3. ELEKTRYCZNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

3. ELEKTRYCZNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA

3.1. WIADOMOŚCI OGÓLNE O ŹRÓDŁACH ŚWIATŁA

Pasmo widzialne promieniowania elektromagnetycznego obejmuje długości fal od około 380 nm do około 780 nm, którym kolejno odpowiada światło (monochromatyczne) o odcie- niach barw od fioletu do czerwieni. Normalne oko ludzkie jest zdolne rozróżnić w widmie świetlnym około 100 odcieni barw.

Światło o widmie równoenergetycznym (o stałej gęstości energii w całym paśmie promieniowania widzialnego) jest odbierane przez narząd wzroku człowieka jako światło białe. Światło słoneczne jest zbliżone do światła białego.

Na wrażenie wzrokowe składa się intensywność (jaskrawość) i barwa (odcień oraz nasycenie) światła. Ze złożenia trzech bodźców monochromatycznych - odpowiednio dobranych pod względem jaskrawości i barwy - można wywołać wrażenie światła białego.

Na tej podstawie można przypuszczać, że w oku ludzkim znajdują się trzy typy receptorów barwowych, uczulonych odpowiednio na światło: fioletowe, zielone i czerwone, a wrażenie barwy światła wpadającego do oka powstaje w wyniku zespolonej reakcji fotochemicznej tych różnych receptorów (na odpowiednie części widma światła).

Obrazy barwne powstają tylko przy widzeniu „dziennym” (przy oku adaptowanym do jasności), gdy o wrażeniu świetlnym decyduje reakcja wspomnianych receptorów barwowych - czopków, położonych w centralnej części siatkówki oka. Przy widzeniu

„zmierzchowym” (przy oku adaptowanym do ciemności) o obrazie decyduje reakcja pręcików, które nie są wrażliwe na barwę światła.

Wykresy względnej wrażliwości oka na światło pokazano na rys. 3.1. Na podstawie krzywej V(λ), będącej miarą wrażeń wzrokowych normalnego obserwatora, strumieniowi energetycznemu promieniowania (tzn. mocy promienistej) Peλ przy długości fali równej λ przypisuje się strumień światła monochromatycznego

λ

λ λ

Φ =Km⋅V( )⋅Pe , (3.1) przy czym stałą K_m = 682 lm/W nazywa się fotometrycznym równoważnikiem promieniowania.

Przy świetle monochromatycznym o długości fali równej 555 nm strumieniowi ener- getycznemu równemu 1 W odpowiada strumień świetlny równy 682 lm. Przy innych długościach fal świetlnych czułość oka jest mniejsza, a więc strumieniowi energetycznemu równemu 1 W odpowiada strumień świetlny mniejszy od 682 lm. Oczywiście, to samo odnosi się do światła o widmie ciągłym, pasmowym lub złożonym z kilku prążków.

Elektryczne źródła światła (lampy elektryczne) emitują fale o widmie ciągłym, uzupełnionym ewentualnie kilkoma wąskimi pasmami, przy czym promieniowanie widzialne stanowi zwykle tylko część całego zakresu promieniowania danego źródła, który może

1 Literatura do tego rozdziału: [2, 11, 20].

częściowo obejmować również promieniowanie podczerwone oraz nadfioletowe.

Rys. 3.1. Krzywe względnej skuteczności świetlnej promieniowania monochromatycznego:

V(λ) - przy widzeniu fotopowym („dziennym”), V'(λ) - przy widzeniu skotopowym („zmierzchowym”)

Mocy promienistej w przedziale długości fal od 0 do ∞

∫

⋅

=

0 λ dλ p

P_{e e} (3.2) lub w przedziale promieniowania widzialnego

∫

=^780nm

nm 380

λ dλ p

P_{eV e} (3.3) odpowiada strumień świetlny

∫

= ^780nm

nm 380

) (λ λ

Φ ^Km ^pe_λ ^{V d} , (3.4)

gdzie p_eλ jest gęstością widmową mocy promienistej przy długości fali równej λ^.

Posługując się określonymi wyżej wielkościami, definiuje się podstawowe wskaźniki przetwarzania energii elektrycznej na świetlną w lampach elektrycznych, a mianowicie:

- sprawność optyczną promieniowania

e eV

o P

= P

η , (3.5)

- sprawność energetyczną P P_e

e =

η , (3.6) - skuteczność świetlną

s P

η =Φ , (3.7)

gdzie P jest całkowitą mocą elektryczną dostarczoną do lampy.

Korzysta się też z pojęcia względnej skuteczności świetlnej

% = ⋅100

m s

s K

η η (3.8)

jako wyrażonej w procentach części skuteczności świetlnej źródła idealnego (Km =682 lm/W).

Sprawność optyczna promieniowania uwzględnia straty mocy występujące poza lampą, związane z emisją promieniowania niewidzialnego.

Sprawność energetyczna lampy uwzględnia straty mocy powstające w lampie, związane z doprowadzeniem energii elektrycznej i wytworzeniem promieniowania. Obciążają one cieplnie konstrukcję lampy.

Dla lepszego scharakteryzowania lampy pod względem energetycznym, można obliczyć iloczyn sprawności optycznej (3.5) i energetycznej (3.6), wyrażając w ten sposób sprawność całkowitą przetwarzania energii elektrycznej na energię promieniowania widzialnego (sprawność energetyczną promieniowania widzialnego)

P P_eV

s o eV =η ⋅η =

η . (3.9) Można też odnieść strumień świetlny lampy do strumienia o tej samej mocy promienistej, wysyłanej jednak w całości w postaci światła monochromatycznego o długości fali równej 555 nm (której odpowiada największa wrażliwość oka ludzkiego). Tak określona wielkość nosi nazwę sprawności fotometrycznej promieniowania widzialnego i zależy od określonych wyżej wielkości – zgodnie z (3.7) i (3.9):

eV m

s eV

m

fV K P K η

Φ η

η = ⋅

= ⋅ . (3.10) Im większa część widma zawiera się w przedziale promieniowania widzialnego, tym sprawność optyczna jest wyższa, a im bliżej długości fali równej 555 nm znajduje się maksimum promieniowania, tym wyższa jest sprawność fotometryczna promieniowania widzialnego.

Ważnym zagadnieniem jest oddawanie kolorów (barw) przedmiotów przy świetle lampy.

W związku z tym określa się temperaturę barwową i współczynnik oddawania barw.

Temperatura barwowa określa temperaturę ciała doskonale czarnego, przy której emituje ono światło o barwie identycznej z barwą światła lampy. Można ją wyznaczyć z tzw.

wykresów chromatyczności (o ile znane są składowe trójchromatyczne światła lampy).

Temperatura barwowa odpowiadająca barwie światła białego: ciepłej - jest mniejsza od 3300 K, chłodnej - zawiera się w przedziale 3300 ÷ 5000 K, dziennej - przekracza 5000 K.

Współczynnik oddawania barw CRI (z ang. Colour Rendering Index) charakteryzuje postrzeganie barw przedmiotów oświetlanych, przybierając wartości od 0 (światło mono- chromatyczne) do 100 (światło białe).

3.2. ŻARÓWKI

Przy promieniowaniu temperaturowym ciała doskonale czarnego (rys. 3.2) maksymalna wartość sprawności energetycznej występuje w temperaturze bliskiej 6500 K i wynosi około 15%. Sprawność optyczna żarówek ze „skrętką” wolframową rozgrzaną do temperatury bliskiej 3000 K (temperatura topnienia – ok. 3650 K) nie przekracza 7%. Sprawność foto- metryczna promieniowania widzialnego tych ciał, w podanych temperaturach, wynosi odpowiednio około 14 i 3%. Temperatura barwowa jest w przypadku żarówek wolframowych nieco wyższa od temperatury „skrętki”, ponieważ wolfram nie jest ciałem doskonale czarnym ani szarym, wykazuje natomiast w pewnym stopniu selektywną zdolność promieniowania.

Rys. 3.2. Krzywe gęstości widmowej mocy promienistej ciała doskonale czarnego - w różnych temperaturach

Sprawność energetyczna żarówek głównego szeregu (powszechnie stosowanych

„zwyczajnych” żarówek wolframowych) zawiera się w granicach od 55 do 85%; skuteczność świetlna - od 8 do 21 lm/W, w zależności od mocy i napięcia znamionowego. Temperatura barwowa tych żarówek zawiera się w granicach od około 2500 do około 3000 K; znamionowa trwałość wynosi 1000 h.

Lepszymi parametrami świetlnymi, większą trwałością oraz mniejszymi wymiarami zewnętrznymi, w porównaniu z żarówkami tradycyjnymi, charakteryzują się żarówki halogenowe. Wewnątrz bańki takiej żarówki znajduje się halogen, tzn. fluor, brom albo jod, uczestniczący w tzw. regeneracyjnym cyklu halogenowym (cząstki wolframu osadzające się na bańce samorzutnie powracają w okolicę żarnika). Proces ten zachodzi przy odpowiednio wysokiej i równomiernej temperatury w przestrzeni bańki, co wymaga instalowania lampy w określonej pozycji. Halogeny biorące udział w procesie regeneracji włókna wolframowego,

pozwalają podwyższyć jego temperaturę i uzyskać wyższą skuteczność świetlną lampy.

Widmo promieniowania żarówek halogenowych zawiera niewielką ilość promieniowania nadfioletowego, dlatego bańki wykonuje się ze szkła kwarcowego, które ma własności filtru UV. Ważne, by takiej bańki nie dotykać gołymi rękami, gdyż pot oddziałuje niekorzystnie na kwarc. Skuteczność świetlna żarówek halogenowych zawiera się w granicach od 18 do 33 lm/W, temperatura barwowa - od 3000 do około 3400 K; znamionowa trwałość wynosi 2000 h.

3.3. LAMPY WYŁADOWCZE

Znacznie wyższą skuteczność świetlną, w porównaniu z żarówkami, mają lampy wykorzystujące wyładowania elektryczne w parach rtęci (świetlówki i lampy wysokoprężne rtęciowe) oraz sodu (lampy nisko- i wysokoprężne sodowe). Dla ułatwienia zapłonu (rozpoczęcia wyładowania samoistnego), lampy te wypełnia się dodatkowo argonem lub neonem, a dla zwiększenia skuteczności świetlnej - ksenonem, kryptonem lub halogenami.

Wewnętrzną ściankę rury (bańki) szklanej lamp wyładowczych pokrywa się też często materiałem fluorescencyjnym (luminoforem), który przetwarza promieniowanie nadfioletowe lub światło niebiesko-zielone na światło o barwie korzystniejszej dla oka ludzkiego.

Luminofory są mieszaniną sproszkowanych soli berylu, magnezu, wapnia, cynku i kadmu (II grupa układu okresowego pierwiastków) oraz związków manganu lub antymonu, spełniających zadanie aktywatora. Luminofory stosuje się w świetlówkach i w lampach rtęciowych z korygowaną barwą światła.

Na wyładowanie elektryczne w gazie składają się następujące, równocześnie zachodzące procesy: emisja elektronów z katody i przyspieszanie ich w zewnętrznym polu elektrycznym, jonizacja i rekombinacja atomów, wzbudzanie i powrót atomów do stanu podstawowego, hamowanie elektronów w polu elektrycznym cząstek. Kolumna zjonizowanego gazu (plazmy) emituje widmo o charakterze zależnym od rodzaju gazu, jego ciśnienia i temperatury. Trzeba tu zaznaczyć, że w bardzo rozrzedzonym gazie (w łuku niskociśnieniowym) występuje zwykle stan nierównowagi termicznej, czyli tzw. temperatura elektronowa (związana z energią elektronów swobodnych) jest wyższa od temperatury jonów i cząstek neutralnych, natomiast przy ciśnieniach zbliżonych do ciśnienia atmosferycznego oraz wyższych można uważać plazmę za termicznie zrównoważoną.

Przy niższych temperaturach dominuje promieniowanie cząstek wzbudzonych (powstające przy przechodzeniu elektronów - we wzbudzonych atomach - z wyższych poziomów energetycznych do niższych). Widmo tego promieniowania składa się z prążków odpowiadających przejściom elektronów między dozwolonymi poziomami energetycznymi.

Przy wyższych temperaturach, wymagających większego ciśnienia gazu, prążki zostają

„podbudowane” widmem ciągłym, pochodzącym od promieniowania rekombinacyjnego i promieniowania hamowania elektronów w polu cząstek (rys. 3.3). Zakresowi widzialnemu tego widma odpowiada temperatura elektronowa rzędu 10⁴÷10⁵ K.

W świetlówkach (lampach fluorescencyjnych) promieniowanie elektroluminescencyjne par rtęci o ciśnieniu rzędu 1 Pa niemal w całości przypada na fale o długości 254 nm (rys. 3.3a).

Jest to tzw. promieniowanie rezonansowe, któremu odpowiada najniższa energia wzbudzenia atomów

min

min λ

λ e U

W = ⋅ (3.11)

równa energii fotonu

min max

min ν λ

λ

h c h

W = ⋅ = ⋅ (3.12) gdzie: e - elementarny ładunek elektryczny,

U_λ min - napięcie pierwszego, najsłabszego wzbudzenia atomu (dla par rtęci równe 4,86 V),

h - stała Plancka, c - prędkość światła,

ν ⁱ λ - częstotliwość i długość fali promieniowania.

Rys. 3.3. Względny widmowy rozkład energii promieniowania (egzytancji promienistej Meλ) par rtęci przy ciśnieniu: a) 1 Pa, b) 2 MPa

Porównując energię wyrażoną wzorami (3.11) i (3.12) otrzymuje się zależność na długość fali λmin promieniowania rezonansowego gazu. Obliczone w ten sposób wartości λmin

pokrywają się z wynikami pomiarów.

Promieniowanie rezonansowe par rtęci jest promieniowaniem nadfioletowym. Warstwa luminoforu, która pokrywa wewnętrzną ściankę rury świetlówki, pochłania to promie- niowanie, emitując światło o widmie ciągłym. Barwa światła zależy od składu luminoforu.

Do ogólnych celów oświetleniowych wykonuje się świetlówki wytwarzające światło:

dzienne, chłodno-białe, białe i ciepło-białe (temperatury barwowe, odpowiednio: 6500, 4300, 3500 i 2900 K).

Powszechnie stosowane są świetlówki o gorących elektrodach, dzielące się z kolei na zapłonnikowe i bezzapłonnikowe. Pierwsze pracują w układzie z zapłonnikiem i ze statecznikiem, którym jest dławik; drugie - ze statecznikiem, zawierającym dławik oraz dodatkowe elementy do grzania elektrod i wywołania zapłonu (rys. 3.4). Dławik ogranicza prąd lampy, nie pozwalając na lawinowy rozwój wyładowania elektrycznego w gazie.

Rys. 3.4. ·Schematy elektryczne jednolampowych opraw świetlówkowych: a) z zapłonnikiem, b) bez zapłonnika; 1 - rura fluorescencyjna, 2 - zapłonnik z kondensatorem przeciwzakłóceniowym,

3 - statecznik z kondensatorem do kompensacji mocy biernej, 4 - statecznik z transformatorem żarzenia skrętek, 5 - kondensator zapłonowy

Zapłonnikiem jest lampka neonowa, której elektrody stanowią zestyk bimetaliczny.

Po włączeniu napięcia, w czasie przepływu prądu przez zapłonnik włączony do obwodu jak na rys. 3.4a, początkowo grzeje się tylko gaz i bimetal w zapłonniku. Po chwili elektrody zapłonnika zwierają się i wyładowanie w nim zanika. Płynie duży prąd podgrzewający elektrody świetlówki, równocześnie stygnie bimetal. Przerwanie prądu, spowodowane rozwarciem się elektrod zapłonnika, wywołuje indukowanie się napięcia w dławiku.

Wynikiem tego jest podskok napięcia między elektrodami świetlówki i jej zapłon, po czym napięcie na lampie zmniejsza się do około 110 V. Napięcie na zapłonniku jest teraz niższe od jego napięcia zapłonu, wynoszącego około 175 V. Rola zapłonnika kończy się więc z zapłonem lampy; dalsza jego praca powodowałaby migotanie światła.

W układach bezzapłonnikowych, np. w pokazanym na rys. 3.4b, podskok napięcia na lampie - konieczny do jej zapłonu - powstaje na skutek rezonansu napięć w gałęzi z dławikiem i odpowiednio dobranym kondensatorem. W porównaniu z układem zawierającym zapłonnik, zaświecenie lampy następuje szybciej i bez początkowego migotania. Wyeliminowanie zapłonnika zwiększa też pewność działania lampy.

Kondensatory zapłonowe wraz z transformatorem żarzenia są jednak droższe i cięższe od zapłonnika.

Świetlówki są zasilane napięciem przemiennym, dzięki czemu ich elektrody zużywają się jednakowo, a energia tracona w stateczniku (dławiku) jest stosunkowo mała. Niekorzystnym zjawiskiem jest natomiast duże tętnienie światła pojedynczej świetlówki, związane z zanikaniem promieniowania nadfioletowego co pół okresu, gdy wartość chwilowa prądu jest równa zero. Luminofor świeci jeszcze przez krótki czas po zaniku czynnika wzbudzającego, toteż strumień świetlny nie zanika, zmniejsza się jednak znacznie - do wartości rzędu 35÷50% swej wartości maksymalnej. Tętnienie światła powoduje szybsze męczenie się wzroku, może też wywoływać - oparte na zjawisku stroboskopowym - wrażenie

bezruchu lub zwolnionego poruszania się części wirujących oraz części wykonujących ruchy posuwisto-zwrotne. Wówczas nietrudno o wypadek. Dla przeciwdziałania wymienionym niekorzystnym zjawiskom stosuje się oprawy dwu- lub trzylampowe, w których - przy zastosowaniu odpowiednich układów przesuwających lub zasilaniu napięciem trójfazowym - przesunięte w czasie strumienie poszczególnych świetlówek dają łączny strumień o zmniej- szonym tętnieniu.

Najwyższą skuteczność świetlną uzyskuje się w świetlówkach o mocy 40 W ze światłem białym i ciepło-białym; wynosi ona 54 lm/W - z uwzględnieniem mocy pobieranej przez statecznik.

Średnia trwałość świetlówek zależy od średniego okresu nieprzerwanego świecenia.

Deklarowanej przez wytwórcę trwałości minimalnej, równej 4000 h, odpowiada 6-godzinny średni okres świecenia. Przy krótszych okresach świecenia trwałość jest mniejsza (przy 3 h - mniejsza o 20%, 2 h - o 30%, 1 h - o 60%), a przy dłuższych - większa (przy 12 h - o 20%).

Podane parametry odnoszą się także do tzw. żarówek energooszczędnych, czyli świetlówek kompaktowych. Wygięte lub spiralne rury wyładowcze świetlówki kompaktowej, oraz jej trzonek (jak w tradycyjnej żarówce), są osadzone na korpusie mieszczącym wewnątrz zapłonnik i statecznik. Świetlówka kompaktowa zastosowana jako zamiennik tradycyjnej żarówki zużywa 4 do 6 razy mniej niż ona energii elektrycznej.

Zapłon i praca świetlówek przy niskich temperaturach otoczenia są znacznie utrudnione, toteż stosuje się je głównie do oświetlania wnętrz. Dodatkowo przemawia za tym mała jaskrawość·(luminancja) tego źródła światła.

Do oświetlenia zewnętrznego najlepiej nadają się wysokoprężne lampy rtęciowe i sodowe. Lampy rtęciowe (rtęciówki) o skorygowanym widmie za pomocą luminoforów stosuje się również do oświetlenia ogólnego dużych, wysokich pomieszczeń. Wspólne cechy użytkowe wymienionych lamp to: duże wartości strumienia świetlnego uzyskiwane z jednego źródła, duża luminancja, praca w układzie ze statecznikiem, długie czasy zapłonu i ponownego zaświecenia (od wygaszenia do ponownego zapłonu). Budowa lamp jest również podobna: komora wyładowcza (jarznik) - rurka ze szkła kwarcowego z wtopionymi na końcach elektrodami - jest umieszczona w opróżnionej z powietrza bańce ze szkła twardego, której wewnętrzne ścianki mogą być pokryte luminoforem.

Rys. 3.5. Układy pracy wysokoprężnych lamp wyładowczych (LW):

a) bez zapłonnika (z elektrodą pomocniczą i opornikiem wewnątrz lampy), b) z zapłonnikiem termicznym (ZT), c) z zapłonnikiem elektronicznym (ZE)

W lampie rtęciowej właściwe wyładowanie w parach rtęci odbywa się przy dużym ciśnieniu (około 1 MPa), toteż słup wyładowczy w jarzniku jest sam źródłem promieniowania widzialnego (rys. 3.3b). Aby jednak osiągnąć ten stan pracy, trzeba dokonać zapłonu lampy, który rozpoczyna się od jej zaświecenia, tzn. wytworzenia wyładowania wstępnego

w argonie. Zachodzi to przy skroplonej rtęci, kiedy ciśnienie jest w przybliżeniu 10-krotnie niższe od panującego w jarzniku przy pracy ustalonej. Wyładowanie obejmuje początkowo małą przestrzeń między jedną elektrodą główną a pomocniczą (rys. 3.5a) i rozwija się pod wpływem ciepła wydzielającego się w gazie i odparowywania rtęci. Następuje przeskok iskrowy i powstaje łuk elektryczny między elektrodami głównymi; intensywnie wydzielające się ciepło powoduje całkowite wyparowanie rtęci i ustalenie się dużych wartości temperatury oraz ciśnienia w słupie wyładowczym. Czas zapłonu zimnej lampy wynosi około 4 min.

Po przerwaniu zasilania (zgaszeniu) lampy, ponowny jej zapłon może nastąpić dopiero po około 5 min, gdy ostygnie jarznik i obniży się prężność (skropli się znaczna część) pary rtęci.

Ustalenie się strumienia następuje w tym przypadku po upływie około 2,5 min od zaświe- cenia, tzn. nie szybciej niż po 7,5 min od zgaszenia.

Korzystny skład widma i dużą skuteczność świetlną rtęciówek uzyskuje się w lampach metalohalogenkowych w wyniku wprowadzenia dodatkowo, do jarznika, mieszaniny halogenków metali, np. jodków sodu, indu i talu. Pary metali uwalniające się w trakcie pracy działają jednak niekorzystnie na szkło kwarcowe (zmniejsza się parokrotnie trwałość lampy w porównaniu ze zwykłą rtęciówką),. dlatego też komora jarznika wykonywana jest w nowszych typach lamp z przezroczystego materiału ceramicznego, podobnie jak w lampach sodowych. I tylko o takich, ceramicznych lampach metalohalogenkowych, można myśleć w perspektywie przyszłych zastosowań.

W jarzniku wysokoprężnej lampy sodowej znajdują się: gaz szlachetny (argon lub neon) oraz rtęć i sód, parujące po zaświeceniu lampy. W jarzniku niskoprężnej lampy sodowej znajdują się: mieszanina gazów szlachetnych oraz sód. Zapłon przebiega podobnie jak w lampie rtęciowej: od wyładowania jarzeniowego w gazie szlachetnym, do wyładowania łukowego w parach sodu.

Para sodu emituje: przy niskim ciśnieniu – światło żółtopomarańczowe monochromatyczne o długości fali równej 590 nm, charakterystyczne dla atomowego sodu (światło takie nie nadaje się ono do oświetlenia wnętrz); przy wysokim ciśnieniu – światło żółtopomarańczowe o długościach fal 555÷625 nm, uzupełnione w pewnym stopniu pozostałymi barwami.

Lampy rtęciowe i sodowe, podobnie jak świetlówki, są zasilane napięciem przemiennym.

Lampy rtęciowe pracują w układzie z samym statecznikiem (rys. 3.5a), zaś lampy rtęciowo- halogenowe i sodowe potrzebują dodatkowo do zaświecenia - zapłonnika termicznego (rys. 3.5b) lub elektronicznego (rys. 3.5c). Zwykle, w celu skompensowania mocy biernej dławika, do zacisków wejściowych przyłącza się kondensator (rys. 3.4 i 3.5).

Rys. 3.6. Najkorzystniejszy sposób rozmieszczenia opraw przyłączanych do różnych faz napięcia trójfazowego (R, S, T)

Światło pojedynczej rtęciówki lub lampy sodowej wykazuje znacznie większe tętnienie niż światło pojedynczej świetlówki, ponieważ bańki tych lamp albo w ogóle nie są pokryte luminoforem, albo mają luminofor (lampy rtęciowe o skorygowanej barwie światła) przetwarzający tylko część promieniowania krótkofalowego na promieniowanie o większej długości fali. Ograniczenie tętnienia sumarycznego strumienia wysyłanego przez źródło

poprzez konstruowanie lamp z dwoma lub trzema jarznikami, albo opraw dwu- lub trzylampowych - stwarza jednak znaczne trudności. Ograniczenie tętnienia światła pada- jącego na powierzchnię pracy - poprzez odpowiednie rozmieszczenie jednolampowych opraw rtęciówkowych i zasilanie ich grupami z różnych faz napięcia trójfazowego (rys. 3.6) - przy oświetleniu wnętrzowym jest dużo prostsze i tańsze.

Do ogólnych celów oświetleniowych produkuje się lampy rtęciowe o mocach znamionowych od 80 do 2000 W, ceramiczne lampy metalohalogenkowe - od 70 do 400 W, lampy sodowe wysokoprężne - od 50 do 1000 W, lampy sodowe niskoprężne - od 18 do 180 W. Wraz ze wzrostem mocy lampy, rośnie jej skuteczność świetlna; w podanych przedziałach mocy, skuteczność świetlna (z uwzględnieniem mocy pobranej przez statecznik) wynosi: lamp rtęciowych o bańkach przezroczystych - 36÷55 lm/W, lamp rtęciowych bańkach pokrytych luminoforem, typu Europium - 39÷57 lm/W, ceramicznych lamp metalohalogenkowych - 85÷115 lm/W, lamp sodowych wysokoprężnych - 60÷130 lm/W, lamp sodowych niskoprężnych - 110÷195 lm/W. Temperatura barwowa lamp rtęciowych o bańkach przezroczystych wynosi 6600 K, a pokrytych luminoforem - 4800 K; lamp metalohalogenkowych - 3000÷6000 K. Średnia trwałość lamp rtęciowych, ceramicznych metalohalogenkowych i sodowych wysokoprężnych - 20000 h, zaś sodowych niskoprężnych - 10000 h.

W porównaniu z żarówkami, skuteczność świetlna wszystkich lamp wyładowczych (świetlówek, rtęciówek i lamp sodowych) jest wyższa, chociaż sprawność energetyczna - niższa (równa około 50%). Na tej podstawie można sformułować wniosek, że wytworzenie promieniowania widzialnego o korzystniejszym składzie widma wiąże się (przy tej samej całkowitej energii promienistej) z większymi stratami mocy w lampie. Podobnie rzecz się ma z diodami LED (z ang. Light-Emitting Diode), pretendującymi do miana źródeł światła XXI wieku.

3.4. DIODY LUMINESCENCYJNE

Dioda LED to urządzenie półprzewodnikowe, w którym zachodzi rekombinacja promienista ładunków elektrycznych w obszarze złącza p-n, towarzysząca przepływowi prądu stałego. Zjawisko elektroluminescencji występujące w diodach LED wynika, podobnie jak w lampach wyładowczych, z rekombinacji ładunków. Problemy technologiczne i techniczne związane z wytwarzaniem światła w lampach wyładowczych i w diodach LED są jednak zupełnie nieporównywalne, inne są bowiem ładunki podlegające rekombinacji i inne jest środowisko fizyczne, w którym wytwarzane jest promieniowanie. Przede wszystkim, rekombinacja dziur i elektronów w półprzewodniku zachodzi w strefie złącza p-n o małych wymiarach, stąd diody LED są niewielkich mocy i gabarytów.

Sprawność energetyczna rekombinacji (sprawność wewnętrzna, sprawność przemiany zasadniczej) par elektron-dziura jest bardzo wysoka: w obecnie produkowanych diodach LED przekracza 75%, a teoretycznie można spodziewać się osiągnięcia wartości bliskich 100%.

Światło powstałe w tym procesie zostaje wyprowadzone poza chip diody i powłokę go zabezpieczającą, a następnie ukształtowane w odpowiednią wiązkę. Powinno się to odbywać z możliwie małymi stratami energii, co stawia duże wymagania dla układu optycznego źródła światła LED, utworzonego przez soczewki (znajdujące się w obudowie chipu i w oprawie) oraz reflektory (w oprawie).

Strumień świetlny diody LED zależy silnie od prądu przewodzenia. O wartościach tych wielkości decyduje przeznaczenie diod; wartości prądu dla różnych typów diod wynoszą od dziesiątek do setek miliamperów, i powyżej 1 A. Napięcie przewodzenia diod LED zawiera się w zakresie od 1,8 V do 4,2 V, zależnie od wartości prądu i barwy światła.

Aby uzyskać źródła światła odpowiednie do oświetlenia użytkowego lub dekoracyjnego, trzeba tworzyć moduły mocy LED w postaci matryc, listew lub taśm LED, złożonych z diod mocy LED i dodatkowych układów bądź elementów (optycznych, sterujących, zabezpieczających, mocujących oraz odprowadzających ciepło), osadzonych na podłożach, którymi są obwody drukowane. Dla zapewnienia stałości strumienia świetlnego, układ zasilania powinien zapewniać stabilizację pobieranego przez diody prądu.

Straty mocy związane ze stabilizacją prądu diod (najprostszym rozwiązaniem jest łączenie ich w szereg z elementami rezystancyjnymi) wpływają niekorzystnie na wypadkową sprawność energetyczną źródeł światła LED. Pomimo tych strat, dzięki dużej sprawności wewnętrznej (przemiany zasadniczej), skuteczność świetlna diod LED jest wysoka.

Światło wytwarzane przez diodę LED jest monochromatyczne. Używając różnych półprzewodników można uzyskać praktycznie dowolną barwę światła. Światło białe otrzymuje się jedną z trzech metod:

- konwersji promieniowania UV (wykorzystanie, działających podobnie jak luminofor w świetlówce, warstw różnego rodzaju konwertorów: fosforowych, półprzewodnikowych, organicznych oraz eksperymentalnych tzw. „kropek kwantowych”),

- mieszania barw (zespoły 2, 3 lub 4 diod o różnych barwach światła),

- hybrydową (mieszanie części światła niebieskiego z pozostałą jego częścią przekonwer- towaną na światło żółte).

Każdej z tych metod można przypisać różne zalety i wady z punktu widzenia technologii produkcji, sprawności energetycznej źródeł światła, parametrów jakościowych światła oraz możliwości regulacji jego natężenia i barwy.

Przy masowej produkcji diod LED trudno jest zachować stałe parametry kolorystyczne, szczególnie światła białego. Z tego powodu diody są sortowane według podobnej barwy.

Proces ten nosi nazwę koszykowania. Diody LED wykorzystywane w oprawach (lub grupowane na podobnej zasadzie) muszą pochodzić z tego samego koszyka.

Bardzo ważnym zagadnieniami z punktu widzenia własności użytkowych źródeł światła LED, m.in. sprawności energetycznej i trwałości, jest właściwe chłodzenie chipów (matryc).

Z uwagi na ciepło wydzielające się w obszarze złącza p-n, diody mocy LED muszą być wyposażone w radiatory. Optymalizacja termicznej pracy diod ma na względzie stabilizację chwilowych parametrów wytwarzanego światła i ograniczenie degradacji strumienia świetlnego w czasie dla uzyskania dużej trwałości lampy (określonej z definicji „czasem życia” ze zdolnością do emisji co najmniej 70% znamionowego strumienia świetlnego).

O atrakcyjności źródeł światła LED, w porównaniu z innymi źródłami światła, stanowi ich duża skuteczność świetlna i bardzo duża trwałość, dobre oddawanie barw (przy świetle białym) oraz szerokie możliwości regulacyjne (światłości i barwy światła). Skuteczność świetlna produkowanych obecnie źródeł światła białego z diodami mocy LED zawiera się w przedziale 70÷120 lm/W (nie jest to kres możliwości, bowiem w warunkach labora- toryjnych osiągnięto skuteczność równą 231 lm/W); temperatura barwowa jest różna, podobnie jak świetlówek o różnych barwach; deklarowana trwałość wynosi co najmniej 50000 h.