A fényforrások fejlődése? Balázs László, PhD GE Lighting
Égésen alapuló fényforrások
Gázvilágítás Kína: fűtés és világtás földgázzal XVIII. sz. Fa és szén elgázosítása 1790 W. Murdoch első gázvilágítás 1807 London Utcai világítás 1812 Gas Light & Coke Co. az első gázgyár 1816 Gázvilágítás Baltimore 1820 Párizs 1856 Pest 1891 Auer gázharisnya
Gázvilágítás energiaelosztó-hálózat Gázgyár: 1. szénlepárlás 2. városi gáz (C+H 2 O CO + H 2 ) mérőóra elosztó hálózat
Az elektromos világítás kezdetei Alessandro Volta 1800 - tartós áramforrás, izzószál Humphry Davy 1802 - izzószál 1809 - ívfény
Ívlámpák Áramfejlesztés: 1831 Faraday elektromágneses indukció 1861 Jedlik Ányos - dinamo elve 1865 Siemens áramtermelés dinamóval 1871 Gramme az első erőmű Ívlámpák 1870 Jablocskov gyertya 1878 Brush ívlámpa
Izzólámpák Edison előtt Év Feltatláló Ország Izzószál Gáztöltés 1802 Davy Anglia platina szalag levegő 1820 De larue Anglia Platina tekercs vákuum 1841 De Moleyns Anglia Platina - szén vákuum 1850 Shepard USA szén henger vákuum 1859 Farmer USA platina szalag levegő 1860 Swan Anglia Elszenesített papír vákuum 1878 Sawyer USA grafit nitrogén 1878 Maxim USA grafit rúd szénhidrogén
Edison: az első kereskedelmi forgalomba került izzólámpa nagyellenállású szénszál nagyvákuum üvegburában, platina bevezető elektródák (fém-üveg kötés) Feszültség Fényáram Teljesítmény Élettartam Fényhasznosítás Izzószál hőmérséklet 110 V 200 lm 93W 600 óra ~2 lumen/ watt 1900 K US223,898
Miért Edison? Villamosenergia-hálózat párhuzamos kapcsolás nagy ellenállású izzó csavaros (Edison) foglalat javított hatásfokú dinamó mérőóra biztosíték
Human eye perception Spectral response of cones Spectral response of the eye 507 nm 555 nm scotopic photopic
Spectrális sűrűség (W/(m 2 nm)) Egy kis fotometria v( ) E( ) Fényáram Luminous flux (lumen, lm) 780 380 K m E( ) v( ) d v( ) az emberi szem spektrális érzékenysége sugárzott teljesítmény E( ) K m 683lm W 0 500 1000 1500 2000 hullámhossz (nm) Fényhasznosítás Efficacy (lm/watt) P fényáram felvett teljesítmény
Színnel kapcsolatos mérőszámok Színvisszaadási tényező, Color Rendering Index (CRI):. CRI 70 CRI 100 Színhőmérséklet, Correlated Color Temperature (CCT) Feketetest sugárzás cool white (6500K) warm white (2700K)
A mérőszámok az emberi látásra vonatkoznak Kutyák: 2 fotoreceptor A kutyák másként érzékelik a színeket, mint az ember Ember: 3 fotoreceptor
Spectrális sűrűség (W/(m 2 nm)) Hogyan működik az izzólámpa? Edison első izzólámpa szabadalma: termosztatikus áramkör-szabályozó Hőmérsékleti sugárzás: Stephan - 1879 Boltzmann - 1883 P A T 4 Planck - 1900 E(, T) 2 hc 5 2 e hc kt T 2 > T 1 0 500 1000 1500 2000 hullámhossz (nm)
Spectrális sűrűség (W/(m2 nm)) Hatásfoknövelés izzószál töltőgáz feltaláló 2850K 1930 W spirál Kr 15 Bródy 2700K 1913 W spirál Ar 13 Langmuir 2500K 1910 W szál vákuum 10 Coolidge 1904 W szál vákuum 8 Just & Hanaman 2100K 1879 C szál vákuum 2 Edison 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 hullámhossz (nm)
Dr. Just, F. Hanaman és a Tungsram
Halogén izzó g Zubler, Mosby, 1959 volfrám párolgás oxihalogenidek képződése volfrám lerakódás +20% hatásfoknövekedés
Infravörös tükör IR +30% hatásfoknövelés
Efficacy [lpw] Az izzólámpák fejlődése 40 35 Based on 60 Watts, 120 Volts and 1000 hours Life 30 25 IR Filter 20 15 10 5 Gas Filled Drawn Wire Tungsten GEM Carbon Coiled Coils Halogen 0 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 Year
Nagynyomású kisülőlámpák Az anyagtudomány sikerei
Nagynyomású kisülőlámpák GE fejlesztések 1934 Az első nagynyomású higanylámpa 1955 Áttetsző alumínium-oxid (Lucalox) Robert L. Coble, GE 1961 Nagynyomású nátriumlámpa (Lucalox) William Louden, Kurt Schmidt and Elmer Homonnay, GE 1962 Az első fémhalogén lámpa Gilbert Reiling, GE
Nagynyomású higany és fémhalogén Kvarc bura High Pressure Mercury LPW 36 CRI 45 Quartz Metal Halide, QMH LPW 84 CRI 65
Nagynyomású nátrium és kerámia fémhalogén Kerámia bura High Pressure Sodium. HPS LPW 86 CRI 25 Ceramic Metal Halide, CMH LPW 90 CRI 88
Fénycsövek 1938 George Inman and Richard Thayer, GE Az első kereskedelmi forgalomba került fénycső (Mazda-F)
Fénycsövek működése fénypor üveg elektróda Töltőgáz és higany ballast fénypor nélkül fényporral Hg UV emisszió Fénypor lumineszcencia
Hg content [mg] T12 T12-WM System LPW T8- Tri T5 T8- WM T5WM A fénycsövek fejlődése 120 100 Rendszer hatásfok System LPW 80 60 40 20 0 1938 1972 1981 1995 2001 2011 1938 1972 1981 1995 2001 50 40 30 20 10 0 `1980 2001 2009 Today
Fényforrások fejlődése fémhalogén LED lámpa kompakt fénycső izzó halogén Source U.S. DOE SSL R&D Multy-Year Program Plan, 2011
Light Emitting Diode, LED 1962 Nick Holonyak, GE Az első, látható fényt kibocsátó dióda
A LED technológia fontos állomásai vörös LED Nick Holonyak, GE 1993: kék LED 1996: fehér (fényporos) LED http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physic s/laureates/2014/popular-physicsprize2014.pdf
Fehér LED elektróda lencse fénypor A fehér LED emissziós spektruma fénypor contact kékled kék LED 1 atom
Az első felvevőpiac: kijelzők Nagyteljesítményű LED piac, 2010 LED eladások: $10,800 MM világítás 8% 92% szórakoztató elektronika
Piaci analógia Az önálló cserepiactól az integrált rendszerek felé Vákuumtechnológia Rövid élettartamú alkatrészek Jelentős cserealkatrész-piac Félvezetők Hosszú élettartamú alkatrészek Moduláris felépítés vagy integrált rendszer Szűk cserealkatrész-piac
A LED-ek fejlődése Source: http://energy.gov/sites/prod/files/2015/06/f22/ssl_rd-plan_may2015_0.pdf CFL A LED hatékonyabb a hagyományos fényforrásoknál A LED ára is versenyképes
Organic Light Emitting Diode, OLED 2008 GE unveils the world s first demonstration of Roll-to-Roll processed OLEDs
OLED market segments
Biokémiai fényforrások szentjánosbogár Luciferin: Luciferin + O 2 oxi-luciferin + h A biokémiai fénykeltés hatásfoka: ~90%
Dióda lézer (Laser diode) 3-5nm US3,245,002 30-50nm 1962 Solid state laser Bob Hall, GE
Fényforrások családfája Incandescent Fluorescent High intensity discharge Solid-state lighting HAL LFL CFL HPS QMH CMH LED LD OLED
Többfunkciós eszközök svájci bicska dugóhúzó konzervnyitó... okos telefon ébresztőóra naptár fényképezőgép zseblámpa... LED világítótest internetcsatlakozási pont? Mit hoz a jövő???
1 bit információ 40
Hangtovábbítás napfénnyel Photophone - Alexander Bell 1880 41
A fényforrások fejlődése LED: rövid válaszidő (25-130ns) gyors kapcsolásra alkalmas hosszú válaszidő ki-be kapcsolásra érzékeny LED lámpa kompakt fénycső izzó halogén izzó
Fényforrás opciók Fényforrás Spektrum Modulációs sávszélesség Optikai csatornák száma Moduláció Fehér LED < 5MHz 1 egyszerű összetett Legnagyobb adatátviteli sebesség < 40 Mbit/s < 1 Gbit/s RGB LED < 25 MHz 3 egyszerű összetett < 100 Mbit/s < 3 Gbit/s Lézerdióda < 1000 MHz 3 36 összetett összetett < 14 Gbit/s < 100 Gbit/s
Adatátvitel fénnyel 01001101 10010010 01010111 01001101 10010010 01010111 Lámpatest Nagysebességű internet kapcsolat Adatátvitel modulált fénnyel Mobile eszköz kamera (fotodióda)
Beltéri navigáció: ahol a GPS már nem működik Helymeghatározás fény-jel alapján Beltéri térkép a mobil eszközön Alkalmazások: Üzletek Bevásárlóközpontok Repülőterek Pályaudvarok Kórházak Iskolák Múzeumok 45
Hely alapú szolgáltatások Helymeghatározás fény-jel alapján A valós és virtuális tér összekapcsolása Személyre szabott, a helynek megfelelő mobilszolgáltatás Termék infomáció Helyhez kötött promóció Kiterjesztett valóság 46
Nagysebességű adatátvitel fény segítségével iroda kórház 01001101 10010010 01010111 01001101 01001101 10010010 10010010 01010111 01010111 01001101 10010010 01010111 01001101 10010010 01010111 01001101 01001101 10010010 10010010 01010111 01010111 01001101 10010010 01010111 gyártósor 5G hálózat - optikai atto-cella Biztonságos: a fény nem hatol át a falon Nagy adatsűrűség: WiFi-hez képest több felhasználó kapcsolódhat Ott is alkalmazható, ahol rádió eszközök használata nem megengedett 47
Intelligens világítási rendszer Világítás és IT infrastruktúra összekapcsolása: Fotonika+IoT LED világítótest internet kapcsolat beépített érzékelők szoftver adatelemzés felhő alapú szolgáltatás 01001101 10010010 01010111 01001101 10010010 01010111 GE Predix Cloud 48
laszlo.balazs@ge.com