Fényforrások csoportosítása

Alkalmazott fényforrásainkat fizikai működésük alapján három fő csoportba tudjuk besorolni. Léteznek az úgynevezett hőmérsékleti sugárzók, amelyek valamilyen anyag felizzításából származó sugárzás látható tartományba eső részét hasznosítják. Ilyenek a hagyományos izzók, valamint a halogén izzók. Második fő csoportunk a kisüléses fényforrások, amely a kibocsájtott fényét a kisülő csőben gerjesztett részecskékből nyeri. Ezek között megkülönböztetünk nagynyomású és kisnyomású lámpa típusokat, valamint ezek tovább bonthatóak töltőanyag és kivitel szerint. Utolsó nagy csoportunk pedig a félvezetős technikán alapuló fényforrások, közismert nevén a LED-ek. Ezeket a fényforrásokat vesszük a továbbiakban sorra és kiemeljük főbb paramétereiket, felhasználási területeiket, valamint egy-két helytelen közhiedelmet.

1.Hőmérsékleti sugárzók
Hőmérsékleti sugárzónak nevezzük azokat a fényforrásokat, amelyekben működésük során egy izzószál kerül felmelegítésre, egészen addig, amíg az általa kibocsájtott sugárzás a látható tartományban is jelentkezik. A látható tartományban kibocsájtott sugárzás tulajdonképpen a fény, amit az emberi szem érzékelni képes. Viszont ez alig néhány százaléka a teljes kibocsájtott sugárzásnak. A fennmaradó tetemes rész hő-ként jelentkezik. Ennek okán a fényhasznosítása (Fényáram/felvett teljesítmény [lm/W]) nagyon gyenge.

1.1. Hagyományos izzólámpa
A hagyományos izzólámpák legtöbbje olyan hőmérsékleti sugárzó, amelyben a fényt egy hevített wofram szál bocsájtja ki, amely a legtöbb esetben, vákuumban van működtetve. Speciális esetekben a burán belül lehetséges töltőgáz jelenléte, de ez csak kisméretű fényforrások esetében lehetséges. A fentebb említett gyenge fényhasznosítása miatt (6-19 lm/W) az Európai Unióban tiltó listára kerültek, így már csak speciális kivitelű változatai kaphatóak, amelyek kiváltására nem létezik jelen pillanatban célszerű alternatíva. Ilyen például a forgó szerszámok esetén alkalmazott reziszta izzó, amely egy rázkódásvédett hagyományos izzó. Azon előnyös tulajdonsága miatt alkalmazzák munkavédelmi szempontból kiemelt helyeken, hogy a hálózati frekvencia nem jelenik meg a kibocsájtott fényben, így nem tud létrejönni stroboszkóp hatás. Hőmérséklettűrő képessége miatt alkalmazzák továbbá sütőkben, valamint színezett, vagy speciális szálformájú változatait dekorációs célokra. Élettartama hozzávetőleg 1000 órára tehető.

1.2. Halogén lámpa
Felépítését tekintve hasonlatos a hagyományos izzókhoz. A jelentős különbség a burán belüli gáz, amelyben létrejön az úgynevezett halogén körfolyamat. Ennek során az izzószálból távozó oldott wolfram képes visszaépülni, így nem történik meg a szálszakadás olyan rövid idő alatt mintha vákuumban üzemeltetnénk. A folyamat lejátszódásához megfelelő hőmérsékletre is szükség van, ennek eredménye a kicsiny kapszula kivitel. Ahogy a hőmérsékleti sugárzók általában ez a fényforrás típus is fényáram szabályozható (dimmelhető), de csökkentett fényáram esetén csökken a hőmérséklet is, ami a halogén körfolyamatot megbontja. Ebben az esetben az élettartama visszacsökken a hagyományos izzólámpa szintjére. Ideális módon üzemeltetve üzemideje elérheti a 2000 órát. Előnyös tulajdonságainak köszönhetően valamivel kevesebb felvett teljesítménnyel biztosítja ugyanazt a fényáramot, mint elődje, javítva ezzel a fényhasznosítást (16-27lm/W). Így a forgalomból kivont hagyományos izzóknak ez a jelenlegi legolcsóbb kiváltója. Fejelését tekintve már létezik hagyományos E14, E27 fejjel is, de a legjobban ismert változata az apró G9-es két lábas, valamint két végén fejelt „ceruza” kivitel (RX7s).

2. Kisüléses fényforrások
Olyan fényforrások, amelyek a fényüket a gerjesztett atomok energia állapot változásaiból származó többlet energiából nyerik. Felépítésüket tekintve mindre igaz, hogy rendelkeznek egy kisülőcsővel, ami speciális gázzal van töltve, valamit lámpa típustól függően van valamilyen fém töltet bennük. Ezek kombinációja illetve a csőben uralkodó nyomás határozza meg a lámpa felépítését és a színtani tulajdonságait. Nyomás tekintetében két osztályra bonthatóak. Beszélhetünk kis- és nagynyomású kisülőlámpákról. Működésüket tekintve nagyon hasonlatos, de mint látni fogjuk minden egyéb paraméterben eltérés tapasztalható. Ezen lámpatípusok használata maga után vonja kiszolgáló elektronikai berendezések alkalmazását. Működtetésükhöz szinte minden esetben szükség van egy gyújtó és egy fojtó berendezésre, utóbbi közismertebb neve az előtét. Ezen berendezések néhány lámpatípus esetén kombinált változatban, elektronikus formában is rendelkezésre állnak.

2.1.Kisnyomású kisülőlámpák
Kisnyomáson az ívkisülés „szélesnek” mondható, így a kisülő-cső mérete nagy. A színképét tekintve, pedig az úgynevezett rezonancia vonalak gerjedése figyelhető meg, ami azt jelenti, hogy töltőanyag függően néhány színtartományban sugároz.

2.1.1. Fénycső
Kisnyomású fényforrások közül a legismertebb és a legszélesebb körben alkalmazott típusok a fénycsövek. A köznyelvben sokszor hallani a neoncső kifejezést, ami sajnos helytelen. Neon gáztöltés csak a legelső fénycső típusokban volt, vagy speciális változatokban található manapság. Erre jellemző az erősen vöröses narancsos szín. Valójában Argon töltetet alkalmaznak és néhány milligramm higany van még jelen a kisülő-csőben. Ha egy ilyen felépítésű lámpát bekapcsolunk, azt tapasztaljuk, hogy a fénye kifejezetten UV tartományra korlátozódik. Ez nem túl egészséges, viszont hasznos tulajdonság, az ilyen (bevonat nélküli, áttetsző) fénycsöveket nevezzük germicid fénycsöveknek. Kiválóan alkalmas például gombairtásra. Annak érdekében, hogy fehér fényt kapjunk, a fénycsövek belső felét úgynevezett fényporral vonják be. Ezek olyan lumineszcens anyagok, amelyek az UV sugárzást elnyelik és helyette más hullámhosszúságú komponenseket bocsájtanak ki. Ennek alkalmazása energia veszteséggel jár, de a fényhasznosítás még így is magasnak mondható (80-90 lm/W). Összetételétől függ a fénycső színe. Ennek értelmében készítenek meleg fehér (2700K) hideg fehér (4000K) és daylight (6500K) csöveket. Természetesen eltérő színhőmérsékletű változatok is léteznek, de ezek a legelterjedtebb típusok. Másik fontos tulajdonságuk, ami szintén fénypor függő, a színvisszaadás (CRI). Fénycsövek esetében ennek jellemzésére szokták alkalmazni a háromsávos illetve ötsávos fogalmakat. Ez az elnevezés a fénypor által kibocsájtott színképből ered. Gyengébb fényporok esetén három, jobb minőségűeknél öt dominánsabb sáv jelenik meg, értelemszerűen a több sáv jobb színvisszaadást jelent. Ezt az információt nem szokták minden esetben feltűntetni a termék csomagolásán, de ökölszabályként mondható, hogy a 80 CRI körüli fénycsövek háromsávosak a 90 CRI körüliek pedig ötsávosak. Utóbbiak ára is jellemzően magasabb. Hagyományos (lineáris) fénycsövek típusai a következők: T12, T8, T5, T4. A „T” utal a tube, vagyis cső kivitelre, a szám pedig a fejelésen a lábak távolságát mondja meg (nem milliméterben, hanem angolszász rendszerben 0,8 inchben). Abból a tulajdonságukból adódóan, hogy az egyes típusokban, a csőben mérhető áramsűrűség konstans, a felvett teljesítmény a legtöbb esetben meghatározza a cső hosszát is. (Ez alól a T4-es típus és néhány speciális változat kivételt képez) Ebből adódóan, ha ismerjük a fénycsövünk teljesítményét (Watt [W]) akkor bizonyára megfelelő hosszúságút tudunk választani a boltok polcairól. Működtetésükhöz fojtóra és gyujtóra vagy elektronikus előtétre van szükségünk. Utóbbi valamivel képes megemelni a fényhasznosítást a frekvencia növelésével és a felvett teljesítmény csökkentésével. Élettartamuk típustól függően 10.000 és 20.000 óra közé tehető. Ezt a sűrű kapcsolgatás jelentősen lerövidítheti.

Kompakt fénycső
Működésüket tekintve a hagyományos fénycsövekkel teljesen hasonlatos lámpák. Az alapötlet az volt, hogy létrehozzanak egy olyan fénycsöves lámpát, ami képes kiváltani a normál izzókat. Ennek érdekében a keskenyebb csövet először egyszer majd később többször többféle formában meghajlították, így a mérete kisebb lett. Az olyan típusokban, amelyek Edison foglalattal rendelkeznek a kiszolgáló elektronikát is egybeépítik a fénycsővel, így a felhasználó csak becsavarja a normál izzó helyére és már világíthat is. Ezen kívül sokféle fejeléssel léteznek, amire érdemes odafigyelni, de a megkívánt típus a lámpatesteken jellemzően fel van tűntetve. Ugyanazok a paraméterek vonatkoznak rájuk, mint a lineáris fénycsövekre, így érdemes figyelemmel lenni a színhőmérsékletre illetve a színvisszaadásra. A nagyobb teljesítmény ennél a típusnál is nagyobb méretet eredményez! Ezért előfordulhat az, hogy a régebbi lámpatestekbe nem fér bele a választott fénycső. A megváltozott kivitel miatt valamivel csökken a fényhasznosítása a lineáris fénycsövekhez képest (60-80 lm/W), illetve a felfutása is inkább észrevehetővé válik. Ez utóbbi azt jelenti, hogy felkapcsolás után hozzávetőleg két percre van szüksége ahhoz, hogy elérje a teljes fényáramát. Élettartamuk típustól függően hozzávetőleg 10.000-12.000 órára tehető. De technológiai adottságai miatt a sűrű kapcsolgatás ezt jelentősen lerövidítheti. Ezért nem érdemes olyan helyiségekben alkalmazni ahol csak rövid ideig van szükségünk világításra.

2.1.2. Indukciós lámpa
A fénycsövek esetében az élettartamot leginkább a két elektród teherbírása korlátozta. Bekapcsoláskor ezek szolgáltatták a kisülés beindulásához, gerjesztéshez szükséges szabad elektronokat. Az indukciós lámpák esetében a gerjesztést elektromos előtérrel oldották meg, amit egy tekercs indukál. Ezen változtatás mellett a működése a fénycsövekéhez hasonló, de a kivitele inkább a hagyományos izzókra emlékeztet. Töltőgáz jellemzően Kripton, amiben amalgám található (higyan és ón ötvözete). Élettartama hozzávetőleg 15.000 óra, amit nem befolyásol a kapcsolási szám. Csekélyebb színhőmérsékleti tartományban kivitelezhető, így csupán meleg fehér (2700-3000K) kivitelben létezik. Színvisszaadása 80 körülire tehető. A fényhasznosítása sem mondható túl magasnak (~48 lm/W Genura típusnál). Működtetéséhez szükséges elektronika a lámpatestben kap helyet, mint a kompakt fénycsöveknél.

2.1.3. Kisnyomású nátriumlámpa
Nátrium gerjesztése esetén a kibocsájtott fény színképe csupán egyetlen sávból áll. Közel monokromatikus sárgának mondható, amely előnyös tulajdonsága, hogy az emberi szem érzékenységi görbéjének majdnem a maximum pontjánál található. Így a kibocsájtott sugárzás legnagyobb része hasznos fény, ennek köszönhetően a kisnyomású nátriumlámpáknak  a legkimagaslóbb a fényhasznosítása (200 lm/W). További előnye, hogy a sárga fény kevésbé szóródik a légkörben lévő vízcseppeken, így ködben jobb látást biztosít. Hátránya, hogy a színvisszaadása gyakorlatilag nullának mondható. Közvilágításban való alkalmazására Magyarországon nincsen példa. Kizárólag speciális területeken használják, ahol előnyt jelentenek a kimagasló tulajdonságai. Színhőmérséklete 1800K, az élettartama pedig 16.000 órára tehető. Működtetéséhez gyújtó és fojtó szükségeltetik.

2.2. Nagynyomású kisülőlámpák
Amennyiben a kisülő-csőben megnöveljük a nyomást, akkor egyrészt az ívkisülés a cső belseje felé összeszűkül, és a színképben pedig a sávok kiszélesedése figyelhető meg. Emiatt egyrészt a nagynyomású lámpák kisülő-csöve jelentősen szűkebb keresztmetszetű, másrészt pedig a folyamatosabbnak mondható színkép miatt jelentősen jobb a színvisszaadásuk.

2.2.1. Higanylámpa
Fénycsövekhez hasonló, csak nagyobb nyomáson működtetett higanygőz kisülő-lámpa. A színkép ebben az esetben annyira eltolódik az UV tartományból, hogy jellemzően kék és zöldes hullámhosszokon sugároz. A piros teljesen hiányzik belőle, így a fennmaradó UV részből állítják elő ezt a színt speciális fénypor segítségével. A fénypor hatásfoka ront a fényhasznosításon, így 50-60 lm/W-ra tehető. Kedvező élettartama (16000-20000 óra) miatt közvilágításban sok helyen volt és van is használatban. Színvisszaadása közepesnek mondható (50-57), színhőmérsékletét tekintve meg inkább hideg fehér (3400-4000K). Működtetéséhez fojtó szükséges, de a gyújtása a fényforráson belül egy gyújtóellenállással meg van oldva.
Speciális változata a higanylámpának a kevert fényű lámpa. A fojtótekercs funkcióját is beépítették a lámpába egy wolframszál képében. Ez egy hagyományos izzóhoz hasonlóan világít. Hatására a lámpában fénypor nélkül is megjelenik a vöröses árnyalat, de színhőmérséklete így is 4000K körül marad. Továbbá nem szükséges a működtetéséhez semmilyen kiszolgáló egység, de a hátulütője, hogy a wolframszál jelenléte miatt az élettartam és a fényhasznosítás is jelentősen lecsökken (~10000 óra, 22-28 lm/W). Színvisszaadása jelentősen nem változik.

2.2.2. Fémhalogén lámpa
Köznapi szóhasználatban elterjedt a fémhalogén lámpa elnevezés, de a hivatalos neve ennek a fényforrásnak a fémhalogenid adalékolású kisülőlámpa. Ennél a lámpatípusnál az elsődleges szempont a kedvező színképi eloszlás volt. A minél jobb színvisszaadás elérése érdekében a kémiailag ellenállóbb anyagból készült kisülőcsőben különböző fémes vegyületeket alkalmaznak, amelyek külön felelnek a színkép bizonyos részeiért. Ezek a fémek vegyület formában kerülnek a kisülőcsőbe, hogy ne lépjenek azzal reakcióba. Három változata ismeretes az alkalmazott töltőanyag és kisülőcső anyaga függvényében. Mind a három működtetéséhez szükséges gyújtó és fojtó egyaránt. Ezeket a típusokat olyan helyeken alkalmazzák ahol kiemelkedően fontos a nagy megvilágítás mellett a jó színvisszaadás. Ilyen hely például egy sportcsarnok. Kivitelét és fejelését tekintve sokféle lehet.
Az első változata, a három adalékos fémhalogén lámpa. A háromfél fémvegyület kvarc kisülőcsőbe kerül. A színképe erősen sávos jellegű, és csak bizonyos tartományokban mondható folyamatosnak. Színvisszaadása így csupán 65 körülire tehető. Színhőmérséklete hideg fehér (4000K), a fényhasznosítása pedig 68 és 86 között alakulhat az adalékok függvényében. Élettartama viszont kedvező, 5000 és 20000 óra között alakulhat.
Második változata a ritka földfém adalékos kisülőlámpa. Ebben az esetben az adalék anyagnak köszönhetően a színkép a sávosból folyamatosba megy át, ennek eredményeképpen kapjuk az egyik legjobb színvisszaadású fényforrásunkat (CRI>90)! Üzemideje nem változik, marad az 5000-20000 óra. Viszont a színhőmérséklete a hidegebb tartományba mozdul el (6000K), és javul a fényhasznosítása is (74-95 lm/W).
Harmadik változata a kerámia fémhalogén kisülőlámpa, ami a nevét onnan kapta, hogy a kisülőcsövet kvarcüvegről alumínium-oxid kerámiára cserélték. Ennek fényáteresztése 90% körül van, de lehetővé tette sokkal agresszívebb fémek felhasználását a kisülőcsőben, mert nem tudnak ezen keresztül kidiffundálni. Az eredmény a legjobb színvisszaadás (85-95), és remek fényhasznosítás (85-105 lm/W). A színhőmérséklete 3000K és 4200K között alakul. Az élettartama pedig 5000 és 15000 üzemórára tehető.

2.2.3. Nagynyomású nátriumlámpa
Felépítését tekintve hasonlatos kisnyomású rokonához, de a nagynyomású üzemeltetés következtében jellegzetesen vékony kerámia kisülőcsövet alkalmaznak benne. Ennek használatát a nátrium agresszivitása indokolja, hiszen ez egy rendkívül reakcióképes anyag. Az üzemi nyomás következtében a színkép jelentős eltérést mutat. A kiszélesedett spektrum vonalaknak köszönhetően a színvisszaadása javul, de még mindig csak rossznak mondható (CRI:25). Jellegzetes sárga fényét mindenki ismeri, hiszen a jó fényhasznosítása (80-150 lm/W) miatt széles körben használják közvilágítási célokra. Emellett élettartama is kimagasló, hozzávetőleg 25000 órára tehető. Olyan területeken javasolt a használata, ahol nem fontos a jó színlátás, viszont a karbantartás is csak időszakos. Működtetéséhez előtétre és gyújtóra egyaránt szükség van.

2.2.4. Xenon lámpa
A Xenonlámpákban fénykeltésre tiszta xenont használnak. Vonal gazdag spektruma folytonos az UV tartománytól egészen az infravörösig. Ennek köszönhetően a színvisszaadása nagyon jó. Elektromos táplálásuk minden esetben egyenárammal történik. Három fajtáját ismerjük a lámpa típusnak. Egyik a rövid ívű változat, amelyben az elektródok egymáshoz nagyon közel találhatóak. A létrejövő ív és ezzel együtt a keltett fény forrása pontszerűnek tekinthető. Ennek köszönhetően optikai alkalmazásra kiváló. Viszont fényhasznosítása és élettartama jelentősen elmarad az egyéb nagynyomású lámpákhoz képest. Ennek ellenére kisebb változatait gépjárművek fényszóróiban sok gyártó alkalmazza. Második változata a hosszúívű xenon lámpa. Ezt kisebb nyomáson működtetik, így a fénye is kevésbé koncentrált. Drága és gyenge fényhasznosítású fényforrás, viszont a színképe a nap spektrumát megközelíti, így laboratóriumokban szimulációs célokra alkalmazzák. Harmadik változata a Villanólámpa. Ezt a típust áram korlátozás nélkül működtetik. A táplálás egy kondenzátoron keresztül impulzusként kerül a fényforrásra. Ennek következtében az rövid időre felvillan majd kialszik. De az eredmény magas színvisszaadású villanás. Stúdiótechnikában stroboszkóp-ként valamint fényképészethez alkalmazzák.

3. Félvezető alapú fényforrások
Harmadik nagy csoportunk a működés tekintetében a fényvezető alapú fényforrások. Közismertebb nevén LED-ek amely az angol Light Emitting Diode szavakból származik. Magyar megfelelője a fényemittáló dióda. A fénykeltés ezekben az eszközökben egy p-n félvezető átmenetben történik, ahol a töltéshordozók gerjesztése és rekombinációjából származó többlet energia foton formájában távozik, vagyis fényként szabadul fel. A kisugárzott fény egy kis hullámhossz tartományra korlátozódik. Hogy ez a tartomány a spektrumon hol helyezkedik el, az a diódához felhasznált anyagtól függ. Így anyag összetétel függvényében a spektrum összes színe előállítható. A technológia nagy előnye, a nagyon alacsony teljesítmény felvétel, ezért próbálják mindenféle világítási alkalmazásban meghonosítani. Napjainkban rendkívül gyorsan fejlődő terület a LED gyártás, így folyamatosan javul a fényhasznosításuk, és implementációjuk bizonyos területekre. Nagy hátrányuk, amely a felhasználásuk során gátat szab az, hogy pontszerű fényforrások és fényük egy szűk tartományra korlátozódik. Így szórt fényű fényforrások kiváltására közvetlenül nem alkalmasak. Mindenféle optikai megoldással igyekeznek a fényüket úgy szórni, hogy alkalmasak legyenek retrofit rendszerekben, valamint közvilágításban való alkalmazásra. Fehér LED-ek esetén a színhőmérsékletük széles skálán mozoghat. Mára már teljesen elfogadható megoldások léteznek a hagyományos izzólámpák kiváltására LED-ekkel. Természetesen a pontszerű fényforrás bizonyos területeken előny is lehet. Így például díszvilágítási célokra kifejezetten alkalmas. Itt más elvárásokat támasztunk a LED-ekkel szemben.
Sajnos jelenleg a piacon rengetegféle gyártó terméke megtalálható, jelentősen széles ártartományban. Ez annak köszönhető, hogy a gyártásuk alap mechanikája viszonylag egyszerűnek mondható, így ahol félvezetős eszközöket gyártottak, ott jellemzően áttértek ilyen eszközök kivitelezésére is. Ez persze nem ilyen egyszerű, mert minőségi termék így nem minden esetben hozható létre. Ebből az okból kifolyólag javasolt a nagyobb és ismertebb gyártók termékeit alkalmazni akkor is, ha az áruk magasabb a piac többi szereplőjéhez képest. Hiszen a LED-es fényforrások átlagos élettartama akár 25000 óra is lehet. Ezt viszont csak a gondosan gyárott termékek tudják elérni.