Objavljeno: 25.8.2015 | Avtor: Matej Huš | Monitor September 2015

Vat ni enak vatu

V poldrugem stoletju po izumu žarnice z žarilno nitko je razvoj svetil močno napredoval in danes lahko izbiramo med halogenskimi svetilkami, fluorescentnimi žarnicami in svetlečimi diodami, če se omejimo na vire svetlobe, primerne za rabo doma. Ogledali smo si jih in izmerili, kakšne so razlike med njimi.

Preizkušali smo navadne in halogenske žarnice, fluorescentne sijalke in svetleče diode (LED).

Potreba po umetnem osvetljevanju je stara toliko kot človeštvo, zato ne preseneča velik trud, ki so ga znanstveniki po svetu vlagali v razvoj čim boljših svetil. Pomembno prelomnico predstavlja žarnica z žarilno nitko, ki naj bi jo izumil Thomas Edison. Resda jo je leta 1879 patentiral, a ni bil ne prvi ne edini, ki se je ukvarjal s problemom izdelave električnega svetila. Priznati pa mu je treba, da je preizkusil največ materialov in izdelal za tisti čas najboljšo možno žarnico.

Kako do svetlobe

Vprašajte fizika, kaj je svetloba, in kot iz topa bo izstrelil: tok fotonov. Po trenutnem poznavanju narave so fotoni osnovni delci, nosilci elektromagnetne sile. Kadar potujejo v množici, jih lahko obravnavamo kot snop delcev ali kot elektromagnetno valovanje, odvisno od potreb. Če padejo na zenico, v očeh vzbudijo fizikalno-kemijsko spremembo in signal se prenese do možganov – tedaj vidimo.

Svetlobo imenujemo le majhen del elektromagnetnega valovanja, kadar ima valovno dolžino med 400 in 800 nm, ker preostanka s prostim očesom ne moremo videti. Svetloba je torej v bistvu podobna kot sevanje mobilnih telefonov ali mikrovalovnih pečic, le druge valovne dolžine je. Obširno smo o tem pisali v prejšnji številki (»Pozor, sevanje« v Monitorju 07-08/15).

Sonce kot standard

Dolge milijone let je bilo Sonce edini vir svetlobe na Zemlji, zato so vsa videča živa bitja prilagojena Sončevi svetlobi. To je pomembno zato, ker želimo tudi z umetnimi svetili ustvarjati svetlobo, ki ima čim bolj podoben spekter kot tista s Sonca. Večkrat slišite, da ima Sonce na površini temperaturo 5250° C. To v resnici ne pomeni drugega, kakor da izsevani spekter svetlobe s Sonca zelo dobro ustreza tistemu, ki bi ga oddajalo na to temperaturo segreto črno telo (glej okvir Temperatura barve). Sonce največji delež svetlobe odda v vidnem delu spektra (to ni naključje, saj je evolucija poskrbela, da vidimo prav ta del spektra), precejšen del pa tudi kot infrardečo svetlobo pri višjih valovnih dolžinah, ki nas greje. Le manjši del je ultravijolične svetlobe, pa še to v glavnem prestreže ozonska plast. Ko bomo v nadaljevanju govorili o »boljši« svetlobi, bomo imeli v mislih čim bolj zvesto poustvaritev Sončevega spektra.

Temperatura barve

Svetila imajo pogosto navedeno barvno temperaturo v kelvinih. Vrednosti do 5000 K imenujemo tople barve in imajo več rumene in rdeče svetlobe, višje vrednosti pa hladne barve, ker so bolj bele.

Čim višja je temperatura, tem več krajših valovnih dolžin vsebuje spekter izsevane svetlobe. Sončna svetloba ustreza izsevu črnega telesa s temperaturo 5500 K.

Oznaka temperatura izvira iz fizike, saj bi idealno črno telo z navedeno temperaturo oddajalo enak spekter kot svetilo. Oznaki toplo in hladno sta fiziološki, dejansko bi toplejši predmeti žareli s hladnejšo belo barvo. V resnici moderna svetila nimajo razgretega kosa kovine, temveč svetlobo ustvarjajo drugače (s prerazporeditvijo elektronov in vrzeli v diodah ali z razelektritvijo plina v sijalkah).

Kako delujejo

Žarnica z žarilno nitko deluje zelo enostavno. V stekleni bučki je nitka iz volframa, po kateri teče električni tok. Nitka se zaradi tega tako segreje, da začne oddajati svetlobo v vidnem delu spektra. Da nitka ne zgori, je bučka napolnjena z inertnim plinom, navadno z argonom ali dušikom. Takšne žarnice so poceni, a skrajno neučinkovite, ker se večina svetlobe porabi za segrevanje, za osvetljevanje pa v najboljšem primeru od dva do tri odstotki. Z drugimi besedami: večino elektromagnetnega valovanja oddaja v nevidnem, infrardečem delu spektra.

Halogenska žarnica ima še vedno žarilno nitko, le da ima v bučki nekaj jodovih ali bromovih par. S tem rešimo problem počasnega odparevanja volframa, zaradi česar so klasične žarnice prej ali slej pregorele. Ko je namreč na nekem delu odparelo malo volframa, je bil tam presek vodnika manjši, s tem pa višja upor in temperatura, in to je še pospešilo nadaljnje odparevanje volframa, dokler se nitka ni prekinila. Volfram, ki je odpareval z nitke, se je nalagal na steklu in ga motnil, zato je bil izsev slabši. V halogenski žarnici odpareli volfram reagira z jodom (ali bromom), pri čemer nastane plinasti volframov jodid (ali bromid). Njegove molekule se ne odlagajo na steklu, temveč se gibljejo po bučki, dokler ne zadenejo ob volframovo nitko. Ta je tako vroča, da molekula razpade nazaj na volfram, ki se usede na nitko, ter prosti halogen. Ta cikel se ponavlja in obnavlja nitko. Zaradi tega lahko halogenske žarnice delujejo pri višjih temperaturah in to ima za posledico boljši spekter izsevane svetlobe. Še vedno pa je največ izsevane svetlobe v infrardečem delu spektra.

Kompaktne fluorescentne sijalke navadno imenujemo kar »varčne žarnice«, ker za enako osvetlitev porabijo približno tretjino manj električne energije. V notranjosti imajo pare živega srebra, kar sicer sproža ekološke pomisleke o izdelavi in odlaganju iztrošenih žarnic. Električni tok vzbudi atome živega srebra in ti ob vračanju na osnovni nivo oddajajo ultravijolično svetlobo. Ker svetijo zaradi razelektritve, gre za sijalke in ne žarnice. Sijalka ima prevleko iz fluorescentnega materiala, ki absorbira ultravijolično svetlobo in žari z vidno svetlobo. So nekoliko dražje, ker potrebujejo tudi posebno elektroniko, ki poskrbi za višjo frekvenco toka skoznje in za primerno jakost.

Svetleče diode (LED) so sicer že stara iznajdba, a so šele v zadnjih letih postale uporabne za osvetljevanje prostorov, ker smo dobili take, ki svetijo modro. Dioda je sestavljena iz dveh polprevodniških plasti, kjer ima ena dodane večvalentne atome (p-plast) in s tem presežek elektronov, druga pa manj valentne atome (n-plast) in vrzeli. Ko skozi diodo teče tok, dioda oddaja svetlobo določene barve in ne celotnega spektra. Diode iz indij-galijevega nitrida (In-Ga-N) oddajajo modro svetlobo, za osvetlitev prostora pa potrebujemo belo svetlobo (torej vse barve). Sama dioda bi bila neprimerna za osvetljavo, zato na vrh nanesejo fluorescentni material, ki absorbira del modre svetlobe iz diode in oddaja vidno svetlobo še drugih, nižjih valovnih dolžin, zelo podobno kot pri fluorescentnih sijalkah torej. Glavna odlika svetlečih diod je nizka poraba električne energije, saj so več kot desetkrat učinkovitejše od klasičnih žarnic z žarilno nitko. (Zelo podrobno smo o svetlečih diodah pisali v »Glejmo organsko« v Monitorju 01/15.)

Indeks barvne reprodukcije (CRI)

CRI je merilo za prikaz barv predmetov pod svetilom. Čim višja je njegova vrednost, tem bliže so barve tistim, ki jih vidimo pod sončno svetlobo. CRI je odvisen od spektra izsevane svetlobe, in sicer vrednost 100 ustrezna naravni svetlobi. Žarnice z volframovo nitko imajo CRI okrog 100, fluorescentne sijalke med 50 in 70, svetila LED pa zelo različno.

Preizkus

Preizkusili smo različna svetila, ki jih lahko za običajno domače grlo E27 kupimo v trgovini. Zanimala nas je poraba energije, učinkovitost, temperatura, svetlost in spekter oddane svetlobe. Na preizkusu smo imeli dve klasični žarnici, pet halogenk, dve kompaktni fluorescentni sijalki in dve sijalki LED (glej tabelo). Poiskali smo kar najrazličnejše deklarirane moči in svetilnosti, da smo lahko izvedli čim več primerjav.

Poraba energije

Najprej smo si ogledali porabo energije, ker je to tista značilnost, ki si jo kupci najprej ogledajo in neposredno vpliva na višino računa za elektriko. Kot prikazuje graf, se deklarirana moč svetil dobro ujema z dejansko močjo, ki jo trošijo. Klasične žarnice z žarilno nitko in halogenke so popolna ohmska bremena, sijalke (LED in fluorescentne) pa imajo tudi neohmske komponente. Poleg delovne moči, ki jo trošijo, zato premikajo po omrežju tudi jalovo moč. Slednja je za gospodinjske odjemalce nepomembna, ker jim je elektrodistributerji ne zaračunavajo, industrijski porabniki pa plačujejo tudi to moč – čeprav se ne porablja, obremenjuje omrežje in terja oblikovanje infrastrukture za višje prenosne moči. Mimogrede, če imate merilnik porabe gospodinjskih aparatov (s takim smo porabo merili tudi mi), je jalova moč razlika med prikazanimi vrednostmi v VA (navidezna moč) in W (delovna moč).

Koliko to stane? Pri trenutnih cenah električne energije in višini omrežnine vas trošenje 1 W električne energije v enem letu stane približno 1 evro, če je porabnik ves čas vključen. K temu je treba prišteti še stalen strošek električnega priključka, ki je odvisen od priključne moči.

Poraba električne energije različnih svetil je v prvih minutah višja kot kasneje.

Zanimalo nas je še, kako se poraba električne energije spreminja s časom. Iz prakse je znan učinek »ogrevanja« fluorescentnih sijalk, ki potrebujejo minuto ali dlje, da zasvetijo s polno močjo. Pri električni porabi opazimo nasproten učinek. Fluorescentne sijalke prve minute trošijo več električne energije, kot ko so ogrete. Podoben, a manj izrazit učinek imajo tudi svetila LED. Žarnice so ohmski porabniki, ki se izjemno hitro segrejejo in imajo konstantno porabo. Številčne vrednosti prikazuje graf, kjer je za medsebojno primerljivost poraba posameznega svetila normalizirana na njeno vrednost po petih minutah delovanja.

Svetilnost

V pogovornem jeziku se svetila med seboj primerjajo kar po moči, čeprav je to smiselno le za svetila iste vrste. Poanta varčnih sijalk je prav ta, da iz 1 W električne energije dobimo bistveno več svetlobe kot iz klasičnih žarnic. Izdelovalcem je to seveda kristalno jasno, obenem pa se zavedajo pogovorne rabe, zato na sijalkah navadno najdemo zapisano porabo energije in ustrezno porabo klasične žarnice, ki bi svetila enako močno (tretji stolpec v tabeli 1). Fizikalno smiseln podatek je deklariran svetlobni tok (četrti stolpec), ki omogoča primerjavo med svetili.

Svetlobni tok merimo v lumnih (lm) in je merilo za oddano svetlobno energijo v časovni enoti. Za delo in bivanje je pomembna osvetljenost, ki podaja svetlobni tok na površinsko enoto. Merimo jo v lumnih na kvadratni meter ali, krajše, luksih (lx).

Merili smo osvetljenost na razdalji dveh metrov navpično pod svetilom. Če bi merili bliže, bi bile vrednosti višje, dlje pa nižje, a to ni pomembno, ker nas zanima primerjava. Osvetljenost kažejo stolpci na naslednjem grafu. Najsvetleje sijeta 17 W LED in 32 W fluorescentna sijalka, ki imata tudi najvišji deklariran svetlobni tok.

Luksmeter za merjenje osvetljenosti

Velja zaupati vrednosti svetlobnega toka v lumnih, ki jo izdelovalec natisne na škatlo? Če bi želeli biti zelo strogi, bi morali izmeriti osvetljenost okrog svetila z integrirno sfero, ki sešteje osvetljenost po vseh kotih. Dovolili smo si poenostavitev in predpostavili, da svetilo enakomerno sveti v vseh smereh; tedaj lahko primerjamo kar razmerje med izmerjeno osvetljenostjo na poljubni razdalji in deklariranim svetlobnim tokom. To prikazuje polna črta na grafu, kjer so relativne vrednosti glede na navadno 40 W žarnico. Ugotovimo lahko, da velja zaupati navedbam izdelovalcev o svetlobnem toku. Pozitivno odstopata le obe svetili LED, to pa pojasnimo takole. Geometrijska konstrukcija svetila je taka, da sveti pretežno v spodnji hemisferi. Če izdelovalec korektno navede svetilnost, potem dejansko pričakujemo dvakrat višjo osvetljenost na spodnji strani, ker zgodnje hemisfere ne osvetljuje.

V enem stavku: na embalaži poglejte, koliko lumnov zmore svetilo, kajti toliko jih boste dobili. Pri LED bodo usmerjeni navzdol in bo zato osvetljenost pod svetilom dvakrat višja, drugod pa se enakomerno razporedijo po prostoru.

Oglejmo si še počasno »ogrevanje« sijalk, po katerem so najbolj znane fluorescentne sijalke. Te ob vklopu svetijo s polovično svetlostjo in šele približno po minuti dosežejo polno. Zanimivo je, da potem svetilnost nekoliko upada in po približno petih minutah doseže stabilno vrednost. Pri svetilih LED je ta učinek bistveno manj opazen, navadne in halogenske žarnice pa ga nimajo. Prikazuje ga spodnji graf, kjer so za lažjo primerjavo vrednosti za vsako svetilo normalizirane na vrednost po petih minutah.

Celoten svetlobni tok svetila se v laboratorijih meri z integrirnimi sferami iz odbojnega materiala, ki vso oddano svetlobo usmerijo v detektor.

Učinkovitost

Danes šteje učinkovitost. Zato smo primerjali učinkovitost posameznih svetil, pri tem pa si spet dopustili poenostavitev in kot merilo za svetilnost vzeli kar osvetljenost na fiksni razdalji. To si smemo privoščiti, ker načeloma stropa ne želimo osvetljevati. Če torej svetilu uspe večji del svetlobe poslati navzdol, toliko bolje. Desni graf kaže relativno učinkovitost (razmerje med osvetljenostjo zaradi svetila in električno močjo), kjer smo kot standard vzeli 40 W navadno žarnico. Halogenske so malenkostno učinkovitejše, fluorescentne sijalke za približno petkrat, LED pa kar za 15-krat. Če bi pri slednjih upoštevali, da ne svetijo navzgor, je njihova realna učinkovitost pol manjša.

Kar zadeva gospodarnost, je zmagovalec znan: tehnologija LED je superiorna, so pa žarnice dražje. Glede na ceno posameznih svetil smo za štiri primerljive svetlosti izračunali, koliko časa bi morali svetiti, da bi nadoknadili dražjo nakupno ceno. Kot ceno elektrike smo vzeli 0,13 evra/kWh, kar je trenutno povprečje cene električne energije in omrežnine skupaj z DDV.

A ko govorimo o ljudeh, vsega ni mogoče oklestiti na učinkovitost, temveč so pomembni še drugi dejavniki.

Osvetljenost na razdalji 2 metrov od svetila (stolpci) in relativno razmerje med izmerjeno osvetljenostjo in deklariranim svetlobnim tokom izdelovalca (polna črta).

Relativna učinkovitost posameznih svetil v približku izotropnega izseva glede na 40 W navadno žarnico

Kako nevarno je živo srebro

Kratko in jedrnato: zelo. Paradoksalno zaužitje večje količine tekočega živega srebra zaradi slabe absorpcije v prebavilih in tudi na koži ni tako škodljivo kakor vdihavanje živosrebrnih par, saj se najlaže vsrka skozi pljuča. Fluorescentna sijalka vsebuje okrog 2 mg živega srebra, to je manj od amalgamske plombe. Če se svetilka razbije, z rokavicami zberemo vse kose, jih zapremo v neprodušno vrečko in vržemo v smeti, prostor pa prezračimo.

Segrevanje

Iz doslej povedanega je razmislek o segrevanju različnih svetil mogoče enostavno izpeljati. Če dve oddajata enak svetlobni tok, pa eno troši več električne energije, se bo bolj grelo, ker energija pač mora nekam iti. V praksi vemo, da je vključena žarnica razbeljena in zelo podobno velja tudi za fluorescentne sijalke. Svetleče diode (LED) pa so že tako učinkovite, da se grejejo bistveno manj in jih lahko med delovanjem prijemamo.

Volframova nitka v žarnicah se zlahka segreje prek 2500° C, to pa je mogoče tudi izpeljati, saj sicer ne bi svetila rumeno, temveč bi zgolj rdeče brlela. Mimogrede, tališče volframa je 3422° C, kar postavlja nepremostljivo fizikalno omejitev, če naj se nitka ne raztali. Steklena površina žarnice kljub temu ni tako skrajno vroča. Naše meritve so pokazale, da se segreje do 300° C. To lahko potrdimo z malo matematike in fizike. Žarnica z močjo 100 W praktično vso energijo odda kot svetlobo. Če njeno površino ocenimo na 1–2 dm2, bo po Stefanovem zakonu njena temperatura med 270–370° C.

Ker so vključene žarnice tako vroče, da temperature pobegnejo čez skalo na kameri IR, smo posneli dva nabora fotografij. Prvi nabor je bil posnet 15 sekund po vklopu posameznega svetila (slika 1), drugi pa 5 minut po vklopu (slika 2). Tik pred zajemom posnetka smo vsako svetilo izključili.

Barva

Meso je v mesnici videti bolje kot v hladilniku, temno modra in črna sta zvečer pod rumeno lučjo podobni in pod bleščečo belo lučjo na javnih straniščih se svetijo že zdavnaj pozabljene nepravilnosti na koži. Pri izdelavi umetnih svetil se želimo čim bolj približati sončnemu spektru, a gre za dvorezen meč. Svetloba, ki ima manj daljših valovnih dolžin (modre in vijolične), deluje mehkeje in topleje, zato jo imamo raje v bivalnih prostorih. Navsezadnje tudi sveče in ogenj oddajajo izrazito rumenkasto oziroma celo rdečkasto svetlobo. Pomemben je še zdravstveni vidik, saj modrobela svetloba močno zavira sproščanje spalnega hormona melatonina, to pa vpliva na bioritem in motnje spanja; telo pač misli, da je še vedno dan.

Svetlobo lahko razstavimo na posamezne valovne dolžine na več načinov, a ker smo računalniška revija, smo se odločili za strojni pristop, ki ga lahko ponovite tudi doma. Potrebujete le škatlo za čevlje, star CD in svitek toaletnega papirja. CDji delujejo kot uklonske mrežice in to s pridom izkoristimo. V škatlo za čevlje vrežemo tanko črto – najbolje je narediti večjo odprtino in jo zastreti z dvema vizitkama ali žiletkama tako, da svetloba vpada vanjo le skozi tanko režo. Na nasprotno stranico nalepimo CD, na tretji stranici pa napravimo luknjo in skoznjo pod kotom potisnemo večji tulec. Skozenj potem pogledamo v črno škatlo in lepo se vidi barvni spekter vpadle svetlobe.