Megújulók

Örökzöld téma: energiatakarékosság IV.

2011/9. lapszám | Chiovini György |  8135 |

Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A természetes és mesterséges világítás összehangolásának legjobb módja a fényforrások fényáramának fokozatmentes csökkentése (növelése), a dimmelés. Ha a természetes fény önmagában nem biztosítja a szükséges megvilágítást, a hiányzó részt mesterséges...

A természetes és mesterséges világítás összehangolásának legjobb módja a fényforrások fényáramának fokozatmentes csökkentése (növelése), a dimmelés. Ha a természetes fény önmagában nem biztosítja a szükséges megvilágítást, a hiányzó részt mesterséges világítással egészítjük ki: mindig olyan nagyságú fényárammal, ami éppen szükséges. A dimmeléssel tehát állandó megvilágítás érhető el (1. ábra).

Ez a technika egyébként más céllal is alkalmazható, így például többféle világítási kép – egy adott tevékenységhez választott világítási környezet – hozható létre alkalmazásával. Különböző színű fényforrások változó keverésével sajátos hangulatú fényhatások érhetők el.A különböző fényforrások fényáramát eltérő módon lehet, illetve kell leszabályozni. Ha a célunk a villamos energiával való takarékosság, akkor csak olyan módszereket és eszközöket alkalmazhatunk, amelyek a feladatot a lehető legkisebb veszteséggel oldják meg.

■ Izzólámpák dimmelése
A fény elektromágneses sugárzás. Fény kibocsátásakor energiaátalakulásra kerül sor. A kibocsátó elemi részecskék a gerjesztett állapotból visszatérnek az előző, alacsonyabb energiaszintű állapotba. Egyszerű gerjesztési mód a hőmérséklet növelése. Tapasztalati tény, hogy a testek melegítéskor egy adott hőmérséklet felett izzani kezdenek, azaz fényt bocsátanak ki. Ez a működési elve az izzólámpának is. Az azonban kedvezőtlen, ha a kisugárzott energia nagy része a nem látható, infravörös tartományban van. Az izzólámpákban ma wolframszál izzik. A hagyományos izzókban 3000 K-nél valamivel kisebb, a halogénizzókban 3000 K-nél valamivel nagyobb hőmérsékleten. Kedvezőbb a fénykibocsátás aránya, ha növeljük a hőmérsékletet.

Ennek viszont az izzószál élettartama szab határt. A wolfram oxidálódásának megakadályozására a burában vagy vákuum van, vagy valamilyen semleges gázzal van feltöltve. Nagyobb izzószál-hőmérsékletet és ezzel jobb fényhasznosítást, továbbá hosszabb élettartamot lehet elérni, ha a töltőgázba halogén vegyületet keverünk. Ennek alapját az ún. volfrám-halogén körfolyamat képezi. Az izzó wolframszál csekély mértékben, de párolog. A távozó atomokból a bura kevésbé forró részén volfrámhalogenid vegyület képződik. Ez előnyös, mert így a wolfram nem válik ki a bura belső felületén.

A képződő vegyület nem stabil. Nagyobb hőmérsékleten a bomlás a meghatározó. Ez jellemző az izzószál környezetére. A bomlásból származó wolfram-atomok fékezik az izzószál fogyását.Ha egy hagyományos vagy halogén izzólámpát a névlegesnél kisebb feszültséggel táplálunk, csökken a fényárama. A feszültség-csökkentéssel történő leszabályozás viszonylag egyszerűen megvalósítható, de energetikailag kevésbé hatékony. A kibocsátott sugárzáson belül a látható rész aránya kisebb, a nem látható infravörös rész aránya nagyobb lesz. Ez azt jelenti, hogy bár a felvett villamos teljesítmény is csökken, a fényhasznosítás romlik. Ezt szemlélteti a mellékelt „teljesítmény-fényáram” diagram (3. ábra). Ideális esetben, ha a fényáram például a felére csökken, a teljesítmény is 50 százaléka a névlegesnek.

A valóságban azonban egy átlagos halogénizzó fél fényáramra dimmelve kb. 75 %-os teljesítményt vesz fel.További lényeges körülmény, hogy a halogén izzólámpák megfelelő működését biztosító wolfram-halogén körfolyamatban a keletkezés és bomlás egyensúlya csak az üzemi hőmérsékleten áll fenn. Kisebb terhelésnél, kisebb hőmérsékleten a védőhatás csökken. Ugyanakkor az is igaz, hogy a kisebb hőmérsékletű szálon a wolfram párolgása is mérsékeltebb. Egyes termékek között is van különbség e tekintetben. A tapasztalatok szerint 60 százalékos teljesítmény alá tartósan leszabályozni sem az élettartam, sem a villamosenergia-takarékosság szempontjából nem helyes.

■ AC-szaggatók
A fényforrások fényáramának veszteségmentes csökkentésére a teljesítményelektronika eszköztára nyújt lehetőséget. Váltakozó árammal táplált fogyasztók teljesítményének szabályozására használhatók a váltakozó áramú szaggatók. Nevüknek megfelelően az egyébként folyamatos energiaáramlást ki- és bekapcsolások sorozatával szaggatják.

A tirisztor három elektródás félvezető; ezek az anód, a katód és a vezérlőelektróda. Két üzemállapota van, egy kis és egy nagy ellenállású állapot. Tekinthető egy félvezetős kapcsolónak, azaz nyitott és zárt állapota van. Az átkapcsolást a vezérlőelektróda felhasználásával végezhetjük.

A nyitott állapotba vezérlés (gyújtás) a vezérlőelektródára adott impulzussal történik. Váltakozó áramú körben a tirisztor ebben az állapotban marad a félperiódus nulla átmenetéig. A következő félperiódusnál egy újabb impulzusra van szükség, hogy újra vezetni kezdjen. A gyújtóimpulzust időzíthetjük a tápfeszültség nulla átmeneteihez. Az így értelmezett eltérés az gyújtáskésleltetési szög (2. ábra).

A gyújtáskésleltetéssel a fogyasztóra jutó feszültség effektív értéke és ezzel a fogyasztó teljesítményfelvétele változtatható, csökkenthető. A késleltetett gyújtóimpulzust a vezérlőáramkör biztosítja. Ezt gyújtásszög-vezérlésnek vagy előlvágó- vezérlésnek nevezzük. Ennek fordítottja az oltásszög-vezérlés vagy más néven a hátulvágó-vezérlés. Ehhez teljesítménytranzisztort (IGBT, MOSFET) használunk. Az áramot hirtelen megszakítjuk, a következő nulla átmenetig megszüntetjük az energiaáramlást. Minél korábban történik ez, minél hosszabb ideig van zárva az elektronikus kapcsoló, annál kisebb lesz az feszültség effektív értéke. Amint a gyújtásszög, úgy az oltásszög változtatásával lehet a fényáramot a kívánt részértéken tartani.

A gyújtásszög-vezérlés ohmos és induktív jellegű terheléshez, az oltásszög-vezérlés pedig kapacitív jellegű terheléshez felel meg. Ez azért lényeges, mert a fényforrá- sok, illetve azok működtető elemei (transzformátor, előtét) is ohmos, induktív vagy kapacitív terhelésként viselkednek.A hőmérsékleti sugárzók gyenge pontja az izzószál. Ezen a problémán kíván segíteni a törpefeszültségű táplálás.

A 230 V-os termékek izzószála a megfelelő ellenállás végett hosszú és vékony. Ezzel szemben a törpefeszültségű változatokba rövidebb és vastagabb izzószálat lehet beépíteni, mert kisebb ellenállás és nagyobb áram mellett veszik fel ugyanazt a villamos teljesítményt. Az ilyen izzószál hosszabb élettartamú. Mivel ezek az izzók is 230 V-os hálózatról működnek, táplálásukhoz transzformátor szükséges. Ez lehet hagyományos (ferromágneses) vagy elektronikus. A ferromágneses transzformátor induktív terhelés, tehát gyújtásszög-vezérlést kell használni.

Az elektronikus transzformátorokhoz viszont oltásszög-vezérlés szükséges, ugyanis kapacitív fogyasztóként viselkednek. Ha a dimmerben mindkét technológia be lett építve, akkor alkalmas mindkét esetre. A legtöbb ilyen dimmer képes a terhelést azonosítani, és a megfelelő vezérlési módot beállítani. A közvetlenül a 230 V-os hálózatról táplált izzók rezisztív fogyasztók, bármelyik AC-szaggatóval jól dimmelhetők. A dimmerek terhelhetőségét betűkombinációval jelöljük. Az R betű a rezisztív, az L betű az induktív, a C betű a kapacitív terhelést, illetve az M betű a villamos motort jelöli (4. ábra). Gyártanak R,L és R,C, továbbá R,L,C dimmereket is. A rezisztív terhelés kombinálható akár az induktívval, akár a kapacitívval. Ez utóbbi kettő azonban kizárja egymást. Tehát az R,L,C dimmer sem tud egyszerre ilyen fogyasztókat táplálni. Külön figyelmet igényel, hogy vannak 230 V-os feszültségű, ún. izzópótlók: kompakt fénycsövek, LED-lámpák. Ha dimmelhető termékről van szó, külön kell vizsgálni, hogy milyen fényáram-csökkentési technológiával lehet ezt végezni.

 

nagynyomású kisülő fényforrások dimmelése Az első nagynyomású kisülőlámpa a higanylámpa volt. Ebben még fénypor alakítja át az UV-sugárzást látható fénnyé. A korszerű nagynyomású kisülő fényforrásokban (fémhalogén lámpa, nátriumlámpa) nincs szükség fényporra. A nagy nyomáson és nagy hőmérsékleten végbemenő gázkisülés közben keletkező elektromágneses sugárzás jelentős része látható fény. A kisnyomású fénycsövekben csak megfelelő hosszúságú üvegcsővel lehet a kellő számú ütközést, és ezáltal megfelelő ionizációt, gerjesztést biztosítani. A kb. 6000 K hőmérsékletű plazmában ugyanez sokkal kisebb térfogatú kisülőcsőben valósul meg. Ehhez más szerkezeti anyagokra van szükség: kvarcüvegre vagy áttetsző alumínium-oxid kerámiára. A jó működés feltétele kedvező hőmérséklet és megfelelő gáznyomás. A névlegesnél kisebb áramú működtetésnek különböző következményei vannak. Az elektródák elhasználódása gyorsul, a kisülőcső belső felületén lerakódások képződnek. Ha ez nem is lép fel, változnak a fényforrás villamos és fénytechnikai jellemzői, az élettartam rövidül. Ezek a jelenségek nagyon eltérő mértékben lépnek fel, függően a fényforrás szerkezetétől (higanylámpa, nátriumlámpa, fémhalogénlámpa) és az alkalmazott fényáram- csökkentési technikától. A részteljesítményen való működtetés módszerei: primer feszültség csökkentése, ferromágneses előtét impedanciájának változtatása, dimmelhető elektronikus előtét.

 

■ Kisnyomású kisülő fényforrások dimmelése
A fénykeltés egy lehetséges módja, hogy az atomokat elektromágneses sugárzással gerjesztjük. A kisnyomású kisülő fényforrásokban (egyenes fénycső, kompakt fénycső) két folyamat zajlik egy időben. Az egyik a gerjesztő elektromágneses sugárzás létrehozása, a másik maga a fénykibocsátás. Az első folyamat a „névadó”: gázplazmában kisülést hozunk létre. Szerkezetileg erre szolgál az üvegcső, melyet nagyon kis nyomású higanygőz tölt ki. Az ilyen fényforrásnak három állapota van. Az egyik a kikapcsolt állapot. A bekapcsolt állapotot, az üzemszerű működést megelőzi egy átmeneti, a korszerű fényforrásokban szemmel már nem is észlelhető állapot, a gyújtás. A töltőgázt ionizálni kell, ezt nevezzük gyújtásnak.

Ennek első szakasza a cső két végén lévő elektródák felhevítése. Ekkor az elektródák fémoxid bevonatából nagysebességű elektronok lépnek ki, melyek ütközéssel ionizálják a gáztöltetet. Ahhoz, hogy a kisülés önfenntartó legyen, ún. gyújtási feszültségre van szükség. Ennek hatására az ionizáció lavinaszerűen felgyorsul. Ha a folyamatot magára hagynánk, az áramerősség addig fokozódna, amíg a fényforrás tönkre nem menne. Ezt akadályozza meg az előtét, mely a megfelelő értékre korlátozza az üzemi áramot.

Az ehhez tartozó üzemi feszültség kb. fele a hálózati feszültségnek, a különbség az előtéten jelentkezik. Normál működés közben nem szükséges az elektródák fűtése, mert az üzemi áramerősség kellő hőmérsékletet és elektronemissziót biztosít. Maga a fénykibocsátás a fluoreszkálás jelensége szerint valósul meg. Ez a lumineszkálás egyik változata. Lényege, hogy egyes anyagok elektromágneses sugárzás hatására fényt bocsátanak ki. Ezek a fényporok tulajdonképpen „hullámhossz-váltók”, mert az elnyelt primer sugárzás az ultraibolya tartományba, a gerjesztett szekunder pedig – részben – a látható tartományba esik. A fény- csövekben a fényport az üvegcső belső felületére viszik fel. A gerjesztést a gázkisüléskor keletkező, de a nem látható tartományba eső UV-sugárzás biztosítja.

A kisnyomású kisülő fényforrások fényárama is függ az áramerősségtől, illetve a feszültségtől. Csökkenő feszültség csökkenő villamos, illetve fényáramot okoz. Lényeges körülmény: a működés feltétele, hogy az elektródák elektronokat bocsássanak ki. Ehhez az elektródáknak megfelelő hőmérsékletűnek kell lenniük. Gyújtáskor ezt külső energiával biztosítjuk, azt követően az üzemi áram elég az elektródák melegen tartásához. Ha az áramerősség jelentős csökken, a termoemiszszió megszűnik. Az induktív előtéttel működő fénycsövekhez e probléma megoldására különböző dimmelési megoldásokat dolgoztak ki. Ma azonban, ha fénycső-dimmelés a feladat, ez gyakorlatilag dimmelhető elektronikus előtéttel működő fénycső alkalmazását jelenti.

A vezérlő jelet az előtétre adjuk. Dimmelésnél biztosítva van az elektródák fűtése, kellő hőmérséklete. A legtakarékosabb előtétek az elektródák fűtését is csökkenő teljesítményhez igazítják, illetve meg is szüntetik. A fényáram a névlegesnek akár 1 százalékára is lecsökkenthető. Ennek a természetes és mesterséges világítás összehangolása szempontjából nincs túl nagy jelentősége, hiszen ennél jobb a fényforrás kikapcsolása.A gyártók közzéteszik, hogyan alakul a dimmelhető előtét és a fényforrás teljesítmény- felvétele és a fényáram a dimmelés közben (5. ábra). E tekintetben a fénycsövek kedvező tulajdonságúak.

Bár a legtakarékosabb előtétek fogyasztása csekély, de nem elhanyagolható. Ha az előtét folyamatosan feszültség alatt van, akkor egy nap, egy év alatt már számottevő ez a fogyasztás is.A jelenleg forgalmazott egyenes fénycsövekkel ellentétben a kompakt fénycsövek között vannak dimmelhető és nem dimmelhető termékek is. A fényáram nem csökkenthető korlátlanul. Egy adott érték alatt a legtöbb kompakt fénycső villogni kezd. Az alkalmazandó dimmelési módszer a kompakt fénycső működtető elektronikájától függ. Kifejlesztettek külön dimmert sem igénylő változatot is: ezt a funkciót is beépítették az elektronikus előtétbe. A fényáram-változtatás a ki- és bekapcsolásra szolgáló kapcsolóval történik. Annak ismételt – rövid időn belüli – kapcsolgatásával tudunk dimmelni.A fényhasznosítás tekintetében jelentős különbségek vannak az egyes dimmelhető kompakt fénycsövek között. Lényeges, hogy a diagramban viszonyszámok vannak. A halogénizzók és a kompakt fénycsövek fényhasznosítása jelentősen eltér. Az előbbiek névleges teljesítmény mellett 12-25 lm/W értékkel jellemezhetők. A kompakt fénycsövek fényhasznosítása viszont 45-68 lm/W.(Folytatása következik!)

■ Összefoglalás
Összességében a fényáram-csökkentés megvalósítását csak a gyártónak az adott termékre érvényes előírása szerint szabad tervezni. A nagynyomású nátriumlámpák esetében ez szélesebb körben engedélyezett.

A nagynyomású fémhalogén lámpák fényáram-csökkentésének jelenleg korlátozottak a lehetőségei. Általánosságban igaz, hogy a bekapcsolás után meghatározott ideig névleges teljesítménnyel való működtetés szükséges. A leszabályozás mértéke is korlátozott, rendszerint nem lehet 50% alá menni. A csökkentett teljesítményű működtetés kedvezőtlenül hat a fényforrás energetikai viszonyaira is. Az optimálistól eltérő ív már nem képes olyan kiváló fényhasznosításra, mint névleges teljesítmény mellett.

A nagynyomású fémhalogén fényforrások fényhasznosítása jó, egy nagyságrendben van a kisnyomású fénycsövekkel. A gömb alakú, kerámia kisülőcsöves változatok kissé jobbak a hengeres kisülőcsöves termékeknél. Ez igaz a teljes, valamint a leszabályozott fényáram mellett mért értékekre is.

---