belysning

Den tidligste form for kunstig belysning er bålet og ildstedet, der anslås at have været brugt siden for omkring 1 millioner år siden. Herefter kom olielamper, talg- og vokskærter. De ældste lamper af denne art er fundet i forbindelse med hulemalerier og kan være i nærheden af 50.000 år gamle. Disse havde som stearinlyset en lysstrøm på ca. 1-10 lumen (lm) per lyskilde og en effektivitet på ca. 0,1 lumen per Watt (lm/W).

Ved opfindelsen af lampeglasset i 1765 og lysestøbning i 1786 fik udviklingen et løft, idet man opnåede lyskilder, der var dobbelt så effektive, skønt de stadig ikke var anvendelige til arbejdsbelysning. Gaslys blev første gang taget i brug omkring 1800, og fra 1850 begyndte man i enkeltstående lamper at bruge petroleum i stedet for olie. Med disse lyskilder var effektiviteten steget til ca. 0,25 lm/W.

Den første elektriske lyskilde var kulbuelampen, der blev opfundet af den britiske kemiker Humphry Davy omkring 1810. Kulbuelampen var, i forhold til tidligere lyskilder, meget bedre med en effektivitet på ca. 5 lm/W. Første gang det elektriske lys blev præsenteret i Danmark, var i 1857, da kulbuelampen blev fremvist på Christiansborg Slots ridebane som et kuriosum. Kulbuelampen blev senere anvendt som arbejdslampe i forbindelse med bygge- og anlægsarbejder i København, men fik dog sin største udbredelse som lyskilde i fabrikshaller og som gadebelysning i de større danske købstæder i 1880'erne og 1890'erne. Elektrisk lys er generelt mere praktisk, da elektrisk energi er langt nemmere at transportere end fx gas eller petroleum, og da den fungerer uden brug af ilt og afgivelse af CO₂ ved forbrænding.

I 1885 introduceredes auerlyset, som var den første luminescensstråler med en effektivitet på ca. 2 lm/W. Auerlyset blev populært som gadebelysning og benyttedes helt op til vore dage på steder, hvor det var besværligt at installere elektrisk lys. I 1891 blev acetylengasbelysning, bedre kendt som karbidlamper, præsenteret. Disse lamper blev bl.a. brugt til bil- og cykellygter. Den efterfølgende udvikling er først og fremmest sket inden for den elektriske belysning.

Thomas Edisons første glødelampe, kultrådslampen, blev opfundet i 1879, og med en effektivitet på ca. 2 lm/W fik man den første lyskilde, der var praktisk anvendelig, og som gav lys nok til at arbejde ved. Edisons kultrådslampe udsendte et rødgult lys, men kultråden fordampede hurtigt og fortættedes på indersiden af den lufttomme glaskolbe. Derudover var kultrådslampen meget følsom over for rystelser.

For at forbedre produktet blev kultråden i 1910 erstattet af en tråd wolfram med højere smeltepunkt og lavere fordampning. Effektiviteten for wolframlampen var i begyndelsen ca. 9 lm/W. I 1913 fandt man på at fylde glaskolben med en inaktiv gas (kvælstof eller argon) for at begrænse fordampningen fra glødetråden og aflejringer på kolben. Samtidig blev der lavet spiralvikling af glødetråden, således at man fik en kort tråd med stor elektrisk modstand. Effektiviteten steg nu til ca. 11 lm/W, men den blev yderligere forbedret i 1934, hvor man fremstillede den første dobbeltspiralviklede glødetråd, hvilket er det princip, der anvendes den dag i dag. Effektiviteten for glødelampen er i dag kommet op på 20 lm/W for de store typer (2000 W) med en levetid på omkring 1000 timer.

Glødelampens opfindelse var startskuddet til den praktiske anvendelse af det elektriske lys, og omkring 1920 havde halvdelen af alle danske husstande elektrisk lys, heraf 80-90 % af alle husstande i byerne. Først i 1940 var endnu kun ca. 75 % af landejendommene blevet sluttet til nettet. Den største gevinst måtte dog tillægges industrien, fordi det her blev muligt at arbejde i treholdsskift. Glødelampens historie nærmer sig efter alt at dømme sit sidste kapitel.

I 2008 iværksatte Australien en plan for udfasning af den almindelige glødelampe, og i 2009 besluttede EU, at der skulle finde en total udfasning sted inden 2017. Udfasningen skyldes Kyotoprotokollen til begrænsning af CO₂-udslip, hvor glødelampens ringe effektivitet og som følge deraf store energiforbrug er et oplagt sted at spare. LED-pæren er i øjeblikket den bedste erstatning af glødelampen, og kan give en energibesparelse på op til ca. 90%.

De første gasudladningsrør blev opfundet i slutningen af 1800-tallet. Rørene, som var fyldt med ædelgas og udsendte lys i klare farver, fik fællesbetegnelsen neonrør. Lysudbyttet var imidlertid ringe, og lyskilden kom derfor mest til sin ret i form af neonreklamer.

Udladningsrør med metaldamp, almindeligvis kviksølv eller natrium, giver derimod et væsentlig større lysudbytte. Kviksølv udsender størstedelen af sin stråling i den ultraviolette del af spektret og kun lidt lys i den synlige del. Derfor lægges der et eller flere lag lyspulver på indersiden af lysstofrør. Dette lysstof, der giver lysstofrøret sit navn, omdanner den ultraviolette stråling til synligt lys. Ved forskellig sammensætning af pulveret kan man få lysstofrør med forskelligt farvet lys til forskellige formål. I den almindelige belysning har lysstofrør været i brug siden sidst i 1930'erne. Lysstofrør har en effektivitet på 75-90 lm/W og en levetid på ca. 18.000 timer, hvilket er væsentlig bedre og længere end glødelampen, som dog er billigere i indkøb. Samtidig er lysstofrøret den mest fornuftige lyskilde til langt de fleste belysningsopgaver.

Kompaktlysstofrør (energisparepærer), der først blev lanceret som en konkurrent til glødelampen, har nøjagtig de samme fordele og ulemper som det almindelige lysstofrør, blot en anden udformning, som gør det muligt at anvende det i langt flere armaturtyper. Med høj effektivitet og lang levetid er kompaktlysstofrøret blevet stadig mere udbredt, men det kommer aldrig til at erstatte glødelampen helt, da mange kan lide hyggen og miljøet omkring glødelampens rødgule skær, ikke mindst i hjemmets belysning.

Frem mod år 2000 skete der store fremskridt inden for de kompakte metalhalogenlamper. Ved at øge trykket i brænderrøret og reducere dimensionerne fås en lyskilde med et meget højt lysudbytte udgående fra et lille punkt, hvilket giver mulighed for at styre lyset optimalt. Især bilindustrien har taget de små udgaver af metalhalogenlamperne til sig som lyskilder i forlygterne.

Med sit indhold af det giftige tungmetal kviksølv udgør brug af lysstofrør en miljømæssig risiko, men EU-regler har haft undtagelser til det generelle forbud mod kviksølv, der tillod det i belysning. Med introduktionen af LED-belysning blev det muligt at erstatte lysstofrør og kompakte lysstofrør med LED-belysning. Omkring 2021 blev undtagelserne fjernet så kviksølvholdige belysningsprodukter nu er forbudt i EU. Det må forventes, at lysstofrør i fremtiden kun vil blive brugt i meget begrænset grad.

Lysdioder eller LED'er er en nyere type lyskilde, der egentlig er en halvlederkomponent, som udsender lys fra halvlederovergangen. De røde, gule og grønne lysdioder har været kendt siden 1970'erne. I 1994 udviklede den japansk-amerikanske elektroingeniør Shuji Nakamura den blå lysdiode, der med en coatning af fosforescerende stof kunne give hvidt lys. Der var med denne lysdiode skabt grundlag for en lyskilde, som kunne afløse glødelampen. Nakamura modtog i 2014 Nobelprisen i fysik for sin opdagelse. Fra opdagelsen og frem mod 2015 øgede man effektiviteten for lysdioder ekspotentielt til op omkring 100 lm/W, dvs. lidt over effektiviteten for et lysstofrør. Denne effektivitet gjorde LED produkter meget konkurrencedygtige til de fleste belysningsformål.

LED'en er meget holdbar, hvis den ikke presses ud over sin kapacitet for strøm og varme. Dette er medvirkende til, at en LED kan lyse i op mod 100.000 timer uden at gå væsentligt ned i lysstrøm. Lysdioden kræver god varmeafledning og er den eneste lyskilde, der lyser kraftigere, des koldere omgivelserne er. Det gør lysdioderne særdeles oplagte til brug udendørs og i køle- og fryserum.

Effektiviteten for LED’er til belysningsformål er omkring 100-150 lm/W, men under laboratorieforhold er der udviklet LED’er med den dobbelte effektivitet. I en LED-pære har soklen et indbygget kredsløb, der omdanner vekselspændingen fra elnettets 230 volt til en jævnspænding på omkring 3,6 volt. Hovedparten af LED’ens effektforbrug omdannes i dag til lys, mens resten omdannes til varme i selve LED'en. Med forskellige belægninger på dioderne er det muligt at skabe et lys med en farvetemperatur på fra 6500 kelvin (kan minde om sollys) til 2500 kelvin, hvilket er det samme som hos glødelamperne. LED'en er med sit lave effektforbrug blevet en væsentlig faktor i nedsættelsen af den globale udledning af CO₂.

En anden og nyere type lysdiode er Organic Light Emmitting Diode, OLED. Den væsentlige forskel fra den almindelige lysdiode er, at OLED er et halvledende polymermateriale, der typisk udgør en større lysende flade, i modsætning til det meget mindre lysende område i lysdioden. OLEDs bruges fx som bagbelysning i displayteknologi. Den første egentlige OLED blev lanceret i 1987, men teknologien har haft svært ved at vinde indpas til almindelig belysning. Nu arbejdes der over hele verden på universiteter og i industrien på at gøre teknologien konkurrencedygtig inden for belysning.

Inden for belysningsteknikken benyttes fire begreber; lysstyrke, lysstrøm, belysningsstyrke og luminans. Den førstnævnte er en grundenhed i SI-enhedssystemet; de tre andre er afledede SI-enheder.

• Lysstyrke måles i candela (cd) og er et udtryk for lyskildens intensitet i en bestemt retning, således som øjet opfatter den. Et stearinlys har i vandret retning nogenlunde lysstyrken 1 cd. Lysstyrken kan beskrives ved en lysfordelingskurve, der viser, hvordan lyset fra en lyskilde (fx et armatur) fordeler sig ud i alle retninger i rummet.

• Lysstrøm måles i lumen (lm) og er et mål for den samlede mængde lys, en lyskilde udsender. En lyskilde med lysstyrken 1 cd i alle retninger udsender en lysstrøm på 4π lm.

• Belysningsstyrke måles i lux (lx) som antallet af lumen pr. m². Belysningsstyrke er altså et udtryk for, hvor meget lys der rammer en given overfladeandel, hvilket er et vigtigt begreb inden for belysningsteknikken. Belysningsstyrke er altid tilknyttet en flade eller et punkt.

• Luminans måles i candela pr. m² (cd/m²) og beskriver "lysheden", dvs. hvor meget synlig lys der udsendes fra en belyst flade i en given retning pr. fladeelement. Luminansen afhænger af fladens egenskaber, lysets styrke og iagttagerens placering. Luminansbegrebet benyttes i forbindelse med enhver lysende flade, altså også for lyskilder og dele af belysningsarmaturer.

Elektriske lyskilders effektivitet vurderes ud fra en betragtning af den udsendte lysmængde i forhold til den tilførte energi; enhed for effektivitet bliver derfor lumen/watt (lm/W). Hvis en tænkt lysgiver afgiver al sin tilførte energi som lys ved en bølgelængde på 555 nm (rent grønt lys), hvor øjet er mest følsomt, viser den sig at have en effektivitet på 680 lm/W. Hvis en tilsvarende lysgiver udsendte al sin tilførte energi som lys ved 490 nm eller 630 nm, ville den kun have en effektivitet, der var en fjerdedel så stor. Her er tale om effektiviteten af lyset i sig selv, uden at tab af energi ved dannelse af lyset regnes med. Sollyset har som sådan en effektivitet på ca. 90 lm/W, mens elektriske lyskilder som glødelamper typisk har værdier på 12-15 lm/W, lysstofrør på 75-90 lm/W og LED-pærer omkring 100 lm/W.

I dagligdagen er man ikke så meget interesseret i, hvor meget lys de forskellige lyskilder udsender, men derimod mere i, hvor meget lys der rammer den genstand, som skal belyses. Fx vil belysningsstyrken fra en almindelig 5 W LED-lampe være ca. 60 lx i 1 m afstand. Konstrueres en reflektor til lyskilden fx i form af en bordlampe, vil der let kunne opnås 200 lx under lampen i 1 m afstand. Flyttes bordlampen lidt tættere på, fx til 70 cm afstand, vil belysningsstyrken stige til ca. 400 lx. Til sammenligning giver direkte sollys en sommerdag omkring 100.000 lx og fuldmånen ca. 0,1 lx.

Lyset bør altså, bl.a. ved brug af reflektorer, flyttes derhen, hvor det skal bruges. Ulempen ved kraftigt styrede armaturer er, at det giver store spring i belysningen. Det er typisk for små armaturer, at de giver store variationer i belysningen, hvorimod armaturer med stor udstrækning giver en mere jævn belysning. Afstanden til de armaturer, der benyttes, og de omgivelser, i hvilke belysningsanlægget anvendes, har stor indflydelse på belysningsanlæggets udformning. Det er derfor ikke muligt at give nogen retningslinjer for, hvilke armaturtyper eller lyskilder der skal benyttes under hvilke forhold. Der må i hvert enkelt tilfælde udføres beregninger, som tager højde for alle de ovennævnte forhold.

De første armaturer blev udviklet i forbindelse med Edisons opfindelse af kultrådslampen. Et belysningsarmatur tjener flere formål: At beskytte lyskilden imod udefra kommende påvirkninger, at afskærme lyskilden samt at fastholde en eventuel reflektor, som styrer lyset derhen, hvor det skal bruges. Armaturet huser fatningen og det øvrige elektriske forkoblingsudstyr. I almindelighed inddeles armaturer i seks hovedgrupper (se også illustrationerne til denne artikel).

1. Direkte nedadlysende; armaturer, der sender alt lys ned mod den flade, der skal belyses.
2. Fortrinsvis nedadlysende; armaturer, der sender omkring 80% af lyset ned mod den flade, der skal belyses.
3. Ensartet lysende; armaturer af rispapirslampe-typen, der udsender lige meget lys i alle retninger.
4. Op- og nedadlysende; armaturer, der ofte benyttes med to tændinger, således at brugeren kan variere belysningen efter opgaven.
5. Fortrinsvis opadlysende; armaturer, der benyttes i forbindelse med belysning af it- arbejdspladser for at begrænse generende reflekser i computerskærme.
6. Direkte opadlysende; armaturer, der benyttes på steder, hvor man ønsker fuldstændig jævn belysning uden reflekser.