Korszerű belső megvilágítási rendszerek
Elmélet és gyakorlat
A megvilágítási rendszerek területén már nem csak az elektromos paramétereket és az energiahatékonyságot veszik figyelembe. A gyártók egyre inkább hangsúlyozzák termékeik átfogóbb és finomabb előnyeit is. Mire irányulnak a beszállítók erőfeszítései, és hogyan járulhatnak hozzá az új technológiák mindennapi életünk kényelmének javításához?
Miután a LED-technológia átvette az uralmat a világítási rendszerek piacán, nem állt le a fejlődés. Annak ellenére, hogy a félvezetős konstrukciókat szinte minden tipikus megvilágítással kapcsolatos alkalmazásban használják, a gyártók folyamatosan felülmúlják önmagukat, és arra törekszenek, hogy termékeiket még tovább fejlesszék. Ráadásul, miután a termékek teljesítménye hatalmasat fejlődött, a mérnökök ma már a megoldások egyéb szempontjaira koncentrálnak, mint például: a felhasználói kényelem, a természetes fény utánzása, a szabályozható színmelegség és egyéb paraméterek. A Bridgelux híres az e téren elért innovációkról, és termékválasztéka tökéletesen illusztrálja a világpiacok aktuális trendjeit. Ez a cikk a LED-es világítási rendszerek funkcióival és alkalmazásaival foglalkozik, és kitér arra is, hogy a vezető beszállítók által kínált élvonalbeli termékek hogyan felelnek meg a legigényesebb megoldások alkalmazásából eredő igényeknek.
Ez a cikk az alábbi kérdéseket tárgyalja:
- Milyen fényt érzékelünk „természetes fényként”?
- Mi az a színvisszaadási index?
- Mit értünk a fény „színhőmérsékletén”?
- Mik a LED-alapú fényforrások előnyei és korlátai?
- Miért nem csak a paraméterek mutatják a LED-ek minőségét?
- Milyen hatékonyságú megvilágítás a Thrive™ technológia és mennyire hasonlít a természetes fényforrásokhoz?
- Mit takar az elnevezés: emberközpontú világítás?
- A LED-es fényforrások hasonlóak-e a klasszikus izzókhoz?
- Alkalmasak-e az energiahatékony fényforrások bevásárlóközpontok számára?
MESTERSÉGES FÉNY – ELMÉLET ÉS GYAKORLAT
A kiindulási pont ebben a témában az, hogyan érzékeli az ember a színeket, valamint néhány, az optikával és a megvilágítással kapcsolatos kérdés. Érdemes a lehető legátfogóbban megközelíteni a témát, szem előtt tartva, hogy az elemzés teljes mértékben gyakorlatias legyen.
Színek érzékelése emberi szemmel
A definíciót tekintve a szín nem más, mint az elektromágneses sugárzás hullámhossza. Ha a sugárzás frekvenciáját az emberi szem által regisztrált spektrum határolja, akkor azt a köznyelvben „fénynek” (tudományos kifejezéssel élve látható fénynek) nevezzük. Ezek a frekvenciák körülbelül 400 és 790 THz között mozognak, azaz a hullámhosszuk 380 nm (vörös) és 750 nm (ibolya) között van. Amit az emberek „fehér” fényként érzékelnek, az a különböző hullámhosszok keveréke, érzékszerveink alkalmazkodtak ahhoz, hogy a napfényt „természetes” fehérnek érzékeljék. Ezért amikor „természetes fényről” beszélünk, a nappali fényt tekintjük referenciapontnak (bár valójában a Földet érő napsugárzás nem tökéletesen homogén).
Elmélet, technológia, gyakorlat
Biológiai okokból a nappali fény a legkényelmesebb fény az emberi szem számára. Emellett optimális megfigyelési körülményeket biztosít. Mindezek alapján feltételezhető, hogy egy mesterségesen megvilágított tárgy csak akkor tűnik számunkra „olyannak, amilyen valójában”, ha a megvilágításhoz napfényt utánzó lámpákat használunk. Ez a jelenség két fontos technológiai kérdést befolyásol.
Először is, az optimális beltéri megvilágítás kérdése valóban jelentős, különösen a munka- és tanulóhelyiségek esetében, ahol hosszabb időt töltünk. A legtöbb országban helyi előírások szabályozzák az irodákba, termelési létesítményekbe stb. telepített megvilágítási rendszerek tulajdonságait, hogy megóvják a személyzetet, a látogatókat és az ügyfeleket attól, hogy sok időt töltsenek olyan körülmények között, amelyek káros hatással lehetnek (fizikai és mentális) egészségükre.
Néhány a legfontosabb területek közül, ahol a cél a „természetes” színek minél pontosabb visszaadása az objektív megfigyelési eredmények biztosítása érdekében: a nyomtatás, textilipar, kémia (festőműhelyek), valamint gyógyászat (diagnosztika, sebészet) és egyéb tudományok. A megvilágítás olyan területeken is létfontosságú, mint a fényképészet, a filmkészítés és a televíziózás. Nyilvánvaló, hogy ezeken az alkalmazási területeken a fényárnyalat szándékos manipulálása meglehetősen gyakori (a halványkék világítás éjszakát imitál, a narancssárga világítás pedig tüzet stb.), de manapság minden ilyen hatást általában a gyártás utáni színkorrekciós szakaszban, a semlegesen felvett anyag feldolgozásával vezetnek be. Hasonló a helyzet az értékesítésben és a marketingben is, azaz ha egy beszállító egy terméket úgy akar lefényképezni, hogy a vásárló a katalógusban vagy a képernyőn valósághűen lássa az árut, akkor „természetes” fényt kibocsátó lámpákat kell használni. Ugyanez vonatkozik a kirakatok/üzletek megvilágítására is.
Színvisszaadási index (CRI)
Ezen a ponton teljesen nyilvánvalónak kell lennie, hogy a fény „természetességének” kérdése nemcsak fontos, hanem nagyon átfogó és szubjektív, mivel az emberi agy hajlamos önkéntelenül korrigálni a megfigyeléseit a megvilágítás függvényében, és látásunk fogékony az optikai csalódásokra. Annak megállapítása, hogy egy izzó vagy más megvilágítási célokra használt eszköz által kibocsátott sugárzás valóban hasonlít-e a nappali fényhez, az összetevők és azok intenzitása tekintetében, pontos mérések elvégzését igényli a frekvenciák széles spektrumában. Ennek egyszerűsítésére, egyetlen értékre való redukálásával, általában a CRI-indexet használják.
A CRI (Colour Rendering Index) a színvisszaadási indexet jelenti. A CRI-értékek 0 és 100 között mozognak, ahol a felső határ az átlagos napsugárzás ideális utánzását jelzi (a látható spektrumon belül). A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy az ilyen fényforrással megvilágított tárgyak az emberi szem vagy a kamera érzékelői számára ugyanúgy jelennek meg, mint a tiszta égbolt alatt, egy napsütéses napon. Az optimális érték CRI ≥ 80 (háztartási vagy közüzemi helyiségek megvilágítása), míg a 90-et meghaladó CRI gyakorlatilag csak professzionális környezetben szükséges (orvosi alkalmazások, kiállítások stb.).
TM-30 rendszer
Megjegyzendő, hogy a fény „természetességére” nincs tudományos definíció, ami a kérdés szabványosítására kifejlesztett, egymással versengő megoldások sokaságát eredményezi. A CRI az egyik ilyen megoldás, amely elég jól bevált, mivel az 1960-as évek óta alkalmazzák, és világszerte elfogadott szabvány. Mindazonáltal a CRI-méréseket csak nyolc színmintán végzik (R1-től R8-ig – lásd az 1. ábrán). Ezt az elképzelést tovább formálta az Illuminating Engineering Society által ajánlott tágabb és szigorúbb TM-30 rendszer, amelyet ezen a néven az Amerikai Nemzeti Szabványügyi Intézet (ANSI) is elfogadott. A TM-30 módszertan 99 árnyalatot határoz meg, 15 színből (R1–R15 jelöléssel) származtatva. Minden egyes árnyalatnál méréseket végeznek, hogy ne csak a színvisszaadási indexet, hanem a színtelítettségi fokot is vizsgálják a vizsgált fényforrás általi megvilágításkor, így a vizsgálati eredmények pontosabbak és a konkrét alkalmazási paraméterekhez kapcsolhatók.
1. ábra Az IES-tesztekben használt színek: 15 alapszín és 99 kiegészítő (alkotó-) szín
Hogyan kapcsolódik a CRI a fényhőmérséklethez?
A fény színhőmérséklete nincs közvetlen kapcsolatban a CRI-vel, mivel a mesterséges fény színeinek emberi érzékelésére utal, de nem arra, hogy ez a fény milyen pontosan adja vissza a tárgyak színeit, amelyekről visszaverődik (a skálák közötti közvetett kapcsolatot alább ismertetjük). A LED izzókat úgy lehet kialakítani arra, hogy (szó szerint) semleges fényforrás benyomását keltsék, hogy sugárzásuk csak néhány, kiegyensúlyozatlan frekvencia keveréke. Egy ilyen fényben bizonyos színek intenzívebbnek vagy kevésbé intenzívnek tűnnek, „mint amilyenek valójában”. Ezzel a jelenséggel néha olyan körülmények között is találkozhatunk, ahol a legkevésbé várható, ahol fontos lenne a színek természetessége, mégis előfordul, hogy ismert személyek, mint politikusok és hírességek arra panaszkodnak, hogy arcszínük egészségtelennek vagy nem igazán vonzónak tűnik az energiatakarékos reflektorok fényében. Másrészt a múzeumokban néha a semlegesnél „melegebb”, de nagyon magas CRI-vel (pl. 95) rendelkező fényt használnak, amely azt az illúziót kelti a látogatókban, hogy a kiállítási tárgyakkal nyugodt reggeli vagy délutáni megvilágítási körülmények között találkoznak, miközben lehetővé teszik a színek árnyalatainak megfigyelését.
A CCT (korrelált színhőmérséklet) egy olyan skála, amely a fény hőmérsékletének emberi érzékelését egy bizonyos hőmérsékletre felmelegített tökéletes fekete test felülete által kibocsátott sugárzással hasonlítja össze. Ezt a skálát világosabban ábrázolja egy felmelegített fém- vagy klasszikus izzószál analógiája, amely a hőmérséklet növekedésével vörös, majd narancssárga (kb. 1500 K – gyertyaláng), majd sárga (kb. 3000 K – felkelő nap), végül pedig fehér (4000-5000 K – semleges fehér) színűvé válik. A skála a továbbiakban a hideg, azaz kékes színű fényként meghatározott fényt (6000 K-től felfelé), egészen az égszín (10000 K) színéig osztályozza (nem véletlenül). Ezek a köztes értékek meglehetősen gyakoriak, mivel a gyártók az izzólámpák, fénycsövek, LED-szalagok és egyéb világítási rendszerelemek csomagolásán és burkolatán adják meg őket. A CCT kulcsfontosságú érték a színvisszaadási index meghatározására szolgáló tesztek elvégzésekor, amelyek relatív (azaz a napfényhez viszonyított) méréseken alapulnak. Például egy meleg fényt kibocsátó LED-szalag CRI-értékének mérésekor egy megfelelő napszakot vagy egy hasonló CCT-értékkel rendelkező izzóforrást veszünk referenciának.
2. ábra A meleg árnyalat ellenére a magas CRI-vel rendelkező megvilágítás nem nyomja el a kék árnyalatok intenzitását
A LED mint fehér fényforrás
A félvezetők, különösen a LED-ek fényforrásként való alkalmazása előnyökkel és hátrányokkal egyaránt jár. A technológia előnyei általánosan ismertek, és közéjük tartozik a kiváló energiahatékonyság (az energia nagy része elektromágneses sugárzássá alakul át, nem pedig hővé, mint az izzóforrások esetében), a kis alkatrészméret, a megoldások széles és változatos skálája, a széles körű beállítási lehetőségek stb. Másrészt sajnos a LED-technológiát bizonyos korlátozó követelmények jellemzik. Ezek főként a tápellátási paraméterek viszonylag szűk sávjához kapcsolódnak, ami megfelelő (állandó feszültségű vagy állandó áramú) tápegységmodulok alkalmazását igényli, ami viszont a skálázhatóság akadályozását eredményezi. Szerencsére ezekkel a problémákkal a fogyasztók nem találkoznak, akik többnyire kondenzátoros, transzformátor nélküli átalakítókkal felszerelt, hagyományos menetes foglalatokhoz gyárilag igazított szabványos LED-izzókat vásárolnak. A szerelőket, tervezőket és gyártókat azonban érinthetik bizonyos technológiai korlátok. Ezek főként olyan részletekkel kapcsolatosak, mint a CRI-tényező, a hőelvezetés vagy a kábelek kiválasztása, amelyek célja a hosszabb tápvezetékeken belüli egyenfeszültség-csökkenések semlegesítése.
Néhány rövid elméleti szempont
A LED-szerkezetek által kibocsátott fény akkor szabadul fel a két különböző félvezetőből álló átmenetben, amikor az áram hatására az elektronok magasabb energiaállapotból alacsonyabb energiaállapotba váltanak. Az energiafelesleg elektromágneses sugárzássá alakul át. Ez a sugárzás mindig jelen van, minden diódatípus esetében, de a LED-ek (Light Emitting Diodes, fénykibocsátó diódák) esetében az anyagokat, amelyekből az átmenet készül, úgy választják ki, hogy a felszabaduló energia a látható spektrumba tartozó frekvenciákon generáljon sugárzást, vagy laikus nyelven szólva, hogy a csomópont izzani tudjon. Itt válik nyilvánvalóvá a félvezető-alapú megvilágítási forrás két legfontosabb jellemzője: először is, egyenáramú tápegységre van szükség; másodszor, a LED-szerkezet által kibocsátott sugárzás mindig egy szűk hullámhossztartományba esik, azaz az emberi szem úgy érzékeli, mintha a LED csak egy színt bocsátana ki. Ez a gyártási szakaszban kiválasztható a félvezetők megváltoztatásával vagy keverésével, amelyekből az átmenet készül, azonban maga az alkatrész működési elve nem teszi lehetővé, hogy egyetlen struktúrán belül több színt sugározzon.
3. ábra A łódź-i TME irodaház „animált” homlokzatát több ezer RGB LED borítja
Fehér LED – illúzió és alkímia
Ahhoz, hogy a LED-eket fehér fény (valójában színkeverék) kibocsátására lehessen használni, további lépéseket kell tenni. Erre a problémára két népszerű megoldás létezik. Az első egy több tíz éve, a televízióban alkalmazott módszer, azaz három szín, a zöld, piros és kék (tehát RGB – red, green, blue) nagyon kis távolságból történő kibocsátása, amelyet diffúziónak vetnek alá, vagy jelentős távolságból figyelnek, hogy „összeolvadjanak” és létrehozzák a fehér fény illúzióját. A második technológia során a csatlakozót foszforalapú lumineszcens anyaggal vonják be, amely (általában kék) sugárzással gerjesztve széles színspektrumú fényt bocsát ki. Az optimális kémiai összetételű anyagok használata racionalizálja azoknak a kompakt alkatrészeknek a tömeggyártását, amelyek alapján például izzólámpákat vagy LED-szalagokat terveznek. Természetesen az olyan tényezők, mint a felhasznált anyag minősége (azaz összetétele és tisztasága) és pontos alkalmazása kulcsfontosságúak, ami viszont a teljes alkatrész élettartamával függ össze. Mindez megköveteli a minőségellenőrzési folyamatokba és átfogó laboratóriumi vizsgálati létesítményekbe való befektetést. Éppen ezért a márkás termékek olcsó helyettesítőinek számító LED-ek használata legtöbbször a spórolás ellenkezőjét jelenti. Ezen a ponton itt az ideje, hogy befejezzük elméleti fejtegetéseinket, és áttérjünk a LED-ek tökéletesítésére alkalmazott technológiákra, amelyek az emberi igényeknek és a biológiának tökéletesen megfelelő fényforrássá teszik őket.
GYÁRTÓI MEGOLDÁSOK
A színvisszaadással, a megvilágítással és annak az emberekre gyakorolt hatásával kapcsolatos kérdések sok vita és kutatás tárgyát képezik, amelyekben a világítástechnikai gyártók véleménye és hozzájárulása rendkívül értékes. A fogyasztók megelégedésére a szállítók igyekeznek egyre megfizethetőbb és hatékonyabb megoldásokat kínálni, és innovatív technológiákat mutatnak be az energiahatékony fényforrások javítására. Az optoelektronikai alkatrészek beszállítói élen járnak ebben, mivel az ő termékeiket használják fel a lámpák, izzók, fénycsövek, szalagok és más termékek tervezésénél, amelyek aztán a boltok polcaira kerülnek. Ez egy áttekintés az egyik világvezető globális LED-beszállító, a Bridgelux által kínált termékkínálatról és technológiákról.
Thrive™ technológia
A Bridgelux Thrive™ termékcsalád SMD LED-eket és LED COB-okat (Chip-On-Board – egy olyan miniatürizálási módszer, amelyben a félvezető-struktúrák közvetlenül a nyomtatott áramkörhöz kapcsolódnak) tartalmaz. Az előbbi esetben a ház egyetlen LED-szerkezetet foglal magába, míg az utóbbi esetben a struktúrák sűrűn vannak elhelyezve egy közös kerámia- vagy fémalapon, és ezt követően lumineszcens anyagréteggel vannak bevonva. Az ilyen termékek a Bridgelux által kifejlesztett ASD (Average Spectral Difference) technológián alapulnak, amely a természetes fénytől való átlagos spektrális eltérés méréséből áll. Így az ilyen LED-ek előállításához kék foszfort használnak (szemben a Bridgelux ibolyaszínű foszfort használó versenytársaival), ami növeli a kibocsátott fény cián színárnyalatának intenzitását, közelíti a megvilágítást a napfény spektrumához, és egyúttal növeli az alkatrész élettartamát. Ez lehetővé tette a gyártó számára, hogy kiváló színvisszaadási indexértékeket érjen el (95 vagy 98 a CRI szerint, több mint 90 a TM-90 szerint), ami a felhasználók számára nagyfokú kényelmet és az alkatrészek professzionális alkalmazásokhoz, például tévéstúdió megvilágításához való felhasználásának lehetőségét jelenti. A Thrive™ termékcsalád termékei diódák és teljesítménydiódák (0,2-2,4 W) formájában kaphatók, amelyek hatásfoka eléri a 144 lm/W-t. Szabványos 2835-ös tokozásban és 13,5 × 13,5 mm-es alapterülettel modulokban vannak elhelyezve (magasság – 1,7 mm), és széles, jellemzően 120°-os fluoreszcencia-szöggel is büszkélkedhetnek. Változatos színhőmérsékletű, azaz 2700 K és 6500 K közötti változatokban kaphatók, és ez a paraméter bizonyos modelleknél állítható.
4. ábra Az utcai lámpák színárnyalata jelentősen befolyásolhatja a járművezetők koncentrációs szintjét
Hangolható fehér – emberközpontú tervezés
A fent említett fényhőmérséklet-beállítás az egyre népszerűbbé váló Human Centric Lighting (HCL) témakörhöz kapcsolódik, amely különösen az építészek és belsőépítészek körében vált népszerűvé. Ez azt hangsúlyozza, hogy a mesterséges belső megvilágítást az emberi igényekhez kell igazítani. Ezt például úgy érik el, hogy a megvilágítással visszaállítják a természetes fényciklust, azaz a színhőmérsékletet a napszaknak megfelelően változtatják (reggel és este melegebb árnyalatokkal). Néhány kapcsolódó technika alkalmazható a koncentráció vagy éppen ellenkezőleg, a relaxáció serkentésére. Összességében így érhető el az optimális megvilágítás háztartási, iskolai, kórházi vagy irodai körülmények között. Az ilyen alkalmazásokban jól jöhetnek a Bridgelux Vesta® sorozat termékei, amelyek lehetőséget nyújtanak a színhőmérséklet beállítására (a hangolható fehér technológiának köszönhetően). Különböző tartományokban állítható be: 1800-3000 K-től 2700-6500 K-ig. Az ilyen alkatrészek névleges teljesítménye 8,7 W és 31,8 W között mozog (fényerő 3980 lm-től). A kiválasztott modelltől és CCT-értéktől függetlenül az alkatrészek által kibocsátott fény legalább 90-es CRI-értéket ér el, ami még professzionális alkalmazásoknál is kielégítő.
5. ábra Egyetlen LED fényereje akár 3980 lm is lehet
Dim-to-Warm LED
A LED-es fényforrások egyik hátránya, hogy szokatlanul viselkednek, amikor az áram korlátozásával tompítják őket (és ezt a technikát leggyakrabban a saját tápegységmodulokban alkalmazzák). Amint az intenzitás csökken, a fény színe „hűvösebb” lesz. A legtöbb felhasználó számára ez a jelenség nem érthető, és gyakran kontraproduktív, mivel a lámpa fényerősségének csökkentése melegebb megvilágítást kellene, hogy eredményezzen, mint a klasszikus izzók vagy halogén fényforrások esetében. A Vesta® sorozat részeként a Bridgelux olyan LED-eket kínál, amelyek a hagyományos fényforrások, azaz a Dim-to-Warm termékek viselkedését utánozzák. Teljes teljesítményen üzemelve (akár 109,3 W-ig) 3000 K hőmérsékletű fényt termelnek, és az intenzitás csökkenésével a hőmérséklet ennek megfelelően csökken, egészen 1800 K-ig.
F90™ technológia
A piacon kapható optoelektronikai megoldások paramétereinek elemzése során megfigyelhető, hogy a magasabb CRI-értékek jellemzően alacsonyabb hatékonysággal járnak együtt. Ez a LED-szerkezeteket bevonó anyagok tulajdonságainak köszönhető, vagyis azoknak, amelyeket a félvezető-szerkezet által kibocsátott homogén sugárzás széles fényspektrumúvá alakítására használnak. Az ilyen megoldásokban hagyományosan vörös nitridalapú lumineszcens anyagot használnak. A Bridgelux F90™ sorozat termékei azonban más anyagot használnak, azaz egy keskenysávú vörös, PFS-alapú (kálium-fluorszilikát) lumineszcens anyagot. Ez magas színvisszaadási indexet (CRI 90-nél) biztosít olyan teljesítmény mellett, amely a versenyképes megoldásokban körülbelül 80-as CRI-értéket tesz lehetővé. Ez a hatékonyság akár 204 lm/W hatást eredményez.
A PFS alkalmazása a vörös színsávban is növeli a kibocsátott fény intenzitását, ami üzlethelyiség- vagy kijelzőmegvilágítási alkalmazásokban szükséges. Ezért a Bridgelux az F90™ termékeket főként ruházati boltokba vagy bevásárlóközpontokba szánt megvilágítási források, pl. hosszanti lámpatestek, csarnokvilágítók, spotlámpák stb. gyártásához használt alkatrészekként ajánlja. Az F90™ termékek a szabványos 2835-ös tokozásban vannak elhelyezve, és 0,2 W teljesítményűek.
6. ábra Az F90™ alkatrészek tipikus 2835-ös tokozásban vannak elhelyezve
A TME termékkatalógusában bőséges kiegészítő termékválaszték található, amely segít a LED fényforrások és az itt teljeskörűen bemutatott termékek kiválasztásában. Ide tartoznak a tápegységmodulok, hűtőbordák, és LED szalagokhoz való alumíniumprofilok.
TME Hungary Kft.
1146 Budapest, Hungária körút 162.
Tel.: +36 1 220 67 56
E-mail:
https://www.tme.eu/hu/news/about-product/page/57710/korszeru-belso-megvilagitasi-rendszerek-elmelet-es-gyakorlat/
