Aydınlatma Tekniği_Lambalar. Doç. Dr. Önder Güler IŞIK

Transkript

1 Aydınlatma Tekniği_Lambalar Doç. Dr. Önder Güler IŞIK Göze etki eden özel bir enerji şekli olup dalga veya foton şeklinde yayıldığı kabul edilir. Eletromagnetik dalgalar dalga uzunluklarına göre sıralanacak olurlarsa elektromagnetik spektrum (tayf) elde edilir. Bu tayfın 380nm ile 780nm dalga uzunluklu kısmı ışık olarak adlandırılan bölgedir. 1

2 Işık kaynağı seçiminde etkin olan faktörler: a) Etkinlik faktörü, b) Ömür, c) Fiyat, d) İşletme basitliği, e) Işık rengi sıcaklığı, f) Renk ayırt ettirme yeteneği, g) Biçim kompaktlığı ve estetik çözümlere uygunluk. Işık akısı (lm) Işık kaynağından çıkan ve normal gözün gündüz görmesine ait spektral duyarlık eğrisine göre değerlendirilen enerji akısına denir. = K o F V K o = enerji akısının fotometrik eşdeğeri F = enerji akısı (W) V = gözün spektral duyarlığı veya radyosyanların görülebilme faktörü Etkinlik faktörü (e) Birim: lm/w Bir ışık kaynağından çıkan toplam ışık akısının kaynağın gücüne oranıdır. e = / P 2

3 Ömür Ekonomik ömür: İstatistiksel bakımdan değerlendirmeye yetecek sayıda lambadan oluşan bir aydınlatma tesisatında, 100 saat kullanımdan sonraki toplam ışık akısının lambaların kullanılamaz hale gelmesi ve ışık akılarının azalmasından dolayı yaklaşık %30 değer kaybetmesi için geçen süredir. Ortalama ömür: İstatistiksel bakımdan değerlendirmeye yetecek sayıda lambadan oluşan bir aydınlatma tesisatında, normal şartlarda lambaların %50 sinin kullanılamaz hale gelmesi için geçen süredir. Renk sıcaklığı Birim: Kelvin ( K ) Eğer bir cisim, üzerine düşen değişik dalga boylarındaki radyasyonların hepsini yutabiliyorsa bu cisme siyah cisim denir ve siyah cismin spektral yutma faktörü teorik olarak 1 kabul edilir. Yutma faktörü 1 olan cisimler ise üzerlerine gelen ışığın tüm dalga boylarını yutarlar. Bu bağlamda renk sıcaklığı, siyah bir cisme ısı enerjisi verildiğinde önce ısınmaya başlayacak sonra sarımsı, sarı, sarı beyaz ve sonunda mavi beyaz bir ışık yayacaktır. Işık kaynaklarının ışık rengi, tayflarındaki ışınım yoğunluklarının farklı şekilde olmalarına bağlıdır. Bir cismin gerçek sıcaklığı yerine renk sıcaklığı adı verilen bir sıcaklık konduğu zaman o sıcaklıktaki siyah cisim gibi ışık yaydığı sıcaklığa renk sıcaklığı denir. Renk sıcaklığı ( K) Işık rengi < 3300 Sıcak (kırmızımsı beyaz) Orta sıcak (beyaz) >5300 Soğuk (mavimsi beyaz) 3

4 Renksel geriverim endeksi (R a ) Işık kaynaklarının aydınlattıkları cisimlerin renklerini ayırt ettirebilme özelliklerine renksel geriverim endeksi denir. Değişik ışık kaynaklarının renksel karakteristiklerini karşılaştırabilmek için renksel geriverim indeksi (Color Rendering Index CRI) kullanılmaktadır. Bir referans kaynak ile çeşitli ışık kaynaklarının bu karakteristikleri ölçülebilmektedir. Bu ölçümlerde, spektrumu sürekli olan güneş referans alınmaktadır. Renksel geriverim R a ile gösterilir ve birimi yoktur. Bir ışık kaynağının renksel geriverim indeksi, maksimum olan 100 değerine sahipse (Ra=100), o kaynağın spektral dağılımları alınan referans kaynak ile aynı olduğu anlamına gelmektedir. Yani güneşin altında görünen renkler, renksel geriverim indeksi Ra=100 olan ışık kaynaklarında aynı şekilde algılanmaktadır DIN 5035 Normuna göre kategoriler Renksel geriverim 1A B A B Time line of light sources 4

5 Types of electric lamp Işık üretimi - Termik Işık Üretimi: En eski ve hala en yaygın kullanılan ışık üretim şeklidir. Sıvı ya da katılar yüksek sıcaklıkta kızgın duruma geçtikleri zaman akkor hale gelirler ve ışık yayarlar. Enkandesen lambalar da bu esasa göre ışık üretirler. Termik yolla ışık üretebilmek için yüksek sıcaklığa dayanabilen maddeler gerekir. Yüksek sıcaklığa dayanabilen maddeler üzerinden elektrik akımı geçirilip akkor hale getirildiğinde bu maddeler ışık yaymaya başlarlar. Maddenin çevresinde hava dolayısıyla oksijen bulunması, maddenin yüksek sıcaklıklara kadar ısıtılınca tahrip olmasına hatta tamamen yanmasına sebep olur. Bu yüzden termik yolla ışık üretilecek maddeler vakumlanmış ya da asal gaz doldurulmuş bir ortamda (cam balon) akkor haline getirilip ışık yaymaları sağlanır. Termik ışık üretiminde üretilen ışığın dalga spektrumu süreklidir. Bu sebeple termik ışık kaynaklarının renksel geriverim değerleri güneş ışığına çok yakındır. Günümüzde termik ışık üretim esasına göre ışık üreten kaynaklar içinde en yaygın kullanılanları enkandesen ve halojen lambalardır. 5

6 Akor Telli Lambalar: Bu kapsamda termik ışık üretimi esasına göre çalışan ilk lamba 1854 yılında H. Goebel tarafından bulunmuş, sonra 1879 yılında Th. Edison tarafından yeniden icat edilip geliştirilmiştir. Akkorlaşmış bir tel ile ışık üretiminde problem, her şeyden önce yüksek sıcaklığa çıkarılabilen madenler bulmaktadır. Böyle bir maden teli elektrik akımı ile akkor hale gelinceye kadar ısıtılırsa ışık kaynağı olarak kullanılabilir. Tel çevresinde hava bulunması, havadaki oksijen etkisiyle telin çok çabuk tahrip olmasına neden olur. Buna engel olmak için akkor haline gelinceye kadar ısıtılan tel, havası boşaltılmış veya asal gaz ile doldurulmuş bir cam balon içine konur. 6

7 Bir akkor telli lamba, üç kısımdan oluşur: 1) Işık yayan tel, 2) Havası boşaltılmış veya dolgu gazı (asal gaz) doldurulmuş cam balon, 3) Işık yayan telden elektrik akımının geçmesini sağlayan başlık Bir akkor telli lambanın boyutları D (mm) çap ve L (mm) uzunluk olarak verilir. Akkor telli lambalar ışık yayan telin (flamanın) cinsine göre iki gruba ayrılırlar: 1) Kömür telli lambalar, 2) Tungsten telli lambalar. Tungsten telli lambalar da dolgu gazının cinsine göre 1) Normal akkor telli lambalar, 2) Kripton lambaları ve 3) Tungsten halojen lambalar 7

8 Kömür Telli Lambalar Kömür, akkor telli lambaların ilk gelişme devresinde ergime sıcaklığının yüksekliği sebebiyle ışık yayan tel olarak pek uygun görülmüştür. Geobel ve Edison ilk lambalarında kömürleştirilmiş bambu lifleri kullanmışlardır. Edison daha sonra kömürleştirilmiş kağıt elyafı denemiştir. Bugün imal edilen kömür telli lambalarda uygun şekilde kömürleştirilmiş selüloz kullanılır. Kömürün özgül direnci büyüktür. Onun için telin uzunluğu kısa tutulabilir ve armut şeklindeki cam balon içine sepet sapı veya büklüm şeklinde yerleştirilebilir. Lambanın ışık dağılım yüzeyi dönel simetriye sahiptir. Kömür telli lambaların en büyük sakıncası kömürün ergime sıcaklığının yüksek olmasına rağmen kömür telin bu sıcaklığa kadar ısıtılamamasıdır. Çünkü kömür tel, havası boşaltılmış cam balon içinde daha 2000 o C de toz haline gelir ve dağılır. Eğer kömür telli lambanın ömrü ekonomik ömür adı verilen 1000 saatte tutulmak istenirse o zaman lambanın etkinlik faktörü, 3 ila 4 lm/w'ın üstüne çıkamaz. Bugün için kömür telli lambalar, etkinlik faktörlerinin çok küçük olmalarından ötürü pek az kullanılırlar. Daha çok ışın tedavisinde (ısı etkisi büyük olduğundan) ve sarsıntılı iş yerlerinde (mekanik dayanıklılığı büyük olduğundan) tercih edilirler. Tungsten Telli Lambalar Platin, iridyum, tantal gibi zor eriyen madenlerin elektrik lambalarında kullanılmasına 1845 yılından itibaren başlanmıştır. Kullanılabilecek ilk madeni telli lambaların ışık veren teli osmiyum madeninden yapılmıştır. Bundan 1 yıl sonra Siemens tantal telli lambayı imal etmiştir. Tungsten telli (tungsten'e volfram da denir) ilk lamba 1905'de ortaya çıktı. Bugün hemen hemen bütün akkor telli lambaların ışık veren telleri yalnız tungsten madeninden yapılır. Tungsten telinin hazırlanışı hakkında kısaca şunlar söylenebilir: Tungsten cevherinden önce tungsten tozu elde edilir. Bu tozdan çok yüksek basınçlarda tungsten çubukları yapılır. Çubuklardan elektrik akımı geçirilerek bunların akkor hale gelmeleri sağlanır. Akkor haline gelinceye kadar ısıtılan tungsten çubukları dövüldükten sonra elmas haddelerden geçirilir ve böylece 0,01 ila 0,005 mm kalınlığında ince tungsten telleri elde edilir. Tungstenin ergime noktası 3380 o C olmasına rağmen toz haline gelme veya buharlaşma sıcaklığı 2500 o C dir; yani kömürünkinden daha yüksektir. Tungstenin özgül direnci kömüre göre küçüktür. Bu yüzden gerekli tel uzunluğu daha büyüktür ve telin iki tutucu arasında zikzak şeklinde sarılması gerekir. Bu tip lambalara düz telli lambalar denir. Işık veren tel gene havası boşaltılmış cam balon içerisinde bulunur saatlik ekonomik ömrün korunması koşulu ile 2100 o C ye kadar ısıtılabilir. Etkinlik faktörü 8 ila 10 lm/w kadardır. Sıcaklığın daha fazla arttırılması durumunda tungsten telinde buharlaşma başlar. 8

9 Normal akkor telli lambalar Akkor telli lambalarda yeni bir gelişme, ancak vakum yerine cam balon içine gaz doldurma suretiyle mümkün oldu. Normal olarak cam balon asal bir gazla, örneğin argon gazı ile doldurulur. Gaz, tel yüzeyine basınç etkisi yapar ve tungsten parçacıklarının uzaklaşmasını bir dereceye kadar önler. Şüphesiz dolgu gazından ötürü bu defa ısı kayıpları artar. Bu kayıpların azaltılması için de tel helis şeklinde sarılır. Bu sayede telin ısı kaybına neden olan yüzey küçülür. Bu gibi lambalara helisel telli lambalar denir saatlik ekonomik ömrün korunması koşulu ile helisel telli lambaların sıcaklığı 2500 o C ye kadar çıkarılabilir. Etkinlik faktörleri, lamba büyüklüğüne ve tel kesitine göre 10 ila 20 lm/w'tır. Kripton lambaları İstenirse lambanın dolgu gazı da değiştirilebilir ve dolayısıyla ısı iletim katsayısı daha küçük olan kripton gazı ile daha yüksek kaliteli lambalar elde edilir (K-lambası). Fakat kripton gazı pahalı olduğundan böyle bir lamba ancak özel yerlerde kullanılır. 9

10 Akkor Telli Lambanın Elektriksel Büyüklüklerinin Gerilime Göre Değişmeleri Akkor telli lambalar şebeke geriliminin değişmelerine çok duyarlıdır. Her lamba ancak belirli bir gerilim için imal edilebilir. Eğer şebeke gerilimi lambanın imal edildiği gerilimden daha büyükse lambanın ışık veren telinden, geçmesi gereken akımdan daha büyük bir akım geçer; dolayısıyla telin sıcaklığı, çektiği güç, verdiği ışık akısı ve etkinlik faktörü daha büyük, fakat ömrü daha küçük olur. Akım şiddeti : i = i n (U/U n ) 1,2 Güç : P = P n (U/U n ) 1,523 Işık akısı : f = f n (U/U n ) 3,613 Ömür : t = t n (U/U n ) -13,5 10

11 Halojen Lambalar Akkor telli lambanın cam balonu içine iyod konursa, tungsten halojen lamba elde edilir. İyod buharlaşan tungsten parçacıkları ile, cam balon içinde kimyasal bir bileşik olan tungsten iyodid oluşturur o C'nin üstündeki sıcaklıklarda bu bileşik tungsten teli yakınında tekrar tungsten ve iyoda ayrışır ve böylece akkor telli lamba başlangıçtaki ışık akısını 2000 saatlik ortalama ömre kadar korur. Bu döngü, ışık akısını lamba ömrü boyunca korur ve lambanın ömrünü uzatır. Tungsten halojen lambalarda kullanılan filamanın boyu da normal enkandesen lambalara göre daha kısadır. Bu sayede tungsten halojen lambalar daha kompakt üretilebilmekte, noktasal ışık kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Konutlar başta olmak üzere çok geniş kullanım alanları vardır. 220V gerilim ile çalışanları olduğu gibi, büyük kısmı da bir transformatör aracılığıyla 12V ile çalışmaktadır. Güçleri ise 5 W ile 2000 W arasında değişmektedir. Ancak normal enkandesen lambalara göre daha çok ısındıkları için ısıya hassas yerlerde kullanılmaları sakıncalıdır. Daha çok vurgulayıcı, dikkat çekici spot aydınlatmalar için uygun olan bu lambaların genel aydınlatma amaçlı kullanılması önerilmemektedir. 11

12 12

13 Luminesan Işık Üretimi Luminesan ışık üretiminde termik ışık üretiminde olduğu gibi cismin sıcaklığı önemli değildir. Atom ve moleküller uyarılmış durumdan temel duruma geçerken aldıkları enerjiyi ışınım olarak geri verirler. Bu durum iki katı elektrot arasındaki normalde yalıtkan halde bulunan gazın elektrik akımı ile iletken hale gelip, oluşan elektron akışının gaz atomlarını uyarması ya da iyonize etmesi ile gerçekleşir. Bir elektrottan diğerine akan elektronlar yollarına çıkan gaz atomları ile çarpışır. Bu durumda hareket halindeki elektronların hızına bağlı olarak üç farklı durum olabilir: 1. Elektronların hızı küçükse atoma çarpan elektronlar elastik olarak yansırlar ve ışıma meydana gelmez. Isı açığa çıkar. 2. Elektronların hızı atomları uyarmak için yeterli büyüklükte ise elektronlar atomları uyarır ve atomlar temel durumlarına geçerken ışıma olur. 3. Elektronların hızı atomları iyonize edecek kadar büyükse, atom iyonize olur ve ortamda yeni parçacıklar oluşur. Lüminesan ışık üretiminde termik ışık üretiminin aksine ışığın spektrumu sürekli değildir. Kullanılan gazların çeşidine ve kısmi basınçlarına göre belli dalga boylarında ışık yayarlar. Bu esasa göre çalışan lambalar, içindeki gazın basıncına göre yüksek basınçlı ya da alçak basınçlı olarak adlandırılır. Günümüzde kullanılan deşarj lambalarında genellikle civa ya da sodyum gazı kullanılmaktadır 13

14 Deşarj Lambalarının Çalıştırılması İçin Gerekli Araçlar Deşarj lambaları akkor telli veya karma ışık lambaları gibi doğrudan doğruya şebekeye bağlanmazlar. Bunlar, akım sınırlayıcı ve lambayı ateşleyici araçlara gereksinim gösterirler. Akım Sınırlayıcı Araçlar Deşarj lambalarında akım arttıkça lambanın uçlarındaki gerilim küçülür. Dolayısıyla bu lambalarda akım sınırlayıcı araçlara ihtiyaç vardır. Doğru gerilimde bu sınırlayıcı ohmik bir direnç, alternatif gerilimde ise endüktif, kapasitif veya elektronik bir balast olabilir. Bu araçların yerine getirmesi gereken koşullar, lamba imalatçıları tarafından verilir. 1) Endüktif balast 2) Kapasitif balast 3) Elektronik balast 4) Kaçak akılı transformatör 5) Çift endüktanslı balast 6) Transistör doğrultmalı akım sınırlayıcılar Ateşleme Araçları Deşarj lambasının negatif karakteristiği dolayısıyla ateşleme gerilimi, kararlı çalışma geriliminden daima daha büyüktür. Bu nedenle birçok durumda ateşlemeye yardımcı olunması gerekir. Bazı sodyum buharlı lambalarda ateşlemeyi sağlamak için kaçak akılı transformatör kullanılması amaca yeter. Fakat diğer birçok lambanın ateşlemesi için yardımcı araçlara ihtiyaç vardır. Bu araçlar, ya lambanın bir parçası olarak veya ek bir devre elemanı şeklinde olabilirler. Lambanın bir parçası olan ateşleme araçları 1) Yardımcı elektrotlar 2) İç ateşleme teli veya çizgisi 3) Dış ateşleme teli veya çizgisi Ateşlemeye yardımcı aletler 1) Elektrotları ısıtmaya yarayan transformatörler 2) Yüksek gerilim ateşleme aleti (ignitron) 3) Starter 14

15 Soğuk Elektrotlu Deşarj Lambaları (Işık Tüpleri) Bunların çalışma ilkesi, pozitif plazmaya dayanır. Yüksek gerilimde çalışırlar ve soğuk elektrotludurlar. Aydınlatma tekniği bakımından önemli ışık tüpleri, kullanılan gazın cinsine göre iki gruba ayrılırlar: Azot veya karbondioksit gazı kullanan ışık tüpleri (Moore ışık tüpü) ve asal gaz kullanan ışık tüpleri. 1) Azot veya karbondioksit gazı kullanan ışık tüpleri Azot gazı kullanıldığı zaman kırmızımsı sarı ve karbondioksit gazı kullanıldığı zaman da yapay gün ışığı renginde ışık elde edilir. Moore ışığının etkinlik faktörü 1 ila 3 lm/w kadardır. Yalnız bu tip ışık tüplerinde azot gazı veya karbondioksit gazı elektrot malzemesi ve cam tüpler tarafından o kadar kuvvetli yutulur ki, kısa zamanda tüp çalışmaz hale gelir. Onun için bir ventil yardımıyla eksilen gazın otomatik olarak doldurulması gerekir. İşte bu gaz doldurma işi ilk defa Moore tarafından bulunan bir ventil ile yapıldığından, bu gibi tesisata Moore ışık tesisatı denir Moore ışık tesisatı, esas olarak elektrotları kapsayan ışık tüplerinden, bir yükseltici transformatörden, bir balasttan ve bir de gaz doldurma düzeninden oluşur. Işık tüpünün çapı normal olarak 45 mm'dir ve elektrotlar grafittendir. 110 veya 220 V'luk şebeke gerilimi, bir yükseltici transformatör ile yükseltilir. Orta büyüklükteki bir Moore tesisatı için gerilim, metre başına 500 V olmalıdır. Moore tesisatında kullanılabilecek gerilimin en büyük değeri V olarak sınırlanmıştır. 15

16 2) Asal gaz kullanan ışık tüpleri Işık tüplerinde dolgu gazı olarak asal gazlar kullanıldığı takdirde Moore tesisatında söz konusu olan gazın yutulması sakıncası ortadan kalkar. En çok kullanılan asal gazlar neon ve helyum gazlarıdır. Bu yüzden halk arasında ışık tüplerine genel olarak neon tüpleri denir. Civa buharı da benzer özellikler gösterir. Neon gazı koyu portakal kırmızısı, helyum gazı da açık pembe renkte ışık verirler. Neon ve civa buharı karışımı mavi ışık verir. Sarı bir cam tüp içine helyum gazı doldurulursa canlı bir sarı ışık elde edilir. Sarı veya kahverengi bir cam boru içinde neon ve civa buharı karışımı bir gaz kuvvetli bir yeşil ışık yayar. Bu şekilde reklamcılıkta kullanılan çeşitli renklerde ışık tüpleri elde edilir. Yüksek gerilimli ışık tüpleri 3 ila 17 metre gibi çok çeşitli uzunluklarda imal edilirler. Boru çapları 10 ila 25 mm arasında değişir. Birim boru uzunluğuna düşen gerilim, büyük çaplı tüpler için 300 V ila 500 V ve küçük çaplı borular için de 600 V ila 1000 V'tur. Yönetmeliklere göre ışıklı reklamcılıkta kullanılabilecek gerilimin üst sınırı 6000 V olarak saptandığından, bir ışık tüpünün en büyük uzunluğu da verilmiş demektir. Bu bakımdan büyükçe reklam tesislerinde, örneğin büyük bir yazı, bir çok ışık tüpünden oluşmak zorundadır. Zaten böyle bir bölümlemeye imalat tekniği, montaj tekniği ve sağlamlık bakımından da gereksinme vardır. Güçleri, 20 mm çapında orta büyüklükteki ışık tüpleri için 20 ila 30 W/m arasında değişir. Elde edilen ışık akısı, kullanılan gazın cinsine göre 50 ila 100 lm/m, etkinlik faktörü de 2,5 ila 5 lm/w'tır. Yüksek gerilimli ışık tüpleri, diğer bütün ışık kaynakları gibi zamanla eskirler ve yaydıkları ışık akıları da azalır, ışık akısının % 25 ila % 30 azalması henüz ekonomik kabul edilirse, ışık tüpleri tüplerinin ömürleri 3000 ila 4000 saat kabul edilebilir. Işık tüpünün tamamen bozulmasına kadar 5000 ila 6000 saat, hatta bazen saat geçer. 16

17 220 V ABCDEFGH Asal gaz kullanan ışık tüplerinin bir fazlı besleme durumunda prensip şeması Fluoresan Lambalar Alçak basınçlı civa buharlı deşarj lambası günümüzde fluoresan lamba olarak bilinir yılında bulunmuştur ve halen en yaygın kullanılan lambalardan biridir. İçlerinde alçak basınçta civa gazı bulunur. Deşarj esasına göre bir elektrottan diğerine akan elektronlar önlerine çıkan civa atomlarına çarpıp atomların uyarılmasına ve temel hale geçerken ultraviyole (UV) ışınımı yapmasına sebep olur. Lambanın iç yüzeyi fluoresan madde (fosfor) ile kaplanmıştır. Bu da deşarj ile oluşan UV ışınlarının daha uzun dalga boylarına yani görülebilir ışığa çevrilmesini sağlar. Deşarj, starterin gerekli olan yüksek gerilimi sağlamasıyla başlar. Fluoresan lambalar da diğer deşarj lambaları gibi bir balast yardımıyla şebekeye bağlanırlar. 17

18 Fluoresan lambanın ışık karakteristiklerini etkileyen enönemli faktör lambanın iç yüzeyine kaplanan fluoresan maddenin tipi ve bileşiğidir. Lambaların renk sıcaklıkları, renksel geriverimi ve etkinlik faktörleri lambanın iç yüzeyine kaplanan fluoresan maddenin çeşidine göre değişir. Bu yüzden fluoresan lambalar kullanım amacına göre renk sıcaklığı ve renksel geriverim açısından çok çeşitlilik gösterir. Fluoresan lambalar ilk üretildiğinde ince uzun tüp şeklindeydi. Günümüzde 38 mm, 26 mm ve 16 mm çapında olmak üzere farklı üç çeşit tüp fluoresan lamba yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca tüpün U şeklinde kıvrılması ile U tipi, dairesel kıvrılmasıyla da dairesel (simit ya da halka) fluoresan lambalar geliştirilmiştir. Fluoresan lambalar çok verimli ışık kaynaklarıdır. Tükettikleri elektrik enerjisinin %28 kadarı görülebilir ışığa dönüşür. Etkinlik faktörleri 104 lm/w a kadar çıkmaktadır. Güçleri ise üretim şekline göre 4 ila 65 W arasında değişir. Fluoresan lambaların ömürleri ise kullanıldıkları balastlara göre ila saat arasında değişmektedir. Manyetik balastlarla kullanıldıklarında saat olan ekonomik ömürleri, elektronik balastlar ile ila saate kadar çıkmaktadır. Günümüzde ticari binalar, ofisler, okullar, hastaneler gibi aydınlatmanın uzun saatler açık olduğu birçok kapalı mekanda kullanılmaktadırlar. 18

19 19

20 Tüp fluoresan lambaların karekteristik değerleri Çap (mm) Güç (W) Işık Akısı (lm) Etkinlik faktörü (lm/w)

21 21

22 Kompakt Fluoresan Lambalar (KFL) KFL ler geometrik olarak kompakt yapıda olan ve çok yaygın kullanılan enkandesen lambaların yerini alabilecek teknik ve görsel özellikteki fluoresan lambalardır. Enkandesen lambaların verdiği ışık akısına eşdeğer ışık akısını, şebekeden dörtte biri kadar güç çekerek sağlayabilmektedirler. Bu yüzden Enerji tasarruflu lamba olarak da bilinirler saat ömürlü tipik enkandesen lambaların yanında ömürleri 6000 ila saat arasında değişir. Bu da uzun süreli kullanımda çok ciddi enerji tasarrufu anlamına gelmektedir. KFL ler birer fluoresan lamba olduklarından normal fluoresan lambalarla eşdeğer ışık karakteristiklerine sahiptirler. Enkandesen lambalar gibi renk sıcaklıkları sıcak beyaz yani 3000 K olabildiği gibi günışığı yani 6500 K ne kadar çıkabilmektedir. Renksel geriverim indeksleri 80 nin üzerinde ve etkinlik faktörleri ise 42 ila 82 lm/w arasında değişmektedir. 22

23 23

24 24

25 25

26 E14 ve E27 başlıklı KFL ların karakteristik değerleri Akkor Telli Lamba KFL Akkor telli E14 KFL E27 KFL Güç (W) Işık akısı (lm) e (lm/w) Güç (W) Işık akısı (lm) e (lm/w) Güç (W) Işık akısı (lm) e (lm/w) W 14 lm / W 20W 60 lm / W 26

27 27

28 28

29 29

30 Yüksek Frekanslı Elektronik Balastlar (YFEB) Alçak geçiren filtre Doğrultucu Süzme kondansatör YF Güç Osilatörü Lamba stabilizasyon devresi Şebeke Lamba YFEB ların temel elemanları aşağıdaki gibidir. a-) Alçak geçiren filtre b-) Doğrultucu c-) Süzme kondansatör d-) Yüksek frekanslı güç osilatörü e-) Yüksek frekans stabilizasyon devresi 30

31 -Alçak geçiren filtre ; Alçak geçiren filtrenin üç fonksiyonu vardır. a-) Harmonik distorsiyonunu uluslararası standartlar içinde kalacak şekilde sınırlandırmak, b-)yf balastların üretebileceği şebeke gerilimini etkileyen radyo parazitlerini sınırlandırmak, c-)elektronik anahtarlama elemanlarını yüksek besleme gerilimine karşı korumak. -Doğrultucu ve süzme kondansatör ; Bir diod köprüsünden oluşan doğrultucu alçak geçiren filtreden sonraki ana gerilim olan alternatif gerilimi doğru gerilime çevirir.daha sonra süzme kondansatör 280V a kadar şarj edilir. -YF güç osilatörü ve lamba stabilizasyon devresi ; S1 ve S2 yarı iletken anahtarları kontrol elektroniği yardımıyla sıra ile iletime geçirilirler. Bu da 1 ve 2 noktaları arasında YF kare dalga geriliminin oluşmasına neden olur. YFEB yapı olarak standart elektronik balastlar ve dimerlenebilir elektronik balastlar olmak üzere ikiye ayrılırlar. Işık ayar devresine balast içinde yer ayırmak amacıyla alçak geçiren filtre, balastın dışına yerleştirilebilir. Dimerlenebilir YFEB larla akımın frekansını değiştirerek fluoresan lambaların ışık akısını %1 ile %100 arasında ayarlamak mümkündür. Dimerleme işlemi, uygulanan doğru gerilimine bağlı olarak, elektronik elemanların frekansını değiştirmekle sağlanır. Balastların 1 ile 10V arasındaki kontrol gerilimi için giriş uçları vardır. Kontrol gerilimi genelde YFEB'larda üretilir. Böylece balastın dışında bir kontrol geriliminin yaratılmasına gerek yoktur. En basit durumda bir potansiyometre yardımıyla ayar uçlarını açık veya iki ucu birleştirip kısa devre etmek suretiyle ışık ayarı %100 ile %1 arasında yapılabilir (pasif kontrol). Yada ışık sensörleri veya uzaktan kumanda sistemleri ile aktif kontrol yapılabilir. Standart balastlar -15 o C ile +70 o C arasındaki çevre sıcaklığında çalışabilmelerine rağmen, dimerlenebilir balastlar +5 o C ile +70 o C arasındaki sıcaklıklarda çalışabilirler. Dimerlenebilir elektronik balastlarda ayar kademesi %100 den %10 a düştükçe, güç faktörü de 0.96 dan 0.6 lara düşmektedir. 31

32 Alçak geçiren filtre Doğrultucu Süzme kondansatör YF Güç Osilatörü Lamba Stabilizasyon Devresi Şebeke Lamba Ayarlı Giriş Işık Ayar Devresi YFEB lar İçin Frekans Seçimi Yüksek frekansla çalışma, lamba elektrotlarında gerilim düşümünü azaltır, lamba etkinlik faktörünü artırır. Daha da ötesi yüksek frekansla çalışmada gaz iyonizasyonu sürekli sürdürülebilir. Lambanın ışık akısı sürekli başlangıç değerinde kalır ve tekrar ateşlemede enerji kaybı olmaz. Aynı güç değerindeki lambalardan yüksek frekansla çalışanın ışık akısı diğerine göre %7 ila %11 arasında fazladır, yani aynı ışık akısı %10 daha az güç sarfiyatı ile elde edilebilir. Frekans seçilirken aşağıdaki durumlar gözönünde bulundurulmalıdır: a-)yüksek ışık verimi için çalışma frekansı 10 khz den büyük olmalıdır. Lamba gücü aynı kalmak koşuluyla, çalışma frekansı artırılırsa fluoresan lambanın ışık akısı yaklaşık %10 artar. b-)rahatsız edici akustik etkileri önlemek için frekansın duyulabilir bölgenin dışında olması gerekir. Bu da 18kHz in üzeridir. c-)frekans arttıkça anahtarlama kayıplarının ve deşarj lambalarının elektromagnetik dalga yayımlarının arttığı düşünüldüğünde, frekansın üst değerininde sınırlandırılması gerekir. Üst limit ise 50kHz tir. YF aydınlatma sistemi ile TV, video gibi aletlerin uzaktan kumanda cihazlarının frekans aralığı aynı olduğunda parazitlerin oluşumu mümkündür. 32

33 Normal Endüktif Balastlara Göre YFEB ların Üstünlükleri ve Sakıncaları Endüktif balastlara oranla daha pahalı olan YFEB ların sisteme getirdiği üstünlükler aşağıdaki gibi sıralanabilir ; - Lambanın ve tüm aydınlatma sisteminin etkinlik faktörünü artırır. - Işık titreşimlerini ve stroboskobik olayları önler. - Startere gerek kalmadan lambanın ani ateşlemesini sağlar. - Lambaların ömrünü uzatır. - Kompanzasyona gerek kalmayacak şekilde sistemin güç faktörünü yükseltir. - Işık akısının istenilen oranda azaltılıp, çoğaltılmasına imkan tanır. - Sıcaklık yükselmesi az olduğundan ısı kayıpları da azalır. Buna bağlı olarak soğutma giderleri ve yangın tehlikesi de azalır. - Uğultu ve vızıltı gibi gürültülerin oluşması önlenir. - Hafiftirler. Bu durum armatür ve tavan tasarımında kolaylık sağlar. - Bir balastla iki lamba çalıştırılabilmesine olanak verir. - Sistem doğru gerilimle de beslenebilir. Fakat sistem doğru gerilimle beslendiği zaman aynı gerilim kademesinde alternatif gerilimle beslenmesine göre vereceği ışık akısı %20 daha az olacaktır. - Balast kayıpları genelde lamba gücünün %10 u kadardır ( Normal balastlarda %20). Böylece aynı güçte %10 fazla ışık akısı veya aynı ışığı %10 daha az güç ile elde edebilmemiz mümkündür. IEC ye göre harmonik distorsiyon oranları Harmoniklerin IEC 555-2'e göre limit değerleri (%) Güç Faktörü 3.har 5.har. 7.har 9.har Filtresiz YFEB ın akım dalga şekli Filtreli YFEB ın akım dalga şekli 33

34 26mm çaplı tüp fluoresan lambalarla kullanılan balast sınıflarıve güç sınırlamaları Uluslararası Enerji Verimliliği Endeksi (Energy Efficiency Index EEI) ne göre 26mm çaplı tüp fluoresan lambalarla kullanılan balast sınıfları ve güç sınırlamaları Fluoresan Lamba ve Balast Devresi Gücü (W) Fluoresan Lamba Gücü (W) A1 A2 A3 B1 B2 C D 18 10,5 =<19 =<21 =<24 =<26 =<28 > =<36 =<38 =<41 =<43 =<45 > ,5 =<55 =<59 =<64 =<67 =<70 >70 AB ülkelerinde, 10W dan fazla kayıp güce neden olan D sınıfı balastların kullanımı 21 Mayıs 2002 ; yaklaşık 10W kayıp güçlü C sınıfı balastların kullanımı ise 21 Kasım 2005 tarihinden itibaren yasaklanmıştır. Ülkemizde ise 21 Kasım 2005 den itibaren D sınıf balast üretimi durdurulurken, henüz daha C sınıfı balast kullanımını sınırlayıcı hiçbir önlem alınmamıştır. Kızgın elektrotlu deşarj lambaları Deşarj lambalarında büyük bir gelişmeye, ancak, bu lambaları normal şebeke geriliminde kullanmaya başladıktan sonra erişilmiştir. Bunun için katot düşümünün azaltılması ve katottan elektron çıkmasının kolaylaştırılması gerekir. Bu amaçla soğuk demir elektrot yerine elektrot bakımından aktif, baryum oksitli kızgın elektrot (Wehnelt elektrodu) kullanılır. En çok kullanılan kızgın elektrotlu deşarj lambaları, sodyum ve civa buharlı deşarj lambalarıdır. 34

35 Yüksek Basınçlı Civa Buharlı Deşarj Lambaları Bu lambalar ilk üretilen yüksek basınçlı deşarj lambalarıdır. Yüksek basınçlı sodyum buharlı lambalar gibi, civa buharlı lambada da bir deşarj tüpü vardır. Yüksek basınçlı civa içeren bu tüplerde ön boşalma yardımcı elektrotlar ile başlar. Bu nedenle ayrıca ateşleyici gerektirmezler. Sonra civa buharlaşır ve asıl boşalma başlar. Yayılan radyasyon hem ultraviyole bölgesinde hem de görülebilir bölgede, yeşil mavi arağında oluşur. Bu yüzden bu lambanın ışığı mavimsi beyaz renktedir. Civa buharlı lambalar sodyum buharlı lambalar kadar verimli değildirler. Etkinlik faktörleri 32 ila 60 lm/w, güçleri ise 50 ila 1000W arasındadır. Renksel geriverim endeksleri 20 ile 50 arasında değişir. Bu lambalar dış aydınlatmada uzun yıllardır çok geniş kullanım alanına sahiptir. Ayrıca renk ayrımının birinci derece önemli olmadığı depo, fabrika gibi kapalı mekanlarda da kullanılmaktadır. 35

36 Metal Halojen Lambalar (Metal Halide Lambalar) Metal halojen lambaların yapısı civa buharlı lambalar gibidir. Ancak deşarj tüpünde civanın yanında indiyum, talyum ve sodyum gibi metal halojenler bulunur. Lamba yapısı ile hem çok yüksek bir renksel geriverim indeksine hem de yüksek verime sahiptir. Etkinlik faktörleri 64 ila 120 lm/w, güçleri 35 ila 2000 W, renksel geriverim indeksi 60 ila 90 arasında değişmektedir. Metal halojen lambalar günümüzde kompakt yapısı ve iyi renksel geriverim özelliği ile iç ve dış aydınlatmada çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. 36

37 37

38 38

39 Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Deşarj Lambaları Alçak basınçlı sodyum buharlı lambaların içinde havası boşaltılmış U şeklinde olan bir deşarj tüpü vardır. Deşarj tüpünde oda sıcaklığında katı halde bulunan sodyum madeni ve dolgu gazları (argon ya da neon) bulunur. Şebeke gerilimi ilk ateşleme için yeterli değildir. İlk ateşleme ateşleyici yardımcı elemanlar (ignitör, ototransformatör) tarafından gerçekleşir. Ateşleme ile sodyum madeni buharlaşmadan önce tüpün içindeki dolgu gazlarında ön boşalma başlar. Lambanın sıcaklığı artar, 260 C de sodyum buharlaşır ve asıl deşarj başlar. Lambanın kararlı çalışması için gerekli olan gerilim ve akım balast ile karşılanır. Alçak basınçlı sodyum buharlı lambalar portakal sarısı, monokromatik ışık yayarlar. Bu yüzden renk ayrımının önemli olduğu yerlerde kullanılamazlar. Ancak verimleri çok yüksektir. Etkinlik faktörleri 189 lm/w a kadar ulaşır. Güçleri ise 18 W tan 180 W a kadar değişir. Günümüzde otoyollar, depo, yükleme ve boşaltma tesisleri gibi yerlerde geniş kullanım alanı mevcuttur. a: U şeklinde bükülmüş deşarj tüpü, b: Tutuşturma teli, e: Elektrotlar, v: Vakum tüpü. 39

40 Yüksek Basınçlı Sodyum Buharlı Deşarj Lambaları Yüksek basınçlı sodyum buharlı lambalar ticari olarak 25 senedir üretilmektedirler. Tüp ya da armut şeklindeki bu lambaların içinde bir seramik ark tüpü (deşarj tüpü) bulunmaktadır. Alçak basınçlı sodyum buharlı lambanın tersine içindeki gazın basıncı arttırılmıştır. Ayrıca ateşlemeyi kolaylaştırmak için civa ve asal gaz da içerirler. Bu lambada deşarj daha yüksek sıcaklıklarda yaklaşık 700 C civarında meydana gelmektedir. Verimleri alçak basınçlı sodyum buharlı lambalar kadar yüksek değildir ama kullanıldıkları yardımcı elemanların kayıpları dikkate alındığında etkinlik faktörleri daha yüksek olmaktadır. Ürettikleri ışığın spektrumu daha geniştir. Altın sarısı renginde ışık üretirler. Renksel geriverim özellikleri alçak basınçlı sodyum lambalardan daha iyidir. Renksel geriverim indeksleri (R a ) 20 ila 40 arası değişir. Etkinlik faktörleri 70 ila 150 lm/w, güçleri ise 50 ila 1000 W arasındadır. Günümüzde yüksek basınçlı sodyum buharlı lambaların birçok çeşidi vardır. Yol aydınlatmaları başta olmak üzere özellikle dış aydınlatmada geniş kullanım alanları mevcuttur. 40

41 41

42 Lamba tipi Lamba gücü (W) Işık akısı (lm) Etkinlik fak. (lm/w)* Yüksek basınçlı civa buharlı İçten ateşlemeli yüksek basınçlı sodyum buharlı Fluoresan kaplamalı elipsoidal yüksek basınçlı sodyum buharlı (dıştan ignitörlü) Şeffaf tüp yüksek basınçlı sodyum buharlı Alçak basınçlı sodyum buharlı Metal halojen lamba * Etkinlik faktörü balast kaybı dikkate alınarak hesaplanmıştır. ** Işık akısının %30 değer kaybettiği ana kadar geçen süre. Ekonomik ömür (saat)** Renksel geriverim (R a)

43 Endüksiyon Yoluyla Işık Üretimi Genel olarak elektrotsuz bir fluoresan lamba olarak da düşünülebilir. Lambanın içinde fluoresan lambada olduğu gibi alçak basınçlı civa buharı bulunmaktadır. Civa buharı, lambanın içindeki yüksek frekans ile beslenen endüksiyon bobininin yarattığı manyetik alan ile iyonize olur ve UV ışıması gerçekleşir. Fluoresan lambalarda olduğu gibi bu ışıma fluoresan madde ile görülebilir ışık haline dönüştürülür. Endüksiyon lambaları W lık güçlerde üretilmektedirler. Ömürleri ila saat arasında değişen lambaların renk sıcaklıkları K, etkinlik faktörleri de lm/w arasındadır. Renksel geriverim indeksi de 80 in üzerindedir. Enkandesen lambaların yerine kullanılabilmeleri amacıyla KFL gibi Edison lamba başlıklı tipleri de vardır. Bu lambaların fluoresan lambalara göre avantajı, elektrotları olmadığından ömürlerinin daha uzun olmasıdır. Ancak ilk satın alma maliyetlerinin yüksek olması, beraber kullanılması gereken yardımcı elemanların boyutları nedeniyle özel armatür tasarımı gerektirdiklerinden henüz konutlarda yaygın kullanım olanağı bulamamıştır. Daha çok bakımın ve lambaya erişimin zor olduğu yüksek tavanlı mekanlarda kullanılmaktadır. LED LED, ingilizce'de Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış halidir ve Işık Yayan Diyot anlamına gelir. LED ler elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. LED (ışık yayan diyot) elektrolüminesan ışık üretimine dayanır. Elektrik enerjisinin doğrudan ışık enerjisine dönüştürülmesine dayanan bu proses 1920 lere dayanmakla beraber pratik anlamda 1960 larda ortaya atılmıştır. Bir p-n jonksiyon yarıiletkenin bir tarafına enjekte edilen elektron yüzeye yakın bir yerde sıkışır ve yarıiletkenin diğer tarafından enjekte edilen delikle birleşir ve ışık yayan bir foton oluşur. 43

44 LED in en önemli kısmı yarı iletken malzemeden oluşan ve ışık yayan LED çipidir. LED çipi noktasal bir ışık kaynağıdır ve kılıf içine yerleştirilmiş yansıtıcı eleman sayesinde ışığın belirli bir yöne doğru yayılması sağlanır. Uyarılmış elektronlar, uyarılmış durumdan normal duruma geçerken enerji açığa çıkmaktadır. Bu durum bir yarı iletkende gerçekleştiği zaman, uyarılan elektronlar bir miktar enerji açığa çıkaracaktır. Silikon da açığa çıkan bu enerji görülebilir ışık üretemezken, farklı bileşiklerde (örn. GaAs) bu mümkün olmaktadır. Üretilen ışığın dalga boyları, iletim bandı ve elektronların valans bandı arasındaki enerji boşluğuna bağlı olarak değişir. Bu durumda dalga boyu; hc / Eg = λ λ : dalga boyu h : Planck sabiti c : ışık hızı Eg : enerji boşluğu LED lerin yaydığı ışık, LED çipi içerisindeki yarı iletken katkı maddeleri ile ilgilidir. LED in hangi renkte ışık yayması isteniyorsa galyum, arsenit, alüminyum, fosfat, indiyum, nitrit gibi kimyasal malzemelerden uygun oranda yarı iletken malzemeye katkı yapılır (GaAIAs, GaAs, GaAsP, GaP, InGaAIP, SiC, GaN). Böylece LED çipinin istenen dalga boyunda ışıma yapması sağlanır. Örneğin kırmızı renk (660nm) için GaAlAs, sarı renk (595nm) için InGaAIP, yeşil renk (565nm) için GaP, mavi renk (430nm) için GaN kullanılır. Malzeme/Oranlar Renk Tepe Dalga Boyu (nm) GaAs Kızıl Ötesi 950 AlGaAs Kırmızı 650 Ga0,6As0,4P Kırmızı 660 Ga0,35As0,65P Turuncu 632 Ga0,15As0,85P Sarı 590 GaP Yeşil 570 SiC Mavi 470 GaN Mavi

45 Bir LED aşağıdaki unsurlardan oluşur, LED chip (ışık yayan kısım) Işık dağılımına kumanda eden mercek veya cam Metal soğutucu LED chip i metal soğutucuya irtibatlayan tabaka Dış dare etkilerden koruyan gövde Enerji bağlantı uçları LED chip, bir ışık geçiren iletken film ile bir ışık yansıtan film arasına yerleştirilmiş p-n jonksiyon yarıiletkendir. Işık geçiren film çoğunlukla iletken camdır, ışık yansıtan film ise buharlaştırılarak kaplanmış metal, çoğunlukla alüminyumdur. LED doğası gereği tek renklidir. İlk ticari LED ler kırmızı olmakla birlikte, günümüzde LED ışık kaynakları ile hemen hemen tüm renkler elde edilebilmektedir. LED lerin genel aydınlatma piyasasına önemli ölçüde girebilmeleri, beyaz ışığın yüksek etkinlik faktörleriyle üretimi sayesinde mümkün olmuştur. LED lerde beyaz ışığın eldesinde kullanılan yöntemler şu şekildedir - Kısa dalga boylarında ışıma yapan bir diyotun, kısa dalga boylarındaki ışınları absorbe edip bunları uzun dalga boylarına dönüştüren fosfor ile kaplanması: Bu yöntem günümüzde beyaz ışık eldesinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. - Mor ötesi bölgede ışıma yapan bir diyot ile bir veya daha fazla fosfor tabakasının birleştirilmesi: Bu yöntemle mor ötesi ışık görünür bölgede ışığa dönüştürülür. - Farklı görünür dalga boylarında ışıma yapan en az 3 adet diyotun birleştirilmesi: Bu yöntemle elde edilen beyaz ışığın renk sıcaklığı, kullanılan renklerin oranına bağlıdır. 45

46 COB LED İngilizce chip on board kelimelerinin baş harflerinden oluşan paketlenmiş LED dizininin jenerik adıdır. Esas itibarı ile bir bord üzerine dizilmiş birden fazla LED yongasının paketlemiş adıdır. Power LED Aydınlatmada kullanılan yüksek ışık ihtiyaçlarını karşılamak üzere üretilmiş 0.5 W ve daha fazla elektrik tüketen LED ışık kaynakları powerled (güç LED leri) olarak adlandırılır. SMD LED İngilizce Surface Mount Device (yüzeye monte edilebilen eleman) kelimelerinin kısaltmasıdır. 46

47 Akım sınırlamalı besleme kaynakları Power Led lerin beslemesinde kullanılmaktadır. Power Led lerin güçleri genelde 0.5W, 1W, 2W,3W ve 5W olup, bunlar genelde 350mA, 700mA, 1050mA, 1400mA ve 1750mA LED sürücüler ( LED driver) ile beslenmektedir. Power Led's üretici firmaları ürünlerinin beslenmesinde mutlaka Akım sınırlamalı LED güç kaynaklarının kullanılmasını istemektedirler. Bunun ana nedeni, Power Led ler akım sınrlaması olmaz ise fazla akım çekerler, buda ısınmalarına ve LED's lerin tercih edilmesinin ana sebebi olan ömürlerinin uzunluğunu kısaltır. Unlike traditional bulbs, light is emitted in one direction and heat goes out the other LED Junction 47

48 Thermal Losses Light output vs. increased junction temperature T j LED Junction Temperature vs. Lifetime T j affects LED lifetime & long-term lumen maintenance Tj ( C) X X + 10 X + 20 L70 51,000 hrs 44,000 hrs 38,000 hrs 48

49 LED Electrical Design Goal: Control light output of LED system LED light output varies with current 250 Relative Intensity (%) Forward Current (ma) 49

50 50