"> Işık Kaynakları ve Aydınlatma Tarihi - Benga.pro Mühendislik ve Bilişim Ltd. Şti
Ana SayfaTüm yazılar...Işık Kaynakları ve Aydınlatma Tarihi
Elektrik Tesisat 15 Mayıs 2019 by	Bülent Atalay	0Comments
Aydınlatma tarihi deyince ilk akla Thomas Edison geliyor. Neticede ampulü icat eden kişi diye öğrenmişizdir hep. Ama aydınlatma daha doğrusu elektrikle aydınlatmanın tarihi Edison ile başlamaz. Edison’un akkor telli ampulü bulma yarışını önde bitirmesinden yaklaşık 1 asır önce başlamıştır aydınlatma tarihi.
Aydınlatma tarihine geçmeden önce ışık kaynaklarını tekrar hatırlayalım. Aşağıdaki şemada bildiğimiz ve uzun yıllarca kullanılagelmiş ışık kaynakları yer alıyor.
Enkandesen ışık kaynağı yukarıdaki gruplamada ilk sırada olsa da tarih sıralamasında aslında ilk sırada değildir. 1800 yıllarla birlikte aydınlatma üzerinde çalışmalar başlamıştı. Elektriğin davranışlarının yeni yeni öğrenildiği döneme denk gelen bu yıllarda, birbirine çok yakın iki yüklü iletken arasında ark oluşması temeline dayanan ark lambaları aydınlatma tarihini başlatmıştır ve yukarıdaki gruplamada “Isıl olmayan Işık Kaynaklarının” atasıdır.
Aslında 1803 yılında İngiliz bilim insanı Humprey Davy (1778-1829) iki karbon çubuk arasında ark oluşturarak ilk aydınlatma kaynağını da bulmuş oldu. Ancak ark lambasının çalışması için çok büyük batarya kullanıyor olması, ark lambasının ticarileşip yaygınlaşmasının önünde engel teşkil ediyordu. Çünkü o yıllarda henüz elektrik şebekeleri ve düzenli, kararlı elektrik kaynakları yoktu.
(Ark Lambası ve Sir Humprey Davy)
1831 yılında İngiliz bilim insanı Michael Faraday’ın (1791-1867) elektromanyatik indüksiyonu bulması ve manyetizma ile elektrik üretmesi çok kısa sürede içinde ticari elektrik jeneratörlerinin ortaya çıkmasını sağladı. Böylece ark lambalarının önündeki elektrik kaynağı engeli ortadan kalktı. İlk pratik ark lambası uygulaması 1858’de İngilitere’de Güney Foreland’de deniz feneti olarak kullanıldı. Daha sonraki yıllarda ark lambaları geliştirilerek kullanılmaya devam edildi.
Ancak ark lambasının çok parlak olması dış aydınlatma için uygun olsa da iç aydınlatma için hiç uygun değildi. Bu sebeple ark lambası dışında başka ışık kaynakları arayışları da devam ediyordu.
Ark lambalarının kullanımı az da olsa günümüze kadar gelmiştir. Ark lambalarında iki karbon elektrot uç önce birbirlerine temas eder, devreye yüksek güçlü gerilim uygulanıp ark oluşmaya başlayınca uçlar birbirlerinden yavaşça uzaklaştırılır ve arkın boyu büyütülür.
Ark lambalarının kullanımı az da olsa günümüze kadar gelmiştir. Ark lambalarında iki karbon elektrot uç önce birbirlerine temas edecek kadar yaklaştırılır, devreye yüksek güçlü gerilim uygulanır, iki uç arasındaki hava iletken hale geçip ark oluşmaya başlayınca uçlar birbirlerinden yavaşça uzaklaştırılır ve arkın boyu büyütülür. Ark lambasının elektrotları kullanıldıkça kısalacağından, arkın boyunu sabit tutacak bir mekanizma lambada bulunur. Elektrotların yanarak ortama zehirli gaz salması nedeniyle iç ortamda kullanılması sakıncalıdır. Eğer kullanılıyorsa da mekanın havalandırılması şarttır. Ayrıca bu lambanın cızırtılı ses çıkarması da ayrı bir dezavantajıdır.
Enkandesen Ampuller – Akkor Telli Ampuller
“Enkandesen” kelimesi dilimize Fransızca (İngilizce’de de aynı) “Incandescent” kelimesinden geçmiştir. Bu kelimeyi biraz araştırınca aslında kökünün Latince’ye dayandığı, “Kor olmak”, “Beyaz olmak” kelimelerinden türediği görülür. “Enkandesen” kelimesini kullansak da bilmeliyiz ki dilimizde “Akkor” olarak çok güzel bir karşılığı vardır.
Akkor telli ampulün tarihçesine bakınca, çok sayıda bilim insanının bu teknoloji üzerinde çalıştığı görülür. Akkor telli ampulü yani bir telin üzerinden akım geçince ışık yayması fikrini ortaya atan ve bu konuda denemeler yapan yine Sir Humprey Davy‘dir. Ancak akkor telli ampullerin gelişmesindeki en büyük problem “tel”i idi. Üzerinden akım geçtiğinde tel, ancak çok yüksek sıcaklıklara çıkınca ışık yayabiliyordu. Çok yüksek sıcaklıklara çıkınca da telin dayanmasını, erimemesi, buharlaşmaması sağlamak çok güçtü. Böylece bilim insanları arasında yaklaşık 80 yıl sürecek bir yarış başlamıştı. Çok yüksek sıcaklıklara dayanacak ve ticarileştirilebilecek fiyatta olacak bir tel bulunacaktı.
Sir Humprey Davy 1802 yılında ilk akkor telli ampul denemelerini yaparken plantin tel kullanmıştı. Platin kullanmasının sebebi yüksek ergime sıcaklığıydı. (1768ºC) Ancak yaptığı denemelerde elde ettiği ışık fazla olmuyor ve fazla dayanmıyordu. Her ne kadar demleri başarılı sayılmasa da kendinden sonraki mucitler için yeterli ilham kaynağı olmuştu. Neticede bazı elementlerin aşırı ısıtılmasıyla akkor hale gelip ışık yayabileceklerini ispat etmişti.
Davy’den sonra bir çok bilim insanı Davy’nin fikrini geliştirmeye çalıştılar. 1840 yılında Warren De La Rue (1815-1889 / İngiliz) platin teli, okside olmasını önleyecek vakumlanmış bir cam tüpün içine koyarak ampul yapmayı başardı. Ancak platin kullanımı sebebiyle bu ampul ticarileştirilemeyecek kadar pahalıydı.
Warren De La Rue’den sonra bir çok bilim insanı ampulü geliştirmeye çalışmaya devam ettiler. İngiliz Fredrick de Moleyns 1841 yılında, Amerikalı John Starr 1845 yılında, Fransız Jean Eugene Robert-Houdi 1851 ylında, Rus A.N.Lodygin 1874 yılında, Kanadalı Woodward-Evans 1874 yılında, İngiliz Joseph Wilson Swan 1878 yılında kendi geliştirdikleri akkor telli ampul versiyonu için patent aldılar. Kimisi karbon tel kullanmış, kimisi ampulün içine azot gazı koymuştu.
İngiliz Swan ticari olabilecek ampule en çok yaklaşan isimdi ve ampul yarışının sonlarına gelindiği anlaşılıyordu. Fakat 1879 yılında Amerikalı mucit Thomas Alva Edison (1847-1931) ortaya çıktı ve karbonlaşmış bambu filamanı kullanarak yaptığı ampulü tanıttı. “Filament” (Türkçe Filaman) sözcüğünü bu dönemde ilk kez Edison kullanmıştır. Edison’un bu ampulünün 1200 saate kadar ömrü vardı ve bu oldukça iyi bir rakamdı. Çünkü bundan önce yaptığı ve pamuk ipliği filamanı kullandığı ampulü sadece 14,5 saat ömre sahipti. Edison’un ekibi doğru karbon filamanını bulmak için yaklaşık 6000 adet bitkiyi denemişler ve en son Japon bambusunda karar kılmışlardı.
Solda, Swan’ın geliştirdiği, sağda ise Edison’un geliştirdiği ampuller yer almaktadır. Swan sellülöz filaman ve yaylı bir baza kullanmıştı. Edison ise bambu filaman ve dünya standardı haline gelecek vidalı baza kullanmıştı.
Edison, bambu filamanını 10 yıl boyunca kullandı. Bu arada cam tüpün vakumunun daha iyi yapılması, ampulün vidalı olması bazasının konusunda konusunda ilerlemeler kaydetti. Günümüzde ampul montajında kullandığımız vidalı montaj tasarımı Edison’dan gelmektedir.
Edison, şirketini kurup geliştirdiği ampulün satışı ve şehirlerin aydınlatılması işleriyle uğraşırken, diğer bilim adamları ampulü daha da geliştirmeye devam ettiler. En önemli gelişme 1904 yılında yaşandı. Avrupa’da karbon filaman yerine tungsten filaman kullanarak daha fazla ışık ve daha uzun ömür elde edildi. 1913’de ampulün içine azot gibi bir soygaz konursa veriminin 2 katına çıktığı bulundu.
Bu gelişmeler o yıllar için güzel gelişmelerdi ama zaman ilerledikçe akkor filamanlı ampulün verimi sadece %10 seviyesinde kaldı. Yani tükettiği gücün sadece %10 unu ışık olarak veriyor gerisini ısı olarak ortama yayıyordu. Oldukça verimsiz bir teknolojiydi. Haliyle insanoğlu, daha verimli ışık kaynakları bulmalıydı.
Halojen ampuller de bir nevi akkor telli ampuldür. Üzerinden akım geçince aşırı ısınarak ışık yayan bir filamana sahiptir. Ancak bunların yapımında halojen gaz kullanılması bu ampulleri ayırmaktadır.
Periyodik cetvelin, 17. kolonunda halojen gazlar yer almaktadır. “Halojen” metallerle reaksiyona girince tuz oluşturan elementlere verilen isimdir. (Eski Yunanca’da “hals” yani “tuz” kökünden gelmektedir). İşte bu halojen gazlardan klor, ilk kez 1882 ‘de bir ampulde kullanılmış ve patenti alınmıştır. Ancak 1960 lara kadar halojen ampuller ticarileşmemiştir. General Electric firmasında çalışan Elmer Fridrich ve Emmet Wiley 1955 yılında iyodinli halojen ampulü geliştirmiştir. 1959 yılında ise GE, bu ampulün patentini almıştır. Daha sonraki yıllarda hidrokarbon ve brom bileşiklerini kullanmak daha iyi sonuçlar vermiştir. Flor kullanımı da denenmiş olsa da flor, ampulün diğer aksamlarına karşı agresif olduğu için vazgeçilmiştir. Günümüzde saf halojen gaz kullanılmamakta, kripton, zenon gibi soygazlarla karıştırılarak kullanılmaktadır.
Akkor telli normal ampullerdeki tungsten, ampul kullanıldıkça buharlaşarak cam tüpün iç çeperinde birikir ve zamanla ampul siyahlaşır. Diğer taraftan filaman, buharlaşma yüzünden kaybettiği atomlar sebebiyle zayıflar ve ömrü azalır.
Halojen ampullerde de tungsten filamanı kullanılmaktadır. Bu filaman küçük bir kuvars cam kılıf içindedir. Kuvars cam doğası gereği çok yüksek sıcaklıklara dayanabilmektedir. Bu kılıfın içinde halojen gaz bulunur. Bu gaz tungsten buharıyla birleşir. Eğer sıcaklık yeterince yüksekse, halojen gaz, tungsten atomları buharlaştıkça onlarla birleşecek ve tekrar filamanın üzerine çökelecektir. Bu çevrim filamanın incelmesini engelleyecek ve ömrünü uzatmaktadır. Diğer taraftan kuvars kılıf filamana çok yakın olduğu ve soğuma olmayacağı için, ampulü daha yüksek ısılara çıkarmak haliyle daha çok ışık almak da mümkündür. Yani, normal bir ampule göre halojen ampuller çok da sıcak olmaktadır. Zaten sıcaklık 250ºC nin üzerine çıkmazsa halojen çevrimi başlamayacaktır. Mesela, 300W gücünde bir çubuk halojen ampul 540ºC ye ulaşır. Halbuki 500W gücündeki normal akkor telli ampul 180ºC, 75W gücündeki ise 130ºCye ulaşır.
Halojen ampullerin ısıya bu kadar bağlı olmalara verimsizliklerini arttırmaktadır. Haliyle günümüzde halojen ampullerin kullanımı Avrupa ‘ülkelerinde yasaklanmaya başlamış. Yani halojen ampuller sadece aydınlatma tarihinde kalmaya hazırlanmaktadır.
Luminesans ve Gaz Deşarj Lambaları
“Luminesans”ın kelime anlamı ısıl olmayan kaynaklardan yayılan ışık demektir. Yani enkandesenlik olayının, akkorlaşarak ışık üretmenin tersidir. Aslında “Işıldama” diye çevirebiliriz. Doğada lüminesansın farklı türleri vardır.
Lüminesans etkisi, atom ve moleküllerin uyarılmış durumdan temel duruma geçerken aldıkları enerjiyi ışınım olarak geri vermelerine dayanır. Bu durum iki katı elektrot arasındaki normalde yalıtkan halde bulunan gazın elektrik akımı ile iletken hale gelip, oluşan elektron akışının gaz atomlarını uyarması ya da iyonize etmesi ile gerçekleşir. Bir elektrottan diğerine akan elektronlar yollarına çıkan gaz atomları ile çarpışır. Elektronların hızı atomları uyarmak için yeterli büyüklükte ise elektronlar atomları uyarır ve atomlar temel durumlarına geçerken ışıma olur. Özetle, luminesans, herhangi bir cismin dış bir kaynaktan herhangi bir şekilde aldığı enerjinin bir kısmını elektromanyetik ışınım olarak salmasıdır.
Aydınlatmada, gazların lüminesans etkisinden faydalanılır. Gazların uyarıldıktan sonra eski hallerine dönmelerine deşarj denir. Yukarıda da değinildiği gibi, uyarılmış durumdan eski hallerine dönerken foton yayarlar, ışıma yaparlar. Bu şekilde çalışan ışık kaynaklarına gaz deşarj lambaları denir.
Luminesans etkisi, aslında 17.yüzyılın sonundan beri bilinmekteydi. 1675 yılında Fransız astronom Jean-Felix Picard cıvalı barometresindeki vakumlu tüpün cihazı hareket ettirdiğinde parıldadığını fark etti. Bu fenomen daha sonra Francis Hauksbee tarafından doğru bir şekilde açıklandı. İlk önce 1705’te bir gaz deşarj lambasının çalışma prensibini gösterdi. Kısmen vakumlanmış bir cam kabın içine küçük bir cıva yerleştirdi. Kabı statik elektrik beslediğinde, parıldayan cıva bir kişinin cihazın yanında kitap okumasına izin verecek kadar parlak bir ışıltı yaydığını gösterdi. 1800lü ylların başına kadar önemli bir gelişme olmadı, ta ki 1803 yılında Sir Humprey Davy’nin ark lambasına kadar. İlk bölümde anlatılan ark lambası da luminesans etkisi ile çalışan bir ışık kaynağıdır.
Luminesans etkisi ile ışık üretmenin aslında atası Alman fizikçi ve aynı zamanda bir cam üfleyicisi olan Heinrich Geissler ‘dır(1814-1879) . 1857’de, Heinrich Geissler ve doktor arkadaşı Julius Plücker uzun bir cam tüpün içindeki havayı tamamen boşaltarak ve içinden elektrik akımı geçirerek ışık üretebileceklerini keşfettiler. Bu keşfe Geissler tüpü adı verildi. Ancak Geissler tüpü, ışık üretiminde verimlilik henüz önem kazanmadığı için popüler olamadı. Verimliliğin önem kazanmaya başladığı 1900lü yılların başında tekrar gündeme geldi. Bilim insanları neon, argon, kripton ve ksenon gibi soy gazların Geissler tüpleri için uygun olduğunu keşfetti. 1910 yılında Fransız mühendis Georges Calude tarafından ticarileştirildi. Geissler tüpü deşarj lambaları, floresan lambalar, düşük basınçlı sodyum lambalar ile neon lambalara temel oluşturdu.
İlk ark lambası, açık ortamdaydı. Zamanla ark bir tüpün içinde oluşturuldu, daha sonra tüpün içine çeşitli gazlar konuldu ve bu gazların basınçlarıyla denemeler yapıldı. Ark lambasıyla başlayan serüven alçak yada yüksek basınçlı cıva yada sodyum buharlı ampullere kadar uzandı.
Floresans Etkisi ve Alçak Basınçlı Cıva Buharlı Ampul
1900’lerin başında Peter Cooper Hewitt, elektrik akımını bir balast yardımıyla cıva buharından geçirerek mavi-yeşil ışık üretti. Hewitt’in bu lambası akkor telli ampullerden daha verimli idi ama ışık rengi sebebiyle çok sınırlı bir alanda kullanılabiliyordu. 1920lerin sonunda ve 1930ların başında, Avrupa’da fosfor kaplı neon tüplerle deneyler yapılıyordu. Fosfor, morötesi ışığı emiyor ve görünmez ışığı faydalı beyaz ışığa çeviriyordu. Bu gelişme Amerika’da floresan lambalara olan ilgiyi arttırdı. Bu lambalar akkor telli ampullerden daha uzun ömürlüydü ve yaklaşık 3 kat daha verimliydi. Amerika’da 1950lere gelindiğinde yılında ışık üretiminde lineer floresan ampuller diğer ışık kaynaklarından daha fazla kullanılıyordu. Böylece floresan ampuller aydınlatma serüveninde yerlerini almıştı. Floresan ampuller aslında alçak basınçlı cıva buharlı ampullerdir.
“Floresans” kelimesi aslında bir doğa olayına verilen isimdir. Luminesans olayının bir şeklidir. Adını floresans olayının gözlemlendiği floritten alır. Bu olay, 1500lü yıllardan beri bilinmekteydi ama doğru şekilde açıklanıp gösterilmesi İrlandalı bilim insanı Sir George Gabriel Stokes (1819-1903) 1852 yılında gerçekleştirildi.
Floresans, ışık ya da diğer elektromanyetik radyasyon emen bir madde tarafından ışık yayılmasıdır. Bir lüminesans şeklidir. Çoğu durumda, yayılan ışık, emilen ışığa nazaran daha uzun bir dalga boyuna sahiptir. İşte bu prensipten yola çıkarak, floresan ampuller geliştirilmiştir. Alçak basınçlı cıva buharı bulunan bir cam tüpün çeperi fosfor ile kaplanmıştır. Elektrik akımının geçmesiyle oluşan cıva buharı kısa dalga boylu mor ötesi ışınlar oluşturur ve bu ışınlar cam tüpün çeperindeki fosforun görünür ışık yaymasına sebep olur.
Yandaki resimde, demonstrasyon amaçlı olarak cam tüpün yarısının fosfor kaplandığı, diğer yarısının ise saydam bırakıldığı bir resim vardır. Görünmeyen UV ışın yayan cıva buharının az da yaydığı görünen mavi ışık ve fosforlu kısmın yaydığı beyaz ışık görülmektedir.
Floresans olayının başlaması için tüpün içindeki gazın biraz ısıtılması gerekir. Bunun içincam tüpün hemen ucundaki elektrodlar arasındaki filaman kullanılır. Filaman tıpkı akkor telli ampullerdekinin tersine ışık için değil ısı için kullanılır. Filamanlardan akım geçerken oluşan ısı sayesinde tüpün içindeki gaz ısınır. Fakat bu filamanların devden çıkması gerekir. Bu da starterler sayesinde yapılır. Normalde kapalı vaziyette bulunan starter, aslında uzama katsayısı 2 metalden yapılmış bir kontaktır. Üzerinden akım geçip uzama katsayısı büyük olan metalin genleşip devreyi açması için geçen süre boyunca (ki bu süre bir kaç saniyedir) filamanlar tüpün içindeki gazı ısıtır. Starter devreyi açıp filamanı devreden çıkarır. Bu arada starterin cam tüpe paralel bağlandığını söylemek lazım, çünkü starter devreden çıksa bile cam tüpün 2 ucunda gerilim olmaya devam eder. Bu noktada, gazın atlama yaparak ışıması için gerekli yüksek gerilimi sağlayan be akımı sınırlandıran cihaza ihtiyaç vardır ki bu da balasttır. Balast, aslında sargıdan oluşan bir bobindir ama 2000li yıllara gelindiğinde artık bu sargı yerine özel elektronik devreler kullanılmaya başlanmıştır. Bunlara elektronik balast ismi verilince eski balastlar mekanik balast olarak anılmaya başlanmıştır.
Alçak basınçlı cıva buharlı ampulün 1901’de Peter Cooper Hewitt tarafından geliştirilmesinden 35 yıl sonra 1936’da Philips tarafından yüksek basınçlı cıva buharlı ampul geliştirildi böylece verimlilik arttırılmış oldu.
Bugünün lambaları, içinde kuvars deşarj tüpü olan yüksek basınçlı lambalardır. Bu lamba çalışmaya, başlangıç ​​elektrodu ile ana elektrot arasında küçük bir arkla başlar. Bu ark, soğuk havalarda bile kolayca çakan argon gazından geçer. Bu küçük ark, tüpü ısıtır ve birkaç dakika boyunca, tüp yanlara sıkışmış katı cıvayı buharlaştıracak kadar ısınır. Buharlaşan cıva, iki ana elektrot arasında güçlü bir ışık oluşturur. Arkın sonsuz güçlenmesini önlemek için, akımı sınırlamak için balast kullanılır. Bazı lambalar “Kendinden Balastlıdır”.
Yüksek basınçlı cıva buharlı lamba çalışırken enerjisi kesildiğinde, şebeke gerilimi deşarjı tekrar başlatmaya yetmez. Bu yüzden tüpün soğumasını ve basıncın düşmesini beklemek gerekir. Yüksek basınçlı cıva buharlı lambaların ömrü yaklaşık 6000 ile 9000 saat arasındadır. Lambanın 10 saatten az kullanılması ömrünü kısaltır. Gerilim dalgalanmaları ömrünü fazla etkilemez. Lambanın ateşleme sistemine ihtiyaç duymaması maliyetini düşürürken güvenliği arttırır. Lamba ömrünün uzun olması ve ekonomik olması nedeniyle yüksek basınçlı cıva buharlı lambalar yaygın şekilde kullanım alanı bulmaktadır. Ancak renksel geri verim ve ışıksal verimleri düşük olduğundan 2006 yılından itibaren ülkemiz yol aydınlatmalarında kullanılmaları yasaklanmıştır.
(Osram’ın 50W gücünde farklı Yüksek Basınçlı Cıva Buh. Ampulleri)
Metal Halide Lambalar (MH)
“Halide” halojen gazların oluşturduğu tuz demektir. Yani metal tuzu lambalar dememiz mümkündür. Yüksek basınçlı cıva buharlı lambaların bir türüdür. Gün ışığını taklit eden bir ışık yaydıklarından yüksek tavanlı iç mekanlarda, endüstriyel tesis ve depolarda, stadyumlarda kullanılabilir. Aynı zamanda bir HID (Yüksek Yoğunluklu Deşarj) lambasıdır, yani ışığının çoğunu küçük bir deşarj tüpü içindeki elektrik arkından sağlar.
1912’de, Charles P. Steinmetz, cıva buharlı lambanın içine halojen tuzları koyarak deneyler yaptı. Amacı, cıva buhar lambasının daha çekici bir renk yaymasını sağlamaktı. Denemelerinde başarılı oldu, ancak tutarlı ve istikrarlı bir ark üretemedi. Steinmetz’in bu denemelerini sonraki bilim insanlarına ilham oldu.
Robert Reiling, ilk kararlı metal halide deşarj lambasını geliştiren kişi oldu. 1962’de Steinmetz’in modelini geliştirdi. Molibden ve tungsten elektrotlu kuvars metal halide lamba üretti. Bu tasarım, yüksek basınçlı cıva buharlı lambaların ürettiği yüksek sıcaklıklara dayanabiliyor ve daha kararlı davranabiliyordu.
Seramik metal halide lamba, kuvars metal halide lambanın daha gelişmişidir. Kuvars yerine, seramik metal halide lambası deşarjı sürdürmek için sinterlenmiş alüminyumdan yapılmış seramik bir tüp kullanır. Kuvars tüpün aksine, seramik tüp sıcak deşarjın ürettiği yüksek sıcaklıklara dayanabilir ve ayrıca iç kısımları da kolay kolay korozyona uğramaz.
İlk seramik metal halide lamba, 1981 yılında Hannover Aydınlatma Fuarı’nda Thorn Aydınlatma tarafından dünyaya tanıtıldı. Ancak, bu lambanın çalışması için özel bir balasta ihtiyaç duyması ticarileştirilmesini engelledi. İlk ticari seramik metal halide lamba 1994 yılında Phillips tarafından piyasaya sürüldü.
Metal halide lambalar, genellikle diğer halide lambalarda kullanılan argon yerine ampul içindeki xenon gazı kullanılmasından dolayı yaygın olarak “xenon farlar” olarak bilinen otomobil farlarında kullanılır.
(Bir havaalanında metal halide aydınlatmanın etkisini gösteren resim)
Alçak Basınçlı Sodyum Buharlı Lamba (LPS)
1920’de Westinghouse firmasında Arthur H. Compton ilk alçak basınçlı sodyum buharlı lambayı icat etti. ama bu icadı ticarileştirilememişti çünkü lamba çalıştığında sodyum elektrotlar çabuk aşınıyor ve ampulün çeperi siyahlaşıyordu. 1932 yılında Philips, ticari kullanıma uygun ilk alçak basınçlı sodyum ampulünü geliştirdi. Philips’in bu modelinde ayrılabilir bir dış ceket vardı. Cam tüp ile bu dış ceket arasında da vakum vardı. Vakum, ampulün ısısını koruyan ve sodyumun katılaşmasını önleyen yalıtkan bir tabaka görevi görüyordu. Alçak basınçlı sodyum lambalar, 1930’lardan bu yana sokak aydınlatması için yaygın olarak kullanılmıştır, çünkü bu cihazların yaydığı sarımsı ışık sise nüfuz edebiliyor ve çok uzun mesafelerden görülebiliyordu.
Daha sonra bilim insanları, Phlips’in alçak basınçlı sodyum lambasının üzerinde iyileştirmeler yaptılar. Örneğin, birinde dış vakum kılıfını ampulün içindeki boşaltma borusuyla birleştirdiler. Bu, lambanın yalıtım özelliklerini de geliştiren aerodinamik bir tasarımdı. Başka bir iyileştirme ise, çıkarılabilir ceketin iç tarafı kaplanarak yapıldı. Kızılötesi yansıtıcı indiyum kalay oksit tabakası , ampulun uzun süre sıcak kalmasını sağlamak adına yaydığı ısıyı tekrar ampule yansıtıyordu. Bu tasarım soğuk iklimlerde kullanım için idealdi.
(Philips’in 180W gücünde 32.000Lümen veren Alçak Basınçlı Sodyum Buh. Ampulü)
Alçak basınçlı sodyum buharı lambalarında bir borosilikat cam tüp içinde katı sodyum ve gaz deşarjını başlatmak için az miktarda neon ve argon bulunur. Tüp, doğrusal yada U şeklinde olabilir. Lamba ilk ateşlendiğinde, kırzıl/pempe arasıbir renk yayr. Birkaç dakikalık bu süre içinde sodyum buharlaşır ve ışık rengi parlak sarıya döner. Sarı renginden dolayı aydınlatılan objelerin gerçek renklerini ayırdetmek güçtür.
(Resimde çalışmakta olan bir alçak basınçlı sodyum buharlı bir ampul görülmektedir. Parlak sarı bir ışık yaymaktadır)
Alçak basınçlı sodyum buharı lambaları, floresan lambalara benzer, çünkü doğrusal lamba şeklinde düşük yoğunluklu bir ışık kaynağıdır. Yüksek yoğunluklu deşarj (HID) lambaları gibi parlak bir ark göstermezler; daha yumuşak bir ışıltı yayarlar, bu da daha az parlamayı sağlar. HID lambaların aksine, voltaj düşüşü sırasında düşük basınçlı sodyum lambalar hızla tam parlaklığa geri döner. Alçak basınçlı sodyum lambalarının, 10 W ile 180 W arasında değişen güç değerleri mevcuttur.Modern lambalar yaklaşık 18.000 saatlik kullanım ömrüne sahiptir ve yaşlanmayla birlikte lümen çıkışında düşüş göstermezler. Ancak enerji tüketimi kullanım ömrünün sonuna doğru% 10 artmaktadır.
Alçak basınçlı sodyum buharı lambaları, genelikle SOX diye anılırlart. “SO” sodyumdan gelirken “X” metal oksit kaplamadan gelir. SOX’tan farklı olarak ayrılabilir tip(SO), entegre tip (SOI), doğrusal tip (SLI), gibi.
Yüksek Basınçlı Sodyum Lamba (HPS)
Alçak basınçlı sodyum lambanın icat edildiği günlerden itibaren, bilim insanları daha yüksek basınçlı bir ışığın daha işlevsel olarak etkili olacağını biliyorlardı. Ancak, henüz yüksek basınca ve sıcaklığa dayanacak ve sodyumun aşındırmayacağı bir malzeme keşfedilmemişti. Sonunda, 1955’te Robert L. Coble, Lucalox’u yani yüksek basınçlı sodyum lambalarda kullanılabilecek alüminyum oksit seramiklerini keşfetti. 1964 yılında Elmer Homonnay, William Louden ve Kurt Schmidt, Lucalox kullanan ilk yüksek basınçlı sodyum lambasını geliştirdiler.
(Pelsan’ın 150W gücünde 17.000Lümen veren Yüksek Basınçlı Sodyum Buh. Ampulü)
Yüksek basınçlı sodyum lambaları daha beyaz bir ışık yaydıklarından yol kavşaklarında, spor stadyumu ve tünellerde kullanım için idealdir.
Alçak basınçlı tiplerden farklı olarak yüksek basınçlı sodyum buharlı lambalarda, yalnızca sodyum kullanıldığında oluşan ışık tayfındaki dar ve tek renkli çizgilerin genişletilmesi amacıyla sodyumun yanı sıra cıva da kullanılmış ve lamba basıncı arttırılmıştır. Böylece, daha geniş bir ışık tayfı elde edilerek renk kalitesi iyileştirilmiştir. Lambanın ışık vermesi, deşarj tüpü içerisindeki sodyum-cıva karışımının yüksek basınç ve sıcaklıkta buharlaşması ve uygulanan elektriksel gerilim ile uyarılması yoluyla gerçekleşmektedir. Yüksek basınçlı sodyum buharlı lambalar, sıklıkla SON kısaltmasıyla anılırlar.
Elektrodsuz lamba olarak da bilinen indüksiyon lambaların da aslında bir gaz deşarj lambasıdır. Ancak kendisini farklı kılan çok önemli bir özelliği vardır. Diğer tüm gaz deşarj lambaları gerekli gücü tüpün içindeki elektrotlar vasıtasıyla sağlarken, indüksiyon lambası tüpün dışında bir elektrik veya manyetik alan oluşturarak lambanın güç çekmesini sağlar. Aslında bir nevi transformatör gibi hayal edebiliriz. Bir iletken yakınındaki diğer bir iletken üzerinde gerilim indüklüyor.
Yaygın kullanılan 2 çeşidi vardır. İlki içinde kükürt buharı yada metal halide olan bir tüpün elektrostatik indüksiyonla enerjilendirildiği plazma lambasıdır. İkincisi ise floresan indüksiyon lambasıdır. adı üstünde floresans etkisiyle ışık üretir. Ama bu sefer serbest elektronlar indüksiyonla oluşturulan manyetik alan etkisiyle üretilir. Serbest elektronlar da cıva atomlarına çarparak morötesi ışın oluşturmalarına sebep olur. Morötesi ışın bir kere oluşunca tüpün çeperindeki fosfor kaplamasına çarparak görünür ışık oluşur.
(Farklı tiplerde indüksiyon lambaları görünmektedir.)
Bu lambalar yüksek frekansta çalıştıklarından kamaşma ve titreme gibi sıkıntıları yoktur. Ayrıca elektrodsuz olduklarından yani aşınan elektrodları olmadığından oldukça uzun ömre sahiptir. (60-100 bin saat)
(Yandaki resimde solda yüksek basınçlı sodyum buharlı ampullerle yapılan aydınlatma vardır. Sağdaki ise aynı alanın indüksiyon lambalarıyla aydınlatılması durumudur.)
1893 yılında Nikola Tesla (Sırp-1856-1943) kendisinin geliştirdiği ilk elektrodsuz lambayı bir fuarda tanıttı.Lambası büyük bir ampule benziyordu ve garip yeşilimsi fosforlara sahipti. Lamba, yakındaki büyük bir “Tesla Bobini” nin elektromanyetik alanı ile güçlendirilmekteydi. Ama o tarihte pratik kullanımı olan bir lamba hiç geliştirilmedi. 1904 yılında, floresan lambanın gelişiminde büyük rol sahibi olan Peter Hewitt indüksiyonla floresans etkisini yaratmaya çalıştı. 1967’de John Andersonilk güvenilir elektrodsuz lambayı geliştirdi ve artık ticarileştirilmeye başlandı.
LED – (Light Emitting Diode) Işık Yayan Diyot
LED, doğru akıma bağlandığında ışık yayan elektrikli bir bileşendir. Elektrolüminesans prensibi ile çalışır. Kızılötesi, morötesi ve görünür ışık yayabilir. Karakteristik olarak düşük enerji tüketimine, küçük boyuta, daha uzun ömre ve akkor lambalara göre daha hızlı anahtarlamaya sahiptir.
1907’de, İngiliz Henry Joseph Round, silisyum karbür kristalinin 10V potansiyel uygulandığında, sarımsı ışık yaydığını fark etti. Fakat bu olayı araştırıp teorisini ortaya koyan ilk kişi 1927’de Rus Oleg Vladimirovich Losev oldu.
Radio Corporation of America’da çalışan Rubin Braunstein, 1955’te bazı basit diyotların bir akıma bağlandığında kızılötesi ışık yaydığını bildirdi. 1961’de Texas Instruments’tan Gary Pittman ve Bob Biard, galyum-arsenit diyotunun, akıma her bağlanışında kızılötesi ışık yaydığını buldu. Aynı yıl kızılötesi LED için patent aldılar. ,
General Electric’te çalışan Nick Holonyak Jr., 1962’de, frekans aralığının görünür kısmında ilk ışık yayan diyotu geliştirdi. Bu kırmızı bir LED’di. 1972’de, Holonyak’ın bir öğrencisi olan M. George Craford, ilk sarı LED’i ve daha parlak bir kırmızı LED’i icat etti. Thomas P. Pearsall, telekomünikasyonda fiber optiklerle birlikte kullanılmak üzere 1976’da yüksek parlaklıkta ışık yayan diyot geliştirdi. Nichia Corporation’dan Shuji Nakamura, 1979’da ilk mavi LED’i yaptı ancak pahalı olduğundan 1994’e kadar ticari arenaya giremedi.
İlk başta, ışık yayan diyotlar çok pahalıydı, parça başına 200 dolardı. Bu nedenle, sadece son derece profesyonel laboratuvar ekipmanlarında gösterge olarak kullanılmaktaydı. Fairchild Semiconductors, 1970’lerde, ışık yayan diyotlar için yarı iletken yongaların üretiminde düzlemsel bir işlem kullanarak bireysel LED maliyetlerini 5 sente düşürmeyi başardı.
Görülebilen ışıklı LED, akkor ve neon ışıkların yerine, büyük RGB ekranlarda, semaforlarda ve diğer görsel cihazlarda, hesap makinelerinde, saatlerde ve el fenerlerinde kullanılmaya başladı. Kızılötesi LED’ler, TV’lerde, DVD’lerde ve kablosuz kontrole ihtiyaç duyan diğer yerlerde uzaktan kumanda ünitelerinde kullanıldı.
Ya üç renkli kırmızı, yeşil, mavi (RGB) LED kullanarak birleşimlerinden beyaz ışık elde edilmektedir ya da kısa dalga boylu (mavi veya ultraviyole) ışın yayan LED’leri fosfor tabakası ile kaplayarak beyaz ışık elde edilmektir.
LEDler temelde basit birer diyottur. Bilindiği gibi diyotlar yarı iletken iki parçanın bir araya getirilmesiyle elde edilen bir devre elemanıdır. Ancak işin daha öncesine giderek diyotların da nasıl çalıştığını hatırlayalım:
Elektrikte normal şartlar halinde 2 tane malzeme çeşidi vardır. İletken malzemeler ve yalıtkan malzemeler. Bakır, alüminyum gibi malzemeler iletken malzemeler iken plastik, tahta gibi malzemeler de yalıtkan malzemelerdir. Elektriğin temelinde elektron akışı yattığına göre eğer bir malzemenin atomik yapısında serbest elektron yoksa o malzeme yalıtkan olmaktadır. Ama iletken malzemelerde bazı elektronlar serbest kalır ve iletkene bir gerilim uygulanmasıyla devrede bir elektron akışı başlar.
Her ne kadar yalıtkan diye bir sınıftan bahsetmiş olsak da işin gerçeği malzeme ne olursa olsun eğer yeterince yüksek bir gerilim uygularsanız o yalıtkan dediğimiz malzeme bile iletime geçer. Periyodik cetvelin ortasında yer alan belli elementler yalıtkandır. Yani serbest elektron açısından fakirdir. Ama kimyasal bir reaksiyonla bunlara doping yapıp iletkene çevirirsek bir yarı iletken elde etmiş oluruz. En yaygın yarı iletken malzemeler silikon ve germanyumdur. Silikon normal şartlarda yalıtkan bir malzemedir. Ama silikonun yapısına biraz antimon atomu konarsa bu artık elektriği iletebilir bir yapıya geçer. Bu duruma getirilen yarı iletkene “n tipi yarı iletken” denir. Benzer şekilde silikonun yapısına bu sefer boron atomu eklenirse bazı elektronları uzaklaştırmış ve yerinde “delik” bırakmış olursunuz. Bu tip yarı iletkene de “p tipi yarı iletken” denir.
Eğer n tipi yarı iletken ile p tipi yarı iletkeni birleştirilip yan yana konunca birleşim yüzeyinin yakınındaki elektron delikleri doldurur. Neticede birleşme yüzeyinin civarında nötr (yüksüz) silikon atomları oluşur. Normal silikondan farkı olmayan bu bölge, tıpkı normal silikonun yalıtkan olduğu gibi yalıtkan hale geçer. Yalıtkan hale geçen bölgeye “yayılım bölgesi” adı verilir.
Devreye gerilim uyguladığımızda, yarı iletken elemanımız gerilimin polaritesine göre davranır. Eğer gerilim kaynağının artı kutbu p tipi yarı iletken tarafından bağlanırsa ve gerilim değeri yalıtkan haldeki yayılım bölgesini iletkene çevirecek eşik değerini aşarsa devre iletime geçer. Eğer tam tersi polaritede bağlanırsa aradaki yayılım bölgesi sınırları daha da büyüyecek ve devre iletime geçmeyecektir.
Bu çalışma prensibinin nasıl ışık ürettiği kısmına gelirsek: Elektronlar deliklerle birleşip kararlı hale geçerken foton salarlar. Bu foton silikon ve germanyum esaslı diyotlarda kızıl ötesi şeklinde olur ve gözle görülmez. LEDlerde kullanılan yarı iletken maddeler genellikle galyum arsenik (GaAs), galyum arsenik fosfat (GaAsP) ve galyum fosfattır (GaP). Ayrıca bu bileşimlerin dışında da bileşimler de vardır . LED lerin yapıldığı bileşimler ve çalışma gerilimleri aşağıda verilmiştir;
Piyasada karşılaştığımız LEDlerin başında SMD LEDler gelmektedir. SMD “Surface Mounted Device” yani yüzeye monte edilen cihaz anlamına gelen bir kısaltmadır. Şerit LEDler üzerinde yer alan LEDler SMD dir. SMDler de 3 çipli yada tek çipli olarak üretilmektedir.
(Solda 3 çipli SMD LED, Ortada tek çipli SMD LED ve Sağda şerit LED resimleri görülmektedir.)
Ayrıca LED başına 0.5W’tan daha fazla güç harcayan büyük LEDlere Power LED adı verilmektedir. Bu LEDler yanyana geldiklerinde önemli miktarda ısı ortaya çıkarırlar ki bunları kullanan armatürlerde soğutma önlemlerinin alınması gereklidir. Power LEDlerin üzerine ışığı odaklamak üzere lens konur. (Sol tarafta 1 Wlık Power LED resmi görülmektedir.)
Birden çok LED çekirdeğinin tek bir plakada birleştirilmesi ile üretilmiş LED’lere COB LED adı verilir. COB, Chip-on-Board kelimelerinin baş harflerinden oluşan bu kısaltmadır. (Sağ tarafta COB LED görülmektedir)
2000li yıllarla birlikte yeni yeni hayatımıza giren fiberoptik aydınlatma tam olarak diğer ışık kaynaklarına alternatif olacak seviyeye gelmemiştir. Genel aydınlatmalardan ziyade efekt aydınlatması, dekoratif aydınlatma, çerçeve aydınlatması için kullanılmaktadır. Fiberoptik aydınlatmada kızılötesi ve morötesi ışınlar olmadığından hassas objelerin lokal aydınlatmasında da kullanılmaktadır. Bir diğer önemli kullanım alanı da patlayıcı ortamlar ile vandalizme açık ortamlarda kullanılmasıdır.
Fiberoptik aydınlatmanın çalışma prensibi oldukça basittir. Kapalı bir ışık kutusu vardır. Bu ışık kutusunun içinde metal halide, LED gibi uygun güçte bir lamba bulunur. Kutuya bağlı fiberoptik kablolarla ışın aydınlatılacak mekana iletilir. Mekanda bulunan ve fiberoptik kabloya bağlı aydınlatma armatürü ile mekan aydınlatılır.
(Resimde fiberoptik aydınlatma sisteminin temel elemanları görünmektedir.)
Fiberoptik aydınlatma direkt olarak bir ışık kaynağı değildir. Bir ışık kaynağının verdiği ışığı ileten bir sistemdir. Bu nedenle yazımızın başındaki gruplama yer almamıştır.
Buna rağmen, ışık kaynağı olarak güneşin kullanılması durumunda çok etkili bir sistem olmaktadır. Özellikle gündüz vakitlerinde büyük binaların penceresiz mekanlarında aydınlatma yapılmaktadır. Halbuki güneş ışığını toplayarak bu mekanlara ileten sistemler önemli ölçüde işletme giderlerini düşürmektedir. Sadece ofislerde değil, geniş alanlı büyük depolarda, endüstriyel tesislerde de çok etkili bir sistemdir.
(Sol tarafta gün ışığından faydalanan bir sistem, sağda ise fiberoptik kablonun yapısı görülmektedir)
Işık Kaynaklarının Karşılaştırılması
En iyi ışık kaynağı hangisidir sorusunun tek bir cevabı yok maalesef. Her ışık kaynağının kendine özgü artı ve eksileri vardır. Bakım kolaylığı, işletme kolaylığı, fiyat gibi hususları göz önüne almazsak lamba seçiminde 4 tane temel kriter vardır.
Işık kaynaklarının şebekeden çektikleri güç ile yaydıkları ışık akısı arasındaki orandır. (Lümen / Watt – lm/W)
Aşağıda etkinlik faktörüne göre ışık kaynakları sıralanmıştır.
1 AB Sodyum Buharlı Lambalar 130 – 200 lm/W
2 YB Sodyum Buharlı Lambalar 66 – 138 lm/W
3 İndüksiyon Lambaları 80 – 90 lm/W
4 Floresan Lambalar 66 – 89 lm/W
5 Kompakt Floresan Lambalar 50 – 87 lm/W
6 Metal Halide Lambalar 61 – 83 lm/W
7 LED Lambalar 40 – 70 lm/W
8 YB Cıva Buharlı Lambalar 40 – 60 lm/W
9 Halojen Lambalar 14 – 25 lm/W
10 Akkor Telli Lambalar 8 – 16 lm/W
Metalin ısıtılması durumunda rengi değişmeye başlayacaktır. Öyleki 1000ºK sıcaklığında kırmızı ışık vermeye başlar ve sıcaklık arttıkça sarı, beyaz, mavi gibi renkler vermeye başlar. Hangi sıcaklıkta hangi rengin oluşmasına paralel renk sıcaklığı skalası yapılır.
Aşağıda renk sıcaklıklarına göre ışık kaynakları verilmiştir. (Renk sıcaklığı gereksinime göre olduğundan bir sıralama yapılmamıştır)
Akkor Telli Lambalar 2700 K
Halojen Lambalar 2700 – 3500 K
Floresan Lambalar 2700 – 4000 K
Kompakt Floresan Lambalar 2700 – 4000 K
YB Cıva Buharlı Lambalar 3300 – 4300 K
Metal Halide Lambalar 3800 -7000 K
YB Sodyum Buharlı Lambalar 2000 K
AB Sodyum Buharlı Lambalar 1750 K
LED Lambalar 2700 – 8000K
İndüksiyon Lambaları 2700 – 4000 K
Bir ışık kaynağının, ideal bir kaynağa (güneş) göre renkleri gösterebilme yeteneğine renksel geri verim denir. 0-100 arasında değişir. İdeal kaynakların renksel geriverimi 100 kabul edilir.
Aşağıda renksel geriverime göre ışık kaynakları sıralanmıştır.
1 Akkor Telli Lambalar 100
2 Halojen Lambalar 100
3 Floresan Lambalar 85-99
4 LED Lambalar 60-97
5 Kompakt Floresan Lambalar 80-90
6 Metal Halide Lambalar 70 – 90
7 YB Sodyum Buharlı Lambalar 25-85
8 İndüksiyon Lambaları 85
9 YB Cıva Buharlı Lambalar 40 – 60
10 AB Sodyum Buharlı Lambalar Yok
İstatistiksel bakımdan değerlendirmeye yetecek sayıda lambadan oluşan bir aydınlatma tesisinde, 100 saat kullanmadan sonraki toplam ışık akısının lambaların kullanılmaz hale gelmeleri ve ışık akılarının azalmalarından dolayı yaklaşık %30 değer kaybetmesi
için geçen süredir.
Aşağıda lamba ömrüne göre ışık kaynakları sıralanmıştır.
1 İndüksiyon Lambaları 60.000-100.000 h
2 LED Lambalar 30.000-50.000 h
3 YB Sodyum Buharlı Lambalar 14.000-18.000 h
4 Floresan Lambalar 12.000-16.000 h
5 YB Cıva Buharlı Lambalar 8.000-16.000 h
6 Kompakt Floresan Lambalar 8.000-12.000 h
7 AB Sodyum Buharlı Lambalar 12.000 h
8 Metal Halide Lambalar 6.000-10.000 h
9 Halojen Lambalar 2.000-4.000 h
10 Akkor Telli Lambalar 1000 h
Etiketler Aydınlatma, Aydınlatma Tarihi, fiberoptik aydınlatma, indüksiyonla aydınlatma, Işık, Işık Kaynakları, LED, lümen
5 Temmuz 2018 Yazan Bülent Atalay