Wykad 2

(1)

Techniki świetlne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak, prof. uczelni Katedra Optyki i Fotoniki

Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechniki Wrocławskiej

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/

https://eportal.pwr.edu.pl/course/view.php?id=8328 Miejsce konsultacji: pokój 27 bud. A-1

Wykład 2

Podstawy wytwarzania światła

Charakterystyki źródeł światła

(2)

Wytwarzanie światła

Światło – promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu długości fal



między 380 a 780 nm = energia:

Jak wywołać to promieniowanie?





h

c

h

E





Temperatura, wyładowanie elektryczne, rekombinacja nośników,

przemiany chemiczne.

NA PRZYKŁAD: Doprowadzenie energii do atomu pierwiastka ->

wzbudzenie elektronu -> elektron wraca do stanu podstawowego i emituje

promieniowanie EM

(3)

(4)

Żarówki konwencjonalne

Żarówka jako źródło światła znana jest od

połowy XIX w. (1879 T. A. Edison

skonstruował żarówkę, która świeciła bez

przerwy 40 godzin).

1 – szklana bańka, 2 – gaz obojętny, 3 – żarnik wolframowy, 4,5 – druty kontaktowe, 6 – podpórka, 7 – słupek, 8 – gwint kontaktowy, 9 – trzonek gwintowany, 10 – krążek izolacji cieplnej, 11 – stopa kontaktu elektrycznego - podpórka

(5)

Żarówki konwencjonalne

Parametry świetlne żarówki są zawsze kompromisem między ich

trwałością i skutecznością świetlną:

Większa skuteczność świetlna => większa temperatura => zwiększone

parowanie wolframu => obniżenie trwałości

W praktyce trwałość typowej żarówki wolframowej to około 1000 godzin.

Moc [W] Temperatura barwowa [K] Strumień świetlny [lm] Skuteczność świetlna [lm/W] 40 Od 2700 430 10,8 60 730 12,2 100 1380 13,8 200 3150 15,7 300 5000 16,7 500 Do 2800 8400 16,8

(6)

Żarówki konwencjonalne

W rozwiązaniach żarówek specjalnych rezygnuje się w trwałości na rzecz

podwyższonej skuteczności świetlnej.

Żarówki stosowane w projektorach kinowych osiągają skuteczność

świetlną 27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości 10 godzin!).

Uważa się, że granicą skuteczności świetlnej żarówek wolframowych jest

około 40 lm/W.

Temperaturowy charakter emisji światła z żarówki jest powodem, że

tylko ok 2



5% energii dostarczonej do żarówki jest zamieniana na światło

– większość głównie na ciepło!

(7)

Żarówki konwencjonalne

Zalety żarówek „konwencjonalnych”:

- prosta budowa;

- tania produkcja;

- łatwa obsługa; - małe gabaryty;

- brak tętnienia światła;

- naturalna barwa światła;

- bardzo dobre oddawanie barw oświetlanych obiektów;

(8)

Żarówki konwencjonalne

Żarówki są bardzo wrażliwe na zmiany wartości napięcia!

8 , 3 0 0         U U 14 0 0         U U t t 5 , 0 0 0        U U I I 5 , 0 0 0       U U R R 5 , 1 0 0       U U P P



₀

, t

₀

, I

₀

, R

₀

, P

₀

, to odpowiednio strumień świetlny, trwałość, prąd żarówki,

opór i moc przy napięciu odniesieniowym U

₀

;

(9)

Żarówki halogenowe

Żarówki halogenowe to wynalazek dużo późniejszy (lata 60te XX wieku).

Ich zaleta jest około 50% większa skuteczność świetlna i jednocześnie

powiększona około 2-krotnie trwałość.*

Jest to również temperaturowe źródło światła z grupy żarówek gazowanych, w którym dzięki wprowadzeniu do wnętrza bańki śladowych ilości pierwiastków z grupy fluorowców (brom, jod) inicjowany jest tzw. regeneracyjny cykl halogenowy.

(10)

Żarówki halogenowe

Lampa halogenowa analogiczne do żarówki posiada żarnik, który świeci, kiedy przez niego płynie prąd elektryczny. Podczas świecenia żarnik traci część atomów wolframu – odrywają się one od niego powodując, że robi się on coraz cieńszy. Oderwane atomy wolframu zatrzymują się na wewnętrznej ściance szklanej bańki powodując, że ciemnieje. Z tego powodu bańka żarówki nie może być zbyt mała, inaczej stawałaby się ciemna zbyt szybko. Lampa halogenowa wypełniona jest gazem z halogenkami, które wychwytują atomy wolframu i transportują je z powrotem na żarnik. W związku z tym lampa halogenowa może świecić dłużej. Bańka może też być bardzo mała, bo nie ciemnieje.

(11)

Żarówki halogenowe

Warunkiem nieprzerwanego cyklu halogenowego jest wysoka temperatura

bańki (250

◦

_{C) co wymusza zmniejszenie jej rozmiarów i konieczność}

stosowania szkła kwarcowego.

Cykl halogenowy wydłuża trwałość żarówki halogenowej (2000h) a ponadto

zwiększa jej skuteczność świetlną, która osiąga nawet 28 lm/W.

Wadą żarówek halogenowych jest

przepuszczanie

promieniowania

ultrafioletowego

przez

szkło

kwarcowe.

(12)

Żarówki halogenowe

Żarówki halogenowe pracują przy niskich napięciach (12V, 24V) gdyż wymagania elektryczne związane z napięciem sieciowym, dotyczące minimalnych wymiarów żarówki i żarnika stoją w pewnej sprzeczności z koniecznością zachowania małych wymiarów banki w celu zainicjowania i podtrzymania cyklu regeneracyjnego.

Moc [W] Napięcie [V] Strumień świetlny [lm] Skuteczność świetlna [lm/W]

10 12 140 14 20 12 350 17,5 35 12 650 18,5 50 12 950 19 50 24 850 17 75 12 1350 18 100 12 2300 23 100 24 2200 22

(13)

Świetlówki

Świetlówki – fluorescencyjne źródła światła – weszły do użycia w 1935 roku (M. Pirani, A Rüttenauer).

Świetlówka jest fluorescencyjnym źródłem światła – wyładowanie elektryczne i jego skutki w postaci emisji promieniowania UV są czynnikami pobudzającymi fluorescencję. Promieniowanie widzialne jest następstwem naświetlenia warstwy fluoryzującej – luminoforu, pokrywającej od wewnątrz szklana rurę wyładowczą.

Luminofor, najczęściej w postaci proszków halofosforanowych, spełnia więc w świetlówce funkcje transformatora optycznego, przekształcającego promieniowanie ultrafioletowe na widzialne.

(14)

Świetlówki

Świetlówka czyli lampa fluorescencyjna (LF) jest wyładowczą, niskoprężną

(wewnątrz panuje ciśnienie od 0,1 do 1 kPa) lampą rtęciową. Zbudowana jest w postaci szklanej rurki, prostej lub zgiętej, zakończonej trzonkami. W obu jej końcach wbudowane są elektrody, wykonane najczęściej z wolframowych skrętek, powleczonych substancją emitującą po ogrzaniu elektrony. Wnętrze rurki jest powleczone cienką warstwą luminoforu, którego skład chemiczny decyduje o barwie światła emitowanego przez świetlówkę. Podczas produkcji świetlówki do jej wnętrza zostaje wprowadzona kropla rtęci, a po wypompowaniu powietrza jest wypełniana argonem.

(15)

Świetlówki

Świetlówki – zasada działania:

1) Elektroda pokryta jest materiałem, ułatwiającym emisję elektronów (emiterem); 2) Elektrody musza być wstępnie podgrzane;

3) Napięcie na elektrodach w chwili zapłonu musi być dostatecznie duże, aby nastąpiło przebicie elektryczne (czyli przeskok między elektrodami);

4) We wnętrzu świetlówki musi znajdować się gaz zapłonowy (argon, neon) o niskim napięciu zapłonu, który umożliwia zainicjowanie wyładowania;

5) Wyładowanie przejmowane jest przez pary rtęci – na wskutek zderzeń z elektronami, atomy rtęci przechodzą w stan wzbudzony;

6) Elektrony we wzbudzonych atomach wracają do stanu podstawowego, emitując energie w postaci kwantu promieniowania – dla par rtęci są to fale o długości 185 i 254 nm (ultrafiolet);

7) Promieniowanie UV pada na luminofor; 8) A jak działa luminofor? –

(16)

Świetlówki

Sposób działania świetlówki wymusza odpowiednią konfigurację układu zasilającego. Na rysunku przedstawiona jest budowa najczęściej stosowanego zapłonnika lampowego, ale można także spotkać zapłonniki elektroniczne. Zasadniczą częścią zapłonnika lampowego jest mała neonówka tląca o jednej elektrodzie sztywnej i drugiej bimetalowej, odginającej się pod wpływem ciepła i zwierające z elektrodą sztywną.

W początkowej fazie, gdy układ świetlówki jest wyłączony, styki zapłonnika są rozwarte. Po włączeniu zasilania wystąpi na elektrodach lampki zapłonnika całkowite napięcie sieci, co spowoduje jej świecenie. Świecenie neonówki powstaje wskutek wyładowań elektrycznych, których efektem ubocznym jest nagrzewanie się elektrod lampki. Elektroda bimetalowa zapłonnika wraz z nagrzewaniem rozgina się i zwiera z elektrodą stałą.

(17)

Świetlówki

Wywołana tym zjawiskiem fala przepięciowa (ok. 700 V) powoduje przeskok łuku pomiędzy elektrodami świetlówki i jej zaświecenie. Zjawisko to powtarza się aż do trwałego zaświecenia świetlówki. W stanie trwałego zaświecenie prąd przepływa w obwodzie sieć-dławik-świetlówka (od jednej do drugiej elektrody)-sieć. Gdy świetlówka zacznie już świecić dławik obniża napięcie świetlówki, zwykle do 110-120 V i na takim napięciu świetlówka działa do wyłączenia. Czas zapłonu wynosi od 1 do kilku sekund. Lampka zapłonnika jest tak skonstruowana, że napięcie, jakie wystąpi na niej, po zapłonie, nie powoduje jej ponownego zaświecenia. Emitowane przez podgrzaną katodę elektrony przemieszczając się, w argonie, wewnątrz świetlówki napotykają na swej drodze atomy rtęci i zderzając się z nimi wytrącają z orbity atomów wolne elektrony. Pobudzone atomy rtęci są źródłem silnego promieniowania o długości ok. 250 nanometrów, czyli ultrafioletowego. Promieniowanie to, padając na luminofor, jest „zamieniane” na promieniowanie o długości fali od 400 do 700 nm, czyli światło widzialne. Luminofor pełni więc, jakby funkcję transformatora długości fal

W momencie zwarcia elektrod zapłonnika w obwodzie sieć-dławik-elektroda wolframowa-zwarta lampka zapłonnika-druga elektroda-sieć popłynie prąd o wartości ok. 1,5 razy większej od prąd roboczego. Pod wpływem przepływu prądu rozgrzewają się elektrody świetlówki, które zaczynają emitować elektrony. W okolicy elektrod można zaobserwować lekkie świecenie. W tym czasie zwarte elektrody lampki zapłonnika stopniowo stygną i po krótkiej chwili elektroda bimetalowa powraca do swojego poprzedniego kształtu co powoduje rozłączenie styków i nagłe przerwanie obwodu. Nagły spadek wartości prądu spowoduje, że na dławiku powstanie znaczna siła elektromotoryczna e = -L(di/dt).

(18)

Świetlówki

BLA, BLA, BLA…

Najważniejsze:

1) Bardzo wysokie napięcie (nawet 1500 V) w momencie zapłonu; 2) Napięcie ustalone pracy na lampie około 120130 V;

3) Zasilanie napięciem przemiennym powoduje „migotanie” świetlówki (zapalanie się i gaśnięcie około 100 razy na sekundę);

Nowoczesne układy stabilizacyjno-zapłonowe (elektroniczne) eliminują

te wady: zapłon jest pewny, powtarzalny, praktycznie bez migotania;

lampa zasilana jest napięciem o wysokiej częstotliwości 25



40 kHz,

która poza minimalizacją tętnienia strumienia świetlnego poprawia nawet

o około 30% skuteczność świetlną lampy (do 105 lm/W).

(19)

Świetlówki

ZALETY ŚWIETLÓWEK

:

- wytwarzają znacznie mniej ciepła, co samo w sobie jest zaletą; poza tym też

sprawia, że lampa ta jest znacznie bardziej energooszczędna,

- wyższa skuteczność świetlna (do 105 lm/W),

- dłuższy czas pracy (od ok. 8000 h do nawet 20000 h przy użyciu

stateczników elektronicznych i świetlówek najnowszej generacji),

- mniejsza zależność strumienia świetlnego od napięcia zasilającego,

- można wytwarzać świetlówki o różnych temperaturach barwowych,

- przy użyciu świetlówek liniowych łatwiej jest uzyskać oświetlenie

bezcieniowe, niż za pomocą żarówek.

(20)

Świetlówki

WADY ŚWIETLÓWEK

:

- wymagają skomplikowanych opraw z dodatkowym wyposażeniem (statecznik i zapłonnik),

- gorsza jakość światła (nieciągłe widmo), szczególnie w wykonaniu z luminoforami halofosforanowymi i trójpasmowymi,

- wydajność świetlna lampy zależna jest od temperatury otoczenia,

- większy niż u żarówek spadek żywotności przy dużej częstości włączeń/wyłączeń, - w typowych rozwiązaniach brak możliwości regulacji strumienia świetlnego za pomocą regulatorów napięcia (tak zwanych „ściemniaczy”),

- tętnienie strumienia świetlnego powodujące efekt stroboskopowy – powoduje szybsze zmęczenie oczu w porównaniu do tradycyjnych żarówek,

- emisja szkodliwego dla oczu promieniowania ultrafioletowego, powodującego degradację siatkówki i matowienia istoty właściwej rogówki,

- utrudniony zapłon przy obniżonym napięciu oraz w niskiej temperaturze,

- zawierają rtęć, która jest silną trucizną – mogą być niebezpieczne po stłuczeniu,

- wyższy koszt zakupu, konieczność poniesienia kosztów utylizacji zużytych świetlówek.

(21)

Świetlówki

Świetlówki kompaktowe (kompaktowe lampy fluorescencyjne) (CFL ang. Compact

fluorescent lamp), znane też w handlu jako świetlówki energooszczędne – jest to rodzaj lampy fluorescencyjnej (świetlówki) o kształcie zapewniającym małe wymiary gabarytowe. Świetlówki takie mają najczęściej kształt litery "U" lub spirali. Świetlówki kompaktowe możemy podzielić na świetlówki ze zintegrowanym układem zapłonowym oraz na świetlówki wymagające opraw z takim układem.

(22)

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Wzrost ciśnienia ośrodka gazowego (np. par rtęci, sodu, ale też gazów takich jak

argon, neon, ksenon) w lampach wyładowczych zmienia warunki generowania światła. Ciśnienie w trakcie wyładowania na poziomie 101000 kPa i temperatura bańki wynosząca kilkaset stopni powoduje pobudzanie nowych poziomów energetycznych

atomów.

W lampach wysokoprężnych linie rezonansowe (np. wspomniane 185 i 254 nm dla rtęci) są stosunkowo słabe, pojawia się natomiast promieniowanie widzialne, wynikające z energii wzbudzenia wyższych poziomów energetycznych.

(23)

Lampy wyładowcze wysokoprężne

W zależności od napełnienia lampy czynnikiem wyładowczym, lampy te dzielimy na kilka kategorii: - rtęciowe; - sodowe; - metalohalogenkowe;* - neonowe; - ksenonowe.

Halogenki – związki chemiczne pierwiastków 17 grupy

(24)

(25)

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Podstawowym elementem lampy wysokoprężnej jest jarznik wykonany ze

szkła kwarcowego i tlenku glinu. We wnętrzu jarznika następuje wyładowanie

– jego zewnętrzna powierzchnia stanowi bryłę świecąca o ekstremalnie

wysokiej luminancji (do 10

8

_cd/m

2

_{), co wykorzystywane jest przy budowie}

reflektorów o dużej światłości. Może to być powodem olśnień – w przypadku,

gdy jest to przeszkodą, lampy takie posiadają zewnętrzną bańkę, pokrytą

luminoforem, pełniącym głównie role rozpraszacza.

(26)

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Wysokoprężne lampy rtęciowe – najstarsze lampy wyładowcze. Ich światło ma niezbyt bogate widmo, poszczególne barwy nie są jednakowo reprezentowane, skuteczność świetlna jest niezbyt wielka.

(27)

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Wysokoprężne lampy sodowe – przez długi czas nie mogły znaleźć realizacji ze względu na kłopoty z wyprodukowaniem jarznika, który wytrzymałby agresywne działanie chemiczne par sodu. Badania kosmiczne pomogły w znalezieniu odpowiedniego materiału – ceramicznego, polikrystalicznego tlenku glinu.

Lampy te nie mają elektrody zapłonowej, do zapłonu potrzebny jest impuls wysokonapięciowy (kV)

(28)

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Wysokoprężne lampy metalohalogenkowe – ich działanie opiera się na wyładowaniu w parach rtęci, jednak dodatki wzbogacające widmo (halogenki metali: jodek sodu, indu talu, skandu, dysprozu) czynią z tych lamp bardziej rozwinięte źródło światła.

Lampy te charakteryzują się wysoką skutecznością świetlną (65–115 lm/W), długą żywotnością (od 7500 do 20 000 godzin) oraz idealnym oddawaniem barw otoczenia – wskaźnik CRI około 98 (przy czym można uzyskać temperaturę barwową od 3000 K do 20 000 K, w zależności od zastosowanej mieszaniny).

(29)

lampy bańki [W] świetlny [lm] świetlna [lm/W] [cd/m2_] _[h] Rtęciowe HME luminofor 50 2 000 40 50 000 20 000 80 4 000 50 60 000 250 14 000 56 110 000 400 24 000 60 120 000 Sodowe HST, HSE przezro-czysta 70 5 900 84 2 500 000 25 000 150 14 500 97 3 000 000 250 27 000 108 5 000 000 400 48 000 120 6 000 000 luminofor 50 3 500 70 40 000 70 5 600 80 70 000 150 14 000 93 110 000 250 25 000 100 230 000

(30)

Typ lampy Pokrycie bańki Moc [W] Strumień świetlny [lm] Skuteczność świetlna [lm/W] Luminancja [cd/m2_] Trwałość [h] Metalo-halogenko we HIT, HIE przezro-czysta 35 3 300 94 48 000 000 12 000 70 6 600 94 63 000 000 12 000 150 14 000 93 93 000 000 12 000 250 22 000 88 120 000 000 12 000 luminofor 70 5 600 80 210 000 12 000 100 8 600 86 300 000 12 000 150 12 500 83 bd 12 000 250 20 000 80 150 000 12 000

(31)

Diody elektroluminescencyjne LED

Osiągnięcie przełomu XX i XXI wieku – źródła światła oparte na półprzewodnikach, zwane LED (ang. Light Emitting Diodes).

Zjawisko elektroluminescencji odkryte zostało na początku XX wieku, ale do produkcji seryjnej diody LED weszły w latach 60-tych XX wieku (Nick Holonyak jr.).

Działanie diody elektroluminescencyjnej (LED) opiera się na zjawisku rekombinacji nośników ładunku (rekombinacja promienista). Zjawisko to zachodzi w półprzewodnikach wówczas, gdy elektrony przechodząc z wyższego poziomu energetycznego na niższy zachowują swój pseudopęd. Jest to tzw. przejście proste. Podczas tego przejścia energia elektronu zostaje zamieniona na kwant promieniowania elektromagnetycznego. Przejścia tego rodzaju dominują w półprzewodnikach z prostym układem pasmowym, w którym minimum pasma przewodnictwa i wierzchołkowi pasma walencyjnego odpowiada ta sama wartość pędu.

(32)

Diody elektroluminescencyjne LED

Luminescencja jest zjawiskiem fizycznym polegającym na emitowaniu przez materię promieniowania elektromagnetycznego pod wpływem czynnika pobudzającego, które dla pewnych długości fali przewyższa emitowane przez tę materię promieniowanie temperaturowe. W diodzie elektroluminescencyjnej (LED) mamy do czynienia z tzw. elektroluminescencją, przy wytworzeniu której źródłem energii pobudzającej jest prąd elektryczny dostarczony z zewnątrz, czasami pole elektryczne.

Najefektywniejsza elektroluminescencja w półprzewodniku powstaje w wyniku rekombinacji swobodnych nośników ładunku w złączu p-n, gdy jest ono spolaryzowane w kierunku przewodzenia. Intensywność świecenia zależy od wartości doprowadzonego prądu, przy czym zależność ta jest liniowa w dużym zakresie zmian prądu. Zjawiska przeszkadzające elektroluminescencji to pochłanianie wewnętrzne i całkowite odbicie wewnętrzne.

(33)

Diody elektroluminescencyjne LED

Poprzez odpowiedni dobór materiału półprzewodnikowego (szerokość przerwy energetycznej!) można wpływać na barwę emitowanego promieniowania, które zasadniczo powinno być monochromatyczne. Jednak rzeczywiste warunki rekombinacji sprawiają, że zauważana jest niewielka szerokość widma (1030 nm) o charakterystycznym rozkładzie podobnym do krzywej Gaussa.

(34)

Diody elektroluminescencyjne LED

Diody LED są więc w zasadzie monochromatyczne – nadają się do różnego rodzaju sygnalizacji, ale raczej nie do oświetlania wnętrz…

Można jednak generować światło białe – na dwa sposoby. Jednym jest mieszanie barwnych świateł z trzech składowych; drugim przekształcenie światła diody niebieskiej za pomocą luminoforu.

(35)

Diody elektroluminescencyjne LED

(36)

(37)

Diody elektroluminescencyjne LED

Cytat z: W. Żagan, Podstawy techniki świetlnej, Warszawa 2005:

Diody elektroluminescencyjne są niskowatowymi źródłami światła. W chwili obecnej produkuj się diody o maksymalnej mocy 0,51,0 W, a dioda o mocy 2 W pojawiła się dopiero w roku 2004. Tak więc, nawet gdyby założyć skuteczność świetlną diody na deklarowanym poziomie 50 lm/W i wzrost mocy jednostkowej diody, to można oczekiwać, że strumień świetlny będzie miał wartość 500  100 lm. Jest to bardzo mały strumień świetlny, dla którego trudno przy użyciu jednej diody znaleźć zastosowanie oświetleniowe inne niż w sygnalizacji stanu włącz/wyłącz. Z tego powodu próbuje się budować wieloźródłowe oprawy oświetleniowe tzw. matryce diodowe, składające się z wielu LED i takie rozwiązanie bywa już obecnie praktykowane, zarówno w sygnalizacji (ulicznej, samochodowej, reklamy) jak i w określonych obszarach oświetlenia (iluminacja, oświetlenia lokalne, latarki).

(38)

(39)

(40)

Diody elektroluminescencyjne LED

Taśmy LED

Charakterystyka:

strumień świetlny jednej diody LED to 1200-1600 mcd (około 5 lm / diodę)

bardzo długa żywotność (100.000h)

niskie zużycie energii elektrycznej jeden metr to niecałe 10W

łatwy montaż - dwustronnie klejąca taśma firmy 3M na całej długości

tylko 2 mm grubości, wysoka elastyczność możliwość skracania co 6 diody LED (10 cm)

Dane techniczne:

Rodzaj diod LED: SMD 3528 HIGH CRI > 90 Ilość diod LED: 600 sztuk na 5 metrach