Fényforrások. Németh Zoltán Veres Ádám

Fényforrások Fényforrások jellemzői Fényforrások csoportosítása Szilárdtest fényforrások: LED-ek Hőmérsékleti sugárzók Kisüléses fényforrások (kisnyomású / nagynyomású) Kevert fényű fényforrások Fényforrások foto-biológiai hatásai Lézerek

Németh Zoltán – Veres Ádám 2012.10.04.

GAZDASÁGOSSÁG

FÉNYMINŐSÉG

• Fényhasznosítás • Élettartam

• (Spektrum) • Színhőmérséklet (TC) • Színvisszaadás (Ra)

Környezettudatosság!

Egyéb technikai adatok • Felfutási idő • Újragyújtási idő • Sugárzási szög

Fényhasznosítás A fényforrás által kibocsátott fényáram és a felvett villamos teljesítmény hányadosa Összes kisugárzott teljesítmény

Fényáram

Felvett elektromos teljesítmény

fotopos látás esetén (λ = 555nm) Kmax = 683 lm/W

A vizsgált fényforrás 1 W felvett teljesítményből hány lm fényáramot képes előállítani

Fényforrások élettartama Empirikus kiégési jelleggörbe (izzólámpa) Élettartam definíciók: • • • • •

 U tényleges   Tvárható    Un 

13,1

Tn

 0,85U n   Tvárható    Un 

Átlagos Egyedi Névleges Prognosztizált Garantált

13,1

Tn  8,4 *1000  8400h

Fényforrások élettartama Példa: Milyen élettartam várható annál az izzólámpánál, amelyet úgy üzemeltetünk naponta 2 órát, hogy hajnalban 1 órát túlfeszítetten (+5%), este 1 órát alul feszítetten (-5%) üzemel? (Tnévleges = 1000 h) Hajnalban:

Thajnal  1,0513,1 *1h  0,5h 1 óra alatt 2 órát öregszik!

Este:

Teste  0,95

13,1

 2h

1 óra alatt 0,5 órát öregszik (élettartam „megduplázódik”) Névleges élettartam

2 Tvárható  1000  0,8 *1000h  800h 2,5 Tényleges élettartam

Forrás: BME-VIK, Világítástechnika, előadás (2009)

Színhőmérséklet Hőmérsékleti (termikus) sugárzás A kellően nagy hőmérsékletű test az energia egy részét fény formájában is kisugározza. A kisugárzott fényenergia a test hőmérsékletének növelésével növekszik. Azonos hőmérsékletű testek közül az sugároz legjobban, amelyik a sugárzást legjobban elnyeli. Minden rá eső fényt tökéletesen elnyel, vagy kibocsájt (elméleti)

Fekete test sugárzás  Pl. Nap (csillagok), tűz, izzók, stb.  Színhőmérséklet, Planck-görbe

Megvalósítása: gondosan hőszigetelt, fekete belső felületű platina cső, indukciós fűtéssel

Planck-törvény

h: a Planck állandó 6,626176×10-34 Js k: a Boltzmann állandó 1,38×10-23 J/K

Színhőmérséklet 2. Stefan-Boltzman-törvény Abszolút fekete test által kisugárzott energia:

σ: Stefan-Boltzman állandó

Wien – Planck féle eltolódási tv: λT= áll. A maximális intenzitás hullámhossza annál kisebb, minél nagyobb a sugárzó test hőmérséklete.

Színhőmérséklet: a fekete sugárzó valódi hőmérséklete, amelynek színe megegyezik a vizsgált szürke sugárzó színével. A színhőmérséklet a fényforrás spektrális eloszlását jellemzi, a színérzetet meghatározó fogalom. Jele: F vagy Tc Mértékegysége: K (Kelvin)

• Meleg < 3500K • Semleges 3500K – 5500K • Hideg > 5500K

Szürke sugárzó: olyan hőmérsékleti sugárzó, amelynek spektrális emissziós tényezője a figyelembe vett hullámhossztartományban < 1 és független a hullámhosszúságtól. Így színe is megegyezik az azonos hőmérsékletű fekete sugárzóéval.

Színhőmérséklet

Színhőmérséklet 3. Korrelált színhőmérséklet A fekete test azon valóságos hőmérséklete, amelyen a fekete test színe a legjobban hasonlít a kérdéses sugárzó színére. „legjobban hasonlít” csak olyan színpontokra igaz, ahol a távolság nem nagyobb 10 megkülönböztethető árnyalatnál. 0,9 520 nm 0,8

540 nm 510 nm

0,7

560 nm

G

0,6

* Planck sugárzók vonala

500 nm 0,5 y

580 nm

0,4

2000 K 4000 K

0,3

600 nm R

7000 K 650 nm 100 000 K

0,2

0,1

475 nm B 450 nm

0 0

0,1

400 nm 0,2

0,3

0,4 x

0,5

0,6

0,7

0,8

Színvisszaadási index Arra szolgáló mérőszám, hogy a vizsgált sugárzóval megvilágított, kiválasztott színminták színe milyen mértékben változik meg a referencia sugárzóval megvilágított színükhöz képest Színrendszerek: CIE Luv

• Ri egyedi színvisszaadási index • Ra általános színvisszaadási index

A spektrális telítettséget jellemző fogalom. Az adott színhőmérsékletű összehasonlító sugárzás által keltett színérzettől való eltérést mutatja.

Színvisszaadási index

Vizsgálatok

Felfutási idő az az időtartam, amely alatt a fényforrás eléri fényárama 95%-át. • 6s > rövid felfutási idejű • 6s < hosszú felfutási idejű

Sugárzási szög

Spektrum • folytonos (pl. izzólámpa) • tüskés (pl. fénycsövek) • (kvázi) monokromatikus (pl. lézer, nem fehér LED)

FÉNY KELETKEZÉSE ALAPJÁN LUMINESZCENCIA

• • • • •

Vegyi / biológiai: foszfor oxidációja, bogarak Katódlumineszcencia: katódsugárcső HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Fotolumineszcencia: fénycsövek • Nap, tűz, izzólámpák Elektrolumineszcencia: LED diódák Radiolumineszcencia: pl. Cserenkov sugárzás - atomreaktorokban Az a jelenség, amikor egy anyagot (pl. foszfort) ionizáló sugárzás ér (becsapódó sugárzó részecske összeütközik egy atommal vagy egy molekulával ), és ennek következtében gerjeszt egy pálya menti elektront egy magasabb energia szintre -> foton emittálás történik

FÉNYFORRÁSOK RENDSZERE:

Rádium számlapos óra, 50-es évek

Hőmérsékleti sugárzók

Kisülőlámpák

Szilárdtest sugárzók

• Izzólámpák • Halogén izzólámpák

• Kisnyomású • Nagynyomású

• LED-ek

FÉNYFORRÁSOK HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓK

HAGYOMÁNYOS

KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK

FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK

HALOGÉN

LED-EK KISNYOMÁSÚ

FÉNYCSŐ

HAGYOMÁNYOS

INDUKCIÓS LÁMPA

KOMPAKT

(Félvezető LÉZEREK)

NAGYNYOMÁSÚ

KISNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA

HIGANYLÁMPA

XENON LÁMPA

FÉMHALOGÉN LÁMPA

NAGYNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA

ILCOS

I

L

Co

S

 I – izzólámpa (incandescent lamp)  H – halogénlámpa (halogen lamp)  F – fénycső (fluorescent lamp)  S – nátriumlámpa (High pressure sodium lamp  L – kisnyomású nátriumlámpa (low pressure sodium lamp)  M – fémhalogénlámpa (metal halide lamp)  Q – higanylámpa (high pressure mercury lamp, Quecksilberdampf Hochdrucklampe)


• 1907 H.J. Round SiC kristálynál sárgás-kékes fényjelenség • 1927 Oleg Losev – 1. fényemittáló dióda bejelentése (SiC) • Elektrolumineszcens fényforrás szabadalma – Szigeti Gy., Bay Zoltán • 1955 Rubin Braunstein – IR sugárzás diódáknál (GaAs, InP, SiGe) – IR LED (1961) • 1962 Nick Holonyak (GE) – 1. látható tartományban emittáló vörös LED (GaAs) • 1967 – Első LED a piacon: 7 szegmensű kijelzők, 1972-ben első digitális óra • 1972 – Első sárga LED, később zöld LED-ek • 1995 - Shuji Nakamura – Első kék LED (InGaN, GaN p típ. adagolása zafír hordozón) • 1997 – Első fehér (foszfor fényporos ) LED • 2001 – Első UV LED


Gyártástechnológiai fejlesztések • Első (IR, vörös) LED-ek előállítási költsége 200 $ /db

• Gyártástechnológiai fejlesztések – 70-es évek ~ 5 Cent /db • Átlátszó indium-ón oxid (ITO) kontaktusok (1995) • 2009 – GaN alapanyagú LED-ek már Si hordozókon is ~ epitaxiás költségek 90%-kal olcsóbbak • Haitz-törvény: fényáram exponenciális növekedése


Alkalmazási területek • Folyamatosan bővül

• Kijelzők, jelzőlámpák • Járművilágítás • Általános világítási alkalmazások • Lámpák • Dísz és kiemelő világítások • Panel háttérvilágítások


Fizikai besorolás: • Elektrolumineszcens sugárzó: • Az emisszió elektromos energiával létrehozott kölcsönhatás eredménye; • SSL (Solid State) fényforrás család;

INJEKTÁLT ELEKTROLUMINESZENCIA

• A félvezető p-n átmenetében létrejövő elektron-lyuk rekombináció → FÉNYKIBOCSÁTÁS adott %-ban

Külső feszültség gerjesztő hatására Külső feszültség: p-n átmenetre nyitóiriányú feszültség (1,5 … 4 V, sávszélesség szabja meg)


Direkt (közvetlen) sávátmenet

Indirekt (közvetett) sávátmenet

a vezetési sáv minimuma egybeesik a vegyértékkötési sáv maximumával

a vezetési sáv minimuma nem esik egybe a vegyértékkötési sáv maximumával

(Megfelelő anyagok, adalékolás)

Periódusos rendszer III. és V. oszlopából vett elemek vegyületei

(Si, Ge diódák)

Foton emisszió elenyésző

Sávszerkezet (tiltott sávszélesség) határozza meg a maximális emissziós hullámhosszat!


Nyitófeszültségek (tiltott sávszélesség)

Feszültség stabilizáló áramkör LED-ek anyagai


Különböző színes LED-ek spektrális telj. eloszlása

Fehér LED spektruma


Fény kilépése, chip kialakítások • Nagy törésmutató különbség a határfelületeken • Kilépési kúpok, kritikus kilépési szög • Előtét optikák (lencsék) hármas szerepe • Átlátszó anyag, elektródák • Szelektíven növesztett chip


KIALAKÍTÁSOK

• Furatszerelt (THD) • SMD • Multichip LED • COB (Chip On Board) • Power LED (HPLED)



Fehér LED-ek előállításának lehetséges módjai •

Kék fényforrás + sárga fényporok segítségével (foszfor alapú YAG:Ce)

•

UV fényforrás + sárga fénypor

•

2 fényporos LED-ek (zöld+piros csúcs sárga helyett)

•

RGB LED-ek

•

Kék+sárga komplementer színek

•

Stokes-eltolódás (jelentős veszteségek)

•

Folyamatos spektrum, 2 jellemző csúccsal


A sugárzás hullámhossza a félvezető anyagtól és a szennyezéstől függ • Élettartam: 100.000 óra (?)

Erősen HŐMÉRSÉKLETFÜGGŐ!! (Katalógusadat vs. valóság?)

• Fényhasznosítás + fényáram • • • • • • •

Színhőmérséklet változó Színvisszaadás kiváló (akár 85-90) Nagy fénysűrűség → optika! Közel monokromatikus (ha színes) Folyamatos színkép (fehér) Rendkívül gyors felfutás, újragyújtás (ms) Tág sugárzási szög tartomány!

Egyetlen más fényforrás sem képes erre!

Folyamatosan nő! ~120 lm/w Akár 1500 lm @ 1000mA


Fényhasznosítás fejlődése 100

AlInGaP/GaP

lm/W AlInGaP/GaP AlInGaP/GaAs AlGaAs/AlGaAs InGaN

10

AlGaAs/AlGaAs GaAsP:N GaAs:N 1

GaAsP

SiC

GaP:Zn3O

GaAs0.6P0.4 0.1 1960

1970

Nichia: GaN zöld: HP: Fehér: Agilent/Philips:

1975

1980

1985

15 lm/W -> 70 lm/W 50 lm/W 40 lm/W, 58% hatásfok 40 lm/W 102 lm/W

1990

1995

2000

2020

Megj.: V(λ) miatt, egy vörös vagy egy kék LED hiába erősebb, az elméleti hatásfoka kisebb!


Hőmérséklet hatása a spektrális emisszióra


Hőmérséklet hatása a fényáramra

HŰTENI - HŰTENI - HŰTENI!!!


LED SZABÁLYOZÁS • A fényteljesítmény közel lineáris az áramerősséggel egy szakaszon • Áramgenerátoros meghajtás szükséges! • Gond: legjobb hatásfok a gyártó által megadott meghajtó áram mellett érhető el

• PWM Pulse Width Modulation • Szabályozás kitöltési tényezővel • LED meghajtó árama modulálható

HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓ

DEF.: Olyan fényforrás, amelyben a fényt villamos árammal hevített izzószál bocsátja ki. Működésének fizikai alapelvei a hőmérsékleti sugárzás és a villamos áram hőhatása. Geometriája, konstrukciója és világítástechnikai szerepe szerint igen sokféle lehet. Hagyományos

Izzószál: magyar szabadalom! Juszt és Hanaman 1905. Halogén

Vákumlámpa (kb. 10-3 Pa)

Halogén ciklus: • •

az elpárolgó wolfram atomok el se jussanak a buráig, hanem kerüljenek vissza a spirál közelébe A kisebb és stabilabb lámpaburák →töltőgáz nyomásának növelése → wolframszál párolgási sebessége csökken

Fényhasznosítás és élettartam nő

hátránya: az izzótest nagyon párolog (sebessége exp.↑Tvel)→bura feketedés→Φés Tn ↓

Gáztöltésű lámpa • • •

Kémiailag közömbös gáz Nemesgáz, nitrogén hátránya: ↓az izzószál T;↑bura T→Φ ↓


TELJESÍTMÉNYSZABÁLYOZÁS:

• Feszültséggel látszólag jól szabályozható 𝑃=

𝑈2 , 𝑅

de R a hőmérséklettel nő!

• A névleges fesz. túllépésével az élettartam lerövidül → aláfeszítjük: élettartam nő! 𝑇0 𝑈 = 𝑇 𝑈0 • Széles választék, mind teljesítményben (15 W … 2-3 kW), mind formában • Kis fényhasznosítás (η ~ 13 lm/W, halogén: 30lm/W) → kisebb egység fényáram • Rövid felfutási idő • Rövid újragyújtási idő • Rövid élettartam max. 1-2000h (halogén: 5000h) • Kiváló színvisszaadás • Meleg színhőmérséklet (~3500 K) • Folytonos spektrum

𝐶

, 𝑎ℎ𝑜𝑙 𝐶 = 13,5

KIHALÁSRA ÍTÉLVE! 


IZZÓLÁMPA → ENERGIAFOLYAM

KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK

 A kisülőlámpáknál a fény egy, a gázban történő elektromos kisülés hatására folyékony vagy szilárd adalékanyagok segítségével jön létre, ahol a fényforrások üzemeltetéséhez egy előtétkészülék, a kisülés beindításához pedig egy gyújtókészülék használata szükséges. Gázatom (rendszáma n): • magjában n számú proton, és neutron (=tömegszám) • a mag körül n számú elektron kering (meghatározott pályákon) • az energiaszintek szigorúan meghatározottak! az elektronok két csoportja: • erősen kötött elektronok (az atommag közelében) • vegyérték- (valencia) elektronok (külső pályákon)

VALENCIA ELEKTRONOK: • kémiai kötések létrehozása • könnyen gerjeszthetők • nagyobb energiával leválaszthatók az atomról (ionozás)

KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK → KISNYOMÁSÚ

Kisnyomású, higannyal és nemes gázzal töltött kisülőlámpa, amelyben túlnyomórészt a higany ultraibolya tartományban levő vonalai (185 és 253,7 nm-es un rezonancia vonalak ) gerjednek, s az UV sugárzást a cső belső falára vitt fénypor réteg alakítja át látható fénnyé (fotolumineszencia). • ELŐTÉT: áramkorlátozás, a lámpán a névleges áram folyjon keresztül • GYÚJTÓ: előírt nagyságú és fázisú gyújtóimpulzus létrehozása • Jó fényhasznosítása (60-90 lm/W) • hosszú élettartama (10.000 óra) • széles színhőmérséklet választéka (2700 K – 6500 K)

KOMPAKT fénycső Gond: méretezés. Áramsűrűségre és Térerősségre való méretezés!


VONALAS SPEKTRUM

Különböző színhőmérsékletű háromsávos fénycsövek spektruma.


FÉNYCSŐ → ENERGIAFOLYAM


• Elektróda nélküli fénycső, ún. indukciós lámpa: kisülést itt nem az elektródákból kilépő elektronok, hanem a kisülőcső belsejében létrehozott nagyfrekvenciás elektromágneses tér hozza létre. • A lámpa úgy képzelhető el, mintha egy rádióadó lenne a lámpafejbe beleépítve, amely teljes teljesítményét a kisülőcsőbe sugározza és a lámpa az elnyelt teljesítmény hatására világít. • *30-50 lm/W • Hosszú felfutási és újragyújtási idejű • Élettartamuk: gyártó függő 60kh is lehet • Vonalas színkép


• jelenleg legjobb fényhasznosítású lámpák a nátriumlámpák • a kibocsátott fény monokromatikus, tehát színek nélküli volta miatt épületek világításánál szóba sem jöhetnek! • Teljesítmény: 35 – 55-(200) W; Fényáram: 40 klm-ig • *200 lm/W • Hosszú felfutási és rövid újragyújtási idejű • Élettartamuk: 10-15 kh • Színhőmérséklet: kisebb 2000 K • Színvisszaadás rossz • Gyakorlatilag monokromatikus sugárzó


KISNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA→ ENERGIAFOLYAM

KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK → NAGYNYOMÁSÚ

A fémhalogén lámpa kettős üvegburából áll. A belső un. kvarcüveg kisülőcsőben higanyon kívül fémhalogénidek vannak. A kisülőcsőben vagy segédelektróda vagy gyújtó impulzus segítségével indul meg a fényt gerjesztő kisülés. A külső üvegbura készülhet fénypor bevonattal vagy anélkül. Alkalmazás: nagy terek megvilágítása, stadionok, pályaudvarok. • Teljesítmény: 20 -3500 W; Fényáram: 2,0 130 klm • * 85-130 lm/W • Hosszú felfutási és újragyújtási idejű • Élettartamuk: 5-18 kh (gyártó függő) • Színhőmérséklet:3000 – 6500 (10000) K • Színvisszaadás: 80 - 95 • Vonalas színkép • További nagynyomású lámpák: higanylámpa, kevertfényű lámpa, Nátriumlámpa (nagynyomás: 105 – 106 Pa)

Sugárzások élettani hatásai Biológiai hatásfüggvény XB

„hatásos” sugárzott teljesítmény

KB

arányossági tényező

B(λ)

biológiai hatásfüggvény

Xe(λ)

sugárzástechnikai mennyiség spektrális eloszlása

UV sugárzás élettani hatásai

Kötőhártya gyulladás

Bőrpír Lebarnulás

Szem és a bőr károsodása

PET-UV t –megengedett besugárzási idő E –a besugárzás mértéke Palackok fertőtlenítése, tisztítása

VIS élettani hatásai  Direkt pigment képzés (lebarnulás)  Bilirubin lebontás (újszülöttek besárgulása)

(380÷520 nm ; maximum ~450 nm-nél)  Fotoszintézis  Klorofilszintézis  Fototropizmus

növényeknek a fény irányába történő fordulása, növekedése

IR élettani hatásai Technika és orvostudomány régóta használja, bár a hatásfüggvények kevésbé ismertek. IR-A (közeli IR) Vérbőséget okoz, javítja az anyagcserét (infralámpák terápiás hatása) Szemlencsében és üvegtestben irreverzibilis káros hatások (kemencéknél dolgozók, IR tartományban működő lézerekkel dolgozók  SZEMÜVEG!!!) Hőhatás (hályogképzés)

IR-C (közepes, távoli IR) Biológiai hatása még alig felderített

Foto-biológiai hatások mérése Mind az IV a VIS és az IR érzékenységi függvények spektrális méréseken alapulnak. Egy fényforrás spektrális eloszlásának mérése spektroradiométer segítségével történik. Általában a különböző spektrális érzékenységek és a világítás spektrumának szorzata adja ki, hogy a vizsgált fényforrás mennyire veszélyes (pl. conjunctivitisre vagy bőrrákra). CIE előírás van pl. a kék fény kápráztató hatására ill. az IR-re (IEC 62471 CIE S 009:2002) - Retinal blue light hazard és thermal hazard. Ez a spektrális mérést súlyfüggvényekkel szorozza és integrálja. Ebből besugárzás (irradiance) értéket számol és látószögtől függően időkorlátot ad a besugárzás megengedett tartamára.

Geometriai optika Fénysugarak Anyagjellemzők, törési törvény Lencserendszerek

Hullámoptika Hullámtulajdonságok Diffrakció Interferencia

Kvantumoptika Atomi szint Elektromágneses sugárzás, Maxwell egyenletek, Planck-törvény Spontán és indukált emisszió Lézerműködés

Bohr-féle atommodell Kvantált energiaszintek Energiaszint ugrás – rekombinálódás Spontán emisszió

Einstein és az indukált emisszió Bohr-feltétel kielégítése abszorpció nélkül Azonos tulajdonságokkal rendelkező emittált foton indukálása

A Palnck-féle sugárzási törvény Kapcsolat a fotonok energiája és frekvenciája közt

LASER mozaikszó: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Mit is jelent ez? Tételesen: Light Amplification Stimulated Emission Radiation

Ezt értjük, fénnyel foglalkozik a tantárgy Számíthatunk némi erősítésre Einstein is képbe kerül Ebben sincs sok meglepő

Hogy jön létre? Atomi szintek betöltöttsége alapállapotban Populáció inverzió Rezonátor

Kell hozzá: Lézeraktív anyag Rezonátor Pumpálás / populáció inverzió Kicsatolás

Koherencia Nagy koherenciahossz (Koherencia – összetartozás)

Divergencia Kis divergencia (Divergencia – Széttartás)

Monokromatikusság Azonos energiájú fotonok – szűk sugárzási tartomány

Energia Kis térfogatba nagyon nagy energia koncentráció - Abszorbció

Koherencia Nagy koherenciahossz (Koherencia – összetartozás) INTERFERENCIA KÉPES – INTERFEROMETRIA / HOLOGRÁFIA

Divergencia Kis divergencia (Divergencia – Széttartás) ALACSONY SZÓRÓDÁSI VESZTESÉG ENERGIA KONCENTRÁCIÓ

Monokromatikusság Azonos energiájú fotonok – szűk sugárzási tartomány RAMAN SPEKTROSZKÓPIA

Energia Kis térfogatba nagyon nagy energia koncentráció – Abszorpció NAGY ENERGIAMENNYISÉG ELNYELETÉSE, MEGMUNKÁLÁS

Lézeraktív anyag szerint: Gázlézerek Szilárdtest lézerek Folyadék lézerek

Pumpálás módja szerint: Fénnyel pumpált Villanólámpás pumpálás Lézerdiódás pumpálás

Populáció inverzió kémiai úton

Működési mód szerint Folyamatos működésű lézer Impulzus lézer

Fényforrások. Németh Zoltán Veres Ádám

Recommend Documents