fotometria i kolorymetria - instytut fizykiwozniak/fotometria_pliki/fotometria_3.pdfświetlną27...

43
Fotometria i kolorymetria Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak 3. Podstawy wytwarzania światła Charakterystyki źródeł światła http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/ Miejsce konsultacji: pokój 18/11 bud. A-1; terminy: patrz strona www

Upload: phamtuyen

Post on 28-Feb-2019

226 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Fotometria i kolorymetria

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

3. Podstawy wytwarzania światła

Charakterystyki źródeł światła

http://www.if.pwr.wroc.pl/~wozniak/Miejsce konsultacji: pokój 18/11 bud. A-1;

terminy: patrz strona www

Page 2: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Wytwarzania światła

Światło – promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu długości

fal między 380 a 780 nm = energia:

chhE

Jak wywołać to promieniowanie?

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

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 3: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Systematyka źródeł światłaDr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 4: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 5: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 6: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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 25% energii dostarczonej do żarówki jest zamieniana

na światło – większość głównie na ciepło!

To czemu w ogóle wciąż stosuje się „zwykłe”

żarówki”?

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 7: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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;

- równomierny rozsył strumienia świetlnego w przestrzeni.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 8: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Żarówki konwencjonalne

Żarówki są bardzo wrażliwe na zmiany wartości napięcia!

8,3

00

U

U

14

00

U

U

t

t

5,0

00

U

U

I

I

5,0

00

U

U

R

R

5,1

00

U

U

P

P

0, t0, I0, R0, P0, to odpowiednio strumień świetlny, trwałość, prąd

żarówki, opór i moc przy napięciu odniesieniowym U0;

, t, I, R, P, to analogiczne wielkości przy zadanym napięciu U.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 9: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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.

* - w porównaniu z CZYM?

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 10: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 11: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 12: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

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

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 13: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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 fluorescencyjnej (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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 14: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

A tak przy okazji…

Luminescencja, zimne świecenie, jarzenie –

zjawisko emisji fal świetlnych przez niektóre

ciała (luminofory) wywołane przyczyną inną niż

rozgrzanie ich do wysokiej temperatury (co

oznacza, że luminescencja nie jest

promieniowaniem cieplnym). (tu i niżej: Wikipedia)

• fotoluminescencja – wywołana przez pochłonięcie promieniowania

elektromagnetycznego z obszaru widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni.

Pochłonięta energia jest następnie wyemitowana także w postaci światła, na ogół o

energii mniejszej niż energia światła wzbudzającego. Ze względu na czas trwania

fotoluminescencję dzieli się na:

- fluorescencję – zjawisko trwające wyłącznie podczas działania czynnika

wzbudzającego;

- fosforescencję – zjawisko trwające również przez pewien czas po ustąpieniu

czynnika wzbudzającego; substancje zdolne do fosforescencji nazywane są

zwyczajowo fosforami.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 15: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 16: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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? –

ZADANIE DLA STUDENTÓW! ;-)

https://tromil.pl/poradniki-elektroniczne/lampy-fluorescencyjne-ccfl/

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 17: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 18: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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).

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 19: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

BLA, BLA, BLA…

Najważniejsze:

1) Bardzo wysokie napięcie (nawet 1500 V) w momencie zapłonu;

2) Napięcie ustalone pracy na lampie około 120130 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 2540 kHz, która poza minimalizacją tętnienia

strumienia świetlnego poprawia nawet o około 30% skuteczność

świetlną lampy (do 105 lm/W).

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 20: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 21: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 22: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Świetlówki (jarzeniówki)

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.

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 23: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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 101000

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.

Page 24: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

W zależności od napełnienia lampy czynnikiem wyładowczym, lampy te

dzielimy na kilka kategorii:

- rtęciowe;

- sodowe;

- metalohalogenkowe;*

- neonowe;

- ksenonowe.

Halogenki – związki chemiczne pierwiastków 17

grupy układu okresowego (dawniej grupy VIIA).

Page 25: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 26: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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 108 cd/m2), 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.

Page 27: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wysokoprężne lampy rtęciowe – najstarsze lampy wyładowcze. Ich światło

ma niezbyt bogate widmo, poszczególne barwy nie są jednakowo

reprezentowane, skuteczność świetlna jest niezbyt wielka.

Page 28: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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)

Page 29: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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).

Page 30: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Typ lampy Pokrycie

bańki

Moc

[W]

Strumień

świetlny

[lm]

Skuteczność

świetlna

[lm/W]

Luminancja

[cd/m2]

Trwałość

[h]

Rtęciowe

HME

luminofor 50 2 000 40 50 000

20 00080 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

Page 31: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Lampy wyładowcze wysokoprężne

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Typ lampy Pokrycie

bańki

Moc

[W]

Strumień

świetlny

[lm]

Skuteczność

świetlna

[lm/W]

Luminancja

[cd/m2]

Trwałość

[h]

Metalo-

halogenkowe

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

Page 32: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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.

Page 33: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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.

Page 34: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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 (1030 nm) o

charakterystycznym rozkładzie podobnym do krzywej Gaussa.

Page 35: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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.

Page 36: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Budowa diody LED

Page 37: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 38: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

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

Diody elektroluminescencyjne są niskowatowymi źródłami światła. W

chwili obecnej produkuj się diody o maksymalnej mocy 0,51,0 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).

Page 39: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 40: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Page 41: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Taśmy LEDCharakterystyka:

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

Wymiary: długość 5 metrów, szerokość: 8 mm,

wys. 2 mm

Stopień ochrony: IP20

Zasilanie: 12V lub 24V DC

Pobór mocy max: 9,6 W/m

Page 42: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Zalety źródeł LED:

- Duża trwałość (do 100 tysięcy godzin!);

- Odporność na wstrząsy;

- Łatwe sterowanie procesem ściemniania;

- Brak promieniowania UV;

- Łatwe uzyskiwanie światła barwnego;

- Natychmiastowe zapalanie;

- Niskie napięcie zasilania (bezpieczeństwo!);

- Małe wymiary;

- Duża luminancja (rzędu 106 cd/m2).

Page 43: Fotometria i kolorymetria - Instytut Fizykiwozniak/fotometria_pliki/Fotometria_3.pdfświetlną27 lm/W (przy mocy 900W i trwałości10 godzin!). Uważa się, że granicą skuteczności

Diody elektroluminescencyjne LED

Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Wady źródeł LED:

- Niewielki strumień świetlny;

- Duża temperatura złącza;

- Nieefektywne uzyskiwanie światła białego;

- Duża wrażliwość na zmiany temperatury zewnętrznej;

- Duża luminancja.