A fénycső meghódítja a világot
2012/5. lapszám | Chiovini György | 12 693 |
Figylem! Ez a cikk 12 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A gyertya, a fáklya vagy éppen a petróleumlámpa fénye lehetővé tette, hogy az ember napnyugtától napkeltéig némi világosságot teremtsen magának. A nappallal összevethető világosságot a villamos világítás hozta meg. Az izzólámpával már létre tudtuk hozni a legigényesebb tevékenységekhez szükséges megvilágítási szintet is. A fény „mennyisége” előtt már nem volt korlát.
Lehetne-e gazdaságosabbá tenni a mesterséges világítást? Van-e jobb fényhasznosítású fényforrás, mint az izzólámpa? Egyértelmű kereslet volt egy energiatakarékosabb fénykeltési mód piacképes termékké fejlesztésére. Meg is született a megoldás, a fénycső. Az ötlet, pontosabban a szabadalom 1926-ban lett bejegyezve. A kereskedelmi forgalmazás rá mintegy tíz évre indult meg a T12-es termékcsaláddal.
Az angolszász mértékegységeknél előszeretettel alkalmazzák a felezős méretsort. A fénycső átmérőjét az inch (hüvelyk, 25,4 mm) nyolcadrészével adták meg. A T12 azt jelenti, hogy az alapegység tizenkétszerese. Milliméterben: 12 × (25,4 / 8) = 38. A jó fényhasznosítás az alapvető magyarázata a fénycsövek elterjedésének.
Európában darabszámra ugyan a közelmúltig több izzólámpát használtunk, mint fénycsövet, azonban fényáramban mérve más a kép. A fény- csövek részesedése kb. 40%, azaz közel egyenlő az összes többi fényforrás részesedésével. A fény, mint elektromágneses sugárzás energiaváltozással jön létre. Amikor az elektronok egy nagyobb energiájú, de átmeneti, gerjesztett állapotból egy kisebb energiájú állapotba mennek át, az energiakülönbség sugárzás formájában jelenik meg, illetve hagyja el az atomot. A fénykeltéshez tehát először energiát kell közölni.
Ez történhet hevítéssel. A hőmérsékleti sugárzók látható és nem látható (infravörös) elektromágneses sugárzást is kibocsátanak. Fényhasznosítás szempontjából annál kedvezőbb az arány, minél nagyobb hőmérsékletű a kibocsátó anyag. Mivel a gyakorlatban ennek erős fizikai korlátai vannak, a hőmérsékleti sugárzók fényhasznosítása csekély.
1. ábra: Halofoszfát fényporos fénycső energiamérlege. Ferromágneses előtét 50 Hz, fényhasznosítás 85 lm/w, elektronikus előtét 25 Hz, fényhasznosítás 100 lm/m
Közölhetjük a gerjesztő energiát más módon is. Vannak anyagok, melyek elektromágneses sugárzás hatására ugyancsak elektromágneses sugárzást bocsátanak ki, de eltérő hullámhosszon. Jó esetben gerjeszthetők nem látható hullámhosszon, amelyet látható fénnyé „alakítanak át”. Ilyenek a fénycsövekben használt fényporok. A gerjesztés ultraviola-sugárzással történik. Mivel ez utóbbit ionizált gázban létrehozott kisüléssel hozzuk létre, joggal nevezzük az ilyen fényforrásokat kisülő fényforrásoknak. A kisülés energiaforrása a gáztérben folyó áram.
Ez a fénykeltési mód energetikailag jobb, mint a hevítéssel való gerjesztés. A bevezetett energia hasznosulása kedvezőnek mondható, bár a környezetbe távozó hő (veszteség) azért itt is nagyobb a hasznosuló résznél (1. ábra). Az első generációs termékek 50 lm/W-os, egyébként az izzókhoz képest kedvező fényhasznosítása óta tovább fejlődött a fénycsőtechnika.
A T5-ös, nagy energiahatékonyságú sorozat 26 W-os változata 2900 lument tud, ez pedig 112 lm/W. Az a körülmény, hogy fénycsővel megvilágítva egy teret sokkal kevesebb villamos energiára van szükség, mint izzólámpa esetében, felülírta az első generációs fénycsövek számos kedvezőtlen tulajdonságát. A kezdetektől eltelt mintegy hét évtized alatt ez a fénykeltési technika sokat változott, a mesevilágból vett hasonlattal a rút kiskacsából szépséges hattyú lett.
Két szempontból a fénycső eleve előnyösebb. Nem csak meleg színhőmérsékletű, hanem semleges és hideg változatban is gyártható. Legújabban megjelentek a kék fényben gazdag, élénkítő hatású, nagy cirkadián-tényezővel jellemezhető fénycsövek is. Kevésbé kápráztat egy fényforrás, ha fénysűrűsége kicsi. Ilyen a fénycső is, szabadon sugárzó kivitelben jól alkalmazható. Mivel a legelterjedtebb egyenes változat csőátmérője a kezdeti 38 mm-ről mára 16 mm-re csökkent, a fényáram pedig nőtt, a T5-ös család alkalmazásánál már nagyobb körültekintésre van szükség. Sajnos az ultraviola sugárzás létrehozásához legjobban a higanygőz felel meg.
A fénycsövek a higanytartalom miatt veszélyes hulladékként kezelendők. Kedvező, hogy a jelenleg gyártott termékekben már sokkal kevesebb higany van.
2. ábra: A fényporok szűk hullámhossz-tartományban sugároznak. A színkép nem folytonos, emiatt a színvisszaadási tulajdonság elmarad az izzólámpáktól. Fényporok keverésével és különleges adalékokkal azonban jobbá tehető. A háromsávos fénycső színképében a kék, zöld és vörös sáv (szín) nagy intenzitással jelenik meg.
A fényporok szűk hullámhossz-tartományban sugároznak. A színkép nem folytonos, emiatt a színvisszaadási tulajdonság elmarad az izzólámpáktól. Fényporok keverésével és különleges adalékokkal azonban jobbá tehető. A háromsávos fénycső színképében a kék, zöld és vörös sáv (szín) nagy intenzitással jelenik meg (2. ábra).
Még jobbak az ötsávos vagy teljes színképű fénycsövek. Beszerezhető olyan fénycső is, melynek szín- visszaadási indexe 97, tehát alig marad el lehetséges legjobb értéktől, a száztól. Hátránynak kell tekinteni, hogy a fénycsövekhez külön áramkorlátozóra van szükség. Az ionizált gáz ellenállása az áramerősség növekedésével csökken, azaz egy öngerjesztő folyamattal állunk szemben. A munkapontot ezért egy ellentétes tulajdonságú soros taggal állítjuk be.
Ez lehet a hagyományos ferromágneses előtét. Az ezeket leváltó elektronikus előtétek feladata ugyanaz, csak ezt kisebb veszteséggel valósítják meg. Annak ellenére, hogy egy elektronikus előtétben kétszeres energiaátalakítás – váltakozóból egyen, egyenből váltakozó – történik. További előnye még az elektronikus előtétnek, hogy pótolja a fénycsőgyújtót.
Ahhoz ugyanis, hogy a fénycsőben lévő gázt vezetőképessé tegyük, a fénycsövet „be kell gyújtani.” Ezt hagyományosan egy külön alkatrész végezte. A fejlődés itt is megvalósult: az elektronikus előtét gyorsan és vibrálás nélkül gyújt. Megkülönböztetünk hideg- és melegkatódos-gyújtást. A gáz ionizálását végző elektronokat a katód bocsátja ki.
Ennek feltétele a katód megfelelő hőmérséklete. Melegkatódos gyújtásnál a katódot árammal felhevítjük. A hidegkatódos gyújtás nagy feszültséggel történik. Ez gyorsabb, de a katód élettartamára nézve kedvezőtlenebb. A katód meghatározó a fénycső élettartama szempontjából. Kialakítását tekintve emissziós bevonattal ellátott elektróda. A bevonat elhasználódása függ a gyújtások számától és a gyújtási folyamatnál fellépő igénybevételtől. Mind a hidegkatódos, mind a parázsfénylámpásgyújtásnál jobb, nagyobb élettartamot lehet elérni elektronikus előtéttel, ha az melegkatódos technikával működik. Ebben az esetben a gyújtás meghatározott és ellenőrzött módon történik. Az előtét egy rövid fűtési szakasz után kapcsolja a csőre a gyújtófeszültséget. A gyújtás megtörténte után a fűtés leáll. Az üzemi áram önmagában elégséges az emisz-sziós bevonat hőntartásához.
A váltakozó áram nulla átmeneténél a fénycső kialszik, majd újra gyújt. Ez egy 30 kHz-es elektronikus előtétnél számtalanszor lezajlik. De ez mégis kedvezőbb, mint az 50 Hz-es működtetés. A periódusidő olyan rövid, hogy a gáz lényegében ionizált marad. Kisebb frekvencia, hosszabb periódusidő hátrányosabb a gáztöltetre nézve. Ami kedvezőtlen és élettartam-csökkentő hatású, az a fénycső kikapcsolása és újra bekapcsolása. Közismert, hogy a fénycsöveket nem helyes rövid időre bekapcsolni.
3. ábra: Közismert, hogy a fénycsöveket nem helyes rövid időre bekapcsolni. Már elfogadható, erre adják meg a gyártók is a termékadatokat, ha három óránként, 15 perces szünettel, egy ki-bekapcsolás történik. Ha ez gyakoribb, az élettartam meredeken csökken.
Már elfogadható, erre adják meg a gyártók is a termékadatokat, ha három óránként, 15 perces szünettel, egy ki-bekapcsolás történik. Ha ez gyakoribb, az élettartam meredeken csökken (3. ábra). Az izzólámpa izzószála bekapcsoláskor olyan gyorsan felforrósodik, hogy szemünk nem tudja követni a fényáram felfutását, a folyamat gyors és zavarmentes.
Az első generációs fénycsövek jellegzetes felvillanásokkal indultak. Elektronikus előtéttel megszűnik az izzó és fénycső közötti zavaró különbség. Azonban az továbbra is fennáll, hogy a teljes fényáram eléréséhez még bizonyos, gyártmánytól függően hosszabb vagy rövidebb időre van szükség. Ez alatt a töltet eléri a megfelelő működéshez szükséges nyomást és hőmérsékletet.
Ide tartozik, hogy a hagyományos üzemeltetésnél a fénycső elhasználódását gyújtási nehézség jelzi. Végül a cső egyáltalán nem gyújt be. Egy további előnyös szolgáltatása az elektronikus előtéteknek, hogy az elhasználódott, bizonytalanul gyújtható fénycsövet nem „kínozza”, hanem lekapcsolja.
Fénycsöveknél beszélünk ún. beégetésről. A készre gyártott terméket 100 órán keresztül működtetni kell ahhoz, hogy a tervezett jellemzőkkel üzemeljen teljes élettartamán keresztül. A beégetés elsősorban a katódoknak szükséges, hogy a megfelelő emissziós tulajdonságukat elnyerjék. Ha a fénycsövet használat során dimmelni fogjuk, a beégetés alatt ezt mellőzni kell. A beégetés névleges fényarámmal történjen.
A kompakt fénycső megjelenésével a külön előtét is megszűnt. Annak érdekében, hogy a fénycső jó fényhasznosítását és a hagyományos izzók megszokott méretét és alakját egybeötvözzék, olyan fénycsövet fejlesztettek ki, amelyikbe a működtető egység is be lett építve. Váltakozó áramú táplálásnál a sugárzás (fény) intenzitása némi kiegyenlítéssel, de követi az áram szinuszos változását. 50 Hz-es hálózati frekvenciánál ez közvetlenül nem észlelhető, de mégis zavaró, fárasztó. A ferromágneses előtétek nem javítanak ezen.
Elektronikus előtéttel a működési frekvencia kHz-es tartományba helyezhető, és a kellemetlen villogás megszüntethető. A hagyományos előtét (fojtó) mellett kondenzátorral kell a hálózatra nézve kedvező teljesítménytényezőt beállítani. Az elektronikus előtét ezt a funkciót önállóan is betölti. A fénycsövek elhasználódásának három jele van. Csökken a kisülésben résztvevő higany mennyisége, romlik a katódok emissziós, illetve a fénypor lumineszkáló képessége. A romlás már az üzembe helyezéstől kezdve megindul.
Az így bekövetkező fényáram-csökkenés miatt nem gazdaságos egy fénycsövet a tönkremeneteléig használni. Egységes viszonyítási alapnak a kezdeti fényáram 80 %-át tekintve, a T12-es és ferromágneses előtéttel működtetett T8-as fénycsöveknél ez 4500-5000 üzemóra után következett be. Elektronikus előtét sokat javít ezen. Így a T8-as 18 000 üzemórát is teljesít, mire a romlás 20%-os lesz. A legjobb fénycsövek viszont annyira szinten tartják a fényáramot, hogy az egyáltalán nem csökken 5%-nál nagyobb mértékben. A teljes működésképtelenség véletlenszerűen következik be.
Az átlagos élettartamot az eloszlásfüggvény maximumánál határozták meg. A T8-as és T5-ös fénycsövek átlag élettartama mintegy 20 000 óra. Mivel van kereslet különösen hosszú élettartamú gyártmányokra is, ezek is elérhetők: 40-50 ezer óráig működnek 50%-os meghibásodási valószínűséggel. A gyártók 30 ezer óránkénti csoportos cserét javasolnak. Ez 24 órás, folyamatos működéssel is több év. Ha ezeket a számokat összevetjük az izzólámpák szabványos, 1000 órás élettartamával, érthetővé válik a fénycsővilágítás térnyerése.
Folytatható a sor a fényáram szabályozással, dimmeléssel. A ferromágneses előtétek mellett nem tudott a fénycső-dimmelés elterjedni. Ma gyakorlatilag úgy dimmeljük a fénycsöveket, hogy erre a célra kifejlesztett elektronikus előtétet használunk. A működési elvből következik, hogy a fénycsövek érzékenyek a környezeti hőmérsékletre. Ez ugyanis befolyásolja a gáztöltet fizikai állapotát. A fényáram az optimális hőmérséklettől távolodva viszonylag gyorsan csökken. Ma már gyártanak széles hőmérsékleti tartományban gazdaságosan üzemeltethető fénycsöveket is.
Ezekben a katódnál amalgámot – higany és más fém ötvözetét – helyeznek el. Ebből higany szabadul fel, és kedvezően befolyásolja az ultraviola sugárzás létrejöttét. Az ilyen fénycső 5 ºC és 70 ºC között képes legalább 90%-os fényáramra. Ha fényforrás-választásnál az energiahatékonyság elsődleges szempont, akkor az egyenes vagy kompakt fénycsövek jó megoldást jelentenek. Egységteljesítményük korlátozott, ezért nagy terek megvilágításához már a másik kisülő fényforrás-család, az ugyancsak energiahatékony nagynyomású kisülőlámpa szükséges.
Folyamatosan tapasztaljuk, hogy a LED erős vetélytárssá vált. Forgalmaznak fénycső közvetlen kiváltására ugyanolyan méretű és fejelésű LED-csöveket is. Az ezekről készített tanulmányok megállapítása, hogy jelenleg nem nyújtanak gazdaságos alternatívát. Nem látni a jövőbe, a piac „felosztásának” alakulását az elkövetkező évek döntik el.
Csak a legjobb elég jó
Ismeretes, hogy az Európai Unió két rendeletet alkotott a fényforrások, előtétjeik, továbbá lámpatesteik környezetbarát tervezési követelményeiről. A fénycsövekre és fénycső-előtétekre a 245/2009/EK rendelet vonatkozik. A cél az, hogy a világítás villamosenergia-fogyasztása csökkenjen. Használjunk minél jobb fényhasznosítású fényforrásokat, minél kisebb önfogyasztású előtéteket. Összehasonlítva az izzólámpákra és a fénycsövekre vonatkozó előírásokat, jól látszik a különbség.
Az izzók is továbbfejleszthetők, javított változataiknak helye van a jövő világítástechnikájában is. A jellemző azonban a lecserélésük más elven működő, energiahatékony termékekre: kompakt fénycsőre vagy LED-re. A fénycső esetében jelenleg nincs egyértelműen jobb alternatíva. Nincs szó a fénycsövek tömeges lecseréléséről más, jobb fényhasznosítású fényforrásra. A rendelet lényegében csak a fénycsőtechnikán belül rejlő lehetőségek kihasználását teszi kötelezővé.
Egy fénycső akkor forgalmazható, ha teljesíti a következő négy jellemzőre meghatározott követelményeket:
- színvisszaadási index (legalább 80),
- fényhasznosítás (táblázat szerint),
- fényáram-stabilitási tényező (táblázat szerint),
- fényforrás-életartam tényező (táblázat szerint).
Egy T8-as fénycső fényhasznosítása legalább 63 lm/W, egy T5-ösé legalább 73 lm/W kell, hogy legyen. A legjobb jellemzővel rendelkező 36 wattos T8-asra ugyanez 93 lm/W, és szinte ez – 94 lm/W – érvényes a 35 wattos, nagy energiahatékonyságú T5-ösre is. A 39 wattos, nagy teljesítményű T5-ös előírása 79 lm/W. Ha ezeket összehasonlítjuk az 1980-as években gyártott fénycsövek jellemzőivel, a fejlődés kétségtelen, de nem több 20%-nál.
Igaz, ezek minimum-feltételek. A leghatékonyabb gyártmányok fényhasznosítása 100 lm/W felett van. A fényáramtartás és az élettartam is jelentősen fejlődött. Az első határidő 2010-ben volt. Ez lényegében a halofoszfátos fénycsövek kivonását írta elő, kivéve a T12-es gyártmányokat. Ezekre ettől az évtől vonatkozik a szigorítás.
A harmadik határidő 2017. Azt követően a beépített előtét nélküli fénycsöveknek alkalmasnak kell lenni elektronikus előtéttel való használatra, ugyanis más előtét forgalmazása meg fog szűnni.
4. ábra: elektronikus előtéttel működő fénycső
Markánsabb változás folyik a fénycső-előtétekkel kapcsolatban. Ezeket energiahatékonysági osztályokba sorolták:
- A1 osztály: szabályozható elektronikus előtétek
- A2 osztály: csökkentett veszteségű elektronikus előtétek
- A3 osztály: elektronikus előtétek
- B1 osztály: igen kis veszteségű ferromágneses előtétek
- B2 osztály: kis veszteségű ferromágneses előtétek
- C osztály: mérsékelt veszteségű ferromágneses előtétek
- D osztály: igen nagy veszteségű ferromágneses előtétek
Ezek közül mára megszűnt a C és D osztály. 2010-től új fénycsövet már csak elektronikus előtéthez szabad kifejleszteni. Az előtétek készenléti vesztesége nem lehet nagyobb 1 wattnál. Egy kisebb változás lép életbe ebben az évben. A készenléti veszteségre új követelmény vonatkozik: 0,5 watt. 2017-től kezdve azonban nagy szigorítás következik. A ferromágneses fénycső-előtétek forgalmazása megszűnik.
Nem kerülhetnek forgalomba az A3-as elektronikus előtétek sem. Marad az A2-es osztály, és két új kategória jelenik meg: A2 BAT, A1 BAT. A BAT (best available technology = legjobb elérhető technológia) az a technológia, amely elfogadható műszaki és gazdasági feltételek mellett gyakorlatban alkalmazható, és a leghatékonyabb a környezet egészének magas szintű védelme szempontjából. Érdemes összehasonlítani régebbi típusú, ferromágneses előtéttel használt fénycsövek energiahatékonyságát korszerű és elektronikus előtéttel működő fénycsövekével (4. ábra).
A javulás majdnem 30%. A fényáram mindegyik esetben azonos. A fénycső névleges villamos teljesítménye 58 W. Elektronikus előtéttel javul a fényhasznosítása, kisebb teljesítmény mellett szolgáltatja ugyanazt a fényáramot.
5. ábra: Gyártani kezdtek olyan közdarabokat, gyakorlatilag különleges elektronikus előtéteket, melyekkel egy T8-as csőhöz kialakított lámpatestbe, a T8-as helyére T5-ös tehető.
Kinek van igaza?
Kétségtelen, hogy a T5-ös fénycsövek megfelelő elektronikus előtéttel nagyon gazdaságosak. Méreteltérés miatt T8-as cső helyébe nem tehetők. Alkalmazásukhoz lámpatestcserére is szükség van.
Gyártani kezdtek azonban olyan közdarabokat, gyakorlatilag különleges elektronikus előtéteket, melyekkel egy T8-as csőhöz kialakított lámpatestbe, a T8-as helyére T5-ös tehető (5. ábra). Megjelentek a terjesztők, akik nagy megtakarítást ígérnek, ha valaki a közdarab-előtétet alkalmazza. Az egyszerű csere és a gyors megtérülés nagyon vonzó.
Hol az igazság? Már sok cáfolat jelent meg, ezért elég tömören összefoglalni az ilyen gyártmány alkalmazásának buktatóit. Jogi szempontból kockázatos, mert a lámpatest nem rendeltetésszerű használatát, meg nem engedett átalakítását jelenti. Érintésvédelmi probléma is felléphet, mert a gyújtót ki kell szedni, és rövidzárral áthidalni.
Egyes termékek zavarjelekkel terhelhetik a hálózatot. Többé-kevésbé megváltozik a lámpatest optikája. A T5-ös fénycső nagyobb fénysűrűsége miatt káprázást okozhat. Mivel a feleslegessé vált ferromágneses előtét és a fázisjavító kondenzátor megmarad, ezek csak rontják az energiamérleget. Ráadásul az adott gyártmány műszaki jellemzőitől függően a fénycső tényleges fényhasznosítása akár jelentősen eltérhet a megfelelő körülmények között elérhető értéktől.
A remélt energiamegtakarítás nagy valószínűséggel elmarad vagy csak látszat, mert a fényáram csökkenéséből származik. Enyhén szólva etikátlan, ha a gyártó lényegében dimmelt üzemállapotra tervezi az előtétet, és így mutat ki kisebb villamos teljesítményfelvételt. Hasonlóan csalódás érheti az alkalmazót akár a fénycső, akár a közdarab élettartamát illetően. Vannak olyan változatok is, melyeknél a fénycső fölé reflektor kerül. Ez a padozat irányába tereli a kibocsátott fényt. Ezáltal ott nagyobb megvilágítás mérhető, mint reflektor nélkül.
Ez önmagában nem lenne baj, de a megoldás megváltoztatja a helyiség világításának jellegét. Kérdéses, hogy ez elfogadható mértékű-e. Szubjektív véleményeknél többet ér az objektív adatgyűjtés. Egy német intézet nyolc különböző terméket vizsgált meg, illetve mért ki. Beigazolódott, hogy az elektronikus közdarab-előtétekkel táplált T5-ös fénycsövek fényhasznosítása 2-27%-kal jobb, mint a referenciának tekintett, ferromágneses előtétre kapcsolt T8-as fénycsőé.
Kiderült azonban az is, hogy a fényáram is lényegében ilyen arányban csökkent. A padozaton mért megvilágítás egyetlen terméknél sem érte el a referencia lámpatestnél mérhető értéket. Összefoglalásul levonható a tanulság. A legtöbb ilyen ajánlat, reklám egyoldalú. Ha nem is tartalmaz kifejezetten hamis állításokat, a tények ügyes kezelésével, kellemetlen vonatkozások elhallgatásával téves következtetések levonásához vezet. A megfelelőn tervezett, karbantartott fénycsővilágítás önmagában energiatakarékos. Lélektanilag érthető, hogy vonzó ezen kis befektetéssel még nagyot javítani. Rossz, ha saját kárán jön rá valaki, hogy ez nem lehetséges. A körültekintő magatartás sem garancia.
Az üzembe helyezésnél mért értékek lehetnek elfogadhatók, de ebből sajnos nem lehet következtetni arra, hogyan alakul ez néhány ezer üzemórával később. Lehetséges, hogy idővel ez a piac is letisztul. Maradnak a tisztességes cégek, a termékeket az üzemi tapasztalatok alapján továbbfejlesztik. A reklámok helyét átveszik független szervek jól dokumentált vizsgálati jegyzőkönyvei. Ez mindenkinek hasznára válna.
