přeskočit na hlavní obsah

Analýza vlastností kompaktných žiariviek

svetlo, zárivka

1. Úvod

Príspevok sa zaoberá analýzou vlastností kompaktných žiariviek s integrovaným elektronickým predradníkom a s päticou E27 a E14, ktoré slúžia ako priama náhrada žiaroviek. Analýza sa týka svetelnotechnických, elektrických aj technicko-ekonomických parametrov, pričom analýze bola podrobená široká vzorka kompaktných žiariviek dostupných na slovenskom trhu. Analýza bola zameraná najmä na aspekty energetickej efektívnosti týchto svetelných zdrojov vo vzťahu k cenovým reláciám pre rôzne výkonnostné a životnostné parametre.

Na trhu je v súčasnosti tak v Slovenskej, ako aj Českej republike dostupné nepreberné množstvo rôznych typov kompaktných žiariviek, najmä žiariviek s päticami E14 a E27, ktoré sú určené ako priama náhrada menej efektívnych žiaroviek. Trh ponúka množstvo druhov a typov žiariviek, s rôznymi príkonmi a rôznymi menovitými životmi. Najdôležitejším hľadiskom, ktoré určuje kúpu alebo nekúpu daného zdroja, je však jeho cena, keďže sa jedná o svetelné zdroje pre najširšiu verejnosť, teda pre laikov. Preto vyvstáva otázka, akú kvalitu ponúka trh pri súčasných relatívne nízkych cenách. Treba tu uviesť, že v niektorých prípadoch sa môžu oplatiť kvalitnejšie zdroje, hoci sú drahšie, v iných prípadoch zase lacnejšie zdroje s kratším životom. Ako vplýva menovitý život na cenu? Tieto otázky a mnohé ďalšie boli cieľom nášho výskumu v tejto oblasti. Jednou z najdôležitejších úloh však bolo preverenie pravdivosti údajov udávaných na škatuľkách svetelných zdrojov.

2. Ciele práce

Analýza vlastností kompaktných žiariviek (KŽ) bola zameraná tak na svetelnotechnické, ako aj elektrické a ekonomické parametre. Čiastkové ciele parametrov získaných meraním možno definovať v bodoch:
    * meranie merného výkonu rôznych typov KŽ,
    * porovnanie nameraného svetelného toku s menovitým tokom,
    * porovnanie nameraného svetelného toku danej KŽ so svetelným tokom ekvivalentnej žiarovky, ak takúto ekvivalenciu definuje výrobca,
    * meranie náhradnej teploty chromatickosti,
    * meranie spektra žiarenia,
    * meranie príkonu a prúdu,
    * meranie obsahu vyšších harmonických.

Z nameraných údajov možno odvodiť tieto ukazovatele a závislosti:

    * závislosť merného výkonu od príkonu zdroja,
    * úspory energie pri súčasných tarifách elektrickej energie,
    * návratnosť investícií (absolútna aj pomerná) pri súčasných cenových reláciách,
    * závislosť ceny zdroja od jeho života,
    * závislosť ceny zdroja od jeho príkonu.

3. Metodika

Skúšaniu svetelnotechnických a elektrických parametrov bolo podrobených viac ako 100 typov kompaktných žiariviek 30 rôznych výrobcov. Z každého typu boli vybrané tri vzorky, t. j. celkovo bolo zmeraných viac ako 300 žiariviek.

Merný výkon sa zisťoval meraním svetelného toku vo fotometrickom integrátore s priemerom 1,2 m. Všetky svetelné zdroje prešli štandardnou dobou zahorenia minimálne 100 h. Pred meraním svetelného toku boli zdroje stabilizované po dobu 20 min. Ako sa ukázalo, viaceré kompaktné žiarivky sa po 10 min svietenia zdali stabilizované, potom však ich svetelný tok začal náhle stúpať. Po 15 min už nárast svetelného toku nebolo pozorovať ani po dlhšej dobe. Merania sa vykonávali pri teplote okolia vo fotometrickom integrátore. Svetelné zdroje boli pri meraní v normálnej pracovnej polohe, t. j. päticou nahor.

Spektrum žiarenia sa meralo spektrometrom Ocean Optics USB 2000. Tento spektrometer má detektor typu SONY ILX511, čo je vlastne 2 048prvkový lineárny kremíkový snímač CCD, citlivý v oblasti 200 až 1 100 nm a je vhodný pre ultrafialovú, viditeľnú aj infračervenú oblasť. Optické rozlíšenie je 0,3 až 10 nm podľa rozsahu a citlivosť je 86 fotónov na integračnú jednotku. Pomer signálu k šumu je 250 : 1.

Svetelný tok sa meral kalibrovaným luxmetrom L-02. K meraní náhradnej teploty chromatickosti sa použil prístroj MINOLTA Color Meter II s rozsahom 1 600 až 40 000 K a s presnosťou ±20 K pri 3 200 K.

Elektrické parametre boli merané revíznym analyzátorom siete Eurotest 61557. Prístroj vykonáva harmonickú analýzu napätia aj prúdu do 21. harmonickej vrátane. Výsledok sa zobrazuje v percentách celkovej efektívnej hodnoty. Napätie sa pri harmonickej analýze meria s rozlíšením 1 V a s presnosťou ±(5 % meranej hodnoty + 3D). Prúd sa meria prúdovými kliešťami, v daných rozsahoch merania je rozlíšenie do 100 mA rovné 0,1 mA a presnosť ±(5 % meranej hodnoty + 3D), resp. do 1 A je rozlíšenie 1 mA a presnosť ±5 % meranej hodnoty. Celkové harmonické skreslenie THD sa meria s rozlíšením 0,1 % a s presnosťou ±(5 % meranej hodnoty + 5D). Z elektrických parametrov boli merané príkony činný P (W), jalový Q (var) a zdanlivý S (V·A), ako aj účinník cos j. V rámci daných rozsahov sa meralo s rozlíšením 0,1 W/var/V·A, resp. pod 10 W/var/V·A je rozlíšenie 0,01.

Z nameraných hodnôt boli zostavené vyhodnocovacie tabuľky v MS Excel. Na výpočet úspor energie U (Sk), ktoré počas svojho menovitého života dosiahne kompaktná žiarivka pri náhrade žiarovky s ekvivalentným svetelným tokom, bol použitý vzťah podľa (1)
Vztah 1.

kde NZ, NK sú náklady na kúpu (t. j. cena) žiarovky (index Z), popr. kompaktnej žiarovky (index K), ZZ, ZK život žiarovky (index Z), popr. kompaktnej žiarivky (index K), PZ, PK príkon žiarovky (index Z), popr. kompaktnej žiarivky (index K), NE cena elektrickej energie v danej tarife.

Príkon a život kompaktnej žiarivky sú údaje vyznačené na škatuľke svetelného zdroja. Za príkon žiarovky sa dosádza ekvivalencia podľa výrobcu, teda údaj zo škatuľky (bez ohľadu na skutočne nameraný svetelný tok). Za život žiarovky možno štandardne dosadiť 1 000 h. Pre cenu elektrickej energie bola dosadená najfrekventovanejšia a najbežnejšia tarifa pre domácnosti D2 (v súčasnosti – cenová hladina 5/2004 je cena 3,85 Sk/kW·h). V sadzbe D1 sú úspory priaznivejšie.

Asi polovica kompaktných žiariviek žiariviek uvádzala ekvivalentný príkon nahrádzanej žiarovky mimo radu vyrábaných príkonov, napr. 45, 55, 65 W a pod., zrejme zo snahy čo najpresnejšie vystihnúť veľkosť svetelného toku žiarivky. V takomto prípade, nakoľko v katalógoch nemožno nájsť, o aký svetelný tok ide, sme použili najbližšiu vyrábanú žiarivku a jej tok prepočítali na neštandardnú žiarivku. Výsledky sú uvedené v tab. 1.

4. Výsledky a diskusia

Kompaktné žiarivky sú označené podľa výrobcu z dôvodu zachovania anonymity písmenami veľkej abecedy A až AD. Skúšané žiarivky možno rozdeliť do troch kvalitatívnych skupín:

    * tzv. značkové, vyrábané najväčšími tradičnými výrobcami svetelných zdrojov (A až D),
    * menej známe značky, ktorých výrobky sa vyznačujú parametrami obdobných kvalít, ako ponúkajú tradiční výrobcovia (E až R),
    * kompaktné žiarivky neznámych alebo menej známych značiek, ktoré svojimi vlastnosťami zaostávajú za predchádzajúcimi kategóriami (S až AD).

Kritériom rozdelenia bol zvolený nameraný merný výkon h (lm/W), pričom do druhej kategórie boli zaradené žiarivky s merným výkonom v rozsahu 50 až 60 lm/W, ostatné žiarivky patria do tretej kategórie.

4.1 Svetelný tok a merný výkon

Merný výkon je ukazovateľom účinnosti svetelného zdroja, okrem iného je tiež funkciou príkonu. V tab. 2 sú uvedené hodnoty nameraného merného výkonu, vybrané závislosti prezentuje obr. 1.

Z tabuľky je zrejmé, že väčšina kompaktných žiariviek má merný výkon väčší ako 50 lm/W, tieto zdroje sú teda asi päťkrát účinnejšie ako žiarovky. Vo viacerých prípadoch sa dosahuje merný výkon aj nad 60 lm/W. Naopak kompaktné žiarivky tretej kategórie dosahujú merný výkon v priemere okolo 30 lm/W. To je teda polovica oproti kvalitnejším kompaktným žiarivkám. Najhoršie dopadli KŽ značky F, ktoré majú merný výkon iba 16 lm/W. Kompaktné žiarivky príkonu 3 a 5 W nemožno týmto spôsobom porovnávať, pretože ide o svetelné zdroje na dekoračné, a nie na osvetľovacie účely.

Závislosť merného výkonu od príkonu zdroja sa pri priemerných hodnotách takmer neprejavuje. Ale ani v jednotlivých prípadoch táto závislosť nie je zrejmá.

Ohľadom svetelného toku nás tiež zaujímalo porovnanie nameraných hodnôt s menovitými hodnotami udávanými na škatuľke. Výsledky sú uvedené v tab. 3 ako percentuálne vyjadrenie nameranej hodnoty z menovitej. Avšak vzhľadom na obmedzený priestor boli do tabuľky vybrané len najpočetnejšie príkonové kategórie. V tejto tabuľke sú tiež uvedené výsledky verifikácie svetelného toku udávanej ekvivalentnej žiarovky.

Z tab. 3 vyplýva, že kompaktné žiarivky prvej kategórie sú vo veľmi dobrej zhode s udávaným svetelným tokom a v podstate je dobre vystihnutá aj ekvivalencia so žiarovkami. Zaujímavým zistením je, že pre kompaktné žiarivky B boli spolu s príkonom nahrádzanej žiarovky uvádzané aj príslušné svetelné toky týchto žiaroviek, avšak vo svojom katalógu mal výrobca pre tieto žiarovky nezanedbateľne vyššie hodnoty. Teda z tohto pohľadu boli kompaktné žiarivky zámerne nadhodnotené.

V druhej a tretej kategórii sú problémom najmä porovnania so žiarovkou. Z tabuľky je zrejmé, že vo väčšine prípadov sa skutočný svetelný tok blíži menovite udávanému, avšak kompaktné žiarivky sú prehodnotené z pohľadu nahrádzaných žiaroviek. Rekordérom sú kompaktné žiarivky S, ktoré svietia na polovicu udávaného toku alebo ekvivalentnej žiarovky.

K tab. 2 a tab. 3 je ešte potrebné poznamenať, že niektorí výrobcovia ponúkajú širšiu škálu kompaktných žiariviek pre najrozličnejšie aplikácie. Okrem klasických trubicových žiariviek sú to žiarivky s difúznym krytom a pod. Aj keď takéto zdroje musia mať menší svetelný tok, výrobca pre ne uvádza nadhodnotené parametre. V uvedených tabuľkách tieto typy nie sú zvlášť vyznačené.

4.2 Náhradná teplota chromatickosti a spektrum

Väčšina výrobcov udáva náhradnú teplotu chromatickosti svojich žiariviek 2 700 K, ako svetlo teplobiele, blízke svetlu žiarovky. Iné hodnoty sa na škatuľkách posudzovaných kompaktných žiariviek nevyskytli, teda ostatní výrobcovia neuvádzali žiadnu hodnotu teploty chromatickosti. Meraním bolo zistené, že takmer žiaden z meraných zdrojov nespĺňa menovité hodnoty. Väčšina hodnôt sa pohybuje v okolí 3 000 K, nezriedka sú však tieto hodnoty aj vyššie. Vybrané namerané hodnoty sú prezentované v tab. 4, a to pre tie zdroje, ktoré uvádzali hodnotu 2 700 K ako menovitú.

O náhradnej teplote chromatickosti možno nepriamo usudzovať aj zo spektra žiarenia kompaktných žiariviek. Za všetky namerané zdroje je na obr. 2 uvedený príklad jedného zdroja. Spektrá ostatných zdrojov sa líšia od uvedeného len neveľmi, väčšinou v oblasti okolo 600 nm, popr. býva väčšia špička v modrej oblasti spektra (porovnateľná s dvomi špičkami na obr. 2).

4.3 Prúd a príkon

V tab. 5 sú uvedené výsledky nameraného prúdu oproti menovitým hodnotám v percentuálnom vyjadrení pre tie kompaktné žiarivky, ktoré prúd pre svoje zdroje udávajú. Z tabuľky je zrejmé, že odoberaný prúd viacerých zdrojov je väčší ako menovitý. To sa prejavuje aj v nameranom príkone zdrojov. Pre podrobnejšiu analýzu elektrických vlastností by bol potrebný väčší priestor. Účinník cos j sa vo väčšine prípadov pohybuje medzi 0,5 a 0,6, i keď pri silnejšom neharmonickom priebehu je otázka účinníka diskutabilná (viaže sa k prvej harmonickej).

4.4 Vyššie harmonické

Pojednanie o vyšších harmonických by vyžadovalo väčší priestor. Zmieňme sa aspoň stručne o hlavnom ukazovateli, celkovom harmonickom skreslení THD. Väčšina meraných kompaktných žiariviek sa pohybuje v oblasti 110 až 140 %, len u niektorých značiek sú tieto hodnoty pod 110 % (A, E, I, P, T) a výnimočne dosahujú vyšších hodnôt (F, R). Priemernou hodnotou je 122 %. Tretia harmonická je v priemere s malým rozptylom asi 60 % a podobne piata harmonická – 45 %. Svetelné zdroje s vyššou hodnotou THD majú zväčšený podiel harmonických od 11 vyššie.

4.5 Technicko-ekonomické ukazovatele

Na trhu sú k dispozícii kompaktné žiarivky s rôznym menovitým životom; najlacnejšie zdroje mávajú život 3 000 h, bežne sa predávajú kompakty so životom 6 000 – 8 000 – 10 000 h. Vo vyššej kategórii sú kompaktné žiarivky so životom 12 000 h. Zdroje s dlhším životom (napr. 15 000 h) neboli vo vybranej množine meraných zdrojov.

Najdôležitejším technicko-ekonomickým ukazovateľom je návratnosť svetelného zdroja, ktorá sa počíta pomocou vzťahu (1) vztiahnutého na menovitý život. Návratnosť sa počítala v absolútnych hodnotách (h), avšak väčšiu výpovednú hodnotu má relatívna návratnosť vztiahnutá na menovitý život svetelného zdroja. Tieto údaje sú uvedené v tab. 6. I keď najrýchlejšiu návratnosť podľa tabuľky majú tzv. lacné žiarivky tretej kategórie, ich malý merný výkon a celkovo horšie technické parametre by mohli prevážiť nad nízkou cenou. Aj tu je však ešte potrebné vykonať hlbšiu analýzu.

Ako sa pri zahorovaní kompaktných žiariviek bolo možné presvedčiť, problémy existujú aj so skorou mortalitou týchto zdrojov. Jedná sa o značky F, S, C a AC, kde sa vyskytol väčší podiel nefunkčných zdrojov ešte počas zahorenia.

Jedným z ďalších ukazovateľov, ktoré sa sledovali, boli tzv. hodinové náklady, t. j. náklady prepočítané na 1 000 h menovitého života. Hodnoty hodinových nákladov sa pohybujú v rozmedzí 9 až 83 000 h; nebol však k dispozícii dostatočný počet údajov o maloobchodnej cene sledovaných svetelných zdrojov. Cieľom bolo zistiť, či sa viac oplatia zdroje s kratším alebo dlhším životom, ak sa životnostný rozdiel premieta do ceny kompaktnej žiarivky. To by však v prvom rade predpokladalo mať k dispozícii aspoň svetelné zdroje jedného výrobcu s rôznym životom apod. V tejto oblasti budú potrebné ďalšie práce. Otázkou tiež je skutočný život týchto zdrojov, na rozdiel od proklamovaného menovitého. Skúšky života sú však veľmi náročné.

4.6 Poznámky z pohledu výrobce světelných zdrojů

Z výsledků uvedené studie vyplývá značný rozdíl v kvalitě zkoumaných kompaktních zářivek. Z nich některé se staly nefunkčními dokonce ještě v průběhu zkoušek, jejichž trvání zdaleka neodpovídá době života deklarované výrobcem, resp. době běžně dosahované předními firmami. Nejedná se o náhodný jev. Je to logický důsledek především nízké technické úrovně výrobce, způsobené:

    * chybějící výzkumně-vývojovou základnou,
    * absencí know-how,
    * nízkou úrovní jeho technologického vybavení,
    * nedostatečnou technologickou kázní,
    * neuspokojivou úrovní řízení kvality,
    * nízkou kvalifikací obsluhujícího personálu,
    * vědomým využíváním levnějších, a tedy i méně kvalitních materiálů.

To zákonitě vede k produkci konečného výrobku s velmi nízké kvality, projevující se nižšími počátečními hodnotami základních parametrů (světelného toku, měrného výkonu), jejich nedostatečnou stabilitou v průběhu života (včetně kolorimetrických parametrů) a rovněž předčasným ukončení života příslušného světelného zdroje.

Vzhledem k tomu, že kompaktní zářivka se skládá ze dvou relativně samostatných celků, tj. ze svíticí výbojové trubice a z integrovaného elektronického předřadníku, mohou se na nízké kvalitě ve větší nebo menší míře podílet obě zmíněné části. Množství nedostatků je způsobeno nevhodnou konstrukcí zářivky, nesprávnými geometrickými parametry její výbojové trubice (kterými je definována poloha tzv. chladného bodu, určující optimální tlak rtuťových par, a tedy i optimální výstup ultrafialového záření budícího luminofor).

Důsledkem je zpravidla nízký počáteční světelný tok, který se dále sníží při provozu v uzavřených svítidlech. Analogický efekt má použití nekvalitních luminoforů, popřípadě luminoforů neodpovídajících danému zatížení (které navíc mohou negativně ovlivnit podání barev osvětlovaných předmětů), nevhodné složení skloviny trubice (způsobující intenzivnější černání trubice po celé její délce, a tedy i větší úbytek světelného toku v průběhu svícení) a rovněž použití emisních hmot pokrývajících katody nedostatečně odolné proti rozprašování při zápalu (způsobující zesílené černání konců zářivky v oblasti katod; to má za následek vedle již zmíněného zvýšení úbytku světelného toku i zkrácení fyzického života zářivky).

Velmi důležitým faktorem ovlivňujícím kvalitu zářivky je úroveň technologického procesu výroby. Například nedokonalé vakuové zpracování při čerpání zářivky způsobuje znečištění plynné náplně, vedoucí k obtížnějšímu zapálení výboje a intenzivnějšímu rozprašování emisní hmoty s již uvedenými důsledky. Zbytečně velké množství rtuti vnášené do zářivky negativně ovlivňuje světelný tok i vzhled zářivky, nehledě na ekologickou zátěž ve výrobě i u uživatele; přitom zářivka pro svůj provoz potřebuje podstatně méně než 1 mg rtuti; z technologických a konstrukčních důvodů se však obvykle používá asi 3 až 5 mg.

K dosažení vysoké účinnosti a dostatečného života je tedy nezbytné mít k dispozici kvalitní technologii, používat špičkové luminofory, vhodnou sklovinu, přesnou geometrii trubice, kvalitní emisní hmoty. Komplikovanější technologie s využitím amalgámů rtuti eliminuje negativní vliv teploty okolí na světelnětechnické parametry, tj. rozšiřuje teplotní interval, v němž nedochází k větším ztrátám světelného toku. Konfigurace svíticí části zářivky je důležitá i z jiného důvodu. Při výměně žárovky za zářivku totiž v některých typech svítidel, jejichž světelně činná část byla konstruována pro žárovku, dochází na pracovní ploše k nežádoucímu snížení hladiny osvětlení, vyplývajícímu ze změny rozložení svítivosti svítidla v souvislosti s nevhodným typem zvolené kompaktní zářivky. Instalování kompaktní zářivky v takových případech nemá žádoucí energetický efekt.

Velmi důležitá je i konstrukce elektronického předřadníku z hlediska použité součástkové základny, ale především z hlediska zajištění příznivých podmínek při zápalu zářivky. U jednoduchých, a tedy i levných obvodů (a to i při použití kvalitních součástek) zpravidla dochází ke studenému zápalu majícímu negativní vliv na život zářivky, zejména při častějším zapínání.

Správně nastavený startovací režim příznivě ovlivňuje život zářivky a ani častější zapínání její život znatelně nezkracuje. Proto při nákupu kompaktní zářivky pouze podle ceny na první pohled zdánlivě přitažlivé a bez respektování dalších důležitých okolností lze zažít nepříjemné zklamání.

5. Záver

Z výsledkov možno zovšeobecniť, že aj kompaktné žiarivky renomovaných svetových výrobcov nemajú vždy najlepšie svetelnotechnické, elektrické, ale najmä životnostné parametre. Možno je to špecifikum slovenského trhu, ale pred viacerými rokmi sa ponúkali kompaktné žiarivky nad 10 000 h (bežne 12 000 alebo 15 000 h), dnes sa vzhľadom na kúpyschopnosť obyvateľstva ponúkajú zdroje s kratším životom (bežne 6 000 h, ale často aj 3 000 h), hlavne ak sú nepomerne lacnejšie. Aj preto je otázka hodinových nákladov veľmi dôležitá. Uvedenej problematike preto bude potrebné sa venovať aj naďalej.

Literatúra:[1] GAŠPAROVSKÝ, D. – SMOLA, A.: Racionálne osvetlenie. Projekty rodinných domov, 2001, č. 1, s. 240–243, ISSN 1335-3527.  

Ing. Dionýz Gašparovský, PhD., FEI STU Bratislava,
Ing. Vladimír Dvořáček, S Lamp, s. r. o., Panenské Břežany

převzato s časopisu Světlo­­  

Líbil se vám článek?

ano: 191     ne: 143

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb