem-működési feszültség. A megszólalási feszültség a hálózati feszültségnek az a legkisebb értéke, amelynél egy gyújtó(készülék) még biztosan működik. (30 s-on belül legalább két gyújtóimpulzust szolgáltat.) Értéke általában V. A nem-működési feszültség a hálózati feszültségnek az a legnagyobb értéke, amelynél egy gyújtó(készülék) már biztosan nem működik. Előírásával megakadályozható, 99

100 hogy a gyújtó a működő fényforrás esetében is adjon gyújtófeszültséget. Értéke kb V. A fénycsövek korszerű működtetése nem az előbb ismertetett módon külön gyújtóval és külön fojtótekerccsel hanem egy integrált alkatrésszel, az elektronikus előtéttel történik. (lásd a 4.1 fejezetet) A bekapcsolt és stabilan működő fénycső jellemzésére két alapvető mennyiség szolgál: a.) Működési feszültség (régebben égésfeszültség). Ezen a kisülőlámpa elektródjai közti feszültséget értjük állandósult üzemi körülmények között. Nagy általánosságban mondhatjuk, hogy értéke kb. a hálózati feszültség effektív értékének a fele. Lámpaáram. A működő kisülőlámpán átfolyó áram erőssége. Értékét az előtét impedanciája határozza meg. A lámpa geometriája, a töltőgáz összetétele és nyomása megszabja a kisülés áram-feszültség karakterisztikáját. (lásd a 3.22 ábrát), ennek alapján pedig a lámpaáram ismeretében a működési feszültséget. Az előtét pontos méretezése igen lényeges, hiszen impedanciája végül is a lámpa teljesítményét is meghatározza. Mindebből az is következik, hogy adott teljesítményű fényforráshoz adott típusú (impedanciájú) előtétet kell használni. A lámpa-előtét páros helytelen megválasztása üzemképtelenségre vagy a rendszer tönkremenetelére vezethet. Ha változik a rendszerre kapcsolt (hálózati) feszültség, (pl. toroid tekercsen át juttatjuk a hálózati feszültséget a fénycső + előtét rendszerre), változik a lámpaáram, és vele együtt a fénycsőnek nemcsak a villamos, hanem a fénytechnikai jellemzői is. Ezt mutatja be a 3.31 ábra ábra: Fénycső jellemzőinek változása a hálózati feszültség változásának függvényében. Mit olvashatunk le az ábráról? a.) A lámpaáram a rendszerre kapcsolt feszültség növekedésével a lineárisnál meredekebben nő. b.) A működési feszültség (lámpafeszültség) csökken a hálózati feszültség és a lámpaáram növekedésével. Ez megfelel az ívkisülésre jellemző negatív ellenálláskarakterisztikának. c.) Mivel az áram erőteljesebben nő, mint ahogyan a működési feszültség csökken, a hálózati feszültség növelése végül is a felvett teljesítmény növekedését eredményezi, de ugyanekkor a fényhasznosítás csökken. d.) A fényáram követi a lámpaáram változását. A lámpaáram bizonyos fokig történő csökkentésével a kibocsátott fényáram ezen a módon is leszabályozható 100

101 (dimmelhető). Az alkalmazott feszültség (és áram) fokozatos csökkentésekor egy bizonyos feszültségnél a fénycső azonban kialszik (kialvási feszültség). Ilyenkor az áram már nem elegendő az elektródok termikus emissziójához, kevés az elektronok mennyisége a kisülés fenntartásához. Kívánt nagymértékű dimmelést (fényáramcsökkentést) csak úgy lehet elérni, ha az elektródok fűtése az íváram lecsökkentésétől függetlenné válva továbbra is szolgáltat kellő mennyiségű elektront. e.) Mivel a hálózati feszültség és a lámpaáram pillanatnyi értéke félperiódusonként nullára csökken, az ív félperiódusonként kialszik és újragyújt. Ebből következik, hogy a kibocsátott sugárzás intenzitása is periodikusan változik, a fénycső fényáramának hullámossága van. Az ív akkor alszik ki, amikor a hálózati feszültség pillanatnyi értéke a fénycső működési feszültsége alá csökken. Újraggyújtás akkor következik be, amikor a következő félperiódusban a hálózati feszültség újból eléri az ívkeltéshez szükséges értéket, vagyis az újragyújtási feszültséget. Sem a működési feszültség, sem a lámpaáram nem szinuszos. (ez oszcilloszkópon könnyen kimutatható) A folyamatot ohmos előtét esetén a 3.32, induktív előtét esetében a 3.33 ábra szemlélteti ábra: Ohmos előtéttel üzemelő kisülőcső a.) kapcsolás b.) feszültség-idő függvények c.) áram-idő függvény ábra: Induktív előtéttel üzemelő kisülőcső a.) kapcsolás b.) feszültség-idő függvények c.) áram-idő függvény A 3.32/b ábrán vastag vonal jelzi a csőre jutó működési feszültséget. Ez amíg megegyezik a hálózati feszültséggel, addig a cső nem vezet. A t 1 időpontban a hálózati feszültség eléri az U g újragyújtási feszültséget a csőben egyre növekvő áram kezd folyni (c ábra) t 2 időpontban a hálózati feszültségnek és az áramnak is maximuma van, t 3 -ban kialszik a cső, mert a hálózati feszültség lefelé elérte az U 0 kialvási feszültséget, így áram sincsen egészen a t 1 + T/2 időpontig, amikor is ismétlődik mindaz, ami az első félperiódusban történt. 101

102 Az ábrákból láthatjuk, hogy: a.) Sem a lámpaáram, sem a működési feszültség időfüggvénye nem színuszos. b.) Az áramvezetés és emiatt a sugárzás kibocsátás is szakaszos. Jelentős hátrány az ohmos előtéten fellépő teljesítményveszteség. Az általánosan alkalmazott induktív előtétes rendszert a 3.33 ábra mutatja be. Ennek előnye a tisztán ohmikus rendszerrel szemben, hogy az áram nulla átmenete pillanatszerű; az induktivitásban felhalmozódott energia nem engedi kialudni a csövet akkor sem, amikor a hálózati feszültség értéke a működési feszültségnél kisebb (t 2 ). Amikor az induktivitás az energiáját leadja, az áram pillanatnyi értéke nulla, de bekövetkezik az újragyújtás és a leírt folyamat ellenkező értelmű áram- és feszültség-értékek mellett megismétlődik. (t 3 ) Induktív előtét alkalmazásakor tehát az áramvezetés folytonos, a sugárzás kibocsátás kevésbé lüktető, tehát a fénycső vibrálása sokkal kevésbé tapasztalható, mint ohmos előtéttel. Egy 36 W-os fénycső és hagyományos előtétje együttesen 45 W teljesítményt vesznek fel. 230 V hálózati feszültségen ehhez 196 ma áramfelvétel tartozik. Ugyanakkor a fénycső + előtét rendszeren a fáziseltolás következtében 430 ma áram folyik át, így a rendszer meddőárama 234 ma. Ez az áram minden hálózati elemet terhel az erőmű és a fényforrás között, tehát kondenzátorral kompenzálni kell. Előző tanulmányaink alapján kiszámíthatjuk, hogy 4,5 µf-os kondenzátor szükséges egy 36 W-os fénycső + előtét rendszerben a kompenzáláshoz, vagyis a teljesítménytényező megfelelő értékre növeléséhez. (0,45-ről 0,95-re) Fénycsőkapcsolások Fénycsövek tandemkapcsolása Ha a fénycső működési feszültsége viszonylag kicsi, lehetséges két fénycsövet egy fojtótekerccsel üzemeltetni, pl. 1 db 36 W-os cső helyett 2 db 18 W-ost használni a 3.34 ábrán látható módon 1 db 36 W-oshoz méretezett fojtóval. A két előtét helyett egynek az alkalmazása költségmegtakarítást jelent, de azért is gazdaságosabb, mert az előtét veszteség is felére csökken. Gyújtójának természetesen minden fénycsőnek külön kell lennie. Ez a módszer két fénycső soros kapcsolását jelentette. Ha párhuzamosan kapcsoljuk a két csövet, akkor az egyik fénycső fog csak begyújtani az, amelyiknek gyújtója hamarább szolgáltatja a gyújtóimpulzust. A kapcsolás előnye viszont, hogy ha az egyik fénycső kiég, a másik üzemel helyette; ott célszerű alkalmazni, ahol a fénycsőcsere elvégzésére nincs mindig lehetőség, és világításra a cseréig is szükség van ábra: Fénycsövek tandem kapcsolása 102

103 Ikerkapcsolás A fénycső az 50 Hz-es váltakozóáramú hálózaton 100 Hz-es frekvenciával villog. Mivel az emberi szem fúziós frekvenciája kb. 50 Hz, ezt a villogást nem észleljük, de annak stroboszkóp hatása állandóan megnyilvánul, ami nemcsak kellemetlen, hanem baleset okozója is lehet hamis mozgás- és sebesség-megítélés következtében. A stroboszkóp hatást csökkenti a fénypor utánvilágító képessége. Ez a fénypor összetételének függvénye. A meleg fehér színű fényporok utánvilágító hatása a legnagyobb, ezeknél tehát kisebb a stroboszkóp hatás. A stroboszkóp hatást gyakorlatilag megszünteti, ha a három fénycsövet erre alkalmas lámpatestben a három külön fázisra kötünk. Ahol csak egy fázis van, pl. lakásban, ott ikerelőtétet alkalmazunk. Ennek kapcsolási rajza a 3.35 ábrán látható. 1 a szokásos induktív előtét. A másik cső áramkörébe az induktív előtéten kívül kondenzátort is kötünk, amely a két fénycső között 90º-os fáziskülönbséget létesít, s ennek hatására az egyik cső fényáramának minimuma a másik maximumával esik egybe, a két áramkör fáziseltolódás tekintetében egymást gyakorlatilag teljesen kompenzálja, ezért nincs szükség külön fázisjavító kondenzátorra. Ikerelőtéttel a stroboszkóp hatás egyszerű előtéthez képest 50%-kal csökken. Megjegyezzük, hogy a kapacitást és az önindukciós együtthatót méretezéskor nagyon pontosan kell beállítani. C Rapidstart fénycsövek begyújtása ábra: Fénycsövek ikerelőtétes kapcsolása Vannak speciális fénycsövek, melyek nem igényelnek gyújtót, elektródjaik fűtéséről másként kell gondoskodni. A kapcsolásban egy transzformátor is szerepel, amely állandóan fűti az elektródokat (3.36 ábra) L N ábra: Rapidstart fénycsőkapcsolás transzformátorral előfűtött elektródákkal 103

104 A gyújtást kapacitív úton segíti az egyik árambevezetőhöz védőellenálláson át kötött fémcsík, melyet a fénycső külső oldalára vittek fel. (Külső gyújtócsíkos fénycső). A fémcsík mm széles, anyaga bronzpor. Ha a teljes burát szilikonréteggel vonják be, megnő a bura szigetelési ellenállása, s javulnak a gyújtási feltételek kapcsolást is elviselnek, de élettartamuk kb. 30%-kal rövidebb a standard fénycsövekénél. A rapidstart fénycsövek begyújtására ún. rezonancia-előtétek is ismeretesek, melyek egy rezgőköri tekercset és kondenzátort is tartalmaznak; a szükséges gyújtófeszültséget a rezgőkörben keletkező feszültséglökés szolgáltatja Speciális fénycsövek Reflektorburájú fénycsövek Az irányított fényű izzólámpákhoz hasonlóan fénycsövek is készülnek azzal a célzattal, hogy fényük nagy részét megadott szögben sugározzák. A burára fényvisszaverő réteget visznek fel a fényporréteg alá. A teljes burára felvitt rétegből 130º-os szögnek megfelelő csíkot kitörölnek, így a réteg 230º-os szögben borítja be a burát. A reflektáló réteg anyaga ón-dioxid vagy titán-dioxid. (Fémtükör itt nem jöhet szóba, egyrészt, mert a fémek nem állnak ellen a higanynak, másrészt mert jó vezetőképességük miatt az áram nagy része rajtuk folyna és nem a gáztéren.) Színes fénycsövek A többnyire dekorációs célokat szolgáló színes fénycsövek részben az alkalmazott fénypor összetételében térhetnek el a normál fénycsőtől (zöld, kék), részben abban, hogy a fényporrétegen kívül egy festékréteget is tartalmaznak, melynek jelenléte bekapcsolatlan állapotban is látszik (piros, sárga, narancs). Az utcán látható reklámcsövek sem felépítésüket, sem fizikai működésüket, sem elektrotechnikai jellemzőiket tekintve nem azonosak a színes fénycsövekkel! Ultraibolyában sugárzó csövek Ide részben olyan normál felépítésű fénycsövek tartoznak, melyeken nincsen fényporbevonat, valamint burájuk olyan speciális üvegből készül, amely az UV sugárzást, ill. annak valamely sávját átengedi. Ide tartoznak a baktériumölő germicidlámpák, az anyag- és pénzvizsgálathoz használt UV-lámpák és az UV sugárzás egyéb tulajdonságait hasznosító sugárzók (lakk- és ragasztószárítás, fénymásolás). Másik csoportjuk olyan fényporbevonattal készül, amely a 253,7 mm-es sugárzást elsősorban UV-A-vá alakítja (soláriumok). Alakos fénycsövek Az egyenes fénycsövek mellett egyes cégek gyártanak különféle alakú (U-,W-, kör-) csöveket is. A hajlítás bonyolítja a gyártást, megnöveli a gyártási költséget. Vastagabb fényporréteget visznek fel, mint a lineáris kivitelnél, hogy a rétegvastagság a hajlítás után a külső íven is elegendő legyen. A belső íven ugyanakkor még nagyobb lesz a fényporréteg vastagsága. Ez a fotonok nagyobb abszorpcióját okozza, amely a fényhasznosítás bizonyos fokú csökkenéséhez vezet. Az alakos fénycsövek között a legelterjedtebbek a körfénycsövek, fő alkalmazási területük a közlekedési útjelzőtáblák világítása, de találkozhatunk velük belső 104

105 terek világításánál is, így ehhez megfelelő lámpatestek is rendelkezésre állnak. Leggyakoribb egységteljesítmény a 32 W, de gyártanak 22, 40 és 60 W-os körfénycsöveket is. A csőátmérő ennél a típusnál 34,1 mm. A kör-geometriából következik, hogy a két csővég egymáshoz közel, szembekerül egymással, közéjük egy db négycsapos fejet építenek be. 3.6 Kompakt fénycsövek A kompakt fénycsöveket a médiában és a kereskedelemben egyaránt szokásos energiatakarékos izzónak nevezni. Ennek a kifejezésnek csak az első fele igaz, a kompakt fénycső nem izzó, és ezzel a kijelentéssel el is érkeztünk a működési elvhez. Az izzó szót az izzólámpától örököltük ahol valóban felizzított fémszál sugározza a fényt. A kompakt fénycső működése alapjaiban megegyezik a hagyományos ( egyenes ) fénycső működésével. A kompakt fénycsövek kifejlesztése az 1970-es évek végén kezdődött el; a 70-es években lezajló olajválság kikényszerítette az energia-megtakarítást célzó programok és kutatások előtérbe helyezését, és ez alól a fényforrásgyártók sem jelentettek kivételt. A hagyományos fénycsövek ekkor már kb. 40 éves múltra tekintettek vissza, és különösen a beltéri világításban széles körben terjedtek el. Célszerűnek mutatkozott, hogy az izzólámpánál jóval gazdaságosabb fénycsövet némi módosítással az izzólámpa teljes körű kiváltására alkalmassá tegyék. Ez azonban szükségessé tette, hogy a foglalatba rögzítés tehát a lámpa fejelése a csőnek csak az egyik végén legyen. Az eredetileg egyenes csövet tehát meg kellett hajlítani, hogy a két elektród és így a foglalatba csatlakoztatás azonos végen legyen. Így kisebb lámpahosszt értek el, mely jobban megközelítette az izzólámpa-méretet. Az első kompakt fénycsövek 5, 7, 9 és 11 watt teljesítménnyel és rendre 107,5; 136,5; 167 és 237 mm hosszúsággal készültek. A csőátmérőt 10 mm-re vitték le. Ezzel maximum 60 wattos izzók fényáramát sikerült elérni, nagyobb fényáramú lámpákhoz nagyobb teljesítmény és nagyobb lámpatérfogat vált szükségessé. A 10 mm-es átmérő megtartása mellett a csőhosszt csak úgy lehetett növelni, hogy nem egyszeri, hanem többszöri hajlítást alkalmaztak, pontosabban, hogy több egyszer hajlított csőpár között áthidalásokat hoztak létre, s ezzel végeredményben nagyobb lámpahossz volt elérhető. Ennek figyelembevételével történhet a kompakt fénycsövek egyik csoportosítása: hány csőből áll az egyetlen kisülő csatorna. Eszerint vannak 2, 4, 6 és 8 csöves kompakt fénycsövek. A fentiekből következik, hogy ha több a cső, rövidebb lámpa is elég ugyanakkora teljesítményhez (és fényáramhoz). Pl. 4 csöves típus 26 W 1710 lumen 169 mm 6 csöves típus 26 W 1710 lumen 140 mm Megjegyezzük, hogy a 8 csöves típusok fényárama relatíve kisebb, mert a csövek bizonyos mértékig árnyékolják egymást. A méret szerinti jellemzést végezhetjük a csőátmérő figyelembevételével is. A kompakt fénycsöveket T5, T4, T3, T2 jelöléssel is szokás ellátni, ahol a számjegy 1/8 inchekben jelzi a cső átmérőjét. Ezek közelítőleg 16, 13, 10 és 6 mm-es csőátmérőket jelentenek. A másik csoportosítási alap ismertetése előtt szükséges felhívni a figyelmet, hogy a kompakt fénycső működéséhez az egyenes fénycsőéhez hasonlóan ún. működtető egységek szükségesek. Működtető egységen az előtétet és a gyújtót értjük. Az előtét szerepéről a 3.4 fejezetben már volt szó, a gyújtó feladata a begyújtáshoz szükséges gyújtófeszültség biztosítása. 105

106 3.6.1 A kompakt fénycsövek típusai INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A kompakt fénycsövek egy része a működtető egységeket teljesen, vagy részben tartalmazhatja. Ezt alapul véve a kompakt fénycsövek három csoportját különböztetjük meg. a.) Beépítve tartalmazzák az előtétet és a gyújtót is. Ezek az izzólámpás lámpatestek foglalataiba minden további nélkül becsavarhatók, E14-es vagy E27-es fejjel vannak ellátva. Itt a gyújtó nem külön alkatrészként szerepel, a gyújtóáramköri egység szerves része az előtétnek. (A Magyarországon szabványos fejtípusokon kívül léteznek egyéb méretűek is, pl. E12, E26 stb.) ábra: Kompakt fénycső beépített előtéttel és gyújtóval b.) Tartalmazzák a gyújtót, de nem tartalmazzák az előtétet. Ezekhez külön előtétet kell csatlakoztatni; az előtétek (adapterek) a kereskedelemben kaphatók, a különböző teljesítményű és kialakítású fénycsövekhez a hozzájuk megfelelő előtétet kell alkalmazni. Ezek a kompakt fénycsövek kétcsapos fejjel készülnek, tehát a szokásos foglalatokba közvetlenül nem csavarhatók, csak az E27-es vagy E14-es fejű előtéteken keresztül ábra: Gyújtóval, de előtét nélkül szerelt kompakt fénycső c.) Nem tartalmazzák sem az előtétet, sem a gyújtót. Felismerhetők onnan, hogy a fejük négycsapos. Működtetésük olyan lámpatestekben lehetséges, amelyek az előtétet és a gyújtót beépítve tartalmazzák. (Pl. a közvilágítási lámpatestek) ábra: Kompakt fénycső, amely sem az előtétet, sem a gyújtót nem tartalmazza 106

107 A megjelenési formát tekintve ma már sokféle kompakt fénycsővel találkozhatunk. Így lehetnek Külső burában elhelyezett kompakt fénycsövek. A bura lehet tükrösített, így irányított fényű lámpa állítható elő, lehet diffúz fényt sugárzó festett bura. A bura lehet különféle alakú, így gyertya, gömb, henger stb. formájú. Spirál formájú kompakt fénycsövek. 2D lámpák, nevüket két D-betűre emlékeztető speciális alakjukról kapták. Nagyobb sugárzó felületüknek köszönhetően egyenletes fényeloszlás érhető el általuk. a.) b.) c.) ábra: Különféle kivitelű kompakt fénycsövek a.) kompakt fénycső tükrösített burában b.) spirálalakú kompakt fénycső c.) 2D kompakt fénycső A csőátmérő legtöbb típusnál 10 mm, a nagyobb teljesítményűek egy része 15 mm-es átmérőjű üvegcsővel készül. A spirálalakú csövek átmérője 10 vagy 6 mm. (T3 vagy T2) A kompakt fénycsövek működtető egységei Működtető egységek közé a gyújtót és az előtétet soroljuk. Előtétet, amint azt a 3.4 fejezetben olvashattuk, minden kisülésen alapuló fényforráshoz kell alkalmazni, enélkül a fényforrás a bekapcsolás pillanatában a nagy áramfelvétel miatt tönkremegy. Gyújtót az ívkisüléses fényforrások egy részéhez kell alkalmazni; egyes lámpafajták konstrukciójából következik, hogy gyújtóra nincs szükség. A gyújtó lehet hagyományos (parázsfény-kisülésen alapuló), és lehet elektronikus. Az izzólámpa-foglalatba (E14 és E27) közvetlenül becsavarható kompakt fénycsövek a gyújtót beépítve tartalmazzák, így ezzel a felhasználónak nincsen dolga. Az E14 és E27 fejjel ellátott tehát közvetlenül az izzólámpa helyére csavarható kompakt fénycsövek az elektronikus előtétet is tartalmazzák. A közelmúltban, ha kétcsapos (tehát csak gyújtót tartalmazó) fénycsövet kívántunk az izzólámpa helyén alkalmazni, úgy külön meg kellett vásárolni a hozzá illeszthető előtétet. Az elektronikus előtétek felépítéséről és működéséről a 4.1 fejezetben olvashatunk. 107

108 3.6.3 A kompakt fénycsövek tulajdonságai Fénytechnikai tulajdonságok A kompakt fénycsövek fényhasznosítása 60- és 80 lumen/watt (lm/w) között mozog. Ez kevéssel alatta marad a hagyományos fénycső fényhasznosításának; a kisebb lámpaméretből adódóan nagyobb az egységnyi burafalra és az egységnyi buratérfogatra jutó terhelés, mely nagyobb melegedést is jelent. A fényhasznosítás egy bizonyos higanygőznyomásnál optimális, ez 45 C hőmérséklethez tartozik. Egy 10 mm átmérőjű kompakt fénycső falhőmérséklete a 80 C hőmérsékletet is elérheti, így bekövetkezik a fényhasznosítás bizonyos fokú csökkenése. Ezen a problémán részben segít tiszta higany helyett amalgám alkalmazása, illetve a cső bizonyos részeiben, a hidegpontokban (általában a hajlatokban, melyek a felhevített elektródoktól a legtávolabb vannak) létrejövő higanygőz kondenzáció. Az egységteljesítmény növelésével a fényhasznosítás javul. Egy azonos családon belül ezek az értékek a 3.1 táblázat szerint alakulnak (elektronikus előtéttel szerelt 2700 K-es típusok). Összehasonlításként a táblázatban feltüntettük a háztartásokban leggyakrabban használt normál izzólámpák teljesítmény, fényáram és fényhasznosítás értékeit is Táblázat: Kompakt fénycső és normál izzólámpa összehasonlítása teljesítményük, fényáramuk és fényhasznosításuk alapján Kompakt fénycső Normál izzólámpa Teljesítmény Fényáram Fényhasznosítás Teljesítmény Fényáram Fényhasznosítás 9 W 490 lm 54,4 lm/w 25 W 230 lm 9,2 lm/w 11 W 610 lm 55,5 lm/w 40 W 415 lm 10,4 lm/w 15 W 900 lm 60,0 lm/w 60 W 710 lm 11,8 lm/w 20 W 1200 lm 60,0 lm/w 75 W 940 lm 12,5 lm/w 23 W 1500 lm 65,2 lm/w 100 W 1340 lm 13,4 lm/w Az összehasonlításból kitűnik, hogy adott teljesítményű izzó helyett hány wattos kompakt fénycső felel meg leginkább. A fényáramuk alapján csereszabatos izzólámpakompaktfénycső párokat a 3.2 táblázat tartalmazza Táblázat: Fényáramuk alapján csereszabatos izzólámpa-kompaktfénycső párosítások Normál izzólámpa Kompakt fénycső 25 W 7 W 40 W 11 W 60 W 15 W 75 W 20 W 100 W 23 W A javasolt kompakt fénycsövek fényárama nagyobb, mint a megfelelő izzólámpáé, a kisebb egységteljesítmény viszont nem lenne elegendő az izzó fényáramának eléréséhez. Azt is figyelembe kell venni, hogy a kompakt fénycsövek a térben más fényeloszlással rendelkeznek, emiatt egy felület adott pontjában azonos fényáram mellett sem lesz azonos a kétféle fényforrás által eredményezett megvilágítás. A kereskedelemben kapható kompakt fénycsövek korrelált színhőmérséklete (T C ) a hagyományos fénycsövekéhez hasonlóan széles skálát fog át: 2700 K és 6500 K között többféle színárnyalatban készülnek. A színhőmérséklet ( fényszín ) a fénypor vegyi 108

109 összetételétől függ! (Hallani olykor, hogy a színt a csőben levő gáz minősége szabja meg. Ez nem igaz, minden fénycsőben higanygőz gerjed, és első lépésben UV sugárzás keletkezik. A gáz összetételnek a reklámcső technikában lehet színmeghatározó szerepe, a két eszköz működését azonban nem szabad összekeverni.) Tekintettel arra, hogy az izzólámpában a szálhőmérséklet K között van és a színhőmérséklet is ebbe a tartományba esik az izzólámpa helyett leginkább a 2700 K-es kompakt fénycsövet célszerű ajánlani és vásárolni. A következőkben áttekintjük a leggyakoribb ötféle színhőmérsékletű fénycső spektrumát ábra: Különböző színhőmérsékletű kompakt fénycsövek spektruma Láthatjuk, a 2700 K-es melegfehértől a 6500 K-es hidegfehér felé haladva a vörös/kék arány fokozatos csökkenését. A fény minőségére vonatkozó másik lényeges adat a színvisszaadási index. (CRI: Colour Rendering Index) A kompakt fénycsövek ma általában 82-es színvisszaadási indexűek, vagyis 1.b fokozatúak, mely kiváló minősítést jelent. Az izzólámpák folytonos színképüknek köszönhetően 100-as CRI értékkel rendelkeznek, de a korszerű kompakt 109

110 fénycsövek nem sokkal maradnak le mögöttük. Az ultraibolya sugárzást a közelmúltban kifejlesztett újabb fényporok kedvező spektrális összetételű fénnyé tudják átalakítani. Láthatjuk, hogy a fénypor nemcsak a színhőmérsékletért, hanem a jó színvisszaadásért is felelős. Sajnos a felhasználók nagy része még mindig a gyengébb minőségű mondhatnánk, színtorzító fénycsövekre emlékszik, s ezért is idegenkedik a kompakt fénycsövektől. A kompakt fénycsövek élettartama Az izzólámpával összehasonlítva a kompakt fénycsövek másik előnyös tulajdonsága a hosszú élettartam, mely a legtöbb típus esetében óra, de egyes típusoknál a órát is elérheti. (A normál izzólámpáé közismerten 1000 óra.) A gyártók által megadott és a gyártmányismertetőkben is szereplő ún. átlagos élettartamon azt az élettartamot értjük, melyhez elérkezve a lámpa kezdeti fényáramának csak a 70%-át sugározza. Ez még üzemképességet jelenthet, csak nem gazdaságos a használata. Az élettartam tényleges végét a gyújtásképtelenség jelenti, vagyis hogy a stabil ív keletkezésének nincsenek már meg a feltételei. Ennek oka az elektródok inaktívvá válása; vagyis hogy nem képesek a kisülés elindításához és fenntartásához elegendő elektront kibocsátani. Az elektródokra felvitt katódmassza fogyása és a fénycső falának ún. feketedése az a két legfontosabb jelenség, amelyek a kompakt fénycsövek élettartamát jelentősen csökkenthetik. A fal feketedését okozó folyamat lényege az, hogy a higanyatomok egy része beépül a fénycső üvegébe. A kompakt fénycsövek esetében az átmérő csökkentése lényegesen növelte ennek a jelenségnek a mértékét a nagyobb átmérőjű csövekhez képest. A beépült higany tovább vándorol az üveg belseje felé. A folyamat mértékének csökkentésére különféle átlátszó bevonatokat vihetnek fel az üveg felülete és a fénypor-réteg közé, pl. ittrium-oxidot. Megjegyzendő, hogy a higany-beépülés az elektródokat sem kíméli, ez is egyik oka azok inaktívvá válásának. A kompakt fénycsövek üzemeltetési tulajdonságai 1. Hőmérséklet, felfutás, égetési helyzet. Említettük, hogy a fénycsövek fényárama függ a csőben uralkodó higanygőz nyomástól. Van egy optimális nyomás (0,8 Pa), melyen a fénycső a maximális fényáramot sugározza. Ennél akár kisebb, akár nagyobb a nyomás, a fényhasznosítás csökken. A nyomást a lámpa leghidegebb pontjának hőmérséklete állítja be, mely 10 mm átmérőjű csövek esetében kb. 47 C. Ez az ún. hidegpont (vagy hidegkamra), a felhevített elektródoktól legtávolabb, a hajlítás(ok)ban helyezkedik el. A kompakt fénycsövek melegedése nagyobb, mint a hagyományosaké, a watt/cm 3 mértékegységgel jellemzett mutató nagyobb. Ennek bizonyos fokú kompenzálására a gyártók tiszta higany helyett amalgámot (pl. cinkkel vagy ónnal ötvözött higanyt) alkalmaznak. Az amalgámnak köszönhetően a higany valamivel nagyobb hőmérsékleten éri el az ideális gőznyomást. Az amalgámos lámpák kevésbé érzékenyek nagyobb hőmérsékleten a hőmérsékletváltozásra, teljes fényáramukat a hagyományos fénycsövekéhez képest nagyobb hőmérsékleten és szélesebb hőmérséklet tartományban sugározzák, viszont hidegben nehezebben gyújtanak, felfutásuk lassabb, az optimális hőmérséklet és az ehhez tartozó maximális fénykibocsátás néhány perc elteltével következik be. Lényeges megjegyezni, hogy a kompakt fénycsövek hosszú felfutási idejű fényforrások! 110

111 Az amalgám részleges elpárolgása időigényes folyamat, mely egyes típusoknál 25 C hőmérséklet mellett percet is elérhet. Az amalgám helyett tiszta higannyal működő fénycsövek esetében ahol hidegkamrák segítségével történik a szükséges nyomás beállítása, szintén lassú a felfutás, mert idő szükséges ahhoz, hogy a higany a fénycső hidegebb pontjai felé áramoljon, és ott részben kicsapódjék. A folyamat mindkét esetben bonyolultabb az itt leírtnál, részletes elemzése nem ennek a jegyzetnek a feladata. A fényáramnak bizonyos növekedése után ideiglenes csökkenése következik be, és ezután tapasztalhatjuk a végleges és maximális fénykibocsátást. A működést a környező hőmérséklet is befolyásolja. A legnagyobb fényáram 25 C körüli hőmérsékleten tapasztalható. Kültérre zárt lámpatestet célszerű alkalmazni. Az égetési helyzet a kompakt fénycsövek nagy részénél tetszőleges lehet. A tiszta higanyos lámpákat legcélszerűbb fejfent helyzetben üzemeltetni, hogy a higany diffúzióját a hidegkamra felé a gravitáció is segítse. Mivel a felhasználónak nincs tudomása arról, hogy a vásárolt kompakt fénycső amalgámos-e vagy hidegkamrás, a gyártmányismertetőben vagy a használati útmutatóban írottakat célszerű betartani. 2. Fényáram-csökkenés az élettartam során. Az élettartam során csökken a kompakt fénycsövek fényárama. Meg kell jegyeznünk, hogy ez a jelenség minden fényforrástípusra igaz, csak különböző okok miatt következik be. Fénycsövek esetében a fényáram-csökkenés három okra vezethető vissza. 1. a higanyatomok vándorlása a burafal irányában, és lassú beépülésük az üveg anyagába, 2. a fénypor öregedése és hatásfokának csökkenése, 3. a katódmassza lassú inaktívvá válása és így az elektronemisszió csökkenése, melyben nagy szerepet játszik a massza báriumtartalmának fogyása. Ezt elsősorban a katód túlfűtése, másodsorban az ún. ionbombázás váltja ki, amely a pozitív ionoknak a negatív katódba való becsapódását jelenti. 3. A kapcsolási gyakoriság hatása. A kapcsolási gyakoriságnak az élettartamra gyakorolt hatása legerősebben a hagyományos fojtóval szerelt egyenes fénycsövek esetében jelentkezik. Közismert, hogy a névleges élettartam 3 óránkénti ki- bekapcsolási gyakoriság esetében érvényes. Az elektródoknak árt a kapcsolásokkal járó villamos jellemzők hirtelen változása, a gyors és nagymértékű térerősség változás a masszát esetleg le is szakíthatja. Az elektronikus előtéteknek nagy előnye, hogy sokkal kevésbé mutatkozik a ki-bekapcsolások hatása, a cső lágyabb, élettartam-kímélőbb indítást kap az előtétben lévő gyújtóáramkörtől. Legtöbb előtétnél ún. melegindítás játszódik le, vagyis az elektronika a gyújtás előtt melegíti az elektródokat. (gyújtás előfűtött katódokkal) Az elektronikus előtéttel szerelt kompakt fénycsövek igen különböző műszaki színvonalúak lehetnek; így élettartamhoz kötött megengedett gyújtási gyakoriságot általánosságban nehéz számszerűen megfogalmazni. Az mindenesetre tény, hogy a beépített elektronikus előtét a hagyományos 3 óránkéntinél nagyobb gyakoriságú ki-bekapcsolást is megenged változatlan élettartam mellett. Egyes gyártók az élettartam mellett a hozzátartozó összgyújtásszámot adják meg. Pl.: óra, gyújtás. 4. Az alkalmazott feszültség változásának hatása. A fénycsőre kapcsolt feszültség változásának hatását a 3.31-es ábra szemlélteti. Hangsúlyozni kell, hogy az egyes paraméterek változását a lámpa + előtét együttesen határozzák meg. Az ábra hagyományos fojtóval működő fénycsőre vonatkozik, a változások 111

112 tendenciája hasonló az elektronikus előtéttel szerelt kompakt fénycsövek esetében, csak a változások mértékében van különbség. A névleges feszültséget csökkentve viszonylag meredeken csökken a lámpán átfolyó áram erőssége, és csökken a felvett teljesítmény, valamint a leadott fényáram is. Mivel a fényáram kisebb mértékben csökken, mint a teljesítmény, a feszültség csökkentésekor a fényhasznosítás kismértékben növekszik. (ellentétben az izzólámpákkal) A negatív karakterisztikának megfelelően a lámpaáram csökkenésekor a működési feszültség növekszik, hagyományos előtét mellett nagyobb mértékben, elektronikus előtéttel szerelt fénycsövek esetében igen kis mértékben. A lámpára kapcsolt feszültség csökkentésekor egy adott feszültséget elérve a fénycső kialszik. Ha nem dimmelhető az előtét, ez V-nál következik be. Mivel ilyenkor az áramerősség és vele együtt az elektródok hőmérséklete lecsökken, nincs elegendő elektronemisszió a kisülés fenntartásához. A feszültség növelése az ábráról leolvasható módon ellentétes értelemben változtatja meg az egyes lámpajellemzőket. Ebből az is következik, hogy a hálózati 230 V-nál nagyobb feszültség alkalmazása esetén a fényhasznosítás csökken. Ugyanakkor az áram és az elektródhőmérséklet növekedése miatt a katódmassza fokozottan párolog. 5. A kompakt fénycsövek szabályozhatósága. Manapság gyakori követelmény, hogy a fényforrás szabályozható legyen. Lényeges megjegyezni, hogy a dimmelhetőség nem pusztán a fényforrástól függ, hanem az alkalmazott előtéttől is; az előtéttel egybeépített E14 vagy E27 fejű kompakt fénycsövek általában nem dimmelhetőek. (ezt a lámpa dobozán is fel szokás tüntetni.) A kompakt fénycsövek szabályozása akkor lehetséges, ha az előtétnek van erre fogadókészsége. Ilyenkor az előtét szabályozó-bemenetére adott feszültséget változtatjuk 1 és 10 V között, ennek következményeképpen az előtéten keresztül a fénycső változó frekvenciájú táplálást kap, pl. 40 és 100 khz között. Minél nagyobb a frekvencia, annál kisebb áram halad át a fénycsövön és annál nagyobb egy vele párhuzamosan kapcsolt kondenzátoron, így annál jobban csökken a kibocsátott fényáram. Lényeges az, hogy az elektródok fűtése dimmelés közben is megmaradjon, erről is az előtét gondoskodik. Kompakt fénycső esetében kb. 3%-ra le lehet csökkenteni a fényáramot, de ehhez az is szükséges, hogy a környezeti hőmérséklet ne legyen nagyon kicsi. -15 C alatti környezeti hőmérséklet már csak kismértékű fénycsökkentést tesz lehetővé. Felhasználói kifogások a kompakt fénycsövekkel szemben a.) Gyakran hangoztatott kifogás, hogy a kompakt fénycsövek emberre káros UV sugárzást bocsátanak ki. Ennek a kifogásnak annyiban van alapja, hogy mint ismeretes a kisnyomású higanygőz kisülésben valóban elsősorban a 253,7 nm-es hullámhosszúságú UV sugárzás gerjed (hiszen ez a lámpa működésének alapja). A kérdés az, hogy ennek mekkora hányada jut ki a működő fénycsőből? A válaszadáshoz kézenfekvő a Nap sugárzását tekinteni összehasonlítási alapként. Kimutatták, hogy a fénycsőből kijutó UV sugárzás átlagosan nem éri el a Nap UV sugárzásának egyhatodát. (nyári napon derült égbolt esetén) Ennyi UV-hányad sem az emberi bőrre, sem a szemre nem rejt veszélyt. A fénycsövek burája ún. lágyüvegből készül, mely az át nem alakított UV sugarakat csak igen kis mértékben engedi át. Egy esetleges káros hatás vizsgálatánál azt is figyelembe kell venni, hogy mennyi ideig és milyen távolságból van kitéve valaki a sugárzásnak. Hivatalos vizsgálatok bizonyítják, 112

113 hogy 20 cm-nél nem kisebb távolság és 8 órás lámpa melletti tartózkodás esetén sincs kitéve az illető személy a megengedettnél nagyobb dózisnak. Az UV veszélyt tovább csökkenti, ha a kompakt fénycsövet külső burába helyezik; ezeknél a típusoknál az UV kisugárzás mértéke gyakorlatilag teljesen elhanyagolható. b.) A kompakt fénycsövek az izzólámpa megszokott meleg fénye után az ember számára kellemetlen és az egészségre ártalmas kékesfehér fényt bocsátanak ki. A kék színkomponens káros hatása álmatlanság kiváltásban, az ún. melatonin termelés csökkentésében, súlyosabb esetben rákos megbetegedés okozásában jelentkezhet. Válasz: A látható spektrum kishullámhosszú részét (kék fény) kitevő sugárzásnak valóban van ilyen hatása. (Egyes helyeken az ébrenlét tartására is használják, ld. 6.1 fejezet.) Ez vonatkozik a hidegfehér 6000 K körüli fénycsövekre. Az izzólámpa helyett javasolt melegfehér 2700 K színhőmérsékletű kompakt fénycső kék-tartalma igen csekély, álmatlanságot és egyéb felsorolt tünetet nem okoz. Lényeges, hogy olyan kompakt fénycsövet vásároljunk, melynek dobozán a 2700 K színhőmérséklet jelzés szerepel. c.) A fénycsövek villogása kellemetlen és rontja a szemet. Válasz: Az 50 Hz frekvenciájú árammal működtetett fénycsövek valóban villoghatnak, habár a korszerű fényporok utánvilágítása ezt a jelenséget erősen csökkenti. Az elektronikus előtéttel szerelt kompakt fénycsövek khz árammal működnek. Ilyen gyors változást az emberi szem nem képes követni; az elektronikus előtéttel működtetett fénycsövek egyenletesen világítanak, és a mai kereskedelmi forgalomban főként ezek kaphatók. d.) A kompakt fénycső higanyt tartalmaz, mely veszélyes a környezetre és az egészségre. Válasz: a fénycsövekben a működéshez szükséges higanymennyiség 5 mg alatt van, ez még egy gombostűfejnél is kisebb térfogatnak felel meg. A gőze a csőből csak akkor tud kijutni, ha tiszta higanyt alkalmaztak, és a cső összetörik. Ebben az esetben nedves ruhával mossuk le azt a felületet, melyet higany érhetett. Ha amalgám formájában juttatják be a higanyt a csőbe, ennek általában 2 mg a higanytartalma, és ez a kis mennyiség is kötött formában van jelen, tehát nem áll fenn a tiszta higany kijutásának veszélye. A higanytartalom miatt viszont még ha az oly csekély is minden fénycső veszélyes hulladéknak minősül; és a már üzemképtelen fénycsöveket a kereskedelmi egységek visszaveszik. Országos szinten erre szakosodott cégek a visszagyűjtést szervezetten végzik. Erről bővebben olvashatunk a 6.1 fejezetben. e.) A nagyfrekvenciás üzemeltetésből adódóan olyan elektromágneses tér sugárzódik ki a lámpából, amely veszélyes az egészségre. Válasz: Ezt a jelenséget is vizsgálta az Európai Únió speciális tudományos bizottsága, és semmiféle összefüggést nem állapított meg az elektromágneses tér fellépte és egyes erre hiperérzékeny személyeknél fennálló tünetek között. Feltehetjük a kérdést: a mobiltelefonok működését hasonló okból nem tartjuk ártalmasnak annak ellenére, hogy a lámpánál jóval közelebbre tartjuk magunkhoz és a működési frekvencia a kisugárzott tér energiatartalmával együtt sokkal nagyobb? 113

114 3.7 Egyéb kisnyomású kisülőlámpák Az indukciós lámpa INNOVATÍV VILÁGÍTÁS Mivel a kisüléses fényforrások leginkább igénybe vett és az élettartamot elsősorban meghatározó alkatrészei az elektródok, kézenfekvő, hogy a kutatók érdeklődését felkeltette az elektródnélküli kisülőlámpák konstruálásának lehetősége. A kisülőcsőbe beépített elektródok nélkül kisülés beindítása és fenntartása induktív, kapacitív úton, vagy mikrohullámok segítségével lehetséges ben a Philips-cég fennállásának 100. évfordulójára induktív úton működő, elektródok nélküli lámpákkal jelent meg a fényforrás-piacon.(ql) Lényegében a fénycsőhöz hasonlóan kisnyomású higanygőzkisülés játszódik le benne, azonban nem elektródok által emittált elektronok és higanygőz-atomok ütközésével valósul meg a kisülés, hanem kellően nagy térerősség hatására. (Ahogyan egy nagyteljesítményű rádióadó közelében egy puszta fénycső is világítani kezd.) Az indukciós lámpát a különféle gyártók különböző konstrukcióval valósítják meg. A következőkben a Magyarországon kapható és elterjedt GE-Lighting által gyártott Genura néven szereplő elektród nélküli lámpával foglalkozunk ábra: Indukciós lámpa elve ábra: Genura indukciós lámpa. Az elvet leegyszerűsítve a 3.42 ábra mutatja be. A lámpatérbe kesztyűujjhoz hasonlóan benyúlik egy felül zárt üvegcső, ebben helyezkedik el egy ferrit-rúd, melynek tekercsében egy nagyfrekvenciás generátor által előállított áram folyik (2,65 MHz). Az áram nagyfrekvenciával változó mágneses tere kellő térerősségű elektromos mezőt indukál. A villamos tér energiája gerjeszti a higanyatomokat. A plazma töltéssel bíró részecskéinek mozgása a ferritrúdra tekert primer tekercs körül egy transzformátor szekunder körének fogható fel. A Genura lámpa a nagyfrekvenciás áramot előállító elektronikus egységet a lámpatér és az E27-es fej között beépítve tartalmazza. A fényforrás így az izzólámpához hasonlóan kényelmesen kezelhető, az elektronikus alkatrészek azonban ki vannak téve a hőhatásnak. A lámpa élettartamát itt is az elektronika élettartama határozza meg. (max óra) 114

115 A Genura irányított fényű lámpa, tehát tulajdonságait az irányított fényű (tükrözött burájú) izzólámpákéhoz célszerű hasonlítani: A kb. 48 lm/w fényhasznosítása és óra deklarált élettartama feltétlenül az izzólámpák elé helyezi. A kisnyomású higanykisülésre való tekintettel a lámpa fényt kibocsátó homlokfelületét fényporral vonják be. Ez a felület a bura oldalát körülvevő kemény műanyagburkolaton belül egy tükröző felületben folytatódik a fényhasznosítás céljából. A fénypor természetesen meghatározza a színtani tulajdonságokat; a Genurát 2700 és 3000 K színhőmérséklettel gyártják, színvisszaadási indexe 82, teljesítménye 23 W. A lámpatérben uralkodó viszonylag nagy hőmérséklet tiszta higany helyett amalgám alkalmazását teszi szükségessé. Ezt két részre osztva helyezik el; az ún. főamalgám feladata a lámpa tartós működése közben a megfelelő higanygőznyomás biztosítása, a begyújtás segítésére és a felfutási idő csökkentésére segédamalgám szolgál, melyet a lámpatérben kis zászlócska vagy fólia formájában helyeznek el. A lámpa fényárama néhány másodperc alatt eléri maximális értékének 90%-át, a teljes fényáram eléréséhez percekre van szükség. A Genurát a tükrösített burájú izzólámpa helyett célszerű használni, annál sokkal hosszabb élettartama miatt különösen olyan helyeken, ahol a karbantartás a nehezen hozzáférhetőség miatt körülményes. A 3.43 ábrán bemutatott indukciós lámpa csak egy példája, a kereskedelemben kapható, hasonló elven működő fényforrásoknak. Ezek többségének kialakítása eltér a 3.42 ábrán bemutatott változattól. Előszeretettel alkalmazzák ugyanis azt a megoldást, ahol a kisülőcső önmagában zárt (kör, vagy lekerekített sarkú téglalap alakú), és ezt öleli körül az indukciós tekercs. Ennek a megoldásnak előnye, hogy az elektromos alkatrészek kisebb hőterhelésnek vannak kitéve, ami előnyösen hat az élettartamra. A gyártók az ilyen megoldásokra több tízezer órát adnak meg. Mivel a jegyzet írásának időpontjában ezen típusok még újnak számítanak, ezért nincs hiteles referencia arra nézve, hogy az elméletileg kiemelkedően hosszú élettartam a valóságban mekkorának fog adódni. Hangsúlyoznunk kell, hogy az indukciós lámpákban a fény gerjesztése ugyanazon az elven történik, mint a fénycsövekben ill. kompakt fénycsövekben, így a lámpa fénytechnikai és színtani adatai (fényhasznosítás, spektrum, színhőmérséklet, színvisszaadás) nem térhet el jelentősen az említett fényforrások jellemzőitől. A forgalmazók (napjainkban) azonban sokszor vélhetőleg marketing okok miatt úgy állítják be az indukciós lámpa jellemzőit, mintha a lámpa jelentősen jobb tulajdonságokkal rendelkezne, mint a többi kisnyomású, higanygerjesztésű lámpa. Ezen információkat megfelelő szakmai körültekintéssel kell kezelni Kisnyomású nátriumlámpa Kémiai tanulmányaink alapján ismeretes, hogy a gerjesztett nátrium-atomok intenzív sárga színű fényt sugároznak. (Gondoljunk a kis konyhasókristály által előidézett lángfestésre!) A kisnyomású nátriumlámpa működése a nátrium 589-es és 589,6 nm-es rezonanciavonalainak gerjesztésén alapul. Ez nagyrészt megmagyarázza tulajdonságait és alkalmazását; ezek a vonalak a V(λ) görbe maximumának közelébe esnek, tehát a fényhasznosítás igen jó. (Elérheti a 200 lm/w-ot). A lámpa monokromatikus sárga fénye egyszerre jelent előnyt és hátrányt. Előny, hogy a viszonylag nagyobb hullámhosszúságú fény kevésbé szóródik a köd- és porrészecskéken, nagy áthatolóképessége alkalmassá teszi utak, autópályák, közlekedési csomópontok megvilágítására, amellett a szem látásélessége is igen jó a monokromatikus fényben. A hátrány is a monokromatikus jellegből adódik: a rossz színvisszaadás a lámpa alkalmazásának határt szab, ezért csak ott használható, ahol a színfelismerés nem követelmény. 115

116 A kisnyomású nátriumlámpa egy lehetséges felépítését a 3.44 ábra mutatja be ábra: Kisnyomású nátriumlámpa A fénycsőhöz hasonlóan a nagy fényáram elérése minél nagyobb (hosszabb) sugárzó felületet tesz szükségessé, ezért a kisülőcsövet vagy U-alakúra hajlítják, (mint az ábrán), vagy hosszú egyenes cső-alakra készítik. A gerjesztett rezonanciavonalak önabszorbciójának elkerülése 0,4-0,5 Pa nátriumgőz nyomással érhető el, ehhez kb. 270ºC falhőmérséklet tartozik. Nemesgáz töltésként a lámpa kb Pa nyomású neont tartalmaz. Főként az ideális falhőmérséklet tartása céljából a kisülőcsövet egy külső burába építik be, melyben vákuumot létesítenek. A lámpa fejelése általában egy végen történik, bajonett- vagy csapos fej alkalmazásával. Az U-alakú Na-lámpák szórótranszformátorról működnek. A nagy gyújtófeszültség miatt a transzformátor üresjárati feszültsége 470 V, és az előtét karakterisztikának köszönhetően különféle teljesítményű lámpák ugyanazzal a transzformátorral működhetnek, a lámpaáram ugyanis mindegyiknél közel azonos. A gyújtás a fénycsőhöz hasonlóan parázsfény-kisüléses gyújtó segítségével, vagy hideg elektródokkal történik. Bekapcsoláskor először a neon jellegzetes vörös fénnyel világít. Ahogy a lámpa melegszik, a nátrium egyre jobban párolog, s a kisülés színe fokozatosan sárgába megy át. A teljes felfutás percig tart. A világcégek a kisnyomású nátriumlámpát W-os teljesítménnyel gyártják. Élettartam kb óra. Színhőmérséklet: 1800 K. Fejtípus: BY22d. Annak ellenére, hogy valamennyi fényforrás közül a legjobb a fényhasznosítása, főként igen gyenge színvisszaadása miatt Magyarországon ezidőszerint gyakorlatilag nem alkalmazzák. Nyugat-Európa több országában viszont gyakran találkozhatunk velük, mint közvilágítási fényforrásokkal; használatukat igen jó fényhasznosításuk, és a látást előnyösen befolyásoló tulajdonságuk (látásélesség) indokolja. 3.8 Nagynyomású kisülőlámpák A kis- és nagynyomású kisülőlámpák működésének fizikai alapjairól a 3.4 fejezetben olvashattunk. A most következőkben magukkal, a nagynyomású lámpákkal, felépítésükkel, tulajdonságaikkal, világítástechnikában betöltött szerepükkel foglalkozunk. Ennek alapján háromféle fényforrás tartozik ide: a higanylámpa a fémhalogénlámpa a nátriumlámpa A higanylámpa A higanylámpa volt az első gyakorlatban használható és szélesen elterjedt nagynyomású kisüléses fényforrás, kifejlesztése az 1930-as évekre nyúlik vissza. A XX. század II. felében a közvilágítás és az ipari világítás első számú fényforrása volt. Ma már nem tekinthető korszerű fényforrásnak; mind fényhasznosítás, mind színvisszaadás tekintetében 116

117 sokkal előnyösebb lámpaféleségek ismeretesek. Felépítését röviden azért tárgyaljuk, mert az általánosan jellemző a nagynyomású kisülőlámpákra, konstrukciója mintegy átöröklődött a későbben kifejlesztett nátrium- és fémhalogénlámpára. A felépítésre jellemző a kettős bura; a külső bura tengelyében van a kisülőcső. A higanylámpa kisülőcsöve kvarcból készül, a lámpa működését a fénycsőhöz képest jóval nagyobb villamos térerősség, áramsűrűség és hőmérséklet jellemzi. A higanygőz nyomása a külső légnyomás tízszeresét is elérheti, ilyen körülmények között a higany színképében a közeli UV mellett látható vonalak is gerjednek. A külső burán fényporbevonat van az UVtartalom láthatóvá alakítására és a vörösszegény higanyszínkép javítására ábra: Higanylámpa felépítése A higanylámpához nem kell gyújtót használni. A kisülőcsőbe legalább az egyik végén egy segédelektródot is beépítettek, úgy, hogy bekapcsoláskor a segédelektród és a tőle néhány mm-re levő főelektród között az argon gázban parázsfény-kisülés tud megindulni. A kisüléskor keletkező hő részben növeli a főelektródok hőmérsékletét, és az elektronok emisszióját, részben a higanycsepp párolgását előidézve növeli a higanygőz nyomását; létrejönnek a feltételek ahhoz, hogy a higanygőzben a cső teljes hosszában ívkisülés jöjjön létre. A lámpa fénye a kezdeti lilás-rózsaszínből lassan kifehéredik és 8-10 perc elteltével éri el a névleges fényáramot. Kikapcsolás után a forró lámpa nem tud azonnal újragyújtani, (ez minden nagynyomású kisülőlámpánál fennáll), le kell előbb hűlnie, a nyomásnak le kell csökkennie. Ehhez néhány percre van szükség. Áramkorlátozó előtétet (fojtót) természetesen a higanylámpához is kell alkalmazni! ábra: Higanylámpa kisülőcsövének hálózatra kapcsolása A higanylámpák 50, 80, 125, 175, 250 és 400 W teljesítménnyel kaphatók. Fejtípusuk 125 W-ig E 27, ennél nagyobb teljesítmény esetén E 40. Fényhasznosításuk lm/w, élettartamuk óra. Színhőmérsékleti csoportjuk semlegesfehér ( K fényportól függően). Színvisszaadásuk közepes. Jellemző rá a rohamos fényáramcsökkenés, különösen az élettartam utolsó harmadában. A hálózatból felvett névleges teljesítmény ellenére a kisugárzott fényáram töredéke a névleges fényáramnak. (fényhalál) 117

118 Ismeretes a higanylámpának olyan típusa, melyhez nem kell külön induktív előtétet alkalmazni, mert az előtétet volfrám-spirál formájában a lámpába építették be a kisülőcsővel sorbakötve (ohmos előtét). Ezt a lámpafajtát kevertfényű lámpának nevezzük. Ötletes, hogy az előtét is világít, kényelmes, hogy nincs szükség külön fojtóra, de a higanylámpának mind a fényhasznosítását, mind az élettartamát hátrányosan befolyásolja. (Az izzólámpa hátrányos tulajdonságait is beépítették a higanylámpába.) Ma már kevés helyen főként csak átmeneti szükségmegoldásként alkalmazzák. A hangulatkeltő hatású UV-lámpa a külső burában tér el az alaptípustól. A bura sötét lágyüvegből készül, a látható sugárzást majdnem teljesen elnyeli, az UV-t a nm tartományban átengedi. Ez a tulajdonsága alkalmassá teszi lumineszkáló anyagok gerjesztésére, megjelenítésére. Az orvosi kvarclámpa lényegében külső bura nélküli kisülőcső. Mivel bura nélkül nagyobbak a hőveszteségek, a csővégeket az elektródok magasságáig hőreflektáló fémbevonattal látják el. A legkorszerűbb kvarclámpák olyan kvarcüvegből készülnek, amely a távoli UV-t nem engedi át, s így nem okoz ózon-képződést, valamint fémadalékokat tartalmaz az UV vonalak fokozása céljából. A lámpákat nemcsak az orvosi gyakorlatban (téli napfénypótlás) alkalmazhatják, hanem egyéb területeken is, ahol az UV-sugárzás hatásait kívánják hasznosítani (Pl. Eprom beégetés) Fémhalogénlámpák Az előző fejezetben láthattuk, hogy a higanylámpának sem a fényhasznosítása, sem a színvisszaadása nem kielégítő. Kézenfekvő gondolat volt a kisülőcsőben a higanyon kívül még egyéb elemek gőzeit is gerjeszteni, hogy olyan hullámhosszokon is következzék be fénykibocsátás, ahol a higanyszínképben hézagok vannak. Egy vonalgazdagabb színképnek jobb színvisszaadáshoz kell vezetnie. A megvalósítás igazolta a gondolat helyességét; az adalékfémeket később részletezendő okokból halogenid vegyületeik (sóik) formájában viszik a kisülés terébe, s így születtek meg a fém-halogenid adalékos kisülőlámpák, röviden fémhalogénlámpák. A fémhalogénlámpák működési elve A fémhalogén lámpák működési elvének tisztázásához legyen előttünk a higanylámpa, hiszen ennek a terméknek a továbbfejlesztéséről van szó. A kisülőcső anyaga kvarc, a csövön belül higany, és nemesgáztöltés van. Felmerül a kérdés, milyen fémeket kellene a higany mellett alkalmazni a kívánt cél elérésére. A vizsgálatok kiderítették, hogy a fémadalékokra vonatkozóan a következő feltételeknek kell teljesülniük: a.) A színképi eloszlásuknak kedvezőnek kell lenniük; túlnyomóan a látható tartományban emittáljanak, s olyan hullámhosszakon, amelyek jól kiegészítik a higanyszínképet; együttes hatásukban megközelítik a fehér színt. Azon a hőmérsékleten, amelyet a kisülőcső fala még kibír, a fémgőz nyomásának nagynak kell lennie. Ha a nyomás nem éri el a kívánt értéket, vagyis a koncentráció nem elég nagy, akkor a fématomoknak a fénykeltésben való részvétele is viszonylag kicsi, ami az emittált sugárzás gyenge intenzitásához vezet. A fémgőzök ne támadják meg se a kisülőcső falát, se az elektródokat. Számos fém alkalmasságát megvizsgálták a fenti szempontból, s ennek során kiderült: a szóbajöhető fémek egy részének gőze rendkívül agresszív, a kvarcból készült csövet 118

119 kémiailag megtámadja, s a lámpát használhatatlanná teszi. Így a 3. pontban említett feltételnek több egyébként alkalmas fém nem tesz eleget. A kutatók előtt két lehetőség nyílott: a.) a gőzök agresszivitását csökkenteni azáltal, hogy nem elemi állapotban, hanem vegyület formájában legyenek a kisülőtérnek a csőfallal érintkező részében; b.) a kisülőcsövet kvarc helyett olyan anyagból készíteni, amely ellenáll a fémgőzök agresszív hatásának. Mindkét lehetőség megvalósult; az első eljárás a fémhalogén, a második a nátriumlámpák kialakulásához vezetett. A továbbiak már teljesen a kémia területére irányították a kutatást; milyen vegyület formájában kerüljenek a fémek a kisülőcsőbe. Itt az a követelmény merült fel, hogy a nagyhőmérsékletű ívben a gerjedni képes önálló fématomok, a kisebb hőmérsékletű csőfalnál pedig annak védelme céljából a fémvegyület molekulái legyenek jelen. Így az alábbi bomlási-egyesülési egyensúlynak kell megvalósulnia: MeX n Me+nX ahol Me a fémet, X a vegyület nemfémes alkotórészét jelenti. Tehát a kémiából ismert termikus disszociációs egyensúllyal van dolgunk. Feltétel, hogy az egyensúlyi hőmérséklet az ívhőmérséklet és a falhőmérséklet közé essék. Mivel a nagyobb hőmérséklet a bomlásnak, a kisebb az egyesülésnek kedvez, az ívben a szabad atomok, a falnál a molekulák vannak többségben. A fémek lekötésére a halogénelemek, azok közül is a jód látszott a legalkalmasabbnak. Így lényegében a fémek sóit alkalmazzák. A fenti, általános formájú egyenlet pl. nátriumadalék esetén a sztöchiometria szabályait alkalmazva így írható fel: 2NaI 2Na+I 2 A halogenid formában történő adalékolásnak egy másik nem kevésbé fontos oka is van. Az adalékokkal szemben támasztott követelmények felsorolásának 2. pontjában említettük a megfelelően nagy gőznyomást. Márpedig a fémek jodidjai illékonyabbak, mint maguk a fémek, gőznyomásuk nagyobb, mint az azonos hőmérsékletű tiszta fémeké. Ezt a 3.47 ábrán figyelhetjük meg. Pl. a fém-diszprózium gőznyomása 1000 K hőmérsékleten kb Pa, ugyanakkor a diszprózium-jodid (DyI 3 ) 1000 K-hez tartozó gőznyomása csaknem 6 nagyságrenddel nagyobb! (kb 10 2 Pa) ábra: Fémek és fém-jodidok gőznyomása a hőmérséklet függvényében 119

120 Azt is kimutatták, hogy a négy halogenid gőznyomása azonos fém esetében a F, Cl, Br, I sorrendben nő, tehát mind a legkisebb kémiai agresszivitás, mind a legnagyobb gőznyomás a jód mellett szól. A fémek közül a következők alkalmasak elsősorban: Jellemző és intenzív Fém spektrumvonal(ak) hullámhossza, [nm] Nátrium Na 589,0 589,6 Tallium Tl 535 Indium In 410,1 451,1 Diszprózium Dy ,1 Holmium Ho 389,1 Szkandium Sc 391,1 402,3 Ón Sn 452,4 Megjegyzendő, hogy az itt említett vonalakon kívül igen sok, kisebb intenzitású vonal található legtöbb fémnek a látható színképében. Így pl. a diszprózium és a holmium együttes alkalmazásával olyan lámpát sikerült konstruálni, melynek spektruma alig tér el az 5500 K-es természetes fény spektrumától. A cél természetesen olyan adalékok alkalmazása, amelyeknek fénykibocsátási hullámhosszai minél inkább megközelítik az emberi szem fotoreceptorainak maximális érzékenységéhez tartozó hullámhosszakat (~450 nm kék, ~540 nm zöld, ~610 nm vörös). A fém-jodidok adalékok, rajtuk kívül a kisülőtér tartalmaz higanygőzt és argont is. A higany funkciója itt nem elsődlegesen a fénykibocsátás, hanem a nagynyomású higanykisülés szolgáltatja a kellő hőmérsékletet a fém-jodidok elpárologtatásához, valamint a kisülés fenntartásához. Ha az adalékok gerjesztési energiája jóval kisebb, mint a higanyé, a viszonylag nagy higanygőznyomás ellenére sem lesznek erősen mutatkozó higanyvonalak. A higany jellegzetes zöld vonalának gerjesztési nívója 7,1 ev, ugyanakkor a legintenzívebb talliumvonalé 3,3 ev, a nátrium sárga D-vonaláé 2,1 ev! Az argontöltés szerepe megegyezik a higanylámpába is adagolt argon funkciójával (starter-gáz, elektródok védelme). Típusok a fémhalogén-családon belül Az 1960-as években kifejlesztett fémhalogén fényforrást ma már gazdag típusválasztékban gyártják a lámpagyártó cégek. A következőkben áttekintjük, hogy milyen szempontok szerint csoportosíthatjuk a fémhalogénlámpákat. 1. Színhőmérséklet szerint A fénycsővel és higanylámpával szemben, ahol a fénypor minősége szabja meg a színhőmérsékletet, a fémhalogénlámpák esetében a fémadalékok a meghatározók. Ez természetes, hiszen mindegyik fém a maga spektrumvonalaival hozzájárul a lámpa fényszínéhez. Az egyik típus a 4000 K körüli színhőmérsékletű, semlegesfehér típus. Ennél az adalék általában indium-, tallium-, cézium-, nátriumjodid keveréke. Színvisszaadási indexe 65. A másik típus színhőmérséklete 6000 K, vagy efeletti, közelebb áll a természetes nappali fény színéhez. Ennek a típusnak a helyes elnevezése természetes fehér. Színvisszaadása kiváló (90 feletti), ez különösen a ritkaföldfém-adalékoknak köszönhető. A 120

121 ritkaföldfémek a periódusos rendszer elemei (f-mező), betöltetlen elektronhéjaik miatt gerjesztési nívókban és így színképvonalban igen gazdagok. A vonalgazdagság következménye a kedvező színvisszaadás, amely indokolja ezeknek a ritka elemeknek a fényforrástechnikában való alkalmazását. A különféle lámpagyárak különféle adalékösszetétellel dolgoznak. A leggyakoribb ritkaföldfém-adalékok a diszprózium, a holmium, a tullium, a földfémek közül a szkandium és a lantán. A 3.48 ábra spektrális eloszlást szemléltet mind a két típusra vonatkozóan ábra: a.)na-in-tl adalékos, b)ritkaföldfém-adalékos fémhalogénlámpa spektruma 2. Felépítés szerint Felépítés szerint a fémhalogénlámpák lehetnek: egy végen fejeltek, két végen fejeltek. Az egyvégen fejeltek között megkülönböztetünk a higanylámpához hasonló felépítésű lámpát, amelyben az elektródok bevezetése a kisülőcső két végén történt (3.49 ábra), és a kompakt fémhalogénlámpát, melynek külön kisülőcsöve nincs, az elektródok azonos oldalról szerelve érnek a lámpatérbe (3.50 ábra). A két végen fejelt fémhalogénlámpáknak két, egymástól erősen eltérő típusa ismeretes. Az egyik a szoffita kivitelű lámpa, itt a külső bura két végét a halogénizzókhoz hasonlóan egy-egy kerámiahüvelyes fejjel látják el. A másik, középen ellipszoid-szerűen kiszélesedő kvarccső, az árambevezetés kétoldalról történik a középső részben egymással szemben elhelyezett elektródokhoz. (3.51 ábra) 3. A kisülőcső anyaga szerint A 90-es évek közepéig a kisülőcsövet kizárólag kvarcból gyártották. Később megjelentek a kerámiacsöves fémhalogénlámpák, melyekről külön alfejezetben lesz szó. 4. A gyújtás módja szerint A fémhalogénlámpákhoz általában külön gyújtókészülék szükséges, de léteznek beépített gyújtóelektródos típusok is. 121

122 3.49. ábra: Egyvégen fejelt fémhalogénlámpa felépítése ábra: Kompakt fémhalogénlámpák Standard fémhalogénlámpa ábra: Belső kisűlőcső nélküli fémhalogénlámpa (Osram) A leggyakrabban használt fémhalogénlámpa felépítését a 3.49 ábrán szemlélhetjük. Kialakítása hasonlít a higanylámpáéhoz, a kisülőcsövet itt is külső bura veszi körül, ugyanakkor eltérések is tapasztalhatók. A tartóbordák (5), a gyújtóellenállás (6) funkciója teljesen megegyezik a higanylámpánál megismerttel, de gyújtóellenállást nem mindegyik típusban alkalmaznak. A bimetall (7) szerepe, hogy a lámpa bemelegedése után a segédelektródokat vagy a katódhoz kapcsolja, vagy leválasztja az áramkörről. Az áramvezetők (8) és a tartóbilincsek (9) az elektromos csatlakozást és a kisülőcső mechanikai tartását biztosítják. A nátriumadalékos lámpákban árnyékoló üvegcső (10) gátolja a 122

123 fotoelektromos effektus miatt létrejövő feltöltődést és az ebből adódó felgyorsult nátriumfogyást. A báriumgetter (11) aktiválás után leköti a külső burában a szivattyúzás után visszamaradó gázok egy részét, és ezt a funkcióját a lámpa teljes élettartama alatt is megtartja. A kitámasztó gyűrű (12) rögzíti a tartóbordákat a burához. Speciális célokra készült az irányított fényű fémhalogénlámpa; itt a kisülőcsövet oldalán tükrösített burába helyezik. A burakivitel többféle lehet. Alakját tekintve ellipszoid, csepp- vagy cső alakú; fényáteresztő képességét tekintve átlátszó vagy diffúz fényt szolgáltató (opál) bura. A standard fémhalogén lámpa 70, 150, 250, 400, 1000, 2000, és 3500 W-os kivitelben készül. Fénytechnikai tulajdonságok és adatok A befektetett energiának 20-30%-a alakul fénnyé. Ez kb. a lm/w fényhasznosítást jelent. A fényhasznosítás típus és teljesítményfüggő. Néhány példa a kezdeti fényhasznosításra: Természetes fehér 250 W 68 lm/w Természetes fehér 3500 W 86 lm/w Semleges fehér 400 W 74 lm/w Semleges fehér 2000 W 95 lm/w A fémhalogénlámpák színtani adatait nagymértékben befolyásolja a kisülőcső leghidegebb pontjának a hőmérséklete. Ez kvalitatíve könnyen belátható, mivel a gőznyomás minden anyagra nézve külön hőmérsékletfüggő, a hőmérsékletváltozás maga után vonja a fémgőz keverékben az egyes adalékok részvételi arányának a megváltozását. A hőmérsékletet viszont megszabja az üzemi áram, így érthető, hogy ennél a lámpatípusnál az üzemeltetés előírt követelményeit szigorúan be kell tartani. A környezeti hőmérséklet és így a lámpatest konstrukció szintén befolyásolják a lámpa színhőmérsékletét. A fémhalogénlámpák a hosszú élettartamú fényforrások közé tartoznak. (típustól függően óra) Az élettartam során itt is bizonyos mértékben csökken a fényáram, és eltolódik a színhőmérséklet. Üzem közben az elektródanyag párolog, és részben a kisülőcső falára rakódik. A keletkezett réteg befolyásolja a lámpa hőháztartását, így a hőmérsékletet és a színt is, és csökkenti a fényáteresztő képességet. Az élettartamra káros következménnyel van: a.) az 5%-nál nagyobb mértékű hálózati feszültségnövekedés (nagyobb áram, nagyobb hőmérséklet, fokozottabb elektródpárolgás), b.) a gyakori ki- bekapcsolás. Az eddigiek alapján érthető, hogy a fémhalogénlámpákat elsősorban ott célszerű alkalmazni, ahol egyidejűleg kell kielégíteni a nagy megvilágítási és a kiváló színvisszaadási igényt. Ez az igény jelentkezhet mind a belső téri, mind a külső téri világítás területén. Ahol fokozott a színvisszaadási igény (színes TV-közvetítéshez tervezett sportpálya-világítás, filmstúdiók, festőüzemek, stb.), ott a természetes fehér (ritkaföldfém adalékos) lámpák használata javasolt. 123

124 Néhány fontosabb üzemelési tulajdonság: Kisülő fényforrásról lévén szó, a fémhalogénlámpák is csak áramkorlátozó előtéttel működtethetők. A lámpa begyújtásához általában több kw-os gyújtófeszültségre van szükség, ehhez a nagynyomású lámpákhoz kifejlesztett gyújtókészülékre van szükség. A célszerű égetési helyzet általában vízszintes, ez elősegíti a különböző atomtömegű adalékok egyenletes elrendeződését, és a stabil működést. A javasolt égetési helyzetet a termékismertetők típusonként közlik. A fémhalogén lámpa is hosszú felfutási idejű fényforrás. A bekapcsolás pillanatától 5-6 percnek kell eltelnie a kisülés stabilizációjáig. Kikapcsolás után a még meleg lámpa nem tud azonnal újra gyújtani, a lehűlés és újra gyújtás néhány percet vesz igénybe. Vannak azonban azonnal újragyújtható típusok, ezekhez speciális gyújtókészülék szükséges, amely kb. 60 kv-os gyújtóimpulzust szolgáltat. Ezért az átütések elkerülése céljából az árambevezetőket a bura két egymással szemben levő végén helyezik el (3.52 ábra) ábra: Azonnal újragyújtható nagyteljesíményú fémhalogénlámpa A fémhalogénlámpák területén az egyik igen jelentős fejlesztés a kerámia kisülőcső megjelenése volt. A kerámia anyaga a kémiailag és termikusan ellenálló alumínium-oxid (Al 2 O 3 ). A később tárgyalandó nátriumlámpának a kisülőcsöve mindig is kerámiából készült; kézenfekvő volt a sok tekintetben előnyösebb kerámiát a fémhalogénlámpa-gyártásban is hasznosítani. A kerámia előnyei a kvarccal szemben: Nagyobb hőállóság és szerkezeti stabilitás, amely nagyobb üzemi hőmérsékletet tesz lehetővé és nagyobb fényhasznosítást eredményez. Nagyobb geometriai pontossággal készíthetők a kerámiacsövek, ezért kisebb az egyes lámpák közötti elektromos- és színparaméter szórás. Kisebb mértékű a nátriumdiffúzió a csőfalon keresztül, ami nemcsak a szín, hanem a működési feszültség stabilitását is előnyösen befolyásolja. Rövidebb kisülőcsövű, kisebb teljesítményű fémhalogénlámpa is készíthető. A kerámiacsöves lámpák fénytartása jobb, mint a kvarccsöveké, az elektródokról párolgó volfrám-atomok okozta burafeketedés megfelelő technika alkalmazásával csökkenthető. A kerámia kisülőcső speciális lezárási technológiát tesz szükségessé. A kisülőcsövet két lyukas és viszonylag vastag kerámiadugó zárja le, ezekbe illeszkedik egy-egy kerámia bevezető cső, amelyek a niobiumból készült árambevezető huzalt tartalmazzák. A niobium hőkitágulása áll közel a kerámiáéhoz. A bevezető csövekben, ahol kismértékű a forró fémgőzök korrodeáló hatása, a fémes kapcsolat a niobium és a volfrám-elektród között egy molibdénspirálon keresz tül valósul meg. A legújabban kifejlesztett technológia lehetővé teszi, hogy a kisülő cső kevesebb darabból készüljön, és a paraméterek szórása még kisebb mértékű legyen. 124

125 A kerámiacsöves fémhalogénlámpák is készülhetnek egyvégen és kétvégen fejelt kivitelben, a külső bura lehet világos, diffúz, vagy tükrözött. (PAR 20, PAR 30) ábra: Kerámia-kisülőcsöves fémhalogénlámpák Az egységteljesítmény 20 W-tól 400 W-ig terjed, fényhasznosítás 85 és 105 lm/w között, színvisszaadás 1a vagy 1b osztály, korrelált színhőmérséklet K. Élettartam általában és óra között. A kerámiacsöves fémhalogén (CMH=Ceramic Metal Halid) lámpák felhasználása széleskörű. Reprezentatív, jó színvisszaadást igénylő belső terekben, valamint külső téren, sétányok, parkok, dekoratív városrészek világításában egyre nagyobb szerepet kap. A 90-es évek közepén jelentek meg a fémhalogén autófényszórólámpák. A töltőgáz bennük xenon, ezért sokan xenonlámpának hívják őket. A xenonnak világítástechnikai szempontból több kedvező tulajdonsága van; kiváló színvisszaadást biztosító spektrum, kismértékű hővezető képesség, a nemesgázok között a legkisebb ionizációs energia. A lámpa típusjelzése D2. Az itt közölt táblázat összehasonlítást mutat be egy halogén autólámpa (H1) és a D2S fontosabb adatai között Táblázat: A H1 és a D2S típusú autófényszórólámpa jellemzőinek összehasonlítása H1 D2S Teljesítmény 68 W max 35 W Fényáram 1550 lm 3200 lm Fényhasznosítás 23 lm/w 91 lm/w Fénysűrűség cd/m cd/m 2 Színhőmérséklet 3200 K 4100 K Élettartam 500 h 1500 h A D2S lámpa által felvett 35W előtét nélkül értendő, előtéttel együtt a teljesítmény kb. 42W. A 3.54 ábra a D2 lámpa spektrális energiaeloszlását mutatja be. A sok csúcs (színképvonal) mellett megfigyelhetjük, hogy különösen intenzív csúcs van a szemérzékenységi görbe maximumának közvetlen közelében, ebből is adódik az igen jó fényhasznosítás. A 3.55 ábra magát a lámpát ábrázolja. 125

126 3.54. ábra: D2 lámpa spektrális energiaeloszlása A nagynyomású nátriumlámpa ábra: Fémhalogén autófényszóró-lámpa A nagynyomású kisülőlámpák közül napjainkban a nátriumlámpa a legelterjedtebb fényforrás. A városok, közutak esti képéhez hozzátartoznak az élénksárgán világító fényforrások, melyek az utóbbi évtizedekben fokozatosan szorították ki a náluk gazdaságtalanabb higanylámpákat. A lámpa működése Az előző fejezetben olvashattuk, hogy az agresszív fémgőzök elleni védekezés egyik módszere az, hogy elemi fémek helyett azok halogenidjeit alkalmazzák. A másik módszer: kvarc helyett olyan anyagból készíteni a kisülőcsövet, amely még K-en is ellenáll a nátriumgőz agresszivitásának, ugyanakkor szilárdsága és fényáteresztő képessége is megfelelő. Ennek a célnak az Al 2 O 3 kerámia felel meg, melynek alkalmazásával a fémhalogénlámpák esetében is találkoztunk. A nátriumnak, mint fényemittáló anyagnak lehetőségéről már a kisnyomású nátriumlámpa kapcsán olvashattunk. A 3.56 ábra a nagynyomású nátriumlámpa spektrális energiaeloszlását mutatja be. Amíg a kisnyomású lámpa spektrumát mindössze az 589 és az 589,6 nm-es vonal-dublett jelenti, mely egyetlen éles csúcsban jelentkezik, a nagynyomású lámpa spektrumában itt egy völgyet látunk, jeléül annak, hogy a rezonanciavonal a nagynyomású (15-20kPa) gőzben elnyelődik a színkép megfordul ugyanakkor az elnyelt vonaltól jobbra és balra is vonalkiszélesedést észlelünk. Ezenkívül kisebb intenzitású csúcsok formájában egyéb vonalak is megjelennek. Ennek megfelelően a standard nagynyomású nátriumlámpa színvisszaadása jobb, mint a kisnyomásúé, de így is csak 4. kategóriájú. (R a =25) 126

127 3.56. ábra: Nagynyomású nátriumlámpa spektruma A kerámia kisülőcső tere nátriumon kívül higanyt és startergázként xenont is tartalmaz. A higany szerepe itt nem a fénykeltés, hanem az elektromos paraméterek beállítása. A nátrium sárga vonalának gerjesztési energiája 2,1 ev, tehát jóval kevesebb, mint a higany vonalaié. Ahhoz viszont, hogy magának a nátriumnak a nyomása állítsa be a villamos jellemzők értékét, igen nagy hőmérsékletre lenne szükség (nem is szólva a megnövekedett nyomás miatti fényabszorpcióról.). Mindazonáltal folynak kutatások főként környezetvédelmi célból higanymentes nátriumlámpák előállítására. A nátriumot és a higanyt rendszerint egyszerre, Na-amalgám formájában adagolják be. Működés közben mind a két anyag olvadéka részben párolog el, tehát a folyadék és gőzfázis egyidejű jelenléte miatt telített gőznyomású rendszert képeznek. Az eredeti gőznyomást itt is a leghidegebb hely (hidegpont) hőmérséklete szabja meg. Ez a hidegpont általában az elektródok mögötti térrész, vagyis a csővégek. A hidegpont hőmérsékletet K-re célszerű beállítani. Az amalgám tenziója szobahőmérsékleten kicsi, a begyújtáshoz startergázra itt is szükség van. Erre a célra xenont alkalmaznak. (nyomása 2,5 4 kpa) A nagynyomású nátriumlámpa felépítése hullámhossz ábra: A nátriumlámpa felépítése Látható, hogy a felépítési elv tekintetében megegyezik a higany- és a fémhalogénlámpával. A menetes fej (1), a külső bura (2), az állvány (3), (mindketten keményüvegből), a kisülőcső (4), a kitámasztó bordák (5), az áramvezetők (8), a kitámasztó gyűrű (7), a getterkarikák (6) képezik a fő alkatrészeket. Lényeges eltérés a kisülőcsőnél tapasztalható. Maguk a kisülőcsövek porkohászati eljárással készülnek. Az Al 2 O 3 port a kívánt méretű csőalakra sajtolják, és zsugorítják. A zsugorítás eredménye polikristályos kerámiacső, amely a kvarccal ellentétben nem lapítható. 127

128 A cső lezárását általában kerámiadugókkal oldják meg, melyeknek furatán (furatain) keresztül nióbium-huzal vagy cső szolgál árambevezetőként. Alkalmaznak olyan eljárást is, hogy a kerámiacső egyik vége egy darabból van (monolit technológia), ezzel a több forrasztásból adódó hibalehetőségeket kívánják csökkenteni. A GE Lighting a nátriumlámpák egyes típusainak gyártásában az árambevezetést külső amalgámtartályos nióbium-csővel oldotta meg. Ehhez előzetes magyarázatként annyi tartozik, hogy a nagynyomású nátriumlámpák működési feszültsége jelentékenyen megnövekszik az élettartam során. Ennek egyik fő oka, hogy a nátrium lassú kidiffundálása miatt eltolódik a plazmában az Na/Hg arány, és folyamatosan nő a higanygőz parciális nyomása. A jelenség kivédése céljából a amalgám-golyókat nem közvetlenül a kisülőcsőbe, hanem a nióbium-csőbe adagolják külső amalgám-tartályt hozva létre benne. Bekapcsoláskor a xenonban elindul a kisülés, melynek hőhatása az elektródon keresztül felmelegíti a nióbiumcsöves tartályt. Itt az amalgám egy része elpárolog és bekerül a kisülőcsőbe. Tekintettel arra, hogy adott körülmények között a külső tartályban levő amalgám nátriumtartalma állandó, az üzemelés közbeni lassú kidiffundálás ellenére is mindig a szükséges nátriumkoncentrrációjú gőz jut a kerámiacsőbe. Az élettartam végére így kisebb mértékű lesz a működési feszültség növekedése, ami az élettartam növelését is eredményezi. ( a korábbi óráról órára) A nióbium-csövet a cső ellapításával zárják le. A kisülőcső másik végén továbbra is nióbiumhuzal a bevezető. A kisülőcső-konstrukcióval kapcsolatosan még annyi megjegyezni való van, hogy egyes típusoknál, ahol nagyobb a xenon-nyomás és emiatt a gyújtófeszültség is, gyújtásrásegítő fémszálat helyeznek el a kisülőcső hossza mentén annak külső felületén. A külső bura evakuált; a vákuum feladata a hőszigetelésen kívül az, hogy megakadályozza az esetleges átütéseket, melyek az árambevezető szerelvények között a gyújtóimpulzusok hatására létrejönnének. Fényport nem alkalmaznak; az UV-sugárzás jelentéktelen és a gerjesztett élénksárga fény hullámhossza közel van a szemérzékenységi görbe maximumához. Gyártják viszont a lámpát olyan burával is, amelyre a káprázás csökkentése céljából diffúz fényt adó réteget vittek. Egységteljesítmény szerint a gyártott típusok 50, 70, 100, 150, 250, 400, 600, 750 és 1000 W teljesítményűek lehetnek. A nagynyomású nátriumlámpa tulajdonságai 1. Fénytechnikai tulajdonságok A nagynyomású nátriumlámpa a Magyarországon gyártott legnagyobb fényhasznosítású fényforrás. A fényhasznosítás értéke típustól függően lm/w. a standard lámpa a bejuttatott elektromos energiának 30-32%-át hasznosítja fény formájában, a többi hővé alakul, melyből kb. 6% fordítódik az elektródok fűtésére. Mivel a gőz-összetétel és az ívhőmérséklet befolyásolja a fénytechnikai jellemzőket, a gyártóknak módjában állt a kedvezőtlen színtani tulajdonságokon javítani. Pl. a xenontartalom növelése (3 kpa-ról kb. 30 kpa-ra) kedvezően hat a színképi eloszlásra. A színkép olyan vonalakkal gazdagodik, melyek közel vannak a szemérzékenységi görbe maximumához. Ez a felismerés az ún. javított színvisszaadású (fehérebb fényű) nátriumlámpák előállításához vezetett. A 3.4 táblázatban összefoglaltuk néhány lámpatípus fénytechnikai adatait. A könnyebb összehasonlítás céljából valamennyi lámpa 250 W-os. 128

129 3.4. Táblázat: Nagynyomású nátriumlámpák főbb jellemzői Lámpa megnevezés Kezdeti fényáram [lm] Színvisszaadási index Korrelált színhőmérséklet [K] világos csőburás elliptikus diffúzburás elliptikus diffúzburás javított színvisszaadással Élettartam A nagynyomású nátriumlámpák élettartam szempontjából igen előnyösek, típustól függően óra az átlagos élettartamuk, mely 10 órás kapcsolási ciklusok esetére értendő. 3. Üzemelési tulajdonságok A nagynyomású nátriumlámpák bekapcsolásához általában szükség van gyújtóegységre. A gyújtófeszültség nagysága típus- és teljesítményfüggően 2,3-5,5kV. A gyújtási módokat a következő fejezet tárgyalja. Áramkorlátozó előtétre természetesen mindig szükség van, a hagyományos fojtók mellett a nagynyomású lámpák területén is megjelentek az elektronikus előtétek. Bekapcsolás után 6-7 perc (1000 W-osnál 8-9 perc) szükséges az üzemi fényáram eléréséhez és a kisülés stabilizálódásához. Stabilizált állapotban a működési feszültség V között van. Az előző alfejezetekben érintettük, hogy a működési feszültség az élettartam alatt fokozatosan nő, főként a nátriumfogyásnak és az elpárolgott emittáló anyag csőfalra történő kicsapódásának köszönhetően. A nagyobb működési feszültség nagyobb teljesítményfelvételt és további melegedést jelent, amely visszahat a komponensek parciális nyomásának arányára. Ilyen módon a működési feszültség az élettartam végére 30-50%-kal is megnövekedhet az eredeti értékéhez képest. Ez nehezíti az újragyújtást, a lámpa kialvását okozhatja. A külső amalgámtartályos konstrukcióval a működési feszültség növekedését 1,2 V/1000 órára sikerült leszorítani. Kikapcsolás után az újragyújtásig tartó idő a lámpa- és a gyújtó típusától függ (elektronikus gyújtás esetén ez az idő lerövidül.) A hálózati feszültség változása a nátriumlámpa elektromos és fénytechnikai jellemzőit a többi nagynyomású kisülőlámpához hasonlóan befolyásolja. A lámpa tényleges élettartamának végét a gyújtáskészség megszűnése, illetve a periódikusan ismétlődő kialvás- és újragyújtás jelenti. 4. Eltérések a standard felépítéstől A 3.57 ábrán bemutatott, egyvégen fejelt standard felépítésű nátriumlámpán kívül egyéb konstrukciójú típusok is léteznek. Ilyenek: 1) Kétvégén fejelt, szoffita kivitelű lámpák. Előnyük, hogy gyorsabban képesek újragyújtani, és alkalmazhatók vályús fényvetőkben. 2) Ikercsöves típus. Két azonos felépítésű kisülőcsövet tartalmaz. Ha az egyikben a kisülés pl. feszültségkimaradás miatt megszűnik, és nem tud még újragyújtani, a másik cső lép működésbe. Egyidőben csak az egyik cső működik. 3) Belsőgyújtós nátriumlámpa. Ez a típus az elliptikus külső burába beépítve egy bimetálos parázsfény-gyújtót tartalmaz. Gyújtókészülékkel ellátott lámpatestbe nem helyezhető. 129

130 4) Irányított fényű nátriumlámpa. A kisülőcsövet egy fényvisszaverő réteggel ellátott burába szerelik. A nagynyomású nátriumlámpát mindazokon a helyeken alkalmazhatják, ahol a kellően nagy fényáramnak - és ennek eredményeképpen megfelelő nagyságú megvilágításnak - nem kell párosulnia jó színvisszaadással. Kültéren a közvilágítás elsőszámú fényforrása, de alkalmazzák ipartelepek világítására, sőt díszvilágításra is, ha a megvilágítandó épület erre alkalmassá teszi. (pl. sárga falú templomok díszvilágítása) Beltéren elsősorban ipar- és pályaudvar-csarnokok világításánál találkozhatunk velük. 3.9 LED-ek A fényemittáló diódák ( Light Emitting Diode ) felé az 1950-es években fordult a kutatók figyelme. A 60-as években már megindult a vörösfényű LED-ek gyártása, melyeket elsősorban kijelzőként alkalmaztak. A szilárdtest fizikai kutatások nyomán megszülettek a zöld, sárga, kék és majd a fehér LED-ek, és az ezredfordulóra bizonyossá vált, hogy egyes igen kedvező paramétereiknek (hosszú élettartam, nagy megbízhatóság) köszönhetően alkalmazási területük kibővül és a világítástechnikában is helyet követelnek maguknak. Napjainkban kevés olyan műszaki újdonság van, amelyről annyi szó esnék, mint a fényemittáló diódáról. Ebből következik, hogy mind a nyomtatott, mind az elektronikus sajtóban igen nagy számú olyan közlemény jelenik meg, amely nemhogy a szakszerűséget nélkülözi, hanem téves információt is terjeszt. Ezek részben a LED-ek fizikai működésének nem pontos ismeretében, részben tulajdonságaik túldicsérésében jelentkeznek. Elöljáróban le kell szögezni, hogy a LED nem izzó és nem égő. (Mint ahogyan a kompakt fénycső sem izzó. Nem minden izzik, ami fényt bocsát ki.) A LED félvezető eszköz, amelyben az optikai sugárzás energiája közvetlenül keletkezik az elektromos energiából. Ezt a jelenséget a fizika hidegen sugárzásnak vagy lumineszcenciának nevezi, s mivel villamos energia hatására jön létre, elektrolumineszcencia a neve. A LED-ek működését bizonyos szilárdtest fizikai ismeretek alapján tárgyalhatjuk. Mivel a félvezetők a szigetelők és a fémek között helyezkednek el vezetőképesség szempontjából, atomjaik vegyértékelektronjai részben szakadnak ki a vegyérték-( külső ) héjról, negatív töltésük hiányát, vagyis pozitív lyukat hagyva maguk után, és nagyobb energiatartalommal szabadon mozogva képesek részt venni az áramvezetésben. Így az ún. vezetési sávban negatív elektronok, a vegyértéksávban pozitív lyukak halmozódnak fel. Ismeretes, hogy a kisüléses fényforrásoknál fotonkibocsátás akkor van, amikor a gerjesztett elektron egy kisebb energiájú pályára lép vissza. A LED-ben fotonkibocsátás akkor lehetséges, amikor a vezetési sávból az elektron a vegyértéksávban visszamaradt lyukkal találkozik. Ezt a találkozást rekombinációnak nevezzük, energiafelszabadulással jár, amely szerencsés esetben fotonemissziót eredményez. A két említett sáv között helyezkedik el a tiltott sáv, melyet az elektronnak át kell lépnie. A tiltott sáv szélességét is energiaegységgel, elektronvoltban (ev) fejezzük ki. 1eV=1, J. Az emittált sugárzás frekvenciáját (f) jó közelítéssel a tiltott sáv energiaszélessége ( E) szabja meg. A Planck-egyenlet alapján f = E h pl. ha egy adott LED tiltott sávszélessége 2,2 ev, f = Hz, amely zöld színű sugárzásnak felel meg. (h a Planck-állandó, értéke 6, Js.) 130

131 Megjegyzendő, hogy egyszínű LED-ek esetében sem szigorúan monokromatikus a sugárzás, hiszen a vezetési sávban nem egy adott energia-nívóról indulnak az elektronok, éppen a többféle nívó jelenléte miatt beszélünk sávról. Természetesen az a cél, hogy minél több elektron jusson fel a vezetési sávba, hogy a rekombinációk száma is nagy legyen. Hamar bebizonyosodott, hogy a tiszta, homogén ún. intrinsic félvezetők nem alkalmasak LED-célokra, a nagyszámú elektron-lyuk pár létrejöttét eleve elektron-többlettel ill. elektron-hiánnyal rendelkező atomok bejuttatásával elő kell segíteni. Ha félvezető alapanyagként hagyományosan a periódusos rendszer IV. oszlopának valamely elemét pl. a szilíciumot fogadjuk el, a III. oszlop elemei (vegyértékhéjukon 3 elektron) és az V. oszlop elemei (vegyértékhéjukon 5 elektron) alkalmasak adalékként; az előbbieket töltés-előjelüket figyelembe véve p-típusú, az utóbbiakat n-típusúaknak nevezzük. p-típusú adalék hatására a sávszerkezetbe új energia-szint épül be, az akceptor-szint (Eacc), mely elektronokat képes fogadni a vegyértéksávból, így ott megnövekszik a lyukak száma. Az n-típusú adalék is egy új nívó kialakulását hozza létre, ez a donor-szint (Ed), mely elektronokban gazdag, és innen kis energiával juthatnak fel elektronok a vezetési sávba. Az eredetileg homogén anyag töltés-kiegyenlítettsége felborul. Az 50 %-os betöltöttségi valószínűségű ún. Fermi-energiaszint (EF), mely tiszta félvezető esetén a tiltott sáv közepén helyezkedik el, mindkét esetben eltolódik. (3.58 ábra) ábra: p- és n-típusú félvezetőben kialakult energiaszintek és a szinteket betöltő töltéshordozók Ha képzeletben egyesítjük a p-oldalt és az n-oldalt, kialakul a pn határréteg. A Fermiszintek kiegyenlítődnek oly módon, hogy az n-típusú részből elektronok lépnek át a p-oldalra, ahonnan lyukak vándorolnak át az n-oldalra. A töltésmozgás alapjában véve diffúzió, hiszen a két oldal között töltéskoncentrációbeli különbség van. A határréteg mindkét oldalán töltéshordozó-csökkenés mutatkozik, ez átmeneti ellenállást okoz. Ha a pn átmenetre nyitóirányú feszültséget kapcsolunk, lecsökken az átmeneti ellenállás, a határrétegen megnövekszik a töltésmozgás, és bekövetkezhet a nagyszámú elektron-lyuk rekombináció. (3.59 ábra) ábra: Rekombináció és fotonkibocsátás nyitóirányú feszültség hatására. A rekombináció lehet direkt és indirekt. 131

132 A direkt rekombinációval célunknak megfelelően foton keletkezik. Lényeges azonban, hogy a folyamat során nemcsak az energiamegmaradás, hanem az impulzusmegmaradás törvényének is érvényesülni kell, és a térben az egyes nívókat az energián kívül az impulzus értékével is jellemezni kell. Ha a vezetési sáv alján és a vegyértéksáv tetején nem azonos a töltések impulzusa, a rekombináció során a különbségnek megfelelő impulzusú fonon keletkezik. Ez direkt rekombinációnál nem lép fel, mert a kilépő foton impulzusa elhanyagolhatóan kicsi. Miféle részecske a fonon? Ismeretes, hogy a szilárd testek kristályszerkezetének az egyes pontjaiban (rácspontokban) levő atomok hőmérsékletüktől függően rezgést végeznek. A rezgések a kristályban, mint rugalmas testben hullám formájában terjednek, ennek a hullámnak egy energiakvantumja a fonon. Az elnevezés arra utal, hogy a hanghoz hasonló mechanikai hullámról van szó, a terjedési sebessége megegyezik a hangéval. A fononkeletkezés a rácsrezgés energiáját növeli, hőt termel, tehát a hatásfokot csökkenti. Az indirekt rekombinációk számát bizonyos aktivátor-anyagok hozzáadásával csökkenteni lehet, ilyen a nitrogén, vagy a cink-oxid. Ezek beépülve a kristályrácsba és módosítva az impulzusteret ún. rekombinációs centrumokként szerepelnek. A hagyományos IV. oszlopbeli félvezetők nem alkalmasak fényemittáló diódák alapanyagául. Kicsi a tiltott-sáv szélességük, indirekt félvezetők, és kevés elektronjuk tud a vezetési sávba feljutni. Ha azonban nem elemi, hanem vegyület-félvezetőt alkalmaznak, megfelelő anyagpár választással elérhető, hogy a kristályrács-struktúrában a két szomszédos atom közötti kovalens-kötést biztosító elektronpár figyelembevételével minden atomban ugyanúgy 8 elektron tartózkodjék a vegyértékhéjon, mint a szilíciumrácsban. Ez a feltétel természetszerűen érvényesül a III. és az V. oszlop elemeiből előállított vegyületeknél, így az első LED-ek gallium-arzenidből (GaAs) ill. gallium-foszfidból (GaP) ill. ezek elegykristályaiból készültek. A piros, sárga és zöld LED-ek megjelenése után a kéken sugárzó dióda előállítására kellett várni, hogy ezután már a fehér -tehát világítástechnikai jelentőséggel bíró -LED is elérhető legyen. Ehhez megfelelően nagy tiltottsáv-szélességű félvezető anyag kellett, a III. és V. oszlop elemeinek sokféle kombinációjából megfelelőnek mutatkozott pl. a gallium-nitrid (GaN), indium-gallium-nitrid (InGaN) stb. (1991. Nakamura) Mind a 3-értékű, mind az 5- értékű elemekből több féle is alkothatja a kristályt. Az ilyen AaB1-aXxY1-x típusú elegykristályok esetében az A a B 1-a és az X x Y 1-x arányok változtatásával különféle frekvenciájú sugárzások állíthatók elő, ugyanis a komponensek aránya befolyásolja a tiltottsáv-szélességet. A fehér LED előállítására két mód is nyílt, egyik szerint a vörös-zöldkék (RGB) LED-ek színének keverésével, másik szerint a fénycsőnél alkalmazott eljáráshoz hasonlóan fénypor segítségével állítják elő a fehér fényt. A kék LED-re felvitt speciális fénypor a kékszínű sugárzást részben sárgává alakítja, a kék és sárga kiegészítő színek lévén együttesen fehéret szolgáltatnak. Az utóbbi évek fejlesztésének köszönhetően léteznek kétféle fényporral (vöröszöld) készített, valamint a rekombináció folyamán UV tartományban sugárzó LED-ek is. (3.60 ábra) Az említett módszerek lehetővé tették a fehéren belül a különböző korrelált színhőmérsékletű fényemittáló diódák megjelenését a kereskedelemben ábra: Megnyílt az út a fehér LED-hez Színvisszaadásuk jó, vagy kiváló fokozatú lehet, egyes melegfehér LED-ek színvisszaadási indexe már évekkel ezelőtt elérte a 85-öt. 132

133 A különböző eljárások természetesen különböző színképi eloszlást (spektrumot) hoznak létre. A 3.61 ábra egy 4000 K színhőmérsékletű, 80 feletti színvisszaadási indexű LED spektrumát mutatja be ábra: Jellegzetes lefutású LED-spektrum A LED-ek működtetéséhez bizonyos nagyságú villamos teljesítmény közlésére van szükség. Lényeges, hogy a bevezetett villamos energia nagy része (ez 80% is lehet) hővé alakul. (Gondoljunk az izzólámpában a kb. 95%-os hővé alakulásra!) Nem is a hatásfok jelenti a fő problémát, hanem az, hogy a keletkezett hő a félvezető morzsát melegíti jelentősen megemelve annak hőmérsékletét. A hőmérséklet növekedésének pedig többféle káros hatása van: csökken a színstabilitás. A hőmérséklet (T) ugyanis befolyásolja a tiltott sáv szélességét, csökken a fényáram és vele a fényhasznosítás, csökken az élettartam. A melegedés mértékét a hőellenállással (RTH) jellemezzük, amely azt fejezi ki, hogy 1 W hővé disszipált teljesítmény hány fok melegedést idéz elő a chip-ben. Ennek értékét célszerű 20 K/W alatt tartani. Optikai-fénytechnikai téren a fő problémát a fény megfelelő kicsatolása okozza. A LED-eket alkotó anyagok viszonylag nagy törésmutatójúak, aminek következtében a kilépő fény bizonyos arányban teljes visszaverődét szenved. Ez a fénytörés törvényéből adódóan azokra a fénysugarakra vonatkozik, amelyek a kilépéskor adott beesési szögnél nagyobb szögben érnek a határfelülethez. Megfelelő optikai tervezéssel a morzsát borító műgyanta ház és lencse célszerű kialakításával részint növelni lehet a kicsatolt fényhányadot, részint kívánt fényeloszlást lehet elérni. Elektromos működés szempontjából a LED közönséges diódaként viselkedik. Az alkalmazandó nyitóirányú egyenfeszültség LED-enként a tiltott sáv szélességnek megfelelően 3-4 V körüli. Az átfolyó áramerősség exponenciális függvénye a feszültségnek, a kisugárzott fényáram széles tartományban lineáris az áramerősséggel, és ez magában hordozza a fényáram szabályozás lehetőségét. Az áramerősség állandó értéken tartása áramgenerátoros táplálást igényel. Ma már a LED-es világítótestekbe épített elektronikus előtét több esetenként nagy számú egymással sorosan, majd párhuzamosan kapcsolt rendszert lát el, és az áramkorlátozást is elvégzi. Az áramerősség bizonyos határon túli megnövekedése káros hatást vált ki, hiszen a szintén megemelkedett hőmérséklet fényáram- és élettartam csökkenést eredményez. Az utóbbi évek fejlesztéseinek eredményeképpen a kezdeti néhány maáramfelvétel és vele együtt a közölt villamos teljesítmény nagyságrendekkel növekedett. 133

134 Ma már A nagyságrendű áramerősség és 15 W-nál nagyobb teljesítmény is elérhető. A megnövelt egységteljesítmény mellett számottevő a fényhasznosítás emelkedése is. Jelenleg laboratóriumi körülmények között a fényhasznosítás már a 150 lm/w-ot is meghaladta, de hangsúlyozni kell, hogy a hőelvezetési nehézségek miatt a gyakorlatban a LED fényhasznosítása inkább egy jó minőségű fénycső fényhasznosításával mérhető össze. Maga a diódatest egy ugyancsak félvezető anyagra növesztett epitaxiális egykristályréteg. A pn-átmenetet többnyire planártechnikával készítik, melynek részletes ismertetése nem ennek a jegyzetnek a feladata. A kapott morzsaelemet fémkontaktussal látják el és epoxy műgyantába ágyazzák. Egyes típusoknál a hordozó alsó felületét fényreflektáló réteggel vonják be a veszteség csökkentése céljából. A kupola alakú műgyanta borítás geometriájának a fényeloszlás meghatározásában van szerepe. (A kupolatetőn optikai lencse kialakítása) Fehér színű LED esetén a fényport a műgyantába keverve alkalmazzák. A 3.62 ábra egy hagyományos formájú, kupolaborítású LED-et ábrázol. Ma már a változatos méretű, nagyobb teljesítményű és sugárzási szögű SMT (felületszerelt = Surface Mounted Technology) LED-ek is elterjedőben vannak. A negatív pólust a gyártók általában a kivezetőláb rövidebbre vágásával jelölik meg. Átlátszó epoxi ház ábra: Kupolaborítású hagyományos LED kialakítása A fényáram megnövelése és így az alkalmazhatóság kiterjesztése azzal vált lehetségessé, hogy egyedileg több LED-del egy nagyobb világítóegységet (clustert) hoznak létre. Ennek egyik első alkalmazásai a közlekedési jelzőlámpák voltak. (3.62) ábra: 200 LED-ből épített cluster A LED-ek előnyös tulajdonságai között sokszor első helyen a hosszú élettartamot jelölik meg. Ezzel óvatosan kell bánni, nemcsak a LED-nek, hanem az elektronikával együtt értendő rendszernek az élettartamát kell figyelembe venni. Az elektronikai alkatrészek minősége nagyon különböző lehet, és a valós körülmények között működő, még a hőelvezetést jól megoldott rendszerek tekintetében is átlagosan óra élettartammal számolhatunk. Az élettartam során a LED esetében is következik be fényáramcsökkenés, melyet a tartós használat során kialakuló hőmérsékleti viszonyok befolyásolnak, de szerepet játszik a fénypor(ok) öregedése is. Ha a működtető elektronika nem hibásodik meg korábban, a LEDek esetében is 30%-os fényáramcsökkenés jelenti a névleges élettartam végét. 134

135 A gyártók ma már széles körben és sokféle kivitelben gyártják a több chip-ből álló LED modult. (lásd 3.64 és 3.65 ábrákat) A 3.64 ábrán látható izzólámpaformájú LEDlámpák 7,5- ill. 12 W-osak, fényhasznosításuk 68 lm/w, színvisszaadási indexük 80, a gyártó által megadott élettartam óra. A 3.65 ábra keskenyen sugárzó irányított fényű LED-lámpát ábrázol, melyet a gyártó halogén spotlámpa kiváltására ajánl. Sugárzási szög: 36º, vagy 60º lehet, fényhasznosítás 63 lm/w ábra: Izzólámpa formájú LED-lámpa ábra: Irányított fényű LED-lámpa 135

136 3.10 OLED fényforrások A fejezet szerzője: Gröller György (Óbudai Egyetem KVK MTI) A szilárdtest fényforrások (SSL Solid State Lighting) kisebbik és fiatalabb csoportja a szerves fénykibocsátó diódák, az OLED-ek. Az alapvető működés hasonló, mint a szervetlen LED-eknél, mindkettőnél egy dióda p-n átmenetén történik a fénykeltés, néhány volt egyenfeszültségről működtethetők, de ami figyelemre méltó az OLED-ekben, az épp a különbözősége. A legvonzóbb egyedi tulajdonságai, hogy nagy felületen sugárzó lámpa készíthető, akár hajlékony hordozóra is. A polimer (szerves) elektronika ezredforduló környéki megjelenése és gyors fejlődése nyitotta meg a lehetőségét, hogy szerves anyagokból különböző elektronikai eszközöket készítsenek. Ezek közül az egyik legfontosabb az OLED, amelyet kijelzőkben és fényforrásként is lehet alkalmazni A működés fizikai, kémiai alapjai Anyagok: Két nagyobb vegyület-csoportot különböztethetünk meg: Polimerek: hosszú láncmolekulák azonos ismétlődő egységekből felépülve. A molekula gerincén végighaladó konjugált kettőskötés rendszer. Kis molekulák: néhány 10 szénatomból álló vegyület, szintén konjugált kettőskötésekkel. Egy eszközben általában csak az egyik fajtát alkalmazzák, de úgy tűnik, mindkettő jól használható. A polimerekből a rétegkészítés könnyebb, a kis molekulák hatásfokban valamivel jobbak. A vezetés mechanizmusa: A vezetés feltétele a konjugált kettőskötés rendszer, amelyben minden második kötés kettős. Ezek a π elektronok azonban nem kötődnek egy atompárhoz, hanem delokalizálódnak és kiterjednek a teljes molekulára vagy arra a szakaszára, amelyen a konjugált kötésrendszer tart ábra: Delokalizált molekulapálya A molekulapályák alap ill. gerjesztett állapotát HOMO és LUMO szintnek nevezzük, ami a fémekben, szervetlen félvezetőkben levő vegyérték ill. vezetési sávjának felel meg. (HOMO = highest occupied molecular orbital = legmagasabb betöltött molekulapálya, LUMO = lowest unoccupied M O = legalacsonyabb betöltetlen molekulapálya). Vezetés akkor jön létre, ha elektronok a betöltetlen LUMO szintre kerülnek. 136

137 Adalékolással a szervetlen félvezetőkhöz hasonlóan növelhető a töltéshordozók száma, ugyanúgy létrehozható p és n típusú vezetés. Elektronhiány, azaz p típusú adalékolás oxidálószerekkel valósítható meg, leggyakrabban jóddal, és értelemszerűen az n adalékolás redukálószerrel, pl. nátriummal. Ezek az adalékok ionos formában ( I 3 vagy Na + ) kapcsolódnak a molekulához és a láncon elektron hiányt vagy többletet okoznak. Ezt a képződményt nevezzük polaronnak. Vezetéskor a lyuk (elektron) egyik adaléktól vándorol a másikig. Két közeli elektron (vagy hiány) együtt mozogva bipolaront alkot. Két molekula közötti töltésátadásban egy ellentétes töltésű, együtt mozgó páros, a szoliton játssza a főszerepet ábra: A töltésszállítás mechanizmusa A világítás mechanizmusa: A jelenség az elektrolumineszcencia, mivel a fény keletkezéséhez szükséges energiát közvetlenül az elektromos tér biztosítja. A vezetésben részt vevő elektronok energiája a LUMO szinten van. Így lépnek be a fénykibocsátó rétegbe és itt találkoznak a HOMO energiaszinten levő lyukakkal. A találkozás nem jelent azonnali rekombinációt és energiakisugárzást. Első lépésben egy exciton keletkezik, ami egy összekapcsolódott elektron lyuk pár, töltése semleges és véges élettartama van (azaz nem végtelenül rövid). Képes vándorolni a szerkezetben, tárolva azt az energiát, ami a HOMO és a LUMO szint között van. Amint az exciton megsemmisül, azaz az elektron visszakerül az alapállapotba (=betölti a lyukat), energiája egy foton formájában távozik. E =E LUMO - E HOMO = hν = hc/λ, ahol h: Planck állandó, ν: frekvencia, λ: hullámhossz, c: fénysebesség Az elektron alapállapotba jutása nem mindig a legegyszerűbb úton történik. Csak akkor léphet simán a lyukba az elektron, ha spinjük ellentétes. Ez az un. szingulett állapot, ennek valószínűsége mindössze 25%. A többség triplett állapotban van, innen a rekombináció csak úgy lehet, ha egy harmadik szereplő segít a spinváltásban vagy az energiaátadásban. Ezeket a lépéseket lehet követni az un. Jablonsky ábra: Jablonsky diagram diagramon (3.68 ábra). 137

138 Az ábra a lumineszcens fénykibocsátás során az elektronok által elérhető energiaszinteket és a lehetséges átmeneteket mutatja. A HOMO és LUMO szintekre még rárakódnak a hőenergiából származó rezgési szintek. A Jablonsky diagram értelmezése A) a gerjesztés az exciton létrejöttének felel meg, a lyuk az alsó, az elektron a felső szinten lesz B) hőenergia leadással az elektron lekerül a gerjesztett szintek aljára C) visszakerül alapállapotba foton kisugárzása nélkül D) az energia átadódik egy másik részecskének (foszforeszcens adalék), közben további hőleadás E) visszakerül alapállapotba (rekombinálódik egy lyukkal), az energia-különbséget egy foszforeszcens foton formájában adja le E foton = hν F) rekombinálódik, és az energia-különbséget hőenergiaként adja le G) a B. lépés után fluoreszcens foton kibocsátásával rekombinálódik E foton = hν mivel E > E, ezért ν > ν és λ < λ Az OLEDek felépítése A polimer LED-ek felépítése egyszerűbb, itt a polimer réteg egymagában vezet és a fénykeltés is ebben zajlik. Ennek két oldalára kell egy-egy elektróda: az anód általában átlátszó, amit a legtöbbször indium-ón-oxidból (ITO) készítenek. Ennek Fermi szintje jól illeszkedik a polimer HOMO szintjéhez, ami azért kell, hogy nagy potenciálgát ne keletkezzen a rétegek között. (Fermi szint: a szervetlen vezetőkben, félvezetőkben a legmagasabb betöltött energiaszint.) (A sávszerkezetről bővebben a következő részben.) Hasonló módon a katód anyagát úgy kell megválasztani, hogy annak Fermi-energiája a polimer LUMO szintjéhez illeszkedjen. Ebből a szempontból a Mg és a Ca a legalkalmasabbak, nagyobb reakcióképességük miatt viszont meg kell védeni őket a környezeti hatásoktól, ami hermetikus tokozást igényel. (3.69 ábra) ábra: A polimer és a kismolekulájú OLED rétegszerkezete Kicsivel összetettebb a kis molekulájú OLED-ek szerkezete, itt a funkciók szétválnak, külön van lyukvezető (elektronblokkoló), elektronvezető (lyukblokkoló) és aktív (fénykibocsátó) réteg. Ezek az eszközök általában vékonyréteg technológiával, vákuumgőzöléssel készülnek, azaz a jellemző rétegvastagság csak néhány 10 nm. Ez túl szűk tér az excitonok számára, hogy mégis az aktív rétegben maradjanak, néha még exciton-gátló rétegekkel is kiegészül a struktúra. (3.69 ábra) 138

139 Sávszerkezet Egy szokásos OLED struktúrát mutat a.5.ábra. A 0eV a vákuumszint (a szilárd fázisból kijutó elektron energiája), ehhez képest a kötött elektronok energiája negatív. Az Al katód felől érkező elektronok energiát vesznek fel a térből. A vonal az Al Fermi energiáját jelzi, ez a legmagasabb betöltött szint, innen lépnek fel a LUMO szintig. A másik oldalon az ITO anód felől érkeznek a lyukak (ezek energiaszintje -5,5 és -6,2eV között van). Exciton keletkezik, amelynek energiája vagy a fluoreszcens kék rétegben szabadul fel (kék sugárzás) vagy a másik két réteg egyikében foszforeszcens mechanizmus szerint, és emittálja a zöld vagy piros fényt. Rövidítések: p-htl: p adalékolt lyukvezető réteg, EBL: elektron blokkoló réteg, α-npd, Ir(MDQ) 2 (acac), 4P-NPD, TPBi:Ir(ppy) 3 : a fényemittáló szerves molekulák rövidített neve, HBL: lyukblokkoló réteg, n-etl: n adalékolt elektronvezető réteg, S, T a szingulett és triplett állapotok ábra: Egy fehér OLED sávszerkezete Fénytechnikai jellemzők Színek, emissziós spektrum, fehér OLED Az OLED kb nm félértékszélességű sávban sugároz. Ez valamivel szélesebb, mint a szervetlen LED-eknél. Így OLEDekből is készíthetünk tetszőleges színű fényforrást, még kicsit több színárnyalatban is, mert nagyobb az alapanyag választék. Az igazi feladat azonban itt is a fehér lámpa elkészítése. A színkeverés szabályai természetesen változatlanok, tehát a szokásos RGB kombinációval megkapható a fehér OLED (WOLED). Több konstrukciós megoldás is létezik: Legtisztább a három különálló pont, önálló meghajtással, így még az esetleges hatásfokbeli különbségek is kompenzálhatók. Hasonlóan a fényporos LEDekhez, itt is lehet, hogy a legnagyobb energiájú ábra: Fehér OLED megoldások 139

140 kék sugárzás energiájának egy részét lumineszcens anyagok segítségével átalakítjuk zöldre, pirosra, és így jön össze a fehér. További lehetőség az egymásra rakott rétegek (Stacked OLED), amelyben arra kell ügyelni, hogy a hátsó rétegből érkező fény ne nyelődjön el a következőben. A gazdag alapanyag választék sokféle emissziós spektrumot is jelent, ezekből a megfelelő színhőmérséklet és színvisszaadás elérése megoldható. Az egy elembe épített anyagokat illeszteni kell egymáshoz hatásfokban, öregedési tulajdonságokban, élettartamban. Hatásfok ábra: Háromkomponensű OLED spektruma Az OLEDek fényhasznosítása (mert még a fejlesztés elején tartanak), nagyon gyorsan javul. A cél manapság a 100 lm/w közeli érték elérése. Kísérleti gyártásban ezt több cégnél is elérték, sőt a Panasonic 142 lm/w-ról számolt be, de sorozatgyártásban az ipar még lm/w körül jár. A szakmai előrejelzések szerint 2020-ra az elérhető cél lm/w. Nézzük meg részletesen az OLED-ek energiamérlegét, hol, milyen veszteségekkel kell számolnunk, mit lehet tenni ezek csökkentésére. Ohmos veszteségek: Értelemszerűen az elektródokon, rétegekben ábra: Kicsatolási veszteségek felszabaduló hőenergia. Belső kvantumhatásfok: Azt jellemzi, hogy az aktív zónába érkező elektron lyuk párokból mennyi tud végül (SPP: felületi plazmon polariton, elektromágneses hullám terjedés a fém dielektrikum határfelületen, a fotonok és a fém szabad elektronjai között létrejött csatolás következtében) lumineszcens fotont gerjeszteni. Az előzőekbenn ismertetett fluoreszcens foszforeszcens mechanizmus alapján az elméleti határ 25 ill 100%. Szerencsére itt nincs sok gond, foszforeszcens adalékkal a közel 100%-os kvantumhatásfok elérhető. Külső kvantumhatásfok vagy kicsatolási hatásfok: A veszteség oka a teljes visszaverődés. Az aktív rétegek és az ITO törésmutatója elég nagy, 1,8-2 közelében van, így ebből a levegőbe csak egy kis kúpszög alatt tud kilépni a fény. A jelenség a szervetlen LED-eknél is ismert, az ott kidolgozott javítási módszerek részben 140

141 használhatók is. Itt a helyzet azért bonyolultabb, mert a nagy felület és a néhány tíz nanométeres rétegvastagságok miatt az OLED planár hullámvezetőként viselkedik, aminek épp az a (a híradástechnikában jó, itt káros) tulajdonsága, hogy nem lép ki belőle a fény. A 3.73 ábrán látható, hogy alapesetben a gerjesztett fotonok kevesebb, mint egyötöde tud csak kilépni. Stabilitás, élettartam A stabilitás ma már nem kritikus tényező az OLEDeknél, egyedül a foszforeszcens kék komponensre kell megoldást találni, eddig nem sikerült 8 10 ezer óránál jobb élettartamú anyagot előállítani. Főképp ezért legtöbb gyártó órában adja meg a várható élettartamot (LT70), átlagosan 1000 cd/m2 fénysűrűség mellett. Az intenzív fejlesztés itt is folyamatos javulást fog hozni, kb. másfélszeres terhelés mellett 2 3-szoros élettartamnövekedést. Technológia Röviden bemutatjuk a főbb elemeket és anyagaikat valamint a rétegkészítési eljárásokat. Fénykibocsátó réteg anyagai: több száz kis molekula és kicsit kevesebb polimer közül lehet válogatni. A polimer molekula maga vezet és tartalmazza a világító centrumot is, a kis molekuláknál ezek a funkciók szétváltak. A világítás szempontjából ezek mind fluoreszcens anyagok, a foszforeszcencia megvalósítására külön adalékot kell keverni hozzá. Ezek általában nemesfémek (Ir, Pt, Pd, Os) komplex vegyületei. Elektródák: A katód leginkább alumínium, emellett a sávszerkezethez való jobb illesztés miatt használhatnak kalciumot, magnéziumot és ezüstöt. Az anódnak átlátszónak kell lenni és az átlátszó vezető anyagok között elég szűk a választék. Az utóbbi évekig az ón-indium-oxid (ITO) volt szinte az egyetlen használt anyag: 1Ω nagyságrendű négyzetes ellenállással és 80 85%-os fényáteresztéssel. Az OLED igényeihez jó lenne kisebb ellenállás, mert a viszonylag nagy panelméret miatt a szélektől távolabb már kisebb feszültség jut, így a lámpa közepe kicsit halványabb. Ezen lehet segíteni egy nagyon vékony fémhálóval, de akkor ez a raszter látszik. Több új anyag is felmerült az ITO helyettesítésére, amelyek a fejlesztés különböző stádiumaiban vannak. Alumíniummal adalékolt cink-oxid (AZO): már gyártási fázisban, hasonló ellenállással, kicsit jobb optikai jellemzőkkel, mint az ITO Vezető polimerek: egyelőre gyengébb paraméterekkel, főképp ott esélyes, ahol tiszta szerves struktúrát akarnak kialakítani. Ezüst nanoszálas tinta: a neve mindent megmagyaráz, nyomdatechnikai rétegkészítéshez fejlesztették ki. Nagyon jó vezető, de ahogy növeljük a vezetőképességet, egyre sűrűbb szövésű hálózat kell, amivel a fényáteresztés csökken. Ugyanez az összefüggés a többi anyagra is igaz. Grafén, szén nanocső: sok, egészen különleges jó tulajdonságuk biztosítja, hogy a jövőben több területen lehet ezeket használni, ha áruk elérhetőbb, technológiájuk kidolgozottabb lesz. Vezető bevonatként előbb az érintő képernyőknél, polimer napelemeknél várható. Hordozók: Látszólag kevésbé fontos kisegítő anyag, de néhány paramétert szigorúan teljesíteni kell, úgymint a nagy felületi simaság és a minimális gázáteresztés. 141

142 Az üveg teljesíti ezeket az elvárásokat. Az OLED igényeinek megfelel a lágyüveg is, ami jelentősen olcsóbb, de gyengébb mechanikai tulajdonságai miatt 1,5 1,8 mm-nél vékonyabbat nem mernek használni. Az LCD és OLED TV-khez kifejlesztettek ultra vékony keményüveg hordozókat, sőt néhány cég 0,1 0,2 mm vastag, hajítható üveget is tud már gyártani, ami még több szabadságot biztosít a tervezők számára és emellett szükséges az un. roll-to-roll technológiához. A hétköznapi műanyag fóliák sem simaságban, sem gázáteresztésben nem felelnek meg. Simító felületkezelés után a PEN (polietilén-naftalát) a leginkább használható, kiegészítő gázzáró bevonattal a PET és a PC is. Rétegkészítés: Az alkalmazott anyagok függvényében két csoportra oszthatók a módszerek, a kismolekulájú anyagokat vákuumtechnikai eljárásokkal viszik fel, a polimereket oldószeres technológiával. Ma még a vákuumtechnikai út a kidolgozottabb, biztosabb, de jóval költségesebb. Ha sikerül a minőségi, kihozatali problémákat megoldani és szélesebb szalagokon termelni, az oldószeres, nyomdai technológia hozhatja meg azt az árcsökkenést, ami az OLED-et versenyképes piaci szereplővé teszi. Az OVPD eljárás (Organic Vapor Phase Deposition) lényege, hogy a bevonandó felületet vákuumtérbe helyezik, a bevonat anyagát annyira felmelegítik, hogy jó sebességgel párologjon. Ezeknél az anyagoknál ez C-t jelent. A gőzáramot zuhanyrózsához hasonló módon szétterítik, hogy a nagy felületű, hideg hordozón egyenletesen váljon le. A rétegépítés sebessége anyagtól, beállítástól függően 2 60 nm/perc, azaz egy réteg egy perc körüli idő alatt készül el, 3% alatti egyenetlenséggel. Lehet egy kamrában több forrásból dolgozni, és így rakni egymásra a rétegeket, de kevésbé szennyezik egymást az anyagok, ha minden réteg külön kamrában készül, úgy, hogy a hordozót mindig átzsilipelik a következő lépéshez. A polimerek gőz állapotba nem hozhatók, feloldani sem könnyű őket, de lehet. Sőt a molekula pici módosításával megszabható, hogy az anyag vizes vagy szerves oldószerben oldódjon. Ez azért fontos, hogy az egymásra épített rétegek ne oldják fel az alattuk levőt. A felvitel módja lehet centrifugálás vagy tömeggyártás esetén bármely nyomdai technológia, rota, flexo, vagy ofszetnyomás. Lámpatípusok A nagyobb cégek első piaci termékei körül jelentek meg. Közös jellemzőjük a viszonylag kicsi méret, cm-es panelek, egyszerű geometriai formák, szerényebb hatásfok (15 45 lm/w). Ezek azok a modulok, amelyekből nagyobb lámpatestek készíthetők. (3.74 ábra) ábra: Néhány az első fényforrások közül L: Lumiotec, P: Philips, O: Osram, B: Blackbody 142

143 Működtetés, meghajtók Nevének megfelelően diódaként működik, hasonló meghajtást igényel, mint a szervetlen LED, azaz egyenfeszültségű, áramgenerátoros tápegység ajánlott. Az OLED is dimmelhető, akár amplitúdó, akár impulzus-szélesség modulációval (AM, PWM). Több egységet együtt használva a soros kapcsolás előnyösebb. Az OLED sajátossága, hogy a szükséges áramerősség a felülettel arányos, tehát adott panelmérethez adott tápegység vagy beállítás jár. Fontos még tudni, hogy az OLED nagyon érzékeny a rövidzárra, ezért működtetni csak rövidzár védelemmel szabad. Az OLED-ek jelenlegi előnye a különlegessége, az, hogy új lehetőséget ad a formatervezőknek egyedi, dekoratív lámpák készítésére. Az még nem jósolható meg, mikorra csökken az ára annyira, hogy a világítástervezőknek is mindennapi feladatot adjon. 143

144 4.1 Működtető eszközök INNOVATÍV VILÁGÍTÁS 4. A világítás eszközei II. Az előzőekben láttuk, hogy a kisülőlámpák áramának, a kialakult működési feszültségnek, ill. a munkapontnak beállítására is az áramkorlátozó előtét szolgál. A lámpán átfolyó áram erősségét az előtét impedanciája határozza meg. A lámpa geometriája, a töltőgáz összetétele és nyomása megszabja a kisülés áram-feszültség karakterisztikáját, ennek alapján pedig a lámpaáram ismeretében a működési feszültséget. Az előtét pontos méretezése igen lényeges, hiszen impedanciája a lámpa teljesítményét is meghatározza. Mindebből az is következik, hogy adott teljesítményű fényforráshoz adott típusú (impedanciájú) előtétet kell használni. A lámpa-előtét páros helytelen megválasztása üzemképtelenségre vagy a rendszer tönkremenetelére vezethet. A kisülőlámpák hagyományos működtetéséhez alapvetően két elektrotechnikai egységre van szükség: előtétre és gyújtóra. Megjegyzendő, hogy ez csak általában igaz; vannak lámpák, amelyek nem igényelnek külön gyújtót (higanylámpa, egyes fénycsövek), és van olyan kisülőlámpa, mely önmagában tartalmazza az előtétet. (kevert fényű lámpa). A korszerű és gazdaságos működtetés elektronikus előtéttel történik, ez sok esetben magában foglalja a gyújtót, tehát itt külön gyújtó alkalmazására nincs szükség. Működtető eszközre szükség van bizonyos esetekben az izzólámpák üzemeltetése során is. A törpefeszültségű halogénlámpák többsége 12 V-on működik, a hálózati 230 V-ot tehát le kell transzformálni. A transzformálás történhet hagyományos vagy ún. elektronikus transzformátorral. Ebben a fejezetben a halogénlámpákhoz alkalmazott transzformátorokat, valamint a kisülőlámpákhoz használt gyújtókat és előtéteket tárgyaljuk, ezeket közös néven működtető eszközöknek nevezzük Transzformátorok törpefeszültségű halogénlámpák működtetéséhez. A törpefeszültségű lámpatestek a III. érintésvédelmi osztályba tartoznak, így csak biztonsági transzformátorokról üzemeltethetők. A III. érintésvédelmi osztály előírása miatt (amely az ilyen lámpatestek adattábláján is megtalálható) olyan esetben is biztonsági transzformátorról kell üzemeltetni e lámpatesteket, ahol az elhelyezése (pl. magasság) miatt a közvetlen megérintés nem valószínű. A törpefeszültségű halogénizzók üzemeltetéséhez ún. világítási transzformátor szükséges, tehát az egyéb célra gyártott (pl. forrasztópáka üzemeltetésére) biztonsági transzformátor nem alkalmas. Ennek oka, hogy e fényforrások élettartamának erős feszültségfüggése miatt a kapocsfeszültséget a terhelhetőség teljes intervallumában valamivel a névleges feszültség alatt kell tartani (pl. 12 V esetében 11,5 11,8 V közt). A hagyományos (vasmagos tekercselt) transzformátorokat többféle kivitelben gyártják; megkülönböztetünk négyszögletes és körvasmagos (toroid) kivitelt. Ez utóbbi villamos tulajdonságai a kedvezőbbek, így a hagyományos halogénlámpás rendszerekben leggyakrabban toroid transzformátort alkalmaznak. Felépítésük röviden úgy jellemezhető, hogy egy gyűrű alakú vasmagra a primer és a szekunder tekercset egymás felett helyezik el, a vasmag teljes felületén. A hagyományos vasmagos transzformátorok nem tekinthetők korszerűeknek; legfőbb hátrányaik a viszonylag nagy teljesítményveszteség, a nagy súly, az esetlegesen hallható zúgás valamint, hogy a szekunder oldali tápfeszültséget befolyásolja a primer (hálózati) 144

145 feszültség változása. Több fényforrás esetén a fényforrások számottevő részének kiégése után a megmaradó fényforrásokon mérhető kapocsfeszültség enyhén megnövekszik, ha ehhez még a primer oldali hálózat feszültségnövekedése is társul, akkor jelentősen csökkenhet a megmaradó fényforrások hátralevő élettartama, lavinaszerű kiégés tapasztalható. A toroid transzformátoroknál véletlenszerűen nagy bekapcsolási indulóáram alakulhat ki, némely típusnál a jelenség teljes terhelés esetén fokozottan jelentkezik. Ez sokszor a kismegszakító leoldását okozza. Ennek elkerülésére, erre a célra gyártott áramkorlátozó eszközt kell alkalmazni, vagy a kismegszakító méretezésénél kell ezt a jelenséget figyelembe venni. A gyakorlatban a C karakterisztikájú kismegszakító alkalmazása általában orvosolja e problémát. A nagyobb teljesítményű toroid transzformátoroknak nem elhanyagolható a mágneses tere, ezért nagyobb felületű fémtárgyak vagy arra érzékeny készülékek közelébe csak mágnesesen árnyékolt tokozású típusokat szabad telepíteni. A hagyományos transzformátorok előnye, hogy viszonylag kevéssé érzékenyek a hőre, továbbá egyszerű, megbízható alkatrészek illetve élettartamuk végén könnyen és gazdaságosan újrahasznosíthatóak. Előnyeik ellenére is mérlegelendő, hogy melyek azok az esetek, amikor a korszerűbb (és olcsóbb) elektronikus típusok helyett kifejezetten indokolt a használatuk. A vasmagos világítási transzformátorokat (jellemzően az igényesebb toroid típusokat) a szekunder oldali rövidzár vagy túlterhelés illetve a tekercselés meghibásodása (pl. menetzárlat) okozta túlmelegedés ellen hőbiztosítékkal, hőkioldóval vagy mindkettővel ellátják. A hőkioldó a transzformátor visszahűlésekor újra zárja az áramkört, ezzel szemben (a magasabb hőmérsékletre méretezett) hőbiztosíték véglegesen kiold, ám ezzel egy esetleges tűzesetet előzhet meg. A védelem további növelésére egyes estekben a primer oldalon homoktöltetű üvegcsöves olvadóbiztosító is található. Az elektronikus transzformátor működésének lényege, hogy a lámpát nagyfrekvenciás (~ 40 khz) árammal táplálja. A hálózati feszültséget először lüktető egyenfeszültséggé alakítja. Ezt egy tranzisztoros ún. szaggató áramkör nagyfrekvenciás négyszög-feszültséggé alakítja át, melyet a nagyfrekvenciás transzformátor törpefeszültségre transzformál. Ezen kívül a bemeneti oldalt túlfeszültség-védelemmel és rádió-zavarmentesítéssel látják el, a szekunder oldalt pedig rövidzár- és túlmelegedés elleni védelemmel ábra: Az elektronikus transzformátorok fő egységei a bennük történő átalakításokkal. A nagyfrekvenciás táplálás több előnnyel is jár: Kisebb méret és súly. Magának a transzformátornak a térfogata a frekvenciával fordítottan arányos. 145

146 A hagyományos transzformátorhoz képest kisebb teljesítményveszteség és a terheléstől szélesebb tartományt átfogó függetlenség. Közel zajmentes működés. A fényáramszabályozás akár egy beépített potenciométerrel is megoldható. Lassabb felfuttatással, lágyabb indítással kímélően hat a fényforrásra; a felfutás ideje alatt az izzószál eléri az üzemi hőmérsékletet, megnövekszik az ellenállása. A hidegellenállásból adódó bekapcsolási áramlökés elmarad. A hálózati feszültségingadozásokra és zavarjelekre széles tartományban érzéketlen, ezek hatásai a szekunder oldalon nem jelennek meg, kimeneti kapocsfeszültsége a névleges terhelési intervallumon belül gyakorlatilag konstansnak tekinthető, így ezek a hatások nem csökkentik a fényforrás élettartamát Esztétikus, kultúráltan szerelhető (műanyag házban tokozott vagy lámpatestbe építhető nyák formájában kapható) Az elektronikus transzformátornak néhány előnytelen tulajdonsága is van a hagyományossal szemben: A nagyfrekvenciás táplálás miatt a szekunder oldali hosszabb vezeték antennaként viselkedik, ez nem csak veszteséggel jár, de a környezetében található és az adott frekvenciára érzékeny berendezésekben zavart okozhat Nem csak túlterhelés esetén, de adott minimumterhelés alatt sem üzemel, a terheléshatárokon üzemeltetve pedig ez egyes gyártmányokban bizonytalanságot ( pislákolást ) idézhet elő. A hálózatra felharmonikusokat juttat ki, ez tömeges alkalmazás esetén számottevő zavart jelent A környezeti (ezzel együtt üzemeltetési) hőmérséklet növekedésével a várható élettartam jelentősen csökken, (noha esetleg a megengedett maximumhőmérséklet alatt működik az eszköz) A transzformátor lehet a lámpatestbe beépített, és lehet lámpatesten kívüli szerelésű. A beépített transzformátoros megoldásnak előnye az egyszerű használat, a problémamentes hálózatra csatlakoztatás, de hátránya lehet a nagy hőmérséklet, mely a fényforrással közös házba szerelt elektronikus trafó károsodását okozhatja, különösen az ún. hidegtükrös halogén lámpákkal üzemelő lámpatesteknél. Ennek elkerülését szolgálja a nyitott kivitelű lámpatest vagy a lámpatesten belüli térbeli szétválasztása a lámpának és a transzformátorháznak illetve ezzel egyidejűleg a térrészek egymástól független átszellőztetése, természetesen mindez a lámpatestgyártó konstrukciós feladata Gyújtókészülékek A fénycsőgyújtókkal az előzőkben már megismerkedtünk. A nagynyomású lámpák közül a higanylámpa nem igényel külön gyújtót, a fémhalogén- és a nátriumlámpa (a belsőgyújtós kiviteltől eltekintve) igen. Az e célra szolgáló gyújtóegységeknek a fénycsőgyújtóhoz képest nagyobb (több kv nagyságú) gyújtóimpulzust kell szolgáltatniuk, felépítésük bonyolultabb. Ez elnevezésükben is megnyilvánul; gyújtókészülékeknek nevezzük őket. Ma már általában az ún. soros hárompontos gyújtókészüléket alkalmazzák, helyes nevén szuperpozíciós gyújtókészüléket. Az előzőleg kiterjedten használt párhuzamos vagy impulzusgyújtó nem tekinthető korszerűnek, ezért itt nem is tárgyaljuk. 146

147 A szuperpozíciós gyújtókészülék bekötési módját a 4.2, a belső felépítését a 4.3 ábra szemlélteti ábra: Szuperpozíciós gyújtókészülék bekötése Az N pont a lámpa Edison-fejének menetes hüvelyéhez csatlakozik. Az L kivezetésen jelenik meg a gyújtóimpulzus. Ez a kivezetés a lámpafej kontaktlemezkéjéhez csatlakozik. A D kivezetés az előtéten keresztül a hálózat fázisvezetékéhez csatlakozik. A különböző gyártmányú gyújtókészülékek bekötése hasonló, bár nem egységes. A termék címkéjén levő rajz tájékoztat a helyes bekötésről ábra: Szuperpozíciós gyújtókészülék elvi felépítése. Az áramkör egyszerűsített működése a következő: Bekapcsoláskor a lámpa szakadásként viselkedik. C1 kondenzátor C2-n és R-en át töltődik. Amikor C1 feszültsége eléri a teljesítmény diac billenési feszültségét (általában 200 V körüli), a diac vezetésbe megy át, C1 feszültségét rákapcsolja TR transzformátor kis menetszámú primer tekercsére. Ez a feszültség szorosra feltranszformálódva megjelenik TR szekunder tekercsén a hálózati feszültségre szuperponálódva. Az így keletkezett 2 5 kv-os, MHz nagyságrendű frekvenciájú csillapodó feszültségimpulzus átüti a kisülőcsövet. A kisülőcsőben keletkező ívkisülés feszültsége néhány 10 kv. Az üzemi állapotba került lámpa ívfeszültsége V. Az alkatrészek értékeit úgy választják meg, hogy a gyújtó legalább 3 impulzust adjon a 60º - 90º + és - hálózati félperiódusban egyaránt, továbbá a lámpa normál üzemi tartományában ne adjon impulzusokat. A gyújtókészülék drágább, korszerűbb változatába beépítik az ábrán jelölt T időtagot is. Ez gyújtásképtelen lámpánál kikapcsolja az impulzusok keltését (pl. 82 másodperc vagy 20 perc után). A legfejlettebb változatokban az időtagot mikrokontrollerrel valósítják meg, így az időzítésen kívül egyéb védő funkciók is kialakíthatók (intelligens gyújtók). 147

148 Lényeges, hogy a gyújtó és a lámpa közötti nagyfeszültséggel terhelt vezetékszakasz hossza max. 1,5 m lehet; a C1, C2 kondenzátorok miatt a gyújtóimpulzus az előtét-gyújtó szakaszt (és magát az előtétet) nem terheli, így az előtétet a lámpától tetszőleges távolságra lehet elhelyezni. A szuperpozíciós gyújtók másik (PHILIPS rendszerű) változatában az impulzustranszformátort elhagyják. Ekkor a fojtón egy megcsapolást alakítanak ki, a kis menetszámú részre kapcsolódik rá a 200 V körüli impulzus. A fojtó az alapfunkcióján kívül transzformátorként is működik. Ennél a rendszernél a fojtót terheli a gyújtóimpulzus kv szintű feszültsége, ezért jobb minőségű szigetelésekkel kell ellátni. A gyújtó olcsóbb lehet, mert nem tartalmazza az impulzus-transzformátort, továbbá a műgyantás kiöntés is elhagyható. A gyújtó tartalmaz időtagot a fojtó fokozott védelme céljából. E rendszerhez készült fojtó bármiféle korlátozás nélkül használható a hagyományos szuperpozíciós gyújtókkal, míg a hagyományos rendszerhez készített fojtó nem használható ezzel a PHILIPS rendszerrel a fokozott feszültség igénybevétele miatt. A gyújtókészüléket jellemző adatok: keltett csúcsfeszültség értéke (tip.: 2 2,5 kv; 4 5 kv) impulzus-szélesség: az az időtartam, amely alatt egy impulzuson belül a feszültségérték egy adott értéket (pl. 2 kv) meghalad. (tip.: 0,8 µsec 2 µsec) félperiódusonkénti gyújtóimpulzusok száma (2 6) a gyújtóimpulzusok fázishelyzete (tip.: 60º 90º; 240º 270º) a gyújtó működésére használt teljesítmény (néhány W) megszólalási feszültség 8 (tip.: 180 V) nem működési feszültség 9 (tip.: 160 V) legnagyobb névleges működési hőmérséklet (t C ) értéke és helye (tip.: 105ºC) a gyújtókészülékek élettartamát főképpen a kondenzátorok élettartama szabja meg. A hálózati és lámpa oldalról érkező tranziensek káros hatással vannak az élettartamra. A gyújtóműködésnél a gyújtások száma a lényeges, a gyártók névleges élettartamot általában nem adnak meg, helyette garanciális időt jelölnek meg. (pl. 2 év). A vonatkozó szabvány (MSz EN 60926) a gyújtókészülékekkel szemben biztonsági követelményeket támaszt. Ezek elsősorban az érintésvédelemre, a por- és nedvesség behatolása elleni védelemre, a szigetelési ellenállásra, valamint a gyújtókészülék melegedésére vonatkoznak Elektronikus előtétek A kisülőlámpák rohamos elterjedése, a minél gazdaságosabb működésre irányuló törekvés, valamint az elektronika gyors fejlődése a 70-es években magával hozta a fénycsövek, majd később a nagynyomású lámpák elektronikus előtéttel történő üzemeltetését. A fényforrásokkal kapcsolatos kutatások bebizonyították, hogy a hálózatinál több nagyságrenddel nagyobb frekvenciájú működtetés fénycsöveknél kb. 10 %-kal megnöveli a 8 A hálózati feszültség azon legkisebb értéke, amelyen a gyújtó 30 másodpercen belül legalább 2 gyújtóimpulzust produkál. 9 A hálózati feszültség azon legnagyobb értéke, ami alatt a gyújtó 30 másodpercen belül nem produkál gyújtóimpulzust. 148

149 fényáramot (a nagynyomású HID 10 lámpáknál ilyen fényáram növekedés nincs), ugyanakkor csökken az előtét okozta veszteség. Általában khz közötti az a frekvencia, amelyet az előtét előállít. Áramkorlátozásra és stabilizálásra természetesen itt is szükség van, a nagyfrekvenciás áram egy induktivitáson át jut a lámpára. A nagyfrekvenciás üzem következtében azonban a tekercs sokkal kisebb és könnyebb. Előbb blokkvázlat szinten egy kompakt fénycsőhöz használható elektronikus előtét felépítésével ismerkedjünk meg ábra: Elektronikus fénycsőelőtét felépítése A bemeneti zavarszűrő feladata, hogy egyrészt az előtét által keltett 9 khz 30 MHz-es zavarjeleket ne engedje ki a hálózatba, másrészt a pillanatnyi hálózati túlfeszültségtől megvédje az elektronikus alkatrészeket. Az egyenirányító egység lényegében egy Graetz-híd, amely a szinuszos hálózati feszültséget egyenirányítja. Ezt követően egy simító kondenzátor a hullámos egyenfeszültség simítására szolgál, (egyenáramú táplálás esetén az egyenirányító és a simító fokozatra természetesen nincs szükség). A DC/AC átalakító a 300V körüli egyenfeszültségből a tápfeszültség feléhez viszonyítva ± 150 V-os ultrahangfrekvenciás négyszögjelet állít elő. A négyszögjel frekvenciája az egyszerű áramkörű előtéteknél függ a félvezetők paramétereitől, a visszacsatoló hálózattól, áramstabilizáló fojtótól, gyújtóegységben alkalmazott alkatrészektől, a fénycső működési feszültségétől. A gyújtás megvalósítására a nagy világcégek részéről több megoldás született. Egyik ilyen megoldás alapelvét szemlélteti a következő, 4.5 ábra ábra: Elektronikus előtét gyújtó áramkörének egy lehetséges megoldása Az L induktív előtét és a C2 kondenzátor a bejövő nagyfrekvenciás négyszögjel alapharmonikusának közelébe van hangolva. A C2 kondenzátor kapacitása jóval kisebb a C1 énél, annak pl. ötvenede. A C2-t a vele párhuzamosan kapcsolt pozitív termikus koefficiensű ellenállás (PTK) rövidre zárja. Bekapcsoláskor az L fojtó, a két fénycső elektród és a C1 kondenzátor soros rezgőkört alkot, amely meghatározza a bejövő nagyfrekvenciás jel amplitúdójától függően az elektródok előfűtését. Ennek az áramnak nagyrésze kezdetben még 10 HID = High Intensity Discharge 149

150 a hideg (kis ellenállású) PTK-n folyik, de ahogy ennek hőmérséklete és ellenállása nő, egyre inkább a C2 kondenzátoron halad át. A C1 hatása nagyobb kapacitása miatt elhanyagolható lesz a C2 mellett, így a C2-L rezgőkörön fellépő rezonancia felerősíti a bejövő nagyfrekvenciás jelet, és a keletkező feszültség elegendő a fénycső begyújtására. Mik az előnyei az elektronikus előtétnek a hagyományos fojtóval szemben? 1.) A nagyfrekvenciás üzemelésnek köszönhetően a fényáram 10 %-kal nő. Ezt az előnyt úgy hasznosítják, hogy a fénycső fényáramát a névleges értéken tartva a bevezetett teljesítményt csökkentik 10 %-kal. Így lehetséges, hogy egy 36 W-os fénycső felvett teljesítménye elektronikus előtéttel együtt 35 W! 2.) A bonyolultabb felépítésű, jobb minőségű előtéteknél nem szükséges a fázistényező javítása, a 0,95 körüli teljesítménytényező, a kismértékű felharmonikus-termelő hatás és a zavarszűrőbe épített kondenzátorok következménye. 3.) Speciális kivitelű előtéttel a fénycső fényárama nagymértékben szabályozható. A világítás vezérlésével és szabályozásával a jegyzet 5. fejezete foglalkozik. 4.) Az előtétveszteség jóval kisebb, mint a hagyományos fojtón, és a termelt hő is kisebb. 5.) Egyetlen gyújtóimpulzussal gyújt, ezt pontosan méretezett elektród előfűtés előzi meg, a lágyabb indítás kíméli a fénycsövet, növeli az élettartamot. 6.) Bekapcsoláskor nem lép fel kellemetlen villogás. 7.) Nem lép fel stroboszkóp hatás, tehát forgó gépalkatrészekkel dolgozva kisebb a balesetveszély. 8.) Egyenfeszültség is kapcsolható a fénycső+előtét rendszerre. 9.) Az előtét mérete és súlya sokkal kisebb, mint a hagyományos fojtóé. Ez fokozottan igaz az izzók helyére becsavarható kompakt fénycsövek elektronikájára. 10.) A gyújtás hidegben (-20ºC-on) is biztonságosan bekövetkezik. 11.) A gondosan tervezett előtétbe épített védelem a táphálózat káros tranzienseit kiszűri, túlfeszültség esetén megóvja a fénycsövet és saját áramköreit is. 12.) Nincs előtétzúgás, általában véve kedvezőbbek az ergonómiai feltételek. Az energiamegtakarításra vonatkozóan végezzünk egy számítást! Egy 58 W-os fénycső hagyományos előtétjének vesztesége kb. 13 W, tehát az összfogyasztás 71 W. Ugyanezt a fénycsövet elektronikus előtéttel üzemeltetve a névleges fényáram megtartásával elegendő kb. 52 W teljesítményfelvétellel működtetni a nagyfrekvenciás táplálás okozta fényáram növekedés miatt. Magának az előtétnek a vesztesége kb. 4,5 W, tehát az együttes fogyasztás 56,5 W , 5 A megtakarítás = 0, 20, vagyis 20%! 71 A kisebb működési feszültségű fénycsöveknél kissé nagyobb megtakarítás érhető el. 36W: (35W-45W)/45W=22%. Az elektronikus előtét címkéjén a típus, a működtethető fényforrás, az üzemi áram és a teljesítménytényező megjelölésén kívül fel kell tüntetni a következő két hőmérséklet értéket: t c t a a megjelölt tesztpont üzem közbeni maximálisan megengedett hőmérséklete. a közvetlen környezeti hőmérséklet legnagyobb megengedett értéke. 150

151 A jobb minőségű előtétek az egyenirányító és simító fokozat között tartalmaznak egy PFC (Power Factor Corrector = teljesítménytényező javító) áramkört is. Ez az áramkör biztosítja, hogy állandósult állapotban a hálózat felől közel ohmosnak viselkedik az előtét. Ezáltal biztosítja a kiváló teljesítménytényezőt (λ) és kismértékű hálózati áramtorzítást (THDi). Ilyen áramkör, vagy ilyen funkciót megvalósító kapcsolás beépítése 25 W hálózatból fölvett teljesítmény felett szabványossági követelmény. A nagynyomású kisülőlámpák üzemeltetésére alkalmas elektronikus előtétek az első előtétek megjelenésekor elvben hasonló felépítésűek voltak, mint a fénycsőelőtétek. Itt is nagyfrekvenciás működtetésről volt szó, melynek előnye a veszteség csökkenése. A kereskedelemben elterjedten a kisebb egységteljesítményű (35, 50, 70, 100 W-os ) nagynyomású lámpákhoz kaphatók elektronikus előtétek, de egyes cégek már nagyobb teljesítményű fényforrásokhoz (250; 400 W-ig ) is gyártanak előtétet. A fejlesztést nehezítette, hogy a nagynyomású kisülésben bizonyos frekvenciákon ún. akusztikus rezonancia lép fel, mely fényintenzitás-változásokban és működési feszültség emelkedésben nyilvánul meg. Továbbá a kisülőcsőben levő villamos íven hurkok keletkeznek. A több ezer K hőmérsékletű ív hozzáér a kisülőcső belső falához, ami nagy hőterhelést okoz, a kisülőcső megreped, a fényforrás üzemképtelenné válik. Olyan frekvenciaértékeket kellett találni, amelyek az emberi fül számára kellemetlen hanghatást még nem okoznak, vagy túl nagyok ahhoz, hogy akusztikus rezonancia lépjen fel. Így léteznek a hálózati frekvenciánál alig nagyobb ( Hz) illetve az akusztikus rezonancia-keltés tartományát is túllépő (400 khz) frekvenciát előállító előtétek. A leginkább elterjedt megoldás, amikor kisfrekvenciás ( Hz) négyszögjel alakú árammal táplálják a kisülőcsöveket. Ez a megoldás használható az összes nagynyomású kisülőlámpa (HID lámpa) típushoz. Az áram értékének nagyságával lehet beállítani a lámpa és a rendszer teljesítményét. A tisztán áramgenerátoros táplálás nem biztosítana stabil munkapontot a lámpának, ezért egy teljesítményszabályozó hurkot is beépítenek. Általában igaz, hogy a nagynyomású kisülőlámpák elektronikus előtétjei a legbonyolultabbak az előtétek közül. A sok szükséges funkció, szabályozás működését mikrokontroller irányítja, hangolja össze ábra: HID lámpát működtető kisfrekvenciás elektronikus előtét blokkvázlata LED tápegységek A LED-ek fizikai működéséből adódik, hogy egy chip 3-4 V egyenfeszültséget igényel. Az is ismeretes, hogy a LED-es lámpákban nem egyetlen dióda világít, hanem az elérendő fényáramnak és lámpakonstrukciónak megfelelően több. A LED-lámpák jelentős 151

152 része hálózati feszültségről működik, tehát szükség van áramátalakítóra, vagyis egy olyan eszközre, melyet a LED-lámpa tápegységének nevezhetünk. A tápegységek részletesebb tárgyalása előtt szögezzünk le néhány alapvető megállapítást: A LED elektromos szempontból úgy viselkedik, mint bármely dióda. Jellemző adatai: I F : maximális megengedhető nyitóirányú áram. Ez a legnagyobb üzemi átlagáram. I max : nyitóirányú áram csúcsértéke. (A hullámzó tápáram legnagyobb csúcsértéke). U F : nyitóirányú feszültség (2,5 3,5 V), (Nyitóirányú áram-, gyártmány-, széria függő). U F / T: nyitóirányú feszültség hőmérséklet függése ~ mv/k. U MAX : maximális záróirányú feszültség. (max. 5V) R D : dióda dinamikus ellenállás. Ez az UF=f(IF) meredeksége. Ennek az adatnak a tápegység tervezésekor, párhuzamosan működtetett LED füzérek esetén van jelentősége. R D U/ I Néhány általános szabály a LED-ek működtetéséhez: Az alkalmazandó nyitófeszültségnek legalább akkorának kell lennie voltokban kifejezve, mint ahány ev a tiltott sáv energiaszélessége (lásd 3.9. fejezetet). Ennek nagyságát a félvezető anyagi minősége szabja meg, a kibocsátott sugárzás hullámhosszával (színével) együtt. A sugárzott fény intenzitása széles tartományban (kb. 5 nagyságrendben) arányos az áramerősséggel, ez lehetővé teszi a LED-ek fényáram-szabályozását. A megfelelő áramerősség beállításához áramkorlátozó impedanciára vagy áram szabályozóra van szükség. A tápegység lehet törpefeszültségű és hálózatról táplált. A megoldás szempontjából lehet közel feszültséggenerátoros, analóg áramgenerátoros, kapcsolóüzemű áramgenerátoros, feszültségcsökkentő vagy feszültségnövelő, feszültség csökkentő - növelő átalakító. LED a törpefeszültségű áramkörben 1. Közel feszültséggenerátoros táplálás. Ez történhet pl. akkumulátorról vagy galvánelemről. A kapcsolást a 4.7 ábra mutatja. U g -U LED =IR e R e =(U g -U LED )/I Pl: U g =12V (akku) U LED =9 V (3 3V) I=350 ma R e =8,6 Ω 4.7. ábra: Három sorbakapcsolt LED törpefeszültségű áramkörben. 152

153 A megoldás nem előnyös, mert a LED-ek feszültségszórása miatt egy adott ellenállásérték mellett figyelembe véve egy 50 ºC-os melegedést nem tartható stabilan az áramerősség. Ez adott esetben fényáram- és élettartam csökkenést von maga után. Ha ebben az esetben az áramkörben az U LED 8,5 V-ra növekszik, mert 50 ºC-ot melegedett, az áram I=(12 V-8,5 V)/8,6 Ω=407 ma lesz. 2. Analóg disszipatív áramgenerátoros táplálás. Stabil, állandó áramot szolgáltat, mely a stabilizátor IC-nek és az R S ellenállásnak megfelelő kiválasztásával állítható be, és nem függ sem a tápfeszültségtől, sem a LED-ek szórásától. Hátránya a viszonylag gyenge hatásfok, mint az előtét ellenállásos esetben (kb. 70 %). A kapcsolást a 4.8 ábrán tanulmányozhatjuk. A stabilizátor IC a belső szabályozó fokozata által olyan nagyságú áramot enged át magán, hogy a kimenete és a vezérlő (érzékelő) bemenete közötti feszültség a belső stabil referenciával legyen egyenlő (ábrán 1,2 V). Ekkor a LED-ek árama I = 1,2 V/R S R S = 1,2V/I. I=350 ma-nél R S =3,4Ω. A LED-ek árama nagyon stabil, tiszta egyenáram ábra: Analóg disszipatív áramgenerátoros táplálás 3. Kapcsolóüzemű áramgenerátoros táplálás. Ezt a megoldást kiváló hatásfok ( 97%), de méretezhetően hullámzó LED áram jellemez. Kapcsolástechnika szerint lehet feszültség csökkentő, feszültség növelő vagy feszültség csökkentő-növelő. A feszültség csökkentő átalakító kapcsolási rajzát a 4.9 ábra mutatja meg ábra: Feszültség csökkentő (Buck) szabályozó U LED <U TÁP Egy hatékony, de egyszerű vezérlés esetén a FET bekapcsolt állapotú, amíg a közel lineárisan növekvő I áram kisebb, mint a kívánt áram +10 %. Ekkor a FET kikapcsol, és így marad, amíg az I le nem csökken I n -10%-ra. A kapcsolási frekvencia a 153

154 20 khz 300 khz tartományba esik. A 20 %-os áramhullámzás a LED-eket nem károsítja. A hatásfok elérheti a 97 %-ot is kedvező üzemi feltételek között. Hálózatról táplált LED- tápegységek A LED-es világítási berendezések nagy részében hálózati feszültségről történik a táplálás. A cél a hálózati 230 V-os váltakozó feszültséget a lehető legkisebb veszteséggel a LED-ek számára megfelelő n (3-4) V feszültségszintű tápárammá átalakítani. Ez természetesen több lépésben és több elektrotechnikai és elektronikai elem alkalmazásával történik. Egy lehetséges elrendezést mutat be a ábra. A hálózati feszültség egy zavarszűrőn keresztül egy PFC-re jut. Az egyenirányítás és simítás után egy kapcsolóüzemű DC/DC átalakító vezérli a LED-eken átfolyó áramot ábra: Hálózatról táplált LED tápegység A nagyobb teljesítményű SELV (=biztonsági törpefeszültség) rendszerekben több fokozatot alkalmaznak. Egy összetett felépítésű rendszerben zavarszűrő, PFC, DC/DC átalakító, több áramgenerátor csatorna alkotja a LED tápegységet. Ez a rendszer meglehetősen költséges a sok fokozat miatt. A DC/DC átalakító kimenő feszültségét úgy választják meg, hogy ne lépje túl a SELV előírás szerinti értéket, vagy a lámpatest gyártó által előírt ennél kisebb értéket (pl. 24V; 48V; 60V; 80V; 120V). A leginkább költséghatékony kapcsolásnál 1db tisztán záróüzemben működő fokozattal oldják meg az összes feladatot. Ez a rendszer kb. 30 W-ig ad viszonylag jól kézben tartható megoldást. E rendszernek számos hátránya van. Fejlettebb változatban a PFC áramkört fix kimenő feszültségű konverternek alakítják ki, ezután egy független áramszabályozó fokozat táplálja a LED-eket. A nagyobb ( W) teljesítményű lámpatestek hatékony LED tápegysége célszerűen a hálózatról galvanikusan nem leválasztott megoldású. Az ilyen rendszerű LED tápegységek hatásfoka elérheti a 95%-ot, teljesítményegységre vonatkoztatott költsége a legjobb. Felépítésében a zavarszűrő, PFC fokozatokat egy feszültségcsökkentő, kapcsolóüzemű szabályozó követi. Ideális működési körülményt db 350 ma-rel táplált LED működtetésekor biztosít. A hatásfok ekkor éri el a kiváló 95 %-os értéket. Kevesebb LED-nél, és nagyobb áramnál a hatásfok romlik, de még 30 db LED, 700 ma-nél is eléri a %-ot, szemben a leválasztott LED tápegységek %-os hatásfokával. Ilyen tápegység alkalmazásakor fokozott elővigyázatossággal kell eljárni! Az életvédelmi védőelválasztást a lámpatest konstrukciójának kell biztosítani. 154

155 4.11. ábra: Költséghatékony LED tápegység Mindegyik rendszerű LED tápegység némely esetben a költségek növekedése árán kialakítható mikrokontrolleres vezérlésűre. Ekkor a LED tápegység kialakítható vezérlő bemenettel, amelyen keresztül a LED-ek árama beállítható, és/vagy időprogram szerinti működés valósítható meg. Bármely tápegység-megoldást alkalmazunk, a képződött hő elvezetéséről gondoskodni kell. Ezért lényeges (az energetikai szemponton túl) főképpen a nagyobb teljesítményű rendszereknél a minél nagyobb hatásfok. Sok LED-es lámpatest konstrukciónál a tápegység üzemi hőmérsékletét nagymértékben a LED-ekkel való hőcsatolás határozza meg. Mivel a tápegység hőt termel, általában a lámpatest belsejében van elhelyezve, ezért melegebb, mint a környezete. A nagyobb hőmérséklet rövidebb élettartamot eredményez. 155

156 4.2 Lámpatestek A lámpatestek rendeltetése és funkciói A lámpatest a lámpa (vagy több lámpa) fényének elosztására, szűrésére vagy átalakítására szolgáló készülék, amely a lámpákat magukat nem tartalmazza, de a rögzítésükre, védelmükre és működtetésükre szolgáló elemeket igen. A lámpatestet és a lámpát együttesen világítótestnek nevezik. A lámpatestek a lámpák rögzítésére szolgáló foglalatokon kívül általában tartalmazzák a lámpa működéséhez szükséges szerelvényeket is, de indokolt esetben ezek külön szerelvénydobozban is elhelyezhetők. A lámpatestek lényeges részei azok az optikai elemek, amelyek a fényt a kívánt módon irányítják, szűrik. A lámpatest elsődleges rendeltetése, hogy a fényforrásnak a tér minden irányába szabadon terjedő fényét a kívánt térrészbe irányítsa, a sugárzás nem kívánt vagy káros összetevőinek kiszűrésével. Emellett a lámpatestnek további funkciója a fényforrás rögzítése, üzemi körülményeinek biztosítása (hálózatra csatlakoztatása) és védelme a környezeti hatások (szilárd testek és nedvesség behatolása) ellen. Nem elhanyagolható a lámpatest esztétikai funkciója sem, amellyel nagyban hozzájárul a külső és belső terek megjelenésének alakításához. A LEDek alkalmazásának elterjedésével mivel a fényforrás és a lámpatest sokszor már nem különíthető el egymástól nem lehet többé lámpatestről beszélni, helyette a világítótest fogalommal kell megbarátkozni. A hagyományos szóhasználatot megtartva azonban ezen jegyzetben a lámpatest fogalomba beleértjük a LEDes világítótesteket is A lámpatestek fajtái, csoportosításuk A lámpatesteket sokféle szempont alapján csoportosíthatjuk. A legkézenfekvőbb csoportosítás a működtetett fényforrás fajtája szerint történik, eszerint megkülönböztethetünk 1. hálózati feszültségű izzólámpás 2. törpefeszültségű izzólámpás (általában halogénlámpás) 3. kisnyomású kisülőlámpás (fénycsöves, kompakt fénycsöves, kisnyomású nátriumlámpás) 4. nagynyomású kisülőlámpás (pl. nagynyomású nátriumlámpás, fémhalogénlámpás) 5. félvezető fényforrással (LEDdel) működő lámpatesteket. A fényforrás fajtája meghatározó abból a szempontból, hogy a lámpatestnek milyen működtető szerelvényeket és optikai elemeket kell tartalmaznia. Az izzólámpás lámpatestek ma már korszerűtlennek számítanak, alkalmazásuk csak különleges esetekben indokolt. Az ún. retrofit fényforrások alkalmasak arra, hogy segítségükkel egy korszerűtlen lámpatestben is korszerű fényforrásokat használjunk (pl. izzólámpás lámpatestben becsavarható kompakt fénycsövet vagy retrofit LEDet). Felhasználási területük szerint léteznek 1. lakásvilágítási 2. kommunális célú (irodák, iskolák, üzletek, stb. világítására használt) 3. ipari világítási 4. közvilágítási 5. díszvilágítási 6. térvilágítási és 7. különleges célú (pl. színház- és stúdióvilágítási, víz alatti, kórházi, stb.)lámpatestek. 156

157 Az áramütés elleni védelem szempontjából a lámpatestek I. II. vagy III. érintésvédelmi osztályúak lehetnek. Részletes ismertetésük a Áramütés elleni védelem (érintésvédelem) fejezetben található. A por, a szilárd testek és a nedvesség behatolása elleni védettség szempontjából történő csoportosítás az ún. IP fokozatok (Ingress Protection) alapján történik. Ezek ismertetését lásd a Védettség szilárd testek és víz behatolása ellen (IP védettség) fejezetben. Elhelyezésük alapján helyhezkötött és hordozható lámpatesteket különböztethetünk meg. A belsőtéri, helyhezkötött lámpatestek szerelési módjuk alapján két nagy csoportra oszthatók, a felületre szerelhető és az álmennyezetbe vagy egyéb felületbe süllyeszthető típusokra. A szerelés módjáról a gyártmányismertető katalógusok adnak felvilágosítást. A külsőtéri süllyeszthető lámpatestek különleges fajtái a járófelületbe (talajba, útburkolatba) süllyeszthető lámpatestek. A termikus szempontok szerint kétféle csoportosításról beszélhetünk. Az első szempont a külső környezet hatása a lámpatestre. A normál kivitelű lámpatestek általában csak legfeljebb 25 C környezeti hőmérsékleten használhatók, azonban a lámpatest nem károsodhat, ha a hőmérséklet rövid időre 35 C-ig emelkedik. Nagyobb hőmérséklet esetén hőálló lámpatestek alkalmazására lehet szükség. A hőálló lámpatestek adattábláján megtalálható a t a jelölés, a környezeti hőmérséklet jele. A jelet követi a megengedett környezeti hőmérséklet C-ban megadott felső határa. A második szempont az, hogy a lámpatestek saját melegedése mennyire jelent veszélyt a környezetre. A közönséges lámpatestek felszerelhetők a normál gyúlékony anyagból készült felületekre. Normál gyúlékony anyagnak az az anyag számít, amelynek gyulladási hőmérséklete 200 C felett van, és amely ezen a hőmérsékleten alaktartó, nem lágyul meg, ilyen pl. a legalább 2 mm vastagságú fa vagy farostlemez. Az ilyen felületre való felszerelésre nem alkalmas lámpatesteket megjelölik. (Korábban a gyúlékony felületre szerelhető lámpatesteknek volt megkülönböztető jele, egy csúcsával lefelé mutató háromszögbe írt F betű. Sok lámpatesten még ez a korábbi jel szerepel). A lámpatesteken használt jeleket a az 1.4 fejezet mutatja be. A lámpatestek fényeloszlás szerinti csoportosítását a fejezet ismerteti Lámpatestek alkatrészei A lámpatestek főbb alkatrészei: Foglalatok Fényforrások működtető eszközei előtétek (induktív vagy elektronikus) kondenzátorok (fázisjavító vagy zavarszűrő) gyújtók LED tápegységek Vezérlő és szabályozó elemek (fény- jelenlét- és/vagy mozgásérzékelők) Optikai elemek 157

158 A lámpatestek alkatrészeire vonatkozó további tudnivalók a Világítástechnika II. jegyzetben (KVK-2018) találhatók. A jegyzet még nem említi a megjelenése óta a LEDmodulokra kidolgozott Zhaga-előírásokat, ezért a legfontosabb tudnivalókat itt ismertetjük. A Zhaga konzorciumot 2010-ben hozták létre a LED-iparág vezető gyártói annak érdekében, hogy a rendkívül gyorsan haladó fejlesztéseket a lámpatestek gyártói minél gyorsabban és egyszerűbben követhessék. A kozorcium tagjai olyan mechanikai, termikus, elektromos és optikai specifikációkra vonatkozó, csereszabatossági szabványok összeállításán dolgoznak, amelyek egyaránt előnyösek a gyártók, a kereskedők, a vásárlók és a végfelhasználók számára. A Zhaga-szabványnak megfelelő egyre újabb és fejlettebb LEDmodulokat anélkül lehet használni a lámpatestekben, hogy módosítani kelljen annak mechanikai konstrukcióját. Ez csökkenti az új LEDes lámpatestek kifejlesztésének költségét és kockázatait. A specifikációkat ún. Zhagakönyvekben teszik közzé. A Zhaga előírásainak megfelelő, csereszabatos LED-modulokat a 4.12 ábra szerinti jellel jelölik meg A lámpatestek jelölései ábra: Zhaga előírásainak megfelelő LED-modulok jele A lámpatesteken alkalmazott jelképi és betűjelölések általában a gyártmányismertető katalógusokban is megtalálhatók, fontos információt adnak egy lámpatest adott feladatra való alkalmasságának megállapításához. A jelöléseket a lámpatestek műszaki követelményeit és vizsgálatait leíró MSZ EN szabvány alapján a 4.1 táblázatban mutatjuk be: 158

159 4.1. Táblázat: Lámpatestek jelölései Alapvető műszaki jellemzők Amper Frekvencia (hertz) Volt Watt Jel A Hz V W Érintésvédelmi osztály II. érintésvédelmi osztály III. érintésvédelmi osztály Jel Váltakozó áramú táplálás Egyenáramú táplálás Egyen- és váltakozó áramú táplálás Termikus jellemzők Legnagyobb névleges környezeti hőmérséklet Figyelmeztetés hidegtükrös lámpák használatának tilalmára Legkisebb távolság a megvilágított tárgyaktól (m) Normál, gyúlékony anyagú felületekre való közvetlen felszerelésre alkalmatlan lámpatest Normál, gyúlékony anyagú felületekbe süllyesztésre alkalmatlan lámpatest Hőszigetelő anyaggal a lámpatestet tilos letakarni Jel t a... C IP védettség Jel Megjegyzés Normál kivitelű (védelem nélküli) IP20 Csepegő víz ellen védett. Esővíz ellen védett Freccsenő víz ellen védett Vízsugár ellen védett Erős vízsugár ellen védett. Víz ellen tömített (bemeríthető). Víznyomás ellen tömített (alámeríthető) 2,5 mm-nél nagyobb szilárd testek behatolása ellen védett 1 mm-nél nagyobb szilárd testek behatolása ellen védett Por ellen védett Por ellen tömített IPX1 IPX3 IPX4 IPX5 IPX6 IPX7 IPX8 IP3X IP4X IP5X IP6X A jelölés után meg kell adni az alámerítés legnagyobb megengedett mélységét, méterben Tetőtükrös lámpák működtetésére kialakított lámpatest Kedvezőtlen körülmények között működő lámpatest Külső impulzusgyújtót tartalmazó lámpatest nagynyomású nátriumlámpákhoz Külső gyújtókészüléket nem igénylő (beépített gyújtójú) nagynyomású nátriumlámpákhoz készült lámpatest Egyéb műszaki jellemzők: A törött védőernyő cseréjének szükségessége Csak biztonsági védőernyővel ellátott volfrámszálas halogénlámpákhoz vagy fémhalogén lámpákhoz kialakított lámpatest Belső biztosítót tartalmazó lámpatest Hőálló tápvezetékek, összekötő vezetékek vagy külső huzalozás alkalmazásának szükségessége (a vezetékerek száma a lámpatest kialakítása szerint szabadon választható) 159

160 4.2.5 Lámpatestek fénytechnikai jellemzése A lámpatestek fénytechnikai jellemzői közül a legfontosabb a hatásfok és a lámpatestből kilépő fényáram térbeli eloszlása, vagy röviden a fényeloszlás. Hatásfok alatt a lámpatestek esetében két különböző mennyiséget érthetünk és az egyes gyártmányismertetők a hatásfok magadásakor nem minden esetben közlik, hogy melyik mennyiségről is van szó. Az optikai hatásfok alatt a lámpatestből kilépő fényáram és a lámpatestben működő lámpa vagy lámpák fényáramának arányát értjük, míg a fénytechnikai hatásfok esetén a lámpatestből kilépő fényáramot a lámpatesten kívül, referencia körülmények között működő fényforrás fényáramához viszonyítjuk. Ez utóbbi általában megegyezik a fényforrásnak a katalógusban közölt névleges fényáramával. A kétféle mennyiség egyes esetekben akár %-kal is eltérhet egymástól. Ennek az az oka, hogy a lámpatest zárt terében már a fényforrás kibocsátott fényárama megváltozhat a referencia körülményekhez képest, elsősorban a zárt lámpatestek belső légterének nagyobb hőmérséklete miatt. Bizonyos fényforrások, különösen a fénycsövek fényárama függ a fényforrást körülvevő légtér hőmérsékletétől és az optimális értéktől való bármilyen irányú eltérés a lámpa fényáramát csökkenti. A gyakorlat szempontjából ezért a fénytechnikai hatásfok bír nagyobb jelentőséggel, mert ez az érték a fényforrás fényáramváltozását is figyelembe veszi. A hatásfokok összehasonlításának csak közel azonos fényeloszlású lámpatestek esetén van értelme. Könnyen belátható, hogy legnagyobb, 100%-os hatásfoka egy lámpatest nélküli szabadon sugárzó fényforrásnak van; azonban egy ilyen lámpatestnek a fénye igen bántó, kellemetlen lehet. A fény irányítását végző optikai elemek óhatatlanul csökkentik a hatásfokot, viszont a kisugárzott fényt a megvilágítani kívánt térszögbe irányítják. A lámpatestek fényeloszlása nagymértékben meghatározza azok használhatóságát. A legismertebb fényeloszlás szerinti osztályozási rendszer azon alapul, hogy a lámpatest teljes kisugárzott fényárama hogyan oszlik meg az alsó és felső térfél között Ezt nevezik a lámpatest világítási módjának. A Nemzetközi Világítástechnikai Társaság (CIE) által kidolgozott rendszer szerint a lámpatestek a világítási mód szerint 5 fő csoportba sorolhatók. Az egyes kategóriák fényáramának százalékos arányait a 4.2 táblázat foglalja össze. A főcsoportokon belül további alcsoportok is léteznek, ezeket korábban a hatásfok módszerrel történő, egyszerűsített világítási számításokhoz használták (LiTG osztályozás). Az alcsoportok jelentősége a számítógépes világítástervezési módszerek elterjedésével visszaszorult Táblázat: Világítási módok fő jellemzői A lámpatestek fényeloszlását részletesen a fényeloszlási görbékkel adják meg. A teljes fényeloszlás egy olyan térbeli testtel jellemezhető, amelynek a felületét úgy kaphatjuk meg, hogy a lámpatest által a tér egyes irányaiba mutató és az abba az irányba kibocsátott fényerősség nagyságával arányos hosszúságú vektorok végpontjait összekötjük. A 160

161 fényeloszlási görbék ennek a térbeli testnek az egyes síkmetszetei. A fényeloszlás megadására a legáltalánosabban használt rendszer az úgynevezett C-γ koordináta rendszer. Ebben a rendszerben a fényeloszlási testet metsző egyes síkok egy egyenesben, a lámpatest optikai tengelyében metszik egymást. A C síkok helyzetére a lámpatest keresztirányú tengelyétől számított szög jellemző, a gamma szögek pedig az adott C síkban az optikai tengely és a kérdéses irány között bezárt szögek. A C-γ koordinátarendszert a 4.13 ábra szemlélteti. A fényeloszlási görbéket a cserélhető fényforrásokat tartalmazó lámpatestek esetébengyakorlati okokból általában relatív léptékben, cd/1000 lm egységben szokásos megadni. Nem cserélhető fényforásokat (LEDeket) tartalmazó világítótestek esetében az abszolút lépték (cd) a szokásos ábra: Lámpatestek fényeloszlásának C-γ koordinátarendszere ábra: Elemi felületek fényeloszlása a egyik oldalán világító sík felületelem (Lambert-sugárzó, opálburás lámpatest); b pont- vagy gömbsugárzó (gömblámpa); c félgömb (mennyezeti lámpatest); d vonal (szabadonsugárzó fénycsöves lámpatest) A korszerű cégfüggetlen világítástechnikai tervező programok a lámpatestek fénytechnikai adatait általában ún. EULUMDAT-fájlformátumban tárolják (kitrejesztése:.ldt), de mellette léteznek más fájlformátumok is (pl. CEN, IES). Ezek alkalmazásáról a 9.2 fejezetben lesz részletesebben szó. A 4.14 ábra néhány lámpatest alaptípusnak is tekinthető - elemi felület fényeloszlását mutatja be. 161

162 A lámpatestek fényárama, és így a hatásfoka a fényeloszlásból is meghatározható. A fényáram definíciós egyenlete szerint Φ = I dω vagyis a fényáram a fényerősség térszög szerinti integrálja. Ez az egyenlet a 4.15 ábra alapján a következő alakban írható fel: Φ = π α= 0 2π ϕ= 0 I(α( ϕ ) sinαdαdϕ ahol α és ϕ az I fényerősségvektorhoz tartozó df felületelem irányát leíró gömbi koordináták ábra: Lámpatest fényáramának meghatározása ábra: Zónafényáramok számítása A numerikus integrálás a C síkokban megadott fényeloszlási görbék esetén a 4.15 ábra alapján követhető. A különböző C síkokban, azonos γ szögek alatt megadott fényerősségek átlagaként meghatározhatjuk az α 1 és α 2 szögek által meghatározott kúpszögbe eső zónafényáramot. Pl. ha a fényeloszlási táblázat 10 -os lépésközzel tartalmazza az adatokat, akkor egy adott γ szöghöz tartozó határoló kúpszögek α 1 = γ -5, és α 2 = γ +5. Az ehhez a zónához tartozó térszög szteradiánban: Ω = 2π( cosα1 cosα2 ) A zóna fényárama az átlagos fényerősség és a térszög szorzata, vagyis Φ Ω = I Ω Ω A lámpatest fényárama megegyezik a zónafényáramok összegével, tehát Φ= I Ω Ω Ha a fényeloszlási görbék cd/1000 lm egységben vannak megadva, az így meghatározott lámpatest fényáram is 1000 lm fényforrás fényáramra vonatkozik, tehát az eredményül kapott számérték megegyezik a lámpatest ezrelékben kifejezett fénytechnikai hatásfokával. Közvilágítási lámpatestek fénytechnikai jellemzésére a fényeloszlási görbék mellett a hatásfok-görbék használata is elterjedt. A hatásfok-görbe használatát a 4.17 ábra alapján ismertetjük. 162

163 A lámpatestet a diagram [0,0] koordinátájú pontjára állított oszlopra felszerelve képzeljük el. A vízszintes tengelyen a lámpatest talppontjától számított, az út tengelyére merőleges irányú távolságok szerepelnek, relatív léptékben (távolság/oszlopmagasság). Jobbra az úttest, balra a járda irányába eső távolságokat találjuk. A függőleges tengely százalékos léptékű. A görbe egyes pontjai azt adják meg, hogy az adott szélességű, és végtelennek tekintett hosszúságú területre a lámpatestben működő fényforrás fényáramának hány százaléka esik. Az ábra szerint pl. 10 m-es oszlopmagasság esetén egy 10 m széles úttestre a lámpatest a fényforrás teljes fényáramának kb. 45%-át irányítja, míg a járda irányában egy 5 m-es sávra kb. 12% ábra: Hatásfok-görbe jut. Ismert, hogy a megvilágítás a terület és a ráeső fényáram hányadosával egyenlő. Így a diagram használatával megbecsülhető, hogy egy adott hosszúságú és szélességű útfelület megvilágításához hány lámpatestre van szükség Védettség szilárd testek és víz behatolása ellen, ütésállóság (IP és IK számok) A külső mechanikai behatások elleni védelem fokozatának megfelelően a lámpatesteket az úgynevezett IP számokkal jelölik meg Táblázat: A lámpatestek IP osztályozási rendszere Első számjegy (szilárd testek) értéke jelentése értéke jelentése Második számjegy (víz) 0 Nincs védelem 0 Nincs védelem Legfeljebb 500 mm átmérőjű tárgyak behatolása ellen védett (kéz) Legfeljebb 12 mm átmérőjű tárgyak behatolása ellen védett (ujj) Legfeljebb 2,5 mm átmérőjű tárgyak behatolása ellen védett Legfeljebb 1 mm átmérőjű tárgyak behatolása ellen védett 1 Függőlegesen csepegő víz ellen védett 2 Csepegő víz ellen védett, 15 döntésnél 3 Esővíz ellen védett 4 Bármilyen irányból freccsenő víz ellen védett 5 Káros porbehatolás ellen védett 5 Vízsugár ellen védett 6 Por ellen tömített 6 Erős vízsugár ellen védett Vízbemerítés ellen védett Tartós víz alatti működésre alkalmas 163

164 Az IP számok egy nemzetközi osztályozási rendszert alkotnak (Ingress Protection), ahol az egyes jelzések műszaki tartalma a 4.3 táblázat alapján tekinthető át. Az IP betűjelzést követő első számjegy a szilárd idegen testek, a második számjegy a víz behatolása elleni védelmet jelenti. Az IP védettségtől függetlenül a lámpatestek akár 100% relatív légnedvességű térben is biztonságosan működnek, az ilyen légnedvességtartalom nem tekinthető rendkívüli igénybevételnek. IP 20-nál alacsonyabb védettséggel nem készíthető lámpatest, így ez a fokozat jelenti az alapvédettséget. Az IP 20 jelölést nem is szükséges az adattáblán feltüntetni, ez csak nagyobb védettség esetén kötelező. Az IK kódokat a villamos készülékek mechanikai szilárdságának jellemzésére használják. Minél nagyobb az IK szám a 0-tól 10-ig terjedő skálán, annál robusztusabb kivitelű a készülék. Lámpatestek esetében csak az IK 05 feletti kódokat használják, a 4.4 táblázat szerint: A besorolás részletei, a vizsgálati módok leírása az MSZ EN szabványban találhatók Táblázat: Lámpatestek ütésállósága IK kód Ütésállóság (kj) IK 05 0,7 IK 06 1 IK 07 2 IK 08 3 IK IK Áramütés elleni védelem (érintésvédelem) A hálózati feszültség és frekvencia általában a szabványos 230 V 50 Hz értékű. Működtető eszközt nem tartalmazó, izzólámpás lámpatestek esetén a lámpatest névleges feszültsége megegyezik a benne felhasznált alkatrészek szigetelési feszültségével, azaz általában 250 V értékű. Ez az érték annyira általános, hogy az adattáblán csak akkor jelölik, ha ettől eltér. Ha a lámpatestben eltérő névleges feszültségű alkatrészeket használnak (pl. 250 V-os foglalatot és 400 V-os csatlakozókapcsot), a lámpatest névleges feszültsége a kisebbik feszültségértékkel egyezik meg. A kisülőlámpás és LEDes lámpatestek névleges feszültségét a működtető eszköz névleges feszültsége határozza meg. A hálózati feszültségről működő lámpatesteket az aktív részek véletlen megérintése esetén, az áramütés elkerülése érdekében érintésvédelemmel kell ellátni. A lámpatest szabvány aktív rész -nek nevez minden olyan vezető vagy vezetőképes részt, amelyet arra szántak, hogy rendeltetésszerű üzemben feszültség alatt álljon. Az üzemi nullavezető is e fogalom alá tartozik, a védővezetőül szolgáló PEN-vezető azonban nem! A törpefeszültségű villamos szerkezeteknek is van aktív része, annak ellenére, hogy annál áramütés veszélyével nem számolhatunk. Korábban a létesítési szabványok az aktív részt üzemszerűen vezető rész -nek, a termékszabványok feszültség alatt álló rész -nek nevezték. Az áramütésveszélyes aktív részek megnevezésére újabban a veszélyes aktív rész megnevezést használják. Érintésvédelem szempontjából legkedvezőbbek a kettős vagy megerősített szigeteléssel készülő, II. érintésvédelmi osztályú lámpatestek. Itt az alapszigetelésen kívül egy további biztonságot adó második, védő szigetelés is található. Ha a második szigetelőréteg elkészítése technikai akadályokba ütközik, akkor az egyrétegű szigetelést a kettős szigeteléssel egyenértékű, megerősített formában kell elkészíteni. Mivel védővezető csatlakoztatására az ilyen lámpatestek esetében nincs szükség, a biztonság független a hálózati csatlakozástól. Az I. érintésvédelmi osztály esetében az alapszigetelésen kívül az ad további biztonságot, hogy a megérinthető fémrészek össze vannak kötve a hálózat védővezetőjével. 164

165 Az alapszigetelés esetleges hibája esetén a védővezető megakadályozza, hogy a megérinthető fémrészek veszélyes feszültségre kerüljenek. A lámpatest fémes szerkezeti részeinek összekötése belső összekötő vezetékekkel történhet, de az egyes részek közvetlenül, akár lemezcsavarokkal is összeköthetők, ha ezeket a csavaros kötéseket a rendeltetésszerű használat során nem kell megbontani és minden kötéshez legalább két csavart használnak. Festett felületek összekötésénél a csavarfejek alá fogazott alátéteket szokásos elhelyezni, amelyek a csavarok meghúzásakor a felületet megkarcolva biztosítják a jó villamos érintkezést. A III. érintésvédelmi osztály esetében a lámpatestet biztonsági szigetelő transzformátorral előállított, érintésvédelmi szempontból veszélytelen, ún. érintésvédelmi törpefeszültséggel (nemzetközi jele: SELV, safety extra-low voltage), általában 12 V-os feszültséggel táplálják és ennél nagyobb feszültség a lámpatest belső áramköreiben sem keletkezik. A transzformátor elhelyezéséről és védelméről ilyenkor külön kell gondoskodni. A III év. osztályú lámpatestek jellegzetes képviselői a halogénlámpás lámpatestek. A III. érintésvédelmi osztályú lámpatestek felső feszültséghatára 50 V. A különböző érintésvédelmi osztályokat a lámpatesten is jelölik. Az I. év. osztály jele a védőcsatlakozó kapocs mellett, a II. és III. év. osztályok jele az adattáblán található. Az alkalmazott műszaki megoldásokat és a hozzájuk tartozó jeleket az 4.18 ábrán mutatjuk be ábra: Érintésvédelmi osztályok A lámpatestek felszerelése A lámpatestek felerősítő szerkezetének kellő mechanikai szilárdságúnak kell lenni. A felerősítő szerkezetet statikailag úgy kell méretezni, hogy viselje el a lámpatest ötszörös súlyának megfelelő terhelést. A hajlékony vezetéken függő lámpatestek tömege nem haladhatja meg az 5 kg-ot, a vezetéket húzás és csavarás ellen tehermentesíteni szerelés oszlopkarra szerelés oszlopcsúcsra kell (pl. szorító bilinccsel). A tehermentesítő szerkezetet úgy ábra: Szabadtéri lámpatest szerelési módjai kell kialakítani, hogy a vezetéket szorító részei szigetelőanyagból készüljenek. A szabadtéri lámpatestek felerősítő szerkezetét úgy kell méretezni, hogy az álljon ellen a 130 km/h erősségű szél torlónyomásának. Előnyős, ha a szabadtéri lámpatestek felerősítő 165

166 szerkezete lehetővé teszi a hajlásszög beállítását is és egyaránt alkalmas a függőleges oszlopcsúcsra vagy a vízszintes oszlopkarra történő felszerelésre (4.19 ábra). A beltéri, álmennyezetbe süllyeszthető lámpatestek különböző álmennyezeti rendszerekhez készülhetnek. A látszóbordás álmennyezethez készült lámpatestek általában külön rögzítő elem nélkül ráhelyezhetők az álmennyezet tartóbordáira. A rejtettbordás vagy gipszkarton álmennyezetekre való szerelésnél az általában a lámpatesthez tartozékként rendelhető, 4.20 ábra szerintihez hasonló rögzítő elemet kell alkalmazni. Az álmennyezeti lámpatestek kiválasztásának fontos szempontja a méretek illeszkedése. A mennyezeti lámpatestek akasztóhoroggal, csőingával, sodronyhuzallal szerelhetők fel. A lámpatestek felerősítésének különleges módját valósították meg az adapterrel ellátott, áramvezető sínre szerelhető típusoknál. Az 1 és 3 fázisú kivitelben gyártott adapterek a mechanikai rögzítés mellett egyidejűleg villamos csatlakozást is létesítenek Energetikai hatékonyság (EEC osztályok) ábra: Lámpatest rögzítése rejtettbordás vagy gipszkarton álmennyezethez A lámpatesteket (és a fényforrásokat) a 874/2012 európai rendelet szerint A, B, C és D energetikai osztályokba sorolják. A legnagyobb fényhasznosítású lámpatestek az A osztályúak, energetikailag a legkedvezőtlenebbek az E osztályúak. Az A osztályon belül A+ és A++ kategóriák is léteznek. Az ismertetett osztályozási rendszer a korábban alkalmazott osztályozást váltja fel, alkalmazása fényforrások esetében szept. 1-jétől, lámpatestek esetében március 1-jétől kezdődően kötelező, természetesen magyar nyelvű feliratokkal (4.21 és 4.22 ábra) ábra: B osztályú fényforrással forgalmazott, B-E osztályú fényforrások üzemeltetésére alkalmas lámpatest energiacímkéje ábra: Nem cserélhető LEDes lámpatest energiacímkéje Biztonsági vizsgálatok A villamos termékek alapvető biztonsági követelményeit EU jogszabályon alapuló miniszteri rendelet írja elő (jelenleg a 79/1997 (XII. 31) IKIM sz. rendelet az egyes villamossági termékek biztonsági követelményeiről és az azoknak való megfelelőség értékeléséről). A törvényes követelmények legegyszerűbben a szabványos kivitellel teljesíthetők. A 166

167 lámpatestekre az MSZ EN szabványsorozat vonatkozik, melynek egyes szabványlapjai a fejezetben vannak felsorolva. A terméken feltüntetett CE betűjelzés annyit jelent, hogy a termék a gyártó szerint megfelel az Európai Unió előírásainak. Ennek feltüntetése 1998 áprilisa óta hazánkban is kötelező (az Európai Unió országaiban ezt a jelölést már hosszabb ideje alkalmazzák). A vizsgálatok részletei tekintetében a lámpatest szabványra, ill. a Világítástechnika II. (KVK-2018) jegyzetre utalunk Lámpatestek kiválasztási szempontjai Egy világítási berendezés specifikálásánál a lámpatestek kiválasztásakor a műszaki szempontokkal egyenértékű az esztétikai szempontok figyelembevétele. A jó világítás egyik alapvető feltétele, hogy a lámpatest külső megjelenésében is illeszkedjen környezetéhez. A felhasználási terület figyelembevételével határozhatjuk meg a szükséges IP védettséget, érintésvédelmi osztályt, vagy a működési hőmérsékletet. A lámpatestek fényeloszlásának jellege szerinti kiválasztás a fénytechnikai tervezés során történik. A nagyobb gyártók rendelkeznek olyan tervezőprogramokkal, amelyekkel néhány próbálkozás után meghatározhatjuk az adott megvilágításhoz szükséges lámpatest típust és darabszámot. A jelentősebb gyártók különösen a belsőtéri lámpatesteket különböző optikai elemekkel kínálják. A leggyakoribb változatok a rácsos és az opál vagy prizmás burás lámpatestek. A rács festett vaslemezből, műanyagból vagy fényesre, illetve mattra eloxált alumíniumlemezből készülhet. A rácsos lámpatestek fénytechnikai jellemzői viszonylag kis mértékben térnek csak el egymástól. Legolcsóbbak, de a legigénytelenebbek is a fehérre festett rácsos típusok. A matt vagy fényes rács közötti különbség inkább esztétikai, mint fénytechnikai. A burás lámpatestek használata a burák piszkolódása, öregedése és az ezzel járó hatásfok csökkenés miatt lehetőleg kerülendő. Burás lámpatestet akkor célszerű csak alkalmazni, ha a bura használatát a por vagy nedvesség behatolása elleni védelem indokolja, vagy ha a lámpatest elhelyezéséből adódóan nem lehet elkerülni a fényforrásra való közvetlen rálátást. A kompakt fénycsöveket leggyakrabban mélysugárzó lámpatestekben (downlight) alkalmazzák. Felépítési módjuk szerint ezek vízszintes vagy függőleges helyzetű fényforrások működtetésére alkalmasak. Az előbbiek előnye a kis beépítési magasság, az utóbbiaké a kedvezőbb fényeloszlás és a jobb hatásfok. Dekoratív világításoknál szokásos a kompakt fénycsöves mélysugárzókat díszkerettel vagy előtétüveggel is ellátni. A könnyű szerelhetőséget és karbantarthatóságot szintén célszerű figyelembe venni a lámpatestek kiválasztásánál. Nagy csarnokok világításánál az úgynevezett gyorsszerelésű típusokat érdemes alkalmazni. Ezek egy átmenő huzalozást is tartalmazó szerelősínre szerelhetők fel és tetszőleges hosszúságú fénysáv alakítható ki belőlük. Érdemes ügyelni az alkatrészek, különösen a foglalatok csereszabatosságára, hiszen ha egy különleges konstrukciójú foglalattal szerelt lámpatestben nincs módunk az egyébként olcsó alkatrész cseréjére, a teljes lámpatestet kell kicserélnünk. 167

168 A lámpatestekre vonatkozó fontosabb európai szabványok MSZ EN 40 Lámpaoszlopok MSZ EN Eljárás lámpa-előtét kapcsolások összteljesítményének mérésére MSZ EN Lámpafejek és lámpafoglalatok, valamint a csereszabatosságot és a biztonságot ellenőrző idomszerek MSZ EN Fénycsőgyújtók MSZ EN Edison-menetes lámpafoglalatok MSZ EN Készülékcsatlakozók háztartási és hasonló célokra MSZ EN A lámpafejek melegedésének szabványos mérési módszere MSZ EN Fénycső- és gyújtófoglalatok MSZ EN A burkolatok által nyújtott védettségi fokozatok (IP kódok) MSZ EN Sínrendszerek lámpatestek villamos táplálására MSZ EN Lámpatestek. Általános követelmények és vizsgálatok MSZ EN Általános célú helyhezkötött lámpatestek MSZ EN Süllyesztett lámpatestek MSZ EN Közvilágítási lámpatestek MSZ EN Általános célú hordozható lámpatestek MSZ EN Fényvetők MSZ EN Izzólámpás lámpatestek beépített transzformátorral MSZ EN Hordozható, kerti lámpatestek MSZ EN Kézilámpák MSZ EN Fényképészeti és filmtechnikai lámpatestek MSZ EN Hordozható lámpatestek gyermekeknek MSZ EN Lámpatestek akváriumokhoz MSZ EN Hálózati csatlakozóaljzatba helyezhető éjszakai lámpák MSZ EN Földbe süllyesztett lámpatestek MSZ EN Hidegkatódos, cső alakú kisülőlámpák (neoncsövek) és hasonlókészülékek lámpatestjei MSZ EN A színpadvilágítás, tv- film- és fényképészeti stúdiók lámpatestjei MSZ EN Úszómedencék lámpatestjei MSZ EN Szellőztetett lámpatestek (klímaberendezéshez kapcsolódó lámpatestek) MSZ EN Díszvilágítási füzérek MSZ EN Tartalékvilágítási lámpatestek MSZ EN Törpefeszültségű izzólámpás világítási rendszerek MSZ EN Korlátozott felületi hőmérsékletű lámpatestek MSZ EN Kórházak és egészségügyi létesítmények klinikai területeinhasznált lámpatestek MSZ EN Szigetelő transzformátorok MSZ EN Lámpaműködtető eszközök. Általános követelmények és vizsgálatok MSZ EN Gyújtókészülékek (a parázsfénygyújtók kivételével) MSZ EN Egyen- vagy váltakozó árammal táplált feszültségcsökkentő konverterek MSZ EN Váltakozó árammal táplált elektronikus fénycsőelőtétek MSZ EN Általános világításhoz használt, egyenárammal táplált elektronikus előtétek 168

169 MSZ EN Tömegközlekedési eszközök világításához használt, egyenárammal táplált elektronikus előtétek MSZ EN Légi járművek világításához használt, egyenárammal táplált elektronikus előtétek MSZ EN Tartalékvilágításhoz használt, egyenárammal táplált elektronikus előtétek MSZ EN Fénycsőelőtétek MSZ EN A kisülőlámpák előtétjei (a fénycsőelőtétek kivételével) MSZ EN Nagyfrekvenciás működésű, hidegen gyújtó, cső alakú kisülőlámpák (neoncsövek) elektronikus inverterei és konverterei MSZ EN Lámpatestek különféle elektronikus áramkörei MSZ EN Kisülőlámpák váltakozó vagy egyenárammal táplált elektronikus előtétjei (a fénycsőelőtétek kivételével) MSZ EN LED-modulok egyenárammal vagy váltakozó árammal táplált elektronikus működtetőeszközei MSZ EN Villamos gyártmányok burkolatai által nyújtott védettségi fokozatok külső mechanikai hatások ellen (IK-kód) 169

170 5. Fényforrások szabályozhatósága, elektronikus üzemeltető készülékek 5.1 Fényáram-szabályozás szükségessége A fényforrások fényáram-szabályozásának igénye régóta jelen van a világítástechnikában. Fényáramszabályozásra több okból lehet szükség. Napjainkban az energiatakarékosság, az energiával való tudatos bánás alapvető követelmény, ami az Európai unió irányelvében is testet ölt. Ez kimondja, hogy 2020-ig a CO2 kibocsátást 20 %- kal kell csökkenteni, a megújuló energiaforrásoknak el kell érniük a 20 %-os részarányt az energiatermelésben és az energiahatékonyságot 20 %-kal kell növelni. Az épületek energiahatékonyságának növelésének elérésben a fényáram-szabályozásnak is fontos szerep jut elsősorban ipari- és közintézmények épületeiben, valamint irodaházakban. A fényáram-szabályozásra a megnövekedett komfortigények kiszolgálása érdekében is szükség van. Így a fényáram-szabályozásnak fontos szerep jut belső terekben az egyes emberi tevékenységekhez illesztett hangulatvilágítások kialakításában, például előadó- és prezentációs termekben valamint a lakóterekben. A fényáram-szabályozás továbbá elengedhetetlen kellék speciálisan megvilágított terekben, például televízió stúdiókban, színházban, operaházban, mozikban. A fényáram-szabályozás a LED technikában is egyre fontosabb szerepet kap a színes világítások kialakításában, és az RGB színszabályozás alapeleme is. A fentiek miatt a fényáram-szabályozás, valamint az ehhez szükséges elektronikus működtető berendezések és digitális busztechnikán alapuló vezérlő- és szabályozó rendszerek jelentősége napjainkban folyamatosan növekszik és egyre inkább részévé válik a világítástechnikai alkalmazásoknak. A különböző fényforrások fényáram-szabályozásának módja jelentősen eltér egymástól, ezért az egyes fényforrások fényáram-szabályozásának lehetőségeit külön-külön kell tárgyalni. A korábbi évtizedekben elsősorban a fényforrásra jutó tápfeszültség csökkentésével értek el fényáramcsökkenést. Ezt az egyszerű módszert még napjainkban is előszeretettel alkalmazzák a közvilágítási hálózatban elsősorban energiatakarékossági okokból. Azonban ez nem tekinthető innovatív megoldásnak és több fényforrástípus esetében csak nagyon kis feszültség-sávban alkalmazható. A jövő mindenképpen az elektronikus működtető elemek és digitális vezérlő és szabályozó rendszerek alkalmazása felé mutat, ahol az elektronikus működtető berendezések minden csökkentett fényáram kibocsátás mellett igyekszenek optimális munkapontban tartani a fényforrás jellemzőit, biztosítva ezzel a fényforrás garantált élettartamát szabályozott üzemben is. A fényáram-szabályozás alatt a fényforrások fényáramának és ezzel együtt a felvett teljesítményének csökkentését értjük illetve azt, hogy az adott igényeknek megfelelően a fényforrást a névleges fényárama alatti sávban üzemeltetjük tartósan, egy vagy több előre kiválasztott 100 %-nál kisebb fényáram-értéken, illetve folyamatosan változtatva a fényforrás fényáramát az igényeknek megfelelően. A fényáram csökkentését a mindennapi szóhasználatban a nemzetközi gyakorlatot követve a dimmelés kifejezés terjedt el. 5.2 Izzólámpa szabályozhatósága, elvi megfontolások Az izzólámpában a fényt villamos árammal hevített izzószál bocsátja ki. Működése a hőmérsékleti sugárzáson és a villamos áram hőhatásán alapul. Az izzólámpák két fő csoportját a hagyományos és a halogén izzólámpák alkotják. A második csoportot tovább bonthatjuk az üzemeltetési feszültség szerint 230 V-os ill. törpefeszültségű, rendszerint 12 V-os halogén izzólámpákra. Mielőtt a különböző típusú izzólámpák szabályozásához használt elvekkel és készülékekkel megismerkednénk célszerű áttekinteni azt, hogy az izzószálas fényforrások esetében az egyes villamos és fénytechnikai jellemzők hogyan függenek egymástól. 170

171 A szabályozhatóság szempontjából egymással összefüggő fizikai mennyiségek a következők: fényáram fényhasznosítás színhőmérséklet villamos feszültség villamos áramerősség villamos teljesítményfelvétel A hagyományos izzólámpák esetében ehhez jön még az élettartam, hiszen a hagyományos izzólámpa esetében csak a volfrám izzószál fizikailag jól mérhető párolgási sebessége határozza meg az élettartamot. Ezzel szemben a halogén izzólámpák esetében az élettartamot a volfrám körfolyamat jelentősen befolyásolja, ezért az élettartamra vonatkozó matematikai összefüggések csak a fényforrás névleges üzemi pontja környezetében definiálhatók. A továbbiakban a törpefeszültségű halogénizzókra vonatkozó értékeket közöljük, azzal a megjegyzéssel, hogy ahol ezt külön nem emeljük ki, a hagyományos izzólámpákra az összefüggések hasonlóan alakulnak. Az 5.1. ábrán a törpefeszültségű izzólámpák legfontosabb paramétereinek függése látható az üzemi feszültség függvényében. %-os érték Színhőmérséklet Villamos áramerősség Teljesítmény Fényáram Üzemi feszültség %-os értéke a.) 171

172 1000 %-os érték Várható élettartam szórása Üzemi feszültség %-os értéke b.) 5.1. ábra: a.) Törpefeszültségű halogén izzólámpák legfontosabb paramétereinek függése az üzemi feszültségtől, b.) Hagyományos izzólámpa élettartamának függése az üzemi feszültségtől Ökölszabályként a következő számszerű értékek olvashatók ki a grafikonokból. ±5 %-os feszültségváltozás a következőképpen hat az egyes paraméterekre: fele akkora vagy dupla élettartam 15 %-os fényáramváltozás 8 %-os teljesítményváltozás 3 %-os villamos áramerősség-változás 2 %-os színhőmérsékletváltozás Az élettartamra vonatkozó összefüggést azzal kell kiegészíteni, hogy fényforrástípustól függően adott esetben a feszültségemelkedés csak bizonyos mértékig megengedett, mert a volfrámszál eléri az olvadáspontját és a fényforrás kiég. A továbbiakban vizsgáljuk meg az izzólámpa fényáramának és felvett teljesítményének csökkentésével (dimmelésével) kapcsolatos kérdéseket. A hagyományos izzólámpák esetében a dimmelés során lecsökkentett lámpateljesítménynél az izzószál hőmérséklete is csökken, és az izzószál anyaga lassabban párolog el. Ezáltal nő az izzószál élettartama és az üvegbúra feketedésének sebessége is lelassul. A folyamat hátránya, hogy az izzószál kisebb hőmérsékleténél a fényforrás színhőmérséklete is kisebb lesz. Mivel az izzószál anyaga a hőmérsékleti sugárzó spektrális eloszlására a látható fény tartományában gyakorlatilag nincs hatással, ezért a fényforrás színhőmérséklete és a volfrámszál hőmérséklete között kicsi az eltérés. A 5-1. táblázat az izzószál hőmérséklete és a színhőmérséklet közötti kapcsolatot mutatja Táblázat: Izzószál hőmérséklete és a fényforrás színhőmérséklete közötti kapcsolat Izzószál hőmérséklete Izzószál hőmérséklete 172 Színhőmérséklet Színhőmérséklet

173 [K] [K] [K] [K] A dimmelés során a kisebb színhőmérséklet kisebb fényhasznosítást jelent. Erőteljesen ledimmelt állapotban a fényforrás villamos teljesítményt vesz fel, de már fényt nem ad le, csak hőt. A kisugárzott teljesítmény teljes egészében a nem látható tartományba esik. Halogénlámpák esetében a dimmelés során a viszonyok a kémiai körfolyamat miatt bonyolultabbak és kevésbé egyértelműek. Ahhoz, hogy az elpárolgott volfrám anyag újra kiváljon az izzószálon, minimális izzószál-hőmérsékletre van szükség. Az izzószál-hőmérséklet természetesen a fényforrás teljesítményfelvételétől függ. Ha ez utóbbi csökken, csökken az izzószál hőmérséklete is. Volframszál párolgása [%] Lámpateljesítmény [%] Halogén-volfram körfolyamat 5.2. ábra: Törpefeszültségű halogén-izzólámpák dimmelés-állósága A korábbi halogénlámpák esetében előfordulhatott, hogy csökkentett teljesítményfelvételkor (erőteljesen ledimmelt állapot) a körfolyamat megszakadt és a fényforrás üvegburája feketedett. A modern halogénlámpák esetében a gyártóknak sikerült a körfolyamatot úgy vezérelni, hogy dimmelés során nem jön létre a burán feketedés. Mint ahogy az az 5.2. ábrán is látható, a körfolyamatot sikerül fenntartani egészen olyan alacsony izzószál-hőmérsékletig, amikor a volfrám szál párolgása már jelentéktelenné válik a burafeketedés szempontjából. A modern halogénlámpák legalábbis a fotooptikai alkalmazásokhoz gyártottak dimmelésállóak. Ez azt jelenti, hogy bármilyen dimmelési üzemállapotban történő használat esetén is eléri a fényforrás a névleges élettartamot. Ebben az esetben a hagyományos izzólámpákkal szemben, ahol ledimmelt állapotban az élettartam jelentősen megnő, itt csak a névleges élettartam megtartásáról lehet beszélni. Az élettartam exponenciális függése az üzemi feszültségtől, amely hagyományos izzólámpák esetében korlátozás nélkül, halogénlámpák esetében 173

174 csak a névleges üzemi pont közvetlen közelében (max %-os eltérés) érvényes. A burafeketedésen kívül a dimmelt halogénlámpák volfrámszálának öregedése is korlátozza azok élettartamát. Ledimmelt állapotban a volfrám izzószál egyes részein hidegebb pontok alakulnak ki, ahol a halogén körfolyamat nem megfelelően működik és ezeken a helyeken a volfrámszál elvékonyodik. A gyártók igyekeznek a halogén körfolyamatot úgy szabályozni, hogy a fényforrás minden dimmelési üzemállapotban tartani tudja névleges élettartamát. Általában a fényforrásokat azért dimmeljük le, hogy azok fényáramát csökkentsük. Az 5.3. ábra a fényforrásra kapcsolt feszültség függvényében mutatja a fényáram csökkenésének mértékét, míg az 5.4. ábra a fényforrás által felvett teljesítmény és a leadott fényáram kapcsolatát mutatja. Fényáram [%] fényáram Fényforrás feszültsége [%] 5.3. ábra: Halogénlámpák fényáramának függése a feszültségtől a dimmelés során Mivel a dimmelés során az izzószál hőmérséklete változik, a kibocsátott fény színhőmérséklete is megváltozik. Ezt az olyan alkalmazások esetében kell figyelembe venni, ahol lehetőleg állandó színhőmérsékletű világításra van szükség. (pl. fényképezés illetve videófelvételek készítése). Az 5.5. árba a színhőmérséklet változását mutatja a fényáram függvényében. Általános ökölszabályként használható, hogy ha a fényáram a felére csökken a színhőmérséklet 250 K-nel fog csökkenni. 174

175 Fényáram [%] Élettartam Lámpateljesítmény [%] 5.4. ábra: Halogénlámpák fényáramának függése a fényforrás által felvett teljesítménytől a dimmelése során 3400 Színhőmérséklet [K] , Fényáram [%] 5.5. ábra: Halogénlámpák színhőmérsékletének és fényáramának kapcsolata Ha csökkentjük a fényáramot a színhőmérséklet csökkenését közvetlenül is észlelhetjük. A fényáramcsökkenés a színhőmérséklet csökkenésén keresztül csökkenti a fényforrás fényhasznosítását is, hiszen a kibocsátott fény színhőmérséklete és a fényhasznosítás között közvetlen összefüggés van (5.6. ábra). 175

176 Színhõmérséklet [K] Fényhasznosítás [lm/w] 5.6. ábra: A színhőmérséklet és a fényhasznosítás közötti összefüggés törpefeszültségű halogénizzók esetében Ezt az összefüggést a fényforrásgyártók jól ismerik, hiszen nagyobb fényhasznosítású izzólámpát csak nagyobb színhőmérsékletű fényforrással lehet létrehozni. (hagyományos izzólámpa kb. 14 lm/w, 230 V-os halogénlámpa kb. 22 lm/w, törpefeszültségű halogénlámpa lm/w) 5.3 Izzólámpa bekapcsolásakor fellépő jelenségek Hideg állapotban bekapcsolás előtt az izzószál ellenállása 20-szor kisebb, mint üzemi hőmérsékleten. Ennek megfelelően a bekapcsolás pillanatában igen nagy áram folyik a fényforráson keresztül, feltéve hogy a mögötte lévő hálózat ezt az áramot biztosítani tudja. A gyakorlatban bekapcsoláskor a névleges üzemi áram szeresével lehet számolni. Ahogy az izzószál melegszik a bekapcsolás után, olyan ütemben nő annak ellenállása és csökken a bekapcsolási áram. Az áramlökés a csúcsértéket néhány milliszekundum alatt eléri és fényforrástól függően a bekapcsolási áramlökés kb. 0,1-0,5 s alatt lecseng. Ekkor azonban a fényforrás még nem érte el az állandósult üzemi tulajdonságait. A fényforrás által felvett áram a kezdeti áramlökéshez képest még hosszú ideig a névleges áram felett marad, hiszen a fényforrás teljes ellenállásához az izzószálon kívül a fényforráson belüli áram-hozzávezetések is hozzájárulnak. Amíg ezek a hozzávezetések el nem érik üzemi hőmérsékletüket, addig ezek ellenállása változik. Ez a felmelegedési fázis fényforrásfüggő és kb. 1 perc nagyságrendjébe esik. A bekapcsolási áramlökés és a fényforrás azt követő termikus felfutása a fényáramra is hatással van. Ennek eredményeként a fényáram a bekapcsolást követően igen gyorsan a névleges érték fölé növekszik, majd viszonylag lassan, exponenciálisan csökkenve éri el a tartós üzemi, névleges értéket (5.7. ábra). 176

177 fényforrás áramfelvétele R izzószál I n 0,3 s idő R hozzávezetések fényáram Φ n 5.7. ábra: Bekapcsolási áramlökés és fényáram alakulása a bekapcsolást követően idő Az előbbiekből látható, hogy a bekapcsolás az izzószálas fényforrások élettartamára kedvezőtlen hatással van. A bekapcsolási gyakoriság és az élettartam-csökkenés között határozott összefüggés állítható fel. A bekapcsolási áramlökés és annak káros következményeit a fényforrásgyártóknak is figyelembe kell venniük: a bekapcsolási tranziens során a volfrám izzószál hőmérséklete nem érheti el a volfrám olvadási hőmérsékletét. A bekapcsolási áramlökés nemcsak a fényforrásra van kedvezőtlen hatással, hanem a fényforrás áramát kapcsoló készülék érintkezőire is. Ezt, különösen az intelligens épületfelügyeleti rendszerekben alkalmazott un. bináris kimenetek vagy kapcsolóaktorok kiválasztásánál mindenképpen figyelembe kell venni. Szélsőséges esetben a bekapcsolási tranziens során fellépő áramlökés az érintkezők összehegedését is okozhatja. A bekapcsolási áramlökés kedvezőtlen hatásai un. lágy indítással küszöbölhetők ki. Az elektronikus transzformátorok lágy indítással, azaz késleltetve kapcsolnak be. Az épületfelügyeleti rendszerekben alkalmazott, buszról vezérelt dimmerek nagy része is alkalmas arra, hogy a fényforrás áramát a bekapcsolási parancsot követően lassan szabályozza fel a névleges értékre. Ha a bekapcsolási fázis ideje a másodperc nagyságrendjébe esik, akkor ezzel kellemes szcenikai hatás is elérhető, hiszen a fényforrás fényáramának maximumát csak lassan, 2-3 másodperc alatt éri el. 5.4 Elektronikus transzformátorok 12 V-os halogén izzókhoz Felépítés, működési elv A 12 V-os halogén izzólámpákat régebben hagyományos vasmagos transzformátorral üzemeltették. Napjainkban a vasmagos transzformátor már kiszorultak a piacról és az elektronikus transzformátorok, gyakran csak TRONIC transzformátornak nevezett előtétek használatosak, amelyek a hagyományos, vasmagos transzformátorokkal szemben számtalan előnnyel rendelkeznek: zajszegény üzem (a transzformátor vasmagjának zúgása elmarad) elektronikus rövidzárvédelem (nincs szükség olvadóbiztosítóra és annak kiégésekor cseréjére) 177

178 a rövidzár megszűnése után automatikus újraindulás túlterhelésvédelem, automatikus teljesítmény-leszabályozás lágy indítás, amely kíméli a fényforrást üresjárás elleni védelem nagy hatásfok kedvező súly és kis térfogat egyes készülékei 230 V-os egyenáramú táplálásra is alkalmasak (akkumlátoros szükségellátás) Könnyű és kis térfogatú transzformátor építéséhez az alábbi fizikai elvet kell figyelembe venni. A tekercselt transzformátor szükséges térfogata (V) fordítottan arányos az üzemi frekvenciával (f) V 1/f Nagyfrekvenciás feszültség esetében az ugyanolyan teljesítményű transzformátor térfogata így tehát jóval kisebb lehet. Ehhez az 50 Hz-es hálózati feszültséget a feszültségszint transzformálása előtt periodikusan nagyfrekvenciával fel kell darabolni. Technikailag ez elektronikus kapcsolókkal tranzisztorokkal történik. Az 5.8. ábrán az elektronikus transzformátorok működési elve és a feszültség jelalakjának változása látható ábra: Elektronikus transzformátorok elvi felépítése Az elektronikus transzformátorok működése a következő. Az 50 Hz-es hálózati feszültséget a készülék először egyenirányítja, majd az egyenirányított feszültséget elektronikus kapcsolóval 40 khz-es ritmusban megszakítja. A tranzisztorok vezérlésénél a be és kikapcsolási időt egyformára választjuk. Így az átalakító után nagyfrekvenciás 230 V-os feszültséget kapunk, amelyet a nagyfrekvenciás transzformátor segítségével a megfelelő feszültségszintre transzformálunk. A törpefeszültségű halogénlámpák mind váltakozó, mind egyenfeszültségről üzemeltethetők. A TRONIC transzformátorok váltakozó, khz-es 11,7 11,9 V effektív értékű feszültséget állítanak elő. 178

179 5.5 Fázishasításos dimmerek INNOVATÍV VILÁGÍTÁS Az izzószálas fényforrás fényárama legegyszerűbben a villamos áramkörbe sorosan iktatott ellenállás folyamatos növelésével változtatható meg. Mivel ez a szabályozási mód veszteséges, az ellenálláson I 2 R teljesítmény disszipálódik, ezért ez a szabályozási eljárás nem terjedt el. A gyakorlatban a fázishasításos dimmereket alkalmazzák. A fényforrás fényerejét szabályozó fázishasításos dimmer felépítését alapvetően a fényforrás előtét kombináció ohmos, induktív vagy kapacitív viselkedése határozza meg. Szabályozhatósági szempontból a normál izzót ohmos terhelésnek lehet tekinteni. A 230 V-os halogén izzó szintén ohmos terhelésnek tekinthető, azonban a nagyobb bekapcsolási áramlökések és kisebb ellenállás következtében a kifejezetten izzólámpához gyártott dimmerek általában nem alkalmasak 230 V-os halogén izzók dimmeléséhez. A hagyományos transzformátorral működtetett törpefeszültségű hálózatokhoz használható dimmerek és a fénycső dimmerek induktív jellegű hálózat dimmelésére alkalmasak. A különbség köztük csak a dimmelt oldali induktivitások eltérése miatti különböző hangolásban van. A TRONIC dimmerek a hálózati szempontból kissé kapacitív terhelésnek minősülő elektronikus 12 V-os TRONIC transzformátorok dimmelésére alkalmasak. Az izzólámpa-, a fénycsődimmerek és a vasmagos transzformátorral táplált 12 V-os hálózatok dimmerei gyújtásszög vezérlésű fázishasításos dimmelési eljárást alkalmaznak. Ezzel ellentétben a TRONIC dimmerek oltásszögvezérlést használnak. A hagyományos izzólámpák piacról történő kivonása miatt napjainkban már csak univerzális dimmereket gyártanak, amelyek belső áramköre olyan felépítésű, hogy fel tudja ismerni a dimmelt hálózat ohmos, induktív és kapacitív jellegét és automatikusan ki tudják választani a megfelelő fázishasítási eljárást. 179

180 180

181 5.9. ábra: A: színuszos feszültség-idő görbe, B: gyújtásszög vezérlés, C: oltásszög vezérlés Gyújtásszög- és az oltásszög-vezérlés elve Gyújtásszög-vezérlés esetében a dimmer a feszültség nullátmenetét követően kikapcsolt állapotban marad és így megakadályozza, hogy a fényforráson áram folyjék keresztül. A dimmer a feszültséghullám növekvő szakaszában csak egy későbbi időpillanatban kapcsol be. Az eljárás jellegzetessége, hogy a bekapcsolás pillanatában a fogyasztóra hirtelen kapcsoljuk rá a feszültséget. A késleltetési időt a felhasználó állítja be. A dimmerben lévő kapcsoló egy elektronikus elem, un. Triak. A Triak működésére jellemző, hogy a gyújtást követően bekapcsolt állapotban marad, amíg a Triakon átfolyó áram az un. tartóáram értéke felett van. A feszültség nullátmenetekor a Triak lezár, és a folyamat kezdődik elölről. A gyújtás tehát a színuszos feszültség nullátmenetét követően késleltetve következik be. A gyújtásidő növelésével a fényforrásra jutó feszültség effektív értéke csökken, ezáltal a fényforrás fényárama fokozatmentesen szabályozható. Ez az eljárás ohmos-induktív fogyasztók szabályozására alkalmas. Induktív fogyasztók használatakor, mint pl. hagyományos transzformátorról működtetett 12 V-os hálózatok és fűtő-transzfromátorral üzemeltetett fénycsövek esetében, a kikapcsolás pillanatában az induktivitás miatt kapcsolási eredetű túlfeszültség keletkezik. Gyújtásszögvezérlés alkalmazásakor a kikapcsolás a feszültség nullátmenetekor következik be, ezért az imént említett kapcsolási túlfeszültség problémája nem jelentkezik. Oltásszög-vezérlés alkalmazásakor a színuszos feszültség nullátmenetét követően a dimmer azonnal bekapcsol, tehát a fényforráson szabadon folyhat az áram. A dimmer a felhasználó által beállított késleltetési idő után kapcsol ki. Az eljárás kapacitív jellegű fogyasztók bekapcsolására alkalmas. Kapacitív fogyasztó bekapcsolásakor nagy áramlökés alakul ki. Az oltásszög-vezérelt dimmerek ezt a bekapcsolási áramlökést kerülik el a feszültség nullátmenetét követő azonnali bekapcsolással. Így a feszültség folyamatosan, ugrás nélkül növekszik, ezáltal a bekapcsolási áramtranziens elmarad. A hagyományos izzólámpa ohmos fogyasztónak tekinthető, ezért mindkét dimmelési eljárással dimmelhető. Azonban különböző okok miatt mégis célszerű oltásszög-vezérelt dimmert választani. Az izzólámpa élettartamának végén előfordulhat, hogy a bekapcsolás pillanatában az izzószál elszakad, és a kialakuló villamos ív lecsökkent ellenállása miatt nagy bekapcsolási áram alakul ki. Ez a nagy áramlökés kioldja a gyújtásszög-vezérelt dimmerben lévő olvadóbiztosítót, így azt ki kell cserélni. Az oltásszög-vezérelt dimmerek integrált elektronikus rövidzárvédelemmel rendelkeznek és így karbantartásmentesek. Továbbá a gyújtásszög-vezérelt dimmerek zavarvédő fojtótekerccsel rendelkeznek a kapcsolás bemeneti oldalán, amelyek feladata a Triak bekapcsolásakor kialakuló feszültségtüskék kiszűrése. A gyújtásszög-vezérelt dimmert a fojtó gyenge zúgásáról lehet észrevenni. Kedvezőtlen beépítési körülmények között rezonancia révén ez a zúgás fel is erősödhet. Az oltásszögvezérelt dimmerek esetében a működéi elvből következő lágy bekapcsolás miatt ilyen fojtótekercs beépítésére nincs szükség. 5.6 Fénycső szabályozhatósága A fénycsöves világítás irodaépületekben, közintézményekben, közigazgatási épületekben, szerelőcsarnokokban, raktárakban széleskörűen alkalmazott általános világítási mód. Nem véletlen, hiszen lumen/w fényhasznosításával az egyik leggazdaságosabb világítási mód. A fénycső működése a kisnyomású gázkisülés elvén alapul. A kisülőcső két végén lévő elektród felhevítésével elektronokat juttatunk a kisülőcsőben lévő higanygőzt tartalmazó gázba. Az elektródokra kapcsolt megfelelő gyújtófeszültség hatására önfenntartó gázkisülés indul meg. A gázkisülés csatornájában az egyre melegebb plazma (villamos ívcsatorna) és az egyre több keletkező töltéshordozó révén nő a villamos áram, és ezzel a kisülőcsatornára jutó feszültség csökken (negatív ívkarakterisztika). A kisülés során a gerjesztett állapotba hozott higanyatomok rövidhullámú ultraviola sugárzást bocsátanak ki, amelyet a fénycső falára felvitt fénypor alakít át látható fénnyé. A fénycső 181

182 begyújtásához tehát megfelelő nagyságú feszültségimpulzusra van szükség, amelynek értéke néhány száz volt. A gázkisülés kialakulása után mint ismeretes szükség van a gázkisülés áramának külső áramköri elemmel történő korlátozására. Korábban ezeket a feladatokat glimm-gyújtó és vasmagos induktivitás látta el. Az induktivitás miatt a kialakuló hálózati áram teljesítménytényezője, cosϕ = 0,4-0,6. Ezért általában helyi kompenzálásra van szükség, amelyet a lámpatestbe szerelten, párhuzamosan vagy sorosan kötött kondenzátorral oldanak meg. Ritkábban használnak csoportos vagy központi fázisjavító berendezéseket is. A fent ismertetett hagyományos előtétek (németül: KVG=Konventionelles Vorschaltgerät) általában vasmagos tekercsek, melyekben réz- ill. vasveszteség keletkezik. A vasmag lemezei a magnetostrikciós hatás miatt rezegnek, ami kellemetlen zúgáshoz vezet. Gyártanak kis veszteségű előtéteket is (németül: VVG=Verlustarmes Vorschaltgerät), amelyek réz és vasvesztesége a hagyományos előtétnél (KVG) kisebb. Napjainkban azonban egyre terjed az elektronikus előtétek alkalmazása (németül: EVG=Elektronisches Vorschaltgerät), amelyek nem dimmelhető, illetve dimmelhető kivitelben készülnek. Ezek az előtétek egy egységen belül megoldanak minden, a fénycső üzemeltetésével kapcsolatos feladatot, így más külső egységre nincs szükség. Az Európai Unióban a hagyományos (KVG) előtéteket lépcsőzetesen kivonták a forgalomból. Az erre vonatkozó előírások bevezetésének ütemezését mutatja az ábra. A 1 Dimmelhető EVG-k A 2 Kisveszteségű EVG-k A 3 Hagyományos EVG-k B 1 Kisveszteségű VVG-k B 2 C VVG-k Standard KVG-k II.lépcső ( tól) Tiltott a C osztályú KVG D Nagyveszteségű KVG-k Forrás: ZVEI Zentralverband Elektrotechnik und Elekronikindustrie, 2001 február I.lépcső ( tól) Tiltott a D osztályú KVG ábra: A hagyományos KVG előtétek kereskedelmi forgalomból történő kivonására vonatkozó előírások bevezetésének ütemezése Az elektronikus előtétek tulajdonságai Az elektronikus előtétek egy sor, az energiatakarékosságot és a fénykomfortot érintő tulajdonsággal rendelkeznek: széles hálózati feszültségtartományban üzemeltethetők: 220V-10%-tól 240V+6%-ig 50Hz/60Hz hálózati frekvencián, de egyenárammal is üzemeltethetők a fénycső teljesítménye és fényárama széles feszültségtartományban állandó, azaz független a feszültségtől 182

183 Teljesítményfelvétel [%] KVG duo kapcsolásban EVG: Quicktronic Instant Start Quicktronic Professional Quicktronic Short Hálózati feszültség [V] ábra: Az elektronikus előtétek teljesítményfelvételének függése a hálózati feszültségtől azonos teljesítményfelvétel egyen- és váltakozóáramú táplálásnál nagyfrekvenciás üzem esetén a fényhasznosítás nő, azaz a fénycső nagyobb hatásfokkal alakítja át a villamos energiát fénnyé. Ezek következményei: csökken a fénycső teljesítményfelvétele nő a fénykomfort: elmarad a fénycső zavaró villogása és zúgása Az előtét vesztesége igen kicsi ábra: Fénycső fényhasznosítása a frekvencia függvényében 183

184 Hibás fénycső esetén az előtét lekapcsolja a lámpát a hálózatról (a fénycsőelektródok fölösleges előmelegítése és a foglalat melegedése elmarad Rövidzár esetén az előtét leválasztja magát a hálózatról Hosszú élettartamú előtét A fénycső élettartama üzemóráról üzemórára nő EVG: Quicktronic Professional KVG/VVG ábra: Fénycső élettartam-görbéje hagyományos és elektronikus előtéttel üzemeltetve Gazdaságossági kérdések Elektronikus előtétek alkalmazásával akár 30 %-os energiamegtakarítás is elérhető a hagyományos előtétekhez képest. Két tényező járul ehhez a megtakarításhoz. A khz-es üzemi frekvencia következtében a fénycső nagyobb fénykihasználással üzemel, így azonos megvilágításhoz kisebb villamos teljesítmény tartozik. Egy 58 W-os fénycső nagyfrekvenciás üzem esetén csak 50 W-ot vesz fel. Másrészt az előtét elektronikájának veszteségi teljesítménye igen kicsi. Egy 1x58 W-os EVG vesztegése csak 4,5 W, 65 %-kal kevesebb, mint egy hagyományos előtété (13 W) és 44 %-kal kisebb mint egy kisveszteségű hagyományos előtété (8 W) Táblázat: Különböző előtéttel üzemeltetett 58 W-os fénycső üzemi adatainak és tulajdonságainak összehasonlítása Adat, tulajdonság KVG VVG EVG Fényforrás teljesítménye 58 W 58 W 50 W Előtét vesztesége 13 W 8 W 4,5 W Hálózatból felvett teljesítmény 71 W 66 W 54,5 W Fényforrás élettartama 100 % 100 % 150 % Fényhasznosítás 73 lm/w 79 lm/w 91 lm/w Hálózati feszültség hatása a jelentős jelentős csekély 184

185 teljesítmény és fényáram változására Üzemeltetés egyenfeszültségű nem nem lehetséges hálózatról lehetséges lehetséges Lekapcsolás lámpahiba esetén nem nem igen Villogásmentes gyújtás nem nem igen Vibrálásmentes fény nem nem igen Stroboszkóp hatás van van nincs A fénycső nagyobb élettartama következtében a karbantartás és a csere költsége is jelentősen csökken. Az elektronikus előtétek alkalmazásával még nem merítettünk ki minden lehetőséget az energiatakarékosság terén. Ha egy régi fénycsöves lámpatest villamos fogyasztását 100 %-nak vesszük, akkor első lépcsőben modern tükörraszteres lámpatestek alkalmazásával és számítógépes tervezéssel megválasztott lámpatest-számmal a villamos fogyasztás 70 %-ra csökkenthető. A második lépcsőben elektronikus előtétek felhasználásával az eredeti fogyasztás tovább csökkenthető 50 %-ra. Az új un. T5 típusú fénycsövek alkalmazásával és az elektronikus előtéteknél az un. Cut off technológia (az elektródok tartós előfűtésének lekapcsolása) alkalmazásával további 10 %-os energiamegtakarítás érhető el. A 4. lépcsőben pedig, amiről eddig még nem volt szó, a természetes fény bevonásával, azaz a természetes megvilágítástól függő fényerőszabályozással a fogyasztás tovább csökkenthető egészen az eredeti fogyasztás 20 %-ára. Tehát az összes energiamegtakarítás korszerű mesterséges világítások alkalmazásával akár 75 % is lehet (1.14. ábra). Energia 100% T8 lámpa lépés 70% Modern tükörrasztereslámpatest 2. lépés 50% 3. lépés Elektronikus előtét (EVG) 40% 4. lépés T5 lámpa 16 mm + Cut off-evg Megtakarítás 80 % 20% Állandómegvil. szintre szabályozás ábra: Energiatakarékossági intézkedések Fénycsövek fényáram-szabályozásának alapelve A fénycső jellegzetes villamos és fénytechnikai paramétereinek feszültségfüggése a névleges üzemi pont környezetében az ábrán látható. 185

186 Relatív üzemi értékek [%] 160 Villamos áramerősség 140 Fényhasznosítás Fényáram Lámpafeszültség 40 Teljesítmény Hálózati feszültség [%] ábra: A hálózati feszültség ingadozásának hatása a fénycső villamos és fénytechnikai paramétereire Az ábrából látható, hogy a hálózati feszültség csökkenésével drasztikusan csökken a fénycső felvett teljesítménye, a villamos áram és a fényáram is. Ezzel szemben csökkenő hálózati feszültséggel emelkedik a fénycső égési feszültsége. Ebből látható, hogy a hagyományos fénycsőelőtéttel működtetett fénycső rendkívül érzékeny a hálózati feszültség ingadozására. A hálózati túlfeszültségek nemcsak a fénycső élettartamára vannak kedvezőtlen hatással, hanem a hagyományos induktív előtétre is. 10 %-os tartós túlfeszültség esetén az induktív előtét élettartama már csak %. Az elektronikus előtétek egyik igen kedvező tulajdonsága, hogy a fénycső teljesítménye és fényárama széles feszültségtartományban állandó, azaz független a feszültségtől. A fénycső áram-feszültség karakterisztikája és a nagy gyújtási feszültség miatt a fénycső fényáramának szabályozása a feszültség abszolút értékének csökkentésével csak korlátozott mértékben alkalmazható, ezért nem is terjedt el. További technikai problémát a fénycső belsejében zajló fizikai folyamatok okoznak. A fénycső áramát az előtét impedanciája határozza meg. A fénycső elektródjai úgy vannak kialakítva, hogy a névleges üzemi áram az elektródokat megfelelő, a termoemisszióhoz szükséges hőmérsékleten tartja. Ha valamilyen külső behatás következtében lecsökken a kisülés árama, akkor a kevesebb ütköző ion következtében lecsökken az elektródok hőmérséklete, és az elektronok már nem tudják termoemisszió révén elhagyni az elektródok felületét. Ekkor a kisülés árama megszakad, a fénycső kialszik. Ezért ilyen módszerrel a fényáramot szabályozni csak korlátozott mértékben, a névleges üzemi munkapont környezetében lehet. A nagyobb tartományt átfogó fényáram-szabályozás csak akkor lehetséges, ha az elektródok hőmérsékletét az üzemi áramtól függetleníteni tudjuk. 186

187 1.16. ábra: A fénycsőelektródok kiegészítő fűtése Az ábrán lerajzolt megoldás esetében az elektródokat külön feszültségforrásra (az ábrán az egyszerűség kedvéért akkumulátorra) kapcsoljuk, amelynek az a feladata, hogy az elektródokat állandó hőmérsékletet tartsa. Mivel az I 1 és I 2 áramok függetlenek az I 3 lámpaáramtól, ezért az elektródok akkor is megfelelő üzemi hőmérsékleten maradnak, ha az I 3 lámpaáramot nullára szabályozzuk. Az elektronikus fénycsőelőtétek (EVG) megjelenése előtt, a klasszikus T12 (38 mm) fénycsövek egyes, kimondottan a fényáram-szabályozáshoz gyártott típusainak dimmelése (Philips TL-M../..RS; Osram L../..DS; Sylvania F../..IrS) fázishasításos dimmerrel és un. fűtőtranszformátoros kapcsolással volt lehetséges (1.17. ábra) ábra: A T12-es fénycsövek klasszikus fényáram-szabályozásának elve A kapcsolás jellegzetessége, hogy a W2, W3 szekunder fűtőtekercsek kimenő feszültsége kb. 5 V nagyságrendű. Az ilyen kicsi feszültségszint a foglalatok érintkezőinek oxidációja révén a fűtőkör megszakadásához vezethet. A dimmer bekötésére is nagy figyelmet kell fordítani, hiszen a W1 tekercselésre a dimmerbe épített relé által kapcsolt teljes hálózati feszültségnek kell jutnia, függetlenül a dimmer állásától. Ennek a megoldásnak van még egy jellegzetessége. Ahhoz, hogy a fénycső biztos gyújtását ledimmelt állapotban is biztosítani lehessen, azaz a égési feszültségnél kicsit nagyobb feszültségre dimmelt állapotban is, a gyártók un. gyújtást elősegítő segédelektródokat helyeztek el a fénycső külső felületén. Ahogy az az ábrán is látható, a segédérintkezők és az elektródok között kondenzátor jön létre. A kialakuló U/2 feszültség a fénycső belsejében sokkal kisebb távolságra jut, mint a teljes fénycső hossza, ezért jóval nagyobb villamos térerő alakul ki, biztosítva a kisülés 187

188 könnyebb begyújtását. A segédérintkezőket, az un. gyújtási csíkokat a gyártók a fénycső burájának felületébe égetik be ábra: A fénycső gyújtását elősegítő segédelektródok A fényáram-csökkentésnek a fénycső égési feszültsége szab határt (1.19. ábra). A ledimmelt feszültség csúcsértéke nem lehet kisebb az égési feszültségnél ábra: A fénycsőre jutó feszültség lefutása fázishasításos dimmer esetében Az elektronikus előtétek megjelenésével és elterjedésével új lehetőségek nyíltak meg a fénycsövek fényáram-szabályozása előtt. Így ma már a hagyományos (egyenes) T8 és T5 fénycsövek, valamint a külön előtéttel szerelt kompakt fénycsövek is dimmelhetők. Az E27, E14 fejjel készült, kompakt fénycsővel egybeépített elektronikus előtétek elektronikája nem teszi lehetővé a szabályozást. A mai korszerű elektronikus előtétekkel, egyenes fénycsövek esetében % közötti, míg kompakt fénycsövek esetében % közötti fényáram-szabályozás is lehetséges. A piacon kapható dimmelhető elektronikus előtétek között nagy különbség tapasztalható a dimmelési tartomány tekintetében. Több gyártó esetében a kompakt fénycsövek fényárama csak % között szabályozható Az elektronikus előtétek felépítése, működése Az elektronikus előtétek alapvető jellemzője, hogy a fénycsőre nagyfrekvenciás, khz frekvenciájú feszültség jut. Ebből a nagyfrekvenciás üzemből adódnak az elektronikus előtét-fénycső kombinációk kedvező fénytechnikai paraméterei. A dimmelhető elektronikus előtétek esetében a szabályozás, a fényáram-csökkentés elve a fénycsőre jutó feszültség frekvenciájának változtatásán alapul. A dimmelhető előtétek üzemi frekvenciája általában khz között változik. A frekvencia megválasztásában alapvető szerepet játszik, hogy a minimális frekvenciának a hallási küszöb felett kell lennie, a felső korlátot pedig az alkatrészek nagy kapcsolási frekvencia következtében egyre erősödő melegedése korlátozza. Mielőtt azonban a 188

189 dimmelés fizikai alapelvét ismertetnénk, nézzük meg az elektronikus előtétek általános felépítését. (1.20. ábra) Zavarvédelem 230 V 50 Hz Egyenirányító hídkapcs. Színuszos áramszabályzó + C Símító kondenzátor Nagyfrekvenciás generátor Vezérlés L C Fénycső C C - Szabályzókör Lekapcsolásszenzor Fényáramstabilizátor 1-10 V vezérlőfesz. Előfűtésvezérlés Leválasztótranszf V interfész Oszcillátor khz ábra: Dimmelhető elektronikus előtét felépítése A hálózati csatlakozás után található zavarszűrő egység feladata a felharmonikusok, a rádiófrekvenciás zavarjelek elnyomása, és az előtét elektronikus alkatrészeinek védelme a hálózati eredetű túlfeszültségektől. A diódákból álló egyenirányító híd alakítja át a hálózati váltakozó feszültséget egyenfeszültséggé, amely mögött az egyenfeszültséget simító kondenzátor található. A kondenzátor a hálózati váltakozó feszültség csúcsértékére töltődik fel. A kondenzátor hálózatoldali töltőárama, erőteljesen eltér a szinuszos alaktól, hiszen csak a feszültségcsúcs előtt, viszonylag rövid ideig folyik töltőáram a kondenzátor felé. Az egyenirányító és a simító kondenzátor közé a jobb minőségű előtétek esetében felharmonikus szűrő, un. szinuszos áramszabályzó kerül beépítésre. A kapcsolás jellegzetessége, hogy a kondenzátorra az induktivitás áramának megszakítása és az így indukált feszültség következtében nagyobb feszültség jut, mint a hálózati feszültség. A kapcsolás előnye, hogy alkalmazásával a hálózati feszültség ingadozása kiküszöbölhető és állandó feszültség biztosítható a kondenzátor kapcsain. A gyengébb minőségű elektronikus előtétekből ez a szinuszos áramszabályzó hiányzik, például az E27-es fejjel rendelkező, elektronikával egybeépített kompakt fénycsövek esetében. Ennek következtében az ilyen lámpatestek hálózati árama erősen eltér a szinusztól. A kondenzátor mögött található nagyfrekvenciás váltóirányító az egyenfeszültségből khz frekvenciájú váltakozó feszültséget hoz létre, amelyet a nagyfrekvenciás fojtón keresztül a fénycsőre kapcsolunk. Ennek a vasmagos fojtónak ugyanúgy a fénycső teljesítményfelvételének beállítása és a fénycső áramának korlátozása a feladata, mint a hagyományos kapcsolások esetében. Azonban a nagyfrekvenciás üzem következtében a fojtó mérete sokkal kisebb lehet. A fénycsővel párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a fénycsőelektródok előfűtéshez és a gyújtás biztosításához szükséges. Az előbb említett kondenzátor a fojtóval együtt egy soros LC rezonanciakört alkot. A rezonanciakör megfelelő hangolásával és a frekvencia változtatásával biztosítható a megfelelő 189

190 elektróda-előfűtés, majd az ezt követő begyújtáshoz szükséges nagy, kb V nagyságú gyújtófeszültség biztosítása. Az ábrán látható dimmelhető elektronikus előtét analóg 1-10 V-os szabályozóbemenettel rendelkezik, de hasonló a felépítése a digitális pl. a DALI szabályozó bemenetnek is. A fényáramszabályozás lényege, hogy a szabályzó bemenetre adott analóg vagy digitális jellel folyamatosan lehet a nagyfrekvenciás váltóirányító frekvenciáját szabályozni (40-100kHz). A névleges üzem, tehát a 100 %-os fényáram mindig a legalacsonyabb frekvenciához tartozik. A frekvencia növelésével a fénycsővel párhuzamosan kapcsolt kondenzátor árama egyre nő, ezzel nő az elektródok előfűtése is, csökken a fénycső kisülőcsatornájának árama és így a fénycső fényárama is. A szabályozás során a csökkenő kisülőcső-árammal csökken a hálózatból felvett teljesítmény is, mialatt az elektronikus előtét belső vesztesége változatlan marad, valamint az elektródafűtés teljesítménye kismértékben nő. A hálózatból felvett teljesítmény és fényáram kapcsolatát az ábra mutatja. Érdekes megjegyezni, hogy névleges üzemben az elektronikus előtét teljesítménytényezője 0,96, enyhén kapacitív. A fényáram csökkentése során a teljesítménytényező változik, egyre inkább kapacitívvá válik. Például 25 % fényáramnál a teljesítménytényező értéke kb. 0,6-re csökken. Fényáram [%] Teljesítményfelvétel [%] ábra: Dimmelhető elektronikus előtét teljesítményfelvétele és fényárama a szabályozás során Beépítési, üzemeltetési tanácsok Dimmelt fénycsövek üzemeltetésével kapcsolatban fontos megjegyezni, hogy a gyártók az új fénycsöveknél teljes teljesítményen végzett un. beégetési időt írnak elő. Ez fénycsövek esetében 100 óra. Ennek elmaradása esetén: lámpavillogás léphet fel csökkentett teljesítményű (ledimmelt) üzem során, jelentős feketedés várható a lámpavégeknél (a párolgó végek emittálóanyaga, a katódmassza kicsapódik a fénycső aljára, az elektróda körüli védősapkára). A gyártók továbbá dimmelt üzemben jelentősen korlátozzák a ledimmelt állapotban megengedhető környezeti hőmérséklet értékét. Például T8/26 mm-es fénycsövek 1 % fényáramig csak abban az esetben dimmelhetők le, ha a külső hőmérséklet nem csökken 0 C alá. Kompakt fénycsövek esetén a minimális fényáramhoz (általában 3 %) tartozó hasonló hőmérsékleti érték +15 C. Olyan dimmelhető EVG-k esetében, amelyek egy egységben több fénycső meghajtására alkalmasak, a fényforrás gyártójának ügyelnie kell arra, hogy az EVG-t a fényforrásokkal összekötő vezetékek az EVG-ből csillag topológia szerint induljanak ki, és az egyes ágak egyforma hosszúak legyenek. 190

191 Ellenkező esetben arra kell számítani, hogy az egyes fénycsövek fényárama nem lesz egyforma (1.22. ábra). HELYTELEN HF-DIM Fénycső Fénycső HELYES HF-DIM max. 1,5m a b Fénycső Fénycső a = b HELYES Fénycső HF-DIM b Fénycső a a = b ábra: Többfénycsöves EVG-k fénycsőoldali bekötése Üzemeltetési problémák Bekapcsolási jelenségek Gyújtás szempontjából az elektronikus előtéteknek alapvetően két típusa létezik. Vannak az azonnali gyújtású előtétek, ahol a fénycsőelektródok előfűtése elmarad. Ilyen típusú előtéttel szerelt lámpatesteket olyan helyen célszerű használni, ahol a napi be-, kikapcsolási gyakoriság 1-2. Ennél gyakoribb kapcsolgatási ciklus jelentősen csökkenti a fénycső élettartamát. Az elektronikus előtétek nagyobb része melegindítású, ami az jelenti, hogy a gyújtás előtt az elektronika előfűti az elektródokat. Ez az előfűtési idő általában 0,5 s, de a hőmérséklet függvényében változik: kis külső hőmérséklet esetén (külső térben, télen) akár 2 másodperc is lehet. A kompakt fénycsövek általános jellemzője, hogy a kisülés begyújtásának pillanatában a fényáram a névleges értéknél kisebb. A bekapcsolási fényáram kb. 40 %-a névlegesnek és a fényáram felfutásának ideje s között változik. Melegindítású előtétek esetében az elektródok előfűtésének következtében a kapcsolási gyakoriságnak nincs jelentős hatása az élettartam csökkenésére. Például az OSRAM adatai szerint a DULUX EL kompakt fénycső 60 s be- és 150 s kikapcsolási ritmusban több mint kapcsolást bír ki. A meleg indításnál egyetlen dologra kell figyelni: a bekapcsolás előtt a fénycső legalább 2 percig kikapcsolt állapotban legyen, ahhoz hogy az előfűtés-vezérlés jól működjön. Ha a kikapcsolás és az ismételt bekapcsolás közötti idő gyakran kisebb 2 percnél, akkor a fényforrás jelentős élettartamcsökkenésére lehet számítani. Ilyen például lépcsőházi automata kapcsolásoknál vagy irodaházakban folyosóvilágításnál fordulhat elő. A reggeli és esti órákban, illetve amikor gyakori a forgalom, időprogram szerint célszerű a (kompakt) fénycsövet állandóan bekapcsolt állapotban tartani. 191

192 14000 Közepes élettartam [óra] EVG KVG Kapcsolások száma (x1000) ábra: A DULUX kompakt fénycsövek gyakori kapcsolás hatása a várható Fénycsövek esetében az épületfelügyeleti rendszerekben használt bináris kimenetek, kapcsolóaktorok relékimeneteinek megengedett kapcsolható teljesítménye jelentősen függ az előtét és az előtét-fénycső bekötésének jellegétől. Általában a kapcsolás szempontjából nem a névleges áramterhelés a mérvadó, hanem a bekapcsolás során fellépő áramlökés. Ezt a bináris kimenet kiválasztásánál mindig szem előtt kell tartani. A különböző fényforrások ill. kapcsolások esetén fellépő bekapcsolási áramlökések névleges áramhoz képesti értékét mutatja az 1-4. táblázat Táblázat: Bekapcsolási áramlökés várható maximuma különböző előtétek és kompenzálási módok esetén Párhuzamosan kompenzált fénycső KVG előtéttel 13 nem kompenzált fénycső KVG előtéttel 2.1 duo kapcsolás KVG előtéttel 2.3 EVG Kapcsolás elektronikus kapcsolókkal Az E27-es fejjel szerelt és olcsó árkategóriájú kompakt fénycsövek elektronikus előtétjei nem rendelkeznek szinuszos áramszabályozó egységgel. Ezek jellegzetessége, hogy a hálózati félhullám alatt (10 ms) maximum 2 ms időtartamig folyik a bemeneten áram. Ennek következtében olyan elektronikus kapcsolók, tirisztorok, triakok, amelyek egyszer, röviddel a nullátmenet után gyújtanak, a 192

193 kompakt fénycsöves lámpatestek bekapcsolására nem alkalmasak, mert az elektronikus kapcsoló gyújtásának időpontjában a kompakt fénycső elektronikája nem vesz fel áramot. Ezért a kompakt fénycsöves lámpatesteket olyan elektronikus kapcsolókkal lehet csak kapcsolni, amelyek működéséhez nincs szükség tartóáramra (pl. MOSFET), vagy alternatívaként célszerű relét illetve mágneskapcsolót alkalmazni Kapcsolóval párhuzamosan kötött nagy ellenállású áramköri elem A kompakt fénycsöves lámpatesteket az áramköri kapcsoló érintkezőjével párhuzamosan kapcsolt glimm-lámpával üzemeltetni tilos. A hagyományos izzólámpák esetén a kapcsolóval párhuzamosan kapcsolt nagy ellenállású glimmlámpa nem okoz problémát. Az elektronikus előtétek esetében azonban a kapcsoló kikapcsolt állapotában a glimm-lámpán keresztül folyó kis áramerősség az elektronikus előtétben az egyenirányító után található simító kondenzátort feltölti. Amikor a kondenzátor feszültsége elér egy határfeszültséget, begyújt a nagyfrekvenciás átalakító egység és kisüti a kondenzátorban tárolt energiát. Ez a fényforrás gyakori, rövididejű halvány felvillanását eredményezi, ami zavarja a felhasználót és idő előtti öregedést okoz Üzem mozgásérzékelőkkel A fénycsövek, kompakt fénycsövek alapvetően alkalmasak mozgásérzékelőkkel történő vezérlésre. Azonban figyelembe kell venni a korábban a fénycsövek bekapcsolásával kapcsolatosan ismertetetteket, azaz az elektronikus kapcsolókkal történő kapcsolás feltételeit, a kapcsolóval párhuzamosan kötött nagy ellenállású elemek elkerülését és a kapcsolási gyakoriság élettartamra vonatkozó hatását. Ez utóbbinál mindenesetre célszerű nagy kikapcsolási késleltetési időket választani. Az E27-es fejjel szerelt, elektronikával egybeépített kompakt fénycsövek esetében ügyelni kell arra, hogy a gyújtást vezérlő un. hidegvezető az újragyújtást megelőzően kihűljön. Ebből a szempontból az álló égési helyzet kedvezőbb mint a függő, hiszen így a fejben lévő elektronika hűlési tulajdonságai kedvezőbbek Infravörös adatátviteli zavarok A fénycsövek sugárzási spektrumában infravörös tartományba eső sugárzás is található. Kedvezőtlen körülmények között ez az IR-sugárzás zavarhatja a helyiségben használt infravörös elven működő távirányító berendezéseket. A zavarás mértéke függ az EVG üzemi frekvenciájától, valamint az IR távirányító jelátvitelénél használt modulációs frekvenciától és kódolástól. Problémák esetén az IR vevő érzékelőjét úgy kell elhelyezni, hogy a lámpatestekből származó közvetlen fény azt ne érje. Az IEC az ilyen jellegű problémák kiküszöbölésére ajánlásokat dolgozott ki. Eszerint a khz frekvenciatartományt az EVG-k használják, míg a 400 khz feletti frekvenciák állnak az infravörös jelátvivő rendszerek rendelkezésére Egyenáramú táplálás Az elektronikus fénycsőelőtétek alkalmasak egyenáramú táplálású üzemre is, általában a V közötti tartományban. Így az elektronikus előtéttel üzemeltetett fénycsövek, kompakt fénycsövek akkumulátoros táplálású, V-os szükség- és vészvilágítási hálózatokban is alkalmazhatók. Az elektronikus előtéttel üzemeltetett fénycsövek egyenáramú táplálás esetén 310 V körüli feszültségen 193

194 adják le névleges fényáramukat. Ennél alacsonyabb feszültségen fényáram-csökkenésre kell számítani. (1.24. ábra) Kisebb egyenfeszültség (pl. 176 V DC) alkalmazásakor kültéri lámpák esetében télen gyújtási problémák merülhetnek fel, ezért ilyen esetekben a fényforrásgyártóval célszerű konzultálni, és megkérdezni, hogy az adott egyenfeszültségen milyen minimális környezeti hőmérsékleten gyújtanak be a fényforrások megbízhatóan. Fényáram [%] Egyenfeszültség [V DC] ábra: A fényáram változása egyenfeszültségű üzemben 5.7 Nagynyomású kisülő lámpák Az általános épületvilágítási és kiemelő világítási rendszerekben alkalmazott nagynyomású kisülő lámpák többsége folyamatos dimmelésre kevés kivételtől eltekintve nem alkalmas. A nagynyomású kisülő lámpák csökkentett teljesítményű üzeme elsősorban a közvilágítási hálózatban terjed, ahol a csökkentett teljesítményű üzemben jelentkező színhőmérséklet-eltérés és a fényhasznosítás csökkenése (lm/w) a kis forgalmú éjszakai időszakokban elfogadható. Gyártanak stúdió- és fényképészeti célra alkalmazott, igen rövid óra élettartamú speciális nagynyomású fémhalogén lámpákat, amelyek dimmelhetők, azonban ezekkel e könyv keretein belül nem foglalkozunk. Nagynyomású kisülő lámpák hagyományos üzemeltető berendezései Az üzemeltetés szempontjából igen fontos az általános alkalmazású nagynyomású kisülő lámpák néhány üzemi tulajdonsága, mint például a bekapcsolási felfutás, az újragyújtási idő, a kapcsolási gyakoriság hatása az élettartamra, a színhőmérséklet állandósága, a feszültségingadozás hatása, stb. A nagynyomású kisülő lámpák közé tartoznak a nátrium-, higany-, és fémhalogén lámpák. Speciális kültéri alkalmazásoknál indokolt lehet a rendkívül gazdaságos, nagy fényhasznosítású, monokromatikus sárga fényt kibocsátó kisnyomású nátriumlámpák használata. A nagynyomású kisülőcsövek üzeméhez a negatív ívkarakterisztika (növekvő áramerősséggel csökkenő ívfeszültség) miatt áramköri fojtóra van szükség. A nagynyomású higanylámpák esetében más kiegészítő áramköri elemre a fojtón és az induktív áramot kompenzáló párhuzamosan kötött kondenzátoron kívül nincs szükség (1.25. ábra). A fényforrásban a fő elektród mellett található egy ún. 194

195 gyújtóelektród, amely nagy ellenálláson keresztül össze van kötve a másik fő elektróddal. A gyújtóelektód a bekapcsolás pillanatában glimmkisülés révén ionizálja a gázkisülés csatornáját és begyújtja az ívkisülést. Így a hálózati feszültség nagysága elegendő a fényforrás begyújtására. L 230 V C Lámpa ábra: Nagynyomású higanylámpa bekötése induktív előtéttel Nagynyomású fémhalogén és nátriumlámpák esetében a gyújtáshoz speciális, általában elektronikus gyújtóra van szükség, amely a szükséges nagyságú 2,5 5 kv gyújtófeszültséget előállítja (1.26. ábra). Az ilyen típusú gyújtóberendezés gyújtókondenzátor kisütésén alapul: a kondenzátor kisütését egy tirisztor vezérli, amelynek bekapcsolása röviddel minden feszültség félhullám maximumának elérése előtt következik be. A kisütés áramlökése egy impulzustranszformátor szekunder tekercsében létrehozza a szükséges gyújtófeszültséget. L Gyújtó 230 V C Lámpa ábra: Nagynyomású nátriumlámpa és fémhalogénlámpa bekötése induktív előtéttel és gyújtóval Nagynyomású kisülő lámpák elektronikus üzemeltető berendezései A hagyományos fojtó-gyújtó kombinációját napjainkban a nagynyomású fémhalogén és nátriumlámpák esetében egyre inkább felváltják a teljesen elektronikus előtétek, amelyek egy készülékben egyesítik a gyújtás, áramkorlátozás és kompenzálás funkciókat. Az elektronikus előtét alkalmazását az elektronikus fénycsőelőtétekhez hasonlóan egy sor kedvező tulajdonság támasztja alá: 30 %-kal nagyobb fényforrás élettartam, kisebb hálózati teljesítményfelvétel, a fényforrás színhőmérsékletének sokkal kisebb mértékű eltolódása mind az üzemi feszültség változásának, mind pedig az öregedésnek a függvényében. A nagynyomású kisülő lámpák üzemeltetésére alkalmas elektronikus előtétek gyártásának és elterjedésének, mint sok más területen is az autóipar adott nagy lendületet. Egyre több felső és felső- 195

196 középkategóriás autóba építenek xenongáz töltésű fémhalogén fényforrásokat, amelyek az autóban lévő fedélzeti 12 V-os feszültség következtében csak elektronikus előtéttel üzemeltethetők. A nagynyomású kisülő csövek üzemeltetésére az első elektronikus előtétek kifejlesztésekor a fénycsövekhez hasonlóan a nagyfrekvenciás üzem tűnt a legjobb megoldásnak. Azonban a kísérletek bebizonyították, hogy a nagynyomású kisülőcsövek ívkisülése a 10 khz és 400 khz tartományban egyes frekvenciákon nyugtalan égéshez un. akusztikus rezonanciához vezet. Ez a jelenség villogást vagy akár a kisülés kialvását is előidézheti. Ezzel szemben az 500 Hz től 20 khz-ig terjedő frekvenciaintervallumban, amely a hallási küszöb alatt van, az induktivitások, kondenzátorok és a tranzisztorok működése zavaró sípoló hangot eredményez. Az igen nagy, 200 khz feletti frekvenciák esetében a nemzetközi és nemzeti EMC előírások már igen nehezen teljesíthetőek. Az ábra egy 70 W-os kvarckisülőcsöves, nagynyomású fémhalogén lámpa kisülőcsatornájának feszültségfüggését mutatja a frekvencia függvényében, khz között. Az akusztikus rezonanciákat a kisülőcsatorna feszültségének hirtelen megnövekedése mutatja a frekvenciaspektrum bizonyos frekvenciáin ábra: 70 W-os kvarckisülőcsöves, nagynyomású fémhalogén lámpa működési feszültségének alakulása a frekvencia függvényében A részletes vizsgálatok azt mutatták, hogy 20 khz környékén, egy szűk frekvenciasávban stabil üzemet lehet biztosítani. Ezen vizsgálatok alapján készült el az adott HQI-TS 70 W-os fényforrást üzemeltető elektronikus előtét, amelynek üzemi frekvenciája 22 khz: Az elektronikus előtét felépítését az ábra mutatja. 230 V Zavarszűrő Egyenirányító Pufferkondenzátor Tranzisztoros félhíd 22 khz, gyújtás: 66 khz Színuszos áramszabályzó Nf. generátor 22 ± 0,5 khz Biztonsági kapcsolás Gyújtásvezérlés Modulációs feszültség Frekvenciamoduláció 100/120 Hz Lekapcsolás logika Időzítő Teljesítmény szabályzozás Gyújtásvezérlés 196

197 1.28. ábra: Osram HQI-TS 70 W nagynyomású fémhalogén lámpa elektronikus előtétjének felépítése Azonban egyrészt az igen nagy fejlesztési költségek miatt, másrészt a fényforrás- és lámpagyártók közötti fáradtságos egyeztetések igénye miatt, az ilyen lámpaüzemeltetési eljárások igen kedvező üzemi tulajdonságaik ellenére is jelentőségüket vesztették. Hiszen ez azt jelentette volna, hogy minden gyártó minden fényforrástípusához külön előtétet kell kifejleszteni, ami meglehetősen gazdaságtalan mind a fejlesztési, mind pedig a logisztikai költségek szempontjából. Az újszerű üzemeltetési megoldások keresése sikerrel járt és napjainkban egy olyan megoldás terjedt el, ahol az elektronikus előtét a fényforrást kb. 100 Hz körüli frekvenciájú négyszög jelalakú árammal táplálja. Ennél az eljárásnál nem lép fel akusztikus rezonancia és az alkalmazott elektronikus alkatrészek nem bocsátanak ki zavaró sípoló hangot sem. A módszer további előnye, hogy a korábbi eljárással szemben, egy fényforrástípuson belül minden építési formájú lámpánál, sőt a különböző gyártók azonos teljesítményű fényforrásainál, valamint minden teljesítményen is alkalmazható. Az ilyen un. HID (High Intensity Discharge) nagy intenzitású kisülőcsöves lámpákhoz 500 Hz alatti frekvencián üzemelő elektronikus előtétek felépítését az ábra mutatja. 230 V Zavarszűrő, Túlfeszültségvédelem Egyenirányító Színuszos áramszabályzó Fesz.átalakító Back- Converter Tranziszto ros hídkapcs. Gyújtó C H C E C T L Vezérlő generátor Biztonsági lekapcsolás U kisülés ábra: Az un. HID lámpákhoz készült 500 Hz alatt működő elektronikus előtétek belső felépítése Nagynyomású kisülőlámpák üzemi tulajdonságai A nagynyomású kisülő lámpák üzeme érzékeny a hálózati feszültség ingadozásaira. Fémhalogén és nátriumlámpák esetében a megengedett feszültségeltérés max. ± 3 %, míg higanylámpák esetében, amely kevésbé érzékeny a feszültség ingadozására ±10 %. Fémhalogén és nátriumlámpáknál megengedett a rövididejű ± 5 %-os feszültségingadozás is. A ±10 % -ot meghaladó hirtelen feszültségingadozások a kisülés megszakadásához vezethetnek. Ha a feszültség a névleges értéktől tartósan eltér, akkor ez a nagynyomású kisülő lámpák esetében színhőmérséklet- és fényáramváltozást okoz. Ezen kívül az élettartam csökkenésére is számítani kell. A nagynyomású kisülő lámpák élettartamát a rövid idejű bekapcsolt üzem és a gyakori kapcsolgatás jelentős mértékben csökkenti. Ez igaz mind a hideg lámpa, mind pedig a meleg lámpa újragyújtására. Az ajánlott legkisebb bekapcsolási idő minimum 3 óra és két bekapcsolás között legalább 0,5 óra szünetet kell tartani. A nagynyomású kisülő csövek maximális fényáramukat a bekapcsolást követően a többi fényforráshoz képest viszonylag nagy késleltetéssel érik el. Ezen kívül a bekapcsolás során a névleges áramot meghaladó áramfelvételre kell számítani, ami a fényforrás és előtét típusától is függ és időben a névleges fényáram eléréséig, általában több percig tart. Fémhalogén lámpák névleges fényáramukat 2-5 perc alatt érik el, és a névlegesnél %-kal nagyobb felfutási áramfelvételre kell számítani. Nagynyomású higanylámpák esetében ezek az értékek kb. 5 perc és 40 %, míg nagynyomású nátriumlámpák esetében 6-10 perc és kb. 25 %. 197

198 1-5. Táblázat: Nagynyomású kisülő csövek bekapcsolást követő felfutása Megnevezés Névleges fényáram elérésének ideje Felfutási áram a névleges érték százalékában Nagynyomású fémhalogén lámpa (kerámia- 2 5 perc % vagy kvarckisülőcsöves) Nagynyomású higanylámpa kb. 5 perc 40 % Nagynyomású nátriumlámpa 6 10 perc 25 % A nagynyomású kisülő lámpák esetében a meleg újragyújtáshoz a kisülőcsőben a kikapcsolást követően uralkodó nagy nyomás miatt igen nagy gyújtófeszültségre (25-60 kv) van szükség. Az általános célú lámpatestekben található hagyományos gyújtók vagy elektronikus előtétek ilyen nagy gyújtófeszültség előállítására nem képesek, ezért ezek meleg újragyújtása nem lehetséges. A fényforrásnak ki kell hűlnie ahhoz, hogy az újragyújtás bekövetkezzen. Ez a kihűlési, újragyújtási idő általában fényforrástól és típustól függően 2-15 perc között van. Nagynyomású fémhalogén és nátriumlámpákhoz készítenek olyan speciális gyújtókat, amelyek képesek a meleg újragyújtáshoz szükséges feszültség előállítására, így az ezekkel szerelt lámpatestek meleg állapotban történő, azonnali újragyújtása lehetséges. Az igen nagy gyújtófeszültség miatt az azonnali, meleg újragyújtásra csak a két végén fejelt fényforrások alkalmasak. Nagynyomású kisülő lámpák dimmelésének műszaki lehetőségei A kerámia- és kvarckisülőcsöves, nagynyomású fémhalogén lámpák csökkentett teljesítményfelvételű üzeme, dimmelése csak olyan helyen megengedett, ahol a színhőmérséklet erőteljes megváltozása és az élettartam csökkenése elfogadható. A kerámia- és kvarckisülőcsöves, nagynyomású fémhalogén lámpák valamint a nagynyomású higanylámpák és nátriumlámpák fokozatokban történő dimmelése maximum %-os teljesítményig általánosan elfogadott, és egyre gyakrabban alkalmazott megoldás. Higanylámpáknál a dimmelt állapot kiegészítő fojtó induktivitások bekapcsolásával érhető el. Kerámia- és kvarckisülőcsöves, fémhalogén lámpáknál valamin nagynyomású nátriumlámpáknál, a csökkentett teljesítményű üzem aktiválásához kapcsolóbemenet található a speciálisan erre a célra készült elektronikus előtéteken (pl. OSRAM POWERTRONIC PT-DS 80). Ennek segítségével a szükséges átkapcsolás elvégezhető (1.30. ábra). A csökkentett üzemre alkalmas kisülőcsövek esetében azonban mindig ügyelni kell arra, hogy a csökkentett teljesítményű üzemre történő átkapcsolás, csak a teljes teljesítményen történ bekapcsolás és felfutás után lehetséges. 198

199 PE N L vezérlés: L1, L2 vagy L3 1 2 D L N SL PT-DS 80/ Pst N Relépanel DS-T/E 80W ábra: OSRAM POWERTRONIC PT-DS 80 segédrelés kivitelben a csökkentett teljesítményű átkapcsoláshoz Alternatívaként olyan megoldások is léteznek, amelyek esetében a csökkentett teljesítményre történő átkapcsolás automatikusan, előre beépített késleltetés lefutása után következik be. Ma már kaphatók olyan elektonikus előtétek nagynyomású kisülőlámpákhoz, amelyek un. 3DIM funkcióval rendelkeznek. A 3DIM azt jelenti, hogy az elektronikus előtét DALI, StepDIM és AstroDIM módszerek bármelyikével vezérelhető. A DALI ismert gyártófüggetlen kommunikációs szabvány, aminek segítségével a fényforrás digitális táviratok segítségével szabályozható ill. vezérelhető. StepDIM azt jelenti, hogy egy külön kiépített vezérlővezetéken keresztül a fényforrás fényárama egy lépésben pl. 100%-ról 60 %-ra csökkenthető. Abban az esetben, ha a hálózatban vezérlővezeték nem áll rendelkezésre, felhasználható az un. AstroDIM funkció. Ebben az esetben a csökkentett üzem előre definiált időablakban (pl. a bekapcsolást követő 6 óra múlva 100%-ról 60 %- os, illetve újabb 6 óra múlva 60 %-ról ismét 100 %-os fényáram) következik be. Mindhárom esetben a dimmelés paraméterei egy szoftver Tool segítségével állítható be az elektronikus előtétben. A Philips cég gyárt olyan teljesen elektronikus előtéteket (lámpaműködtető frekvencia 130 Hz) pl. 150 W-os nagynyomású nátriumlámpákhoz, amelyek fényárama % között folyamatosan szabályozható, akár 1-10 V-os, akár DALI interfészen keresztül. A beépített elektronika biztosítja azt, hogy a begyújtott lámpa 5 percig 100 %-os fényárammal üzemeljen. A fényáram csökkentése csak ezután lehetséges. A 100 %-ról 20 %-ra történő dimmelés kb. 2 percet vesz igénybe, míg a fényáram növelése a minimumról a maximumra viszonylag gyorsan kb. 2 s alatt elvégezhető. Nagynyomású nátriumlámpákat csökkentett teljesítményű üzemben külföldön sikeresen alkalmazzák belvárosi, reprezentatív terek, sétálóutcák megvilágításánál egyfényforrásos lámpatestek alkalmazásával. Az éjszakai, ill. hajnali, kis forgalmú időszakban a lámpatesteket átkapcsolják kisebb teljesítményű üzemre. A dimmelésnek a nagynyomású nátriumlámpák élettartamára gyakorolt hatása vonatkozásában igen kevés gyakorlati tapasztalat áll rendelkezésre, és így a fényforrásgyártók általános, számszerűsíthető adatokat nem adnak meg. A gyártók a tekintetben is megosztottak, hogy egyáltalán kedvezőtlen hatással van-e az élettartamra a hosszú időn keresztül csökkentett teljesítményen végzett üzemeltetés. Azt mindenképpen meg kell jegyezni, hogy a kisülő lámpák fejlesztése, és a fényforrás méretezése a névleges üzemi paraméterekre történik. A névleges üzemtől való eltérés hatására megváltoznak a 199

200 hőmérsékleti viszonyok, és ezzel a szabad töltéshordozók eloszlása, a töltőgáz áramlási viszonyai, az elektródok fogyása. Többségi vélemény szerint a kisülő lámpák csökkentett teljesítményen történt üzemeltetése várhatóan csökkenti az élettartamot. E feltevés tudományos ellenőrzésére napjainkban is folynak kísérletek, amelyek előzetes eredményei ezt a feltevést támasztják alá. A névleges élettartam várható csökkenése a dimmelés hatására akkor a legkisebb, ha a dimmelésre vonatkozóan a gyártók előírásait betartjuk. Ezek tipikus előírásai a következők: A dimmelés megkezdése előtt a fényforrást legalább percen keresztül 100%-os teljesítményen kell üzemeltetni, A teljesítmény átkapcsolás során, hozzáadott impedancia bekapcsolása során a fényforrás árama nem szakad meg, A fényforrás kikapcsolása előtt az legalább percig 100%-os teljesítményen üzemelt. A közvilágítás dimmelésének problémái A közvilágítás üzemeltetési, energiafogyasztási költségeinek csökkentése napjainkban egyre inkább előtérbe kerül. Az üzemeltető önkormányzatok e tekintetben elsősorban olyan megoldásokban gondolkoznak, hogy az elavult fényforrásokat új, energiatakarékosabb fényforrásokra, lámpatestekre cserélik. Korábban alkalmaztak olyan megoldásokat a közvilágítás teljesítményének csökkentésére, ahol a kétfényforrásos lámpatestek egyik fényforrását időszakosan, a kis forgalmú időszakban kikapcsolták. Ezek a megoldások jelentős hátránya volt, hogy külön vezérlőhálózat kiépítését igényelték, továbbá a lámpatesthatásfok jelentős csökkenésével is kellet számolni egyfényforrásos üzemben. Napjainkban a korábban ismertetett technikai lehetőségek alkalmazásával új lehetőségek nyílnak a nagynyomású nátriumlámpák csökkentett teljesítményen történő üzemeltetése tekintetében. Azonban ezen megoldások megvalósítása során több problémával és akadállyal kell szembesülni: A hálózati feszültségen működtetett közvilágítási lámpatestekben üzemeltetett fényforrások egységteljesítménye és elszámolási teljesítményfelvétele még ma is kérdéses és vitatott. Közvetlen fogyasztásmérés hiányában a közvilágítás villamos energiafogyasztását a fényforrások egységteljesítménye és a bekapcsolt órák száma alapján számolják el. Az egyes fényforrások egységteljesítményének hivatalos megállapítására független bizottságokat, szakmai testületeket állítanak fel. A csökkentett teljesítményen végzett üzemeltetés esetén még kritikusabb a villamos energiafogyasztás elszámolása. Hozzáadott impedanciával végzett 50 %-os teljesítménycsökkentés esetében az elszámolás még megoldható, a névleges és csökkentett teljesítményű üzemben a felvett teljesítmények pontos meghatározásával. A tápfeszültség változtatása esetében az elszámolás csak fogyasztásmérő berendezések felszerelésével és folyamatos leolvasásával oldható meg. A közvilágítás csökkentett teljesítményű üzemeltetésére jogi szabályozást kell kidolgozni, hiszen a jelenlegi szabályozás ebben a tekintetben meglehetősen hiányos. A Közvilágítási Szabványban kell meghatározni, hogy a különböző kategóriákba sorolt utak esetében milyen időszakban, milyen forgalomsűrűség mellett, milyen mértékben megengedett a megvilágítási szint csökkentése. 200

201 A teljesítmény szabályozása mellett meg kell oldani a feszültség szabályozását is, hiszen a hálózati feszültség a terhelés hatására igen jelentős mértékben változik. Kis terhelési időszakokban, például késő éjszaka, hajnalban a 230 V-os közvilágítási hálózaton akár 260 V-os feszültség is mérhető. Az ilyen mértékű feszültségemelkedés jelentős mértékben csökkenti a fényforrás névleges élettartamát. Olyan teljesítmény-szabályozási megoldást kell tehát alkalmazni, ahol a teljesítménycsökkentésen kívül a feszültségstabilizálás is megoldott. A tápfeszültség központi egységgel történő csökkentése csak kis feszültségtartományban végezhető el, hiszen a közvilágítási hálózatról üzemel sok esetben a telefonfülkék, reklámfeliratok megvilágítása vagy például a parkolóórák tápellátása. A különböző fényforrás típusok különböző mértékben reagálnak a tápfeszültség csökkentésére, és például fénycsövek kompakt fénycsövek esetében a külső hőmérséklet csökkenése is kedvezőtlen hatással van a minimális tápfeszültség értékére és a kibocsátott fényáramra. 5.8 LED modulok szabályozhatósága A LED világítás széleskörű elterjedésének feltétele az általános és kiemelő világításban többek között az, hogy ugyanúgy lehessen dimmelni, mint a hagyományos izzószálas fényforrásokat. A nagy fényáramú LED-ek azonnal reagálnak a rajtuk keresztülfolyó áram változására, aminek következtében ideálissá teszik olyan alkalmazásokra, ahol valós idejű dimmelésre van szükség. Az I-U jelleggörbe Annak érdekében, hogy egy LED fényáramát kontrolláltan szabályozzuk, az áram változásának a LED dióda áram-feszültség jelleggörbéje mentén kell történnie, amely ismert módon nemlineáris. A LED diódán, a növekvő tápfeszültség esetében a nyitófeszültség eléréséig gyakorlatilag nem folyik áram. A nyitóirányú feszültség elérése esetén, a diódán átfolyó áram (és fényáram) meredeken növekszik. Emiatt a hagyományos izzószálas fényforrásoknál alkalmazott dimmelési eljárások a LED esetében nem alkalmazhatók. 201

202 1.31. ábra: LED dióda áram-feszültség karakterisztikája (függőleges tengely: LED árama ma-ben, vízszintes tengely LED feszültsége V-ban) 202

203 LED tápegységek, meghajtók A nagy fényáramú lámpatestek sokkal összetettebbek, mint a tipikus izzószálas, vagy fénycsöves lámpatestek, és több a LED-ekre jellemző alkotóelemet tartalmaz. Először is a LED-eket nyáklapra kell rögzíteni, ami mechanikai tartást, villamos csatlakozást és hűtést is biztosít. A nyáklapra szerelt több LED-et LED engine-nek nevezzük, amelyet gyakran hűtőbordákkal is ellátnak. A LED-eket egyenárammal (DC) kell megtáplálni, ahol a LED-en átfolyó áramot kell pontosan beállítani úgy, hogy a kívánt fényáramot adja le, és az áramerősség ne haladja meg a LED-re megadott maximális névleges értéket. A LED áramerősségét az un. LED driver, LED meghajtó állítja be. Végül abban az esetben, ha a LED-es lámpatestet váltakozó áramú (AC) hálózatról üzemeltetjük, szükség van egy tápegységre, amely a váltakozó feszültségből (AC), megfelelő nagyságú egyenfeszültséget (DC) állít elő ábra: LED-eket tartalmazó lámpatest villamos blokkvázlata A gyakorlatban alkalmazott lámpatestekben sok esetben a fenti egységek összevonásra kerülnek. Az egyik gyakran alkalmazott megoldás, hogy a LED driver (meghajtó) és a LED engine kerül összeépítésre, mint ahogy az ábrán is látható. 203

204 1.33. ábra: LED driver és LED engine összeépítése A LED driver-t is tartalmazó LED modult közvetlenül lehet az állandó feszültségű LED tápegységre kapcsolni. Ennek egyik előnye, hogy a tápegységre több, akár különböző darabszámú LED-et tartalmazó modult lehet csatlakoztatni párhuzamosan, a tápegység névleges terhelhetőségének határáig. Az ilyen univerzális LED tápegységek általánosan alkalmazhatók sok különböző lámpatestben a LED modulok meghajtására. A megoldás további előnye, hogy a LED áramerőssége, fényáram-szabályozása, az analóg vagy digitális vezérlő interfészek közvetlenül a LED engine-ben vannak kialakítva. Így akár arra is van lehetőség, hogy az egy központi tápegységről működtetett különböző LED engine modulokat különböző dimmelő jellel lehet vezérelni. A LED driver és LED engine összeépítése gyártástechnikai előnyökkel is bír, hiszen azonos felületszerelt technológiával egy folyamatban lehet a két összeépített egységet legyártani. A másik szokásos megközelítés szerint a LED tápegységet és a LED drivert építik össze egy egységgé, ami a ábrán látható. 204

205 1.34. ábra: LED tápegység és LED driver összeépítése Az ilyen egységek jellemzője hogy a primer oldalon a váltakozó 230 V-os hálózathoz csatlakoznak, míg a kimenetükön állandó nagyságú DC áramot szolgáltatnak, ezért állandó áramú vagy áramgenerátoros tápegységeknek is nevezzük. Az ilyen tápegységek tipikus kimeneti árama 350 ma vagy 700 ma. Olyan LED engine modulokat lehet velük meghajtani, amelyeket a megadott névleges áramerősségre terveztek. Az ilyen tápegységeket tipikusan egy vagy néhány LED modul táplálására tervezik, ahol az egyes LED modulok sorosan vannak a tápegységre csatlakoztatva. Vannak olyan tápegységek, amelyeknek több áramgenerátoros kimenetük van, és így nagyobb rugalmassággal rendelkeznek a lámpatesttervezés során. Ennek a megoldásnak előnye, hogy a tápegység tartalmaz minden szükséges funkciót és a LED engine-nek nem kell tartalmaznia semmilyen kiegészítő komponenst, csak a LED-eket. Olyan alkalmazások esetén használják ezt a megoldást, ahol a fő fókusz a nagy fényáramon, a jó hatásfokon, és a nagy megbízhatóságon van. Amennyiben az ilyen tápegységet és LED drivert tartalmazó megoldás esetén dimmelésre van szükség, a dimmelés százalékos értéke a tápegységgel megtáplált összes LED-re vonatkozik. A kétfajta LED meghajtó, azaz az állandó feszültségű és az állandó áramú tápegységek egymással nem felcserélhetőek és alapvetően a LED engine (LED modul) kialakítása határozza meg, hogy melyik fajta tápegységgel kell üzemeltetni. LED dimmelési módok A LED-ek dimmelése kapcsán nagyon fontos hogy megkülönböztessük egymástól a vezérlési információ továbbításának eljárását és a LED fényáramának csökkentésére használt módszert. A vezérlési információ továbbítására számos eljárás és technika létezik, amelyekről később lesz szó. Alapvetően két lehetőség van a LED-ek fényáramának csökkentésére: az analóg dimmelés és az impulzusszélesség moduláció (PWM=Pulse With Modulation). Analóg dimmelés Az analóg dimmelés során egyszerűen a LED-en átfolyó áramot szabályozzuk. A maximális fényáramhoz a névleges LED áramerősség tartozik. A LED áramerősségét csökkentve lineárisan csökken a LED kibocsátott fényárama. Az analóg dimmelés eljárását mutatja az ábra. 205

206 1.35. ábra: Analóg dimmelés a LED-en átfolyó áramerősség csökkentésével Az analóg dimmelési eljárás a LED driverben kerül megvalósításra. Abban az esetben, ha a LED névleges árama 350 ma a teljes fényáramnál, akkor a fél fényáramhoz 175 ma-re kell csökkenteni a LED áramát és 87 ma-re a negyed fényáramhoz. Minden fényáram érték esetén a LED állandó értékű DC árammal van megtáplálva. A gyakorlatban az egyenáram mellett mindig van egy elhanyagolható nagyságú AC hullám is, ami a DC áramra szuperponálódik. Az ilyen dimmelési eljárást könnyű megvalósítani, azonban fénytechnikai szempontból nem optimális, mivel a LED által kibocsátott fény színhőmérséklete változhat a LED-en folyó áram függvényében. Ennek a dimmelési eljárásnak vannak előnyei is. Így például a csökkentett fényáramú üzemben csökken a LED modul határrétegének hőmérséklete, amely kedvezően hat a LED élettartamára és a LED energetikai hatásfoka is javul. Ez a fajta dimmelési eljárás EMC szempontból is kedvezőbb, hiszen a dimmelés során nem jelennek meg áram és feszültségimpulzusok, mint például az impulzusszélesség moduláció esetében. Impulzusszélesség moduláció (PWM) Az impulzusszélesség modulációt alkalmazó dimmelési eljárás esetén a LED-en átfolyó áramerősség amplitudója nem változik, hanem a LED-et olyan áramimpulzusokkal hajtjuk meg, ahol az impulzusok szélességét változtatjuk, és ezzel szabályozzuk a LED által kibocsátott fényáramot. A dimmelés tehát az áramimpulzusok kitöltési tényezőjének változtatásával valósul meg. Ez a dimmelési eljárás a emberi szemnek azon tulajdonságát használja ki, hogy a szem integrálja a beérkező fényimpulzusokat és átlagot képez. Ennek természetesen feltétele, hogy az impulzusok frekvenciája elég magas legyen ahhoz, hogy a szem már ne tudja követni a fény pulzálását. Például 50 %-os fényáramnál az impulzus be és kikapcsolt ideje megegyezik egymással, mint ahogy az ábrán is látható. 206

207 1.36. ábra: Impulzusszélesség moduláció Ahogy korábban említettük az impulzusok frekvenciájának elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy a szem már ne érzékelje a villogást csak a kibocsátott fény átlagát. A jellemzően használt PWM frekvencia 200 Hz. Ez 5 ms-os impulzus periódusidőnek felel meg, ami egy bekapcsolt és egy kikapcsolt félperiódusból áll. A PWM dimmelés kialakítható a tápegységben és a LED driverben is. A PWM dimmelési módszer megvalósításához szükség van egy PWM kontrollerre és egy MOSFET kapcsolóra, ami lényegesen bonyolultabb kialakításhoz vezet mind az analóg dimmelés esetében. A megoldás előnye, hogy ennél a dimmelési módszernél a színhőmérséklet változásával nem kell számolni. A PWM során a LED-eken vagy a névleges áram folyik, vagy nem folyik áram és nincs olyan üzemállapot, amikor csökkentett árammal vannak megtáplálva. Tehát dimmelés esetén a LED-en nem állandó áram folyik keresztül, hanem áram impulzusok sorozata. Mivel a LED fénykibocsátása igen gyorsan követi az áramimpulzusokat a fényáram pulzálása igen nagy, ami periódikus villogáshoz vezet. Annak ellenére, hogy ezt a villogást a szem nem képes észlelni, ügyelni kell arra, hogy PWM moduláció esetében a dimmelt LED-ek más nem folyamatos fényforrásokkal interferenciát hozhatnak létre, mint amilyen például a TV vagy számítógép monitor, továbbá forgó alkatrészek esetében stroboszkóp-hatás alakulhat ki, ami munkavédelmi kockázatokat okoz. Ezen túlmenően a vasmagos előtéttel működtetett fénycsöves világításhoz hasonlóan a PWM módszerrel dimmelt LED-ek esetében a fényáram villogása pszichológiai hatásokat eredményezhet, amely az arra érzékeny embereknél fejfájást és rossz közérzetet okoz. RGB fényszabályozás Különböző színű LED modulok dimelésével és az un. RGB színkeverési technikával igen sokféle szín keverhető ki. Rendkívül egyszerű módon pl. LED tápegységgel és szabályozható LED driverrel valamint megfelelő színű LED egységekkel (pl. OSRAM Linearlight colormix) megoldható a színkeverés (1.97. ábra). 207

208 L N L Tápegység N V Vezérlőjel 1-10 V + - DIMM modul V + - L Tápegység N V Vezérlőjel 1-10 V + - DIMM modul V + - L Tápegység N V Vezérlőjel 1-10 V + - DIMM modul V - Linearlight colormix ábra: LED tápegység és DIMM modul bekötése Egy másik lehetőség, hogy a LED tápegység egy un. színes szekvenszert táplál meg, amelynek háromcsatornás (R,G,B) kimenete van. A szekvenszer előre definiált színes világítási képek sorozatát hívja elő, ahol az egyes színváltások általában időben eltolva szcenikai hatásokkal (fel és ledimmeléssel) kerülnek megjelenítésre. Egy harmadik lehetőség, hogy az egyes színű LED modulok LED tápegységeit vagy driver-jeit digitális jellel pl. DALI vagy DMX vezéreljük. Az egyes színváltások a DALI vagy DMX kontrollerben programozottaknak megfelelően történnek, ami akár több ezer LED dimmelését teszi lehetővé, ami a színek végtelen spektrumát és fényjelenetet eredményez. LED vezérlési eljárások A LED-ek dimmeléséhez szükség van a vezérlési információ eljuttatására vezérlőközpontból az egyes LED tápegységekhez vagy LED driver-ekhez. Ez történhet a kisfeszültségű 230 V-os hálózaton keresztül, analóg vagy digitális jelek formájában, vagy vezetéknélküli rádiós átvitellel. Minden ilyen megoldásnak vannak előnyei és hátrányai. A következő felsorolásban összefoglaltuk a LED-ek fényáram-szabályozására elterjedten alkalmazott megoldásokat: - fázishasításos dimmelés - PWM, impulzusszélesség moduláció - analóg bemenet (0-10 V) - DALI - DMX - vezetéknélküli átvitel, pl. Zigbee 208

209 A felsorolásban szereplő vezérlési eljárásokat elterjedten alkalmazzák a világítástechnikában. Sok LED-es fényforrás a világítás felújításakor meglévő lámpatestbe kerül beépítésre, ezért a LED-es tápegységeknek és LED driver-eknek együtt kell tudniuk működni a meglévő világításvezérlési rendszerekkel. 209

210 6. Világítás és környezet szöveg 6.1 Az optikai sugárzás emberre gyakorolt hatásai A világítástechnikában a látáson kívül a fellépő optikai sugárzások számos más hatást is kifejtenek, ezek közül egyesek az ember számára hasznosak és kívánatosak lehetnek. Ezeket jó hatásfokkal kell létrehozni vagy éppen ellenkezőleg, a veszélyt jelentők ellen védekezni kell. Az optikai sugárzások egyes hatásainak erőssége függ a sugárzás hullámhosszától, amit hatásfüggvénnyel B(λ) írunk le. Ezen hatások azonban nem egyforma mértékben jelentkeznek minden embernél. Vannak olyan hatások, amelyek hatásfüggvénye minden embernél hasonló, azaz a hatás erőssége a sugárzás hullámhossza és a besugárzottság (ld fejezet) alapján előre meghatározható. Ezeket a hatásokat nevezzük determinisztikus hatásoknak. Vannak azonban olyan hatások is, amelyek egyes embereknél kis besugárzottság esetén is jelentkeznek, míg másoknál nagy besugárzottság esetén sem érvényesülnek. Ezeket nevezzük sztochasztikus hatásoknak. Amikor az optikai sugárzás hatásairól beszélünk, akkor óvatosan kell kezelni, hogy determinisztikus vagy sztochasztikus hatásról van szó. A negatív determinisztikus hatások ellen ugyanis a világítástechnikusoknak minden lehetséges óvintézkedést meg kell tenniük, míg a sztochasztikus hatások (pl. rákkeltés) esetében az orvosokkal együttműködve kell meghatározni, hogy ezen hatások mennyire veszélyesek, és mennyiben tartoznak a világítástechnika ill. az orvostudomány hatáskörébe. Azt azonban tényként szögezhetjük le, hogy előnyös, ha a világítási eszközök csak fényt sugároznak ki (ami a természetes világításban is megjelenik), és nélkülözik az ultraibolya és infravörös sugárzást. Jelen fejezetben az optikai sugárzás emberre gyakorolt determinisztikus hatásit foglaljuk össze. Ha fényről beszélünk, akkor a szemünkkel érzékelt sugárzást értjük alatta. Kézenfekvő, hogy más effektusok a különböző hullámhosszúságú sugárzásokat másképpen hasznosítják, mint szemünk a fényt, ezért e hatások jellemzésére a B(λ) hatásfüggvény fogalmát vezetjük be (ld fejezet), amelynek segítségével hatásos sugárzott teljesítményt, besugárzást, dózist vagy tetszőleges X mennyiséget a következőképpen lehet meghatározni: X B = K B B( λ) X e( λ) dλ. ahol K B arányossági tényező (a legtöbb biológiai hatásnál értéke 1) B(λ) a biológiai hatásfüggvény, azaz a λ hullámhosszúságú sugárzás relatív hatékonysága; X e (λ) valamely sugárzástechnikai mennyiség (pl. besugárzás, dózis stb.) spektrális sűrűsége Az ultraibolya sugárzás hatásai Az ultraibolya tartományba eső sugárzás viszonylag nagy energiájú kvantumokból áll, ezért túlnyomóan sejtroncsoló hatású. Ezt a roncsoló hatást azonban fertőtlenítésre, víz és élelmiszer-kezelésre stb. az ember előnyösen fel is használhatja. A 6.1 ábrán a következő hatásfüggvények láthatók: 210

211 conjunctivitis 6.1. ábra: Az UV sugárzás hatásai 1. Baktericid, vagy germicid hatás az UV sugárzás azon tulajdonsága, amikor a besugárzott csírák vagy baktériumok elpusztulnak. Az egyes baktériumfajták elpusztításához szükséges dózis meglehetősen nagy szórást mutat, de a hatásgörbe általában a nm-es tartományba esik, maximuma 260 nm körül van. 2. Erythem hatás az UV sugárzás azon tulajdonsága, amely a besugárzott felületen bőrpírt okoz. A hatékony tartomány nm közé esik, a hatás maximuma 297 nm körül jelentkezik. Nagyjából párhuzamos lefutású az UV sugárzás D- vitamin képző, antirachitikus hatása és a bőrpír elmúltával jelentkező barnulás, az indirekt pigmentálás hatása is. Az egyes szerzők által közölt görbék kisebb-nagyobb eltéréseket mutatnak. Az utóbbi két hatás az UV tartomány egészségre kívánatos, előnyös hatása Conjunctivitis hatás az UV sugárzás azon tulajdonsága, hogy az emberi szem kötőhártyáján rohamosan kifejlődő (8 óra) és általában 24 óra alatt lezajló kötőhártyagyulladást okoz. A veszélyes tartomány nm között van, a hatás 260 nm közelében maximális. Különösen gyermekek és csecsemők szemét kell e hatástól óvni, figyelembe véve a környezet tárgyairól szóródó sugarakat is! Ismétlődő hatás a gyorsan lezajló, de igen fájdalmas kötőhártyagyulladás mellett maradandó látóidegsorvadást is okozhat, ezért a védekezést komolyan kell venni! 4. Ózonkeltő hatás az UV sugárzás azon tulajdonsága, hogy a besugárzott levegő oxigénjéből ózont hoz létre. A hatás maximuma 185 nm közelében van, elsősorban a 200 nm alatti sugárzás hatékony. Az ózon igen nagy kémiai aktivitása, oxidálóképessége folytán széthasítja a kellemetlen szagú zsírmolekulákat, így pl. háztartási szagtalanító készülékekben alkalmazzák ezt a hatást. Nagy koncentrációban az ózon fejfájást okoz, az egészségre ártalmas is lehet (pl. spektroszkópiai munkák, Xe-lámpás vetítőberendezések). A leírt hatásokon kívül az UV sugárzás kémiai átalakítást elősegítő hatását használják ki pl. a reprográfiában és különféle fotoreziszt anyagok kezelésénél. Ezek hatásfüggvényei anyagonként eltérőek, ezért általános érvényű görbét nem tudunk közölni. Legtöbbször az UV-A tartományt hasznosítják. 211

212 6.1.2 A látható sugárzás hatása INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A látható tartományba eső optikai sugárzás azon kívül, hogy az emberi látószervben fényérzetet kelt, még egyéb biológiai hatást is kifejt. Ezek közül kettőt mutatunk be a 6.2 ábrán ábra: A látható sugárzás hatásai 1. A direkt pigmentképző hatás eredményeként, a besugárzás következtében a jelenlévő melanin hatására a bőr megsötétedik anélkül, hogy előzőleg bőrpír keletkezne. A hatást nm közé eső sugarak váltják ki, maximális hatékonyságú a 340 nm körüli sugárzás. 2. A bilirubin-lebontás. Az újszülötteket, különösen a koraszülötteket fenyegető súlyos betegség a máj elégtelen működése miatt létrejövő sárgaság, amely a bilirubin nevű vérfesték felhalmozódásának következménye. Ezt a festékanyagot fotokémiai úton is le lehet bontani, szerencsés módon nem mérgező bomlástermékek keletkeznek. E reakció hatásgörbéje a nm közötti tartományba esik, a maximum 450 nm körül található. (Megjegyezzük, hogy fénykezeléssel nem mindenfajta újszülöttkori sárgaság kezelhető.) Infravörös sugárzás hatásai Az infravörös tartomány különféle hatásait az orvostudomány és a technika már régen hasznosítja jóllehet a hatásfüggvények sugárzása az emberi szövetekben elnyelődik, vérbőséget okoz és javítja az anyagcserét ezen alapul az infralámpák terápiás hatása. A szembe jutó intenzív infravörös sugárzásnak káros hatásai is ismertek, így a kemencéknél dolgozók szemét ettől óvni kell, mert a szemlencsében és az üvegtestben vissza nem fordítható károsodások keletkezhetnek (pl. hályogképződés). Az igen hosszú hullámú IR-C sugarak szinte észrevétlen biológiai hatásai eddig kevéssé felderítették, de annyit tudunk, hogy ezek is hatással vannak az emberi szervezetre. Az infravörös sugarak technikai alkalmazásának részletezése igen messzire vezetne. Itt csak egy fontos tényezőre hívjuk fel a figyelmet: az anyagok e sugarakat különböző mértékben nyelik el és a sugárzás behatolási mélysége is anyagonként eltérő. Az optikai sugárzások hatásai közül a világítástechnikus számára a látási információ létrehozása a legfontosabb. A világosban látást jellemző mennyiségek az SI nemzetközi mértékegység rendszerben külön helyet kaptak, a fényerősség egysége független alapmennyiség. A sugárzott teljesítmény jellegű mennyiségekből a fénytechnikai mennyiségek a láthatósági függvény segítségével származtathatók a következő meghatározó egyenlet segítségével: 212

213 Φ = K m Φ e ( λ) V ( λ) d( λ) ahol Φ a fényáram, K m a maximális spektrális fényhasznosítás, 683 lm/w, Φ e (λ) a sugárzott teljesítmény spektrális sűrűsége, V(λ) a láthatósági függvény. Hasonló egyenlettel definiáltuk a biológiailag aktív sugárzástechnikai mennyiségeket. Ha ismerjük a vizsgálandó sugárzó spektrális eloszlását, definiálható olyan k állandó, amely összefüggést ad az adott biológiai hatás (amelyet a B(λ) hatásfüggvénnyel definiáltunk) és a sugárzó által keltett fénytechnikai hatás (pl. a megvilágítás) között. K k = K B m Φ Φ e e ( λ) B( λ) d( λ) ( λ) V ( λ) d( λ) Ismert sugárzótípus esetén a k szám ismeretében elég a sugárzó által keltett megvilágítást, fényáramot, fénysűrűséget stb. mérni ez a világítás-technikus rendelkezésére álló műszerekkel általában nem túl bonyolult feladat és a k állandó ismeretében az adott biológiai hatásra vonatkozó aktív mennyiség egyszerű szorzással meghatározható. A súlyfüggvény összevontan veszi figyelembe a szemre és bőrre vonatkozó ártalmakat. 6.2 Az optikai sugárzással kapcsolatos biztonsági előírások Az optikai sugárzások biológiai hatásaival kapcsolatos biztonsági előírásokat a CIE S 009/E:2002 nemzetközi szabvány tartalmazza, alapulvéve az ICNIRP (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection = A Nem-ionizáló Sugárzások Elleni Védelem Nemzetközi Bizottsága) 1996-ban kiadott irányelveit. A figyelembe vett hatások a következők: - infravörös hályogképző hatás (ipari, vagy hő okozta hályog nm IR-A - fotokeratits (szaruhártyagyulladás) nm UV B+C - fotoretinitis (ideghártyagyulladás, kék fény hatás) nm lencseeltávolítás után nm - a retina hőokozta károsodása nm - ultraibolya hályogképző hatás nm - ultraibolya okozta bőrpír (erythema) (leégés) nm A biztonsági előírások olyan feltételeket rögzítenek, amelyek mellett csaknem valamennyi általános tulajdonságokkal bíró egyén egészségkárosodás nélkül tehető ki a világítóberendezések hatásának. A fotoszenzitivitás különféle válfajaiban szenvedők ebbe nem értendők bele (gyógyszerek hatása, genetikai hibák, sérülések stb.). Az expozíciós határokat úgy állapították meg, hogy a sugárzásnak kitettség időtartama folytonos sugárzás mellett 0,01 ms és 8 óra közötti lehet. 213

214 A szemnek a szélessávú látható és IR-A sugárzásra vonatkozó hatás szempontjából meghatározott biztonságos expoziciós idő meghatározásához ismerni kell a sugárforrás spektrális besugárzását és a szemen mérhető teljes besugárzottság mértékét is. Erre akkor van szükség, ha a sugárforrás fénysűrűsége nagyobb, mint 10 4 cd/m 2, ez alatt feltételezzük, hogy nincs káros expozíció. Nagy fénysűrűségű forrás és 0,25 s-nél hosszabb hatás esetében a kék fény és termikus retinahatás szempontjából 3 mm átmérőjű pupillával számoltak. Amikor a sugárforrás főként IR sugárzást ad le és fénysűrűsége kicsi, a számítás 7 mm átmérőjű (tág) pupillára történik. Ha az IR sugárforrás fényes, korrigálni lehet szűk pupillára- ekkor a pupillaterületek arányával szorozni lehet a megengedhető besugárzás értékét. 0,25 s-nél kisebb időtartamok (ez a pislogási idő) feltételezhető, hogy a sugárforrás pontszerű (α min = 0,011 radián) efelett a gyors szemmozgások a sugár forrás képét elkenik sec besugárzás felett a hatásos szögméret α ~ 0,1 rad. S uv (λ) 6-1. ábra λ, nm A szem és bőr UV károsodásának S uv (λ) hatásfüggvénye 214

215 R(λ) B(λ) 6-2. ábra λ, nm A retinát érő B(λ) kékfény és R(λ)hőhatás hatásfüggvényei - A fedetlen bőrt és szemet érő megengedhető UV sugárzás számításához a Hiba! A hivatkozási forrás nem található.án látható ICNIRP által ajánlott S(λ) hatásfüggvény segítségével kell a sugárzó hatását figyelembe venni. Széles spektrumsávban sugárzó sugárforrás esetében a 8 órás időtartam alatti besugárzás ne legyen nagyobb mint Formázott: Betűtípus: (Alapérték) Arial ahol E S t = t 2 E ( λ, t) S ( λ) t λ 30Jm λ Eλ ( λ, t) a sugárforrás által létrehozott besugárzás Wm -2 mm -1 S uv (λ) az UV sugárzásra vonatkozó hatásfüggvény (7-4. ábra) λ a számításhoz használt hullámhossztartomány nagysága nm-ben t az expozíció időtartama s-ban uv A megengedhető expozíció időtartama (Permissible Exposition Time PET érték) ahol t = 30 max = PET E t max a legnagyobb megengedhető expozíció időtartama E S a hatásos UV sugárzás Wm -2 -ben S UV - A szemet érő közeli UV sugárzás megengedhető mértéke a) nm tartományban (UV-A) nem lehet nagyobb, mint összesen 1000 Jm -2, ha a besugárzás időtartama rövidebb, mint 1000 s (kb. 16 perc) b) 1000 s időtartam felett a teljes UV-A besugárzás legfeljebb 10Wm -2 lehet A megengedhető maximális expozíciós időtartam (1000 s alatt) 215

216 t max = E UV A - A retinát érő kék-fény és hőhatás biztonsági határait a következő módon kell kiszámítani: L B t = t 2 Lλ ( λ, t) B( λ) t t 100 Jm t 100 s esetén L B t = Lλ ( λ, t) B( λ) λ 10 Wm t > 100 s esetén 300 ahol Lλ ( λ, t) a sugárforrás spektrális besugárzása Wm -2 sr -1 nm -1 B(λ) a kék-fény veszély hatásfüggvény (7-5. ábra) λ a hullámhossztartomány sávszélessége t az expozíció időtartama s-ben 100 Wm -2 sr -1 -nél nagyobb hatásos teljesítményt sugárzó sugárforrás esetében a 10 4 s időtartam felett megengedhető legnagyobb expozíciós idő (PET B ) t max 100 = = PETB t 100 s re L B ahol L B a kék-fény hatásfüggvénnyel értékelt besugárzás, átlagolva az α eff pupillaátmérőnek megfelelő térszögre - A retina hőhatás elleni védelme érdekében az R(λ) (7-5. ábra) hatás-függvénnyel értékelt besugárzás a szemen nem lehet nagyobb, mint L R = Lλ R( λ) λ Wm sr 0, α t (10µs t 10 s) ahol L λ a sugárforrás spektrális besugárzási Wm -2 sr -1 nm -1 R(λ) a hőhatás hatásfüggvénye t a hatás (ránézés időtartama) λ hullámhossz sávszélesség α a sugárforrás szögkiterjedése radiánban Többszörös sugárforrás esetében a kritérium az egyes elemekre külön vonatkozik. Ha az elemek nem válnak el egymástól, a teljes sugárforrás szögkiterjedésével kell számolni. 6.3 Fényforrások környezeti értékelése A fejezet szerzője: Gröller György (Óbudai Egyetem KVK MTI) 216

217 Minden ipari, de tágabban minden emberi tevékenységnek hatása van a környezetre. Lehet kisebb, nagyobb, hasznos vagy károsító. Természeti erőforrásokat fogyasztunk (kivonunk anyagokat a Földből, bioszférából, átemeljük a technoszférába), azokat a technológia és a használat során átalakítjuk, majd a természet számára idegen anyagként bocsátjuk vissza. A korszerű környezetvédelmi szemlélet szerint ezt a folyamatot követjük, sorra vesszük az erőforrások fogyasztását és a környezetet terhelő emissziókat. Ezek ismeretében lehet beavatkozni, a nagyobb terheléseket csökkenteni, vagy már a tervezési fázisban figyelembe venni a környezetbarát megoldásokat. A fényforrások egyértelműen energiafogyasztásukkal okozzák a legnagyobb környezetterhelést, ezért sokszor nagyvonalúan elintézik a környezeti értékelést: ami energiatakarékos, az környezetbarát. Nem tagadva ezt, mégis nézzük meg árnyaltabban, a lámpák életciklusa során milyen, környezetileg kritikus fázisokat találunk! Alapanyagok: A lámpagyártáshoz használnak néhány olyan fémet, amelynek ismert földi készlete erősen fogyóban van. Ilyenek pl. az indium (In), amely a kerámiacsöves kisülőlámpákban van, és a ritkaföldfémek (yttrium, európium, terbium, diszprózium, stb.), amelyek főképp a fénycsövek és újabban a LEDek fényporaiban, továbbá a fémhalogén lámpákban szükségesek. Kiváltásuk nem nagyon lehetséges, tehát csak a nagyobb arányú újrahasznosítás javíthat a környezeti mérlegen. Másik csoport az előállításhoz sok energiát igénylő anyagok: Ilyen a wolfrám, a nikkel és az alumínium is. Utóbbi pl. a LED-ek környezeti profilján ront egy keveset, hiszen a hűtéséhez nagy tömegben van rá szükség. Külön kell tárgyalni a higanyt; az RoHS direktíva az általános tiltás mellett a Hggőz lámpákban 5 mg/lámpa mennyiséget engedélyez. Ennek oka, hogy a jobb hatásfoka miatt minden környezeti jellemzője jobb, mint a normál izzóké. Sőt, még a Hg emissziója is kevesebb, mert az izzólámpák nagyobb fogyasztása miatt több fosszilis tüzelőanyagot kell elégetni, és az erőművek füstgázával több Hg távozik a légkörbe, mint amennyi egy fénycsőben van. A gyártási folyamat általánosságban nehezen írható le, extrém, kezelhetetlen környezeti ártalmak nincsenek. Különleges a félvezető technológia: nagy energia és anyagfogyasztás, sok veszélyes anyag is, de a kis tömegű chip miatt az egy lámpára jutó környezetterhelés minimális. A szállítás, kereskedelmi tevékenység minden lámpánál megjelenik, relatíve nem nagy terhet jelent, de a mai globalizált gyártás szállítási igénye, és annak környezeti hatása igen nagy. Használat, energiafogyasztás: 6.3. ábra: A Hg emissziók összehasonlítása 217

218 Az energiahatékonyság jelentőségét a 6.4 ábra mutatja. Azonos fényenergiára (10 6 lumenóra) vonatkoztatva az életút három szakaszának CO 2 kibocsátását ábrázolja a két fényforrásra. Látható a fogyasztás domináns szerepe. (A CO 2 kibocsátás megfelel az un. karbon lábnyomnak, amely manapság népszerű környezeti jellemző.) Életút vége: 6.4. ábra: Az energiahatékonyság jelentősége A használatból kikerülve a lámpák a szokások és a szabályozás függvényében részben kidobásra kerülnek, részben újrahasznosításra, ártalmatlanításra. A WEEE direktíva szerint korlátozás nélkül hulladékba dobhatók a normál és halogén izzók. A többi lámpatípusra szigorú,70 80%-os visszagyűjtési és újrahasznosítási arányt ír elő. A feldolgozás során a lámpákat válogatják, megőrlik, ha kell a Hg-t desztillációval kinyerik. Az üveg és a fémek szétválaszthatók és visszaforgathatók, a fényporokat egyelőre veszélyes hulladékként lerakják, de kutatások folynak a feldolgozásukra. A LED-ek hosszú élettartama miatt még kevés tapasztalat van az újrahasznosításukról. Végül nézzünk meg egy összefoglaló grafikont egy átfogó vizsgálat eredményéből. Öt jó hatásfokú fényforrás életciklus-elemzését elvégezve 15 környezeti hatáskategóriában hasonlították össze azokat. Minden hatáskategóriában 100-nak vették a 100 W-os normálizzó környezetterhelését, és ehhez képest ábrázolták az összes többit. (6.5 ábra) 218

219 6.5. ábra: Kétféle LED, kerámiacsöves fémhalogén, T5-ös fénycső, 23W-os kompakt fénycső környezetterheléseinek összehasonlítása életciklus-elemzés alapján (forrás: Life Cycle Assessment of Ultra-Efficient Lamps SPMT08_069) Az ábra alapján jól látható, hogy az életciklus elemzés alapján a normál izzólámpák messze elmaradnak az azokat kiváltani hivatott kisüléses vagy LEDes fényforrások mögött. Ez is azt támasztja alá, hogy bár az izzólámpáknak kétségtelenül vannak előnyös tulajdonságaik, és (főként) az idősebb korosztály még érzelmileg kötődik hozzájuk az izzólámpák kiváltása megfelelő minőségű alternatív fényforrásokkal indokolt. 6.4 Fényszennyezés Bevezetés Napjainkra egyértelművé vált, hogy a mesterséges világítás hasznos tulajdonságain kívül károssá, zavaróvá is válhat. A világítás negatív aspektusai nagyon szerteágazóak, érintik a munka- és közbiztonságot, a természeti környezet és tájkép védelmét. Egyre több tanulmány talál kapcsolatot az alvó embereket ért megvilágítás és egyes megbetegedések között. A nem megfelelően megvalósított, túlméretezett vagy éppen feleslegesen bekapcsolva hagyott világítás miatt évente több millió madár pusztul el, denevérek, rovarok élettere szorul vissza. A ma felnövő fiatalok egy része számára ismeretlen a Tejút látványa. A fény káros hatásai, a zavaró fények jelentősen csökkenthetők lennének anélkül, hogy azzal a világítás eredeti célja csorbát szenvedne. A közvilágítás is lehet optimálisan megvalósított vagy akár erősen kápráztató hatású is. Érdemes ezért áttekinteni a zavaró fényekkel kapcsolatos főbb fogalmakat és ismereteket. Ismernünk kell a zavaró fény főbb aspektusait, következményeit, a fényszennyezés légköri terjedésének törvényszerűségeit ahhoz, hogy a zavaró fény okait megfelelően megértsük, és megfelelő lépéseket tehessünk ellene A zavaró fény és a fényszennyezés A jelenségkör összetettsége miatt a zavaró fény definíciója is összetett, célszerű ezért egyes fogalmakat először külön-külön is definiálni. Egyes kifejezéseknél amelyek nem szerepelnek elterjedten a magyar nyelvű szakirodalomban az angol megfelelőket is megadjuk. Káprázás: A látás kényelmetlensége és/vagy a tárgyak felismerhetőségének csökkenése, a fénysűrűség szokatlan eloszlásának vagy szokatlan értékének, illetve a térben vagy időben fellépő igen erős kontrasztnak a következtében (MSZ definíciója). Tipikusan ebbe a kategóriába tartoznak a gépjárművezetést és munkavégzést zavaró fények. Birtokháborítás fénnyel (light trespass): az a fény, amely a megvilágításra szánt területet övező ingatlanokra, épületekre esik, és ott káprázást, vagy egyéb kellemetlenségeket okoz. Ebben a kategóriában különösen fontos odafigyelni az ablakokon beszűrődő, az éjszakai pihenést zavaró fényekre. Ide tartozik ezen kívül a lámpatestekből közvetlenül a védett természeti területekre eljutó fény is. 219

220 Az (éjszakai) égbolt (mesterséges) fénylése (skyglow): Az égbolt megnövekedett fénysűrűsége, ami felhők megvilágításából illetve a levegő molekuláin és aeroszoljain szóródó mesterséges világítástól eredő fényből származik. Mindezek után már definiálhatjuk a zavaró fényeket azok hatása szerint: Zavaró fény az a fény, amely káprázást, birtokháborítást, az égbolt mesterséges kifényesedését vagy bármi más nemkívánatos környezeti hatást okoz. Mindezt átfogalmazva abból a szempontból, hogy miként jön létre a hatás: zavaró fénynek tekintjük a megvilágítás azon részét, ami nem a megvilágítandó felületre, irányba és nem a megfelelő időszakban jut. De zavaró fényt jelent a szükséges szintnél lényegesen nagyobb megvilágítás is. Általánosan elmondhatjuk, hogy a horizont síkja fölötti irányban elszökő fény zavarónak tekinthető ábra Közvilágítás lakótelepi környezetben, és a fénysűrűség eloszlása hamis színekkel ábrázolva. A Színskálán feltüntetett értékek cd/m 2 -ben értendők. A 18.1 ábrán bemutatunk egy tipikus helyzetet, amikor a közvilágítás kápráztat és birtokháborítást okoz. A felvétel egy dombról, kb. 4 méter magasságból készült. A fal egyes részeinek fénysűrűsége több mint négyszerese az úttest fénysűrűségének. A falon kirajzolódó mintázat a lámpatest elkoszolódott üvegburájának következménye a fénysűrűség maximumát kb egy emeletnyi magasságban éri el. A matt felület reflexiós tényezőjét 0,5-nek véve, az ablakoknál a megvilágítás eléri eléri a 10 lx értéket, ami már birtokháborító fénynek számít. Ráadásul az éjfélt követő időszakban több szabályozás és javaslat szerint még alacsonyabb határértékekkel kell számolni. 220

221 A bemutatott példa egy az MSZ szabvány szerinti M5 besorolású (városi kiszolgáló út) környezetéről készült, azaz az úttest átlagos 0,4 cd/m 2 -es fénysűrűsége megfelelő. Sokszor egyenlőséget tesznek a zavaró fény és a fényszennyezés között. Ez nem helyénvaló, mivel fényszennyezésen főként csak a levegő részecskéiről visszaszóródó fényt, azaz az égbolt mesterséges fénylését értjük. A jelenségkör ezen kettős definíciója (fényszennyezés zavaró fény) még nem zárult le teljesen, de a mérvadó testületek és szervezetek (pl. a Nemzetközi Sötét Égbolt Szövetség) már ezeket a meghatározásokat használja. Előfordulnak még a fényszennyezésre olyan definíciók amelyek a szennyezés jogi értelmezése szerint azt a fénymennyiséget értik, amelynek humán egészségügyi kockázati vagy az élővilágot veszélyeztető hatása van. Ez utóbbi definíció azonban csak nagyon nehezen számszerűsíthető, míg az éjszakai égbolt fénylésére jó mérőszám annak fénysűrűsége. A fényszennyezés definícióbeli bizonytalansága a közvilágítás szempontjából szerencsére érdektelen, mert minden formában a zavaró fények definícióján belülre sorolható. Közvetett környezetvédelmi és gazdasági szempontból fontos megemlíteni a világítási berendezés energiahatékonyságát, ami közvetlenül nem illeszthető egyik definícióba sem. Egyértelmű viszont, hogy a zavaró fények annak definíciója szerint feleslegesen energiaveszteséggel is járnak. A Nemzetközi Energiaügynökség 2006-ban megjelent tanulmány szerint a megtermelt elektromos energia 19 %-át világításra használjuk. Ennek megfelelően a közvilágítás energiahatékonysága az energiaforrások szempontjából globálisan is fontos A zavaró fény hatásai A zavaró fény definíciójában szerepelnek annak főbb hatásai, amelyek közül van, ami nem szorul részletesebb magyarázatra. A káprázás jelensége közismert a gépjárművezetők számára a szembejövő járművek világítása kapcsán. Sajnos egyre gyakrabban találunk rosszul elhelyezett, rögzített helyzetű fényforrásokat, amelyek a közutakon balesetveszélyt is jelentenek. Ezek többnyire térvilágítási, vagy biztonságtechnikai szempontból használt fényvetők ( őrlámpák ). A közvilágítás is lehet kápráztató hatású, ha a vízszinteshez képest kis szögekben is jelentős a fénysűrűsége. A fény birtokháborító hatása kevésbé ismert, pedig az emberek számára élhető környezet szempontjából az egyik fontos tényező. Ebben a kategóriában az egyik fő hatást az éjszakai pihenést zavaró fények jelentik. Gyakran elbagatellizálják ezt a problémát azzal, hogy mindenki ernyőzheti ablakát redőnnyel, sötét függönnyel. Azonban már csak pszichológiai szempontból sem feltétlenül előnyös ez a megoldás. Természetes életritmusunk a nappalok és éjszakák változó fényviszonyainak megfelelően alakult ki, többen igényeljük azt, hogy a nap a környezetünk természetes világosodásával induljon. Ráadásul a nyári időszakban az éjszakai szellőztetéssel elkerülhető a légkondicionálás használata. A hatékony szellőztetést pedig megakadályozza az ablakok ernyőzése. 221

222 De miért is fontos éjszakánkban a sötétség? Az elmúlt években egyre több tanulmány lát napvilágot, melyek az embert alvás közben ért megvilágítás káros hatásával foglalkoznak. Az már bizonyított tény, hogy a melatonin hormon termelését a környezet fényviszonya határozza meg. Ez a hormon alvás közben termelődik, de csak akkor, ha megfelelő sötétségben pihenünk. Már alacsony szintű megvilágítás is a hormontermelés blokkolásához vezet. Több kutató talált összefüggést a melatonin termelésének gátlása és egyes daganatos megbetegedések kockázata között. A melatonin mint antioxidáns, szervezetünk természetes védekező mechanizmusának egyik fő alkotója. Egy Izraelben készül vizsgálat szerint az éjszakai mesterséges világítás mennyisége és a mellrák előfordulása között szignifikáns korreláció van. A közvetlen egészségügyi kockázaton túl sok ember számára az éjszakai pihenés hatékonyságát is csökkentik a zavaró fények. Az alvó embert ért zavaró fény kapcsán fontos annak hatásmechanizmusával is megismerkednünk, mert az a megfelelő világítás szempontjából is fontos. Mindössze pár éve ismert, hogy a fotopos (nappali) látásért felelős csapokon és a szkotopos (éjszakai) látásért felelős pálcikákon kívül egy harmadik fényérzékeny, a melatonin termelés szabályozásáért felelős érzékelő sejt is található a retinában. Ez utóbbi a lecsukott szemben, a szemhéjon keresztül is érzékeli a fényt. Az érzékelési tartományának maximuma nanométernél, azaz az éjszakai látás maximumánál is kékebb sávban van. Ebből következik, hogy olyan helyszíneken, ahol elkerülhetetlen, hogy lakóhelyiségekbe jusson zavaró fény, törekedni kell arra, hogy az minél kevesebb kék komponenst tartalmazzon. Ebből a szempontból a nátriumlámpák fénye ideálisnak mondható. A LED-es világítás várható jövőbeni elterjedésekor erre a szempontra különösen figyelni kell, mert a LED-ek legtöbb típusánál a kék komponens jelentős aránnyal szerepel a teljes fényenergián belül. A zavaró fény definíciójában szereplő nemkívánatos környezeti hatás igényli a legtöbb magyarázatot, mivel kevésbé ismert, mint például a káprázás jelensége. Ebből a szempontból a zavaró fény ökológiai hatásait kell elsősorban megvizsgálnunk. Évente több tízmillió egyes becslések szerint akár 100 milliónyi madár pusztul el a mesterséges fények hatására. Ez a tény önmagában jelzi, hogy az ökológiai aspektusra is kiemelten oda kell figyelnünk. A madarak pusztulását elsősorban a túlzott mértékben megvilágított épületek jelentik, különösen akkor, ha azok a vonulási útvonalakba, vagy azok közelébe esnek. Hazánkban ez a jelenség kevésbé figyelhető meg, de pl. az éjszaka vadászó gyöngybaglyok esetében már megfigyelték, hogy a túlzott éjszakai megvilágítás visszaszorítja életterüket. A baglyokhoz hasonlóan a denevérek esetében is megfigyelték, hogy a templomtornyok díszvilágítása miatt ezek az állatok eltűntek a templomok padlásáról, vagy ha maradtak is, a táplálékszerzésre használható időszak jelentősen csökkent. Az éjszakai, repülő rovarok szempontjából a zavaró fények hatása mindenki számára ismerős sok esetben éppen a nem megfelelően zárt lámpatestekbe jutott és ott elpusztult rovarok maradványai csökkentik le a berendezés hatásfokát. A megvilágított környezetben a biodiverzitás már sérült, egyes rovarfajok csak a sötétebb környezetben maradtak fent. A rovarok számának csökkenése a táplálékláncon keresztül viszont megint csak hatással van az egész élővilágra. A hasznos rovarok eltűnésével sérül a növényi környezet is, a virágporzás elmaradása és a kártevők természetes ellenségeinek eltűnésével. A fénycsapdába eső rovarok 222

223 sok esetben a madarakat is a fények közelébe csalják, így közvetve kártékonyan érintve a madár populációt is. Sorolhatnánk az ökológiai problémákat, de jelen írásnak nem ez a célja, így csak ízelítőt adhatunk a nem megfelelően megvalósított világítás negatív hatásáról ábra Az égbolt fénysűrűség-eloszlása a budapesti Svábhegyről és a Zselici Tájvédelmi Körzetből A környezeti hatások között ki kell térnünk a világítás tájképi hatására is. Egy világörökséget jelentő természetes módon az éjszaka sötétségben lévő tájképet könnyen elronthatják a nem megfelelő világítási berendezések. Ilyen esetekben különösen oda kell figyelni arra, hogy a tájkép helyett ne a világítási berendezések látványa és azok közvetlen fénye domináljon. Képzeljük csak el, hogy a hortobágyi éjszakai pusztában a Kilenclyukú híd helyett egy szomszédságában lévő körforgalom kivilágítása uralja a látványt és nem a csillagos ég alatt derengő híd. Rossz álom, de világítási és ökológiai szakemberek komoly munkájára volt szükség ahhoz, hogy ez a terv meghiúsuljon. A zavaró fények tájképi hatásához szorosan kapcsolódik az égbolt mesterséges fénylése. A lakóterületen kívüli éjszakai tájkép természetes része a csillagok, a Tejút látványa. A csillagos égbolt az emberi civilizáció folyamán mindig is fontos szerepet játszott kulturális és tudományos szempontból egyaránt. Gondoljunk csak a navigációra a tengeri hajózás szinte elképzelhetetlen lett volna a csillagos égbolt ismerete nélkül. A városi emberek számára a csillagos égbolt szinte eltűnt. Többször előfordult már, hogy áramszünet alkalmával az emberek meglepődtek a számukra ismeretlen látvány hatásán meglepő égi fénylésekről számoltak be holott csak a Tejutat pillantották meg. Figyelembe véve az elmúlt évtizedek tendenciáit, és az antropomorf égi fénylés mai szintjét, ha nem teszünk semmit, egy-két évtizeden belül a Tejút látványa eltűnhet Európa lakosságának döntő hányadának égboltjáról. Pedig a megfelelő szintű világítás és a csillagos égbolt látványának megtartása nem mond ellent egymásnak található olyan optimális megoldás, amellyel mindkét cél 223

224 teljesíthető. A Tejút eltüntetése ráadásul nem büntetlen cselekmény ezért jelentős pénzbírságot fizetünk az energia árán keresztül A zavaró fény terjedése ábra Falusi és városi utcák éjszakai fényei a horizont feletti kis szögű irányból fényképezve. Többnyire maguk a lámpatestek, és nem a reflektáló felületek jelentik a fényszennyezés fő forrását. A zavaró fény azon csoportjában, ahol az azt okozó fényforráshoz közel vagyunk, egyszerűen a geometriai optika, és a megszokott fénytechnikai számítások alkalmazhatók. Ha eltávolodunk azonban a megvilágított területtől, figyelembe kell vennünk a légköri fényszóródás sajátosságait is. A fotonok haladását a levegő molekulái és a szennyező aeroszolok akadályozhatják. Látható tartományban elsősorban a fény szóródása jellemző, azaz a légkör nem nyeli el a fénysugarakat, hanem csak irányváltoztatásra kényszeríti azokat. Az infravörös tartományban ellenben már a fény elnyelése, abszorpciója válik dominánssá. A világítás szempontjából ennek megfelelően a fényszórással kell csak foglalkoznunk. Jó átlátszóság mellett a földi légkörben a fotonok átlagosan 10 és 50 km közötti utat tesznek meg, mielőtt szóródnának a levegő részecskéin. Ez az útvonal ködös időben párszor 10 méterre csökken. Függőlegesen felfelé haladva 10 km után a levegőmolekulák és a szennyező anyagok nagy részét magunk mögött hagyjuk. Ennek megfelelően, tiszta időben, a függőlegesen eltávozó fénysugaraknak csak egy kisebb része szóródik a légkörön belül. Budapestihez hasonló körülmények között ez 224

225 az arány % körüli, azaz a fény kétharmada-háromnegyede a világűrbe távozik. Jelentősen változik a helyzet, ahogy a függőlegessel bezárt szöget növeljük, hiszen egyre hosszabb utat tesz meg a fény a légkörben, ezzel növelve a szóródás lehetőségét. 5 fokkal a horizont feletti irányban már a fény 95 %-a szóródik, a horizont irányában pedig mindössze 0,005 % szabadul ki szóródás nélkül a világűrbe. Az iménti értékek nagymértékben függnek a hullámhossztól, a fény színétől. A kék sokkal inkább szóródik ezért lesz vöröses a kelő nap, és kék az égbolt színe. A fényszóródás színfüggése azért is fontos, mert a nátriumlámpák sárgás fényéhez képest a sok kéket tartalmazó források fénye sokkal jobban szóródik a légkörben. Milyen következményekkel jár a föntebbi információ a zavaró fényekkel kapcsolatban? A válasz egyértelmű: az égbolt mesterséges fénylése a légköri fényszóródás és a mesterséges világítás együttes következménye. A horizonthoz közeli irányba eltávozó fotonok döntő többsége szóródik, ennek a fele a földfelszín irányába jut vissza. A többszörös szórás miatt a felső térfélbe szóródó fény egy része megint csak a talaj irányába jut. Ennek megfelelően a horizont közelében eltávozott fényáram több mint a fele az égbolt mesterséges fényléseként kerül vissza, ezzel zavarva a környezetet. Hangsúlyozzuk, hogy nem csak a csillagos égbolt láthatósága romlik ezáltal, hanem mindez az élővilág számára is kockázatot jelent. Átlagos beépítettséget, úttesti és környező reflexiót, valamint a fényterjedés szabályosságait figyelembe véve meghatározható, hogy az egyes kisugárzási szögtartományokban mekkora az eltávozó fényáram fényszennyezést okozó relatív hatása. Az IDA (International Dark-sky Association) és az IES (Illuminating Engineering Society) egy közös jogszabálytervezetében (lásd bővebben a fejezetben) javaslatot is tesz erre a függésre, amit égbolt kifényesedési aránynak neveztek el. Ez a mennyiség a 90 és 100 fok közötti tartományban távozó fény hatását tekinti egységnek, és ennek arányában adja meg a más kisugárzási szögtartományokban távozó fényáramnak az éjszakai égbolt kifényesedésére gyakorolt hatását. 225

226 18.4 ábra Az égbolt kifényesedési arány a kisugárzási szögtartomány függvényében Látható, hogy a 90 fok körüli kisugárzási szögekben távozó fény jelenti a legfőbb veszélyt az égbolt kifényesedése kapcsán. Ha a 90 fok fölötti (tehát a horizont síkja feletti tartományban nem bocsátunk ki fényt, az már jelentős mértékben csökkentheti a fényszennyezést A zavaró fény okozói Optimális esetben a világítótestből csak a megvilágítandó felületre jut fény. Ebben az esetben is elkerülhetetlen az, hogy a megvilágított felületről fény verődjön vissza olyan irányba, ahol az nem hasznosul. Sajnos teljesen optimális világítási berendezés csak nagyon ritkán hozható létre, ezért a veszteségek nem csökkenthetők nullára. Azonban mindig törekedni kell arra, hogy minél inkább megközelítsük az optimális megoldást. Nézzük át a nem hasznosuló fény főbb komponenseit! A megvilágítandó felületen kívül jutó fényáram jelölésére a kieső fény (spill light) kifejezést használhatjuk. Tévesen ezt időnkét az égbolt kifényesedésével keverik össze, holott a kieső fény kategóriájába tartozik az összes fényáram, ami nem hasznosul, pl. az épületek homlokzatára jutó fény is egy úttest megvilágítása esetén. Amennyiben a megvilágítás aszimmetrikus (pl. egy oldalról megvilágított úttest) a kieső fény vízszintes sík alá eső fényáram hányadát szokás még két részre az előre és a hátra irányuló komponensre (front és back light) bontani. A kieső fény azon része, ami a horizont síkja fölé irányul a felső térfélbe jutó (vagy felfelé irányuló) fényáramhányad (upward light output ratio, ULOR). Ez utóbbi adja a legjelentősebb járulékot az 226

227 éjszakai égbolt kifényesedéséhez. A kieső fény magában foglalja a kápráztató hatásért és a birtokháborításért felelős fényáramhányadot is. Célszerű a lámpatestet elhagyó teljes fényáramot a függőlegessel bezárt szög szerinti tartományokba sorolva is jellemezni, hiszen a föntebb taglalt komponensek is ennek megfelelően csoportosíthatók. A zavaró fény hatásai szerint az egyes szögtartományok ráadásul eltérő módon szerepelnek. Így amint azt a 18.4 ábra mutatja az égbolt kifényesedéséért a fok közötti irányszögtartomány a leginkább felelős. A 100 és 180 fok közötti rész együttesen kezelhető, az itt távozó fényáram is a fényszennyezés jelentős okozója ráadásul egyáltalán nem hasznosul. A fokos tartomány felelős leginkább a káprázásért anélkül, hogy a ténylegesen megvilágítandó felületen lényegesen hozzájárulna a megvilágításhoz. Az iménti tartomány a fok közötti résszel kiegészülve adja a birtokháborító fény fő komponenseit. Ha az úttestről (a megvilágítandó felületről) visszaverődő fény által létrehozott égbolt fényesedés mértékét egységnyinek tekintjük, akkor ennek arányában határozhatjuk meg az egyéb irányban távozó fényáram hatását. P. Cinzano fényterjedési vizsgálatai szerint, olyan lámpatesteknél, amelyek ULOR hányada közvetlenül a horizont síkja fölé távozik, 1%-nyi ULOR növekedés 100 %-nyi fénysűrűség növekedést okoz a fényforrásoktól távolabb, az égbolton. A lefelé irányuló fény nem hasznosuló része ennél kevesebb, de számottevő növekményt okoz az égbolt fénylésében: A talaj fényvisszaverő képességének függvényében, 50%-os lefelé irányuló kieső fény esetén, általában %-kal növekszik az égbolt fénysűrűsége. 227

228 18.5 ábra Jó és rossz kialakítású és elhelyezésű lámpatestek Az eddigiek alapján a zavaró fények elkerülésének 3 fő összetevője van: Olyan lámpatesteket kell használni, és azokat úgy kell elhelyezni, hogy lehetőleg ne bocsássanak ki fényt a horizont síkja fölé (18.5 ábra). A talajról visszaverődő fényt úgy kell minimalizálni, hogy nem világítjuk túl a felületet, úttestet. A kieső fény hányadát (ami a talajról, épületekről visszaverődik) minimalizálni kell A zavaró fények mérőszámai A világítási berendezéshez kapcsolódó mérésekről a 16. fejezetben olvashatunk, így itt csak utalunk azokra. A zavaró fények egyes komponensére azonban más mérőszámok vonatkoznak. Talán a káprázást a legnehezebb számszerűsíteni, nem is létezik egyedüli mérőszám, ami azt jól leírná. A közvilágítás szempontjából talán még a de Boer-féle szubjektív skála a legegyszerűbb. Az 1-9-ig terjedő skálán 1 felel meg az elviselhetetlen; 3 a zavaró; 5 a még éppen elviselhető; 7 az elfogadható és 9 az éppen csak érzékelhető káprázásnak. Léteznek számolási eljárások, amikkel akár a de-boer skála is objektívebb módon megadható a megfigyelő szemének síkjában mérhető megvilágítás valamint a megfigyelési pont és a fényforrások geometriai 228

229 elhelyezkedése alapján. Több hasonló definíció létezik, de ezek nem kapcsolódnak közvetlenül a jelen kötet céljaihoz, így azokkal nem foglalkozunk. Leképező fénysűrűségmérőkkel meghatározható egy település részletének fénysűrűségeloszlása. Az ilyen mérésekből is származtatható néhány mennyiség, amelyekkel a zavaró fények jellemezhetők. Ilyenek lehetnek pl. a hasznos megvilágított és a kieső fénnyel megvilágított terület fénysűrűségei. A birtokháborító fény kapcsán az ablakban mérhető vertikális megvilágítás adja a fő mérőszámot. Az elfogadható értékre több ajánlás létezik, ami függ attól is, hogy hol található a kérdéses épület. Általában 1-és 10 lux közötti az az érték, amit elfogadnak, de ennél kisebb értékekre is léteznek javaslatok. Az égbolt kifényesedéséhez kapcsolódó fényszennyezésre a holdmentes éjszakai tiszta csillagos égbolt fénysűrűsége egy jól definiálható mérőszám. A mesterséges fényekből származó értéket (L a ) célszerű az égbolt természetes fénysűrűségéhez hasonlítani, ami körülbelül L n = cd/m 2. A természeteshez teljes mértékben közeli égboltot csak L a /L n <0,01 estén találunk. Kiemelten védett területeken mint például a tervezett csillagoségbolt-parkok ez az érték nem lehet nagyobb egynél, és még elfogadható az égbolt fénylése, ha L a /L n <3,0. A 18.2 ábrán az utóbbi kritériumnak megfelelő területek sötétkék színűek. Látható, hogy a fővárostól távoli tájvédelmi körzetben elérhető ez az érték, a főváros hegyvidéki részén már jóval nagyobb az égbolt fénylése Jogi szabályozás és zavaró fények Magyarországon még nincs teljes hatókörű jogi szabályozás a zavaró fények kapcsán. Több nemzetközi példa is mutatja azonban, hogy országos hatókörű szabályozás létrejöhet, és mivel ilyenre hazánkban is igény van, számíthatunk arra, hogy hosszú távon nálunk is szigorúbb jogi rendelkezés jön létre a zavaró fények visszaszorítására. Ennek megfelelően a jövőben megvalósuló közvilágítási berendezéseket célszerű már olyan szempontból tervezni, hogy azok megfeleljenek hosszabb távon is a lehetséges szabályozásoknak Meglévő hazai törvények, jogszabályok Nemrég kihirdetésre került a természet védelméről szóló évi LIII. törvényt (is) módosító évi XCI. törvény. A törvény 19. -a áttörésnek tekinthető a fényszennyezéssel kapcsolatos hazai jogi szabályozás történetében. Megszületett az első hazai jogszabály, amely foglalkozik a kérdéssel, és lehetővé teszi a fényszennyezés korlátozását, legalább védett természeti területen. A törvény így rendelkezik: Védett természeti területen a helyhez kötött kültéri mesterséges megvilágítást külterületen, illetve beépítésre nem szánt területen - a közcélú 229

230 közlekedési létesítmények biztonságos üzemeltetéséhez szükséges megvilágítástól eltekintve - úgy kell kialakítani, hogy a védett vagy a közösségi jelentőségű állatfajokat ne zavarja, veszélyeztesse, károsítsa. A törvény általánosan fogalmaz, így konkrét utasítást nem ad. Viszont a védett természeti területek (nemzeti parkok, tájvédelmi körzetek, stb.) közelében feltétlenül figyelni kell erre is a közvilágítás tervezésekor. Az 182/2008. (VII. 14.) Korm. rendelettel módosított országos településrendezési és építési követelményekről szóló 253/1997. (XII. 20.) Korm. rendelet (OTÉK) is tartalmaz olyan részeket, amelyek a kültéri világításra is alkalmazandók. Ezt már csak azért is figyelembe kell venni, mert született olyan jogerős döntés, amiben erre hivatkozva kötelezték egy ingatlan tulajdonosát, hogy a szomszédját zavaró világítást szerelje le. Hasonlóan figyelembe kell venni az évi LXXVIII. törvényt az épített környezet alakításáról és védelméről (Étv). Az OTÉK IV. fejezetének általános előírásait tartalmazó 50. (2) bekezdése a következőképpen rendelkezik: (2) Az (1) bekezdésben foglaltakon túlmenően építményt és annak részeit a rendeltetési céljának megfelelően, és a helyszíni adottságok figyelembevételével kell megvalósítani úgy, hogy az a) ne akadályozza a szomszédos ingatlanok és építmények, önálló rendeltetési egységek rendeltetésszerű és biztonságos használhatóságát, Az OTÉK használati biztonságról rendelkező 54. fejezete a következőképpen rendelkezik: 54. (1) Az építményt és részeit, az önálló rendeltetési egységet, helyiséget és annak részleteit úgy kell megvalósítani, ehhez az épületszerkezetet és beépített berendezést úgy kell megválasztani és beépíteni, hogy a rendeltetésszerű használathoz biztonságos feltételeket nyújtsanak, és ne okozzanak balesetet, sérülést, például b) megbotlást, mellélépést (pl. nem megfelelő világítás miatt), e) ütközést (pl. nem megfelelő megvilágítás, vészvilágítás hiánya, tükröződés miatt, vagy építményen belüli járműmozgásból), (2) Az építményt és részeit, továbbá a köz- és díszvilágítást, a fényreklámot és hirdetőberendezést úgy kell elhelyezni, kialakítani, hogy a fényhatás a) az építmények és a helyiségek rendeltetésszerű használatát ne akadályozza, b) a környezet rendeltetésszerű használatát (pl. tükrözéssel) ne zavarja, a közlekedés biztonságát ne veszélyeztesse. Az Étv. 47. (2) bekezdés c) pontja szerint: (2) Az építésügyi hatóságnak el kell rendelnie: a) az építmény, építményrész részleges vagy teljes átalakítását, - amennyiben ez nem lehetséges, vagy ha az építtető ezt nem vállalja - a lebontását vagy az újraépítését, ha a kivitelezés az állékonyságot, az életet és egészséget, a köz- és vagyonbiztonságot veszélyeztető módon történik, 230

231 b) az építmény, építményrész állékonyságát, az életet, egészséget, a köz- és vagyonbiztonságot veszélyeztető, valamint az engedély nélküli használat megszüntetését, c) az építmény, építményrész hibáinak, hiányosságainak megszüntetését, ca) ha azt rendeltetésszerű és biztonságos használatra nem alkalmas módon építették meg, vagy ezáltal idegen ingatlanban az állékonyságot, az életet és egészséget, a köz- és vagyonbiztonságot veszélyeztető állapot keletkezett, A fönti rendeletekből kihagytuk azokat az alpontokat, amik közvetlenül nem alkalmazhatók a kültéri világításra. Sajnos könnyen találunk olyan világítási megoldásokat, amelyek az idézett rendeleteket nem teljesítik. A legkirívóbbak azok az esetek, amikor a mozgásérzékelős fényvetők akkor kapcsolódnak be, amikor valaki pl. egy lépcsőhöz ér, és kápráztató hatásával akadályoz a megfelelő tájékozódásban és így az OTÉK 54. (1) b) előírása azonnal csorbát szenved. Az OTÉK 50. (2) a) pontja pedig könnyedén alkalmazható arra az esetre is, ha lakóház ablakain beszűrődő fény annak birtokháborító hatásával akadályozza a hálószoba használatát, azaz az éjszakai pihenést. Az Étv fönti cikkelye jogi lehetőséget teremt arra, hogy az OTÉK idézett részeinek megsértése esetén határozattal kötelezzék a világítási berendezés megszüntetésére vagy módosítására. Nemzetközi tendenciák Egyedül egy országban, Szlovéniában van teljes körű jogi szabályozás, de részleges, például tartományokra kiterjedő törvénykezés, több helyen létezik. Több országban folynak előkészületek hasonló rendeletek készítésére, és az európai ökotervezési irányelv kapcsán is egyre hangsúlyosabban foglalkoznak a zavaró fények kérdésével. Érdemes megnéznünk a Szlovéniai törvény pár részletét: A használatról szóló 2. cikkely tartalmazza a kivételeket, amikor a törvényt nem kell alkalmazni. Ezek elsősorban a biztonsági világítások, a közúti- vasúti- és légi közlekedéshez kapcsolatos jelzőlámpák, jelzőfények, egyedi rendezvények fényei és a december 10. és január 15. közötti időszakban a dekorációs fények (karácsonyi díszvilágítás). A kivételek tekintetében a legtöbb szabályozás hasonlóképpen rendelkezik. A 4. cikkely (Megvilágítás környezetbarát lámpatestekkel) tartalmazza a törvény lényegi részét, amely kimondja, hogy Külső világításra csak olyan lámpatestek használhatók, amelyek 0 % emissziót bocsátanak a fényforrásból a horizont síkja fölé. Kulturális jelentőségű helyeken olyan lámpatestek is használhatók, amelyek fényáramuknak kevesebb, mint 5 %-át bocsátják a horizont síkja fölé, feltéve, ha az alábbi feltételek mind teljesülnek: a lámpatest elektromos teljesítményfelvétele kevesebb mint 20 W; az átlagos megvilágítás kevesebb mint 2 lx; a területen a járművek sebességhatára 30 km/h. Ha jól belegondolunk a három feltétel együttesen csak nagyon ritkán teljesül, így a szlovén törvény csak kivételes esetekben engedélyezi, hogy a horizont síkja fölé világítsanak. Az 5. cikkelyben rendelkeznek többek között a településeken az egy főre eső évi közvilágítási energiafelhasználás maximumáról, azt 44,5 kwh-ban határozzák meg. 231

232 A törvény e része nem feltétlenül tekinthető követendő példának, hiszen a településszerkezet erőteljes hatással van arra, mennyi lámpatesttel oldható meg a közvilágítás. A szlovéniai törvényhez hasonló szabályozás van érvényben Olaszország több tartományában. A szigorúbb olaszországi törvények elég sok hasonlóságot mutatnak a szlovén törvénnyel, de egy kicsivel rugalmasabbak az ULOR hányad tekintetében. Európa egészére nézve jelenleg csak az EU direktívákhoz kapcsolódva találunk általános előírásokat, amelyek a zavaró fényre is alkalmazhatók. Meg kell említenünk a 2005/32/EC ökotervezési direktívát, melynek célja a fenntartható fejlődés elősegítése az energiafelhasználó termékek (EuP) szabad mozgása, a környezetvédelem és az energiaellátás biztonsága révén. A direktíva nem tartalmaz kötelező érvényű jogszabályokat; ehelyett kritériumokat ismertet, amelyek alapján létrehozható a környezetvédelmi szempontból jelentős termékjellemzők (például az energiafogyasztás) csökkentésére szolgáló megfelelőségi rendszer. A direktívának megfelelően már született javaslat egyes fényforrásokra és lámpatestekre vonatkozó szabályozásra, amely kitér a zavaró fényekre, és meghatározza, pl. felső térfélbe jutó fényáramhányad (ULOR) maximális értékét. Az ULOR-t az úttípustól és a fényforrás fényáramától függően 3-20 %-ban maximálná ez a szabályozás, így lényegesen kevésbé szigorú, mint a meglévő fényszennyezéssel kapcsolatos törvények. A jelen fejezet szerzője szerint ennél lényegesen szigorúbb szabályozásra lenne szükség. Meg kell említenünk egy tengerentúli példát is. A Nemzetközi Sötét Égbolt Szövetség (IDA) és az észak-amerikai Világítástechnikai Mérnökök Társasága (IES) közösen dolgoz ki javaslatot egy minta világítási szabályozásra, amely a zavaró fények csökkentésére törekszik. Habár egy-az egyben ez a minta hazánkban nem alkalmazható, hiszen sok esetben amerikai szabványokat használ, több részét érdemes lesz figyelembe venni. Ez a tervezet már azért is minta értékű, mert kidolgozásakor mind a környezetvédők, mind a világítástechnikusok és a lámpatest gyártók véleményét összegezték. Mivel a dokumentum még a nyilvános vita stádiumában van, konkrétumokat nem szabad idézni belőle. Az általános hozzáállásáról viszont érdemes elmondani, hogy a szabályozásban az előírásos módszeren kívül (ahol pl. konkrét határt ad meg az egy parkolóhelyre eső fényáramra) a hatáson alapuló előírást is alkalmazni lehet, amely segítségével pl. az adott világítási rendszer által okozott égbolt fényesedés határát adják meg. Természetesen ez az utóbbi módszer jóval bonyolultabb, mint pl. fényáramhányad értékeket meghatározni, de sok esetben ésszerűbb lehet annál, és a zavaró fények tényleges mértékét igyekszik minimalizálni az adott környezetre vonatkozó optimális megoldással. Javaslat hazai zavaró fényeket csökkentő szabályozásra A Világítástechnikai Társaság más szervekkel együttműködve már kidolgozott egy javaslatot települések helyi szabályozására. Az alábbiakban közöljük ezt a javaslatot, 232

233 azzal, hogy a definíciós részeket kihagytuk, hiszen az már korábban szerepelt ebben az írásban. A rendelet érvényességi köre Kiterjed valamennyi olyan szervezetre, intézményre, vállalkozásra, amely az adott településen kültérre - köz-, tér-, dísz-, kültéri munkahelyek-, kereskedelmi egységek-, tömegközlekedési állomások-, parkok-, díszkertek-, sportpályák-, szórakozóhelyek-, biztonsági-, reklám-, kirakat-, magánház-, lakópark - világítást tervez, létesít, üzemeltet, függetlenül attól, hogy az köz- vagy magánterületen működik. Lényeges, hogy a zavaró fényeket csökkentő előírások a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) által kiadott szakmai ajánlásának megfelelően, a települések szerkezete szerint legyenek differenciálva. A rendelet kibocsátója, végrehajtója, ellenőre A rendelet megalkotója és kibocsátója a település Önkormányzata. A végrehajtás, ellenőrzés és szankcionálás jogi kérdés. Sarkalatos probléma a szakértelem kérdése, ezért az ellenőrzésben és szakmai közreműködésben fontos szerepet vállalhat a Magyar Elektrotechnikai Egyesület Világítástechnikai Társasága, mint országos független szakmai szervezet. Kültéri világítás 1. Elsődleges szempont, hogy a közvilágítás feleljen meg a mindenkor érvényes szabvány előírásainak, a köz- és közlekedési biztonság sértetlen maradjon. Ugyanez vonatkozik értelemszerűen az éjszaka is működő kültéri munkahelyekre, benzinkutakra, áruházi parkolókra, stb. 2. E szabályozás vonatkozásában kültéri világításnak számít bármilyen állandó, vagy ideiglenes megvilágítás, amely kültéri és éjszakai használatban van. Ilyenek: köz- és térvilágítás, dísz- és díszítővilágítás, kültéri munkahelyek, kereskedelmi egységek, tömegközlekedési állomások megvilágítása, parkok-, díszkertek megvilágítása, sportpályák és sportrendezvények megvilágítása, szórakozóhelyek megvilágítása, biztonsági/őrvilágítás, reklám-, kirakatvilágítás, magánházak, lakóparkok kiemelő világítása 3. A kültéri világításnál a fény felfelé történő kibocsátása kerülendő és a megvilágítást olyan lámpatestek és fényforrások felhasználásával kell elérni, amelyek a legkevésbé zavarják a csillagászati észleléseket, az élőlények természetes viselkedését. 4. A területek kategorizálása zavaró fények szempontjából: 233

234 óna Z Terület jellege Világítási környezet Példa 1 E Természeti Önmagában sötét Nemzeti park, védett terület 2 E Falusi Alacsony világítás szintű Lakó vagy ipari terület vidéken 3 E Elővárosi Közepes világítás szintű Lakó vagy ipari terület külvárosban 4 E Városi Magas világítás szintű Városközpont, negyed üzleti Kültéri világító berendezések üzembe helyezése és működtetése 8. A lámpatestek által a vízszintes sík feletti, bármely irányban kibocsátott fényerősség ne legyen nagyobb 5 cd/1000 lumen-nél. 9. Újonnan telepített közvilágítási lámpatestek nem bocsáthatnak ki fényt a horizont síkja felett. 10. A felszerelés során gondoskodni kell arról, hogy a világítótest ne sugározzon fényt a horizont síkja fölé. 11. A világító berendezések az egyes területekre előírt szabványos megvilágítási (fénysűrűségi) értéktartomány alsó (lehetőleg a megengedett minimális) szintjét teljesítsék. 12. A karbantartás során a régi lámpatestek külső burájának cseréje csak olyanra történhet, amellyel lehet a második bekezdésben leírtakat biztosítani. 13. Az utak mentén különösen világos burkolat vagy nagyobb megvilágítás esetén törekedni kell füves környezet kialakítására, a káros fényvisszaverődés csökkentésére. 14. Sportpályák és díszvilágítások esetében is be kell tartani a 1. és 4. pont alatti feltételeket, továbbá olyan megoldásokat kell kialakítani, amelyekkel többcélú felhasználás esetén a világítás szintje is az aktuális igényekhez igazodva változtatható (csökkenthető). 15. Portálokat, kirakatokat, reklámtáblákat csak felülről lehet megvilágítani, valamint elő kell írni a reklámtáblák felületének maximális fénysűrűségét, amely nem haladhatja meg az 5 cd/m2 értéket. 16. Tilos bármilyen felfelé irányuló fénynyaláb használata reklámozási és egyéb célokra. Engedélyezési eljárás 1. Amennyiben az adott terület világítására használt fényforrások összfényárama meghaladja a lument, az engedélyezési tervnek / világítási tervnek tartalmaznia kell a zavaró fényekre vonatkozó fejezetet. Ebben a dokumentumban ismertetni kell: 234

235 1. az alkalmazott fényforrásokat 2. az alkalmazott lámpatesteket, azok fényeloszlási karakterisztikáját (katalógusból), 3. a lámpatestek felszerelésének pozícióját, 4. az adott terület számított megvilágítását (esetleg fénysűrűségét), 5. az alkalmazott szabványt, méretezési rendszert 6. a megvilágított terület jellemző reflexióját. 6. Az így készült tervet világítástechnikai szakember, a VTT tagja véleményezheti Összefoglalás A zavaró fények, a világítás negatív hatásai nem kerülhetők el teljesen. Sajnos abban nem bízhatunk, hogy önkéntes alapon mindenki a föntieket figyelembe véve alakítja ki a világítást. A zavaró fények és a fényszennyezés hatásos csökkentése csak megfelelő jogi szabályozás segítségével jöhet létre. A környezetünk érdekében azonban már most lépni kell, ha nem akarunk nehezen visszafordítható megoldásokat létrehozni. Ezért kérjük az olvasót, hogy igyekezzenek az ebben a fejezetben leírtakat figyelembe venni munkájuk közben sokszor egy kis odafigyelés elegendő ahhoz, hogy a negatív környezeti hatásokat csökkentsük. Nem kell elsötétítenünk településeinket ahhoz, hogy megőrizzük természetes környezetünket. 235

236 7. Gazdaságosság 7.1 A gazdaságosság helye a műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés rendszerében Hatékonyság, megtakarítás, megtérülési időtartam ezekkel és még sok más fogalommal együtt jelenik meg a gazdaságosság fogalma a műszaki-gazdasági számítások, vizsgálatok, elemzések témakörében A villamosmérnöki és a közgazdasági egyetemi hallgatók tanulmányainak összefüggése A 7. fejezet címe a jegyzet címével kiegészítve: Innovatív világítás gazdaságossága akár egy közgazdasági szakkönyv fejezetcíme is lehetne. Tartalmát azonban villamosmérnöki-világítástechnikai előtanulmányok nélkül a közgazdász-hallgatók nem értenék meg. Nekik a világításról talán olyan ismeretük lehet, amilyent egy a kiégett izzólámpájuk pótlása céljából felkeresett bolt polcán talált fényforrás tájékoztatóján olvashatnak: LED-izzóval töltött fénycső. A villamosmérnök-hallgatók viszont már vagy azért tanulnak, hogy majd tudják: a fénykeltés háromféle módjával egyszerre (nem!) működő, nem létező fényforrás nevével határozta meg áruját a boltos. A 3. fejezetben összefoglaltuk a fénykeltés ma ismert 3 módját: hőmérsékleti sugárzás (így működik az izzólámpa), a gázkisülés (ezen az elven alapul a fénycső működése), a szilárd testeknek a villamos áram hatására létrejövő fénykibocsátása (ezért nevezik Light Emitting Diode -nak, LED-nek a fénykibocsátó diódát). Valójában egy LED-cső nevét cifrázta ki így a fényforrásokhoz nem értő, nem világítástechnikai szakember. A LED-cső a fénycsőhöz a külsejében ugyan hasonlít (de elvében nem), viszont egyáltalán nem hasonlít az izzólámpához (sem formájában, sem izzásában ). Az Innovatív világítás gazdaságossága fejezet tartalma közgazdasági előtanulmányok nélkül a villamosmérnök-hallgatók részére hasonló megértési nehézséget jelenthet. Megértéshez meg kell ismerkedni a műszaki-gazdasági számítások, vizsgálatok, elemzések témakörével, továbbá a műszaki és a gazdasági témák néhány alapvető fogalmi összefüggésével A műszaki és a gazdasági témák alapvető fogalmi összefüggései A gazdaságosság fogalmat éppen úgy meg kell különböztetni a gazdasági fogalomtól, mint a gazdasági fogalmat a műszaki fogalomtól, és mindkét utóbbit a műszakigazdasági fogalomtól. Műszaki mennyiség például a fényáram (Φ) és a megvilágított terület (A). Mértékegységeik a lumen, illetve négyzetméter. Gazdasági mennyiség például az egyszeri létesítési költség (jele: L), a folyamatos üzemeltetési költség (jele: Ü), és összevonásuk, az éves ráfordítási költség (jele: R). Mértékegységeik rendre: Ft Ft/év Ft/év. Műszaki-gazdasági mennyiség például a megvilágított terület fajlagos létesítési költsége, jele: L A, mértékegysége: Ft/m 2. A gazdaságossági számítás mennyisége például a korszerűsítés megtérülési időtartama, jele: t m, mértékegysége: év. 236

237 7.1.3 A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés sorrendje I. Műszaki megbízhatósági vizsgálat Ez alatt a szabványnak való megfelelőség ellenőrzését értjük. A nem megfelelő berendezést ugyanis fölösleges tovább vizsgálni, elemezni. Eredménye az MB műszaki megbízhatóság, értékelése: az elemzés folytatható. II. Műszaki számítások III. Gazdasági számítások Az R éves ráfordítási költség képletében jelenik meg az első közgazdasági mennyiség, az i törlesztési tényező, az angolszász közgazdasági szakirodalomban: CRF (Capital Recovery Factor, tőkevisszanyerési tényező) IV. Műszaki-gazdasági számítások A II.+ III. téma adataival. V. Műszaki minőségvizsgálat A berendezés műszaki minőségének meghatározása a relatív értékelés módszerével. Eredménye az MM%, a berendezés műszaki minősége. VI. Műszaki-gazdasági hatékonysági mutató Az I. + III. + V. téma adataival kiszámolható az MGH = R/MM, [Ft/év] műszakigazdasági hatékonysági mutató, amely az MM műszaki minőségű, MB műszaki megbízhatóságú [= szabványos] berendezés R éves ráfordítási költsége.) A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés utolsó témája olyan összehasonlító gazdasági vizsgálat és minősítés, amelynek eredménye kétféle minősítés lehet az összehasonlított berendezésektől függően. Ezt a kétféle gazdasági vizsgálatot és minősítést tárgyalja a VII. és a VIII. téma. VII. Összehasonlító gazdasági vizsgálat és elemzés Kettő (vagy több: T1, T2, ) tervezett berendezés összehasonlító gazdasági vizsgálata és minősítése az R1, R2 alapján. Minősítés: ha R1<R2, akkor a T1 a számításba vett N időtartam alatt, a számításba vett k kamatlábbal számolva takarékosabb éves ráfordítás költségű, mint a T2 berendezés. VIII. Korszerűsítés gazdaságossági vizsgálata és minősítése Egy meglévő (M) berendezés korszerűsítése egy tervezett berendezéssel (T) -- összehasonlító gazdasági vizsgálata és minősítése. A folyamatos (Ü M és Ü T ) és az egyszeri (L T és L M ) költségek összehasonlításával a számításba vett N időtartammal, a számításba vett kamatlábbal kiszámolt megtérülési időtartam alapján a minősítés: a világításkorszerűsítés: gazdaságos / nem gazdaságos. 237

238 A gazdaságosság 7.1. fejezet címében megfogalmazott helye a műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés egyik témájaként, a világításkorszerűsítés gazdasági vizsgálatával határozható meg. A világításkorszerűsítés gazdaságosságát a kiszámolt (t m ) és a beruházó által elvárt (t e ) megtérülési időtartam azonossága minősíti gazdaságosnak, vagy nem gazdaságosnak. Alapvető fontosságú megjegyezni, hogy a gazdaságosság fogalma kizárólag a meglévő berendezés korszerűsítésének vizsgálatában értelmezhető.! A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés várható végeredménye A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés végeredménye kétféle lehet, attól függően, hogy az összehasonlítás tárgya vagy 2 tervezett, vagy 1 meglévő és 1 (annak a korszerűsítésére) tervezett berendezés. Két tervezett berendezésre a műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés VÉGEREDMÉNYE: az MGH műszaki-gazdasági hatékonysági mutatóval megállapított sorrend (pl.: a T2 jelű tervváltozat a takarékos minősítésű a T1-hez viszonyítva). Egy meglévő és egy (annak a korszerűsítésére) tervezett berendezésre a műszakigazdasági hatékonyságelemzés VÉGEREDMÉNYE: a tervezett berendezés MGH műszaki-gazdasági hatékonysági mutatója ÉS t m megtérülési időtartamának gazdaságos / nem gazdaságos minősítése EGYÜTTESEN A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés témáinak összefüggése A témák mennyiségét (2 8 db) a gyakorlat igényének megfelelően csökkenteni lehet, de sorrendjüket az elemzés logikájának figyelembevételével kell meghatározni. Az ehhez szükséges információk a következők: Az I. témához leírt kérdést feltétlenül fel kell tenni annak, aki nem tartja szükségesnek a műszaki megbízhatósági vizsgálatot azért, hogy felismerje: a szabványnak nem megfelelő berendezést minek tovább vizsgálni, elemezni? Akit csak a műszaki számítások eredményei érdekelnek, természetes, hogy nem foglalkozik a további témákkal. Aki a világítási berendezésnek csak a gazdasági jellemzőit akarja megismerni, természetesen kihagyhatja a II. témát, de az I.-t nem! A szabványtalan berendezést minek tovább vizsgálni, hiszen sem egy másik szabványossal, sem egy másik szintén szabványtalannal értelmetlen összehasonlítani. A IV. téma az előző témák feldolgozása, tehát aki műszaki-gazdasági számításokat végez, tudnia kell, hogy ezekhez természetesen szükséges minden előzmény. Az V. témára általában nem szoktak időt és fáradságot fordítani, pedig fejbengondolatban minden szakember elbírálja a vizsgált berendezés műszaki minőségét (természetesen nem olyan pontosan, részletesen és rendszerezve, mint ha a később ismertetésre kerülő relatív értékelés módszerét alkalmazná). Ellenérdekelt felek feltételezhetően szándékosan nem használják, mert az egyik félnek kedvezőtlen lehetne, ha feketén-fehéren kiderülne egy-egy berendezésnek a nem számszerűsíthető jellemzőivel is pontosan kiszámítható MM% műszaki minősége. 238

239 A műszaki-gazdasági hatékonysági mutató nem közismert, de megismerése meghozhatja a mérnökhallgatókból lett szakemberek kedvét az I.+III.+V. téma vizsgálati eredményét együttesen, egyetlen mutatószámban összesűríteni. Az I. téma eredménye: az MB műszakilag megbízható minősítés, a III. téma eredménye: az R ráfordítási költség, az V. téma eredménye: az MM műszaki minőség. E 3 adat összevonásával készíthető MGH=R/MM műszaki-gazdasági hatékonysági mutató megadja az MM műszaki minőségű, MB műszakilag megbízható világítási berendezés R éves ráfordítási költségét. A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés végeredményét az MGH és az összehasonlított berendezésektől függően a VII. vagy a VIII. téma vizsgálatainak minősítése együtt(!) adja. FONTOS: A gazdaságos / nem gazdaságos minősítés a VIII. témában jelenik meg először! Természetesen lehet kezdeni és befejezni a gazdaságosság számítását csak a VIII. témával, de ez a közgazdaságilag nem megalapozott számítás sok elméleti és gyakorlati tévedés kockázatával jár. A VII. és a VIII. témában a tervezett és a meglévő berendezések külön-külön tárgyalása, tehát a berendezések két részre bontása segít megérteni, hogy egy általánosnak tekinthető elképzeléssel ellentétben a tervezett berendezések között nem érdemes (és nem is szabad(!) keresni a gazdaságos minősítésűt, mert közgazdaságilag az nem értelmezhető. Indoklás. Egy tervezett berendezés nem olyan adottság, mint egy meglévő. Ennek következtében egyszerűen manipulálható a gazdaságossá minősítés úgy, hogy tervezhető érthetőbben: papíron kreálható olyan berendezés, amelyhez hasonlítva az elfogult elemző által favorizált berendezés gazdaságos minősítésű. Előre hozva a később tárgyalandó tananyag egy mondatát: a megtérülési időtartam formailag a T1- és a T2-tervváltozatra is kiszámolható, de eredménye nem tartalmi számadat! A műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés alanyai -nak összefoglalása és jellemzése A továbbiakban M-mel a meglévő, T-vel a tervezett berendezést jelöljük. Az I.VI. téma alkalmas akár egyetlen, akár több M, vagy T berendezés elemzésére. Ezek megkülönböztetésére a mellettük feltüntetett sorszámot használjuk. A VII. téma kizárólag kettő (vagy több) tervezett világítási berendezés összehasonlítását tárgyalja, csakis a következő esetben: T1, T2 (vagy ennél több T) összehasonlítása egymással. A VIII. téma kizárólag egy-egy világítási berendezés: egy M és egy T egymással történő összehasonlítására vonatkozik. Ezt nevezik gazdaságossági számításnak, ennek eredménye a megtérülési időtartam, amellyel minősíthető, hogy gazdaságos vagy nem gazdaságos a korszerűsítés. Ha több T készült, akkor azok kétféle módon hasonlítható össze az M-mel: a.) az M összehasonlítása a T-változatokból a VII. téma módszerével (!) kiválasztott legjobb T-vel, b.) az M összehasonlítása mindegyik T-változattal. 239

240 7.2 A gazdasági számítás költségelemei Költségnemek A költségek felmerülésüktől függően kétfélék, és így mértékegységeik is kétfélék: Egyszeri, [Ft] Ilyen az új berendezés létesítési költsége, jele: L, tervállapotban: L T. Meglévő berendezésre az egyszeri költséget annak bontása és/vagy cseréje alkalmával számoljuk ki, megnevezése: maradványérték, jele: L M. Folyamatos, [Ft/év] Ilyen a világítási berendezés éves üzemeltetési költsége, jele: Ü, tervállapotban: Ü T, meglévő állapotban: Ü M. Ilyen az L és Ü költség összevonásából (!) származó éves ráfordítási költség is, jele: R, képlete: R = Ü + i L, tervállapotban: RT = ÜT + i L T, meglévő állapotban: R = Ü + i L M Létesítési költség M M Új (tervezett) berendezésre a létesítési költség képlete és mértékegysége [Ft]. Összetevői: L = L + L + L + L + L + L L VE Világítási eszközök (világítótestek=lámpatestek+fényforrások+működtetőeszközök) költségei. L TF Tartó- és felerősítőszerkezetek költségei. L KS Kapcsolószerkezetek költségei (beleértve a helyi- és/vagy távvezérlő, kézzel és/vagy automatikával müködtető-vezérlő-szabályozó eszközöket, burkolataikkal, pl. dobozaikkal, szekrényeikkel stb. együtt). L VK Vezetékezés, kábelezés költségei (külső: a kapcsoló- és tartószerkezetek között, belső: a tartószerkezetek és világítási eszközök között). L TÜ Tervezés, művezetés, beszabályozás, mérés, üzembe helyezés, előzetes és utólagos engedélyezési eljárások. Meglévő berendezés maradványértéke (bontása-átalakítása-cseréje alkalmával számolva), jele L M és mértékegysége [Ft]. Korszerűsítés alkalmával a két képlet összegével kell számolni: Éves üzemeltetési költség T VE T TF L + L Új (tervezett, Ü T ) és meglévő (Ü M ) berendezésre a képlet a tervezett és a meglévő berendezést megkülönböztető T, ill. M indexek kivételével, továbbá a mértékegység azonos: Ü = C + E + K [Ft/év]. M TF KS VK TÜ 240

241 Összetevői: A fényforráscsere költségének (C) képlete anyagárral (A) és szerelési díjjal (S) egyetlen (n = 1 db), egy fajta fényforrásra (pl. LED-re) számolva, t élettartammal és t Ü éves üzemelési t C = A + S időtartammal: ( ) ( ) t ü Ft h =. év h év Mértékegység-egyenlet: ( Ft + Ft) Az energiaköltség (E) képlete energia-egységárral (e), szintén egyetlen, egy fajta fényforrásra számolva, P egységteljesítménnyel és t Ü éves üzemelési időtartammal: E = e P t Ü. Ft Ft h Mértékegység-egyenlet: = kw. év kw h év A teljes berendezés karbantartási költségeinek (K) képlete az anyagárak és szerelési díjak összegéből számolt L X létesítési költségeknek és azok l X százalékosan becsült, éves karbantartási tényezőik szorzatával meghatározva): K = l + L + l + L + l L + l + L VE VE TF TF Mértékegység-egyenlet: KS KS VK Ft = % Ft. év év Éves ráfordítási költség Vk A létesítési és az éves üzemeltetési költség összevonásából származó R képleteit érdemes több formában megismerni részletes tárgyalásuk előtt. Ez a fejezet a meglévő és/vagy tervezett berendezés statikus és dinamikus képleteit használja az N év teljes ráfordítási költségének egy évre visszaszámolt formájában. Meglévő berendezés statikus és dinamikus éves ráfordítási költsége: 1 R = Ü + L és R = Ü + i L MS M ( ) M N MD M Az S és a D indexet csak a statikus és dinamikus módszert egymással összehasonlító számításokban kell megjelentetni, különben S és D indexek nélkül a meglévő berendezés éves ráfordítási költsége: 1 R = Ü + L és R = Ü + i L M M ( ) M N M M Tervezett berendezés statikus és dinamikus éves ráfordítási költsége (hasonló meggondolások alapján S és D indexek nélkül): 1 R = Ü + L és R = Ü + i L T T ( ) T N T T A másik forma (indoklás, részletezés és további alkalmazás nélkül): felírható az R olyan képlete, amellyel nem az éves, hanem a teljes N számításba vett időtartamra számítható a ráfordítás, tehát mértékegysége: [Ft]. Minthogy az L és az Ü összevonása az i segítségével képezhető, érdemes minél többet tudni erről az i tényezőről! Részletes ismertetésére a alfejezetben kerül sor. D T M M 241

242 7.3 Műszaki megbízhatósági vizsgálat A világítási berendezés műszaki jellemzői egy részének meghatározását és számértékét szabványok írják elő. Az évi [7.1] irodalomban ismertetett vizsgálatsorozat kizáró hatású jellemzőknek nevezi ezeket. Akár egyetlen jellemző szabványtalan értéke kizárja a további vizsgálatból a teljes berendezést. Indok: Nincs értelme tovább elemezni egy szabványtalan berendezést, a vizsgálatokat csak a javítás után érdemes folytatni. A szabványos berendezés minősítése (és jelzése): műszakilag megbízható (MB), értékelése: az elemzés folytatható. VAGY A szabványtalan berendezés minősítése (és jelzése): műszakilag nem megbízható (NMB), értékelése: az elemzés nem folytatható. 7.4 Műszaki számítások E téma a világítási berendezések műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés rendszerének része, érdemben a jegyzet többi fejezete tárgyalja. 7.5 Gazdasági számítások Gazdasági számítások a 7.2. alfejezetben megismert költségekkel készülnek. Összefoglalva: L = L + L + L + L + L [Ft] egyszeri létesítési költség. T VE TF KS VK TÜ Ü = C + E + K [Ft/év] folyamatos, éves költség. R = Ü + i L [Ft/év] folyamatos, éves költség. Mindenekelőtt a dinamikus módszerrel felírt R képletében szereplő i törlesztési tényezővel érdemes behatóan megismerkedni Törlesztési tényező A kétféle egyszeri és folyamatos költség összevonásához (!) szükséges i jelű (szorzó)tényező először a fejezetben szerepelt. Megnevezése: törlesztési tényező. Az angolszász közgazdasági szakirodalomban a jele: CRF (a Capital Recovery Factor tőkevisszanyerési tényező megnevezésből). Képlete és mértékegysége N k ( 1+ k) ( 1+ k) 1 i [1/év]. = N Az N hatványkitevő az ún. számításba vett időtartam, amely általában rövidebb, mint az ún. fizikai kopás időtartama, de hosszabb, mint az ún. erkölcsi avulás időtartama, mértékegysége: 242

243 [év]. (A megemlített két, ún. határ-időtartam fogalmát megnevezéseik egyértelműen meghatározzák.) A k az ún. számításba vett kamatláb, amelynek helye a következő számsor végén található: betéti kamatláb inflációs ráta hitelkamatláb számításba vett kamatláb. (A k tartalmazza a kockázati tényezőt és az amortizációt is részben vagy egészben, szubjektív módon figyelembe véve.) Három feltételezhető számsor: 0% 0% 0%...0%, 1%... 3%...7,5%...12%, 2%... 6%...15%... 25%. Ezekből kettő (k = 0% és k = 25%) a 7.1 ábrában az i = f(k, N) függvénykapcsolatként jelenik meg, a harmadik (k = 0,12) pedig a következő példaszámításban. Példa az i értékére 7.1. ábra: Törlesztési tényező (i) értéke a számításba vett kamatláb (k) és időtartam (N) függvényében (k = 0,12 és N = 10 év számításbavételével) ( 1+ 0,12 ) 10 ( 1+ 0,12 ) 10 0,12 i = = 0,177 / év. 1 Ennek a kamatlábat és inflációs rátát figyelembe vevő számítási módszernek a jelzője: dinamikus. A következő képletekben D és S indexekkel különböztetjük meg egymástól a dinamikus és a statikus módszert. 243

244 Példa az R D képletére és számértékére INNOVATÍV VILÁGÍTÁS ( 0,177 / év) 1000 EFt = 100 EFt / év EFT / év 277 EFT / év RD = Ü + id L = 100 EFt / év + = A gazdasági szakember természetesen dinamikus módszerrel számol (hiszen az infláció és a kamatláb mindennapjaink fogalma ), de akinek nincs közgazdasági alapismerete, a létesítés egy évre eső költségét egyszerűen az évek számával osztva számítja ki. Az angolszász közgazdasági szakirodalomban is így, szemléletesen egyszerű -nek nevezik az ilyen módszert: simple method. (A magyar közgazdászok maradnak a latinból származó dinamikus fogalom ellentétét szemléletesen kifejező statikus módszer megnevezésnél.) Ugyanennek a példának a képlete és eredménye statikus módszerrel (N =10 évvel, 0%-os inflációs rátával és k = 0%-os kamatlábbal) R 1 = Ü + 1 N L = 100 EFt / év + 10 év 1000 EFt = 200 EFt év. S / Első ránézésre nemcsak az R S számértéke, hanem a képlete sem azonos az R D -vel! Az R D és az R S képleteiben található egyik különbség: az i helyén 1/N szorzótényező áll. A másik különbség az R D és az R S számértékeinek nagymérvű eltérése. E két különbség magyarázatát a következő két alfejezet adja A törlesztési tényező statikus képlete A statikus módszerben az 1/N tényező fejezi ki az i értékét. Ennek matematikai bizonyítása a [7.2] irodalomban jelent meg 1999-ben (először egy évi előadáson került ismertetésre). A matematikai bizonyítást a mérnökhallgatók a következő idézetből ismerhetik meg: ha k 0, akkor i = 1/N. Ennek matematikai bizonyítását Szőnyi László mérnök kollégám levezetésére hivatkozva az alábbiakban láthatjuk: Bizonyítandó az [a]- [b]- [c] lépésekben, hogy: limi k 0 = lim k 0 N k ( 1+ k) 1 N = ( 1+ k) 1 N N N 1 N N 2 N 1 a: ( 1+ k ) = 1+ N k N k + k = 1+ k( N N k + k ) N N 1 N N 2 N 1 b: ( 1+ k ) 1 = N k N k + k = k ( N N k + k ) c: a k limk = lim = lim k 0 b k 0 k 0 1 N 2 N 1 [ 1+ k ( N N k + k )] N 2 N 1 k ( N N k + k ) Három gyakorlati bizonyítás következik. N 2 N 1 { 1+ k [ k ( N N k + k )]} 1 = N 2 N ( N N k + k ) N A k 0, akkor i S = 1/N összefüggés első gyakorlati bizonyítására szolgálhat a k=0,01 (tehát a nullához közeli, azaz 1%-os) kamatlábbal való számítás eredményének összehasonlítása az 1/N-nel történt számítás eredményével. (N továbbra is 10 év, így 1/N = 0,1.) ( 1+ 0,01) 10 ( 1+ 0,01) 0,01 i D = = 0,10516 / év

245 id is = 0,10516/ év 0,1év = 0,00516/ év id is 0, ,1 0, = 100 = 100 = 0, = 5,16% is 0,1 0,1 Az 5%-os eltérés valóban nem nagy. A k 0, akkor i S = 1/N összefüggés második gyakorlati bizonyítása a ábra derékszögű koordinátarendszerében a k = 0,01, és az N = 10 év paraméterekkel ábrázolt i = f(k, N) függvény összesimulása az i = 1/N függvénnyel. Az ábra léptékében valóban meg sem lehet különböztetni egymástól a két görbét. A k 0, akkor i S = 1/N összefüggés harmadik gyakorlati bizonyítására a példaszámítást k = 0,01 és N = 10 év adatokkal is elvégezzük, majd kiszámítjuk a dinamikus és a statikus R abszolút és relatív számértékeinek a különbségét: RD = Ü + id L = 100 EFt / év + ( 0,10516/ év) 1000 EFt = ,16 = 205,16 EFT / év RD RS = 205,16 EFt 200 EFt = 5, 016 EFt RD RS 205, , = 100 = 100 = 2,58% RS A kb. 2,6% valóban kis különbségnek minősíthető A dinamikus és a statikus ráfordítás közötti különbség A példákban a másik különbség az R D = 277 EFt/év és az R S = 200 EFt/év számértékek nagymérvű eltérése. A dinamikus és a statikus ráfordítás közötti különbség abszolút és relatív számértéke (a statikushoz viszonyítva): RD RS = 277 EFt / év 200 EFT / év = 77 EFt / év RD RS = 100 = 100 = 38,5% RS Fontos megjegyezni, hogy ez a példaszámítás a 12%-os számításba vett kamatlábbal készült! A különbségek növekedését tanulságos összehasonlítani k értékének növelésével (például az ábrázolt 25%-os kamatlábra) kiszámolt itt nem részletezett számítással végzett eredményekkel: R D = 100 EFt / év + ( 0,28/ év) 1000 EFt = 100 EFt / év EFt / év = 380 EFt / év RD RS = 380 EFt / év 200 EFT / év = 180 EFt / év RD RS = 100 = 100 = 90% R S Ezek a nagy az első példában majd 40%-os, a második példában pedig! pontosan. 90%-os különbségek megmagyarázhatják, hogy az árujukat eladni kívánó forgalmazók statikus módszerrel készített számításokkal igyekeznek igazolni teljesen alaptalan, hogy az általuk felkínált világításkorszerűsítés milyen rövid megtérülési időtartamú. A gazdasági-gazdaságossági számításokat természetesen nem kereskedő végzi, hanem világítási szakembert bíz meg (lehet, hogy olyant, aki ma még mérnökhallgatóként készül szakmája gyakorlására). Előfordulhat: egy-egy kereskedő kifejezetten igényli a statikus számítási eredményt tudatosan vagy tudattalanul. 245

246 A jövő mérnökén múlik, hogy meg tudja különböztetni a statikus módszert a dinamikustól és ennek ismeretében a becsületes kereskedőt a hamistól! 7.6 Műszaki-gazdasági számítások Mint ahogy azt a fejezetben már említettük, műszaki mennyiség például a fényáram (Φ) és a megvilágított terület (A). Ezek mértékegységei a lumen, illetve négyzetméter. Gazdasági mennyiség például az egyszeri létesítési költség (L), [Ft], a folyamatos üzemeltetési költség (Ü), [Ft/év], és összevonásuk, az éves ráfordítási költség (R), [Ft/év]. Műszaki-gazdasági mennyiségek például a Φ fényárammal megvilágított A terület fajlagos R éves ráfordítási költségei: R Az egyik a fényáramra vetített fajlagos R éves ráfordítási költség, jele: r Φ =, Φ Ft mértékegysége:. év lm A másik a területre vetített fajlagos R éves ráfordítási költsége jele: Ft mértékegysége:. 2 év m R r A =, A Ez utóbbi (területegységre vonatkoztatott) fajlagos ráfordítási költséget minthogy vele eredményes műszaki-gazdasági számítások végezhetők célszerű ráfordítási mutató -nak R elnevezni és m R -ként megjelölni. A műszaki-gazdasági ráfordítási mutató képlete: m R =, A Ft mértékegysége:. 2 év m Az m R alkalmazási területei Egyetlen (meglévő vagy tervezett) világítási berendezés adott témában egyértelműen jellemezhető a felsorolt műszaki-gazdasági mennyiségekkel. Két (vagy több) meglévő berendezés összehasonlítására már nem alkalmasak, hiszen két meglévő berendezés általában két különböző (A1 és A2) területen van. Két (vagy több) tervezett berendezés gazdasági szempontok szerint összehasonlítható, ha azonos területre készültek a világítási tervek, sőt műszaki szempontok szerint is, ha azonos feladatot (funkciót) szolgálnak ki. Ha csak a terület különbözik (A1 A2), de a funkció azonos, akkor a ráfordítási mutatóval összehasonlíthatók akár meglévő, akár tervezett berendezések, például: A1 = 2000 m 2 területen adott X világítási feladatot szabványosan teljesítő (MB: megbízható minőségű) világítási berendezés R1 = EFt/év éves ráfordítási R EFt / év EFt költségének ráfordítási mutatója: m R 1 = = = A1 2000m év m 246

247 A2 = 1000 m 2 területen adott X világítási feladatot szabványosan teljesítő (MB: megbízható minőségű) világítási berendezés R2 = EFt/év éves ráfordítási R EFt / év EFt költségének ráfordítási mutatója: m R 2 = = = A2 1000m év m Az összehasonlított 1. és 2.-jelű berendezés közül a 2.-jelű a takarékosabb ráfordítású. Információ: A világítási berendezések X világítási feladatot szabványosan teljesítő meghatározása feltételezi, hogy az MB műszaki megbízhatósági vizsgálat már elkészült, de az MM műszaki minőségvizsgálat még nem. A következő (7.7) fejezetben ugyanezeknek a példaberendezéseknek a műszakigazdasági hatékonyságelemzése az MM műszaki minőségvizsgálat témával folytatódik. 7.7 Műszaki minőségvizsgálat A műszaki minőségvizsgálat módszere a relatív értékelés. A relatív jelző nem jelenti a módszer pejoratív (lefokozó) minősítését, hiszen konkrét adatokat is valamihez viszonyítva értékelünk. Világítástechnikai példával: 100 lx előírt megvilágítás esetén az 50 lx szabványtalan. A 200 lx-os megvilágítás azonban túl sok, így ez a világítás sem értékelhető szabványosnak. Általános tapasztalat: egy szakember bárhol, bármikor, bármely műszaki objektumot fejben azonnal vizsgál, értékel, minősít. Bár ez a minősítés szakmai alapokon nyugszik, mégis biztosak lehetünk abban, hogy több szubjektív ítéletet hordoz, mint objektív ténymegállapítást. Vegyünk például egy olyan esetet, amikor két világítási megoldást kell összehasonlítanunk: Az egyiknél szabványos megvilágítási szintet érnek el, de a színvisszaadás rendkívül rossz. A másik megoldás színtanilag ideális, de megvilágítási szint nem éri el a kívánt értéket. A megvilágítás növelése pedig a beépített teljesítmény növekedését eredményezné. A két rossz világítás között hogyan lehet dönteni, ha már dönteni muszáj. Ebben a példában még viszonylag kevés paraméter alapján kell meghoznunk a döntést, ami kellő rutinnal optimális is lehet. Mi van azonban olyankor, amikor az értékelendő paraméterek száma növekszik (megvilágítás, színhőmérséklet, színvisszaadás, beépített teljesítmény, berendezés ára, esztétikai megjelenés, karbantartási igény, kezelhetőség, alkatrész utánpótlás, élettartam stb.)? Ilyen esetben nincs az a rutin, ami objektíven tud dönteni. További kérdésként merülhet fel, hogy kimondható-e egyértelműen egy berendezésről, hogy ennyire, vagy annyira jó, vagy rossz? Vagy esetleg ez az ítéletalkotás szubjektív? A kivitelező, karbantartó, üzemeltető olyan berendezésről álmodik, amelyik magától felszereli saját magát, sohase romlik el, mégis karbantartási díjat lehet érte kérni. Ha létezne is ilyen berendezés, valószínűleg az olyan drága lenne, hogy a beruházó ezt aligha tartaná elfogadhatónak. A piac minden szereplője objektív értékítéletet kíván hozni, de a saját szempontjai alapján, így az értékelések kimenetele nagy mértékben függ a piaci szereplő érdekeitől. Olyan értékelési, minősítési rendszerre van tehát szükségünk, amellyel a mérhető és kevésbé mérhető paraméterek alapján, a piaci szereplők elvárásainak figyelembevételével az adott műszaki megoldások összehasonlíthatók. Az először 1973-ban ismertetett [7.1], majd továbbfejlesztett [7.3] eljárás segíti a szakembert, mert pontos, részletes és rendszerezett módszert ad a nem számszerűsíthető 247

248 jellemzők vizsgálatára, értékelésére, minősítésére. Fontos és megkerülhetetlen! szempont a jellemzők kiválasztására: a világítási berendezéseknek kizárólag azokat az értékelendő jellemzőit lehet így minősíteni, amelyek nem tartoznak a műszaki megbízhatósági vizsgálat -ban felsorolt kizáró hatású jellemzők közé. A módszerrel egyénileg és csoportosan is lehet akár meglévő, akár tervezett berendezést értékelni. Az értékelés főbb lépései: a.) Ki kell választani az értékelési szempontokat. b.) Meg kell határozni az értékelési szempontok fontosságát (súlyozását). A legfontosabb szempont súlyozását 100-nak vesszük, és ehhez viszonyítjuk a többi szempont súlyozási tényezőjét. c.) Minden értékelési szempont esetében meghatározzuk, hogy az értékelés hány fokozatban lehetséges, és az egyes fokozatokat 1-től 100-ig terjedő pontszámmal jellemezzük. A legnagyobb fokozat (az adott értékelési szempont alapján ideális megoldás) tehát 100 pontot kap. d.) Minden értékelési szempontnál az értékelési fokozatokhoz rendelt pontszámokat beszorozzuk az adott szemponthoz rendelt súlyozás %-os értékével, vagyis az adott értékelési szempont legjobb fokozatához rendelt pontszám megegyezik az adott értékelési szempont súlyozásának értékével. A többi fokozathoz rendelt pontszám ennél csak kisebb lehet. e.) A vizsgált műszaki megoldás(oka)t az értékelési szempontok alapján minősítjük, vagyis minden szempont esetében meghatározzuk, hogy az adott műszaki megoldás az adott szempont szerint melyik értékelési fokozatba sorolható. Ennek megfelelően a vizsgált berendezéshez minden szempont alapján egy-egy pontszámot rendelünk. F.) Az értékelési szempontok szerinti pontszámokat összeadjuk, ami megadja a berendezés Minőségi Mutatószámát (MM). A 3. és 4. pontban megfogalmazott értékelési fokozatok pontozása a Szerelhetőség példáján keresztül szemléltetve a következő módon történik: I. fokozat: (szerelhetőség gyorsan és veszélytelenül) jó 100 pont. II. fokozat: (szerelhetőség gyorsan, de veszélyesen) közepes 40 pont. III. fokozat: (szerelhetőség lassan és veszélyesen) elfogadható 20 pont. Elképzelhető, hogy egy értékelési szempont további alszempontokra osztható. A szerelhetőség példájánál maradva például: megközelíthetőség, eszközigény, munkaóra. Ebben az esetben az alszempontokat ugyanúgy súlyozhatjuk, mint a fő szempontokat, és ugyanúgy meghatározhatjuk az egyes alszempontok értékelési fokozatait és az azokhoz tartozó (al)pontszámokat. Az adott műszaki megoldás alszempontok szerinti súlyozott értékelése kerül be a főszempontok szerinti értékelési táblázatba. A következő példa egy tervbírálat csoportmunkáját mutatja be. (Feltételezés: a 7.1 táblázat szerinti szavazattöbbséggel elfogadott 1 db Értékelő Lapot a csoport egyik tagja jelölte meg.) A táblázatban csak értékelési (fő)szempontok szerepelnek, de ezek tovább bonthatók további értékelési alszempontokra.) 248

249 7.1. Táblázat: A BERENDEZÉS MŰSZAKI MINŐSÉGÉNEK RELATÍV ÉRTÉKELÉSI TÁBLÁZATA Értékelési szempontok Súlyozása Fokozataihoz rendelt pontszám I. II. fokozat fokozat Elérhető maximális pontszám Vizsgált műszaki megoldás 1. Változat (P1) 2. Változat (P2) Fokozat Fokozat besorolása Pontszáma besorolása III. fokozat I. II. III. I. II. III. Pontszáma Szerelhetőség X 100 X 40 Karbantarthatóság X 80 X 10 Esztétika X 20 X 50 Elért összpontszám (P max ) (P1) (P2) Minőségi Mutatószám (MM) (P/P max ) [%] 87,0% 43,5% Az értékelő csoport a tervek megtekintése előtt(!) az adott világítási berendezés szerelhetőségét (S), karbantarthatóságát (K) és esztétikai (E) műszaki jellemzőit sorolta a nem számszerűsíthető értékelendő jellemzők közé. Ezek fontossági sorrendjére (súlyozására) javasolt pontjaik átlagaként (vagyis a csoport tagjainak súlyozási tényezőre tett javaslatainak átlagaként) az adott világítási feladat ismeretében rendre pont került a táblázat I. teljesítési fokozat megnevezésű oszlopába. A bírálandó pályaművek felbontása előtt elkészített Értékelő Lapokon mindegyik bíráló-értékelő megjelölte(!) az általa jogosnak tartott pontot, miután(!) kézhez kapta a T1 és T2 jelű tervváltozat dokumentációját. A két változatra megjelölt pontok összegével ( ΣP 1 = 200, ill. ΣP2 = 100 ) osztott maximum pontszám (P max = 230) %-os értéke adja az értékelt változat MM műszaki minőségét. Az Értékelő Lapon a T1 tervváltozat a jobb műszaki minőségű, mert: ΣP1 200 MM 1 = 100 = 100 = 87%, míg a T2 tervváltozat MM2-je csak 43,5%. P max 230 (A csoportmódszer végeredménye természetesen a csoport tagjai által kitöltött Értékelő Lapok pontjainak átlaga, míg egyéni értékelés esetén nincs mit átlagolni.) Információ: Prekoncepciós döntés-előkészítésre nem alkalmas a relatív értékelési módszer, mert az Értékelő Lapokon fehéren-feketén megjelenik a nem számszerűsíthető jellemzők pontosan kiszámolható MM%-os műszaki minősége. 7.8 Műszaki-gazdasági hatékonyságvizsgálat Az először 1975-ben ismertetett [7.4], majd 1976-ban [7.5] és 1978-ban [7.6] továbbfejlesztett műszaki-gazdasági hatékonyságvizsgálat elvének és gyakorlatának részletes megismerése meghozhatja mérnökhallgatókból lett szakemberek kedvét az I.+ III.+ V. téma vizsgálati eredményét együttesen, egyetlen mutatószámban összesűríteni. Ezek: az I. téma eredménye: az MB műszakilag megbízható minősítés, a III. téma: az R ráfordítási költség, az V. téma: az MM műszaki minőség. E 3 téma 3 adatának összevonásával készíthető MGH =R/MM Műszaki-Gazdasági Hatékonysági mutató megadja az MM műszaki minőségű, MB műszakilag megbízható világítási berendezés R éves ráfordítási költségét. 249

250 Az MGH értelmezése és felhasználása Két vagy több berendezés összehasonlítása során az R ráfordítási költségek a műszaki megbízhatóság vizsgálatával már bizonyított MB műszakilag megbízható berendezésekre érvényesek. Az összehasonlított berendezések műszaki minőségeinek számértékei valószínűleg kisebbek, mint MM = 1,0. Az ezekkel képzett MGH mutatók nagy valószínűséggel, de szubjektíven feltételezve az MM értékével egyenes arányban nagyobbak lesznek. Ezáltal az R ráfordítási költség és az MM műszaki minőség hányadosa az MB műszakilag megbízható, az MM műszaki minőséggel arányos R ráfordítási költségnek tekinthető. Mindezek alapján az MGH műszaki-gazdasági hatékonysági mutató felhasználható a berendezések összehasonlítására alkalmas sorrend megállapítására. 7.9 Két tervezett berendezés összehasonlító gazdasági vizsgálata és minősítése Folytatódik a 7.6. alfejezetben elkezdett mintapélda. A 7.6 alfejezetben az m R műszaki-gazdasági ráfordítási mutatókkal készült az összehasonlítás a különböző (A1 és A2) területen végzett azonos világítástechnikai követelményeket tartalmazó, R1 és R2 ráfordítási költségű T1 és T2 jelű tervváltozat, a következő eredményekkel: R EFt / év EFt m R = = = A1 2000m év m R EFt / év EFt m R = = = A2 1000m év m Az MM = 1 műszaki minőségűnek feltételezett 2 berendezés közül az m R műszaki-gazdasági ráfordítási mutatókkal készült összehasonlítás alapján a sorrend: a T2 jelű tervváltozat megelőzi a T1 jelűt, mert takarékosabb ráfordítású. A 7.7 alfejezet szerinti műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés alapján a két tervváltozat műszaki minőségének meghatározása: MM1=0,87 és MM2=0,43. Ennek következtében felcserélődött a 2 változat megítélése! A T1 és T2 jelű tervváltozat műszaki-gazdasági hatékonysági mutatója alapján a két MB műszakilag megbízható berendezés közül a T1 jelű tervváltozat a jobb műszaki minőségű és egyben a takarékosabb ráfordítású a T2-hez viszonyítva: EFt 100 m 2 R1 EFt MGH1 = = év m = év m MM 0,87 MGH = m 1 EFt 80 2 = év m = 186 R2 EFt 2 2 év m MM 2 0,43 Az MGH műszaki-gazdasági hatékonysági mutatóval megállapított új sorrend, azaz a két tervezett berendezés hatékonyságelemzésének végeredménye: a T1 jelű tervváltozat a jobb műszaki minőségű és egyben a takarékosabb minősítésű a T2-höz viszonyítva! 250

251 Tehát a mintapélda bizonyította: csakis a műszaki-gazdasági hatékonyságelemzés teljes elvégzése biztosítja a végeredmény műszaki-gazdasági megalapozottságát! A két tervezett berendezés összehasonlítása után a 7.10 alfejezetben folytatódik a hatékonyságelemzés egy meglévő és egy a helyére -- tervezett, azaz korszerűsített berendezés összehasonlító gazdasági vizsgálatával és minősítésével Egy meglévő berendezés korszerűsítése egy tervezett berendezéssel (összehasonlító gazdasági vizsgálat és minősítés) A korszerűsítés okai A meglévő (M) világítási berendezés korszerűsítésének két oka lehet [7.7], [7.8]: Az egyik ok: erkölcsi avulás. A berendezés műszaki állapota szabványos, tehát műszakilag megbízhatónak minősített, de drágán üzemel. A cseréjére tervezett új berendezés létesítése (L T ) sokba kerül, de az Ü T üzemeltetési költsége sokkal kisebb, mint az Ü M. Ha a várható Ü = Ü M Ü T üzemeltetési költségmegtakarításból t e elvárt megtérülési időtartam alatt megtérül az L T, akkor a beruházó gazdaságosnak minősíti, és végrehajtja a korszerűsítést. Megjegyzendő: A) Ha a t e elvárt megtérülési időtartam rövidebb, mint a t m számított megtérülési időtartam, akkor a beruházó gazdaságtalannak minősíti a korszerűsítést, és elhalasztja a korszerűsítést. B) Egy esetben a gazdaságtalannak minősített berendezést is kötelező korszerűsíteni: akkor, ha a csere oka a berendezés fizikai kopása. A másik ok: fizikai kopás. Egy berendezés műszaki állapota a használat során szabványtalanná (=nem megbízhatóvá) válhat. Ez jelenthet javítható hibákat, de akár teljes bontást is pl. akkor, ha az életveszély csak új villamos berendezés létesítésével kerülhető el. Ha műszakilag megbízhatatlannak minősített a berendezés, akkor is korszerűsíteni kell, ha gazdaságtalan a csere. Ez az eset akkor következik be, ha a meglévő berendezés Ü M és a meglévő helyére tervezett új berendezés Ü T üzemeltetési költségeinek Ü = Ü M Ü T költségmegtakarításából kiszámolt t m megtérülési időtartam hosszabb, mint a t e elvárt megtérülési időtartam. Ez az ismertetett eset is megerősíti, hogy több tervezett változatra van szükség a döntés műszaki-gazdasági megalapozása érdekében (több változatból nagyobb valószínűséggel választható rövidebb megtérülésű berendezés) A statikus és a dinamikus megtérülési időtartam képleteinek levezetése A statikus megtérülés képlete a statikus ráfordítás képleteiből vezethető le: 1 R = Ü + L M M N M 1 T = ÜT + N LT M RT = Ü M + N LM ÜT + N LT = Ü M ÜT + N R R ( ) ( ) ( LM LT ) Összevonás és reális egyszerűsítés: Ü M ÜT = Ü, LM = 0, 0FT és így: L T = L. Ezután érdemes megfogalmazni a beruházó elvárását, miszerint az L T létesítési költség megtérüljön a drágán üzemelő (Ü M ) meglévő berendezés és az olcsóbban üzemelő, a helyére tervezett új (Ü T ) berendezés N év alatt összegyűlt [(Ü M - Ü T ) = Ü] üzemeltetési költségmegtakarításaiból. 251

252 Logikai úton belátható, hogy statikus (= egyszerű = simple ) gondolkodással az L N = T képlettel kiszámolható az elvárásnak megfelelő statikus N év megtérülési időtartam. Ü Matematikailag az elvárás úgy teljesül, ha a meglévő és a tervezet berendezés ráfordításai N év alatt egyenlővé válnak: R M = RT Az egyenletek további alakulása: L 1 LT RM RT = 0 = Ü = N LT = N N = a statikus megtérülési időtartam. Ü A beruházó elvárása a dinamikus ráfordítással is felírható, a már ismert 1/N = i képlet behelyettesítésével folytatva az egyenletrendezést: RM RT = [ Ü M + i LM ] [ ÜT + i LT ] = Ü M ÜT + i [ LM LT ] Összevonás, reális egyszerűsítések: Ü M ÜT = Ü LM = 0, 0Ft, és így L T =L, ebből: R M = R T. Ü Újból felírható: RM RT = 0 = Ü = i L a dinamikus törlesztési tényező. L N Ü k ( 1+ k ) Ezt be kell helyesíteni az i jól ismert képletébe: = N L ( 1+ k ) 1 Végül az N helyére még be kell írni a dinamikus megtérülési időtartam jelét, a t m -et: Ü L = tm k ( 1+ k ) tm ( 1+ k ) A gazdaságossági számítások négy alapesete A dinamikus megtérülési időtartam képletében 4 tényező van, amelyek közül 1-1 számértéke kiszámolható, ha a másik 3 ismert. Ü, L, k, t m. t ( ) m L k 1+ k Az első alapeset: a Ü-re megoldó képlettel: Ü =. tm ( 1+ k) 1 Erre akkor van szükség, ha a beruházó a korszerűsítés L létesítési költségnek a t m t e elvárt megtérülési időtartamához még éppen elegendő Ü üzemeltetési költségmegtakarítás összegét kívánja megtudni. Közgazdász tanácsadója megtérülési számításait a k számításba vett kamatlábbal készíti (azaz: k = hitelkamat + 4,5% amortizációs és kockázati tényező). Ü A második alapeset: az L-re megoldó képlettel: L =. tm k ( 1+ k) t m ( 1+ k) 1 Ezzel akkor kell számolni, ha a beruházó annak a (k - 4,5%) hitelkamatlábbal felvett L létesítési költségnek a maximumát akarja megismerni, amellyel még megtérül a korszerűsítés a t m t e elvárt időtartam alatt. 252

253 Harmadik alapeset: ha adott a Ü, L és a t m t e, akkor kérdéses az a legnagyobb (k - 4,5%) hitelkamatláb, amellyel még érdemes felvenni a korszerűsítés L létesítési költségére a bankkölcsönt az elvárt t e megtérülési időtartam reményében. Negyedik alapeset: ha a Ü, az L és a k ismert, akkor kérdés a t m azért, hogy tudni lehessen: gazdaságos-e a korszerűsítés? A válaszhoz a képletből kiszámított t m megtérülési időtartamot kell az elvárt t e -vel összehasonlítani. A gazdaságos minősítés feltétele: t m t e. E két utóbbi kérdésre, azaz a k-ra és a t m -re a képlet implicit alakban tartalmazza ezeket a tényezőket. Az implicit képlet megoldása az i = f ( k, N ) függvényt megoldó Exceltáblázatból, az i = f ( k, N ) függvény táblázatait tartalmazó könyvekből, vagy ezekkel a paraméterekkel szerkesztett görbeseregekből vehető ki. A k számértéke továbbra is így kereshető, de a t m 1999 óta explicit képlettel is kiszámolható. A t m megtérülési időtartam implicit képletéből az explicit képlet levezetése a [7.2] irodalomban 1999-ben jelent meg (először az évi [7.9] kézirat tartalmazta). A matematikai levezetést és a képletet a mérnökhallgatók számára a következő idézet ismerteti: 1. lépés: i N k ( 1+ k) ( 1+ k) 1 = N.ismeretlen az N(=t m ), mert k adott és az i is ismert a Ü következő képletből kiszámolva: i =. L N N N i 1 + k 1 = k 1+ k = i 1+ k. 2. lépés: ( ) 3. lépés: k = i 4. lépés: i k = [ ] ( ) ( ) i i ( 1 + k) N ( 1+ k) N 5. lépés: ( i k) = lgi N lg( i + k) i lg. i lg lg il lg( i k ) 6. lépés: N = = i k. lg i + k lg i + k i lg Visszaírva: N = t m : t i k m =. lg i + k.. ( ) ( ) ( ) A négy világításkorszerűsítési alapeset példaszámításai 12% számításba vett kamatlábbal Az első alapeset: a Ü kiszámítása A beruházó megterveztette a világításkorszerűsítést, amelynek létesítési költségére 253

254 (L = 1000 EFt) 7,5%-os hitelkamatlábbal vehet fel bankkölcsönt. Közgazdász tanácsadója megtérülési számításait k = 12% számításba vett kamatlábbal készíti (mert 4,5% amortizációs és kockázati tényezőt is vesz figyelembe). Kérdés a meglévő és a tervezett berendezés Ü éves üzemeltetési költségmegtakarítása, mert ebből fizethető vissza a kölcsön. A tanácsadó szerint gazdaságos és elfogadható lenne a t e = t m = 10 éves megtérülés. A megoldó képlet: tm 10 L k ( 1+ k) ,12 ( ) Ü = = = 1000 EFT 0,177 / év = 177 EFt / év. tm 10 ( 1+ k) 1 ( 1+ 0,12 ) 1 A gazdasági számítás eredménye: évente 177 EFt üzemeltetési költségmegtakarítás esetén 10 év alatt megtérül a világításkorszerűsítés. A második alapeset: az L kiszámítása A beruházó megterveztette a világításkorszerűsítést, amelynek L létesítési költségére 7,5%-os hitelkamatlábbal vehet fel bankkölcsönt. A meglévő és a tervezett világítás Ü üzemeltetési költségmegtakarítása évente 177 EFt lesz. Közgazdász tanácsadója megtérülési számításait k = 12% számításba vett kamatlábbal készíti (mert 4,5% amortizációs és kockázati tényezőt is figyelembe vesz). Kérdés: mennyi lehet az L létesítési költség, hogy gazdaságos minősítésű legyen a korszerűsítés? A tanácsadó szerint gazdaságos és elfogadható lenne a t e = t m = 10 éves megtérülés. A megoldó képlet: Ü 177 EFt / év L = = 1000 EFT tm 10 k 1+ k 0, = ( ) tm ( 1+ k) ( ) 10 ( 1+ 0,12 ) 1 1 A gazdasági számítás eredménye: az elvárható és elfogadható 10 év alatt megtérül a világításkorszerűsítés, ha a létesítési költség nem lesz több mint 1000 EFt. Harmadik alapeset: k kiszámítása A beruházó megterveztette a világításkorszerűsítést, amelynek létesítési költsége L = 1000 EFt és Ü üzemeltetési költségmegtakarítása évente 177 EFt lesz. Közgazdász tanácsadója szerint gazdaságos és elfogadható lenne a t e = t m = 10 éves megtérülés. Kérdés: hány % lehet a hitelkamatláb, ha a tanácsadó megtérülési számításaiban a számításba vett kamatlábat 4,5% amortizációs és kockázati tényezővel növelve veszi figyelembe? A korszerűsítés akkor minősíthető gazdaságosnak, ha k = 12,0-4,5% = 7,5% lenne a hitel kamatlába. tm L k ( 1+ k) Az implicit képletben Ü = minden tényező ismert a k kivételével: tm 1+ k t k ( 1+ k) tm ( 1+ k) 1 m EFt / év =. ( ) 1 254

255 Az implicit képlet megoldása az i = f(k, N) függvényt megoldó Excel-táblázatból, vagy az i = f(k, N) függvény táblázatait tartalmazó könyvekből, vagy ezekkel a paraméterekkel szerkesztett görbeseregekből vehető ki. Itt nem közölt módszerrel a megoldás: k = 12% számításba vett kamatláb, és így: 7,5% hitelkamatláb. A gazdasági számítás eredménye: a korszerűsítés gazdaságosnak minősíthető, mert a hitelkamatláb 7,5%. Negyedik alapeset: t m kiszámolása A beruházó megterveztette a világításkorszerűsítést, amelynek létesítési költsége L = 1000 EFt, Ü üzemeltetési költségmegtakarítása évente 177 EFt lesz és 7,5%-os hitelkamatlábbal vehet fel bankkölcsönt. Közgazdász tanácsadója megtérülési számításait k = 12% számításba vett kamatlábbal készíti (mert 4,5% amortizációs és kockázati tényezőt is figyelembe vesz). Szerinte gazdaságos és elfogadható lenne a t e = t m = 10 éves megtérülési időtartam. Az implicit képletben t k ( 1+ k) tm ( 1+ k) 1 m EFt / év =. t k ( 1+ k) tm ( 1+ k) 1 m L Ü = minden tényező ismert a t m kivételével: Az implicit képletből a t m 1999 óta explicit képlettel is kiszámolható: i lg tm = i k. lg( 1+ k) tm A képletben az i = Ü/L = 177 (EFt/év)/ 1000 EFt = 0,177, ezzel 0,177 lg t ( 0,177 0,120 ) = = 10 év. m lg 1+ 0,120 ( ) A gazdasági számítás eredménye: a korszerűsítés gazdaságosnak minősíthető, mert teljesült a beruházó elvárása: t e = t m = 10 év A fényforrásjellemzők befolyása az üzemeltetési költségre Hány fényforrásjellemző befolyásolja az üzemeltetési költséget? Az Ü képletének 3 összetevője közül 2-ben 1-1 fényforrásjellemző rejtőzik. t Ü = C + E + K = ( A + S ) + e P tü + K tü 1 Egyszerűsítések, összevonások: ( A + S ) t = q c t ; e ( Φ + η ) t E t Ü = q után: Ü q Ü = q c t + E + K, tehát a t fényforrás-élettartamtól és az η fényhasznosítástól függ az η Ü értéke, azaz érvényes az Ü = f(t,η) összefüggés. 255

256 E 2 fényforrásjellemző a fényforrás-fajtától függő gyártási-átlagos-névleges számértékeinek alsó és felső határai ún. határérték-egyeneseken szemléltethetők. (Fogalommeghatározás a [7.10] szerint: A határérték-egyenes fogalma: az adott jellemző legkisebb és legnagyobb számértékének egy egyenesen történő ábrázolása, kiegészítve annak a fényforrásnak a megnevezésével, amelyikre érvényes a beírt érték. ) A szemléltetés általános célja: bizonyítani az Ü = f(t,η) összefüggést, azaz az egyes fényforrások néhány jellemzőjének kisebb-nagyobb hatását az üzemeltetési költségekre, továbbá általánosítható következtetések megfogalmazása. Az első bemutatott határérték-egyenes az Ü = f(t,η) összefüggés η-jára készült a 7.2 ábra: 7.2. ábra: Az η fényhasznosítás határérték-egyenese A lm/w-os intervallum min./max. értékeinek aránypárjai: IA: LED=10 lm/w : 100 lm/w = 1:10, IA: L = 10 lm/w : 200 lm/w = 1:20. (Az IA és az L az ILCOS [International Lamp Coding System Nemzetközi lámpakódolási rendszer MSZ IEC 61231] szerinti fényforrásjelölés.) A második határérték-egyenes az Ü = f(t,η) összefüggés t-jére készült a 7.3 ábra, a t névleges élettartam határérték-egyenese ábra: A t névleges élettartam határérték-egyenese A 0-50 kh-s intervallum min./max. értékének aránypárja: IA: LED = 1000 h : h = 1:50. E 2 fényforrásjellemző megismert aránypárjai (1:10 1:20 1:50) eléggé nagyok ahhoz, hogy felkeltsék a szakemberek érdeklődését: léteznek-e nagyobbak? A harmadik példában ez bemutatható, bár az Ü = f(t,η) összefüggés nem tartalmazza a 7.4 ábra R a általános színvisszaadási indexének határérték-egyenesét ábra: Az R a általános színvisszaadási index határérték-egyenese Az 1 -től 100-ig terjedő R a -intervallum min./max. értékének aránypárja: L : IA = 1 :100 (az 1 szimbolizálja az L nem értelmezhető színvisszaadását.) Igen, az 1 :100 aránypár bizonyítja a feltételezés ( léteznek-e nagyobbak? ) helyességét. És így bizonyított az általános következtetés is: a KÜLÖNBÖZŐ fényforrások AZONOS fényforrásjellemzőinek számarányai széles intervallumban különböznek egymástól. Az oktatók - hallgatók - tervezők - beruházók üzemeltetők akár napi munkájuk során is hasznosíthatják e következtetést. 256

257 Hasznos következtetések a fényforrásjellemzők tanulmányozása eredményeként További általános következtetést is levonhatnak az oktatók - hallgatók - tervezők - beruházók üzemeltetők a 3 megismert határérték-egyenesből szerkesztett két derékszögű koordináta-rendszert tanulmányozva. (Az abszcissza mindkét rendszerben a 7.2. ábra η fényhasznosításegyenese.) A 7.5 ábra szerinti (η-t) koordinátarendszerben egyszerre szemléltethetők az IA és a LED-fényforrás hátrányai és előnyei. (Az IA 2 hátránya: legkisebb a fényhasznosítása, legrövidebb az élettartama. A LED 2 előnye: viszonylag nagy a fényhasznosítása, leghosszabb az élettartama.) 7.5. ábra: ábra: Az (η-t) koordináta-rendszer az IA és a LED-fényforrásokkal 7.6. ábra: Az (η-r a ) koordináta-rendszer az IA és az L fényforrásokkal A 7.6 ábra (η-r a ) koordináta-rendszere egyszerre szemlélteti az IA és az L hátrányait és előnyeit. (Az IA hátránya: legkisebb a fényhasznosítása, míg előnye: legjobb az általános színvisszaadási indexe. Az L hátránya: nem értelmezhető a színvisszaadása, de előnye: legnagyobb a fényhasznosítása.) Következtetés: az egybeszerkesztett koordináta-rendszerek alkalmasak két vagy több fényforrás hátrányos és előnyös jellemzőjének egyszerre történő tanulmányozására. További általános következtetések megfogalmazására késztet az ábrákat szemlélő szakemberek jogosan feltehető kérdése: az egyeneseken, koordináta-rendszerekben feltüntetett kerek-kerekített értékekkel szakszerűen lehet-e számolni? A válasz megfogalmazásához a következő 2 ábra 1-1 példája mutatja be a kerekítések hatását. Első példa: A 7.2. ábra η fényhasznosítás-egyenesén bejelölt kerek 10 lm/w mennyire alkalmas az izzólámpa fényhasznosításának megadására? 7.7. ábra: A (P e η) koordináta-rendszer az IA P e és η jellemzőjével 257

258 A 7.7 ábra szerinti (P e -η) koordinátarendszer szemlélteti az IA két jellemzőjének (P e és η) egymásra hatását. A koordinátarendszerből kivehető aránypárok: Pe min : Pe max = 25W : 2000W = 1:80, η min : ηmax = 8 lm / W : 20 lm / W = 1: 2, 5. Következtetés: Az első példa szerint alkalmasak a kerekített számok a jellemzők megadására, mert a nagy arányban (1:80) különböző egységteljesítmények hatása nem nagy a fényhasznosításokra (1:2,5). Második példa: A 7.3 ábra t élettartam-egyenesén a kerek 1000 h alkalmas-e az izzólámpa élettartamának meghatározására? A 7.8 ábra (U H -t) koordináta-rendszerében tanulmányozható az U H hálózati feszültség hatása az U G1 és az U G2 feszültséggel gyártott IA-nak a t élettartamára. (Paraméter: az IA fényforrás U G1 és U G2 gyártási feszültsége.) A koordináta-rendszerből kivehető aránypárok: U U = U : U = 220V : 240V 1:1,1 H min : H max G = 1 G2 U G U G min max = = 220 V... tmin : t = 320 h :1000 h = 1:3,1 1 max = V... t : t = 1000 h : 3100 h 1:3, ábra: Az (U H -t) koordináta-rendszer: az U H hálózati feszültség változásának hatása az U G1 és U G2 feszültséggel gyártott IA élettartamára Az élettartam-arányok azt mutatják, hogy az U H hálózati feszültség kis arányú változása a két különböző U G feszültséggel gyártott fényforrás t élettartamára nagyobb arányban hat, tehát a kereken 1000 óra élettartam fenntartással és csakis névleges jelzővel fogadható el. A két példa általánosításokra alkalmas tanulsága: A) Egy fényforrás (pl. az IA) két KÜLÖNBÖZŐ jellemzője (pl.: P e és η) KÜLÖNBÖZŐ arányban hat egymásra. B) Egy fényforrás (pl. az IA) üzemeltetési körülményeinek (pl.: U H és U G ) VÁLTOZÁSA és a hatásukra bekövetkező FÉNYFORRÁSJELLEMZŐ-VÁLTOZÁS (pl.: t) KÜLÖNBÖZŐ arányú. Végső következtetés: névleges jelzővel megfelelnek a kerek értékek. 258

259 8. A méréstechnika helye és eredményei a világítástechnikában 8.1 Érzékelők Mérőeszközeink legfontosabb elemei a jelátalakítók, érzékelők, amelyek a fizikai hatásokat alakítják át elektromos jelekké. A világítástechnikában alkalmazott mérőeszközök érzékelőinek feladata az optikai sugárzás feldolgozása. Általában fény- és színtechnikai mérésekről beszélünk, de sok esetben nem korlátozódik a mérés a látható sugárzás spektrumába. Igen fontos jellemzőket kell meghatározni az UV és az infra tartományokban egyaránt. Ebből következik, hogy az alkalmazott érzékelőknek az említett spektrum tartományokban kell tudni működni Termikus detektorok A termikus detektorokban a sugárzott energia először hőenergiává alakul, majd elektromos jelként jelenik meg. Mivel a hőenergiává alakulás a sugárzás teljes energiájával arányos, ezért ezek a detektorok érzékenysége nem függ a hullámhosszúságtól. Hátrányuk azonban működési elvükből adódóan, hogy igen érzékenyek a környezeti hőmérsékletre. Alkalmazásuk ezáltal nehézkes és ritka. Felépítésük általában két olyan fém összehegesztéséből áll, amelyeknek a termofeszültsége igen különböző. A legismertebb anyagpárosok: nikkel-krómnikkel, vas-konstantán, platinaródium-platina. ábra Fotoelektromos érzékelők Fotocellák 8.1. ábra: Termikus detektor A fotoelektromos detektorokban a sugárzott energia (fotonok energiája) közvetlenül elektromos energiává alakul. Lényeges, hogy hullámhosszfüggés áll fenn ezeknél a detektoroknál, mivel a fotonok energiájától függ az érzékelés. Működésük a fény (ill. sugárzott energia) kvantumoknak a kristályokban való elnyelődésén és az ebből létrejövő elektronáramláson alapul. Az elektronok az energiafelvétel következtében kiléphetnek a kristályból (külső fotoeffektus), vagy megváltoztatják a kristály vezetőképességét (belső fotoeffektus), illetve képesek az anyagban lévő inhomogenitásnak megfelelő potenciálfal átugrására (záróréteg fotoeffektus). A fotocellák működése külső fotoeffektuson alapul. Zárt burában elhelyezett anódból és az úgynevezett fotokatódból állnak. A katódokra kapcsolt külső feszültség hatására a fotokatódból kiváló elektronok az anódon gyűlnek össze. A megfelelően nagy feszültség hatására a kialakuló fotoáram lineáris kapcsolatot mutat a beeső megvilágítás hatására. Gáztöltésű fotocellák esetében a fotoáram (így az érzékenység) akár egy nagyságrenddel is növelhető, de a linearitás romlik. Ebből kifolyólag mérési célra a vákuumcellák alkalmasak, míg a gáztöltésűeket kapcsolóelemként alkalmazzák. ábra 259

260 8.2. ábra: Fotocella Fotoelektron-sokszorozó A vákuumcellák érzékenysége növelhető a szekunderemisszió jelenségével. Ha a vákumcellában az anód és a fotokatód közé segédelektródokat helyezünk, fotoelektronsokszorozót hozhatunk létre. Alapelve az, hogy a különböző feszültségű segédelektródokon szekunderemisszió lép fel, azaz a belépő elektronok hatására több elektron lép ki (akár tízszerese). Így az egymás után kapcsolt fokozatokkal rendkívül nagy (10 nagyságrend) erősítés is elérhető. Felhasználásuk elsősorban spektrumanalizátorokban. ábra Fotoellenállások 8.3. ábra: Fotoelektronsokszorozó (multiplyer) Egyes félvezetőkben sugárzás hatására a vezetőképesség növekszik, azaz belső fotoeffektus lép fel. Külső áramforrás hatására alapállapotban kis áram halad át, de besugárzáskor a megnövekedő vezetőképesség által az áram is megnövekszik. Az ellenállás logaritmusa és a megvilágítás logaritmusa közel lineáris kapcsolatban van. Alkalmazásuk jellemzően fényképészeti eszközökben történik. Fotodiódák, fotodiódasorok A fotodiódák olyan félvezetők, amelyeknek PN-átmenetét érő sugárzás hatására az elektronok az n-típusú, a lyukak a p-típusú tartományba diffundálnak. Amennyiben a zárófeszültséges üzemben alkalmazzuk a töltéshordozók szétválását, ezt a külső feszültség elősegíti, ezáltal növekszik a félvezető réteg ellenállása. A zárófeszültség növelésével a töltéshordozók olyannyira felgyorsulhatnak, hogy ütközési ionizáció során újabb töltéshordozók alakulnak ki. E folyamat során a fotoáram több százszorosra is növekedhet, így az úgynevezett lavina diódák a legérzékenyebb fotodetektorok közé tartoznak. Az üresjárási feszültség logaritmikus, míg a rövidzárási áram lineáris összefüggésben van a megvilágítással. Fotodiódákat leginkább híradástechnikai eszközökben alkalmaznak. ábra 8.4. ábra: Fotodiódák Fotodiódasorokról akkor beszélhetünk, ha sűrűn egymás mellé illesztett, különálló fotodiódákból sort alkotunk. Ezáltal lehetővé téve a gyors érzékelést a detektorsoron. Ennek előnyét kihasználva legjellemzőbb alkalmazásuk a gyors spektrofotométerekben, ahol a monokromátor elem után az egyes fotodiódákra eső spektrumsávok egymás utáni kiolvasásával történik a mérés. ábra 260

261 8.5. ábra: Fotodiódasorok Fényelemek A fényelemek a világítástechnikai méréstechnika legelterjedtebb érzékelői. Ennek oka, hogy külső tápellátást nem igényelnek, így könnyen alkalmazhatók kézi (hordozható) műszerekben is. Működésük zárórétegeffektus elvén alapul, amelyben a félvezető rétegben a megvilágítás hatására töltéshordozópárok keletkeznek, így az elektronok az n-vezető míg a lyukak a p-vezető felé vándorolnak. Külső villamos összekötés során kialakuló fotoáram a megvilágítással lineárisan arányos lesz. Működési sebessége némileg korlátozott a többi érzékelőhöz viszonyítva. Régebben alkalmazott anyaga a szelén (Se), melynek érzékenységi spektruma főleg a látható spektrumba esik, így könnyen illeszthető a szemérzékenységi görbéhez. Komoly korlátai közt említendő azonban, hogy maximum 60 C-os környezeti hőmérsékletig és néhány ezer lux megvilágítás értékig alkalmazhatók. Napjainkban a szilícium (Si) alapú érzékelők terjedtek el, köszönhetően annak, hogy sokkal tágabb határok között használhatók ( lx), és érzékenységük is kb. ötszöröse a szelén fényelemekének. Egyedüli hátrányuk, hogy spektrális érzékenységük főleg az infra tartományba esik, így a V(λ) illesztésük nehézkesebb, de a mai szűrőgyártás technológiájával mégis könnyedén megoldható. Legjellemzőbb alkalmazásuk megvilágításmérőkben, fénysűrűségmérőkben terjedt el. ábra CCD-k, CMOS-ok 8.6. ábra: Fényelemek Napjainkban egyre inkább kezdenek elterjedni a kétdimenziós érzékelők. Ezek elsődleges előnye a mérések felgyorsíthatósága. A mátrix elrendezésű pixelek (elemi képpontok) felfoghatók egy-egy érzékelő elemnek, és így egy nagy felbontással rendelkező (milliós nagyságrend) érzékelő egy képi felvételekor ilyen nagyságrendű mérési adat feldolgozásának értelmezhető. A CCD (Charge Coupled Device) egy töltéscsatolt eszköz. Alapvetően egy a 70- es években kifejlesztett memóriatípus, egy analóg léptetőregiszter. Működési elve, hogy a bemenő oldalon létrehozott töltést egy külső órajel hatására a kimenet felé továbbítja, lépteti. Amennyiben a CCD felületét optikailag szabaddá teszik, a töltések a felületre vetülő fény által is létrehozhatóak. Így jöhet létre egy mátrix elrendezésű képi információk feldolgozására alkalmas érzékelő. A CCD-t úgynevezett MOS technológiával állítják elő, amelyben a rétegek sorrendje: Metal (fém) - Oxide (fémoxid szigetelő) - Semiconductor (félvezető). ábra 8.7. ábra: CCD-érzékelő A CMOS technológiával ellátott képérzékelő azonban jelentősen eltér a CCD-től. A fény érzékelése ebben az esetben is fotoelektromos effektusnak köszönhető, de itt minden egyes képpont saját erősítővel rendelkezik (töltés-feszültség konverter). A kiolvasás pedig mátrix elven valósul meg az egyes erősítőket összekötő vezetékhálózaton. Ezeket a képérzékelőket a pixelenkénti erősítés miatt aktív-pixeles érzékelőnek is nevezik. 261

262 ábra 8.8. ábra: CMOS-érzékelő Ezeket az érzékelőket a világítástechikában leggyakrabban fénysűrűségmérőkben és esetleg spektroradiométerekben alkalmazzák. 8.2 Fénytechnikai jellemzők mérése Megvilágítás mérés A világítástechnikai méréstechnika alapjellemzője a megvilágítás mérése. Hozzátehető, hogy szinte valamennyi fénytechnikai jellemző mérése is erre vezethető vissza. Mérése manapság jellemzően fényelem alkalmazásával és digitális jelfeldolgozással és kijelzéssel történik. Alapvető követelmény, hogy megfelelő V(λ) illesztéssel (szűrő alkalmazásával) és koszinusz feltét (rendszerint diffúz üveg vagy félgömb) alkalmazásával megfelelő iránykarakterisztikát elérve (adott irányú fény a beesési szög koszinuszával legyen arányos) a célnak megfelelő mérési pontosságot érjük el. Napjainkban ez egy tokozásban kialakított mérőfejet jelent, akár hőmérséklet-stabilizált kivitelben is. A megvilágításmérők jellemzőiről és kiválasztásuk főbb szempontjairól bővebben olvashatunk a [közvilkönyv] irodalomban. ábra Fényerősség mérés 8.9. ábra: Megvilágításmérő A fényerősségmérés visszavezethető megvilágítás mérésre, azonban alapvető követelmény a fotometriai távolságtörvény betartása. Tehát a mérési távolságnak a fotometriai határtávolságon (a fényforrás sugárzó felületének legnagyobb méretének 5-10 szeresén) túl kell esnie, hogy a fényforrás pontszerűnek tekinthető legyen. Ebben az 2 esetben igaz lesz a 2.9 szerinti összefüggés, azaz: I = E R. Így a fényerősség értéke a megvilágítás és a távolság mérésével számítható. Pontos mérés optikai padon végezhető, amelyen biztosítható a fényforrás és érzékelő megbízható pozícionálása, és a pontos távolságmérés is elvégezhető. Ismert fényerősséggel rendelkező (etalon) lámpa használatával egyszerű távolságmérésre is visszavezethető a fényerősség meghatározása, amennyiben a mérendő lámpa megvilágítás értékét a távolság változtatásával ugyanarra az értékre állítjuk, mint az ismert (etalon) fényforrás megvilágítása. Ebben az esetben természetesen lényeges, hogy az ismert fényforrás fényerősség értéke kell, hogy kalibrált legyen a megvilágításmérő megfelelősége mellett. A pontos fényerősség méréshez szükség lehet a káros/zavaró reflexiók kiküszöbölése, amelyet blendézéssel lehet megoldani még abban az esetben is, ha a mérést fekete szobában végzik. Amennyiben a fényerősség mérése fényerősség-etalonnal történik, abban az esetben a vizsgált fényforrás fényerősségének meghatározása a 8.1 összefüggés alapján történik: 2 Retalon I vizsgált = I etalon (8.1) 2 R vizsgált 262

263 ahol I vizsgált illetve I etalon a vizsgált ill. etalon fényforrás fényerőssége az adott irányban, és R vizsgált és R etalon a vizsgált ill. etalon fényforrások távolsága az érzékelőtől, ha a fényforrások merőlegesen világítanak az érzékelőre. ábra ábra: Fényerősség mérése Fényerősség-eloszlás mérésről beszélünk, amikor egy fényforráson, lámpatesten a tér bármely irányába kisugárzott fény fényerősségét határozzuk meg az adott irányokba. Ezt úgynevezett goniométer segítségével tehetjük meg, amely vagy a mérendő fényforrást/lámpatestet forgatja az adott irányban elhelyezett érzékelő előtt, vagy magát az érzékelőt forgatja a mérendő eszköz körül. Ezeken felül napjainkban megjelentek forgó tükrös rendszerek, amelyekben mind a fényforrás mind az érzékelő fix, és egy tükörrendszer mozgatásával járjuk körbe a mérendő tárgyat. Ennek mérési elvéről részletesen olvashatunk a [VTJII.] jegyzetben Fénysűrűség mérés A fénysűrűségmérés fontosságát jellemzi, hogy szemünk ezt a mennyiséget érzékeli, tehát a vizuális hatások (észrevehetőség, láthatóság, olvashatóság, káprázás, stb.) meghatározásánál ennek a mérése célszerű. E jellemző mérését fénysűrűségmérővel végezhetjük, amely adott térszögből érkező, adott felületelemről beeső sugárzás átlagos fényáramát, azaz a fényerősség felületi sűrűségét határozza meg. A látószöget illetve érzékelőjének működő felületét úgynevezett diafragmával biztosítja. A napjainkban elterjedt fénysűrűségmérők több választható látószög tartományt biztosítanak a különböző mérendő felületekre, célokra, amelyek diafragmaváltással érhetők el. ábra ábra: Fénysűrűség mérése A fénysűrűség mérésére alkalmas eszközök számos változatban és árszínvonalon állnak rendelkezésre. A mérési cél figyelembevételével érdemes kiválasztani az adott mérési feladatra alkalmas eszközt, melyhez segítségül szolgálhat a [VTJII.] jegyzet, valamint a [közvil] kézikönyv [*] fejezete is. Ide még be kellene rakni egy alfejezetet a DSLR kamerás mérésekről Ki az a vállakozó személyiség, aki ezt fel tudja vállalni? Fényáram mérés A fényforrások fényárama kétféleképpen határozható meg. A fényforrás fényerősség-eloszlás mérésével és a fényerősségének térszög szerinti integrálásával, azaz az előzőekben említett goniofotometrálással és a fényerősségek összegzésével. Ezt a módszert legtöbb esetben lámpatestek fényáramának meghatározásakor alkalmazzuk. Integráló fotométer segítségével is mérhetünk fényáramot, amelyet feltalálójáról Ulbricht-féle fotométergömbnek nevezünk. Működési elve azon alapszik, hogy a belülről kifestett (BaSO 4 ) mérőgömbbe helyezett fényforrás kibocsátott fényárama arányos lesz a gömb bármely pontjában elhelyezett érzékelővel mért megvilágítással (amennyiben az érzékelőt nem éri közvetlen sugárzás). Így egy ismert (etalon) fényforrás fényáramával összehasonlítva meghatározható a mérendő fényforrás fényárama. Ez a módszer kifejezetten alkalmas fényforrások sorozatos fényáram 263

264 mérésére. Fontos szempont, hogy a mérőgömb festése megfelelő legyen, azaz kellően egyenletes diffúz felületet adjon, és reflexiós tényezője lehetőleg ne legyen túl nagy (ρ = 0,8) az úgynevezett szelektív hiba minimalizálása érdekében. Használat során ügyelni kell arra is, hogy nagy UV sugárzást kibocsátó fényforrások mérésekor rendszeres újrafestést kell biztosítani. A fényáram integráló fotométergömbben történő mérésekor ügyelni kell arra is, hogy a vizsgált fényforrás spektrális eloszlása összhangban legyen az etalon fényforrás spektrumával. Ez azt jelenti, hogy fényforrás-típusonként más-más etalon fényforrást kell alkalmaznunk. A fényárammérés elvéről és matematikai levezetéséről bővebben olvashatunk a [*] jegyzetben. ábra Spektrális jellemzők mérése ábra: Fényáram mérése A spektrális jellemzők mérését spektrális energiaeloszlásmérőkkel végezzük oly módon, hogy egy mért spektrum alapján számításokkal határozzuk meg a színkoordinátákat, színhőmérsékletet, színvisszaadási tényezőt és az egyéb paramétereket. A spektrum felvétele a spektroradiométer segítségével a fény felbontásával történik. A színképbontást a monokromátor végzi prizma vagy síkrács segítségével. Érzékelőként jellemzően fotoelektron-sokszorozót alkalmaznak a csekély fénymennyiség miatt. A gyors rendszerekben pedig fotodiódasor a detektor, amely biztosítja az akár folyamatos kiolvasást. A mért színképből a színkoordináták könnyedén számolhatók a megfelelő súlyozó görbék alkalmazásával. A színhőmérséklet pedig e koordinátákból határozható meg a Plank-vonalhoz való helyzetből. A színvisszaadási tényező is a mért spektrumból a szabványosított színminták alkalmazásával számítható. Napjaink radiométerei természetesen számítógép vezéreltek, így ezeket és az egyéb paramétereket is a rendszer szoftvere számítja, értékeli Anyagjellemzők mérése Anyagjellemzők mérésekor alapvetően transzmisszió (áteresztés) és reflexió (visszaverés) meghatározásáról beszélünk. A mérésüket végezhetjük spektrálisan vagy integrálisan is. Spektrális méréskor egy ismert spektrumú (etalon) fényforrást használva spektroradiométer segítségével vesszük fel a tényezőket. Míg integrális méréskor egyszerű megvilágítás arányának mérésével határozzuk meg a jellemzőket. Természetesen ebben az esetben is fontos a fényforrás spektruma, ezért általában itt is szabványosított CIE A vagy C fényforrásokat alkalmazunk a vonatkozó szabványoknak megfelelően. Áteresztési tényező mérését végezhetjük irányítottan, tehát optikai padon. Így megállapíthatjuk az adott irányban tapasztalható áteresztést. De mérhetünk integrálisan, Ulbricht-gömb segítségével. Ebben az esetben a teljes térbeli áteresztést összegezve kapjuk az eredményt. Fontos szempont, hogy a gömb méretéhez képest lehetőleg minél kisebb réseket alkalmazzunk és alapvető fontosságú, hogy az érzékelő direkt fényt ne kaphasson. ábra 264

265 8.13. ábra: Transzmisszió mérése Reflexió méréskor is külön vizsgálhatunk tükrös reflexiót, vagy a teljes térbe visszavert sugárzás arányát. Mindkét esetben azonban szükség van egy reflexiós etalonra (ismert reflexiójú általában fehér lap, korong), amelyhez képest aránypárral tudjuk megállapítani az eredményt. A tükrös reflexióhoz használhatunk optikai padot, de értelemszerűen egy síkban és két tengely mentén mérhetünk. A teljes térbeli reflexió meghatározásához pedig szintén integráló gömböt alkalmazunk az alábbi módokon. A gömbi követelmények természetesen itt is igazak lesznek. ábra ábra: Reflexió mérése Amennyiben a mérendő mintánk szabályos (tükrös) komponenst is tartalmaz (vagyis nem Lambert-sugárzó), akkor egy másik elrendezésben tudjuk mérni külön a tükrös és a diffúz reflexiót is. A visszavert fény kilépőrését letakarván (a gömb anyagával megegyező felülettel) pedig az első esethez hasonlatosan mérhetjük a teljes reflexió értékét is. ábra ábra: Tükrös reflexió mérése 8.3 Fénytechnikai mérőműszerek és segédeszközök Megvilágításmérők A legelterjedtebb fénytechnikai mérőműszerek a megvilágításmérők. Elsődlegesen megvilágítás, másodsorban pedig a korábban említett elvek alapján más fénytechnikai jellemzők mérésére használjuk őket. Felhasználhatóságuk szempontjából megkülönböztetünk kézi- és asztali kiviteleket. Pontossági osztályok szerint pedig ipari és laborműszerekről beszélünk. A kézi megvilágításmérők belső elem vagy akkumulátor segítségével hordozhatók és így könnyedén alkalmazhatók mind beltérben mind kültéren egyaránt. Természetesen hozzá tartozik, hogy a környezeti hőmérséklet hatására oda kell figyelni. Jellemzően a kézi megvilágításmérők ipari pontosságúak, így V(λ) illesztésükre és linearitásukra figyelmet kell fordítani. Asztali laborműszerek esetében kialakításukban elsődleges szempont a pontosság és a megbízhatóság. Legtöbb esetben robusztus hőmérséklet stabilizált mérőfejjel rendelkeznek, amelyeknek kiváló a V(λ) illesztésük és a koszinusz korrekciójuk. Kialakításukból adódóan nehezen hordozhatóak (hiszen nem ez a cél), de ennek ellenére léteznek akkumulátoros kivitelek. Ezeket jól tudjuk alkalmazni hosszan tartó mérésekhez esetleges áramkimaradás esetén is. ábra Fénysűrűségmérők Napjaink fénysűrűségmérői a felhasználási területtől függően igen eltérő kialakításúak lehetnek. Egyedi mérésekre alkalmasak a hagyományos rendszerűek, amelyek általában változtatható keskeny látószöggel (pl. 3, 1, 20 ) rendelkeznek, de csak egyedi felületek mérésére használhatók. Speciális kivitelűnek számítanak az olyan műszerek, amelyek igen 265

266 nagy látószögű mérőfejjel rendelkeznek. Ezeket kifejezetten nagy felületek felületi fénysűrűségének mérésére használhatjuk (pl. utánvilágító anyagok). Az összetett, sok mérési pontot magába foglaló feladatokkor (pl. közvilágítás mérése) egyre inkább elterjednek a fénysűrűségmérő kamerák. Ezek úgymond kalibrált digitális fényképezőgépek (CCD vagy CMOS érzékelőkkel), amelyekkel egy-egy felvétellel sok mérési pontot vehetünk fel egyszerre. Természetesen ezekhez megfelelő értékelő szoftver is szükséges Integráló fotométergömbök Az elsődlegesen fényforrások mérésére alkalmazott fotométergömböket rendszerint a fényforrások méretéhez és fényáramához illesztve alkalmazzuk. Így a 0,5 m-től a 3 m-es átmérőig találkozhatunk velük. A kisebb méretű (0,5 m) gömböket gépjárműlámpákhoz és általános világításra szánt miniatűr lámpákhoz alkalmazzuk. A normál háztartásokban alkalmazott fényforrásokhoz leginkább 1 m-es, míg a nagyobb méretű és fényáramú kisülőlámpákhoz akár 2-3 m-es gömböket használunk. Felépítésük méretüktől függetlenül közel azonos, csak a nyithatóságukban tér el. A kisebb méretűek a foglalatot tartó nyíló ajtóval rendelkeznek, míg a nagyobb méretűeknél a teljes gömb félbenyitható (akár motorikusan a nagy tömeg miatt). Természetesen minden gömb rendelkezik fényforrástartó szerkezettel és működési elvből adódóan árnyékoló elemmel. A precízebb kialakítású gömböknél az úgynevezett abszorpciós hiba (fényforrások átlátszatlan részei, árnyékoló- és tartószerkezetek fényelnyelő hatása) kiküszöbölésére beépített segédlámpákat alkalmazunk. ábra Anyagjellemzők méréséhez használt gömbök felépítése természetesen más az adott jellemző méréséhez illeszkedően. Erről bővebben már az anyagjellemzők mérésénél esett szó Goniométerek A goniométerek lámpatestek és fényforrások fényerősség-eloszlásának méréséhez használt eszközök. Kialakításukat tekintve többféle rendszerről is beszélhetünk. Alapvetően megkülönböztethetjük, hogy mi mozog a rendszerben. A legelterjedtebb konstrukcióknál a mérendő tárgyat forgatjuk két tengely mentén, míg az érzékelő fix pozícióban van. A legtöbb esetben mindkét dimenzióban való elforgatás teljes kör, hiszen a lámpatestek a teljes térbe sugározhatnak. Ábra Speciális kialakítású goniométerek is léteznek (korlátozottabb mozgathatósággal), amelyek kifejezetten az irányított fényű fényforrások, lámpatestek mérésére alkalmasak (pl. gépjárműipar). Ábra Egyes rendszereknél a mérendő tárgy fix és az érzékelőt forgatjuk körbe. Ábra Napjainkban pedig megjelentek a tükrös rendszerű goniométerek, amelyeknél mind a fényforrás mind az érzékelő fix és egy tükörrendszer mozgatásával végezzük a mérést. Ábra Általánosságban elmondható, hogy a mai rendszerek természetesen egyre inkább automatizáltak és így az eredmények könnyedén megkaphatók és feldolgozhatók Spektrumanalizátorok A spektroradiométerek különböző felépítése az alábbi ábrákon látható. 266

267 Ábra1 Ábra2 A bemeneti optikáknak több megoldása is van. Léteznek diffúz (integráló) gömbök a fény összegyűjtésére, amelyek közvetlenül vagy optikai kábel segítségével csatlakoznak a radiométer belépő réséhez. Vannak olyan rendszerek, amelyek csak egy Cosinus előtéthez hasonló diffúzorral szerelt optikai kábellel rendelkeznek. És bizonyos típusoknál pedig csak önmagában a belépő rés maga az optika. Természetesen a felhasználási terület határozza meg, hogy mely kialakítás a megfelelő. A monokromátoroknak is több féle felépítése lehet. A felbontóképesség és pontosság függvényében vannak szimpla és dupla monokromátoros rendszerek. Természetesen ez utóbbiak a precízebb nagyobb felbontással rendelkezők, de egyben ezek némileg lassabb érzékelésű eszközök. A felhasználási cél elsődlegesen fényforrások sugárzásának értékelése. A színparaméterekhez alapvetően a látható tartomány mérése szükséges, de más jellemzőkhöz szükség van az UV és a közeli infra tartomány mérésére is. Ennek megfelelően egyes készülékek hullámhossztartománya csak nm, de léteznek pl nm vagy akár több érzékelő kombinációjával működő nm-es átfogással rendelkezők. Felbontóképességet tekintve az egyszerűbbek 5-10 nm-es, míg a precíziós műszerek 1 nm-s bontással működnek. Ezeknek a pontossága rendszerint 0,1 nm. Értelemszerűen folytonos spektrum mérésére kisebb felbontás is elégséges lehet, de vonalas spektrumhoz szinte elengedhetetlen a nagy felbontás. ábra Etalon lámpák, referencia előtétek A legtöbb fénytechnikai mérést összehasonlítással végezzük, így szükség van ismert, bemért, vagyis kalibrált etalon fényforrásokra. A felhasználási céljukat tekintve megkülönböztetünk fényáram, fényerősség és fénysűrűség etalonokat, de alapvető követelmény mindegyikre nézve a robusztus felépítés a megbízhatóság, a tartósság és a reprodukálhatóság érdekében. A fényáram etalonlámpák a leggyakrabban alkalmazott etalon fényforrások. Felépítésük hasonló a normál izzólámpákhoz, csak az izzószálat tartó állvány kialakítása más a megbízhatóbb rögzítés érdekében. A lámpaburájuknak elszíneződéstől és üveghibáktól mentesnek kell lenni. Sok esetben homályos bevonattal készülnek. Tartományuk illeszkedve a mérendő fényforrások fényáramához általában 100 és 5000 lm között elérhető. Pontosságuk 1%-os. Ábra A fényerősség etalonok igen speciális izzólámpák, amelyeknek az izzóteste általában egy síkban helyezkedik el. A spiralizálatlan volfram szál üvegkeretre van rögzítve rugós tartók segítségével. A bura kialakítása is speciális, hogy a burán keletkező tükörképek ne a mérési irányba vetüljenek. Burájuk festése is speciális, mivel a mérési irányba matt feketére festettek egy kis kilépő ablak kihagyásával. Kisebb fényerősségekhez általában vákuumot, míg a nagyobb fényerősségekhez gáztöltést alkalmaznak. A fényerősségük az izzótestre merőleges irányba van megadva és a szokásos tartománya cd 0,5%-os pontossággal. Ábra Fénysűrűség etalont alapvetően Lambert felület megvilágításával lehet előállítani. Ez létrehozható fényerősség etalonlámpával és egy transzparens diffúz - általában fehér - felülettel. De előállítható fotométergömbbe helyezett fényforrással is. Ábra 267

268 Kisülő fényforrások mérésekor a kellő stabilitás és reprodukálhatóság érdekében referencia előtéteket alkalmazunk. Ezek speciális robusztus kivitelű tekercsek, amelyek biztosítani tudják a lámpák névleges üzemi körülményeit. Természetesen minden egyes szabványosított fényforráshoz tartozik egy-egy speciálisan méretezett előtét. ábra 8.4 Ipari méréstechnika Világítástechnikai iparban alkalmazott mérések három csoportba sorolhatók. Elsősorban a fényforrások fénytechnikai jellemzőire kell gondolni. Másodsorban a komplett lámpatestek méréstechnikájára. Valamint a kül- és beltéri mesterséges világítások mérésére Fényforrások mérése A fényforrások működési paramétereinek méréseit alapvetően a nemzetközi, európai és nemzeti szabványok alapján végezzük. A teljesség igénye nélkül, néhány ezek közül: halogén izzókra IEC/EN/MSZ EN 60357, fénycsövekre IEC/EN/MSZ EN 60081, beépített előtétes kompakt fénycsövekre IEC/EN/MSZ EN Fontosságuk abban nyilvánul meg, hogy a lámpák mennyire biztosítják a gyártók által deklarált névleges értékeket. A legfontosabb fénytechnikai jellemzők a fényáram, fényáram-tartás és a színparaméterek (színhőmérésklet, színvisszadás). Mérésüket a korábban említett módokon integráló fotométer gömbben, esetleg goniofotometrálással végezhetjük megvilágításmérő és spektrumanalizátor segítségével. A működési jellemzőkön felül a biztonsági vizsgálatok körébe tartozó fotobiológiai vizsgálat is elengedhetetlen a LED fényforrások ellenőrzésekor. Ez alapvetően egy spektrális mérés a lámpák (valamint lámpatestek és lámparendszerek) bőrre és szemre gyakorolt hatásaira. Ezen mérést szintén egy nemzetközi, európai vagy nemzeti szabvány (IEC/EN/MSZ EN 62471) alapján végezhetjük el oly módon, hogy a mért spektrumot szabványosított súlyozó görbék alkalmazásával értékeljük. Végeredményképpen a határértékeknek való megfeleltetés során a fényforrást kategorizáljuk és amennyiben szükséges felirat követelményeket állapítunk meg Lámpatestek mérése A lámpatestek fénytechnikai jellemzése alapvetően goniométeres mérést takar, hiszen a világítástervezések során az alkalmazandó lámpatestek fényerősség-eloszlására alapvetően szükség van. A mérési eredmények közlése az Európában elterjedt un. Eulumdat fájl formátumban történik. A vészvilágítási lámpatestek esetében e fénymérés kiemelten fontos, mert biztonságtechnikai paraméternek számít, hogy a lámpatest biztosítja-e a gyártó által deklarált fényeloszlást. LED-es lámpatestek esetében is elengedhetetlen az előző fejezetben kifejtett fotobiológiai vizsgálat, értékelés. Amennyiben a beépített fényforrás önmagában már bevizsgált fotobiológiai szempontból, nem feltétlenül lesz szükség újbóli vizsgálatra. Ezt az optikai elemek értékelésével lehet megtenni Világítás mérése Belső téri munkahelyi világítás értékelésére támaszt követelményeket az MSZ EN jelzetű szabvány. A mesterséges világítás sok jellemzőjére tartalmaz előírást. Alapvető követelményként a munkaterületek megvilágítására határoz meg minimum étékeket, egyenletességi követelménnyel. Ezek mérése egyszerű megvilágítás méréssel elvégezhető, 268

269 természetesen az esetleges külső tényezők (pl. zavaró fények) figyelembevételével. Sokkal összetettebb feladat a káprázás követelmények megfelelősége, azáltal, hogy csak fénysűrűségméréssel végezhető el. A színtani szempontok ellenőrzése pedig, amennyiben szükséges, spektrális mérésekkel végezhető. Sok esetben azonban a fényforrások névleges paramétereiből a megfelelőség feltételezhető, igazolható. A villogás és stroboszkóphatás veszélye a világítási rendszer ismeretében mérés nélkül értékelhető. Külső téri munkahelyi világítás értékelésére támaszt követelményeket az MSZ EN jelzetű szabvány. Ez ugyanolyan struktúrában hasonló követelményeket támaszt, mint a fent említett belső téri szabvány, így a méréseket az ott leírtak szerint itt is ugyanúgy lehet elvégezni. Az útvilágítás követelményeit az MSZ EN szabványsorozat foglalja magába. A 4. rész kifejezetten a mérési módszereket taglalja az alábbiak szerint. Követelményeket támaszt a mérés körülményeire, a nem fotometriai mérésekre és azok regisztrálási metódusára. Részletezi a mérési pontok elhelyezkedését és tájékoztatást ad a statikus és dinamikus mérések metódusáról. Leírja mind a megvilágítás mérés, mind a fénysűrűségmérés követelményeit. A gyakorlatban a rendkívüli mintavétel (mérési pontok száma) miatt praktikus a mozgó járműből végzett mérés, amennyiben az megfelelően végezhető. Fénysűrűségmérésre pedig egyre elterjedtebb a fénysűrűség mérő kamerák használata, a gyors felvételkészítés által. 269

270 9.1 Számítási módszerek INNOVATÍV VILÁGÍTÁS 9. Világítástervezés a XXI. században A világítási berendezések tervezése számításokon alapul. Ezek a számítások, amelyek berendezések létesítéséhez szükséges gyakorlati adatokhoz vezetnek, (pl. hány darab világítótestre van szükség adott helyiség világításához), a világítás méretezését jelentik. Ma már a világítás méretezése szinte kizárólag számítógéppel történik; a szoftver-technika nagymértékű fejlődése lehetővé tette, hogy a lassú és bonyolult kézi számítás helyett a tervezői munkának ez a része percek alatt, sokkal kisebb fáradsággal elvégezhető legyen. Mindezek ellenére szükséges, hogy a világítástechnikus mérnök ismerje magukat a számítási eljárásokat, amelyek alapján a programok készültek. Enélkül tudatos tervezés, az eredmények ismeretében a szükséges korrekciók elvégzése nem lehetséges, nem is szólva arról, hogy ilyen irányú szoftver fejlesztésben a világítástechnikus csak akkor tud részt venni, ha a számítás alapjaival tisztában van. A világítás méretezéséhez szükséges számítások alapvetően két módszerrel végezhetők: a hatásfok-módszerrel és az ún. pont-módszerrel Számítás hatásfok-módszerrel A hatások-módszer alapelve A hatásfok-módszer tulajdonképpen gyűjtőneve mindazon világítástechnikai eljárásoknak, melyek alapgondolata, hogy a fényforrásból kisugárzott fényáramnak csupán egy hányada világítja meg a látási feladatra vonatkozó síkot (munkasíkot). A világítási berendezések működése következtében veszteségek adódnak, s így a fizikában tanultaknak megfelelően itt is felírhatjuk a hasznos teljesítménynek és az összes kisugárzott teljesítménynek a hányadosát, vagyis a hatásfokot. Ebben a fejezetben a hatásfok-módszerek közül a tervezési gyakorlatban leginkább alkalmazott ún. LiTG eljárást mutatjuk be. (LiTG a német világítástechnikai társaság Lichttechnische Gesellschaft - nevének rövidítéséből származó betűszó.) Tekintve, hogy a fényáram teljesítmény jellegű mennyiség, Φhasznos η v = (9.1) Φösszeskisugárzott ahol η v a világítási hatásfok. A veszteségek alapvetően két forrásból származnak. a.) A megvilágítandó síkra a világítótestből kisugárzott fénynek bizonyos része reflexiók után érkezik, vagyis miután visszaverődött a falakról, mennyezetről, berendezési tárgyakról, stb. A reflektált fényáram a visszaverő felületek reflexiós tényezőjétől függően kisebb, mint a közvetlenül beeső. A világosra festett falról, mennyezetről az odaérkezett fényáramnak 70-80%-a, a sötét bútorról, padlóról 20-25%-a verődik vissza. Beláthatjuk, hogy a világítás hatásfokát nagymértékben befolyásolja a munkasíkra közvetlenül érkező és a reflexiók után beeső fényáram aránya, vagyis a világítási mód (ld. 4.2 táblázat). A közvetlen világítási módtól a közvetett felé haladva a világítás hatásfoka csökken. Tehát a veszteség egyik forrása a helyiségben keresendő, ennek megfelelően a világítás hatásfokának egyik alkotója a helyiséghatásfok (η R ). 270

271 b.) A veszteség másik előidézője maga a világítótest. A fejezetben olvashattuk, hogy a lámpatest a gyártásakor felhasznált anyagoktól és a kialakítástól függően a fényforrás fényét nem teljes mértékben sugározza ki. Ebből adódóan definiáltuk a lámpatest fénytechnikai hatásfokát, amely a lámpatestből kisugárzott fényáramnak és a lámpatest nélkül működő fényforrás fényáramának hányadosa (η L ). Φ η = (9.2) L L Φ f A világítási hatásfok a helyiséghatásfok és a lámpatesthatásfok szorzata: ηv = ηr ηl, ahol Φ f a lámpatestben levő fényforrás(ok)nak a fényforrásgyártó által megadott fényárama (katalógusadat). A helyiséget határoló felületekről sokszorosan reflektált fény figyelembevétele meghatározza, hogy a hatásfok módszer elsődlegesen belsőtéri világítástéri eljárás. Külső tér esetében is tulajdonképpen egy adott területet kívánunk megvilágítani (parkot, sportpályát stb.). A világítótestek azonban a célterületünkön kívülre is világítanak. Így itt is értelmezhetünk egy hatásfok jellegű mennyiséget, melyet a helyiséghatásfok helyett alkalmazhatunk. Ezt geometriai hatásfoknak nevezzük. (η g ) Φ h η g = (9.3) ΦL ahol Φ h a célterületre jutó, tehát hasznos fényáram, Φ L a világítótestből kilépő összes fényáram. A hatásfokot értelmező kifejezésben a hasznos teljesítményjellegű mennyiség a Φ = E A (9.4) alapegyenletben szereplő Φ fényáram, amelynek a helyiség A alapterületén E megvilágítást kell létrehoznia. Ez a megvilágítás akkor lehetne a szabvány által előírt E m érték, ha a megvilágítás mindig a kezdeti érték maradna, és nem csökkenne a világítási berendezés szennyeződése, a reflektáló felületek piszkolódása, a fényforrások fényáramcsökkenése miatt. Ezeket úgy kell figyelembe venni, hogy a névleges megvilágítást egy 1-nél kisebb számmal az avulási tényezővel (Maintenance factor, MF) osztjuk, így a kezdeti megvilágítást (E i ) valamennyivel a szükséges érték fölé tervezzük. Em Ei = (9.5) MF Összegezve a és 9.5 összefüggéseket: Em A η RηL = (9.6) MF Φ f A beépítendő összes fényáram így: Em A Φ f = (9.7) MFηRηL Ebből a választott fényforrás fényáramának (Φ f ) ismeretében megkaphatjuk a fényforrások darabszámát. Φ f n = (9.8) Φ f 271

272 A tervezés menete LiTG módszerrel A számításhoz szükséges kiinduló adatokat (számítógépes tervezésnél bemenő adatokat) három csoportba sorolhatjuk: 1. Szabvány által előírt vagy ajánlott értékek 2. A helyiséget jellemző adatok 3. A tervező saját döntéséből származó adatok a.) A szabvány adott felhasználású helyiségre (irodára, iskolára, áruházra stb.) előírja: a.) a névleges megvilágítást b.) a színvisszaadás fokozatát c.) az elérendő térbeli egyenletességet d.) a káprázásra vonatkozó UGR értéket. Jelen számításunkhoz az a.) pontot közvetlen számszerű adatként használjuk fel. A c.)-t és a d.)-t a lámpatestek kiválasztásánál és elhelyezésénél, a b.)-t a fényforrás kiválasztásánál vesszük figyelembe. b.) A helyiséget a geometriai adatok (szélesség, hosszúság, fénypontmagasság) és a reflexiós tényezők jellemzik. Ez utóbbiaknak a helyiség valamennyi határoló felületére vonatkozniuk kell, vagyis az oldalfalakra (ρ f ), a mennyezetre (ρ m ) és a padlóra (ρ p ). Az oldalfalak esetében meg kell gondolnunk, hogy nem pusztán a falak fogják képezni a függőleges határfelületeket, hanem ablakok, bútorzat, lambéria, tanterem esetében tábla stb. Így a falak esetében átlagos reflexiós tényezőről beszélhetünk, melyet az egyes részfelületek reflexiós tényezőiből és az általuk elfoglalt területrészek nagyságából számíthatunk ki, mint súlyozott átlagot. Látható, hogy a világítástervezőnek célszerű együttműködnie a belsőépítésszel, berendezővel. A helyiséget jellemző adatokból a választott világítási mód ismeretében határozhatjuk meg a helyiségtényező (k) és a helyiséghatásfok (η R ) értékét. A helyiségtényező számítása A, B, C világítási módok esetén: ab k = (9.9) hv ( a+b) D, E világítási módok esetén: 3 a b k = (9.10) 2 h' ( a + b) ahol h' a mennyezet és a munkasík közti távolság. Példa a hatásfokmódszer alkalmazására: Adatok: helyiség hossza: a = 12,5 m helyiség szélessége: b = 7,5 m a munkasík és a lámpatest vízszintes síkja közti távolság: h = 2 m ρ 1 = 0,5 (falak) ρ 2 = 0,8 (mennyezet) ρ 3 = 0,3 (padló) Keressük a fénycsövek darabszámát (n). 1 fénycső kezdeti fényárama: Φ 0 = 2450 lm lámpatest hatásfoka: η L = 0,84 avulási tényező: MF = 0,8 elérendő megvilágítás: E = 300 lx Lámpatest: közvetlen sugárzó, 2 db 36 W- os fénycsövet tartalmaz. 272

273 1. A helyiségtényező kiszámítása. 7,5m 12,5m k = = 2,35 2m ( 7,5+ 12,5) m 2. k és a reflexiós tényezők ismeretében η R helyiséghatásfok megállapítása táblázat alapján: 0,93 (a szükséges interpolálás után). Lásd az itt közölt táblázatot. 3. A fénycsövek számának meghatározása: 2 300lx 93,8m n = = 18,57 0,93 0,84 0,8 2450lm A felszerelendő lámpatestek száma tehát figyelembe véve, hogy egy lámpatest két fénycsövet tartalmaz (felfelé kerekítéssel) 10 db. Megjegyzések: 1. A belsőtéri munkahelyek világítására vonatkozó legújabb szabvány (MSz EN ) a reflexiós tényezőkre a következő értékeket írja elő: ρ fal = 0,5-0,8 ρ menny = 0,7-0,9 ρ padló = 0,2-0,4 2. Az avulási tényező értékét a tervező határozza meg annak függvényében, hogy a fényforrások élettartama alatt milyen fényáramcsökkenés várható, és milyen a szennyeződés valószínűsíthető mértéke. Egy átlagos irodában pl. MF értékét 0,8- nak vehetjük. 3. Az MSz EN szabvány nem írt elő térbeli egyenletesség értékeket az egyes tevékenységekhez, a azonban már igen Számítás pontmódszerrel Amíg a hatásfok-módszer alkalmazásának egyik lényeges eleme, hogy a környező felületekről reflexiók útján is jut fény a megvilágítandó felületre, addig a pontmódszerrel kizárólag a világítótest(ek) által létesített megvilágítást határozhatjuk meg a felület adott 273

274 pontjában. Ebből következik, hogy ez az eljárás gyakorlatilag reflexiómentes terek világítástervezésénél használható, vagyis külső terek és nagy alapterületű és belmagasságú belső terek esetében. Mivel adott terület (pl. sportpálya) több pontjában szükséges a megvilágításértékeket meghatározni, így kapta az eljárás a pontról-pontra vagy röviden a pontmódszer nevet. A számítás alapja az előző tanulmányokból ismert fotometriai távolság-törvény: 9.1. ábra: A horizontális és vertikális megvilágítást előidéző fényerősség-összetevők a P pontban. I α a világító testből a da felületelem P pontjára sugárzott fényerősség, amely a függőlegessel γ szöget zár be. Hogy a P pontban a horizontális (vízszintes) megvilágítást kapjuk meg, a fényerősséget mint irányított mennyiséget - vektori módon bontsuk fel egy vízszintes és egy függőleges összetevőre (9.1 ábra). A horizontális megvilágítás (E h ) az I γ cosγ fényerősség-összetevő hozza létre. Iγcosγ Eh = (9.11) 2 r Hasonló módon felírhatjuk a vertikális (függőleges) megvilágítást is. (E v ) Iγsinγ Ev = (9.12) 2 r Mivel a gyakorlatban a h magasságot ismerjük, és h r = (9.13) cosγ Iγ I 3 γ Eh = cosγ és E = γ γ 2 v cos 2 sin (9.14) és (9.15) 2 h h A távolságtörvényről tanultakra hivatkozva meg kell jegyezni, hogy a számítás csak pontszerűnek tekinthető sugárzók esetében ad helyes eredményt, vagyis a világítótest legnagyobb méretének is kb. egy nagyságrenddel kisebbnek kell lennie, mint a megvilágított ponttól mért távolsága. Ha ez a feltétel nem teljesül, úgy metodikai hibát okoz, melynek nagysága a pontszerűségtől való eltérés függvénye. A megvilágítandó területen hálópontokat veszünk fel, és a fenti képletek alapján a megvilágításértékeket meghatározzuk. Az MSz EN közöl egy képletet a hálópontok felvételére vonatkozóan. lgd p = 0,

275 ahol INNOVATÍV VILÁGÍTÁS p a hálópontok közötti maximális távolság, d a megvilágítandó terület hosszabbik oldala. Eszerint: ha d = 10 m, p = 1 m. ha d =100 m, p = 5 m. A horizontális és vertikális megvilágítás adott pontra vonatkozó értékének kiszámításához szükség van: a fénypontmagasságra (h) a γ szögre a világítótestből a γ szögnek megfelelő irányban kisugárzott fényerősségre. A fénypontmagasság általában ismert, vagy könnyen mérhető adat. A γ szöget az adott hálópontnak és a világítótestnek egymáshoz képest elfoglalt helyzetéből trigonometriai úton számíthatjuk ki. (lásd a 9.2 ábrát) γ 9.2. ábra: A γ szög meghatározása. h S b α a P 2 2 a +b γ = arctan (9.16) h Tételezzük fel, hogy a világítótest pontosan az S pont felett h magasságban helyezkedik el. A lámpatest fényeloszlási karakterisztikájából a γ szögben kisugárzott I γ fényerősség a C-γ táblázatból (ld fejezet) meghatározható. Hogy a C-γ rendszerben az éppen szereplő I γ melyik C félsíkhoz tartozik, azt a lámpatest optikai tengelye, valamint az optikai tengely és az S-P egyenes közötti α szög dönti el. (A 9.2 ábra esetében az a oldal a C 180 félsík, a b oldal a C 90 félsík irányába esik, ld. E h = E hi + E hj + E hk + E hl 9.3. ábra: Horizontális megvilágítások eredőjének számítása 275

276 α ábra. Ennek megfelelően a γ szöget a C = + 90 síkban kell meghatároznunk a 9.16 egyenlet alapján.) A C-γ értékpárokhoz tartozó fényerősség értékek az ún. fotometriai adattáblákból állapíthatók meg. A közölt egyenletekbe való behelyettesítéssel minden pontra kiszámítjuk a horizontális és vertikális megvilágítás értékét. Gyakran előadódik, hogy egy adott pontban a megvilágítást egyidejűleg több világítótest hozza létre; ilyenkor a megvilágítások szuperpozíciójának elvét alkalmazzuk. Ez horizontális megvilágítás esetén annyit jelent, hogy az egyes világítótestek által létesített megvilágításokat összeadjuk. 276

277 Ha az adott P pontot tartalmazó felületen a vertikális megvilágítását kívánjuk meghatározni, csak azokat a világítótesteket vesszük figyelembe, melyek a P pontban képzeletben elhelyezett függőleges síkot a szemlélővel azonos oldalról világítják meg. E' v =E vi +E vj E'' v =E vk +E vl 9.4. ábra: Vertikális megvilágítások eredőjének számítása A pontmódszerrel történő számítással tehát minden egyes kijelölt hálópontban megkaphatjuk a megvilágítás-értékeket, melyekből az egész területre vonatkozó egyenletesség is meghatározható. Amennyiben ezek az értékek nem felelnek meg az elvárásoknak, úgy az előzetes elképzeléseinket kell korrigálni. (lámpatestek száma, elhelyezése, fényforrás vagy lámpatest módosítás stb.) Ne hagyjuk figyelmen kívül, hogy a megvilágítás-értékek időben nem állandóak, a berendezés avulásával, szennyeződésével itt is számolni kell. Az üzemszerű használat során csökken a fényáram, emiatt az előbbiek szerint számított megvilágításokat az avulási tényezővel szorozni kell. A pontmódszer csak akkor szolgáltat helyes eredményt, ha semmiféle reflexió nincsen. Belső terekben még ha csekély mértékben is de mindig van reflexió. Tisztában kell lennünk azzal, hogy pontmódszerrel számolva ez hibát okoz, mely magából a módszerből fakad, tehát metodikai hiba. (ugyanúgy, mint a világítótest nem pontszerűségéből adódó hiba.) Számítógépes méretezés A 9.1 fejezetben megismertük a hatásfok-módszert, amellyel gyorsan és egyszerűen számíthatjuk ki a munkasík átlagos megvilágítását, de nem kapunk információt az egyes pontok megvilágítás értékeiről, így azok fénysűrűségét sem tudjuk meghatározni. A 9.2 fejezetben megismertük a pontmódszert, amely lehetővé teszi bármely pont megvilágításának meghatározását, de ehhez hosszadalmas (minden lámpatestet figyelembe vevő) számítás szükséges. Amennyiben ismerjük egy adott pont megvilágítását, valamint a felület reflexiós tulajdonságait, úgy kiszámítható a fénysűrűség értéke is az adott pontban. A felület szórási indikatrixának ismeretében az is meghatározható, hogy az adott pont fényerősség-eloszlása milyen lesz adott megvilágítás esetén. A pontmódszer alkalmazása tehát elméletileg lehetővé teszi, hogy bármely pont megvilágításának és a felület reflexiós tulajdonságainak ismeretében meghatározzuk az adott pont fényerősség-eloszlását. Ennek számítása meglehetősen körülményes, tehát csak számítógép alkalmazásával lehetséges. A számítógépes világítás-méretezési módszerek tehát a pontmódszeren alapulnak a következő metodika alapján: A pontmódszerrel meghatározható bármely pont megvilágításának értéke. A felület szórási indikatrixának ismeretében meghatározható az adott pont fényerősség-eloszlása, vagyis az adott pont felfogható egy újabb fényforrásként. 277

278 Az adott pont (mint fényforrás) a környezet minden pontjában a pontmódszerrel számítható megvilágítást hoz létre, amelyből bármely pontra ismételten meghatározhatók az újabb fényerősség-eloszlási értékek. Ez a számítási iteráció a tetszőleges mértékben folytatható. A számítógépes világítási méretezések alapelve tehát a pontmódszer úgy, hogy az ezek alapján számított pontonkénti megvilágítás értékeket felhasználjuk az adott pont fényerősségeloszlásának meghatározásához, ami alapul szolgál egy újabb pontmódszer szerinti számításnak. Ez végeredményben egy rendkívül hosszú, iterációs számítást igényel, amihez még az is társul, hogy rendelkeznünk kell a tér minden felületelemének reflexiós tulajdonságaival. Ilyen tárigényű és számítási időigényű méretezés csak számítógéppel végezhető el. Napjainkban a számítástechnika azon a szinten áll, aminek segítségével viszonylag rövid idő alatt rengeteg számítási művelet elvégezhető, mégis a vizsgált felületek számától és méretétől függően egy adott tér világítástechnikai jellemzőinek meghatározása perceket vagy órákat vehet igénybe. A számítógépes méretezés alapelvei Mindenekelőtt fontos kiemelnünk, hogy a számítógép nem tud világítást tervezni, hanem csak a megadott alapadatok alapján a világítástechnikai adatok meghatározására alkalmas. A tervezést mindig az ember, a tervező mérnök végzi el, a számítógép által meghatározott adatok megfelelő értékelésével. Helytelen tehát az az elképzelés, hogy egy adott tér optimális megvilágítását a számítógép (a mérnöki értékelés mellőzésével) meg tudja határozni. Ez jobban érthetővé válik, ha tisztázzuk a számítógépes méretezési programok alapelveit. Manapság számos számítógépes program áll rendelkezésünkre a világítástechnikai méretezések elvégzésére. Ezek kimenő adatainak tartalma és megjelenítési formátuma jelentősen eltér egymástól, de számítási algoritmusuk hasonló bemenő adatokon alapul. A bemenő adatok megadását követően a gép kiszámítja a vizsgált tér világítástechnikai jellemzőit (megvilágítás és fénysűrűség értékek). Számos programban lehetőség van arra, hogy ellenőrzési funkciókat állítsunk be az eredményekre vonatkozóan. (Pl. az eredmények megfelelnek-e valamilyen szabvány követelményeinek?) Ezek segítségével a tervező szükség szerint tud módosítani a bemenő adatokon addig, amíg a kívánt eredményt el nem éri. A számítási eredmények megjelenítésére is több lehetőség kínálkozik (ld. lentebb). Bármilyen formában jelenítjük is meg az eredményeket, mindig a tervezőre vár a feladat, hogy azok alapján a tervezett világítást minősítse. Nem elegendő ugyanis, hogy egy világítás szabványos legyen (ld. 10. fejezet), hanem az is szükséges, hogy a világítás révén a megfelelő komfortviszonyok megvalósuljanak. Ennek értékelése azonban már olyan világítástechnikai gondolkodásmódot igényel, amelyekkel a jelenlegi világítás-méretező szoftverek még nem rendelkeznek. Mindezek után vegyük sorra a számítógépes világítás-méretezés lépéseit. Bemenő adatok megadása A világítástechnikai méretező programok bemenő adatai három fő csoportba sorolhatók: a tér jellemzése; világítástechnikai követelmények az adott térre vonatkozóan; alkalmazni kívánt lámpatestek, fényforrások meghatározása. 278

279 1. A tér jellemzése INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A vizsgált (külső vagy belső) tér egyrészt geometriai méreteivel, másrészt a felületek reflexiós tulajdonságaival jellemezhető. A geometriai adatok megadása történhet numerikus adatbevitellel, vagy bizonyos programok esetében a sarokpontok mozgatásával. A programok általában egy külön ablakban megjelenítik a vizsgált teret, amely tetszőleges mértékben kicsinyíthető, nagyítható illetve forgatható. Ez a vizuális megjelenítés segíti a tervező munkáját abban, hogy a tervező az adott teret bármilyen irányból szemlélhesse. Egyes programokban arra is van lelhetőség, hogy amennyiben a tervező rendelkezik CAD-alapú építészeti tervekkel abban az esetben ezeket importálni tudja a világítás-méretező programba. Ezt követően az építészeti terv egy külön rétegen jelenik meg, amit a világításméretező program közvetlen még nem tud értelmezni, de a CAD-rajz nagy segítséget nyújt a tervezőnek abban, hogy a tér sarokpontjait eltalálja és így a teljes térgeometriát megrajzolhassa. Az alaprajz meghatározásánál túl minden program lehetőséget nyújt a vertikális kiterjedések bevitelére is. Vannak olyan programok, amelyek csak egy vertikális adat megadását teszik lehetővé, de léteznek olyanok is, amelyek nagy számban kínálnak fel mennyezeti burkológörbéket. Ezek segítségével boltívek, kupolák, és tetszőleges vertikális kierjedésű felületek definiálhatók. A felületek reflexiós tulajdonságainak megadásakor szinte minden programban meghatározhatók a felületek színei, reflexiós tényezői. Vannak azonban olyan programok is, amelyekben ezen túl menően (korlátozottan) definiálni lehet a felületek fényeloszlási jellemzőit is. Értelem szerűen a programok a síkfelületeket egységes felületként kezelik, míg a görbe felületeket sík felületelemekből állítják össze. Ennek felbontása program függő. Mivel a programok minden sík felületet (felületelemet) külön-külön kezelnek, ezért a görbe felületek reflexiós tulajdonságai felületelemenként külön-külön definiálhatók. A megvilágítani kívánt tér azonban nemcsak a határoló felületekkel jellemezhetők, hanem a térben elhelyezett tárgyakkal is. éppen ezért a legtöbb program lehetőséget biztosít különböző tárgyak (bútorok, technikai eszközök, ajtók, ablakok, személyek) elhelyezésére, amelyek felület elemei ugyanúgy jellemezhetők, mint a határoló felületek. Ezek segítségével a vizsgált tér gyakorlatilag teljesen berendezhető. Bár nem közvetlen a tér jellemzéséhez tartozik, mégis az adatbevitel ezen szintjén kell megadnunk azokat a fénytechnikai geometriai követelményeket is, amelyeket számítás során figyelembe kívánunk venni. Definiálhatunk vizsgálati (mérési) pontokat, felületeket, síkokat. A felületeken, síkokon deklarálhatjuk a számítási rasztert, valamint meghatározhatjuk a számítani kívánt fotometriai jellemzőt is. 2. Világítástechnikai követelmények az adott térre vonatkozóan A legtöbb világítás technikai méretezés során előre tudjuk, hogy az adott térre milyen világítástechnikai szabványok, előírások vonatkoznak. Célunk tehát olyan terv készítése, amely kielégíti ezen követelményeket. Azt azonban még a rutinos tervezők is csak ritkán tudják előre megbecsülni, hogy adott típusú világítótestek alkalmazásával hány darabra és milyen elrendezésre van szükség ahhoz, hogy az előírásoknak megfeleljünk. Éppen ezért a szoftverek tartalmaznak egy olyan adatbeviteli felületet, amelyen vagy a figyelembe kívánt szabvány, vagy közvetlenül az elérni kívánt fotometriai jellemzők adhatók meg. Ennek felhasználásával a tervezőnek nem kell azzal fáradnia, hogy a lámpatestek darabszámát, elrendezését folyamatosan változtassa, hanem a program maga kínálja fel a követelményeknek megfelelő megoldást. Hangsúlyozni szeretnénk, hogy ez nem azt jelenti, hogy a program megtervezi a világítást, hanem csak azt, hogy olyan világítási módra tesz javaslatot, ami kielégíti a megadott követelményeket. Tudjuk azonban, hogy a megfelelő 279

280 vizuális komforthoz nem elegendő csak a szabványok kielégítése. (Előfordulhat például, hogy egy irodában a munkaasztalok megvilágítása megfelel a szabvány szerinti követelményeknek, miközben a vertikális megvilágítás olyan csekélynek adódik, hogy az alkalmatlana vizuális kapcsolattartásra. Ilyen esetekben vagy előre kell definiálnunk számos vizsgálati felületet és követelményt, ezáltal a program futási ideje jelentősen megnő, vagy a számítási eredményeket a tervezőnek személyesen kell értékelnie.) A tervező tetszés szerint elfogadhatja, elvetheti vagy módosíthatja a szoftver által felkínált világítási módot. Adott tér megvilágításához ugyanis a program a lámpatesteket csoportban (mezőben) kínálja fel, de ezen mező elhelyezése, mérete és elrendezése módosítható. Arra is van lehetőség, hogy a mező vagy az abban elhelyezett világítótestek irányítottságát módosítsuk, sőt lehetséges még a mezők felbontása is egyedi lámpatestekre. Ilyenkor minden lámpatest helyzete ill. irányítottsága egyedileg módosítható. Amennyiben nem kívánunk élni a program által felkínált világítási megoldással, úgy lehetőségünk van egyedi lámpatestek vagy lámpatest csoportok megadására is. Ebben az esetben a világítástechnikai követelmények kielégítését a programok (általában) nem vizsgálják, hanem azt a tervezőnek kell értékelnie. 3. Alkalmazni kívánt lámpatestek, fényforrások meghatározása A 3. és 4. fejezetben leírtak alapján tudjuk, hogy a világítótest a lámpatestet és az abban elhelyezett fényforrást együttesen jelenti. A legtöbb lámpatest viszonylag kevés fényforrás választékkal kerül forgalomba, ezért a világítás méretező szoftverek alapvetően világítótest kiválasztását kínálják fel. Amennyiben az adott világítótest több fényforrással is üzemeltethető, úgy a világítótest kiválasztása után van lehetőség az alkalmazni kívánt fényforrás kiválasztására. Sok gyártó nem egyedi világítótesteket forgalmaz, hanem termékválasztékukban lámpatest családok szerepelnek. Ezen lámpatestek hasonló felépítésűek, de különböző tükrökkel, burákkal kerülnek forgalomba. A világítás méretező szoftverek lehetőséget kínálnak arra, hogy a termékcsaládokon belül választhassuk ki a számunkra megfelelő lámpatestet. A lámpatestek kiválasztására a programok több lehetőséget is felkínálnak. Általában minden program rendelkezik egy alap lámpatest választékkal, amiből tetszőlegesen válogathatunk. Amennyiben olyan lámpatestet kívánunk alkalmazni, amit az adott program adatbázisa nem tartalmaz, akkor lehetőség van egyedi lámpatest importálására. Ez történhet úgy, hogy a program lehetőséget biztosít az alkalmazni kívánt lámpatest gyártójának honlapjáról letölteni a lámpatest adatait, vagy lehetséges bármilyen gyártótól független lámpatest adatfájl betöltése is. A lámpatestek adatait ugyanis egy speciális fájlban adják meg, amelynek formátuma többféle is lehet. Európában a legelterjedtebb lámpatest adatfájl formátum az EULUMDAT-formátum, de találkozhatunk más (IES, ULD stb.) formátumokkal is. Ezek közös jellemzője, hogy tartalmazzák a lámpatest fényeloszlási táblázatát, és ezen kívül formátumtól függően számos adminisztrációs ill. műszaki jellemzőt. Egyes fájlformátumok tartalmazzák a lámpatest fényképét ill. katalógusadatainak többségét is. A világítástechnikai számításokhoz elegendő a fényeloszlási táblázat, ezért az ezt tartalmazó legegyszerűbb fájlformátumot (EULUMDAT) minden szoftver tudja kezelni. Egy lámpatest EULUMDAT-fájlja bármilyen szövegszerkesztő programmal átírható, így egy lámpatestgyártó nem lehet biztos abban, hogy egy tervező a gyártó által hivatalosan kiadott EULUMDAT-fájllal dolgozik. Létezik olyan formátum is (pl. ULD), amely nem módosítható biztosítékot jelentve a gyártó számára, de ezeket már nem tudja minden 280

281 program kezelni, valamint az ezen formátumba való konvertálás csak az adott szoftver gyártóján keresztül, térítés ellenében lehetséges. Mivel az EULUMDAT-formátumot minden program kezeli, és adott lámpatestre goniofotometrálás alapján bárki elkészítheti, ezért ennek felépítését a 9.1 táblázatban összefoglaljuk Táblázat: EULUMDAT fájlformátum Sorsz. Tartalom Karakter-szám 1 Cégjelzés Max Lámpatest jellege 1 = pontszerű, forgásszimmetrikus 2 = vonalszerű 1 3 = pontszerű, nem forgásszimmetrikus 3 Szimmetria jellege 0 = aszimmetrikus 1 = forgásszimmetrikus 2 = C 0 -C 180 síkra szimmetrikus 1 3 = C 90 -C 270 síkra szimmetrikus 4 = C 0 -C 180 és C 90 -C 180 síkra szimmetrikus 4 A C síkok száma (M c ) 2 5 A C síkok távolsága, fok 5 6 A γ szögek száma egy C síkban (N g ) 2 7 A γ szögek távolsága, fok 5 8 Mérési jegyzőkönyv száma Max A lámpatest neve Max A lámpatest típusszáma Max Fájlnév 8 12 Dátum/ügyintéző Max A lámpatest hosszúsága/átmérője, mm 4 14 A lámpatest szélessége, mm (0, ha kerek) 4 15 A lámpatest magassága 4 16 A lámpatest világító felületének hosszúsága/átmérője, mm 4 17 A lámpatest világító felületének szélessége, mm (0, ha kerek) 4 18 A lámpatest világító felületének magassága (C 0 félsíkban) 4 19 A lámpatest világító felületének magassága (C 90 félsíkban) 4 20 A lámpatest világító felületének magassága (C 180 félsíkban) 4 21 A lámpatest világító felületének magassága (C 270 félsíkban) 4 22 Az alsó térfélbe sugárzott fényáram aránya, % 4 23 A lámpatest fénytechnikai hatásfoka, % 4 24 Korrekciós tényező (optikai hatásfok / fénytechnikai hatásfok) 4 25 A lámpatest hajlásszöge a méréskor, fok 4 26 Szokásos fényforrás-szám 4 27 Fényforrás-szám 4 28 Fényforrás típusa Fényforrás(ok) fényárama, [lm] Színhőmérséklet Színvisszaadási index Felvett teljesítmény előtéttel 8 33 Zónafényáramok az alsó térfélben (hatásfok módszerrel történő számításhoz) C szögek M c 6 35 γ szögek N g 6 36 Fényeloszlási értékek [cd/1000 lm] M c N g 6 Megjegyzés: Mivel a lámpatestek fényeloszlásának szimmetriáját a különböző szoftverek eltérően kezelik, ezért az EULUMDAT-fájl megszerkesztésénél erre tekintettel kell lenni. 281

282 A lámpatestek fényeloszlásának meghatározása mindig egy adott (általában új) termék mérései alapján történnek, amelyben adott gyártmányú fényforrást üzemeltettek. A számításaink során azonban ettől eltérő fényforrást és avulási állapotot is figyelembe vehetünk. Ehhez szoftvertől függően vagy a lámpatest/fényforrás fényáramát, vagy az ún. fényáramszorzót, vagy az avulási tényezőt (MF) kell megfelelően beállítanunk. (Ezen paraméterek értékét ne felejtsük el ellenőrizni a gyakorlati számítások során!) Vannak olyan szoftverek, amelyeknél a lámpatest kiválasztásával a választott termék csak egy az adott méretezéshez használt lámpatest adatbázisba kerülnek be, és léteznek olyan programok is, amelyek a lámpatest adatait közvetlenül hozzárendelik a méretezés során alkalmazott lámpatestekhez. Az előbbi esetben nekünk kell ezt a hozzárendelést elvégeznünk. Számítás Mint korábban már jeleztük, a számítógépes világítás méretezés a pontmódszeren alapul. Ennek során a felületelemeket újabb fényforrásként kezeljük, vagyis a fénysugár útját végig követjük a fényforrástól a többszörös reflexiókon keresztül, ezért ezt a méretezési eljárás sugárkövetéses módszernek is nevezik. A sugárkövetés gyakorlatilag a fényerősség értékek iterációs számítását jelenti. Ennek pontossága részint a vizsgált pontok sűrűségétől, részint a felületelemek fényerősség-eloszlásának pontosságától, részint pedig az iterációs lépésszámtól függ. Elméletileg a számítás pontossága megközelítheti a 100%-kot, de ehhez végtelen futási idő tartozna. A valóságban a futási időt korlátozzuk a számítási pontosság rovására. Egyes programokban megadható az iterációs lépésszám (hányszoros reflexiót vegyünk figyelembe), és beállítható a számítási algoritmus pontossága. Tudnunk kell, hogy a világítástechnikai paramétereket elsődlegesen az alkalmazott lámpatestek elhelyezése és fényeloszlása, másodlagosan pedig a határoló felületek határozzák meg. Természetesen a fénytechnikai adatokat befolyásolják a térben elhelyezett berendezési tárgyak is, de ezek hatása sokszor elhanyagolható a lámpatestek és a határoló felületek hatásához képest. Amennyiben a számítások során figyelembe vesszük a berendezési tárgyak fénytechnikai módosító hatását is, csak kis mértékben kapunk pontosabb eredményt, mint nélkülük, mégis a futási időt a rendkívül sok számítási felület jelentősen megnöveli. Célszerű tehát a számításokat bútorozás nélkül elvégezni, és a bútorozást csak a számítások után, a látványtechnikai tervekhez illesszük be. Abban az esetben, amikor az adott szoftver fotorealisztikus képet is tud készíteni (ld. később), a pontos látványterv érdekében a számításokat is minden részletre kiterjedően javasolt elkészíteni. Eredmények megjelenítése A fénytechnikai számítások eredményei egyrészt numerikusan állnak rendelkezésre, másrészt ezek alapján meghatározható a tervezett világítás eredményeként kialakuló látványterv. A numerikus adatok táblázatos formában, izolux (izo-klandela/m 2 )-görbékkel ill. tónusdiagrammal adhatók meg. A fénytechnikai táblázatokból (9.5 ábra) kiolvashatók az adott felület (sík) megvilágítás ill. fénysűrűség értékei. Az izolux (izo-klandela/m 2 )-görbék (9.6 ábra) egy olyan ábrát jelentenek az adott síkon, ahol az azonos megvilágítású (fénysűrűségű) pontok folytonos vonallal vannak összekötve. Ennek segítségével könnyen áttekinthető az adott sík megvilágításának ill. fénysűrűségének eloszlása. Ehhez hasonló a tónusdiagram is (9.7 ábra), azzal a különbséggel, hogy az adott megvilágítási (fénysűrűségi) 282

283 tartományú területeket azonos színnel (tónussal) színezik ki, így a megvilágítás (fénysűrűség) eloszlás vizuálisan jobban érzékelhető. ábra 9.5. ábra: Eredmények táblázatos megjelenítése ábra 9.6. ábra: Izolux-görbe ábra 9.7. ábra: Tónusdiagram Az alapvető fénytechnikai jellemzőkön kívül az eredmények között megjeleníthető még számos olyan paraméter is, amelyre a tervező kíváncsi lehet (UGR-táblázatok, UGRértékek adott pontban, különböző nézési irányban, UGR-értékek adott nézési irányban, különböző szemlélési pontokból, lámpatest fényeloszlás, stb.). Az egyes szoftverek felkínálják a megjeleníthető eredmény-formátumok listáját, melyből a tervező szükség szerint válogathat. A numerikus adatok jó támpontot adnak a tervezőnek az adott világítási megoldás értékeléséhez. A világítástechnikában nem túlzottan járatos megrendelők számára azonban a numerikus adatoknál többet mondanak az ún. világítástechnikai látványtervek. Ezeknek két formáját különböztetjük meg: Mivel gyakorlatilag minden méretező szoftver alkalmas arra, hogy meghatározza a tér bármely pontjának megvilágítását, fénysűrűségét, ezért lehetőség nyílik arra, hogy az adott térről olyan képet készítsen, amelynek felületei az előre megadott színűek, de tónusuk a számított fénysűrűség-értékeknek megfelelően változik. Az ilyen látványtervek (9.8 ábra) jól jellemzik az adott világítás hatását, de még nem élethűen adják vissza a ténylegesen kialakuló képet. Ehhez szükséges figyelembe venni az egyes felületelemek csillogását, az egyes tükröződéseket, árnyékhatásokat is. Bizonyos programok ezek figyelembevételére is képesek, és ennek megfelelően alkalmasak ún. fotorealisztikus képek (9.9 ábra) készítésére is. Természetesen ezek elkészítéséhez nem annyira világítástechnikai ismeretek, mint inkább számítógépes CAD-es és képfeldolgozási ismeretek szükségesek, eredményük azonban nagyon hatásos, és meggyőző lehet a megrendelő számára. Ilyen fotorealisztikus képekből vizuális video is összeállítható, melynek elkészítéséhez (meglehetősen drágán) rendelkezésre áll megfelelő szoftver is. ábra 9.8. ábra: Látványterv ábra 9.9. ábra: Fotorealisztikus kép 283

284 10. Példák az innovatív világításra E fejezet kicsit több és egyben kicsit kevesebb is annál, mit a címe takar. Több, mert bemutatja a leggyakoribb beltéri világítási tudnivalókat, az elvárásokat és a szokásos megoldásokat is, esetenként az elkerülendő tipikus hibákat. Ízelítőd ad építészeti megközelítés szemléletéből, segíti a tervezők közti szakmai kommunikáció folyamatának megismerését. Ugyanakkor kevesebb is, részben terjedelmi okok miatt, hiszen minden helyiségtípus vagy - funkció világítási megoldásainak bemutatására nincs lehetőség a tankönyvi keretek közt. Másrészt, ahány szakember van, annyiféle szemszögből lehetne bemutatni a témát, mást és mást kiemelve, ám a következő oldalakon elsősorban belsőépítészeti és alkalmazástechnikai szempontok kerülnek előtérbe ábra: A 10. fejezet szófelhője: röviden erről lesz szó 10.1 Mit nevez(z)ünk innovatívnak? Az innováció, az innovatív fogalom valamely kreatív, ötletes megoldást jelent, amely a maga nemében újszerű. Vonatkozhat ez a felhasznált anyagokra, technológiákra, de lehet teljesen szokatlan úton megoldott probléma is. Nehéz meghúzni a határt, honnantól számít valami innovatívnak, mint ahogy egy művészeti alkotást is nehéz kétállapotú minősítéssel illetni, miszerint már elég jó, vagy még nem elég jó (bár néha megtesszük). Az innovativitás megközelíthető gazdasági szempontból is: ha az újszerű megoldásnak elég nagy a hozzáadott értéke, a hasznossága a vásárlók szemében, akkor kifizetik a befektetett szellemi munkát, a kifejlesztett technológiát, illetve a beépített több/jobb/más anyagokat. Ha nem fizetnek érte annyit, amitől megtérül, a termék életképtelenné válik, ötlet elhal, nem volt elég jó, elég innovatív. A szabadalmak és más iparjogvédelmi oltalmak nem jelentenek egyet az innovativitással. Noha a jelentős fejlesztések, a technológiai újítások esetén erős érdeke fűződik a feltalálóknak és a gyártóknak az egyébként hosszadalmas és költséges jogi eljáráshoz, nem lehet (vagy nem lesz) minden ötlet védett. Van, amikor a jogtulajdonosnak nincs anyagi lehetősége vagy nem áll szándékában elindítani az eljárást. Ez utóbbi főleg akkor, következik be, ha kis szériás gyártással nagyon speciális igények kielégítése vagy egyedi megoldások kialakítása volt a cél. Bár furcsa, de racionális döntés, hisz ilyen esetben nagyon kicsi az esély arra, hogy változatlan formában ismét hasznosíthatni lehessen az egyedi megoldást. A több ponton vagy lényegi jellemzőiben, illetve a bejelentett igénypontokban megváltoztatott termék már eltérőnek minősül és kikerül a védelmi oltalomból. (Ezt 284

285 sorozatgyártott termékeknél a versenytársak néha szándékosan kihasználják.) Egyedi megvalósítások során viszont akadálya lehet annak, hogy a hasonló, de mindig más és más egyedi adottságokhoz adaptált megoldások védelemben részesülhessenek. Innovatív tehát lehet egy termék (pl. egy fényforrás), egy világítási rendszer (pl. egy összetett világítótest) és egy egyedi megoldás is (pl. adott épület díszvilágítása) Az innovativitás időhorizontja A gyakorlati tapasztalat alapján a világítástechnikába berobbanó újdonságok bevezetési szakasza 2-3 évig tart. Ez idő alatt sokan megismerik, a szakmabeliek elsajátítják a gyártási és alkalmazástechnikai ismereteket, a versenytársak hasonló vagy helyettesítő megoldásokat dolgoznak ki. A termékéletgörbe meredek felfutása kezd ellaposodni, de a vevői érdeklődés folyamatos nő, hiszen még mindig újdonságról van szó, tehát joggal nevezhető a termék vagy megoldás innovatívnak. Az érettséget elérve, a telítettség vagy hanyatlás során kiszorítják a fejlettebb megoldások és/vagy már nem kelti fel a piac érdeklődését eléggé. E folyamat a bevezetés után még hosszú évekig eltarthat. A halogén lámpák széles körű megjelenése, különösen hidegtükrös törpefeszültségű halogénlámpáké, annak idején olyan divathullámot indukált, melyben szakmailag indokolatlan helyzetekben (pl. irodavilágítás) is halogén lámpát kívántak alkalmazni a fogyasztók. Napjainkban (2013) hasonló történik a LED-ekkel kapcsolatban. A halogén lámpa azonban úgy tűnik, már további megújulásra képtelen, hanyatló termék. Ezzel szemben a LED-ek fénytechnikai paraméterei egyre újabb és újabb rekordokat döntenek és várhatóan ez még hosszú évekig így is folytatódik, tehát folyamatos megújulásra képes. A fejlettebb változatok (mint pl. telekommunikációs, informatikai vagy szórakoztató elektronikai cikkeknél) újabb vásáróli igényeket keltenek és szolgálnak ki, a fejlettebb termékcsaládok újabb termékélet ciklusokat indítanak el ábra: Termékélet-görbe Ehhez hasonlóan vannak olyan technológiák, melyek nem vagy csak korlátozottan képesek a megújulásra, ezek innovatív jellege időben erősen korlátos. Más termékek, a bennük rejlő technológiai vagy a széleskörű alkalmazástechnikai lehetőségek kiaknázatlansága miatt sokáig innovatívnak fognak számítani. 285

286 Néha ötvöződik többféle technológia, egyes megoldások újra és újra újdonságként jelennek meg, reneszánszukat élik (pl. a kénlámpa). Más esetben a világítási rendszer egyes elemei képesek a megújulásra és újabb lehetőségeket adnak az egész rendszernek (pl. fényvezető szálaknál a LED fényforrásokban rejlő lehetőségek) Építész és belsőépítész elvárások Az építészeti tervezésben az építész/építőművész kulcsfontosságú, tervei meghatározzák az épület minden fontos jellemzőjét, egyben az elvárásokat, a feladatokat és a lehetőségeket is többi társtervező számára. Ugyanakkor mint karmester a zenekarban, irányítja is a tervezési munkát, ezért szemléletének és szándékainak megértése fontos ahhoz, hogy a megvalósult világítási rendszer ne csak szabványos megvilágítási értékeket elégítsen ki, hanem fényhatásokkal részt vegyen a térformálás kialakításában, valamint a világítási rendszer alkotóelemei mint térben elhelyezett testek halmaza integrálódjon a belsőtér látványába. Az építész/építőművész szándékainak megértése és a vele való kommunikáció kulcsfontosságú az eredményes együttműködéshez. Ez nyitottságot, befogadókészséget igényel. Ennek megkönnyítésére ismerni kell, hogy az építészeti tervezők kétféle szemléletmód alapján gondolkodnak ábra: Balett terem, természetes-mesterséges fények (Zona K - Pietro Bagnoli + Franco Taglibue) A műszaki-művészeti építész képzés kettőssége ma már természetes dolog, de a rendszerváltás előtt főként a műszaki végzettségű építészmérnök jelenléte volt domináns a szakmában. A művészeti képzéseken (pl. az egykori Iparművészeti Egyetemen) végzettek jóval kisebb számban fordultak elő, a hétköznapi emberek főként családi házak építésekor kerültek kapcsolatba építésszel és általában nem a művészi teljesítmény volt kulcsfontosságú 286

287 a kiválasztásnál, de a középületek táján uralkodó szocreál stílus sem engedte maradéktalanul kibontakozni a művészeket. A rendszerváltást követően az arány lassan kiegyenlítődött. Az építészet a mai magyar felsőoktatásban, hasonlóan a Bolognai-rendszert alkalmazó más európai országokéhoz, kétféle szemléletet tükröz: műszakit és művészetit. Ez a különbözőség az építészeti tervezők szemléletét nyilván a kivételektől eltekintve egész életpályájuk alatt meghatározza. Műszaki felsőoktatási intézményekben végzett építészek lényegesen nagyobb súllyal tanulnak műszaki jellegű tantárgyakat mint más jellegűeket (statika, épületszerkezettan, épületgépészet stb.), szabadon választott tárgyaik is műszaki jellegűek (pl. térinformatika) ennek megfelelően alapozó tárgyaik is jellemzően a műszaki területen általánosan elfogadott tantárgyak: matematika, fizika. Szemléletük problémamegoldó, alapvetően műszaki jellegű, az épület előírások szerinti befoglaló méreteinek meghatározására, szerkezetének kialakítására, csomópontok megrajzolására, rétegrendek meghatározására, belső terek tagolásának kialakítására, felhasznált anyagok és szerkezeti elemek kiírására összpontosít. A képzés végén MSc diplomával végzettek az okleveles építészmérnök megnevezést használják. A művészeti képzésben lényegesen nagyobb hangsúllyal tanulnak művészeti tárgyakat: (művészettörténet, művészetelmélet, enteriőr, designtörténet, környezetkultúra stb.), szabadon választott tárgyaik is jellemzően művészetiek (művészetfilozófia, fotográfia stb.), alapozó tárgyaik ennek megfelelően szintén azok (rajzolás-festés, kreatív alapozás, színtan, formatan stb.). Ezzel párhuzamosan, de kisebb óraszámban műszaki tervezéshez kapcsolódó tárgyakat is tanulnak (pl. ábrázoló geometria, statika, épületszerkezettan, épületgépészet, világítástechnika stb.). Új elem a mérnökképzéshez képest, hogy határterületi tantárgyakat (pl. ergonómia, emberkép, vizuális kommunikáció stb.) és bölcsészeti tárgyakat (pszichológia, filozófia, eszmetörténet, nevelés és társadalom stb.) tantárgyaik is vannak. E komplex képzés főként a kreatív, művészi szemléletet, az emberközpontú tervezési munkát hivatott megalapozni. Munkájuk során előtérbe kerül a homlokzattervezés, a funkcióknak megfelelő belsőtér kialakítás, a tér és a környezet összhangja, a térbe elhelyezett tárgyak kialakítása és összhangja, az építészeti formák-terek kialakítása, mindaz, amitől építészetileg igényes, emberileg élhető, funkcionálisan ergonomikus lesz egy épület, ugyanakkor a művészi szabadsága jegyében az önkifejezésre és alkotásra is teret enged, így az általuk tervezett épület és annak belső terei művészi alkotásként jelennek meg. A képzés végén MA diplomával végzettek az okleveles építőművész vagy belsőépítész-környezettervező művész megnevezést használhatják. A mérnöki szemlélet hajlamosít a konvergens gondolkodásra, azaz meglévő sémák mentén keressük a megoldást, ahogy matematikában is a már tanult ismeretekre alapozva haladunk előre, visszavezetve az újat egy régebbi bizonyításra. Ez a tervezett, szisztematikus fejlesztői munkát támogatja. Az építészek, különösen az építőművészek inkább divergens gondolkodásúak, nem szeretnék mindig ugyanazt a kockaházat újabb ás újabb kockákkal bővítve megépíteni, radikálisan újszerű megoldásokat keresnek, kísérleteznek. A kétféle szemlélet nem antagonisztikus, toleranciával és nyitottsággal befogadhatóak egymás számára. Kreatív megoldások akkor születnek, ha az építészeti ötletet a világítást tervező mérnök befogadja, magáévá teszi, és érdemben tesz azért, hogy világítási szakmai szempontból is kifogástalan megoldás szülessen. 287

288 10.4. ábra: Lotte Amoje Food Capital - Karim Rashid Tehát egy példával szemléltetve: ha az építész egy szokatlan formájú egyedi csillárt szeretne, akkor a világítási tervezésben részt vevő mérnök fogadja el, hogy nem ússza meg a feladatot a mélysugárzók négyzetes mátrixban történő elhelyezésével, hanem támogassa az építészt abban, hogy az újszerű befüggesztett lámpatesten a világító felületek és a világítási rendszerben részt vevő tárgyak minél inkább az építészeti elvárásoknak megfelelően legyenek kialakítva, a térformáló fényhatások tükrözzék az építészeti elvárásokat, ugyanakkor őrködjön afelett, hogy a megvalósuló berendezés tegyen eleget a világítástechnikailag fontosnak tartott megvilágítási, fénysűrűségi, színvisszaadási, káprázáskorlátozási, biztonsági stb. követelményeknek, technológiailag kivitelezhető és karbantartható legyen Tervezői együttműködések A tervezési folyamat csapatmunka, ebben sok társtervező részt vesz. A világítástechnikával kapcsolatos részfeladatokat a világítási szakmérnök végzi. Mérnökkamarai tervező jogosultság terén (ha van ilyen jogosultsága) villamos tervezőnek számít, mert más országokkal ellentétben (pl. Németország) kifejezetten világítástervező kategória (a jegyzet írásának idején) pillanatnyilag nincs a Mérnökkamaránál, továbbá kifejezetten világítástechnikai kiemelt szakterületi besorolás sem kérhető, mert ez jelenleg csak az épületvillamossági szakterületbe integrálva az energiaellátás, világítás, informatika, villámvédelem együttes kiemelkedő ismeretével szerezhető meg. Ha a világítással foglalkozó tervező feladata csak kifejezetten a fénytechnikai számítások elvégzése és ellenőrzésére szorítkozik (pl. Dialux szoftverrel modellépítés és számítások elvégzése), azt tervezés helyett fénytechnikai méretezésnek nevezzük. A világítástechnikai tervezés elektrotechnika, elektronika, fénytan, műszaki fizika, konstrukció, látásfiziológia, pszichológia, esztétika, ergonómia stb. határterületek ismeretét és alkalmazását is jelenti. Az innovatív világításnál így nem csak innovatív termékek alkalmazásában, de az építészeti ötlettől a rendszer teljes tervezési folyamatán keresztül a kivitelezésig aktívan részt tud venni a világítástechnikai szakember. 288

289 A tervezési folyamat során szorosabb kapcsolattartás kell az építész, belsőépítész, villamos tervező, gépész tervező és a majdani üzemeletető között ábra: Irodai előtér egyedi megoldású világító álmennyezettel (Red Bull, London) A világítás tervezését különösen a fentebb említett jogosultsági hiányosságok miatt sokszor a villamos tervező végzi. A villamost tervező feladatai azonban nagyon sokrétűek, ízelítőül: energiaellátás, mérés, tartalék, fázisjavítás, gerincvezeték, főelosztó, elosztók, szinti elosztók, alelosztók, kapcsolási rajzok, magyarázatok, szekrény nézetek, feliratozások, vezetékek, védőcsövek, kábeltálcák, kábelátvezetők, szerelvények, kezelőszervek, épületgépészeti villamos berendezések (hűtés-fűtés, víz, szellőzés), gyengeáram, épületfelügyelet, kábelösszefüggési rajzok, villámvédelmi terv, műszaki leírás, nyilatkozatok, műszaki adatszolgáltatás, érintésvédelem, villámvédelem, költségvetési kiírás és természetesen nem utolsósorban a világítás. E sokrétű tervezési feladatot mind összefogja, jelentős részét maga végzi, de a szakterületek mindegyikének nem lehet olyan mélyreható ismerője, mint a szaktervezők. Ezért a színvonalas tervezői munka érdekében szükségszerű, hogy a világítási tervezést világítástechnikai szakember végezze, különösen olyan esetekben, amikor nem széleskörűen ismert eszközök, technológiák és megoldások kerülnek előtérbe Kivitelezés, megvalósítás A kivitelezés szempontjából is szét kell választani a innovatív ötletek vagy anyagok vagy ötletek alapján készülő termékeket és a világítási rendszereket. Az egyedi termékek készítésénél figyelemmel kell lenni, hogy a: 1. funkció, a stílus és a forma a az előzetes elvárásoknak, az építészeti igényeknek megfeleljen, néha ipari formatervezőt is be kell vonni a tervezésbe, 2. anyagválasztás során a vázszerkezet, bura, burkolat, felületkezelés anyaga biztonsági szempontból megfelelőek legyenek (hőre lágyuló, ég, füstöl, izzik, vezet, szigetel, átüt stb.), 289

290 3. mechanikai biztonság, rögzítések valamint azok méretezése (üvegtörés, függesztő szerkezet, húzóerők, független tartószerkezetek), nagyobb befüggesztett alkotások tervezése során statikus bevonása is indokolt, 4. szereléstechnológia kivitelezhetőség (elképzelt technológiai sorrendben összeszerelhető-e, felületkezelhető, felszerelhető stb.), 5. tartósság (nem sárgul, öregszik-e a fénytől, UV sugárzástól vagy hőhatástól), 6. elektromos szerelvények (működtető egység, kábelátvezető, tehermentesítő, védővezető ezekre általában nem gondolnak), 7. fényforrás (foglalat elhelyezés, hűteni kell-e LED, hatásfok), 8. üzemeltetés (javítás, tisztítás, fényforráscsere). Nagyon fontos felhívni a figyelmet, hogy a kész lámpatesteknek még akkor is, ha azok pl. egy burkolati kialakítás részeként jelennek meg, vagy az alkotók szemében műtárgynak látszanak meg kell felelniük a mindazoknak a vonatkozó szabványkövetelményeknek, melyek kielégítik azon EC direktívákat, melyek alapján CE megfelelőségi nyilatkozatot adhat ki a lámpatest készítője illetve a CE jelölést jogosulttá válik elhelyezni a terméken. Mivel a szabványkövetelmények teljesülését kérésre jegyzőkönyvekkel igazolni kell, ilyen megfelelőségi nyilatkozatot a gyakorlatban csak lámpatestgyártók és az akkreditált tanúsító szervezetek állítanak ki. Szintén fontos felhívni a beruházók és a társtervezők figyelmét arra, hogy ezen kritériumok teljesülése csak akkor várható, ha a szabványkövetelményeket már a tervezés során figyelembe veszik, mert kicsi a valószínűsége, hogy a termék a végén véletlenül pont minden követelményt kielégít. Épp ezért a műkedvelők vagy a vállalkozó szellemű társtervezők által megálmodott vagy elkészíttetett tárgyak általában nem alkalmasak egy kreatív egyedi lámpatest kialakításra a lámpatestgyártáshoz értő szakemberek bevonása nélkül. Hasonlóképp, a kereskedelmi forgalomban kapható világítási eszközök lényeges átalakítása is csak úgy elfogadható, ha azokat utóbb újra bevizsgálják és megfelelnek az előírásoknak. Az egyedi világítási rendszerek kivitelezésénél jellemzően a kivitelezőkkel való együttműködés sikerességén múlik a megvalósítás sikere. Egy álmennyezetbe integrált egyedi rendszer kialakításánál például a szerkezetépítő, a villanyszerelő, a légtechnikai szerelő, a vízgépész kivitelező, a biztonságtechnikai és hangtechnikai kivitelező, az álmennyezet építő és a festők együttműködésére van szükség. Mivel az egyedi ötletek alapján épült illetve innovatív rendszerek által támasztott követelményeket csak a világítás tervezője látja át teljes egészében, ezért ilyen esetekben nem elegendő a fővállalkozó vagy az építésvezető koordinációjára támaszkodni, a világítást érintő kérdésekben a világítást tervező mérnök helyszíni művezetése szükséges és a világítási berendezés beépítését érintő munkafázisok tekintetében a társkivitelezők munkájának összehangolása is feladata Fényforrások A fényforrásokkal már részletesen foglakozott a 3. fejezet. E helyen kizárólag röviden megemlékezni kívánunk azon fényforrásokról vagy fényforrás-változatokról, melyek az innovatív, egyedi lámpatestekben néha-néha előfordulnak vagy nevük felmerül. Rögtön le kell azonban szögezni, hogy a lámpatest készítőinek és üzemeltethetőinek sem célja és érdeke, hogy ritka, nehezen hozzáférhető vagy szűk választékkal rendelkező alkatrészekből készüljenek e termékek vagy világítási rendszerek, ezért az egyedi lámpatestek is csak rendkívül indokolt esetekben tartalmaznak ritka fényforrást. A gyakorlatban két ilyen jellemző eset, ha mással nem lehet elérni az építészet és/vagy műszaki célkitűzéseket és rákényszerül a konstruktőr a szokatlan fényforrásválasztásra, másik eset, ha annyira 290

291 előremutató terméket kell/szeretne készíteni, melyben a legkorszerűbb és még széles körben ismeretlen technológiák kerülnek beépítésre Kiaknázatlan lehetőségek hétköznapi fényforrásokban A LED-ek említése esetén leggyakrabban a LED-del gyártott (azaz összeépített, szétválaszthatatlan) világítótesteket, a retrofit LED lámpákat, a LED szalagokat értjük. Az egyedi lámpatestgyártásban azonban önálló tokozott LED chipeket is használunk, melyek elektromos és hőtechnikai méretezését is el kell végezni. A LED-engine fogalom egyre ismertebb (pl. Zhaga szabvány), mely egy LED modult (több LED chip összeépítve), hővezető felületet, szabványos elektromos és mechanikus csatlakozó elemeket és meghajtó elektronikát tartalmaz. A kettő közé sorolhatóak a LED panelek, melyek szintén több LED chipet és hővezető felületet tartalmaznak, de a felhasználó nem, csak a gyártó tudja cserélni azokat, a LED-ek mellé pedig vezérlés és egyéb elektronikai elem is kerül (RGB vezérlő), de tápegységet nem tartalmaz. A LED-engine-ek eltekintve a rendszerhatásfok vs. chip hatásfok fényhasznosítási eltéréstől nem a határokat döntögető fényhasznosításúak, de jól bevált korszerű technikát tartalmaznak, innovativitásuk a szabványos elemekben, az egyszerű cserélhetőségben emelkedik ki. Az önálló LED chipek és LED-panelek nagyobb tervező szabadságot adnak, ugyanakkor nagyobb kockázattal is jár beépítésük, de olyan fényhasznosítású LED-ek jelennek meg e formákban, melyek a pillanatnyilag kereskedelmi forgalomban elérhető csúcstechnikát képviselik ábra: 5 8 m-es ellipszis alakú egyedi lámpatest csúcstechnológiás LED panelekkel, a tervezés a LED-panel prototípus adataival történt, a sorozatgyártás a beépítést megelőző hetekben kezdődött el (BME CH épület, 2013) 291

292 A kis teljesítményosztályú 20 és 35 W-os kerámia kisülőcsöves fémhalogén lámpák valamint az 50 W-os fehér fényű Na-lámpák 80 feletti színvisszaadásukkal, hosszú élettartamukkal beltéren is használhatóak, sőt, megfelelő elektronikával részben szabályozható fényáramuk is. Ott, ahol a diffúz fényeket közvetlen sugárzó optikai elemekkel kell kombinálni, különösen jól irányítható fényű kis kiterjedésű fényforrások jól alkalmazhatók a gyakorlatban ábra: Egyedi, embermagasságú, lampion-szerű lámpatestek fehér fényű Na fényforrással, fényáramszabályozható kivitelben (Tamási élményfürdő) A teljesség igénye nélkül befejezve a felsorolást, de harmadikként megemlítendő a fénycső, mely nem csak katalógusokban kapható méretekben és alakokban kapható, hanem egyedileg gyártva is. Egyik praktikus, de már közismert sorozatgyártott példa a visszahajtott végű fénycső, egyes kisüzemek egyedi konstrukciókhoz szinte tetszőleges alakú fénycsöveket is készítenek. Ezek a termékek a kereskedelmi forgalomban kapható előtétekről a szokásos módon üzemeltethetők, cseréjük szükségessé válásakor utángyártásuk időigényes. 292

293 Ritka, érdekes vagy ígéretes fényforrások A LED-ek közt szokás említeni, bár kissé kilóg a sorból az OLED, melyről e jegyzetben szintén részletes leírás található. Felhasználását tekintve a leginkább művészi alkotásokhoz ajánlható, alacsony fénysűrűsége, áttetszősége, változatos formái, homogén fénysűrűsége, szabályozhatósága az OLEDet nem csak a jövő egyik fényforrásává tehetik, de az építőművészek, a belsőépítészek legkedvesebb fényforrásává. Már ma is kaphatók nagyon egyedi és művészi igényességgel tervezett csillárok, állólámpák legkülönbözőbb alakú OLED fényforrásokkal, a költségek miatt viszont csak egy nagyon szűk réteg tekinthető piacnak. Az OLED-ek gyártástechnológia fejlődésével ez remélhetően jelentősen megváltozik ábra: Csillár OLED fényforrásokból Az elektrolumineszcens fólia kevésbé ismert fényforrás; működési elve azon alapszik, hogy egyes anyagokban a villamos tér képes fénykibocsátást előidézni. Világító panelnek is nevezik. A fényforrás alapvetően egy kondenzátorhoz hasonlítható, melynek egyik fegyverzete fényáteresztő, dielektrikuma a lumineszcens anyag. A két fegyverzetre váltakozó feszültséget kapcsolnak, a fénysugárzás a villamos mező irányváltozásakor következik be. A fénytechnikai tulajdonságokat az alkalmazott feszültség és frekvencia, valamint a lumineszkáló dielektrikum szabják meg. Fehér és színes fényű változatokban kapható, fajlagos fényárama alacsony, háttérvilágításként, dekoratív világításként használható, nagyon kis áramfelvétele és homogén fénye miatt menekülési utakat jelző sávokat is készítenek ebből ábra: Elektrolumineszcens fólia háttérvilágítású információs pont (Mátyás templom) 293

294 ábra: Kénlámpa kisülőgömb INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A kénlámpa újra és újra megjelenik és eltűnik a fényforrások közt. A kénatomok gerjesztésével kapható fény már a múlt század első felében ígéretes kísérletnek tűnt, majd a hatvanas években az indukciós lámpa felfedezésével ismét előtérbe került, majd a kutatások abbamaradtak. A 90-es évek elején ismét kutatni kezdték, majd a 90-es évek második felében rövid ideig sorozatgyártották az USA-ban, ígéretes fényforrásnak látszott, majd gyártását megszüntették és ismét eltűnt a szakmából. A szabadalmak megvétele után 2006 óta egy neves korai gyártó ismét elkezdte a tömeggyártását és egy kisebb lámpatestportfóliót is létrehozott köré közvilágítási, ipari lámpatestekből, fényvetőkből és fénykürtőből. Számunkra ez utóbbi a fontos, melyről később a fejezetben részletesen lesz szó. A kénlámpa egy indukciós lámpa, melyben golflabda nagyságú kisülőgömbben a kén gerjesztésével a napfényhez nagyon hasonló, a gyakorlati alkalmazást tekintve folytonosnak tekinthető spektrumú fényt kapunk. Színvisszaadása 80, fényhasznosítása 100 lm/w, 6000K körüli a színhőmérséklete. Várható élettartama 60000h. Hátránya, hogy a kisülőgömböt intenzív levegőárammal hűteni szükséges. Kedvező tulajdonságai ellenére nem terjedt el, csak a fénykürtők fényforrásaként tűnik fel időről időre. Az ún. HEP (high-efficiency plasma) lámpák hasonlóak a kénlámpához. A technológia fejlődésével egyre kisebb méretben készítettek elektróda nélküli kisülőcsöveket, keresték a kénlámpa hátrányainak kiküszöbölési lehetőségeit. A HEP-ek kisülőcsöve már kapszula méretű. Gerjesztése rádiófrekvenciás tartományban történik, a kvarc kisülőcső kerámia rezonátorban nyugszik, töltete a fémhalogén lámpákéhoz hasonló, a kénnél kevésbé agresszív. Több gyártó is foglalkozik plazmalámpák gyártásával, az egyik legismertebb termékeit LEP-nek evezi. Fényhasznosításuk lm/w várható élettartamuk h Beltéri követelmények gyakori helyiségtípusok esetén Az alábbi beltéri követelmények a teljesség igénye nélkül veszik sorra a jellemző helyiség- és funkció típusokat, részben szokásos elvárásokat, követelményeket mutatnak be, részben korszerű szemlélettel és innovatív megoldásokkal illusztrálják azokat Szabványosság A szabványok alkalmazása nem kötelező. Ez növeli a tervezői szabadságot, de ugyanakkor óriási felelősséggel jár. A nem kötelező kitétel értelmezéséhez rögtön vegyük figyelembe a nemzeti szabványosításról szóló évi XXVIII. törvény 6. -át, mely jogszabály, tehát mindenkire kötelező: 6. (1) A nemzeti szabvány alkalmazása önkéntes ábra: Plazmalámpa (LEP)

295 (2) Műszaki tartalmú jogszabály hivatkozhat olyan nemzeti szabványra, amelynek alkalmazását úgy kell tekinteni, hogy az adott jogszabály vonatkozó követelményei is teljesülnek. [ ] Ez nem azt jelenti, hogy a szabványokat jogszabály kötelezővé tehet, de tartalmukat kötelező előírásként hivatkozhatja, tehát ha egy adott esetben nem szabványos megoldásról van szó, a tervező (vagy kivitelező) kötelessége és felelőssége bizonyítani, hogy az alkalmazott megoldás legalább egyenértékű (vagy jobb), mint a szabványban leírtak. A szabványosítás valamennyi érdekelt fél (a tervezők, a gyártók, a fogyasztók, a civil szervezetek, a hatóságok stb.) általános megegyezésén alapuló műszaki előírások kidolgozásának önkéntes folyamata. A szabványok alkalmazása tehát kényelmes (más ellenőrzési vagy bizonyítási eljárásokhoz képest), célszerű, növeli a versenyképességet és megfelel a törvényi előírásoknak. Ilyen előírások jellemzően a biztonságossággal kapcsolatban vannak (statikai, érintésvédelmi, tűzvédelmi, zavarvédelmi stb.), pl. a lámpatesten a CE jel elhelyezésének feltételéül szabott EU direktívákat szabványkövetelmények teljesítésével lehet kielégíteni, ellenkező esetben bizonyítottan egyenértékű megoldásokat kell használni, a bizonyítás pedig lehet körülményes. De hasonló a helyzet az OTSZ (Országos Tűzvédelmi Szabályzat) előírásaival is: egy egyedi, nem szabványos megoldás esetén a katasztrófavédelmi hatóság (végső soron egy tűzoltó tiszt) dönti el, hogy lámpatestünk kialakítása megfelelő-e. Ezek hosszadalmas eljárások és a várható eredmény nehezen jósolható. Szintén jogszabályok által hivatkozott szabványkövetelmények teljesülését kérhetik (a teljesség igénye nélkül): a közbeszerzési eljárás keretében megvalósuló építés során, az építésügyi hatóság engedélyeztetési eljárásokban, a tervellenőr valamint az építési műszaki ellenőr az ellenőrzési kötelezettségük teljesítése során. A beltéri mesterséges világítás méretezésével kapcsolatban leggyakrabban a MSZ EN :2012 szabvánnyal fogunk találkozni (címe: Fény és világítás. Munkahelyi világítás. 1. rész: Belső téri munkahelyek). E szabvány a fogalmi bevezetésen túl lényegi részét tekintve iparágak, munkafolyamatok és tevékenységek szerint határozza meg az elvárható megvilágítási, káprázáskorlátozási és színvisszaadási értékeket. A szabványok alkalmazását tekintve ugyanolyan hasznos és ajánlott alkalmazni, mint bármely más, esetenként biztonsággal összefüggő szabványt. Ezeken túlmenően is számos érv szól mellette: a megrendelő lehet elégedetlen a szubjektív alulvilágítottsági érzet miatt is, ugyanakkor túlvilágítottság esetén is reklamálhat a felesleges energiapazarlás miatt. Egy esetleges baleset után is vizsgáltathatja, hogy megfelelő volt-e világítás és kártérítési igénnyel élhet (akár csak egy lépcsőn bokáját kificamító alkalmazott hosszas betegállománya miatt is). Szintén előfordul, hogy a megrendelő szakértőtől vagy független harmadik személytől ellenőrző méréseket vagy szakértői véleményt kér a megvalósult világítással kapcsolatban. Ugyanakkor a szabvány nem teljes: csak általános funkciókat és tevékenységeket sorol fel, egy-egy ritka esetben tett utalást kivéve csak az átlagos vízszintes megvilágítást adja meg. Még teljesen hétköznapi esetben is lehet elégtelen a szabvány alkalmazása: például, ha egy recepción E h =300 lx van az asztalon, akkor az szabványos. De a belső felén is annyi lesz, ahol a recepción 24 órában számítógépes munkavégzés folyik, és külső felén is, ahol a vendégek apró betűs bejelentőket töltenek ki, noha tudjuk, hogy a két különböző tevékenységhez minőségileg más világítás tartozik. És szabványos akkor is, ha a vertikális megvilágítás 0, azaz a vendég és a recepciós arcai sötétbe burkolóznak. Számtalan példát lehetne felsorakoztatni, hogy kellően ügyetlen tervezés során teljesen rossz ámde szabványos világítást lehet létrehozni. Szerencsére ennek az ellenkezője is igaz: kellő körültekintéssel, a 295

296 fénysűrűségviszonyok és a kontraszt előtérbe helyezésével a szabványos értékeket nem vagy csak részben teljesítő, de sokkal jobb vizuális komfortot eredményező világítási környezetet is lehet létesíteni. Nem kívánok senkit arra biztatni, hogy különösen kellő tapasztalat hiányában ne szabványos világítást létesítsen! Ugyanakkor az egyedi, innovatív megoldások természetes velejárója a megszokott sémáktól való eltérés, a skatulyák elhagyása. A fejlődés, az újszerűség, a kísérletezés útjai nem vezethetnek kizárólag jól bejárt, kitaposott ösvényeken. A megnyugtató megoldás minden innovatív világítási eszköznél vagy rendszernél, ha újszerűsége mellett eleget tud tenni a szabványkövetelményeknek is. Az, hogy milyen feltételek mellett, hogyan tudja teljesíteni a szabványok által előírt minimum követelményeket, miközben a megvalósított világítási koncepció új utakon jár, szintén tervezői kreativitást igényel. Az innovativitás tehát összetett fogalommá válik: nem csak a termékre vagy a végeredményre kell igaz legyen, de az ahhoz vezető útra, a tervezési módszerekre is Oktatási intézmények Szemünk és pszichénk egészsége megkívánná, hogy a világítás szerves része legyen az oktatástechnikának, és kiszolgálja a látási igényeket számítógépes munka, vetítés vagy táblás óra esetén is. Gyermekkortól egészen fiatal felnőttkorig különösen fontos, hogy az egész napos iskolai tevékenység mint látási feladat során a látási problémák megelőzhetőek legyenek illetve ne romoljanak, és szintúgy fontos, hogy az éberség, a koncentráció folyamatosan optimális szinten tartható legyen. Ehhez alapvető fontosságú a látási igényeket kiszolgáló mesterséges világítás. Az iskolavilágítások számottevő része elavult, egy előző generáció korszakából való, és ahol felújították, helyenként a felújítás is csak az energiatakarékossági kritériumokra és a megvilágítási értékekre terjed ki. Mindenki előtt nyilvánvaló, hogy alkalmazkodni kellene a megváltozott körülményekhez, mert sokkal szélesebb oktatástechnológiai eszköztárat használunk napjainkban, mint évvel, ráadásul minden építés-felújítás a jövőnek szól. Milyen a jó világítás? Miért kevés, ha csak korszerű lámpatestek vannak a fejünk felett? A fény alapvetően meghatározza a vizuális komfortot és annak az épített környezetnek a látványát, melyben a diákok tartózkodnak. Ezek nem mérhetők luxmérővel és lényegesen túlmutatnak egyegy szabványérték megkövetelésén. Mit kéne tudnia minimálisan egy jó osztálytermi világításnak? Először is azonos megvilágítást kell nyújtani az asztalokon és ábra: Tanulószoba, (Tunghai University - YD) a táblán. Ez az EN :2011 szerint gyermekek esetében minimum 300 lx, más általános esetben 500 lx, de széleskörű az egyetértés, hogy lehetőség szerint gyermekek tantermében is 500 lx létesüljön. Egyenletesnek is kell lennie, nappal is, ehhez részben néha világítani kell nappal is, részben árnyékolni kell az ablakokat. A jó árnyékoló az ablakokon a világítás része! Nagyon fontos, hogy ne kápráztasson: közvetett káprázás akkor is fellép, ha a padon, a táblán, a tankönyv nyomdafestékén, a monitoron vagy a billentyűzeten verődik vissza a fény. A káprázás fáraszt, csökkenti a tanulók koncentrációját, teljesítményét. Az 296

297 egyenletesség javítása és a kisebb kápráztató hatás érdekében hasznos legalább részben mennyezetre irányítani a fényt, a szórt fény javítja a nyomtatott és a képernyős szövegek olvashatóságát. A világos mennyezet és a falak kitágítják a teret, kellemesebb a közérzet. Szórt fényben világosabbak az arcok, barátságosabbak az árnyékmentes szemek, ezért közvetlenebb a kommunikáció is. Végül, de nem utolsósorban nagyon fontos, hogy fényárama szabályozható legyen, hogy monitorok és különböző vetítő eszközök használatakor a vetítést ne zavarja, de mindig megfelelő mértékben világítson jegyzeteléshez, olvasáshoz. A szabályozhatóság segít az energiatakarékos világítás megvalósításában is, ha kevés a természetes világítás, dimmelve üzemeltetve a lámpatesteket mindig megfelelő megvilágítási szintet érhetünk el a lehető legkevesebb villamos energia felhasználásával. A korszerű világításvezérléssel dinamikus világítás is megvalósítható, mely megvilágítási szintje és színhőmérséklete a nap során változik. A fény emberi szervezetre gyakorolt biológiai hatását ismerve növelhetjük a koncentrációt a tanórák idején, segíthetjük a relaxációt a déli órákban vagy hosszabb szünetek idején. A nagyon hideg (T C >10000K) színhőmérséklet éberséget kelt (pl ábra: Egy egyszerű terem múzeumpedagógia oktatáshoz a fedélszékbe rejtett lámpatestekkel, közvetett világítás első órán), az égbolthoz hasonló színhőmérséklet magas megvilágítási szinttel (E av >1000 lx) párosítva figyelemre és koncentrációra ösztönöz, frontális oktatás, egyéni feladatok, ellenőrzések során hasznos. A kisebb (E av ~300 lx) meleg színhőmérséklet csoportmunkára, párbeszédekre, pihenésre alkalmas. Kutatások szerint a dinamikus világítás mellett a diákok jobban teljesítenek magas koncentrációt igénylő feladatokban és a ábra: Az egyes lámpatest-csoportokhoz rendelt érzékelővel mindig azonos szintű lehet a természetes és a mesterséges fény összegéből származó megvilágítás, függetlenül a természetes világítás változásától és az ablaktól való távolságtól. Jelentős energia megtakarítást eredményez. 297

298 szociális kapcsolatrendszerben a konfliktusos szituációk is ritkábban fordulnak elő. A témának külön szakirodalma van, bár kutatások most is folynak, a már meglévő ismereteink alapján érdemes új létesítéseknél figyelembe venni, hogy a fény minőségének hatása van a koncentrációra, az éberségre, a teljesítményre. A szerteágazó pszichológiai-pedagógiai hatások miatt csak a témát mélyrehatóan ismerő szakértők bevonásával szabad dinamikus tanteremvilágítást létesíteni. A világításnak lényegesen szofisztikáltabbnak kell lennie, mint korábban. Táblavilágítás ma már szinte mindenütt van, bár ez gyakran primitív módon egy lemezzel árnyékolt szabadonsugárzó fénycső. Ezt a gyakorlatot mellőzve valódi táblavilágító lámpatesteket kell alkalmazni, melyek aszimmetrikus fényeloszlásúak a tábla egyenletes megvilágítása érdekében. A táblavilágítás vertikális megvilágítási értéke egyenlő kell legyen a tanulóasztalok horizontális értékeivel (500 lx), annak érdekében, hogy a tanulók szemének ne kelljen adaptálódni a gyakori táblára és asztalra nézés közben. Ideális esetben több csoportban külön-külön lehet szabályozni a világítást, külön csoportot képez a tábla és vetítővászon előtti (tanári) rész és külön a táblavilágítás is, méghozzá táblánként. Nem szabadna megfeledkezni arról, hogy a falak gyakran olyan képeknek, tablóknak adnak helyet, amelyek demonstrációs eszközök vagy valamiért nagyon fontos részei a nevelésnek vagy a közösségi munkáknak, tehát a falakat is meg kell világítani. És mindezt egyszerűen, kezelhetően, olyan előre programozott kapcsolókkal, melyekkel kész világítási képeket lehet lehívni: vetítés, csoportmunka, krétás tábla, számítógép stb. üzemmódokkal. Az osztálytermi világítási eszközök közt nagyon gyakori (téves!) megoldás az ún. tükrösrácsos fénycsöves lámpatest, melyben a fénycsőre merőleges lamellák feladata a káprázáskorlátozás. E lámpatestek csak kötött nézési irány esetén alkalmazhatóak, mert csak a lámpatest tengelyével párhuzamosan tekintve fejtik ki hatásunkat. A gyakorlatban kijelenthető, hogy kötött nézési iránnyal csak akkor számolhatunk, ha a padok a padlóhoz rögzítettek. Minden más esetben várható, hogy a korszerű didaktikai módszerek alkalmazása (pl. csoportmunka) vagy az oktatott tantárgyak sajátosságaihoz való alkalmazkodás miatt (pl. idegen nyelvi terem, alsós terem, csoportbontásos tárgyhoz használt terem) rendre át fogják rendezni. Tehát ahol nincs lecsavarozva, lebetonozva a tanulóasztal, ott nincs kötött nézési irány! Az iskolákban nem csak általános funkciójú oktatási helyiségek vannak, hanem számítógépes ábra: A korábbi 30 éves tükrös-rácsos lámpatestet erre a korszerű tükrös-rácsos lámpatestre cserélték egy kőbányai iskolában (2011) tantermek, nyelvi laborok, ezekben a számítógépes munkahelyre irányadó követelményeket is alkalmazni kell, különösen hasznos az közvetett világítás alkalmazása a káros reflexiók elkerülése végett. A monitorokat sose helyezzük el az ablakkal párhuzamosan, mert vagy az ablakok tükörképe fog közvetett káprázást okozni, vagy a monitor hátterében jelenik meg az ablak, különösen fontos a jó árnyékolás. Esetenként szükség lehet helyi világításra is (asztali lámpa). 298

299 ábra: Tanterem süllyesztett közvetlen-közvetett lámpatestekkel: gazdaságos, egyenletes, sok szórt fénnyel elegendő vertikális megvilágítást is nyújt Szaktermek esetében fontos a nagy megvilágítási szint (legalább 500 lx). A káprázáskorlátozási követelményeken túl az árnyékosság szerepe is megnő (pl. egy kémcső megfogása), melyet közvetlen világítás részarányával lehet növelni. Fontos a színvisszaadás is (pl. egy lakmuszpapír színváltozásának azonosításakor). Különösen nagy jelentősége van rajztermek világításakor, bár a szabvány csak művészetoktatási intézmények rajztermeiben követel Ra>90 színvisszaadást, de törekedjünk rá, hogy lehetőség szerint más iskolatípusban rendelkezésre álljon, hiszen tehetséges művészpalánták már egy általános iskolai rajzszakkörön is kiemelkedő érzékkel kezelik a színeket. Rajzteremben ideális esetben több komponensből áll a világítási rendszer, melyben változtatható arányban keverhető a szórt és a közvetlen fény, a körben -félkörben elhelyezett asztalok mindegyikére egyenletesen és kívánt irányból esik (jobb és balkezesek is rajzolnak!), valamint a modellek posztamense is több irányból legyen világítható (hiszen körbeülik azt). Tanműhelyek, szakmai gyakorlati oktató termek világításakor az adott munkahelyre vonatkozó követelményeket kell betartani, de nem lehetnek az értékek alacsonyabbak, mint tanterem esetén. A munkavégzés körülményeit tekintve maximális biztonságra kell törekedni, beleértve a látás feltételeit is. Tornatermek világítása jellemzően ipari mélysugárzókkal vagy fénycsöves lámpatestekkel történik (E h =300 lx). A labdarács védi a lámpatest optikai elemeit és megfelelően választott rácssűrűség megakadályozza, hogy bele szoruljon a labda. A leggyakoribb közvetett káprázás a lakkozott padlón megjelenő lámpatest-tükörképek okozzák. Ha a padló fényes, célszerű kis felületi fénysűrűségű fénycsövekkel (pl. 35W) üzemelő lámpatest alkalmazása, és kerülendőek a nagynyomású kisülőlámpák. A visszatükröződés elkerülésére kézenfekvő lenne az közvetett világítás, de nem csak hatásfoka miatt vitatott, hanem az árnyékhatás csökkenésével a tárgyak térbeli helyzetét, sebességét is nehezebb megítélni, ezért sportjátékokhoz nem ideális. 299

300 ábra: Tornaterem sok természetes világítással és az azt kiegészítő mesterséges világítással. A fényvetők tükörképe nem látszik a selyemfényű padón, a sok bevilágító miatt a tér nyitott hatású.(regis Racine, Drancy) Előadótermek esetében kötött elrendezés van, a nézési irány fix, ezért a káprázáskorlátozás nagyon jól megoldható. Célszerű többféle lámpatest elhelyezése, több áramkörön kapcsolva, az előadótér, a pulpitus, a tábla, az asztalok, a közlekedő és lépcső világítására. Fontos, hogy áramkörönként dimmelhető legyen, árnyékolással összehangoltan, erre főként vetítés melletti jegyzetelés miatt van szükség. Világítási képeket kell létrehozni a vetítésen kívül a táblamunkás előadásokhoz, a hallgatóság bevonásával történő vitákhoz is. A szekcionált termek leválasztva és egybenyitva is legyenek teljes értékűek, teljesítsék külön-külön és együtt is az előadótermekre vonatkozó fenti elvárásokat ábra: Előadóterem kötött nézési iránnyal Könyvtárakban alapvetően három szituációt különböztetünk meg. A polcok előtt fontos a gerincek olvashatósága, beleértve az alsó polcokat is, a jelzések, indexek láthatósága, de ezzel egyidejűleg a vízszintes megvilágítás (beleolvasás miatt) is fontos (E h =E v =200 lx). Nagyon jól alkalmazhatók az aszimmetrikus lámpatestek a polcokkal párhuzamosan elhelyezve. Másrészt az olvasóterem, ahol általános és helyi világítás kialakítása célszerű. A helyi világítás nem zavarhatja a szomszédot, és nem kápráztathat akkor sem, ha notebook használat megengedett, de segíti a jegyzetelést. A harmadik helyszín a számítógépes katalógus, mely a számítógépes munkahely követelményei szerint létesítendő. 300

301 Nem utolsó sorban említést kell tenni az óvodákról. Az óvodákban a csoportszobák érdemelnek kiemelt figyelmet, a többi helyiségtípus a szokásos módon tervezhető. A csoportszobáknak nem csak a tantermi előírásoknak kell megfelelniük, hanem számos funkcióval rendelkeznek. Sajátos gyakorlat, hogy az ovisoknak sokszor nincs külön ebédlő és pihenő (alvó) helyiségük, reggeltől estig minden a csoportszobában történik: a játék, a tanulás, a kreatív kézműves foglalkozások, a mesevetítés, az alvás és az étkezés is. Szomorú az a rossz gyakorlat, hogy ehhez egyféle, egy áramkörön kapcsolható általános világítás társul: ami mindenre jó, az semmire se alkalmas. Félretéve, de megjegyezve azt, hogy építészetileg kellene megoldani a különböző funkciók legalább részbeli szétválasztását, a világítással sokat tehetünk a komfortosabb, élhetőbb óvodai környezetért. Alapvető, hogy a nem világítunk közvetlenül a fekvő gyermekek szemébe. Játékhoz, kézműveshez ugyanakkor sok közvetlen fény kell, a tárgyak térbeliségét érzékeltetni kell. A mesékhez, vetítésekhez dimmelt, szórt fény hasznos. Néha a pedagógusok irodája is a csoportszobában van, egy sarokba tolt íróasztal formájában, csendespihenő alatt ennél dolgoznak. Mindezek miatt többféle lámpatest elhelyezése indokolt, természetesen fényáramszabályozott, a helyiséggeometria és a funkciók szerint csoportokra osztva és üzemeltetve. A világítási képek megvalósításában és kapcsolásában pl. a DALI rendszer ajánlható Irodahelyiségek, irodai funkciók Ma már elképzelhetetlen az irodai munkavégzés számítógépek nélkül, tehát minden irodai munkahely egyet jelent a számítógépes munkahely fogalmával. Számítógépek, képernyős munkahelyek azonban irodán kívül is sok helyen előfordulnak, recepciókon, kiskereskedelmi értékesítési helyeken, pénzintézetekben, ügyfélszolgálatokon, portákon, raktárakban és vég nélkül lenne sorolható azon munkahelyek, ahol számítógépes nyilvántartásban vagy ügyviteli/termelésirányítási rendszerrel dolgoznak. Ugyan megkülönböztetünk munka-egészségügyi, ergonómiai szempontból is számítógépes munkavégzést, mely napi 4 órát meghaladó számítógép-használatot jelent, és számítógépes munkahelyet, ahol a géphasználat nem éri el a négy órát, a tervezés során még nehéz megjósolni a munkakörök pontos tartalmát. A legkülönbözőbb képernyős munkahelyeken túl a tárgyalók kialakítás igényel még az átlagosnál több figyelmet. A képernyős munkahelyek kialakításakor különösen fontos kihangsúlyozni, hogy szemünkkel fénysűrűséget látunk. A vizuális komfort szempontjából a hasznos információkat szolgáltató vizuális jelek felismeréséhez a minél könnyebben észlelhető fénysűrűségkülönbség ideális, a háttér, a periféria területein minél kisebb főleg nem zavaró fénysűrűség-különbség megléte szükséges ábra: Közvetett és közvetlen káprázás 301

302 Ez utóbbi a közvetlen és a közvetett káprázás megelőzésével biztosítható. Közvetett káprázás a képernyőre tekintve látótérbe kerülő lámpatestek fényforrásairól és optikai elemeiről valamint a bevilágítókon keresztül zavaró fénysűrűség-különbségként észlelhető. Közvetett káprázás a képernyőn vagy a látótérben levő más tárgyakon tükröződő nem kívánt fény megjelenése, szintén az előbb említett forrásokból ábra: Felhő alapú közvetett irodavilágítás a Google dublini irodaházában Nem csak a zavaró mértékű, visszatükröződő fénysűrűség-különbség káros a monitoron, hanem a helyiség rendeltetésszerű világításából származó egyenletes szórt fény is. Ennek mennyisége befolyásolja képernyőn a kontrasztot. Könnyen belátható, hogy egy feliratban, ahol a jel (pl. egy betű) 10 cd/m 2 és a háttere 150 cd/m 2, a fénysűrűség-kontraszt 1:15. Ha a környezetből származó szórt fény ezt egyenletesen 30 cd/m 2 -el növeli a képernyő felületének fénysűrűségét, akkor a betű 40 cd/m2, a háttér 180 cd/m 2, a fénysűrűség-kontraszt kb. ötödére csökken, 1:4,5-re romlik. A környezet kisebb megvilágításával arányosan kevesebb szórt fény képződik, pl. harmadára csökkentve csak 10 cd/m 2 -el növeli a képernyő felületének fénysűrűségét, ekkor a betű 20 cd/m2, a háttér 160 cd/m 2, a fénysűrűség-kontraszt 1:8-ra javul. Ez nem jelenti azt, hogy sötétben kell használni a számítógépet, sőt a világos monitor és a teljesen sötét háttér is zavaró lehet, de törekedni kell arra, hogy a képernyős munkahely környezetében csak a szükséges mértékű világítás létesüljön. Közvetett káprázás nem csak a képernyőn léphet fel, a billentyűzeten, az egéren, a tolltartón, sőt, még a nyomtatott szövegen is. Ez utóbbi a leginkább zavaró és a legkevésbé szerzünk róla tudomást. Egyrészt a papírok különböző mértékben fényes felületűek, a színes nyomdai kiadványok vagy a színes lézernyomtatóhoz való irodai papírok kifejezetten tükrös módon verik vissza a fényt. Ha papír matt felületű, akkor is tükröződhet a nyomat, egy egyszerű fekete lézernyomtatóval készült nyomaton is fényes feketék a betűk, ezt közelről nagyítóval bárki ellenőrizheti. Ha a fejünk feletti lámpatest képe a betűkben visszatükröződik, akkor a monitornál leírt példa szerint csökken a kontraszt és nehezebben olvashatóvá válik a nyomat. Ha az íróasztal felett közvetlen-sugárzó lámpatest található, akkor ez a tükröződés valahol az asztalfelületen bizonyosan bekövetkezik, ezt egy kis kézi tükörrel bárki ellenőrizheti. Az a gyakorlat tehát, hogy az asztalok fölé helyezett ún. parabolatükrös-rácsos irodai -nak nevezett lámpatesteket használnak, túlhaladott. Az ilyen típusú lámpatestek a 302

303 parabolarácsnak köszönhetően nem okoznak káprázást a szomszédos munkahelyeken, de az adott munkahely fölött elhelyezett darab rontja a kontrasztot nyomtatott szöveg esetén és zavaró káprázást okozhat az asztalra helyezett tárgyakon ábra: Bal oldalt: az asztal feletti közvetlen sugárzó lámpatest közvetett káprázást okoz: a fényes papíron vagy nagyobb fotón láthatóvá válik a lámpatest tükörképe, nem feltűnő, de nyomtatott szöveggel is ugyanez történi. Jobb oldalt: közvetett világítás szórt fényénél ez a jelenség nincs, a kontraszt visszaadási tényező jobb lesz Irodahelyiségek elrendezés szerint különbözők, a nagyterű irodáktól kezdve csoportos és vegyes elrendezéseken keresztül az egyéni vagy vezetői irodákig. Minél többen dolgoznak egy térben, annál nehezebb különösen az üzemgazdaságosság miatt sűrűn berendezett irodákban a közvetlen-sugárzó lámpatesteket úgy elhelyezni, hogy az adott munkahely fölé közvetlenül ne kerüljön, oldalról még kellően bevilágítsa a munkahelyet, ugyanakkor egyik szomszédos munkahelyet se zavarja, illetve árnyékosságot se okozzon kézírásnál. A korszerű irodavilágításban épp ezért közvetlen-közvetett világítást kell alkalmazni, mely túlnyomórész közvetett komponenst tartalmaz, a közvetlen hányada csupán a tárgyak plasztikusságának, térbeliségének érzékeltetésére szolgál a kialakuló csekély árnyékhatások által. Az közvetett lámpatestek lehetnek befüggesztettek, falikarok, állólámpák, más lehetőség híján álmennyezetbe süllyesztettek. Az irodai munkakörnyezetet zónákra osztjuk. Az a felület, ahol a tényleges írás-olvasás történik (asztallap hasznos felülete) a feladathoz rendelt (E=500 lx) megvilágítású, ennek ábra: Irodai számítógépes környezete, 0,5 m szélességben egy értékkel munkakörnyezetben zónák kialakítása alacsonyabb (E=300 lx), az iroda egyéb részei, szükséges háttér, közlekedő a funkciónak megfelelő (E=100 lx). Ezt leginkább orientál általános világítással lehet megvalósítani, ahol a lámpatestek munkahelyekhez illeszkedve kerülnek kiosztásra. A kis szintű általános világítást a munkahelyekhez telepített állólámpákkal, falikarokkal lehet a kívánt szintre emelni, a munkafelületen kívánt 500 lx eléréséhez pedig minden esetben helyi világítás alkalmazása (asztali lámpa) indokolt. Az asztali lámpa mind mechanikai, mind káprázáskorlátozási tulajdonságait illetően munkahelyre tervezett, kifejezetten számítógépes munkahelyre tervezett lámpa kell, legyen. A különleges optikával akadályozható meg a közvetlen vagy a 303

304 képernyőn keresztüli közvetett kápráztató hatás. A mechanikai szilárdság a lámpatest gyakori mozgatása melletti mechanikai szilárdságát biztosítja. Az irodákban használt nyomtatók, fénymásolók, irodatechnikai berendezések környezetében kisebb, 300 lx megvilágítás elegendő. A szekrények homlokfelületén 0,5-2 m magasságban vertikális megvilágításra is méretezni kell az iratanyagok gerincének olvashatósága érdekében. Ez is a közvetett világítás szórt fényével valósítható meg a legkönnyebben és a legegyenletesebben. A természetes világítás minőségileg és pszichésen is előnyös egy irodahelyiségnél. A képernyőkön való kápráztató hatást a képernyők ablakokra merőleges elhelyezésével és a közvetlen benapozás gondos árnyékolásával akadályozhatjuk meg. Az irodavilágításban szintén jelentős energiamegtakarítás érhető el a tantermeknél tárgyalt természetes és mesterséges világítással történő kiegészítésével, amikor a mesterséges világítás csak olyan mértékben üzemel, amennyire az állandó megvilágítási szint fenntartásához az adott lámpatestre szükség van. Ezt érzékelőkkel és szabályozható lámpatestekkel valósíthatjuk meg. további energiamegtakarítás érhető el jelenlétérzékelőkkel (mely nem azonos a mozgásérzékelővel!), amikor a helyi és orientált általános világítás csak akkor üzemel, ha a munkahelyen épp dolgozik valaki. E rendszerek épületfelügyeleti rendszer részeként alkalmazhatók, a természetes világítással való összehangolásra is képesek, sőt a teljes általános világítás is kikapcsolható, ha már senki nem tartózkodik a ábra: Szekunderlámpa, kifejezetten képernyős munkahelyek orientált általános világítására helyiségben. A dinamikus világítás és hatásai az oktatási helyiségeknél említett módon és azonos fenntartásokkal irodákban is alkalmazható a figyelem, a koncentrációkészség növelésére, a hatékonyság fenntartására. A természetes és mesterséges világítást egy idejű alkalmazása során a dinamikus világítás arra is jó, hogy a mesterséges fény színhőmérséklete folyamatosan változtatva mindig a természeteséhez igazítható. Ebben a korszerű LED-es lámpatestek élenjárók. Sajátos irodahelyiségnek tekinthetők a különböző bankok, ügyfélszolgálatok, ahol az ott dolgozók folyamatosan számítógéppel dolgoznak, az ügyfelek az asztaloknál nyomtatott szövegeket olvasnak és kézírással írnak, az ügyfélváró részen pedig olvasnak, beszélgetnek stb. Ezek olyan egyterű helyiségek, ahol funkciók szerinti zónákra osztással lehet meghatározni a megvilágítási igényeket, ugyanakkor a káprázáskorlátozást a teljes helyiségre átfogóan kell kezelni, ugyanis a számítógépes munkát végzőket más zónák világítására elhelyezett lámpatestek is kápráztathatják. A kápráztató hatás UGR értéke 19-nél nem lehet nagyobb a számítógépes munkahelyeknél. 304

305 Az közvetett világítási eszközöket nagyon jól kiegészítheti a nagyfelületű, homogén, kis fénysűrűségű világító álmennyezetek, melyek nem okoznak káprázást, közvetlen homogén fényükkel barátságos környezetet teremtenek az egyébként gyakran feszült és türelmetlen várakozó ügyfelek számára, égbolt hatásukkal kinyitják a teret, mely így még kevésbé válik nyomasztóvá, hivatalivá. A homogén fénynek köszönhetően a tükörfényes padlóburkolatok, asztallapok sem okoznak zavaró kápráztató fényfoltokat. Természetesen optimális esetben ezek is dinamikusan alkalmazkodnak a természetes világítás színhőmérsékletváltozásaihoz és kiegészítik a természetes megvilágítást. A tárgyalókban más szempontok dominálnak. Egy üzleti tárgyalás során többféle funkcióra használható a tárgyaló, beszélgetéshez, jegyzeteléshez, vetítéshez, kisebb előadások és tréningek megtartásához egyaránt alkalmasnak kell lennie. A beszélgetések, tárgyalások légköre az elérendő cél függvényében bizalmas, tárgyilagos vagy épp az ellenérdekelt lehet, ezt a fény minőségével (színhőmérséklet, szórt fény aránya, árnyékhatások dinamikája stb.) és mennyiségével lehet hangsúlyozni. A tárgyalások során döntő jelentőségű lehet a nonverbális kommunikáció, a mimika, a bőrpír, a verejtékezés és más reakciók érzékelése a tárgyalópartner számára. Ehhez jó vertikális, cilindrikus megvilágítás is szükséges. A jó tárgyalóvilágítás többféle lámpatest alkalmazásával valósítható meg, általános célú közvetett vagy részben közvetett lámpatestekkel, orientált általános világításokkal, és a jegyzetéléshez szükséges helyi világításokkal. Ez utóbbit nem asztali lámpákkal, hanem az asztalra irányított keskenyen sugárzó lámpatestekkel szokás megvalósítani. A teljes rendszer szabályozható, a különböző feladatokhoz és tárgyalási szituációkat erősítő légkör kialakításhoz előre programozott világítási képek hívhatók le ábra: A tárgyalóban a többféle funkciónak többféle lámpatesttel tehetünk eleget ábra: Bankfiók nagyfelületű világító álmennyezettel, mely az építészeti kialakításhoz illeszkedik, a tükörfényes padlóburkolón sem jelentkezik kápráztató hatás (ÁÉB székház) 305

306 Kereskedelmi létesítmények INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A kiskereskedelmi létesítmények hagyományosan a kirakattal csalogatják be vevőiket. A kirakat nem csak az árut mutatja be, az üzlet arculatáról, árfekvéséről, a megcélzott vevőköréről is képet ad. A kirakatvilágítás jelentőségét a korabeli szakemberek már a múlt század elején is kifejezett világítási ajánlásokkal erősítették meg ábra: A dinamikus kirakatvilágítás végigpásztázza a bemutatandó termékeket, figyelemfelhívó és vezeti a vevő tekintetét A kirakat lehet nyitott, átlátható hátterű és zárt. Az ún. zárt hátfalas esetben a kirakat hátterében maga az üzlethelyiség is látszódik, egyes esetekben nincs is kézzelfogható határ a kettő közt, az üzlethelyiség maga van a kirakatba helyezve. Utóbbi esetben a kirakatnak dekoratív háttere van, amin keresztül nem vagy csak nagyon korlátozottan lehet belátni. Egy kirakat folyton változik, árukészlettől, szezontól függően. A kirakatvilágítás mindig változtatható kell legyen a kirakati installációnak megfelelően, ezért többnyire sínen mozgatható, változtatható helyű és pozíciójú sínes lámpatesteket használunk. A lámpatestek könnyedén cserélhetőek is, más típusú, teljesítményű, optikájú darabokra, a sín terhelhetőségének függvényében mennyiségük is változtatható. A kirakatvilágítás többnyire a kirakat felső részében helyezkedik el. Lehetőség szerint érdemes takarásba rakni, hiszen nem a lámpatest az eladó portéka. Az oldalsó világítást nehéz úgy árnyékolni, hogy a kirakat felé haladókat egyik irányból se kápráztassa, az alulról világító lámpatestek pedig felfelé vetülő 306

307 árnyékokkal természetellenes fényhatást keltenek. A kirakati tárgyak lehetőleg több irányból is kapjanak fényt. Az üvegpocok, vitrinek kápráztatóak, erre ügyelni kell. A fényforrás jellemzően kerámia kisülőcsöves fémhalogén lámpa, ritkábban LED. A kirakatvilágítás hagyományosan statikus, pedig a dinamikus fénysűrűség és szín változások rendkívül figyelemfelkeltőek. A LED-ekkel könnyedén megvalósítható olyan kirakatvilágítás, ahol a hangsúlyok vagy a színek változása végigvezeti a vevő tekintetét a bemutatni kívánt árukon és messziről is feltűnést kelt. Meglepően kevesen élnek még e lehetőséggel, noha a kirakat célja pont a figyelem felkeltése. Háttér nélküli, ún. betekintő kirakat esetén a kirakatvilágító lámpatestek az üzlettér felé világítanak, különös gonddal kell beállítani, hogy az üzleten belül ne okozzon káprázást, és vice versa, az üzlettér lámpatestei sem okozhatnak a kirakat előtt kápráztató hatást. Az üzlettérben polcok, regálok, sztenderek, fix és guruló-forgó állványok, gondolák, nyitott pultok kínálják az árut. Mindegyikben közös a vertikális megvilágítás igénye, valamint a felsőbb pozíciókba helyezett áruk illetve polcok árnyokoló hatása az alatta levőkre. A minél egyenletesebb világítás érdekében aszimmetrikus fényeloszlású lámpatestet érdemes alkalmazni, olyan magasan és távolságban elhelyezve, hogy a lehető ábra: A polcvilágítást nem árnyékolhatja le a vevő, az optimális elhelyezést gondosan ki kell szerkeszteni legnagyobb szögben világítsa az árut, ugyanakkor a vevő még ne árnyékolja be azt. Ha van rá lehetőség, a polcokba beépített lámpatest az egyik legjobb megoldás, itt az elég nagy fényáramú és fényhasznosítású LED-ek kiemelkedően jó világítást nyújtanak, ugyanakkor gondoskodni kell a pocokba beépített LED-ek hűtéséről. A közlekedő területeket csak a funkciónak megfelelő mértékben kell megvilágítani, kivéve az ún. zártpályás bejárás során, ahol a vásárló a csak a kialakított közlekedőn és adott irányban közlekedhet (vezetik) és ezt fénnyel, kiemelésekkel is segíteni kell. A pénztárak monitorjain keletkező közvetett káprázás megelőzése érdekében a képernyős munkahelyekre vonatkozó előírásokat kell betartani. Az eladótér világításának jellemzőivel tudatosan pozicionálhatjuk a márkát, a termékeket, adott célcsoportot nyerhetünk meg a vásárlásnak, hangsúlyozhatjuk a termékek árfekvését és egyediségét. A drága, egyedi jellegű termékek esetén a megvilágítás alacsonyabb, domináns a termék világítással történő kiemelése a környezetből, a világítás sok hangsúllyal, jelentős árnyékhatásokkal bír. A pultnál és az eladótér azon pontjain, ahol az eladók és a vevők ábra: Közlekedő (PKO - Robert Majkut) 307

308 kommunikálnak, szórt fény segíti az arcok jó felismerhetőségét és barátságosabb tételét, ilyen üzletekben a személyes értékesítés és tanácsadás fontos tényező. Diszkontokban, hipermarketekben mindennek az ellenkezője igaz, magas megvilágítással, nagy egyenletességgel és homogén közvetlen világítással a termékek mennyiségét, tömegét, sokféleségét hangsúlyozzuk, a személyes kapcsolattartás az eladókkal minimális. Speciális esetnek minősülnek az ékszerüzletek, az autószalonok, ahol a kápráztató hatás nélküli csillogás elérése a cél, előbbi esetben vitrinekbe épített apró lámpatestekkel (LED-ekkel), utóbbiban minél nagyobb és természetes napfényhez közeli színhőmérsékletű és színvisszaadású fényvetőkkel. A számos egyedi követelmény közül ellenpéldaként kiemelhető a gyógyszertár, ahol ezernyi polcba és fiók mélyére kell jól látnia gyógyszerésznek, mely részben szórt fénnyel megvalósítható, és a LED-ek minden előnyös tulajdonsága kihasználható ábra: Világító fa kék LED-ekkel, iparművészeti alkotás és lámpatest egyben (Aréna Plaza) A bevásárlóközpontokban nem csak az üzlethelyiségek világítása fontos. A közlekedő terek sétány- vagy passzázs-szerű kialakítása, a szolgáltatások (éttermek, mozi stb.), a közösségi programok mind azt a célt szolgálják, hogy minél többen és minél több időt töltsenek bent kellemes élményekkel és nyilván vásárlással is töltve az időt. A közösségi terek ezért nem egyszerűen közlekedők. Az egymásra licitáló portálok világítása a közlekedőkön is észlelhető, ezért a szokásos 100 lx 2-3-szorosát alkalmazzuk, kiemelésekkel dinamikusabbá, érdekesebbé téve a teret. Ha természetes világítással is rendelkezik a tér, színhőmérsékletében illeszthető és megvilágítást tekintve kiegészíthető a természetes fény mesterséges fénnyel, ami energia megtakarítást eredményez, és nagyon komfortossá teszi a világítási környezetet. A nagy terek, a több emeletnyi belmagasságok különleges, egyedi lámpatestekkel vagy kompozíciókkal tölthetők be. E terek érdekessé, egyedivé jól azonosíthatóvá teszik az adott bevásárlóközpontot a közönség számára is, építészek és belsőépítészek művészi alkotásokat hozhatnak létre, melyek nem mellesleg a világítótest funkcióját is betöltik. A szűkebb, kisebb belmagasságú terekben, egymás fölé helyezett 308

309 mozgólépcsőknél világító álmennyezetekkel érhető el a tér virtuális kinyílása, ugyanakkor homogén, káprázatmentes világítás érhető el ily módon ábra: Nagyméretű felülvilágítóval rendelkező pláza, bal oldalt nappali fény színhőmérsékletéhez illesztett hidegfehér mesterséges világítással, jobb oldalt az esti kisebb megvilágítási szinthez illeszkedő melegfehér világítással Vendéglátóipari, szállodaipari létesítmények Egy szálloda vendégekből él, a vendégek pedig nem csak az alapvető szállásfunkciók miatt választanak egy adott szállodát, hanem érzelmi megközelítés alapján, a stílussal való szimpátia, a higiénés és szolgáltatásválasztékkal kapcsolatos elvárásoknak való megfelelés valamint a minőségérzet keltette benyomások alapján. Ezért a világításnak nem csak tevékenységeknek és helyiségfunkcióknak kell megfelelnie, de összhangban kell legyen a márka, az arculat stílusával, kommunikálnia kell a nyújtott szolgáltatásokat, élményeket, harmadrészt formálnia, tagolnia kella teret és ki kell emelje az építészeti értékeket. Ennek megfelelően a szállodai-éttermi világítási környezet építészeti térformáló tényező, hangulati elem (pszichológia), marketing elem (image) és funkcionalitás. Ezek összhangja a vendégben elvárásokat kelt, kiszolgálja a vendég igényeit, minőségérzetet kelt és élményt nyújt. Az első benyomás a recepciónál éri a vendéget. Az ő oldaláról az asztalt főként bejelentő kitöltéséhez kell világítani, ugyanakkor a pult belső fele a recepciós számára számítógépes munkahely, annak minden követelményével, az időszakos papírmunkához és az irodatechnikai berendezésekhez helyi világítással. Az előírás E v =300 lx, ennél sokkal fontosabb a világítás többi jellemzője és a többféle feladatnak való egyidejű megfelelés. Jellemző a kulcsos fal/szekrény, ahol vertikális megvilágítás szükséges leolvasási feladattal. A recepción sokszor személyes, bizalmas kommunikáció történik, de reklamációval is a recepcióshoz fordul a vendég elsőként, ezért az arcok világítása, a cilindrikus (vertikális) megvilágítás nagyon fontos. A szórt fény lágyabbá, barátságosabbá teszi a vonásokat kevésbé dramatizál. A pult bútorzatát, környezetét a belsőépítészeti elvárásokkal összhangban kell kiemelni, hogy egyértelmű vizuális ingerként jelentkezzen a betérő vendégnek, különösen nagyobb, több funkciót hordozó előcsarnokokban. 309

310 ábra: Játék a fényekkel (W hotel - Mr. Important) ábra: Hajlított fémlemez lámpatest kompozíció: Aluminium Flower Garden - Moriyuki Ochiai 310

311 Egy étterem stílusában, arculatában, üzenetében annyira egyedi tud lenni, hogy (szerencsére) a szabvány sem határoz meg elvárt megvilágítási értéket. Gyertyafény vagy szabványos megvilágítás? Fény-játék vagy egyenletesség? Kreativitás vagy tradíció? Érzelmek vagy funkcionalitás? Számos kérdést lehet felvetni, általános recept nincs, itt különösen fontos a világítást tervező mérnök és az építész/belsőépítész szoros együttműködése. Általánosságban az üzletek világításánál taglalt szempontok szerint támogatható a márka pozicionálása és a célközönség megtalálása: a magasabb megvilágítási szintek nagy egyenletességgel párosítva főként az olcsóbb gyorséttermekre jellemzők, a nagyon elegáns helyek alacsony általános világítással, sok helyi kiemelő világítással rendelkeznek. A hangsúlyok száma, a fény-árnyék hatások játéka szintén nő a hely egyediségével, árfekvésével párhuzamosan. A gyertyafényes helyeken olyan általános világítás kell, hogy a gyertyafény valóban érzékelhető maradjon, itt a szokásos melegfehérnél is melegebb színhőmérséklet előnyös. Az éttermekben nagyon fontos a színvisszaadás, az étel természetes színei a gasztronómiai élményt fokozzák, ezért minél jobb, de legalább R a =80 színvisszaadású fényforrások szükségesek ábra: Lámpatestek nélkül vagy a lámpatestben? Körülölelő fények: Cukrászda - P. Merlini Az étterem konyhája veszélyes üzemi terület, ahol nem csak a gőz és páralecsapódás elleni védelem fontos (IP65), de a korrozív zsírsavak és tisztító szerek sem károsíthatják a lámpatesteket, ezeknek ellenálló anyagokból kell választani. A tűzhely felett elszívó van, az abba esetlegesen beépített lámpatest nem mindig elégséges, ekkor a tűzhely körül kell világítást létesíteni. Szintén külön világítás kell a pultokhoz, az előkészítő asztalokhoz, a mosogatók fölé. E világításokból származik annyi szórt fény, hogy a polcok, fiókok világítása is megoldott. A közvetlen káprázáskorlátozást szükség szerint a lámpatestek elé épített fényterelő lemezekkel oldják meg. A színvisszaadásnak itt is legalább 80-nak kell lennie, a tálalóban pedig a vendégtérrel megegyező színhőmérsékletű fénynek. A vendégek szempontjából a legfontosabb helyiség a szállodai szoba. A szállodai szobának számos funkciója van: ott pihen, olvas, tévézik, számítógépen dolgozik, beszélget, alszik a vendég, a világításnak minden funkciót ki kell szolgálnia. Az általános világításon túl TV-nézéshez vagy notebook használathoz közvetett, nem kápráztat világítás szükséges, 311

312 beszélgetéshez orientált világítás, olvasáshoz az ágyfejvégeknél irányítható fényű olvasólámpa (ami nem azonos az éjjeli szekrényre helyezett lámpákkal!), az előtérbe olyan világítás, mely a szekrényekbe is elegendő fényt juttat vagy a szekrénybe külön beépített világítás. Sajnos, bevett gyakorlat az asztali + álló + 2db éjjeli lámpa alkalmazása, általában ernyőzött kivitelű lámpatestcsaládból. A korszerű világítástechnikai igényeknek ezek csak számos más, kiegészítő lámpatest egyidejű beépítése mellett tudnak megfelelni, főként hangulati elemként ábra: Hotelszoba A fürdőszoba tisztaságát a magas megvilágítási szinttel (pl. 200 helyett 500 lx-szal) és a csillogás hatásával növeljük. Az egész szállodai szobának a jobb, mint otthon elve alapján kell épülnie, de ez fokozottan igaz a fürdőszobára: a legkisebb szennyeződés is megkérdőjelezi a higiéniát, és ez a számos más, ismeretlen korábbi vendég tudatában problémás. A magas megvilágítási szint a takarítók gondos munkáját is segíti. A csillogást növeli és a zavaró árnyékhatásokat csökkenti, ha minél több, kisebb teljesítményű lámpatestet használunk, kifejezetten előnyös a LED-ek használata. A tükörvilágítást az arc formájának megfelelően kétoldalt elhelyezve, minél nagyobb felületű és minél kisebb fénysűrűségű lámpatestet alkalmazva kell megoldani, a tükörbe épített fénycsöves termékek kiválóak erre, ugyanakkor kerülendőek a kápráztató hatású pontszerű fényforrások. A tükör fölé helyezett lámpatest a szemgödrökben, az orr alatt árnyékokat képez, ezért nem előnyös. A fürdőszobai lámpatestek elvárt védettségét az MSZ HD szabvány részletezi. A közlekedők, folyosók világítását úgy kell kialakítani, hogy a vendégek a feliratokat, ajtószámokat is könnyen elolvashassák. Éjszaka sok helyen mozgásérzékelővel vagy egyszerű fali kapcsolókkal lehet a folyosókon bekapcsolni a világítást. Ezt érdemes kiegészíteni egy jelzésértékű éjjeli világítással, pl. LED-ekkel, így nem burkolódzik sötétbe a folyosó éjjel sem, a be- és kikapcsolást pedig jelenlét érzékelőkkel és gyors, de lágy kapcsolás érzetét keltő felszabályzással, illetve lassú leszabályzással érdemes megalkotni. 312

313 ábra: Lépcsőház orsótere fényvezető csővel (Usher Hall - Scotland) INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A lépcsőházakban a szokatlan kialakítások, lépésmagasságok miatt több figyelem szükséges, a legfontosabb a lépcsők kezdetének és végének érzékeltetése, a lépcsők homlok- és járófelületei közt jól érzékelhető ám a lépcsőkar teljes hosszában közel állandó kontraszt kialakítása. Ezt a lépcsőkarok teljes hosszában fentről vagy minél magasabban két oldalról világítva lehet megvalósítani. A lámpatestek káprázáskorlátozását úgy kell megoldani, hogy a lefelé haladó szemlélőt se kápráztassa, ilyenkor ugyanis a látótér is lefelé irányul, könnyen belelátni a rosszul elhelyezett falikarokba, lámpatestekbe. Szerelés szempontjából vitathatatlanul legkedvezőbb a lépcsőforduló, ám onnan lehet a legkevésbé jól bevilágítani a lépcsőkarokat, ráadásul a legkevésbé a fordulókban, pihenőkben van szükség sok fényre. A lépcsőket E v =100 lx megvilágítással rendeli a szabvány, ami jó lámpatest elrendezéssel bőven elegendő, rossz kontrasztviszonyoknál viszont semmire sem jó. Orsóterekben szinteken átívelő befüggesztett egyedi lámpatestek, világító vagy bevilágító csövek is elhelyezhetők, ezek geometriai kiterjedésüknél fogva kis fénysűrűségűek és nagy fényáramúak, egyenletesen jó világítást nyújtva, mindemellett építészetileg is egyedivé teszik e tereket. Az oldalfalba vagy lépcső homlokfelületébe süllyeszthető ún. lépcsővilágító lámpatestek önmagukban általában kisebb megvilágítást adnak a szükségesnél, de jó kiegészítésként szolgálhatnak. A LED szalagok alkalmazása szintén jó kiegészítő világítást ad, hibás viszont a lépcsőorr alászerelt szalag, ha vízszintes irányban világít, mert kápráztatja a felfelé igyekvőket, szintén kápráztat a csúszásgátlók közé süllyesztett szalag és az üveglépcsők alulról történő átvilágítása is Szabadidős létesítmények A szabadidős és sportlétesítmények egy jelentős része kültéri sportpálya, egy adott sportághoz kapcsolódóan, de a beltéri pályák is sokszor egy adott sportág kiszolgálására készültek. Ahogy a játékszabályok sem egyformák, a világítási igények is különbözőek. A nagyon gyors labdamenetekről ismert asztalitenisz más világítást igényel mint a tollas, a szumó is mást mint a boksz. A pályák világításának tervezése professzionális feladat, speciális szaktudást és tapasztalatot igényel. A megvilágítás nagyságát, irányát, a káprázási korlátokat, egyenletességi előírásokat sportáganként tartalmazza az MSZ EN 12193:2008 szabvány. Érdekesség, hogy ugyanazon pályára három világítási osztály szerint is lehet méretezni: edzésre és helyi jelentőségű versenyekre, regionális versenyekre, végül országos és nemzetközi versenyekre. A rendszeres televíziós közvetítésekhez további követelményeket is figyelembe kell venni. A lámpatestek szintén speciálisak, kifejezetten sportvilágításra használt fényvetőktől az egyes sportágakhoz kifejlesztett lámpatestekig (pl. squash lámpatest). A lámpatest kiosztásokra szintén léteznek ajánlások. Az MSZ EN :2012 szabvány csak a kiszolgáló terekre használható. 313

314 A hétköznapi gyakorlatban fitnesz- és edzőtermek, uszodák, fürdők világítása fordul elő leggyakrabban. Az edzőtermek a body buildingtől kezdve az alakformáló edzéseken keresztül a zenéstáncos csoportos fitneszfoglalkozásig sok mindennek otthont adnak. A közös, hogy minden tevékenység és eszköz biztonságosan használható legyen, ehhez E v =300 lx szükséges. Nagyon fontos, hogy az ülő-fekvő testhelyzetekben se kápráztasson a világítás, ezért az közvetett lámpatestek alkalmazása, az aszimmetrikus lámpatestek falra irányítása a célszerű. A szórt fény relaxál, egyes tevékenységekhez (pl. spinning) kifejezetten előnyös a meleg, lágy, szórt fény, ezért hasznos, ha színhőmérsékletében és fényáramában is változtatható az edzőterem világítása. Ehhez a LED-es lámpatestek, kiegészítve RGB LED-ekkel, nagyon jó használhatóak ábra: Zenére szinkronizált váltakozó színű fényhatások LED-ekkel és fényvezető szálakkal (Aquacity, Zalaegerszeg) Minden élményfürdő egy-egy építészeti kuriózum, mindegyiknek egyénisége van, sajátos atmoszférája, mely ízlésbeli megítéléstől függetlenül számos értéket hordoz. Szabványok kevésbé, de ajánlások nagyon részletekbe menően vonatkoznak a fürdőkre, ugyanakkor csak rugalmasan, az adott kialakításhoz ésszerűen kel alkalmazni ezeket. A mesterséges barlangokban, a beugrókba tervezett jacuzzikba nem kell a medencékre előírt 200 lx-nak lennie, ugyanakkor takarításkor több is szükséges. Ha egyes esetekben nyilvánvalóan kevesebb is elég az előírnál, fél a tervező vagy az üzemeltető, ki felel egy esetleges balesetet követően az alulvilágítottság miatt, ha sok a fény, fél a tulaj a villanyszámlától. Egyféle világítási szint tehát nem elegendő. Funkcionalitás szerint megkülönböztetünk nappali normál üzemet, amikor évszaktól és napszaktól függően kiegészíteni szükséges a természetes világítást bizonyos helyeken és mértékben, illetve esti üzemet, amikor teljes egészében mesterséges világítással üzemel a fürdő. Sok helyen van éjszaki fürdőzés, mely hangulatában bulihelyszínt igényel, esetleg rendezvény céljára bérbe adható a fürdő egy része vagy egésze, ekkor egyedi igényeket támasztanak. A zárás után takarítás következik, ehhez sok fény lx szükséges. 314

315 Tipikus hibák szoktak lenni: a mélysugárzók a pihenők vagy a relaxációs nyugágyak felett, a kezelők ágyai felett, a pelenkázó felett, melyek az éppen fekvő ember arcára irányulnak. Nagy teljesítményű fényvetők a medence körül, melyek bármely irányba tekintve kápráztatnak. Fényvetők a gyerekmedence körül, közel horizontális irányban a gyerekekre irányítva. Csúszdalépcsők, melyek félhomályba burkolóznak. Sötét öltözőszekrények, sötét fülkék a ábra: Egyedi fényhatások (St. Gotthard Spa) mellékhelyiségekben. A medencetér az élményfürdők központi tere. Az EN szerint egy hobbi célú medencében és partján 200 lx és 0,5 középegyenletesség megfelelő. Kisebb medencékben, különösen kültéren elegendő a medencékbe helyezett világítótestekkel könnyen elérhető 100 lx, amelyet már kívülről nem is szükséges kiegészíteni, csupán a medence partját kell 5-10 lx erejéig megvilágítani. A vízalatti lámpatestek célszerűen a medence burkolatát világítják és nem a víztömeget vagy a vízfelszín feletti teret, mert hatásuk és hatékonyságuk ekkor a legjobb. A medence partja fontos közlekedő terület, ahol a folyókarács és a csúszásveszély, illetve a medencébe vezető lépcsők, lejárók környéke kiemelt figyelmet érdemel. A távolabbi közlekedőket külön zónaként lehet kezelni, ahol a szokásos 100 lx is elég. A pihenő területeken, nyugágyakban sokan olvasnak, ezért nem a megvilágítás csökkentésével, hanem elégséges (200 lx) szórt fénnyel kell a látást biztosítani. Az közvetett szórt fény tetszőleges testtartásban teszi lehetővé az olvasást kápráztatás nélkül, nyugtatólag hat. A gyerekmedencék körül a környezeténél több és minél egyenletesebb világítást kell létesíteni. Külön figyelmet érdemel a csúszdalépcső különösen, ha olyan csigalépcsőről van szó, melyre önmaga vagy a felső beszálló szintje eleve árnyékot vet. Ekkor olyan helyi világításról kell gondoskodni, hogy a lépcsőn közlekedés biztonságos legyen, ugyanakkor a helyi világítás a lépcsőn haladva sehonnan se kápráztasson. Nézési irány tekintetében némi könnyebbséget jelent, hogy ezeken a lépcsőkön egyirányú a forgalom. A mosdók, zuhanyzók, öltözők világítására az EN szerint 200 lx elegendő, de tapasztalat szerint javasolt akár 500 lx megvilágítás is. A több fény nem csak a takarításhoz szükséges (ahogy a medencéknél is), de vendégekben a tisztaság érzetét is meghatározza. A takarítás egyébként a mellékhelyiségekben óránként és nem naponta történik, mint a medencetérben. A helyi világítással a mosdók, piszoárok kissé kiemelhetők, illetve minden fülkéhez önálló lámpatest kell, nem elegendő a fülkék közti vagy közös térből a paraván felett beszűrődő fény. Energiatakarékossági okokból megfontolandó a mozgásérzékelő alkalmazása, úgy a fülkékben, mint közös terekben 315

316 ábra: Befüggesztett többfunkciós egyedi lámpatestek, építész tervek alapján (Ability Fürdő, Tamási) Az öltözők fülkékre és szekrények sorai alkotta folyosókra oszthatók. Az öltözőfülkékben mindegyik felett legalább egy, de szerencsésebb esetben két különböző irányból világító lámpatest elhelyezése indokolt. Bár itt csak 100 lx a szabványkövetelmény, a lx itt is elvárás. Az öltözőszekrények elé praktikusan fénycsöveket érdemes telepíteni, a közlekedés irányával párhuzamosan, olyan szélesen sugárzó vagy aszimmetrikus optikával, melyek a szekrényekbe is be tudnak világítani. Előnyös az közvetett világíts is, a szórt fény a szekrényekben is jól láthatóvá teszi a behelyezett tárgyakat. A mélysugárzók elhelyezése szekrények elé nem javasolható. A színes fények alkalmazása főként a medencetérben (esetleg egyes kezelőkben) jöhet szóba, főleg este, egyrészt dekorációként, de különösen az éjszaki programok színesítéséhez. Az éjszakai fürdőzés hangulatának megteremtésekor olyan világítási környezetet kell alkotni, melyben a fürdőzés és a közlekedés biztonságos, ugyanakkor a dekorációs célú színes fények meghatározóak. A hatás tovább növelhető a fény színének és intenzitásának dinamikus ábra: Közvetett világítás öltözőben megfigyelhető a függőleges felületek világossága (Ability Fürdő, Tamási) változtatásával, különösen látványos a hatás, ha ez lámpatest-csoportonként vagy lámpatestenként történik. Az általános világítás tehát egy dimmelt alacsony megvilágítási szintet jelent, erre szuperponálódnak a színes fények. Mivel szabvány nincs egy éjszakai fürdőre, ezért az általános világítás vonatkozásában konkrét értékeket sem betartani sem megkövetelni nem lehet. Ha kellően sötétet is szeretnénk és látni is, a józan ész azt diktálja, hogy a fotopos 316

317 tartomány alsó határáig még biztonsággal elmehetünk, ez a vízszintes felületeken néhány (5-10) cd/m 2 fénysűrűséget jelent, átlagos reflexiójú felületeket feltételezve ekkor a környezet (pl. falak) is még elégséges (3-5 cd/m 2 ) fénysűrűségű. Ekkor a fényviszonyok még megengedik a színes látást (feltételezve, hogy épp nem üzemelnek a színes fényt kibocsátó lámpatestek), a szem adaptációs képessége még gyors. Ez a változó intenzitású színes fények bekapcsolása miatt fontos, melyek a tapasztalat szerint, ha az alapvilágítás kétszeresét nem meghaladó fénysűrűséget okoznak, akkor még elegendően intenzívek ahhoz, hogy színes fény-érzet domináljon, ugyanakkor hirtelen kioltásukkor sem csökken annyira a felületek fénysűrűsége, hogy ahhoz a szem ne tudjon azonnal alkalmazkodni, így a dinamikus világítás képváltásai tetszőlegesen gyorsak is lehetnek ábra: Zenére vezérelt színes fényvezetőszálas világítás (Galerius fürdő, Siófok) Ilyen esetben a megvilágítási értékek a gyakorlati tapasztalat szerint a néhányszor tíz luxos nagyságrendbe esnek, amely dimmelt kompakt fénycsövekkel és a feladatra legalkalmasabb és divatos RGB LED-es lámpatestekkel is megvalósíthatók, bár szép számmal akad példa fényvezető szálas megoldásra is Egészségügyi létesítmények Az egészségügyi intézményekben számos speciális követelménynek kell megfelelni, elsőként ilyenkor mindenki a műtőkre asszociál. A műtőkben valóban különleges világítás kell, tervezéséhez speciális szakismeret és tapasztalat szükséges. A műtőlámpáknak üzembiztosan, még egyes alkatrészek vagy fényforrások meghibásodása esetén is működniük kell, fényáramuk és színhőmérsékletük szabályozható, fényeloszlásuk változtatható, ábra: Műtővilágítás létesítése 317

318 fényhatásuk árnyékmentes, színvisszaadásuk nagyon magas, hősugárzásuk csekély. Jellemzően lx megvilágítást nyújtanak a műtéti területen és korszerű típusaik már LED fényforrásokkal készülnek. A műtőlámpából műtőasztalonként több is lehet. A műtőasztal közvetlen környékét 2000 lx megvilágítással, a műtő többi területét 1000lx megvilágítással kell ellátni. Tervezésnél az árnyékmentességet és a káprázáskorlátozást is figyelembe kell venni, a lámpatesteknek speciális tömítettségi követelménynek kell megfelelni (mikroorganizmusok ellen) és sterilizáló anyagokkal szemben ellenállónak. A több, koncentrikus lámpatestcsoport mellett kiegészítő lámpatestek, a műtéti terület fölött közvetlen általános világítás (világító mennyezet) is létesíthető. A betegszobákban, kórtermekben, intenzív őrzőkben 100 lx általános világítás mellett 1000 lx vizsgálati világítást is kell létesíteni a betegágyakon, kezelésekhez 300 lx szükséges, ezeken kívül olvasáshoz csak ágyfejvégen a többi beteg zavarása nélkül világító olvasólámpa (300 lx), valamint éjszakai világítás (5 lx vagy őrzőben 20 lx) szükséges. A fekvőbetegek ágya fölé a mennyezetre (fekvő idős ember, gyermek, csecsemő is!) nem helyezünk közvetlenül sugárzó lámpatestet, az ágyak oldalai mentén és/vagy ágyfejvégnél elhelyezett falikarral kell megoldani. Az erre készített speciális lámpatestek valamennyi funkció ellátására képesek. Más lámpatestek alkalmazása során is figyelembe kell venni, hogy L>500 cd/m ábra: Betegágy falfelület és L>1000 cd/m 2 lámpatest nem lehet e helyiségekben. A kezelőhelyiségekben a tevékenységet és ennek megfelelően a világítási igényt is alapvetően a kezelés jellege határozza meg. Szinte általános, hogy a páciens valamilyen fekvő vagy félig ülő-fekvő helyzetben van, a káprázási követelmények a betegszobákéval azonos. A kezelések a legkülönfélébbek lehetnek, mindig egyedi mérlegelést igényel a megfelelő világítási megoldás kiválasztása. A vizsgálólámpák vagy kisműtőlámpák világítják meg a beavatkozásnak kitett testrészét lx mértékben, az általános világítás 500 lx. Ha a gyógyászati kezelés része a bőr vizsgálata vagy kozmetikai jellegű kezelésről van szó, a színvisszaadásra fokozottan kell ügyelni, legalább R a >90 fényforrás alkalmazandó. A műtőlámpáknak az EN ISO szabványnak, az orvostechnikai eszközökhöz kapcsolódó vagy azokba integrált lámpatesteknek a 93/42/EEC direktívát kielégítő más szabványoknak, az EN orvostechnikai elektromos eszközökről szóló szabványnak, EN ISO11197 orvostechnikai szabványnak és számos más biztonsági követelménynek és jogszabályi előírásnak is meg kell felelnie. 318

319 A számos más helyiség és funkció (pl. laborok, sterilizálók, boncterem, stb.) világítására is egyedi előírások vonatkoznak, de terjedelmi okokból erre nincs lehetőség kitérni. A hazai gyakorlatban a leggyakrabban előforduló egészségügyi intézmény a fogászat. A fogászatokat illető követelmények korántsem olyan szigorúak, mint a kórháziak, és sokszor maguk a fogorvosok sincsenek teljesen tisztában az igényeikkel és a világítástechnikai lehetőségekkel, ezért gyakran a szükségesnél lényegesen igénytelenebb megoldásokat várnak. A ábra: Boncterem világítása fogászatokon a fogászati váró és a fogorvosi rendelő világítása igényel speciális ismeretet. A váróban a recepciónál (ld. szállodák) leírtak és az olvasási követelmények teljesülése fontos. A várakozó páciensek megnyugtatásához hozzájárul, ha nincsenek nagy fénysűrűségű felületek a látótérben (közvetett lámpatestek alkalmazása), sok a szórt fény, nagy egyenletesség, kevés árnyékhatás és meleg ( K körüli) színhőmérséklet jellemzi a teret. A fogorvosi rendelő 3 zónára osztható: a kezelési terület fogászati kezelőlámpával világítandó lx mértékben. Ezek a kisműtőlámpákhoz hasonló, speciális lámpatestek, a halogén fényforrás 3200K körüli vagy szűrővel K színhőmérsékletre korrigált színhőmérsékletű. A kezelt terület körül 2 2,5m területen (amely a fogorvos látóterében van illetve ahol a fogorvos eszközei vannak és gyakorta kitekint), legalább 1000 lx, a helyiség többi részén 500 lx szükséges. Valamennyi(!) területen legalább 90-es színvisszaadás kell. Különös jelentősége van ennek a pótlások és tömőanyagok színegyeztetésére szolgáló területen (munkaasztal, laborsarok), ahol szintén 1000 lx és T k =6000K színhőmérséklet szükséges, annak érdekében, hogy a természetes fényben egyezzen a pótlás és a páciens fogszíne. Mivel a gyakorlatban ez egy helyiségben (sokszor a fogorvosi székben ülve) történik, azért a teljes világítást 6000K színhőmérséklettel célszerű létesíteni. Egy helyiségen belül a különböző zónákban eltérő színhőmérsékletű lámpatestek alkalmazása zavaró színes árnyékokhoz és ambivalens pszichés benyomásokhoz vezet, ezért mindenképp kerülendő! Az idősödő európai társadalmakban egyre nagyobb igény lesz az idősotthonokra, időseket ápoló szociális intézményekre. Ezek világítása a lakószobára és a többi közös helyiségre osztható. A lakószobánál a kórházi betegszoba előírásait kell figyelembe venni, csekély eltérésekkel. A többi területen a szokásos beltéri szabványtól eltérően az időskori gyengébb (sokszor betegséggel terhelt) látást kompenzálandó magasabb ajánlott értékek érvényesek, pl. közlekedők 100 lx helyett 200 lx, lépcsők 150 lx helyett lx, ebédlőkben 200 lx helyett 500 lx, stb. Számos idős, ápolásra szoruló ember idős kora vagy betegsége miatt demenciával küzd, mely alvászavarokkal jár, de az idősek közt általánosságban is gyakori az alvászavar. A fény színhőmérsékletének és a megvilágítás erősségének dinamikus változtatásával a természetes napi bioritmust (cirkadián ritmus) stimulálni, erősíteni lehet, különösen a mozgásukban korlátozott, idejük jelentős részét zárt térben töltő idősekét. A cirkadián ritmus szerint szabályozott, dinamikus beltéri világítás csökkenti az időskori alvászavart, a rendszeres alvás számos járulékos pozitív hatással bír. 319

320 Múzeumok, tárlatok Múzeumok világításánál a látogatók igényei mellett a műtárgyvédelmi előírásokat is figyelembe kell venni. A múzeumok általános világítása történhet a közlekedő utakra koncentrálva és a teljes kiállítótérre. Előbbit főleg akkor alkalmazzák, ha a kiállítás elrendezése adott úton bejárandó a látogatóknak, és a műtárgyak részesedése az általános világításból nem cél vagy kifejezetten kerülendő. A teljes kiállítótér világítása a szabadon bejárható kiállítóterekben általános, leginkább a diffúz, szórt fény alkalmas e célra. A szórt fényben nem jelennek meg határozott árnyékok és fénysűrűség-különbségek, a közvetlenül megvilágított kiállítási tárgyakon viszont igen, ezért a tekintet ösztönösen azok felé irányul. A szórt fényt közvetett világítással vagy világító álmennyezettel (nagyfelületű világító berendezésekkel) lehet elérni, ez utóbbi egyre gyakrabban alkalmazott megoldás a múzeumokban. A szórt fény további előnye, hogy nem okoz csekély mértékű közvetett káprázást sem, azaz nem csillan meg a lámpatest tükörképe a kiállított tárgyakon. A világos mennyezet és falak tágítják a teret, a nagyobb fénysűrűségű felső térfél miatt terem magasabbnak látszik, kinyílik, a természetes világításhoz hasonlatossá válik. A jó közvetett világítás vagy világító mennyezet ugyanakkor nem lehet túlzott fénysűrűségű, cd/m 2 ideális, 2000 cd/m 2 felett már hasonló kápráztató hatása lehet, mint egy közvetlenül sugárzó opálburás lámpatestnek. A jó szórt fény egyes esetekben már önmagában is elegendő a kiállított tárgyak megtekintéséhez, pl. festmények esetében. Műtárgyvédelmi okok miatt a közölt értékeknél kisebb általános világítás is indokolt lehet, sőt, egyes esetekben egyáltalán nincs külön általános világítás, csak a műtárgyakról és környezetükről visszaverődő szórt fények világítják meg a közlekedő részeket valamelyest ábra: A lámpatest elhelyezés gondos tervezést igényel a kiállítások tervezésekor Magukat a kiállított tárgyakat közvetlenül sugárzó lámpatestekkel szokás világítani. A kiállítási installációk változásaihoz rugalmasan alkalmazkodó sínes rendszer általánosan elfogadott múzeumvilágítási eszköz. A sínekre különféle fényforrással, teljesítménnyel, sugárzási szöggel rendelkező lámpatestek szerelhetők egy mozdulattal, melyek helye és helyzete is a kiállított tárgy ideális világításához igazítható. A sínes lámpatestek dimmelhetők, üzemidejük vezérlehető, ehhez jelvezetékkel rendelkező (ún. buszos) sínek és lámpatestek kellenek. A lámpatestek elhelyezésekor minden esetben meg kell vizsgálni, hogy a kiállított tárgyat milyen távolságból fogják szemlélni, és olyan szögből kell világítani, hogy a látogatók ne ne vessenek árnyékot a műtárgyakra, amit néznek. A képek masszív keretei szintén 320

321 árnyékot vethetnek. A lámpatesteket szükség szerint kiegészítő fényterelőkkel kell ernyőzni a közvetlen káprázás (és esetleg egyes falfelületek nem kívánt megvilágításának) megakadályozására. A körbejárható tárgyakat, szobrokat több oldalról, a kiállításszervező instrukciói alapján kell bevilágítani. Az önárnyékok élessége, a szórt és a közvetlen fény aránya, a fény iránya a művészi hatást is nagyban befolyásolja, lehet torz, természetellenes, drámai, kifejező, jellegtelen és megannyi más hatást kelteni. A vitrinek világítása során el kell kerülni a nem kívánt közvetett káprázást, az üvegfelületek tükörként láttathatják a fényforrásokat, a körbejárható vitrinekben pedig a tárgyakra irányított lámpatestek egyes látogatói pozíciókból közvetlen káprázást is okozhatnak. Ha a vitrineknek van olyan vázszerkezeti eleme, amelybe világító eszközt lehet beépíteni, akkor ezen élekből takarással, árnyékolással nagyon jó vitrinvilágítást lehet létrehozni. A LED-ek, különösen a jó fényhasznosítású de kis teljesítményű és ezáltal ábra: Vitrinvilágítás felülről kis méretű LED lámpatest illetve a LED szalag lehet ideális a világításhoz, de esetenként csak a fényvezető szálas rendszer még kisebb méretű végvilágítói építhető be. A LED-ek hűtéséről mindig gondoskodni kell, alumínium profilba, alumíniumból készült vázszerkezetbe hővezető pasztával felszerelt LED szalag hűtése általában kielégítő, a pontszerű LED lámpatesteknél az előre kialakított hűtőfelületeket szabadon kell hagyni (nem süllyeszthetők be). A vitrinekbe helyezett lámpatestek mindig hőt termelnek, amit a vitrinből szabad légáramlással el kell vezetni. A hőre érzékeny műtárgyaknál a vitrin tetejébe épített világítás célszerű, ahol a vitrin tere egy opál (üveg-) lappal elválasztásra kerül a felette levő tértől. A felső tér nem szükségszerűen zárt, hanem kiszellőztethető, és ebbe a felső térbe az opál lapot egyenletesen átvilágító világítási eszközök, ma már leginkább LED panelek kerülhetnek. A LED panelek hűtéséről a panelek túloldalán elhelyezett hűtőbordák gondoskodnak, a kiszellőztetés teremt lehetőséget a hűtéshez. A hűtőbordák okozta hősugárzás felfele irányul, a vitrin ekkor a lehető legkevésbé melegszik. Mindkét eseten vizsgálni kell, a vitrin hőmérsékletét, mert károsodást nem okozó néhány fokos hőmérséklet-emelkedés is csökkentheti a páratartalmat, az arra érzékeny kiállítási anyagoknál a túlzott kiszáradás is probléma lehet. Ritkább, de működő megoldás a vitrin leválasztott felső térfelének oldalsó takarása üresen hagyva azt, ilyenkor fölé helyeznek egy sínes keskenyen sugárzó lámpatestet, mely belevilágít a kürtőbe, az opál lap pedig szórt fényt vetít a vitrinben elhelyezett tárgyakra. ezek a felső világítások csak akkor jelentenek megoldást, ha a vitrin nem többszintes. 321

322 ábra: Fényvezető szálas világítás a járható üvegfelület vázszerkezetébe rejtve (Természettudományi Múzeum mélytengeri gyűjtemény, Budapest) Mint a fentiekből is látható, megkerülhetetlen téma a műtárgyvédelem a világítás tervezése során. A műtárgyak közül a legérzékenyebbek a szerves anyagúak, különösen a papír, textil, fa alapanyagú vagy hordozójú. Minél régebbi, annál nagyobb értéket képvisel, és a korábbi fizikai-kémiai károsodások miatt annál könnyebben okoz károsodást az új behatás. Különösen érzékenyek lehetnek a fényképek és a festmények vagy festett fa-textil anyagok. A fényképek sokféle hordozóra, sokféle technikával készültek, a magas páratartalomtól kezdve a légszennyezettségen keresztül a régebbi ujjlenyomatokig számtalan behatás károsíthatja, ezeket, a korabeli előhívó és fixáló technikák vegyszeres kezelései következtében beállt kényes egyensúlyt könnyű megbontani. Nevükben van fény kép, tehát fényérzékeny anyag alkotja felületüket, hosszú idő alatt inden fényképet károsít a fény. A festmények és a festett iparművészeti tárgyak szintén rengeteg festékanyaggal és technikával készültek az évszázadok során, ezek közt különösen a szerves pigmenteket tartalmazók könnyen bomlanak. A régi festékek alapanyagait csak laboratóriumban szakértők tudják megállapítani, ők sem egyszerűen, sok művész saját receptet használt. Tehát minden festett alkotásnál óvatosan kell eljárnunk. A kiállítási tárgyakat fényérzékenység szerint három fő kategóriába sorolják a muzeológusok: Igen fényérzékeny (akvarellek, miniatúrák, kéziratok, nyomatok, rajzok, pasztellek, papirusz, toll, színes fotók, textíliák, festett bőr, pergamen stb.), közepesen fényérzékeny festmények (tábla- és vászonképek, tempera-, illetve olaj, festett fa- és kőszobrok, fatárgyak, szaru, csont, elefántcsont, fekete-fehér fotók stb.) és fényre nem érzékeny (festetlen kő, kerámia, üveg, fém). 322

323 ábra: II. világháborús óvóhelyből kialakított kiállítótér nagyon csekély megvilágítási szinttel (Ipster, Belgium) A fény károsító hatása, energiája a hullámhossztól függ, legnagyobb energiájú az UV közeli kék. A látható spektrumnál is nagyobb károsodást tud okozni a még rövidebb hullámhosszú UV sugárzás, melynek kiszűrése múzeumvilágításban mindig fontos. A nm közti tartományban max. 10 mw/m 2 lehet a sugárzás erőssége. A sugárzások (beleértve a látható fényt is) hatása akkumulálódik a műtárgyakban, az expozíciók összeadódnak, még ha évek vagy évtizedek telnek is el közben. Ezért a muzeológiában a fényérzékeny tárgyak bemutatásának idejét és megvilágítását is korlátozzák. Az expozíció számításához egy gyakorlatban jól használható lxh (luxóra) mértékegységet használnak és éves időszakra adják meg. Az igen érzékeny tárgyakra ez általánosságban évi lxh, közepesen érzékenyeknél lxh, de minden tárgy esetében lehet egyedi. Az expozíció mellé maximális megvilágítási szintet is rendelnek, ez a nagyon érzékeny tárgyaknál 50 lx, közepesen érzékenyeknél 200 lx. A fenti számok maximális értékek, a besorolásnak több alkategóriája is van, és azokon belül egyedi előírást adhat a muzeológus vagy a gyűjtemény tulajdonosa, pl. régi fényképek esetén 5000 lxh és 20 lx. Ez azt jelenti, hogy max. 20 lx megvilágítással évi max. 250 óra időtartamban lehet bemutatni az adott tárgyat. Azokban a terekben, ahol max. 50 lx megvilágítás alkalmazható a műtárgyakon, a kiemelés és a közlekedés feltételeit is szem előtt tartva ez kb. 15 lx megvilágítást jelent a járófelületeken. Ehhez adaptálni kell a szemet, tehát a nagyobb megvilágítási szintű térrészekből (különösen onnan, ahol természetes világítás is van) érkezőket előtérben meg kell állítani néhány percre. Ez lehet zsilipkapu, előszoba, átjáró vagy labirintus-szerű bevezető rész. Ellenkező irányban (felfelé adaptáció) ez nem szükséges ábra: Fény hatására kihalványodott és megsárgult albuminfotográfia (Washington Artillery, 1862) 323

324 Tovább csökkenthető az expozíció a világítás jelenlétérzékelőkkel történő kiegészítésével, különösen a fokozottan érzékeny műtárgyak lehetséges kiállítási helyein. Jelenlét hiányában egyes lámpatestcsoportok vezérléstől függően lekapcsolnak vagy visszadimmelnek. A fényforrások rövid hullámhosszúságú sugárzását szűrni kell, előírástól függően 380, 400 vagy 420 nm alatt. Szintén szűrni kell a halogén lámpák IR sugárzását, mely a műtárgyat felmelegítheti. A halogén lámpáknál a hősugárzás szűrés nélkül még több méter távolságból is károsító hatású lehet. Sugárzásra érzékeny műtárgyaknál a legkárosabb a természetes fény. Mindazon terekben, ahol kiemelten érzékeny műtárgyak bemutatásának lehetősége felmerül, a természetes világítás teljes (100%-os) kizárását (akár árnyékolással, akár építészeti eszközökkel) meg kell oldani. Az összes olyan kiállítási helyiségeben, ahol közepesen érzékeny tárgyak lehetnek és természetes fény van, az ablakokra UV védőfóliát kell ragasztani, mely >99,9%-ban elnyeli/visszaveri az UV tartományú sugárzást. Minden kiállítási helyiségben a természetes világítást korlátozni szükséges (árnyékolás), ezen helyiségekben a kiállítások megvilágítási és káprázáskorlátozási követelményeit kielégítő módon (több eszközzel). A kiállításokon alkalmazott fényforrások színvisszaadása R a >90 legyen, de bizonyos esetekben a R a >80 is elegendő. A műtárgyvédelmi követelményeknek legjobban a fényvezetős szálas világítási rendszerek és a LED-ek felelnek meg. Előbbiek elsősorban csak vitrinekben alkalmazhatóak míg a LED-ek vitrinekben is, sínes lámpatestekben is és általános világítás céljára is a legígéretesebb fényforrások. A LED-ek színvisszaadása ma már akár 90 feletti is lehet, hőt közvetlenül nem sugároznak, UV sugárzásuk nincs, és nm tartományban is minimális. Ahol 420 nm alatt nem szabad sugározni, ott a LED-ek szűrése is szükségessé válik és a színvisszaadás felülvizsgálata is javasolt. Speciális terület még a restaurátor műhely, ahol széles tartományban szabályozható világítást kell létesíteni. Minden munkahelyhez ipari (labor) célra tervezett munkahelyi világítótestet kell biztosítani, a finom munkákhoz nagyítólámpás kivitelben. Ezek LED-es vagy UV szűrővel ellátott kompakt fénycsöves nagyítós munkalámpák. Amelyik műhelyben a természetes fény szerephez juthat (mert nem érzékeny a restaurálandó műalkotás az UV sugárzásra), ott általános világításra olyan lámpatestek használhatóak, melyek színhőmérséklete a természetes világításhoz is illeszthető hideg, illetve esti üzemmódban meleg is lehet, valamint ezek közt fokozatmentesen szabályozható ábra: Nagyfelületű feszített fóliás világító berendezés diffúz általános világítást nyújt, keretrendszerébe integrált síneken halogén lámpatestek emelik ki a műtárgyakat (Kogart, Csernus emlékszoba, Budapest) 324

325 A múzeumok egyéb helyiségeit (rendezvényterem, oktatás, recepció, közlekedők, büfé, mellékhelyiségek, munkahelyi öltözők, raktárak stb.) az általános szabályok szerint, a funkciónak megfelelő szabályok és beltéri szabványok betartásával kell világítani Lakásvilágítás Az én házam az én váram. Lakásvilágításban nehéz gyakorlati tanácsokat adni, néha a tulajdonosok érzelmi motivációi, ízlésbeli különbségei és az anyagi lehetőségi sokkal inkább befolyásolják a végeredményt, mint a világítástechnikai szakember véleménye. A hatékony tanácsadás az építész-belsőépítész közreműködéssel, tervezői összefogással valósítható meg, ahol erre az építtető részéről igény van. Általános elvek fogalmazhatók meg, melyek egyrészt a lakás egyes térrészeinek funkciója alapján, részben a korábbi ismereteinkből, középületeknél tanultakat felhasználva határozhatók meg. Lakásokra nem vonatkozik megvilágítási szabványérték. Funkcióazonosság alapján az MSZ EN megfelelő sorai adnak támpontot, különösen olyan esetekben mint pl. egy dolgozószoba számítógépes munkahellyel. Lakásokban mindig meleg színhőmérsékletű fényforrásokat alkalmazunk. A jó lakásvilágítás a bejárati ajtónál kezdődik, a külső felületén az olvashatósághoz ábra: Lakásalaprajz lámpatestek megjelölésével szükséges világítás, a számozás, a névtábla a vendégek számára fontos, a kulcslyuk pedig a házigazdának, ha sötétedés után kíván hazatérni. Ezek megvilágítása nem is egyszerű, hiszen az ajtó előtt álló személy könnyen árnyékot vet az ajtólapra. Az ajtó fölé vagy helyezett lámpatestek a legelőnyösebbek, ha zárt vagy fedett helyen van a bejárat, a környező felületekről származó szórt fény használata javasolt. Az előszoba, a közlekedő területek néha nehezen elválaszthatóak, azonos térben a burkolati kialakításon kívül fénnyel is lehet erősíteni a funkciók elhatárolását, pl. a közlekedőn vonalszerű lámpatest-elrendezéssel optikai vezetést lehet elérni. Az előtérben gyakran van tükör, ahol a szállodai szobánál leírt tükörvilágítás alkalmazandó, sokszor szekrény, fogas polc is kabátoknak, cipőknek, ezek világításában szintén a szórt fény segít, ezért mindenképp érdemes olyan lámpatestet és lámpatest-elrendezést választani mely a falakra vagy a mennyezetre is fényt vetít. A több kisebb fényáramú fényforrást tartalmazó lámpatest előnyösebb, mert a több irányból érkező fény esetén kisebb a vetett árnyékok hatása. A lépcsők világításáról mindig külön kell gondoskodni, bár a házigazdának megszokott lehet, a vendégeknek jól kell látniuk a lépcsőfokokat, lakásokban helyszűke miatt nem ritka a szokatlan lépésmagasságú lépcső. A lépcsők világítását szintén a szállodai közös helyiségeknél bemutatott lépcsők világításának elveit betartva kell megvalósítani. Lakásokban gyakori a lépcsőfokok kiemelése helyi ún. lépcsővilágító lámpatesttel. 325

326 A nappalik talán a legösszetettebbek funkciók szempontjából: beszélgetés, olvasás, tévézés, szekrények és polcok is vannak, néha képek falon vagy más műtárgyak, és nem utolsósorban a takarításhoz is megfelelő világítás kell. A nappali szó a nappali tartózkodásra utal, rögtön a természetes világítással kell kezdeni, annak mértéke, a nyílászárók, a tájolás felmérése fontos, és mindezt figyelembe kell venni a mesterséges világítás méretezésénél. A természetes világítás kiegészíthető, éjjel pedig pótolni kell. A tévézéshez nappal is gondos árnyékolásra van szükség, de az árnyékolás a közvetlen benapozás kápráztató hatását is megszünteti, pl. beszélgetéskor zavaró, ha a partner éles ellenfényben ül. Az esti tévézés vagy házimozizás szintén világítást igényel: teljesen sötétben zavaró a képernyő fénysűrűsége a háttérhez képest. A hangulatvilágítást adó lámpatesteket úgy kell elhelyezni, hogy a képernyőben tükröződjenek vissza, ugyanakkor a látótérben se képezzenek zavaróan nagy fénysűrűségű területeket. Előnyös az közvetett világítás, mely lágy szórt fény ad, vagy olyan homogén világító felületek létrehozása, mely igen kicsi, néhány cd/m 2 fénysűrűségű. Más esetben perifériális látótérbe kell helyezni e lámpatesteket, de lehetőség szerint takarásba, bútorok, burkolati kialakítások felhasználásával. A nézők mögött nem jó elhelyezni, ugyanis tükröződni fog a képernyőben, a tv mögötti egyedüli lámpatest pedig túl nagy fénysűrűséget (holdudvart) okoz a képernyő környezetében, feltéve, hogy elég a fénye a nappali távolabbi részeinek világításához is, ezért előnyösebb a nagyobb felületű tárgyak, bútorok, tévéállványok, falburkolati elemek mögötti rejtett világítás ábra: Nappali világítása nagyfelületű lámpatesttel és rejtett világítással, valamennyi LED fényforrással üzemel. Az olvasáshoz állólámpa, falikar, vagy orientált általános világítás szükséges azon helyekre, ahol ülőbútorok vannak. Az általános világítás nem mindig alkalmas a helyiség teljes alapterületén a takarításhoz is, ekkor külön lámpatestek elhelyezése lehet indokolt e célra. Ugyanakkor az igazán elegáns megoldás, ha nem lámpaboltot alakítunk ki egy nappaliban, hanem olyan elegáns személyre szabott megoldást, mely a lehető legkevesebb világító tárggyal (azaz közvetlen fényt kibocsátó felülettel) a lehető legtöbb funkciót képes megvalósítani. A burkolati elemekből, takarásokból kiszűrődő fényeket nem azonosítjuk 326

327 lámpatestekkel, nem szaporítják a térben a tárgyak számát, de fényhatásuk érvényesül. Ennek megvalósításához elkerülhetetlen, hogy valamennyi lámpatestet dimmelhető legyen és valamilyen vezérlő rendszerről üzemeltethető (pl. DALI), hogy a különböző funkciókhoz rendelt világítási képek a egy gombnyomásra könnyedén lehívhatóak legyenek. Szintén fontos a színhőmérséklet váltása a napszaknak, hangulatnak megfelelően, e téren a LED-ekkel lehet a legkönnyebben dolgozni. A világítási képek nappali üzemű teljessé tételéhez az árnyékolók vezérlését is integrálni kell a rendszerbe. A hálók szintén dimmelhető világítást kapjanak. Az általános világítás fekvő helyzetben sem lehet kápráztató, kerülendő az ágy fölé helyezett közvetlen sugárzó lámpatest. A pihentető környezethez az éles árnyékoktól mentes, lágy szórt fény szükséges, ezt legkönnyebben közvetett általános világítás kialakításával valósíthatjuk meg. Az ágyfejvégeknél olvasáshoz olvasólámpa elhelyezése szükséges. Az olvasólámpa nem azonos az éjjeli szekrényekre helyezett ernyőzött éjjeli lámpákkal. Az olvasólámpák kis területet világítanak meg intenzíven lx megvilágítási szinten, helyzetükben állíthatóak és nem kápráztatnak. az éjjeli lámpák inkább csak hangulatvilágításra használhatóak. A hálók világítási rendszerét szintén dimmelhető lámpatestekkel kell megvalósítani, külön ügyelve, hogy kapcsolásuk az ágyban fekve is megoldott legyen. A gyerekszobák világítása, mint ahogy bútorzatuk is a gyermek életkorával, igényeinek fejlődésével változnak. A csecsemők és kisgyermekek tevékenységében a játék a domináns, iskolás gyermekeknél a tanulóasztal és a számítógép (képernyős munkahely!). A gyerekszoba világítása, szintén a sok funkciónak köszönhetően, ötvözi a hálók, a tantermek és a képernyős munkahelyek követelményeit, hasonlóan összetett, mint az óvodai csoportszobáknál. Ha van tanulóasztal, jó minőségű asztali lámpát, ha számítógép is van, irodai asztali lámpát kell alkalmazni. A képernyős munkavégzéshez a dimmelt közvetett világítás előnyös, a játékhoz a közvetlen világítás. Ezt csak több világítótest egyidejűleg biztosítja, közvetett fényűek (a sokféleség tarkaságát kerülendő pl. rejtett közvetett világítás körben a falon, álmennyezetben, bútorok felett, karnis felett stb.), és több közvetlen mennyezeti lámpatest illetve falikar. Egészen kis gyermekeknél igény lehet éjjeli világításra is, ezt meleg színű (pl. narancs-, borostyánsárga) és nagyon kis megvilágítást adó fényforrással kell megoldani, a gyermek ágyára közvetlenül nem sugárzó lámpatesttel. A dolgozószoba gyakran egyet jelent az otthoni képernyős munkahellyel, idegen szóval home office. A világítást ennek megfelelően kell kialakítani, egyszerűséget jelent, hogy általában kis alapterületű, egyszemélyes használatú irodával modellezhetjük, egy szabályozható közvetett falikar vagy állólámpa és egy kiegészítő irodai asztali lámpa már kitűnő megoldás és lehetőséget teremt más, ízlés szerinti általános világítás elhelyezésére, a szoba egyéb funkcióihoz és takarításhoz. Fürdőszoba kialakításánál a szállodai szoba fürdőjére vonatkozóak mértékadók. Két területre külön fel kell hívni a figyelmet: az egyik a biztonság kérdése, az egyes zónákra MSZ HD szerinti védettség alkalmazása, a másik a tükörvilágítás. A köztudatban tévesen rögzült, hogy a tükör fölött elhelyezett arca irányuló lámpatest szükséges, ezzel ellentétben a kétoldalt elhelyezett, minél nagyobb felületű és minél kisebb fénysűrűségű lámpatesttel lehet egyenletesen bevilágítani az arcokat. Ha van lehetőség rá a tükör vagy a fürdőszoba bútor mögött elhelyezett lámpatest szórt fénye tovább növeli a vertikális egyenletességet, ráadásul a mosdó irányába is juttat fényt, mely kézmosáshoz jól jön. Az egy középre helyezett helyett a számos apró lámpatest csökkenti a zavaró árnyékokat. Hangulatvilágítási igények (fényvezető szálas dekorációk, pezsgőkádba épített színes lámpatestek stb.,) esetén ezt is dimmelni kell. 327

328 ábra: Étkező letisztult formákból építkező lámpatesttel Konyhában a konyhapult, a szekrények és a tűzhely kiemelt. Az általános világítás a fürdőhöz hasonlóan több irányból érkező fényt adó legyen, de a polcokba, szekrényekbe, fiókokba csak akkor lesz megfelelő belátás, ha jelentős mennyiségű szórt fény is van a térben, ezért részben közvetett, vagy falra-mennyezetre irányított lámpatestek is szükségesek. A pult leggyakrabban fal mentén helyezkedik el, ezért a pultnál dolgozó a munkaterületre árnyékot vet, tehát a pultot ellenkező irányból, a falról vagy a felső szekrény takarásából teljes hosszában meg kell világítani. A tűzhely előtt, ha nincs vagy nem elégséges a páraelszívóba beépített világítás, közvetlen lefelé sugárzó lámpatesttel kiegészítő világítást kell létesíteni, típusválasztásnál ügyelve arra, hogy az idővel elkerülhetetlenül lecsapódó olajfilmnek és zsírsavaknak ellenálló háza és burája legyen. Az étkezőasztal felett mindig olyan világítást kell létesíteni, amely az asztallapra és az asztal körül ülők arcára egyaránt világít. Az étkezés nagyon fontos táras esemény, még a hétköznapi családi vacsoráról legyen is szó. Az étel világítása magától értetődő, a arcok lágy fényű világítása a kommunikációt segíti. A függesztékek széles körben elterjedtek, az ernyőzött, de más káprázáskorlátozó elemet nem tartalmazó függeszték fényforrására azonban közelről rálátni, ezért nem előnyös. A függesztékek közül is érdemes olyat választani, mely alul burával ellátott, esetleg közvetlenközvetett fényű. A mennyezeti lámpatestek egyedi kialakításával, a fényforrások rejtett elhelyezésével különleges, mégis célszerű fényhatásokat lehet elérni. Az étkezőasztalt mindig meleg fényű és jó (legalább 80-as) színvisszaadású fényforrással világítsuk, és ne feledkezzünk el a dimmelésről sem. Figyelmet érdemelnek még a tetőtéri helyiségek, ferde síkokkal határolt terek a legkülönbözőbb alakzatúak lehetnek, a kisebb belmagasságú részeken asztalok és ágyak, a teljes belmagasságú falfelületek mentén szekrények tagolják. A Sokszor probléma, hogy a vízszintes mennyezeti felület keskeny sáv, mely a helyiség egyik szélén helyezkedik el, a magas falak mentén a bútorozás miatt, a parapetfalaknál a kis méret miatt nem lehet falikarokat elhelyezni. A tetődőlés miatt a ferde síkokra szerelt lámpatestek kápráztathatnak 328

329 vagy nem megfelelő irányítottság lépne fel, ezért ritkán használhatók e felületek. A belmagasságok függesztékek elhelyezését szintén nem teszik lehetővé. Jó megoldás az orientált általános világítás, a részben közvetett állólámpa, mely a ferde mennyezeti síkokra vetíti fényét, onnan a teljes helyiség bevilágítható, kiegészítve helyi világításokkal (asztali és olvasólámpák) Egyedi világítási rendszerek Az egyedi világítási rendszerek átalakított sorozatgyártott termékek felhasználásával vagy teljesen egyedi építőelemekből készülnek, de közös, hogy nincs bennük közös, azaz mindegyik egy egyedi problémára adott megoldást képvisel. tervezésük az építész vagy a belsőépítész ötlete alapján, esetenként nagyobb mérnökcsoportban, villamosmérnök, gépész tervező, ipari formatervező, statikus és természetesen világítástechnika szakmérnök bevonásával történik. A megvalósult lámpatest vagy számos világítástechnikai eszközből készített világítási rendszer leírása, jellemzése, bemutatása egyenként lehetséges, általános recept egyedi megoldásokra nincs. Mégis, vannak olyan elvi megoldások és a gyártók által kínált rendszerelemek, mely építőkövekből jól behatárolt világítási módozat szerint működő rendszer készíthető, e skatulyákból a három legnépszerűbbet mutatja be e fejezet Fényvezetős rendszerek A fény kívánt módon és útvonalon történő eljuttatása egyik helyről egy másikra az emberiséget évezredek óta foglalkoztatja. A teljes visszaverődés jelenségét is az ókor óta tanulmányozzák, bár mai formájában az 1600-as években megfogalmazott Snellius-Descartes fénytörési törvény alapján ismerjük. Ha a nagyobb törésmutatójú anyagban haladó fény egy vele határos kisebb törésmutatójú határfelületéhez érkezik, akkor kellően kis szög alatt (ezt nevezzük a teljes visszaverődés határszögének) teljes visszaverődést szenved. Ilyenkor a határfelület tökéletes tükörként viselkedik. A nem megfelelő szögtartományon belül érkezett fénysugarak nem haladnak tovább, a továbbhaladó fénysugarakat pedig a kívánt helyen és irányban kell kiléptetni. A fényvezetés tehát a fény eljuttatása a fényforrást tartalmazó berendezéstől a kívánt helyre, többszöri (teljes) visszaverődéssel. A fényvezető rendszer mindig három fő részből áll: fénykeltő egység, fényvezető egység és kiléptető egység ábra: Fényvezető szál sematikus rajza 329

330 A gyakorlatban legismertebb ilyen eszköz a fényvezető szál, melyet a távközlésből is ismerhetünk. A fényvezető szál készülhet üvegből és műanyagból is. A világítástechnikában alkalmazott szálak ritka kivételtől eltekintve műanyagból készülnek, mert sokkal olcsóbb és könnyebben megmunkálható, mint az üveg. A távközlés km nagyságrendű távolságaival szemben egy-egy helyiségben csak néhány méter néhány tíz méter távolságba kell eljuttatni a fényt, így a műanyag szálak sokkal nagyobb vesztesége még tolerálható. Természetesen nem egyszerű damilról van szó, a világítástechnikai fényvezető szál is mag-héj kombinációból gyártott termék, minősége kulcsfontosságú, de sajnos készülnek olcsó és gyakorlatban használhatatlan szálak is. A műanyag szál legnagyobb gyakorlati hátránya az alacsony olvadáspont. A műanyag elemi szálak az üvegszálnál jóval nagyobb, 1 mm körüli átmérőjűek, és feladattól függően elemi szál van egy fényvezető kábelben összefogva. A nagy átmérő teszi lehetővé a nagyobb belépő felületet (keresztmetszet), és minél több fény bejuttatását. A fény perszer elférne egy elemi szálban is, de a fény fókuszálása és a fényforrás koncentrált hőhatásának szűrése költséghatékonyan csak a cm-es nagyságrendű átmérőben valósítható meg. A fénykeltő egység a vetítő. Az eszköz célja, hogy a benne elhelyezett fényforrás fényét minél jobb hatásfokkal vetítse a fényvezető szálak belépő felületére a fényt. Fényforrása halogén lámpa vagy LED, nagyobb vetítőkben fémhalogén lámpa. A vetítő jelleg miatt mindig speciális tükrök-lencsék kellenek a fényforráshoz, vagy már maga a fényforrás is kifejezetten vetítőhöz készül. A fény színét forgó-mozgó színszűrőkkel, LEDeknél RGB LED vezérlőkkel lehet változtatni. A LED-ek a kisebb hőhatás és az RGB jelleg miatt a halogén lámpákat fokozatosan kiszorítják, ugyanakkor azon helyeken, ahol a nagyobb teljesítményű (különösen W) fémhalogén lámpák használata indokolt, még nem alkalmazhatók, de a fényhasznosítás növekedésével várhatóan ott is teret nyernek. A fényvezetős vetítők nem csak optikailag összetett eszközök, hőtechnikailag is, hiszen a műanyag szálvégektől mm-ekre elhelyezkedő fényforrás összes fényét a szálakra koncentrálják, ugyanakkor a fényforrás hősugárzását szinte teljesen ki kell szűrni és el kell ábra: Csillagos ég az álmennyezetben végvilágító fényvezető szálakkal (Nemzeti Színház) vezetni a szálak környezetéből. A helyesen tervezett, jól bevált konstrukciók ellenére is előfordul a szálak beégése vagy elolvadása, mely kizárólag a rendszert telepítők vagy a karbantartók hozzáértésének hiánya miatt következik be. A fényvezető szálak alapvetően végvilágítók, tehát az egyik végükön belép a fény, a másik végükön pedig kilép. A csupasz szálvégek vágása és felületkezelése határozza meg fényeloszlásukat, egyéb kiegészítő eszköz nélkül dekorációra (pl. csillagos ég) használhatóak. A szálvégekből képzett optikai felületet főleg több szálból álló kábeleknél ún. végvilágító eszközzel egészítjük ki, mely tükröket, lencséket, prizmákat tartalmazhat attól függően, milyen irányban, milyen fényeloszlással kívánjuk kiléptetni a szálakból a fényt. Ez már tervezhető megvilágítást eredményez, bár a rendszer összetettsége miatt (klf. vetítők kábelek végvilágítók kombinációja) hosszadalmasabb a modellezése, mint önálló 330

331 lámpatestekkel. A végvilágítók jól felhasználhatók múzeumi vitrinekben (a LED-es lámpatesteknél is jóval kisebb végvilágítók miatt), ipari környezetben, lakásvilágításban, díszvilágításban ábra: Oldalvilágító fényvezető szálak a homlokzati üvegburkolat mögött tökéletesen karbantartásmentes (Egis székház) A fényvezető szálak másik csoportja a fény egy részét nem veri vissza a szál belseje felé, hanem kiengedi, ezáltal az egész palástján egyenletesen világít, ezeket oldalvilágítónak nevezzük. Az oldalvilágítók egyenletessége, csillapítása, iránykarakterisztikája, szemmel látható esetleges anyaghibái miatt még fontosabb a minőségi szálak alkalmazása. Az oldalvilágítók egyértelműen dekorációs célúak, díszvilágításra, építészeti elemek kiemelésére lehet használni, a felületi fénysűrűségük a fontos számunkra. Mivel a palást kilépő felülete a szálvégek belépő felületének szerese is lehet, nagyon intenzív a belépő felület világítása, jellemzően ma is fémhalogén lámpás vetítőket használunk e célra. Az oldalvilágítókat részben kiszorították a LED szalagok és az azokból készült termékek. Az oldalvilágító alkalmazása egyértelmű előnyökkel jár ott, ahol a fényforrás (LED, mely szintén nem örök életű) cseréje nem lehetséges vagy aránytalan ábra: Oldalvilágító fényvezető szálak többletköltségekkel jár, pl. üveghomlokzatok a vizesárok széleiben és végvilágítók a nagynyomású vízkapuban a színek a zene mögött. Ekkor a fényvezető kábeleket helyezzük el ütemében változnak (Miskolc Hősök tere) a homlokzatban, melyeket soha nem kell cserélni vagy karbantartani, a fényforrást tartalmazó vetítő pedig az épületen belül helyezhető el. A 331

332 szálak nem öregszenek, nem változnak, a technikai haladással a vetítő egésze is cserélhető, de homlokzatot nem kell emiatt lebontani. Szintén előszeretettel használják olyan helyeken, ahol az IP védettség és az üzembiztonság egyaránt fontos, pl. élményfürdőkben, különösen a nagynyomású élményelemek környékén vagy azokba integrálva, illetve háztartások fürdőiben kádakba, medencékbe, padlókba építve, ahol az elektromos berendezésektől viszolygók is szívesen látják ábra: Fénykürtő működési elve A fényvezető rendszerek másik nagy csoportja egy fényvezető fóliának (OLF, Optical Lighting Film) nevezett műanyagot hasznosít. A fény ellentétben a fényvezető szálakkal nem a fóliában terjed, hanem annak felületéről verődik vissza. A fólia felülete olyan olyan apró, mm-nél kisebb és tökéletesen sík felületű prizmatikus barázdákat tartalmaz, melyet a fény adott szögtartományon belül elérve szintén teljes visszaverődést szenved. Ha egy átlátszó csövet ezzel a fóliával kibélelünk, akkor egy hatalmas átmérőjű, fényvezető szálhoz hasonlóan viselkedő hengert kapunk. Előnye, hogy a fény nem a műanyagban terjed, hanem a levegőben, ezért a fényt kisebb veszteséggel lehet rendeltetési helyére juttatni, m is lehet e távolság. A fény egy kis része a fólián áthatol, ez vázszerkezet látszó elemeiről szóródó fény és a fólia kisebb gyártási tökéletlenségei miatt van így. A fólián és az átlátszó csövön keresztül kibocsátott fény a cső teljes palástján igen nagy egyenletességet mutat, ezért e csövekkel nagy felületen, káprázásmentesen és nagy összefüggő hosszúságban lehet világítani. A vetítő a cső egyik vagy mindkét végén elhelyezkedhet, egyvetítős rendszereknél síktükör zárja le a cső másik végét. A vetítő túlnyomó részt fémhalogén fényforrással működik, korábban kénlámpás kísérletek is voltak, ma a LED-ek látszanak ígéretes alternatívának. Nagyon nagy ábra: Három szint magas óriás fénykürtő, vetítők az aljában elhelyezve, a tetején összetett tükrös rendszer is található (West End Budapest) átmérőjű szerkezetekben (m-es nagyságrend) keskenyen sugárzó fényvető csoportok is elláthatják a vetítő funkciót. A szokásos cm átmérőjű csövekből készített fényvezetős világítási rendszert fénykürtőnek, ritkábban fényvezető csőnek nevezzük. 332

333 ábra: Hét szint magas óriás fénykürtő, a természetes fényt vezeti a belső udvarba (Apple, London) INNOVATÍV VILÁGÍTÁS A héjazat anyaga és alakja változatos lehet, a henger alaktól a négyzetes hasábokon át a téglatestig, üveg illetve különféle műanyagok. Ha a belső geometriája lehetővé teszi a fény teljes visszaverődését, akkor igen nagy egyenletesség érhető el vele, tehát nagy méretű (pl. reklám célú) dobozok is készíthetők, jobb hatásfokkal, mint az opál anyagokból. Előnyös tulajdonságai: nagy fényáram és kis felületi fénysűrűség, egyenletes fényeloszlás, hatásfokát a vetítő hatásfoka szabja meg, üzemeltetési költségei alacsonyak, UV és IR sugárzásban szegény fény nehezen hozzáférhető és veszélyes helyeken jól alkalmazható. Felhasználása sokrétű: robbanásveszélyes üzemekben, hűtőházakban a speciális lámpatesteket költséghatékonyan kiválthatja azáltal, hogy a fényforrás és működtetője az épületen kívül elhelyezhető, és tulajdonképpen mint ablakon keresztül világít bele a fénykürtőbe, melyben elektromos és fénykeltő egység így nincs, csak a fény halad. Hosszú vonalmenti világításoknál is használják: postai levélfeldolgozókban, autógyártásban, hangárokban, laborokban. Kedvelt dekorációs elem lehet nagyobb terekben, egybefüggő világító palástjának nézőpont mozgásával együtt változó látványa más világítási eszközökkel nem érhető el. A dekorációs célú felhasználás mindig építészeti elképzelésen alapul, ezért az építész/belsőépítész és a világítást tervező mérnök együttműködésének eredményeként jön létre ábra: Heliosztát tükrök egy fix segédtükörrel vezetik a napfényt a boszporuszi metróállomás belsejébe (Istanbul) 333

334 Mivel a fénykürtő segítségével távolabbi helyekre is elvezethető a fény, kézenfekvő felhasználási területe a természetes fény bejuttatása olyan épületrészekbe, amelyek bevilágítóval nem rendelkeznek. Ez egy függőleges fénykürtőt jelent, melynek teteje az épület tetősíkja fölé néz. Ritkább esetben a természetes fényt az égboltról passzív módon védőüvegen keresztül, esetleg fix pozíciójú tükrökkel segítve juttatjuk be, a gyakoribb megoldás a napkövető tükrök alkalmazása. A napkövetőt heliosztátnak nevezik, egy folyamatosan mozgó tükör, mely mindig olyan pozícióba fordul, hogy a Nap közvetlen fényét a fényvezető csőbe tükrözze, tehát követi a Nap virtuális pályáját. A mozgatást motorok végzik, a vezérlés ipari célszámítógépekkel történik. A heliosztátok tükrei önállóan, csoportosan, illetve esetenként más segédtükrökön keresztül vetítik napfényt a csőbe, mely a fénykürtőt kivilágítja és természetes fénnyel látja el mindazon helyiségeket, melyeken a fénykürtő építészeti kialakításából adódóan áthalad. A gyakorlatban ez lehet akár egyetlen helyiség is az épületben, több szintet átölelő lépcsőház, de sok egymás alatti épületszinten elhelyezkedő helyiség is. Különösen lépcsőházakan gyakori, hogy célszerűen a közlekedők és egyéb helyiségek által körülölelve, az épület belsejében, ablaktalanul épülnek, ugyanakkor a lépcsőházak orsótere remek helyet biztosít a fénykürtőnek, továbbá nagyon jó lépcsővilágítás alakítható ki a fénykürtő folyamatos, nagy fényáramú, de kis fénysűrűségű palástja segítségével. Közvetlen benapozás hiánya esetén és az éjszakai órákra a szokásos módon keskenyen sugárzó vetítőkkel lehet belevilágítani a kürtőbe így az éjjel-nappal ellátja lámpatest funkcióját ábra: Vízszintes elrendezésű fényvezető csatornák vezetik a természetes fényt az épület belsőbb tereibe (UBC, British Columbia) Hasonló megoldás, amikor a keskeny homlokzati felülettel rendelkező többszintes (jellemzően irodaház) épületek homlokzattól távoli helyiségeit kell természetes fénnyel ellátni. Ekkor nem függőegesen, hanem vízszintesen kell vezetni a fénykürtőt, a homlokzat ablakok alatti parapetrészében egy kis helyet elfoglaló, ám nagyon összetett tükörrendszer helyezhető el (szegmensekre szabdalt tükrök, hasonlóan működik, mint a Fresnel-lencse). A 334

335 tükrök szintén követik a Nap virtuális pályáját, a napfényt a fénykürtőbe irányítják, mely az alatta levő szint álmennyezetében fut tovább. Ha összetett fénycsatornaként alakítják ki, további fényvezető eszközök felhasználásával, akkor a fénycsöves lámpatestek is integrálhatóak a rendszerbe, amely így állandó megvilágítás érhető el az ablaktalan irodákban, felhasználva a bevezetett természetes fényt, és kiegészítve azt mindig a kellő mértékű mesterséges fénnyel. Az fényérzékelőkön alapuló szabályzás és a színhőmérséklet változtatása nyilvánvalóan szükséges része a rendszernek. A természetes fény felhasználása egyre szélesebb körben terjed, a jövőben várhatóan mind nagyobb teret fog hódítani, hiszen egy megújuló energiaforrás hasznosításáról van szó, ami ráadásul sokkal komfortosabb látási feltételeket is teremt Nagyfelületű világító berendezések A nagyfelületű világító berendezések az emberiségnek a fénnyel kapcsolatos évezredes tapasztalásaira utalnak vissza, hiszen a természetben a fény jellemzően a fölöttünk levő égbolt viszonylag egyenletes, minket körülölelő felületéről származik. Az közvetett világításnak is egyik pozitívuma, hogy a határoló falakat, mennyezetet világossá teszi és ezáltal többek között jelentősen növeli a komfortérzetet. Ugyanakkor a fénykeltéshez használt lámpatestek látszanak, sőt olykor árnyékot vetnek, a közvetlenül megvilágított felületek fénysűrűsége egyenetlen, a lámpatestkiosztás ritmusában és tág határok közt változhat. A nagyfelületű egyedi lámpatestek kialakításával beltéren is eltérhetünk az eddig megszokott, szinte pontszerű vagy legalábbis kis felületekről történő világítástól ábra: Nagy, homogén, összefüggő felület (MÜPA) A nagy, egybefüggő, a befogadó térrel összemérhető nagyságrendű világító felületről egyenletesen érkező fény az égbolt szórt fényének hatását kelti, amely a természetes világításhoz igen közel áll. Az így létrehozott világítással nem csak maga a világító felület válik homogénné, hanem a célfelületeken létrehozott világítás is rendkívül egyenletes lesz, nemcsak horizontális, de vertikális irányban is. 335

336 A korszerű építészeti megoldásokban kiemelt jelentősége van a terek formálásának. Az üveg, a plexi merev, a fólia viszont rugalmas, plasztikus anyag ábra: D2,5 4 m méretű, változtatható színű és fényerejű világítótestek feszített fólia burkolattal (MÜPA) Alkalmazásával különleges térformák hozhatók létre, a fóliával létrehozható háromdimenziós térbeli alakzatok (óriási forgástestek, íves, hullámos formák) nem csak szokatlan világító eszközök, de egyedi, kreatív műalkotások is egyben. A nagyfelületű világító berendezések különösen előnyös világítási megoldást jelentenek múzeumok, kiállítótermek részére. A homogén felület olyan egyenletes megvilágítást biztosít a műtárgyaknak, amely akár statikusan, akár a napszaktól és a külső fényviszonyoktól függően intenzitásában és színhőmérsékletében változtatható formában, optimális környezetet nyújt a látogatók számára a műélvezethez. A világító felületeket jellemzően erre a célra készített alumíniumkeretbe feszített opál műanyag fólia vagy speciális profilrendszerbe épített üveglapok (esetleg opál műanyag lemezek) alkotják. Ezek felett fénycsöves lámpatestek vagy egyedileg tervezett, fény- és hőtechnikailag méretezett LED panelek üzemelnek, melyek mennyiségének, elhelyezésének megválasztása illetve a fényforrások kiválasztása szakértelmet és 3. ábra Múzeumvilágítás nagyfelületű világítási rendszerrel (Reök Palota) 336

337 nagy gyakorlatot igényel. A lámpatest-elhelyezéshez figyelembe kell venni az átvilágítandó felület anyagát (különös tekintettel az üvegek sokféleségére), az összhangot a kialakítandó formával, az álmennyezeti sík felett rendelkezésre álló térrész magasságát (amely jellemzően csekély és a gépészeti elemektől is függ), az árnyékmentesség érdekében a szerkezeti elemek (rögzítő- vagy feszítő profilok, tartók, merevítők stb.) elhelyezkedését és irányát, a kívánt megvilágítási szintet, a színes vagy különböző színhőmérsékletű fényforrások esetén a színes árnyékok elkerülésének fontosságát ábra: Egyedi megoldások - egyedi hatások (MOL) Az üvegre vagy fóliára kerülő por és egyéb szennyeződések (rovarok bekerülésének) megakadályozása végett a térrészt mechanikailag is le kell választani az álmennyezet feletti egyéb terektől, az elkészített kirekesztésnek pedig fénytömörnek kell lennie. A zárt tér miatt a keletkező hő megfelelő elvezetéséről is gondoskodni kell. Az így elkészített nagyfelületű világító berendezés az álmennyezet többi felületéhez kell illeszkedjen, illetve nem szabad elfeledkezni a megfelelő rögzítésről, mely esetenként statikus közreműködését is szükségessé teszi. Az üvegfelület segítségével létesített világító álmennyezet régóta ismert. A látványt ez esetben alapvetően meghatározza a raszteres tartószerkezet, amelybe az üveglapokat elhelyezik. A rasztertávolság az üvegtáblák tömegétől (eredendően vastagságától) és az építészeti adottságoktól is függ, de jellemzően 1 m körüli (legfeljebb 1.5 m) érték. Az üveggel létesített felület látványát meghatározza az üveg opálossága, mely egyben a transzmissziót is befolyásolja. Az opálosság növelése homogénebbé teszi a felület fénysűrűségét, ugyanakkor csökkenti a transzmissziót. Sajnos, számos esetben találkozhatunk rossz kompromisszummal, ahol az opálosság és a fényforrások elhelyezése nincs összhangban, ezért a fénycsövek az üvegen keresztül átlátszanak. Az ilyen felület az eltérő fénysűrűségek miatt nem esztétikus, 337

338 néha kifejezetten zavaró. Mivel az üvegek sokfélék lehetnek, (vékonyabb vagy vastagabb, ragasztott vagy fóliázott, kettő vagy több rétegű opál, homokszórt vagy savmaratott stb.), a megfelelő fényforrás-elhelyezés (vagy esetenként fordítva: az adott elrendezéshez az üveg kiválasztása) csak modellkísérleteken keresztül valósítható meg. Az üvegnek ugyanakkor előnye is e sokfélesége, továbbá természetes jellege. Hátránya, hogy törékeny, nehéz, elégséges opálosság eléréséhez sokszor kettőnél több rétegű szerkezet szükséges, ekkor transzmissziója gyakran 50% alatti, illetve a fentebb említett és látványában hangsúlyos raszteres tartószerkezetet igényel ábra: Művészi kivitelezésű üvegfelülettel készült világítás (Hilton) Különleges megjelenésűek az anyagában színezett vagy festett, művészi kivitelezésű üvegkompozíciók, melyek önmagukban is műalkotások, ezek homogén átvilágítása egyedi műszaki megoldásokat igényel. A műanyag fólia speciális, kifejezetten feszített fóliás világító berendezésekhez készülő, vékony, könnyű, ugyanakkor rendkívül erős és rugalmas anyag. Opálossága elegendő ahhoz, hogy kis távolság ellenére se lehessen felismerni a mögötte elhelyezett fényforrásokat, tehát teljesen homogén fénysűrűségű felületet nyújt, transzmissziója viszont 50% feletti. Hatalmas, közel 100 m 2 -es egybefüggő felületek fedhetők be anélkül, hogy az üvegnél említett tartószerkezetet vagy bordákat kellene alkalmazni. (A felületet természetesen lehet tagolni, ha ez épp a látvány miatt szükséges.) A fóliák kifejezetten erre a célra kifejlesztett keretprofilokba kerülnek elhelyezésre, telepítésük gyors és egyszerű. A kifeszített fólia méret és alaktartó, rendkívüli rugalmasságának köszönhetően hosszú évek alatt sem nyúlik meg. A fólia színsemleges, (pl. DIN 6169), az áteresztett fény színét vagy színhőmérsékletét nem befolyásolja és idővel sem sárgul. Megfelel a legújabb szabványkövetelményeknek (EN 14716), tűzállósága megfelelő (pl. B1 DIN 4102). Ha a szerkezeti elemek vagy a belsőépítészeti elképzelések szükségessé teszik, a feszített fólián áttörés is létesíthető oszlopok, rudak, gépészeti elemek vagy más lámpatestek részére. 338

339 ábra: Sík és hullámos világító térformák váltakozása (MKB Bank) Felülete igény szerint nyomtatható, színezhető vagy festhető, a felhordott és átvilágított kép segítségével mesterséges ablakok, tetőbevilágítók vagy világító képek, falfülkék is létrehozhatók. A fényáramszabályozás a forma, mint látványelem, a műszaki színvonal és a mai kor követelményei szerint is, szinte elengedhetetlen kelléke az így létesített berendezéseknek. A fényforrások kontúrjának, elhelyezésének felismerhetetlensége, fényük keveredése miatt kézenfekvő a többféle színhőmérsékletű vagy színű fényforrás elhelyezése, melyek fényáram-arányait változtatva alkalmazkodni lehet a természetes világítás Nap járása szerinti változó színhőmérsékletéhez vagy az aktuális megvilágítási szinthez lehet illeszteni a színhőmérsékletet ábra: Festett feszített fóliás világító mennyezet, programozott hatásvilágítási elemekkel (Atlantis Casino) 339

340 ábra: Változó színű fényekkel átvilágított feszített fóliás világító mennyezet, programozott hatásvilágítási elemekkel (MOL) Kihasználva a nagy felületet, a magas megvilágítási szintet, a fényáram- és színhőmérséklet változtatás előnyeit, hatékony dinamikus világítási rendszer is létesíthető, melyben címezhető lámpatestekkel vagy lámpatestcsoportokkal és megfelelő vezérléssel egymástól különböző és változó helyzetű zónák létesíthetők. E zónák világítási tulajdonságainak változtatásával, vándorlásaival, megjelenésükkel vagy eltűnésükkel virtuális égkép hozható létre, modellezve ezzel a természetes égbolt különböző fénysűrűségű és színhőmérsékletű részeit vagy az égbolt részbeni fedettségét. Színes (RGB) fényforrásokkal különleges hatások keltésére nyílik lehetőség, fehér fénycsövekkel kombinálva pedig olyan világítás kialakítására létesíthető, ahol a felületek illetve térbeli alakzatok hol funkcionális, hol dekorációs világításként üzemelhetnek, fényépítészeti látványelemként hozzájárulva a belsőtér formálásához vagy egy esti homlokzati kép kialakításához ábra: A homlokzati üvegfalon át (MÜPA) 340

341 Tükrös világítási rendszerek Az közvetett tükrös világítási rendszerek (röviden: tükrös rendszerek) az közvetett világításhoz hasonlóan a lámpatestek optikai rendszerén kívül egy másik felület igénybevételével világítanak. A legfőbb különbség, hogy a falfelületre vagy mennyezetre irányított fény esetén szórt fényt kapunk (meszelt fal gyakorlatilag Lambert-sugárzóként viselkedik) illetve a fal helyzetét és reflexiós tényezőjét adottságként hasznosítjuk, addig a tükrös rendszernél méretezett tükröket helyezünk a tervezett helyekre, melyek ismert és általunk választott irányban, nyílásszögben és reflexióval verik vissza fényt ábra: Tükrös rendszer egyetemi előadóban (Miskolci Egyetem) A tükrös rendszerekben tehát kiterjesztjük a lámpatest optikai elemit a tükrökre, a lámpatest optikája és a külső tükör együtt alkotnak egy olyan optikai rendszert, mely a kívánt megvilágítást létrehozza. A szekunderlámpákban e tükör fizikai összeköttetésben van, iránya és távolsága nem vagy csak nagyon szűk határok közt állítható, a tükrös rendszereknél nagyon távol, tetszőleges méretű és mintázatú tükröt helyezhetünk el. A tervező szabadság odáig terjed, hogy egy tükörre több különböző irányban és távolságban elhelyezett fényvetőt is irányíthatunk (ekkor igen alaposan át kell gondolni a sugármeneteket, hiszen egyszerre csak egy irányban állhat egy tükör), de egy fényvető fényét egy tükörcsoportra is vetíthetjük, amelyben különböző irányban álló (azaz különböző irányokba vetítő) tükrök találhatóak. A fénytechnikai méretezése tapasztalatot igénylő, hosszadalmas feladat, a tükrök és a fényvetők különböző gyártók termékei lehetnek, a tükrök modellezése a sok domború szegmens miatt közelítő ugyanakkor nagyon összetett felületet eredményez, a futtatás erőforrás igényes. 341

342 A fényvetők szintén nem hétköznapiak, félértékszögűek, viszonylag határozott levágással, W fémhalogén fényforrássokkal. A pontos irányítás és a határozott levágás teszi lehetővé, hogy a fény a tükörre vetüljön, kevés szóródjon mellé, ezzel jó hatásfok érhető el. Ezzel együtt elkerülhetetlen a tükrök közvetlen környezetében a tükör mögötti felület világítása, ahonnan szintén visszaverődik fény, a felülettől függő irányítottsággal és hatásfokkal. A tervezésnél ezzel is számolni kell. Minden fáradságért kárpótol a megvalósult rendszer, mely építészeti látványelemként is megállja a helyét. Különösen előnyös a fényvetőkből és tükörfelületekből álló rendszer használata nehezen hozzáférhető vagy üvegtetős épületeknél, jelentősen egyszerűsítve a karbantartást a könnyen elérhető helyekre szerelt világítótestekkel. A tükrök karbantartásmentesek ábra: Templom befüggesztett tükörrendszere (Szombathely) Egyedi rendszerek tervezése, készítése A fenti vagy más skatulyába sorolható rendszerek sem nélkülözik az építész vagy belsőépítész kreativitását, ötleteit és az egész épületet átfogó, azt összefüggéseiben látó szemléletmódját, a szaktervezők alkotta konstrukciós csapatot, a világítástechnikai szakmérnök ismereteit és tapasztalatát, valamint a szakági kivitelezők szakmailag széles táborát. Az a felhasználó, aki a webshopban rendel pár méter fényvezető kábelből és egy fényforrásból álló készletet, nem egyedi rendszert kap, hanem egy sorozatgyártott termékekből álló egységcsomagot. Jó esetben fényvezetőszállal és nem damillal, LED-del és nem izzólámpával. De sem egyedi sem rendszer nem lesz attól, hogy e két eszközt összeilleszti és bebarkácsolja otthonába. Optikai becsatolásának hatásfoka erősen megkérdőjelezhető, kicsatolás nincs, csillapítás ismeretlen. Ha a RGB LED-et adtak hozzá, gyárilag megírt program szerint változtathatja a színeket. Egy professzionális rendszerhez a hőtechnikai méretezés, az anyagfelhasználás optimalizálása és a szereléstechnológia is hozzá tartozik. A világító felületeknél az átvilágított anyagot meg lehet szerezni barkácsboltban is, de még a legjobb forgalmazóknál is mindennapos, hogy két azonos opál plexilap valójában 30%- al eltérő fényáteresztő-képességű, gyártótól és tételtől függően. A fóliáknál még összetettebb a helyzet, csak a kifejezetten világítási célú fóliák nyújtanak nagy transzparenciát és jó egyenletességet egyszerre, ráadásul nyúlásuk, öregedésük is elhanyagolható, szigetelő képességük és éghetőségük bevizsgált. Minden más fólia a kísérletezés körébe tartozik és igen nagy felelősség egy épületbe való beépítése. A fóliás rendszerekhez nem csak professzionális fólia kell, az illesztések, rögzítések, csomópontok kialakításához több száz alkatrész, több tucat feszítő profil fajta, rögzítők, csuklók, keretrendszerek szükségesek. Ahol nem áll rendelkezésre széles repertoár ezekből az alkatrészekből, nagyon kicsi a valószínűsége, hogy esztétikailag és műszakilag kielégítő módon lehet beépíteni a rendszert. A világítás 342

343 egyenletessége pedig gondos méretezés és tapasztalat alapján lehet csak annyira jó, hogy szemmel a fénysűrűség-különbségek elhanyagolhatóak legyenek és ne lehessen megállapítani, milyen típusú, helyzetű és mennyiségű fényforrás világít a fóliák mögött. A villanyszerelő kivitelezők, a villamos tervezők hajlamosak azt gondolni, hogy más területeken szerezett tapasztalataik alapján jól méretezik az átvilágított felületek mögé helyezett fényforrások elrendezését, de a tapasztalat az, hogy ez a szűkebb szakterülettel foglalkozók bevonása nélkül sosem sikerül ábra: Egyedi csillárok a színházi nézőtéren (Keszthely Balatoni KK) Az egyedi világítási rendszerek tervezése nagyon összetett, minden egyes új feladat új megoldásokat kíván, de a tervezők és kivitelezők alkotóként tekinthetnek a megvalósult berendezésre. Ez a világítástechnikának nagyon szép részterülete, de az erre való bátorítás helyett a nagyfokú óvatosságra, átgondoltságra, a szaktervezők és a választott világítási technika specialistáinak bevonására, a tapasztalatokból való építkezésre hívnám fel a figyelmet. 343

344 10.5 Kültéri példák Az alábbi példák csupán ízelítőt kívánnak adni a kültéri világítás egyediségének és jövőbe mutató lehetőségeinek széles tárházból. A főként fotókon keresztül bemutatott példákhoz egyegy rövid magyarázat tartozik Funkcionális világítások Rengeteg új kísérlet, pilot projekt, mérés és eredmény lát napvilágot a közvilágítás LED-es átalakításával kapcsolatban. Más jellegű fejlesztésről, újdonságról szinte nem is lehet hallani, ugyanakkor a LED-ek használata a közvilágításban még mindig számos kérdést vet fel, a láthatóság javulásától kezdve a megtérülésen keresztül a dinamikus közvilágításig. Sokan úgy vélik, a LED, mivel új technológia, feltétel nélkül csak jobb lehet bármely korábbinál, mások a látható eredmények ellenére is szkeptikusak. A legújabb fejlesztések a fényeloszlás adott úthoz illetve kereszteződéshez történő optimalizálását és a csekély forgalmú időszakokban a jelentős dimmelés mellett az érkező járművek és gyalogosok környezetében történő időszakos világítást helyezik előtérbe. E lehetőségek kombinációja akár 70% energia megtakarítást is jelenthetnek, de a gyakorlati tapasztalatok még hiányoznak. A LED-es közvilágítási mellett szinte eltörpülnek más fejlesztések. A közvilágítási lámpatestek ígéretes és városképi szempontból is jelentős fejleszti iránya a moduláris oszloptestek, melyek modulonként egy-egy lámpatestet, egyéb technikai felszerelést rejtenek magukban, természetesen az egyes modulok közt üres elemekkel kitöltve a helyet. Az így felépített lámpatestrendszer különösen nagyváros környezetben előnyös, mert egy oszlopként helyettesít több korábbi lámpatestet. A fényforrás ez esetben is LED, de nagy fénypontmagasság vagy projektoros vetítés során még mindig a fémhalogén vagy nátriumlámpák jutnak főszerephez. Az egymáshoz építhető modulok közvilágítási, térvilágítási, aszimmetrikus lámpatesteket, fényvetőket, járdaoldali és parkvilágító lámpatesteket, sétányokhoz alkalmazható derítő lámpatesteket és alacsony fénypontmagasságú lámpatesteket, dekorációs elemeket, projektoros vetítőket, de akár biztonsági kamerát vagy energiaoszlopot is rejthetnek magukban. A rendkívüli sokoldalúsága miatt kevés oszlopon minden funkció elhelyezhető, ezáltal anyag és helytakarékos, esztétikus megoldást nyújt ábra: Összetett közvilágítási lámpatestek különböző funkcióinak sematikus bemutatása 344

345 A középületek előtti teraszok, kertek funkciói sokszor szorosan összekapcsolódnak a beltéri tevékenységgel, különösen vendéglátás, szállodaipar területén. Az esti fogadások, esküvők, egyéb rendezvények alkalmával a kert vagy terasz ugyanolyan színtérré válik, mint a belső termek. A világítás tekintetében a szabályzás, a ki- és bekapcsolások igénye azonos, ezért dimmelhető és a belső terekkel közös vezérléssel működő rendszerek sokkal komfortosabbak, energiatakarékosabbak az egyszerű egész éjszakás térvilágításnál ábra: A belső vezérlésről működtetett dimmelhető fényvetőkkel létesített térvilágítás egy szállodagyógyfürdő komplexum kültéri rendezvényhelyszínén.(siklós Hotel & Spa) Díszvilágítások A díszvilágításokban sokkal több kreativitás és innovatív ötlet lelhető fel napjaink kínálatában. A kivilágított padok, utcabútorok, vagy fordítva: a használati funkcióval is bíró köztéri világító dísztárgyak számtalan ötletes megoldásával találkozhatunk. E tárgyak nem alkalmasak a közterületek világítására, esetenként dinamikusan változó fényszínük és fénysűrűségük miatt járműforgalomtól távol eső területeken javasolt elhelyezni, ám szó szerint üde színfoltja lehet egy park vagy egy kert éjszakai látképének ábra: LED-es világító pad 345

346 ábra: Világító kerti padok és asztalok Az épületek kontúrjainak, építészeti hangsúlyainak éjszakai kiemelése diszkrét homlokzatvilágítást jelent. A korszerű, üveghomlokzatokkal készült épületeknél nincs is lehetőség a hagyományos fényvetős díszvilágításra, csak a homlokzati vázszerkezeti elemeken LED-ek, fényvezető szálak, vagy az üvegtáblák háttérvilágítása emelheti ki az épületet a sötétből. Ez utóbbira már szerepeltek példák a jegyzetben, a most következő kép az oldalvilágító fényvezető szálas rendszer homlokzatvilágítási lehetőségét szemlélteti. Az építész kreativitás és a 21. századi építészeti stílus egyik példája multifunkcionális pavilon Spanyolország közepén, mely a városi ember természettel való együttélésének kifejezéseként egy városrészi rehabilitációs projekt részeként épület. Az egész héjazata áttetsző, az RGB LED világítás kelti életre, mely lassan de folyamatosan változó színt kölcsönöz. A világítása mint az építész koncepció egésze, lehet ízlésbeli vita tárgya, de egyedisége megkérdőjelezhetetlen és az új utak felé nyitott kísérletként fogható fel ábra: Oldalvilágító fényvezető szálas rendszer homlokzatvilágítási céllal (Óbuda Gate, Budapest) 346

347 ábra: RGB LED világítás a csarnok teljes héjazatában (Plaza del Milenio Valladolid, Spanyolország) Hasonló koncepciót valósít meg az Angliában épült Eden-project félgömb alakú üvegházakból épült épületegyüttese, mely botanikus kert rekreációs centrum, oktatási központ és rendezvényhelyszín egyben, szellemiségét s belülről kivilágított üvegfelületeken keresztül jelzi naplemente után ábra: RGB LED világítás a csarnok teljes héjazatában (Eden Project, St. Austell, Anglia) A manapság oly divatos fényfestés, mely egész épületeket mint három dimenziós vetítővásznakat használ fel különleges térbeliséget kölcsönözve a művészi mondanivalójú profi technikával és profi grafikusokkal elkészített filmek vetítéséhez, építész hagyományokon alapul. A fényfestés eredetileg a homlokzatvilágítás és a díszvilágítás olyan elegye volt mely kiemelte az építészeti értékeit, de este valami többletet, valami plusz mondanivalót adott hozzá az épülethez. A színes fények felöltöztették az épületet, mely így sötétedés után új arculatot kapott. A fényfestés tehát eredendően az épület tervezőjének kompetenciája volt. A mai fényfestések közt is találni szép számmal olyat, ahol nem a város történet vagy a szponzor terméke elevenedik meg a falakon. 347

348 ábra: Fényfestés - EMF Technology ábra: Alkalmi fényfestés (Operaház, Sydney) 348