Svetloba in barve – 5. del. Varčna svetila | Satcitananda – Inštrukcije Riki

Svetloba in barve – 5. del. Varčna svetila

V prispevku Svetloba in barve – 4. del smo ugotovili, da klasične žarnice na žarilno nitko ne morejo biti varčne. V zadnjih 20 letih so jih začele izpodrivati fluorescentne sijalke in svetila na svetleče diode ali LED (Light Emitted Diodes).

Princip oddajanja svetlobe je pri obeh svetilih enak: vzburjeni elektroni spontano padajo v nižja energijska stanja in oddajajo svetlobne delce – fotone. Spremembo energije elektrona in frekvenco izsevane svetlobe povezuje enačba:

\Delta W=h\,\nu

kjer je:

  • ΔW: energijska razlika med dvema stanjema elektrona
  • h: Planckova konstanta
  • ν: frekvenca izsevane svetlobe

Fluorescentna sijalka in LED sijalka se razlikujeta po načinu vzburjanja elektronov:

  • Fluorescentne sijalke  so običajno napolnjene z živosrebrno paro, ki je pod nizkim tlakom. Če teče skozi paro tok, oddaja visoko energijsko UV sevanje, ki pa ga ne vidimo. Šele ko UV žarki zadenejo fluorescentni premaz snovi, se elektroni v snovi vzburijo in med padanjem na nižji energijski nivo oddajajo svetlobo. Od premaza cevi zavisi barva svetlobe.
  • Pri LED med rekombinacijo elektronov in vrzeli v PN  spoju padajo elektroni na nižji energijski nivo in oddajajo delce svetlobe – fotone. Pojavu pravimo elektroluminiscenca.

Uporaba visoko svetlečih LED diod, ki oddajajo svetlo modro ali belo svetlobo,  temelji na izumu treh japonskih fizikov sredi 90 let prejšnjega stoletja (Isamu Akasaki, Hirosi Amano, Suji Nakamura – Nobelovi nagrajenci za fiziko leta 1914). Tudi pri svetlečih diodah je barva sevanja odvisna od snovi, iz katerih je dioda. Za diode svetlo modre in bele svetlobe se uporablja galijev nitrit (GaN) in indij – galij nitrit (InGaN).

V nadaljevanju so opisane karakteristike, na katere moramo biti pozorni pri nakupu varčnih svetil.

Moč

Moč P ali priključna moč v wattih (vatih) [W] nam pove, koliko bo žarnica obremenila omrežje. S pomočjo tega podatka lahko izračunamo npr. tok skozi žarnico in to kasneje upoštevamo pri izbiri varovalk:

I=\frac{P\,[\text{W}]}{U\,[\text{V}]}

Če je žarnica narejena za 220 V omrežje, vzamemo U=220 V.

Svetilnost

Pri sevanju uporabimo namesto moč P raje izraz energijski tok, saj je moč energija deljeno s časom:

P=\frac{W}{t}

kjer je W energija sevanja [Ws=J – joule]

Skoraj celotni energijski tok žarnice gre v sevanje svetloba. Pri klasičnih žarnicah je le manjši del sevane svetlobe vidna svetloba, prevladujejo infrardeči (toplotni) žarki.

Žarnica lahko seva v vse smeri ali pa samo pod določenim kotom. Uporablja se prostorski kot Ω. Enota za prostorski kot je steradian, okrajšano ster.

steradian
Površina na krogli, ki jo osvetli svetilo v središču krogle pri prostorskem kotu Ω je:

S=\Omega\,r^{2}

Če seva svetilo v vse smeri, je površina enaka površini krogle z radijem r:

S=4\,\pi\,r^{2}

Polni kot v steradianih je torej:

\Omega=4\,\pi\,[\text{ster}]

En steradian pa je prostorski kot, ki da na krogli z radijem 1 na plašču krogle projekcijo površine 1 m².

Če je prostorski kot manjši, svetilo izseva več svetlobe samo v določeno smer. Pravimo, da se svetilnost v to smer poveča. Svetilnost ima oznako I in enoto W/ster:

I=\frac{P}{\Omega}\,[\text{W/ster}]

Običajno nas ne zanima celotna izsevana moč, pač pa samo moč vidne svetlobe. Upoštevati moramo tudi različno občutljivost očesa za različne barve. To je razlog, da v praksi raje kot watt uporabljamo fiziološko enoto lumen, skrajšano lm, svetilnost pa je:

I=\frac{P}{\Omega}\,[\text{lm/ster}]

Enota za svetilnost lm/ster se imenuje candela – krajšano cd. To je ena od osnovnih enot v Mednarodnem sistemu enot – SI.

V praksi se uporablja še gostota svetlobnega toka j:

j=\frac{P}{S}=\frac{P}{\Omega\,r^{2}}=\frac{I}{r^{2}}\,[\text{lm/m}^{2}]

To je mera za osvetljenost. Dobljena enota lm/m² se imenuje lux, skrajšano lx.

Povprečne vrednosti osvetljenosti so:

  • hodniki, skladišča 50 lx
  • predavalnice, pisarne, čitalnice 300 do 500 lx
  • laboratorij 750 lx
  • operacijske dvorane, fina mehanika >2000 lx

Koliko lumnov nam da svetilo z določeno močjo, je odvisno od samega svetila. Za približno 60 do 150 lumnov potrebujemo:

  • klasična žarnica: 8 do 10 W
  • fluorescentne sijalke 6 W
  • LED sijalke 1 W.

Ekvivalentna barvna temperatura

Spomnimo se na sevanje črnega telesa – glej Svetloba in barve 3. del. Pri nižjih temperaturah črnega telesa so poudarjeni rdeči odtenki sevanja, pri temperaturi Sonca dobimo belo svetlobo, pri višjih temperaturah je svetloba modra, vijolična in nevidna ultravijolična.

Pri sijalkah, ki jih dejansko ne segrevamo na visoke temperature, pa lahko govorimo le o ekvivalentni barvni temperaturi. Ekvivalentna barvna temperatura je temperatura črnega telesa, ki bi seval približno enako barvo svetlobe kot opazovano svetilo.

Na sijalkah so običajno naslednje oznake za barvo:

  • Topla bela – Svetilka ima barvno temperaturo okoli 2800 K in je po barvi svetlobe podobna klasični žarnici. Ima nižjo svetilnost. Primerna je za dnevne prostore.
  • Nevtralna bela – Svetilke imajo barvno temperaturo okoli 4000 K. Primerne so za delovne prostore.
  • Hladno bela – Svetilke imajo barvno temperaturo okoli 6000 K. Barva je rahlo modrikasta. Sijalke pri tej barvni temperaturi imajo najvišjo svetilnost.

Slika spodaj kaže, kakšne barve sevajo svetila na različnih temperaturah.

barvna temperatura

Primerjamo lahko fotografiji, posneti  s svetlobo fluorestentne  sijalke 4000 K – slika spodaj levo in z LED sijalko 2800 K – slika spodaj desno. Ozadje risbe je v obeh primerih belo. Pri desni sliki opažamo močno poudarjeno rumeno barvo.

vzorca-4000K-2800K

 

Indeks prikaza barv

Spekter varčnih sijalk ni zvezen, kar sicer velja za spekter, ki ga seva črno telo. Diskretne komponente v spektru svetlobe pomenijo veliko sevalno moč v ozkih frekvenčnih pasovih, kar deluje moteče.

Dve žarnici, ki oddajata na prvi pogled enako svetlobo, lahko različno obremenjujeta oko. Učinek se lahko zazna šele po daljši uporabi svetila. Če je spekter svetlobe zvezen, podoben spektru sonca, je svetloba mehka in stimulativna. Svetloba mnogih varčnih žarnic je ostra, obremenjujoča in lahko povzroči tudi glavobol. Analiza spektra žarnice in njegova primerjava s spektrom sončne svetlobe je zato bistvena pri izbiri svetila, saj omogoča vrednotenje kakovosti svetila. 

Diskretne komponente v sevalnem spektru imajo podoben moteči učinek kot diskretne frekvence (toni) ob belem Gaussovem šumu.

Primer spektra svetlobe, ki ga seva varčna sijalka (zelena barva), v primerjavi z zveznim spektrom dnevne svetlobe (črna barva), kaže spodnja slika.

spekter-svetil1
Odstopanje spektra sijalke od spektra sevanja črnega telesa določa indeks prikaza barv CRI (Color Rendering Index – CRI). CRI je vpeljala CIE (International Commission on Illumination), Pove nam, kako blizu je svetilo zveznemu spektru naravne svetlobe, torej kako prijetno je za oko.
CRI se določa na osnovi meritev spektra pri osmih valovnih dolžinah sijalke, ki jo želimo preizkusiti. Testne vzorce primerjamo s spektrom črnega telesa pri isti barvni temperaturi in opazovani barvi (valovni dolžini). Ugotovimo odstopanje ΔEi. Za vsak vzorec izračunamo indeks:

R_{i}=100-4,6\,\Delta E_{i}

ter ga povprečimo preko osmih vzorcev. Na ta način dobimo CRI.

Fluorescenčne žarnice imajo tipičen CRI med 55 in 85, pri čemer smatrajo, da so žarnice s CRI 80 do 85 že zelo dobre. Črno telo ima CRI 100, monokromatski laserski žarek pa 0.

Sijalke imajo pogosto izpisano komercialno oznako, ki nam približno pove njen indeks prikaza barv (CRI ali Ra). LED sijalke imajo Ra >80, fluorescentne sijalke pa >90.

Svetila s celotnim spektrom

Idealno svetlobo za nadomeščanje in dopolnitev dnevne svetlobe bi dalo črno telo, segreto na okoli 5400 K. Podobno kot Sonce bi imela ta svetloba zvezni spekter z vrhom na področju vidne svetlobe. Na človeka bi delovala stimulativno, omogočila bi zdravo življenje in ustvarjalno delo.

Namesto črnega telesa bi lahko v isti namen uporabili tudi fluorescentne sijalke, v kateri pa bi morala biti mešanica fluorescentne prevleke skrbno izbrana tako, da bi sevala praktično vse frekvence na področju vidne, infra in delno UV svetlobe. Taka sijalka ima različne oznake: sijalka s celotnim (polnim) spektrom (Full Spectrum Light), sijalka s pravo svetlobo (True Light), sijalka z življenjsko svetlobo (Vita Light). Omogoča stimulativno počutje za ustvarjalno delo. Uporablja se kot nadomestek ali dopolnilo dnevni svetlobi.

Kakšne so njene lastnosti:

  • njena barvna temperatura mora biti čim bližja 5500K
  • imeti mora CRI96
  • spekter mora biti čim bolj zvezen
  • imeti mora zdravi nivo UV sevanja

Sijalko s polnim spektrom dnevne svetlobe lahko uporabljamo tudi v medicinske namene zlasti za zdravljenje depresije, ki je posledice pomanjkanja dnevne svetlobe (npr. pomanjkanje svetlobe v polarnih krajih, podzemnih bunkerjih itd.) V prostoru s temi sijalkami uspevajo tudi zelene rastline, saj omogoča fotosintezo.

O učenju

I cannot teach anybody anything, I can only make them think.

Socrates

Varčne sijalke

Kaj so LED in fluorescentne sijalke? Kaj je moč, lumen, luks? Kaj so barvne temperature in kaj je indeks prikaza barv?

Priporočila na spletu

Facebook stran