Светоэлектрических преобразователей

Источники света излучают электромагнитную энергию. Тот или иной излучатель может испускать свет не только видимой части спектра, но и ультрафиолетовой и инфракрасной. Электрические источники света по способу генерирования ими излучения могут быть разделены на тепловые источники света (лампы накаливания ) и газоразрядные, люминесцентные (ртутные, натриевые и ксеноновые).

Тепловые источники света. В начале XX века создан основной вид электрических источников света – лампы накаливания, которые благодаря экономичности, гигиеничности и удобству в эксплуатации быстро вытеснили источники света, основанные на сжигании. В их создание большой вклад внесли русские ученые П. Н. Яблочков, В. Н. Чиколев, А. Н. Лодыгин, американский изобретатель Т. Эдисон и др. Их свечение обусловлено нагреванием до высокой температуры. Современная электрическая лампа накаливания (ЛН) – тепловой источник света, в котором излучение создаётся спиралью из вольфрамовой проволоки, помещенной в колбу, из которой откачан воздух. Накаливание – это свечение горячих тел, обусловленное их нагреванием. Вольфрамовая спираль нагревается до высокой температуры (около 3000К) проходящим через неё электрическим током. Температура проволоки тем выше, чем выше ее электрическое сопротивление.

Из-занестабильности напряжения питающей сети в настоящее время выпускаются лампы накаливания, допускающие отклонение напряжения в диапазоне ±5 В от расчетного.

Лампы накаливания изготавливаются на напряжение 12 В мощностью от 15 до 60 Вт и на напряжение 24 и 36 В мощностью 25, 40, 60 и 100 Вт. Кроме того, выпускаются миниатюрные лампы накаливания типа МН на напряжение 1,25 В мощностью 0,313 Вт; 2,3 В мощностью 3,22 Вт; 2,5 В мощностью 0,725 Вт; 1,35 Вт, 2,8 Вт; 36 В мощностью 5,4 Вт. Существуют нормы снижения светового потока каждой лампы после 750 ч работы при расчетном напряжении.

Основной недостаток ламп накаливания – низкий КПД (около 2%). Лампы накаливания очень чувствительны к изменениям подводимого к ним напряжения. Повышение напряжения на 1%сверх номинального приводит к повышению светового потока на 4 % и снижению срока службы на 13–14 %.Срок службы ламп накаливания составляет в среднем 1000 ч, который при понижении напряжения возрастает, но снижается световой поток лампы. Срок службы ламп накаливания снижается при их вибрациях, частых включениях и отключениях, невертикальном положении. Свет ламп накаливания отличается от естественного преобладанием лучей желто-красной части спектра, что искажает естественную расцветку предметов.

Лампы накаливания могут быть вакуумными (тип В мощностью от 15 до 25 Вт) и газополными (типы Г, Б, БК мощностью от 40 до 1500 Вт). Газополные лампы типа Г (моноспиральные) и Б (биспиральные) наполняются нейтральным газом (азотом, аргоном, криптоном), что увеличивает срок службы вольфрамовой нити накала и повышает экономичность ламп.

Современный вариант ламп накаливания– галогенные лампы. Галогенные (кварцевые) лампы, представляют собой лампы накаливания с вольфрамовой нитью в кварцевой, а не в стеклянной колбе. В них применяются светоотражающие приспособления, которые повышают температуру спирали лампы. Но размер галогенной лампы меньше, так как кварцевая оболочка выдерживает более высокую температуру, чем стекло. Для увеличения срока жизни лампы и с тем, чтобы уменьшить почернение ее колбы, туда добавляют небольшое количество йода, который при определенных условиях обеспечивает обратный перенос испарившихся частиц вольфрама со стенок колбы лампы на тело накала. Именно это обстоятельство позволяет повышать в 2 раза срок службы лампы накаливания при повышенной световой отдаче. Срок службы галогенных ламп накаливания составляет 2000 и более часов.

Трубчатые галогенные лампы накаливания выпускаются на напряжение 220 В мощностью 1000, 1500, 2000, 5000 и 10 000 Вт, а также на напряжение 380 В мощностью 20 000 Вт. Световой поток галогенных ламп составляет от 22 клм (лампы мощностью 1000 Вт) до 260 клм (лампы мощностью 10 000 Вт). Световая отдача этих ламп 22–26 лм/Вт.

В газоразрядных лампах свечение наполнителя в разрядной трубке вызывается дуговым электрическим разрядом. В газосветных источниках света пары летучего металла – ртути или натрия возбуждаются электронами, которые ускоряются в пространстве между двумя электродами под действием приложенного к ним напряжения. Столкновения возбужденных газообразных атомов металла вызывают люминесценцию. По принципу действия они относятся к люминесцентным источникам света или источникам света смешанного излучения, т. е. люминесценции и теплового.

Существуют лампы дугового разряда с низким давлением (от 10^{-3 мм рт. ст.}), например, натриевая лампа низкого давления, высоким (от 0,2 до 15 ат) и сверхвысоким (от 20 до 100 ат и более), например, ксеноновые газоразрядные лампы (1 ат= 98066,5 н/м²).

В связи с разработкой новых высокотемпературных и химически стойких материалов для оболочек ламп и открытием технологического приёма введения в лампу излучающих элементов в виде легколетучих соединений, появились новые перспективы развития и применения газоразрядных источников света. Добавление внутрь разрядной трубки ртутной лампы галогенидов различных металлов позволило создать новый класс источников света – металлогалогенные лампы, в ртутный разряд которых вводятся добавки йодидов натрия, таллия и индия с целью увеличения световой отдачи ламп. Галогенные лампы накаливания типа КГ-240 (трубчатой формы с вольфрамовой нитью в кварцевой колбе) мощностью 1000, 1500 и 2000 Вт получили распространение в связи с повышенной светоотдачей. Они имеют более высокие характеристики, чем у ламп накаливания. Металлогалогенные лампы типа ДРИ (дуговые ртутные йодидные) имеют колбы эллипсоидной или цилиндрической формы, внутри которых размещается кварцевая цилиндрическая горелка. Внутри этой горелки и происходит разряд в парах металлов и их йодидов. Мощность ламп ДРИ составляет 250, 400, 700, 1000, 2000 и 3500 Вт. Световая отдача ламп ДРИ составляет 70–95 лм/Вт, продолжительностью горения 2000–5000 ч.

Люминесцентные источники света являются электрическими газоразрядными источниками, подобными ртутным и натриевым лампам. Эксперименты с люминесценцией проводились Беккерелем еще в 1867 году, однако лишь только в 1930 году появилась серийная люминесцентная лампа. В люминесцентных источниках свет возникает в результате превращения тех или иных видов энергии непосредственно в оптическое излучение, независимо от теплового состояния излучающего тела. Они представляют собой заполненную газом – аргоном – стеклянную цилиндрическую трубку с электродами, внутренняя поверхность которой покрыта люминофором. Флуоресцентный свет излучается люминесцентным источником, в люминофоре которого используется галофосфат кальция(химический элемент, излучающий свет). В трубке имеется также капля ртути. При включении в электрическую сеть в лампе образуются пары ртути и возникает свет, близкий к дневному.

Люминесцентные лампы низкого давления (ЛЛ) включаютвольфрамовые электроды в виде небольшой спирали, покрытой специальным составом (оксидом), содержащим углекислые соли бария и стронция. Параллельно спирали располагаются два никелевых жестких электрода, каждый из которых соединен с одним из концов спирали. В люминесцентных лампах низкого давления плазма, состоящая из ионизированных паров металла и газа излучает как в видимых, так и в ультрафиолетовых частях спектра.

Шкала номинальных мощностей люминесцентных ламп (Вт): 15, 20, 30, 40, 65, 80.

В настоящее время выпускаются так называемые энергоэкономичные люминесцентные лампы, имеющие более эффективную конструкцию электродов и усовершенствованный люминофор. Это позволило изготавливать лампы с пониженной мощностью (18 Вт вместо 20 Вт, 36 Вт вместо 40 Вт, 58 Вт вместо 65 Вт), уменьшенным в 1,6 раза диаметром колбы и повышенной световой отдачей.

Световой поток каждой лампы после 70%средней продолжительности горения должен быть не менее 70% номинального светового потока. Средняя яркость поверхности люминесцентных ламп колеблется от 6 до 11 кд/м². Световая отдача ламп типа ЛБ составляет от 50,6 до 65,2 лм/Вт.

Люминесцентные лампы при включении их в сеть переменного тока излучают переменный во времени световой поток. Коэффициент пульсации светового потока равен 23% (у ламп типа ЛДЦ–43% ). С увеличением номинального напряжения, световой поток и мощность, потребляемые лампой, возрастают.

Люминесцентные лампы имеют ряд преимуществ по сравнению с ЛН, например: высокую световую отдачу, достигающую 75 лм/Вт; большой срок службы, доходящий у стандартных ламп до 10 000 ч: возможность применения источника света различного спектрального состава при лучшей для большинства типов цветопередаче, чем у ламп накаливания; относительно малую яркость.

Люминесцентные лампы рассчитаны для нормальной работы при температуре окружающего воздуха +15...+40°С. В случае понижения температуры давление аргона и ртутных паров резко понижается и зажигание, а также горение лампы ухудшаются. Основными недостатками ламп ЛЛ являются: относительная сложность схемы включения; ограниченная единичная мощность и большие размеры приданной мощности; невозможность переключения ламп, работающих на переменном токе, на питание от сети постоянного тока; зависимость характеристик от температуры внешней среды. Для обычных ламп оптимальная температура окружающего воздуха 18–25°C, при отклонении температуры от оптимальной: световой поток и световая отдача снижаются; при t <10°C зажигание не гарантируется; значительное снижение потока к концу срока службы; по истечении последнего поток должен быть не менее 54% номинального; вредные для зрения пульсации светового потока с частотой 100 Гц при переменном токе 50 Гц (они могут быть устранены или уменьшены только при совокупном действии нескольких ламп и соответствующих схемах включения).

Продолжительность работы лампы тем больше, чем меньшее количество раз она включается, т. е. чем меньше изнашивается оксидный слой электродов. Понижение напряжения, подводимого к лампе, а также понижение температуры окружающего воздуха способствуют более интенсивному износу оксида электродов. При снижении напряжения на 10–15% лампа может не зажечься или же ее включение будет сопровождаться многократным миганием. Повышение напряжения облегчает процесс зажигания лампы, но уменьшает ее светоотдачу.

Недостатки люминесцентных ламп: снижение коэффициента мощности электрической сети, создание радиопомех и стробоскопического эффекта из-за пульсации светового потока и т. д.

Лампы люминесцентные высокого давления (дуговая ртутная люминесцентная) ДРЛ выпускаются мощностью 50, 80, 125, 175, 250, 400, 700, 1000 и 2000 Вт.

Лампа ДРЛ состоит из стеклянного баллона (колбы) эллипсоидной формы, на внутренней поверхности которого нанесен слой люминофора – фторогерманата магния (или арсената магния). Для поддержания стабильности свойств люминофора баллон заполнен углекислым газом. Внутри стеклянного баллона (колбы) находится трубка из кварцевого стекла, заполненная парами ртути под высоким давлением. Когда в трубке происходит электрический разряд, его видимое излучение проходит через слой люминофора, который, поглощая ультрафиолетовое излучение кварцевой разрядной трубки, превращает его в видимое излучение красного цвета.

Средняя продолжительность работы ламп ДРЛ составляет от 6000 ч (лампы мощностью 80 и 125 Вт) до 10 000 ч (лампы мощностью 400 Вт и более). Номинальное напряжение сети для всех ламп ДРЛ составляет 220 В. Коэффициент пульсации ламп ДРЛ 61–74 %.

При действующих нормах, в которых разрыв между значениями освещенности для ламп накаливания и газоразрядных в большинстве случаев не превышает двух ступеней, высокая световая отдача и большой срок службы ЛЛ так же, как ламп ДРЛ, делают их в большинстве случаев более экономичными, чем лампы накаливания. Достоинствами ламп ДРЛ являются: высокая световая отдача (до 55 лм/Вт); большой срок службы (10 000 ч); компактность; устойчивость к условиям внешней среды (кроме очень низких температур).

Недостатками ламп ДРЛ следует считать: возможность работы только на переменном токе; необходимость включения через балластный дроссель; длительность разгорания при включении (примерно 7 мин) и начало повторного зажигания даже после очень кратковременного перерыва питания лампы после остывания (примерно 10 мин); пульсации светового потока большие, чем у люминесцентных ламп; значительное снижение светового потока к концу срока службы.

Рис. 5.74. Светодиод

В полупроводниковых источниках света – светодиодах (рис. 5.74) – люминесценция возникает при прохождении через них тока. Арсенид галлия, например, даёт инфракрасное излучение, фосфид галлия и карбид кремния – видимое и т. д. Эти источники света применяются для специальных целей; светоотдача их пока невелика. Примеры схем включения светодиодов приведены на рис. 5.75.

Импульсные источники света – приборы одно- и многоразового действия. Они характеризуются высокой интенсивностью света и кратковременностью вспышки (1/100–1/1000 с и короче).

Рис. 5.75. Схемы включения светодиодов

Относительно новый тип искусственного источника света представляют собой лазеры. Лазер, источник электромагнитного излучения видимого, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов, основанный на вынужденном излучении атомов и молекул. Слово " лазер " это аббревиатура наименования такого источника света на английском языке " Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ", что означает "усиление света в результате (при помощи, посредством) вынужденного излучения". В 1954 году советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового квантового генератора радиоволн (мазера) с длиной волны 1,27 см. Заслуги русских ученых в деле развития квантовой электроники, а также вклад американских ученых были отмечены Нобелевской премией. Её получили в 1964 году Н.Г. Басов, А.М. Прохоров и Ч. Таунс.

Лазер включает активный элемент, который может быть выполнен в виде газоразрядной трубки, расширяющегося сопла, прозрачного стержня цилиндрической формы, кюветы со специальной жидкостью или полупроводниковой пластинки, содержащих активное вещество (рабочую среду), способное к вынужденному излучению. Соответственно лазеры разделяются на:

§ твёрдотельные (на рубине, на гранатах или стёклах, активированных неодимом и др.);

§ газоразрядные (на смеси гелия и неона, на ионизированном аргоне, на углекислом газе и др.);

§ жидкостные (на растворах органических красителей);

§ полупроводниковые (на чистых полупроводниках, на контактирующих друг с другом примесных полупроводниках разного типа);

§ химические (на газовых смесях, в которых происходят химические реакции с выделением энергии);

§ газодинамические (на реактивной струе газа).

Связанная с активным элементом функциональная часть лазера, это устройство, создающее в рабочей среде инверсную населенность, или, иначе говоря, осуществляющее накачку лазера. Это может быть оптическая накачка импульсной лампой твёрдотельных лазеров, возбуждение электрическим разрядом газоразрядных, химическая накачка жидкостных и газовых смесей. Способом возбуждения активного вещества являются также поток электронов, солнечная радиация, взрывающиеся проволочки, ядерное излучение.

По характеру излучения энергии лазеры делятся на импульсные, которые излучают энергию с некоторой частотой, и лазеры с непрерывным излучением. Есть лазеры со смешанным режимом работы, например полупроводниковые.

Излучение может быть сосредоточено в узком интервале длин волн, тогда лазер считается монохроматичным либо широкополосным, когда излучение происходит в широком интервале.

Лазеры, у которых непрерывная (средняя) выходная мощность более 10⁶ Вт, называют высокомощными. Выходная мощность в диапазоне 10⁵–10³ Вт характерна для лазеров средней мощности. Если же выходная мощность менее 10^–3 Вт, то это маломощные лазеры.

Эти различия определяются многообразием требований к характеристикам лазера в связи с его практическими применениями.

Характеристикой лазеров, зависящей от строения активного вещества, является длина волны излучаемой энергии. Диапазон волн лазерного излучения простирается от ультрафиолетового до дальнего инфракрасного. Наиболее широкий участок диапазона излучений принадлежит газовым лазерам. Почти полностью перекрывают видимый и ближний инфракрасные диапазоны лазеры на полупроводниках.

Газовые лазеры способны обеспечить значительно более высокую монохроматичность излучения, нежели лазеры всех других типов. Это обусловлено тем, что газовые лазеры, как правило, являются источниками атомных или молекулярных спектров. Поэтому длины волн переходов точно известны, так как они определяются атомной структурой.

Энергетической характеристикой лазеров является мощность излучения. Газовые лазеры непрерывного излучения имеют мощность от 10‾³ до 10² Вт. Мощность генерации линейно поляризованного излучения гелий-неонового лазера в непрерывном режиме обычно составляет десятки мВт. Наиболее мощным лазером непрерывного действия в видимой области спектра является аргоновый лазер. Мощность генерации составляет десятки Вт.

В непрерывном режиме работают полупроводниковые инжекционные лазеры на гетеропереходах, которые при комнатной температуре создают мощность ≈5´10‾² Вт. Полупроводниковые инжекционные лазеры при температуре жидкого гелия достигают мощности 10 Вт, при температуре жидкого озона – 4–5 Вт.

Созданы импульсные газовые лазеры. Некоторые из них в коротких импульсах длительностью порядка 10‾⁹с дают сравнительно высокие пиковые мощности около 10 кВт. В импульсном режиме может работать и СО ₂ лазер. В одном импульсе излучения продолжительностью менее 1 мкс он обеспечивает мощность более 10¹⁰ Вт. Частота повторения импульсов в таких лазерах составляет обычно несколько импульсов в минуту.

Твердотельные генераторы излучают накопленную энергию в импульсном режиме. Характеристикой таких лазеров является энергия импульса. Она измеряется в джоулях и достигает наибольшей величины порядка 10³ Дж. Энергия импульса рубинового лазера около 1 Дж, энергия лазера на иттрий – алюминиевом гранате доходит до 30 Дж. Поскольку длительность излучения генератора на рубине составляет 10^–4 с мощность импульса составляет 10 кВт. Длительность импульсов лазера на иттрий – алюминиевом гранате около 10 нс, мощность импульса 10⁹ Вт, а предельная частота повторения – 500. Наибольшие плотности потоков излучения получены с помощью твердотельных лазеров на стекле с примесью неодима с длиной волны излучения 1,06 мкми в газовых CO ₂ - лазерах с длиной волны излучения 10,6 мкм. Сопоставимую плотность потока излучения дают полупроводниковые лазеры. Они превосходят лазеры всех остальных типов в управлении световым пучком. Модуляция интенсивности света с в них может происходить с постоянной времени порядка 10^-11 сек.

У твердотельных лазеров коэффициент полезного действия составляет от 1 до 3,5%, у газовых 1–15%, у полупроводниковых 25–60%. Низкий коэффициент полезного действия приводит к тому, что для получения приемлемой мощности излучения возникает необходимость охлаждения лазеров до температуры 4–77 К, а это сразу усложняет конструкцию аппаратуры.

Размеры лазеров во многом определяются габаритами активных элементов. Размеры полупроводниковых лазеров могут быть очень малыми – порядка долей миллиметров. Полупроводниковые лазеры используются с наибольшей эффективностью в тех случаях, когда требование к когерентности и направленности не очень велики, но необходимы малые габариты и высокий КПД.

Дата добавления: 2014-12-16