Floresan lambalar | Floresan lambaların enerji tasarrrufu açısından incelenmesi

Floresan Lambalar



Floresan Lambaların Enerji Tasarrrufu Açısından İncelenmesi



Dünyadaki enerji kaynaklarının tükenir olması, insanları yeni enerji kaynakları bulmaya ve eldeki rezervlerini de tasarruflu kullanmaya zorlamaktadır. Elektrik enerjisinin en çok kullanıldığı alanlardan biri de aydınlatmadır. Okul, büro ve işyerlerinin aydınlatmasında flüorsan lambaların kullanılması, bu lambalarda nasıl enerji tasarrufu yapılabileceğini gündeme getirmiş ve bu konuda çalışmalar yapılmıştır. Bunun sonucunda endüktif balastın yerini elektronik balastlar almaya başlamıştır.







Bu çalışmada, flüorsan lambalarda elektronik balast kullanılması ile ne oranda enerji tasarrufu sağlanabileceği araştırılmıştır. Bu amaçla endüktif balastlı ve elektronik balastlı flüorsan lambaların tasarruf açısından karşılaştırması yapılmıştır.Yapılan araştırmalar endüktif balast yerine elektronik balast kullanılmasının, yaklaşık olarak yüzde 30 enerji tasarrufu sağlayabileceği göstermiştir.

Elektrik enerjisi tüketiminin hızlı bir biçimde artması ve bu artışa karşı elektrik enerjisi üretimindeki artışın yavaş olması, ülkemizde enerji sıkıntısını ortaya çıkarmıştır. Bunun sonucunda yeni enerji kaynakları aranmasının yanında elektrik enerjisinin daha verimli kullanılması gündeme gelmiştir. Aydınlatma tüketicilerinin artması sonucu, enerji tasarrufu sağlayan lambaların üretimi ve kullanımı yaygınlaşmaya başlamıştır. Ülkemizde büro, okul ve işyerlerinin aydınlatılmasında, çoğunlukla flüoresan lambalar kullanılmaktadır.

Flüoresan lambalar, civa buharlı deşarj lambaları olup, etkinlik faktörlerinin yüksek, işletme giderlerinin düşük, ömürlerinin uzun olması gibi özellikleri ile verimli ve kaliteli bir aydınlatma için vazgeçilmez ışık kaynağıdır. Flüoresan lambalarda endüktif balast kaybının fazla olması nedeniyle, bu balastın yerine elektronik balastların kullanımı hızla yaygınlaşmaya başlamıştır.
Balast, flüoresan lambaya gerilim uygulandığında ark olayı başlamadan önce tüpe uygulanması gereken gerilim değeri yüksek, çekilen akım ise düşüktür. Tüp ateşlendikten sonra tüpten geçen akım şiddeti büyür, iletkenlik de eş zamanlı büyüdüğünde tüpün uçları arasındaki gerilim azalır. Tüp negatif empedans karakteristiği göstermeye başlar. Bu yüzden flüoresan lambaların beslenmesinde akım sınırlayıcı eleman olan balastlara gerek duyulur. Genel olarak ideal bir flüoresan lamba balast, üç temel görevi yerine getirir. Bunlar; elektron yayılımını sağlamak için flamanları ısıtmak, deşarjı başlatmak için gerekli olan başlama gerilimini sağlamak ve çalışma anında çalışma akımını doğru değerinde sınırlamaktır.


Floresan Lambalar


Işınım elde etme biçimi ısıl ışıma olan flüoresan lambalarda, ışık üretimi iki aşamada ortaya çıkar. Birinci aşama, alçak basınçlı civa buharı ortamından, lambanın iç yüzeyine flüoresan madde sürülerek elektrik akımı geçirilmesi ile gerçekleştirilen “elektrik deşarj” olayı ile ışınım oluşturulmasıdır. Flüoresan lambaların verimi, temelde lamba gücü arttıkça artmaktadır. Ancak, aynı güçteki lambalar ele alındığında, verim değişimi doğrudan doğruya flüorışıl tozun yapısına bağlı olmaktadır.

Işık kaynaklarının enerji tasarruflu üretilmesi doğrultusunda yapılan çalışmalar sonucunda tüp şeklindeki flüoresan lambalarda da büyük gelişmeler gerçekleştirilmiştir. 38 mm çaplı 20W, 40W, 65W’lık lambalar yerine, 26mm çaplı sırasıyla 18W, 36W ve 58W’lık flüoresan lambalar kullanıma sunulmuştur. Lambaların çapları küçültülüp ışık akıları artırılmış, çok değişik renk sıcaklıklı ve renk ayırım özellikli lambalar üretilmeye başlanmıştır. Küçük çaplı lambalar daha ekonomiktir.








Kompakt Flüoresan Lambalar


Kompakt flüoresan lambalar konutlar ve ofisler için uygun olup, akkor lambaları kompakt flüoresan aydınlatmaya dönüştürmek kolaydır. Akkor lamba kullanılan hemen hemen her yerde kompakt flüoresan lambalar kullanılabilir. Örneğin 75W’lık akkor lamba yerine, 15W’lık bir kompakt flüoresan lamba kullanarak, aynı aydınlatma yüzde 80 daha az enerji tüketerek elde edilir.

Ülkemizde, bu lambalar, pahalı olması nedeniyle gelişmiş ülkelere oranla yaygınlaşamamıştır. Verimli lamba fiyatlarında oldukça fiyat farkı görülmektedir. Fakat toplam maliyetleri göz önüne aldığımızda, kompakt flüoresan lambaların kullanım ömrü süresince maliyetinin daha az olduğunu görülmektedir. İki faktör bunu doğrulamaktadır. Bunlardan birincisi kullanım ömrünün akkor lambaya göre 8 kat uzun olması; ikincisi ise, akkor lambanın yüzde 20’si kadar enerji kullanmalarıdır.


Endüktif Balast ve Starter


Balastlar, flüoresan tüpleri ve kompakt flüoresan lambalara ilk çalışma komutunu verir ve çalıştırırlar. Flüoresan lambalar civa ve argon gazı ile doludurlar. Balasttan güç alan lambanın ucundaki elektrotlar, gazı iyonize etmek için elektrik deşarjı meydana getirirler. Civa atomları normal enerji seviyesine geri dönerken, ültraviyole fotonlar yayarlar. Lambanın fosfor kaplaması fotonları, flüoresanları absorbe eder ve görünür ışık üretir.

Manyetik veya elektromanyetik olarak da adlandırılan endüktif balastlarda, bir demir cevheri etrafında alüminyum veya bakır tel vardır. Bakır tel balastlar, alüminyum olanlara göre yüzde 10 daha verimlidir. Manyetik balastlar, AC standart frekansta (50Hz) çalışırlar. Elektrik tüketicilerinin ekstra düşük kayıplı balastları kullanmaları tavsiye edilmektedir.

Endüktif balastla çalışan bir devreye 220V’luk şebeke gerilimi uygulandığı anda lamba yanmaya başlamaz. Tüpün tutuşma gerilimi 300V civarındadır. Bu yüzden lambanın çalışabilmesi için ek bir elemana ihtiyaç duyulur. Starter bu görevi yerine getiren otomatik bir anahtardır. İçi argon veya neon gazı ile doldurulmuş cam bir balon içinde iki elektrotu bulunan silindir şeklinde bimetal şeritten oluşmuştur. Starterin uçlarına şebeke gerilimi uygulandığı zaman birbirine yakın bulunan starter elektronları arasında ışıltılı bir deşarj başlar. Bu sırada deşarj akımı artar ve elektronlar ısınıp birbirine değerler. Starterin kısa devre olması ile birlikte devreden flüorsan lambanın flamanlarını kızgın hale getiren yüksek bir akım geçer. Starter elektronlarının kapanması ile birlikte ark kesilir ve starterin elektrotları soğumaya başlar. Soğuyan elektrotlar açılarak, ilk hallerine dönerler. Starter devresinin açılması ile birlikte balastta endüklenen gerilimden dolayı lamba tutuşur. Eğer lamba yanmaz ise lamba yanana kadar bu işlem tekrarlanır. Deşarj bir kez başladıktan sora sönmez ve balast lamba gerilimini ve akımını belli bir seviyede tutar. Lambanın çalışma akımı flamanlardan aktığı için, flamanlar devamlı olarak sıcak kalıp elektron yaymaya devam ederler. Lambanın çalışma gerilimi starterin çalışma geriliminden daha küçük olduğundan starter açık devre olarak kalır.


Elektronik Balast


Elektronik balastlar, lambanın titreme ve gürültüsünü azaltan endüktif balastlara göre daha yüksek frekansta çalışırlar. Elektronik balastlar, endüktif balastlardan yüzde 25 daha az elektrik kullanırlar. Bir çok elektronik balastın lambayı kısma olanağı sağlaması ile daha fazla enerji tasarrufu mümkündür. Daha verimli aydınlatma sistemleri, daha az ısı üretirler. Elektronik balastların, IEC 928 ve 929 uluslararası standartlar ile uyumlu ve yüksek güç faktörüne sahip olduğundan emin olunmalıdır.


Ekonomik olması nedeniyle yaygın olarak kullanılan flüorsan lambalarda endüktif balast yerine elektronik balast kullanımı sonucu enerji tasarrufu sağlanmaktadır. Lamba sayısının çok fazla olduğu yerlerde, bu tasarruf küçümsenemeyecek kadar büyük olmaktadır. Endüktif balastlara göre daha pahalı olan elektronik balastların aşağıda belirtilen üstünlükleri vardır.


• Lambanın ve tüm aydınlatma sisteminin etkinlik faktörünü artırır.
• Işık titreşimini ve stroboskobik olayları önler.
• Startersiz olması nedeniyle 150V’dan daha düşük gerilimlerde dahi lambanın ani ateşlenmesini sağlar.
• Güç faktörünü yükseltir ve kompanzasyona gerek yoktur.
• Işık akısının istenilen oranda azaltılıp çoğaltılmasına imkan tanır.
• Sıcaklık yükselmesi az olduğundan ısı kayıpları da azalır.
• Uğultu ve vızıltı gibi gürültüleri olmaz.
• Bir balastla iki lamba çalıştırılabilir.
• Doğru gerilimle beslenebilirler.


Yukarıda belirtilen üstünlüklerin yanında yüksek oranda harmonik üretmesi gibi sakıncaları da bulunmaktadır. Birçok deşarj lambasının çalıştırılmasında akım-gerilim karakteristiklerinde negatif değerlere rastlanır. Lambanın ateşlenmesi için 220V’dan daha büyük gerilimler gerekmektedir. Ateşleme gerilimi starter diye tanımlanan bobin üzerinden sağlanır.Yüksek sabit gerilime ulaştığı anda lamba ateşlenir. Balast ayrıca akım sınırlayıcı olarak görev yapar. Balastın endüktansı ile faz kayması oluşur.

Flüorsan lambalarda klasik balast (CB), endüktif düşük güçlü balast (LLB) ve elektronik balastların kullanılmasıyla güç kaybı karşılaştırılması Şekil 1’de yapılmaktadır. Elektronik balastların kullanılmasıyla alternatif akımda 25-40 Hz gibi yüksek frekanslarda 220V/50Hz şebeke geriliminde güç kaybının yüzde 3-5 değerlerinde olduğu gözlenmektedir. 58W gücündeki lamba yaklaşık olarak 50W gücündeki lambanın ışık akısını vermektedir.

Şekilden de görüldüğü gibi elektronik balastların kullanılmasıyla klasik balastlara nazaran yüzde 23 enerji tasarrufu sağlanmıştır. İşletim maliyetinin düşük oluşu, kuruluş maliyetini kısa sürede karşılayacaktır.

Elektronik balastlar, her şeyden önce uzun ömür ve güvenilir bir işletime göre düşünülmelidir. Bu elemanlar güvenli bir biçimde nominal değerlerin altında kullanılabilecek biçimde tasarlanmalıdır. Bu, geçici veya sürekli yüksek voltaj empülsiyonları gibi olağanüstü durumlarda da güvenle çalışmaları açısından geçerlidir. Elektronik balastlardaki bağlantılarda, lambanın anormal çalışma koşullarında bile yapı elemanlarına uygun olmayan yüklerin yüklenmesine izin verilmemelidir.

Bu çalışmada, elektronik balastların kullanılması gerekliliğini ortaya koyan ekonomik ve ekolojik sonuçların yanı sıra yüksek frekanslı ışığın insanların çalışmasına olumlu katkılar sağlayacağı da görülmektedir. Sürekli titreşimler, insanlar için bir yük olmaktadır. Bu özellikle ekran başındaki çalışmalarda daha da önem kazanmaktadır. Hızlı yorulma, konsantrasyon bozuklukları, metin çalışmalarında hatalar şeklinde sonuçlar meydana getirmektedir. Aydınlatma Mühendisi Prof. Dr. Christian Bartenbach’in bu konuda çalışmaları bulunmaktadır.

Geleneksel yöntemlerle çalışan lambalara karşın elektronik balastlı flüoresan lambalar titreşimsiz bir ışık vermektedirler. Diğer ışık kaynaklarına göre daha ekonomiktir.


Topraklama


Özellikle belirtilmediği sürece, HF balastlarının 1. sınıf aydınlatma armatürüne (topraklama noktası mevcut) monte edildiği ve armatürün metal bir parçasına elektriksel olarak iyice bağlandığı varsayılır.

Metal gövde içine yerleştirilmiş balastlarda bu özellik, balastı topraklanmış taban levhasına bağlayan sabitleme vidasıyla sağlanır. Armatürü kaplayan boya veya lake üzerinden bir topraklama sağlamak için dişli kilitlemeli pullar kullanılır. Balastı tutan sabitleyici vidaların çapı 4 mm olmalıdır. Plastik gövde içindeki balastlar konnektör aracılığıyla topraklanmalıdır


Ateşleme Yardımcısı


Ateşleme yardımcısına başlatma yardımcısı da denir. Uzunluğu en azından ampulün boyuna erişen, genişliği lambanın çapının en az 1.5 katı olan metal bir plakadır. Doğrudan toprağa veya balast üzerindeki toprak noktasına bağlanır.

1. sınıf (faz topraklanmış) metal aydınlatma armatürleri için genellikle ayrı bir ateşleme yardımcısı gerekmez, armatür kendisi bu işlevi yerine getirmektedir. 2. sınıf armatürlerinde ise (koruyucu topraklama artı aranmaksızın), ateşleme yardımcısı balastın toprak konnektörüne bağlanmalıdır.


Elemanların Bağlantıları


Optimum sistem performansı ve minimum radyo frekansı etkileşimi hedefleniyorsa aşağıda belirtilen noktalara dikkat edilmelidir.

• Faz ve kontrol kabloları, ampullerden uzak tutulmalıdır (minimum uzaklık 2 cm).
• Eğer tamamen ayırmak mümkün değilse, faz (ve kontrol) kabloları topraklanmış bir metal yüzey veya plaka ile perdelenmelidir.
• Faz ve kontrol kabloları mümkün olduğunca kısa olmalıdır.
• Kural olarak, kabloların uzunluğu ilgili balast tipinin tavsiye edilen bağlantı şemadaki değerlere uygun olmalıdır.
• Tüm bağlantıda halka oluşumu önlenmelidir.
• Tüm metal parçalar ve balast gövdesi arasında sağlam elektriksel temas sağlanmalıdır.


Konvensiyonel Sistemden Yüksek Frekanslı (HF) Sisteme Geçiş


HF elektronik balastları, konvensiyonel elektromanyetik sistemdeki çeşitli komponentlerin (radyo–etkileşim kondensatörü, starter ve elektromagnetik balast gibi) yerine tek bir ünite içerir. Konvensiyonel balast sisteminden elektronik balast sistemine geçerken veya bir elektronik balast diğeriyle değiştirilirken aşağıdaki maddelerin kontrollerinin yapılması tavsiye edilir.

• Kablolar ve ampul duyları optimum halde değillerse, yeni bir elektronik balast montajından önce tüm mevcut bağlantı değiştirilir. Ayrıca önceki elektromagnetik sistemin tüm gereksiz bileşenleri çıkarılmalıdır.

• Şekil 2’de verilen eleman bağlantıları takip edilmelidir.



Balastın Ömrü ve Ortam Sıcaklığı


Aydınlatma armatürlerinin içinde oluşan maksimum sıcaklık elektronik balastın ömrü bakımından önemlidir. Armatürün içinde, balast için çevre sıcaklığını ölçebilmenin tek doğru yolu balast üzerindeki test noktalarında gövde sıcaklığını ölçmektir. Ölçümler sıcaklık gösteren cihazlar veya termokulp yardımıyla yapılabilir.

Tüm HF elektronik balastlar için maksimum gövde sıcaklığı 750C’dir. Maksimum gövde sıcaklığı 650C olan bir balastın, standart ömrü 50 000 saattir (±yüzde 10 arızalanma ile). Gövde sıcaklığındaki her 100C’lik artış balastın ömrünü yarı yarıya azaltır.


Balast sıcaklığının düşürülmesi için aşağıdakiler yapılmalıdır:


• Balastı, ampul uçlarına çok yakın monte etmeyin.
• Uygun sıcaklık dağılımı sağlayın.
• Ampulden balasta sıcaklık yayılmasını önleyin.
• Armatürün uygun boyutlarda olmasını sağlayın.



Yüksek Frekanslı (HF) Aydınlatma Cihazlarının Montajı





Toprak Kaçağı Devre Kesicileri


HF elektronik balastların toprak kaçağı akımı normalde 0.5mA rms’den azdır. Ancak armatürün ilk çalışma anında toprak kaçağı akımı geçici olarak yüksek olabilir. Bu yüzden bir adet 30mA’lik toprak kaçağı devre kesicisi üzerine 30 adetten fazla balast bağlanması tavsiye edilmez.

Yol Alma Akımları


Bütün elektronik aletlerde olduğu gibi, elektronik balastlarda da devreye alındığında kısa süre yol alma akımı denen ani bir tepe akımı oluşur. Birkaç adet HF balastı, ana şalter (Otomatik Sigorta) üzerinden çalıştırıldığında, dolayısıyla eş zamanlı olarak devreye alındıklarında, kabul edilebilir maksimum yük hesaplamalarında yol alma akımları da göz önüne alınmalıdır.


Aşağıdaki noktalara dikkat edilmelidir:


• Elektronik balastların kullanıldığı aydınlatma tesisatlarında, C tipi otomatik sigortaların uygulanması tavsiye edilir.

• Yük ana hat akımının uygulanan otomatik sigortanın, kabul edilebilir nominal akım değerini aşmadığından emin olunuz. Esas olarak tesisat tasarımında maksimum yük değerinin, kabul edilebilir nominal otomatik sigorta yükünün yüzde 80’i olarak alınması tavsiye edilir.

• Eğer mevcut kurulum klasik kontrolden elektronik kontrole dönüştürülüyorsa, yeni durumda oluşan daha yüksek değerdeki eş zamanlı yol alma akımları, tasarlanan anahtarlama ve koruma değerlerinin gözden geçirilmesini gerekli kılar.


Elektromagnetik Uyumluluk


Elektromagnetik uyumluluk (EMC) bir cihazın veya sistemin içinde bulunduğu elektromagnetik ortamda sorunsuz olarak, pratikte istenmeyen etkileşimlere sebep olmadan çalışabilme özelliğidir.


RFI (Radyo Frekansı Etkileşimi)


Avrupa normu EN 55015’de ilan edilen radyo frekansı etkileşimi (RFI) düzenlemeleri, 9-30 kHz frekans aralığında geçerlidir. Ancak günümüzde komünikasyon cihazları gibi, daha yüksek frekanslarda çalışan elektronik ürünler piyasada yer almaktadır. Bu tür cihazlar için RFI hükümleri, 1000 MHz frekansa kadar geçerli olan daha katı bir norm, EN 55022’de ortaya konmuştur.


Nemlilik


HF elektronik balastların neme karşı özel bir koruması yoktur. Ancak doğrudan su sızması balasta zarar verecektir. Bu yüzden aşağıdaki birkaç güvenlik hususuna dikkat edilmelidir:

• Balastın üzerinde veya içinde yoğuşma olmaması sağlanmalıdır.
• Balastın montajının, yoğuşmayla veya bir başka yolla balast üzerine veya içine su akımına izin vermeyecek şekilde yapılması sağlanmalıdır.


Elektronik Balastlar ile Işık Şiddetini Ayarlama


Flüoresan lambaların kısılmasında HF-Regülatör gibi ışık ayarlayıcı HF elektronik balastlar kullanılır. HF-Regülatör balastları çeşitli düzenleyici sistemler tarafından 1-10 V DA giriş gerilimiyle kontrol edilirler. HF-Regülatör balastın +/- DA giriş üzerinden kısılma seviyesini düzenleyen bir potansiyometre kullanılmaktadır. Değişik fazlarla beslenen toplam 100 adete kadar HF-R kontrol edilebilir.


Sonuç


Evlerde aydınlatmada tasarruf için kompakt lambalar önerilebilir. Örneğin 75W’lık akkor flamanlı lambaya karşılık, 15W’lık bir toplu flüoresan lamba kullanarak yüzde 80 tasarruf sağlanabilir. Ofislerde en uygun aydınlatma flüoresan lambalarla yapılabilir. Ofislerde tüketilen toplam elektrik enerjisinin yüzde 50’sinden fazlası aydınlatmaya harcanmaktadır. 38 mm çaplı 20W, 40W ve 65W’lık lambalar yerine, 26 mm çaplı sırasıyla 18W, 36W ve 58W’lık flüoresan lambalar kullanıma sunulmuştur. Ofislerde elektronik balastlı 58 W’lık flüoresan lambaların kullanıldığı verimli armatürlerle birlikte otomatik kontrol sistemlerinin de kullanılması ile yüzde 75’lere varan enerji tasarrufu sağlanır. Endüstriyel aydınlatmada; yüksek basınçlı civa buharlı lamba yerine özel metal halide lamba kullanılırsa aynı aydınlık düzeyinde yaklaşık yüzde 30, yüksek basınçlı civa buharlı lamba yerine özel yüksek basınçlı sodyum buharlı lamba kullanılırsa aynı aydınlık düzeyinde yaklaşık yüzde 40 tasarruf sağlanır. Yol aydınlatmasında yüksek basınçlı civa buharlı lamba yerine özel yüksek basınçlı sodyum buharlı lamba kullanılırsa aynı aydınlık düzeyinde yaklaşık yüzde 50, yüksek basınçlı civa buharlı lamba yerine yüksek basınçlı sodyum buharlı lamba kullanılırsa aynı aydınlık düzeyinde yaklaşık yüzde 60 tasarruf sağlanır. Bahçe ve çevre aydınlatmasında ise yüksek basınçlı civa buharlı lamba yerine, alçak basınçlı sodyum buharlı lamba tercih edilirse, aynı aydınlık düzeyinde yaklaşık yüzde 70 enerji tasarrufu elde edilebilir.




Kaynaklar


[1]. ENERJİ TASARRUFU
[3]. AGİD - Aydınlatma Gereçleri İmalatcıları Derneği
[4]. Enerjinin Etkin ve Verimli Kullanılmasının Ana Hatları, TMMOB Birlik Haberleri Eki, Şubat 2005
[5]. Petrili Online 2001
[6]. Sanayi ve Ticaret Bakanlığı, Flüoresan Aydınlatma Balastlarının Enerji Verimliliği İle İlgili Yönetmelik, 15.01.2005

Hazırlayan : Ali Çelik


Not: Konu kısaltılımıştır.