No title

Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umisováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN – technická literatura

[email protected]

123

8.

Jiné zdroje svìtla

Aèkoliv jsou diody LED nejèastìjšími svìtelnými zdroji v optoelektronice, pøesto nesmíme zapomenout na jiné zdroje, napø. laser, plynové výbojky a žárovky.

Laser I když jsou laserové diody zabudovány v každém pøehrávaèi kompaktních diskù (CD) a jsou tedy vyrábìny ve velkých sériích, jsou jako samostatné souèástky pro experimentování zatím ještì pøíliš drahé. Kromì toho pracují laserové diody v pøístrojích pracujících s CD jen v neviditelném infraèerveném (IR) pásmu. Teprve v poslední dobì byly polovodièové diody vyzaøující viditelné svìtlo dovedeny do stadia dokonalosti umožòujícího jejich sériovou výrobu. V prvních laserech nebyly žádné polovodièové diody. Tvoøila je rubínová tyè cílenì zneèištìná atomy chromu, jejíž konce byly s nejvìtší pøesností vybroušeny do rovnobìžnosti a opatøeny zrcadlícím povlakem. Kolem této tyèe byla spirálovì ovinuta elektronová blesková trubice.

Zrcadlo

Rubínová tyè Polopropustné zrcadlo

Bleskovka

Obr. 8.1

Konstrukce rubínového laseru

Když došlo v trubici k bleskovému výboji, byly elektrony atomù chromu „nabity“ energií. Podstatnou vlastností chromu dùležitou pro laser je, že jeho elektrony tuto energii ihned zase neodevzdávají, nýbrž až když jsou k tomu vybuzeny. K tomu dojde, jakmile je takový elektron zasažen svìtelným paprskem urèité barvy. Uchovávaná energie se uvolní ve formì svìtelného paprsku (stejné barvy), který mùže vybudit další elektrony k uvolnìní jejich energie atd.: vznikají malé laviny. Mnohé zaniknou, protože svìtelné paprsky po stranách rubínovou tyè opustí. Jen paprsky šíøící se pøesnì rovnobìžnì s osou tyèe se stále odrážejí mezi obìma zrcadlícími

124 rovnobìžnými konci tyèe. Energie této laviny roste, až tyto paprsky nakonec jako energií nabitý záblesk laseru proniknou jedním z obou koncù tyèe, které ostatnì zrcadlí jen z 90 %. Tak vlastnì vzniká extrémnì úzký svazek laserových paprskù. Obr. 8.2 ukazuje, že svìtelný paprsek, který nesmìøuje pøesnì podélnì, rubínovou tyè pøedèasnì opustí.

Obr. 8.2

Paprsek nesmìøující zcela ve smìru osy rubínové tyèe ji pøedèasnì opustí

Další typickou vlastností svìtla laseru je jeho jednobarevnost (je monochromatické), tzn. že obsahuje jen jedinou barvu. To lze vysvìtlit vlnovým charakterem svìtla. Pøi šíøení paprskù tam a zpátky se tyto nutnì pøekrývají. Pøitom se pøedèasnì mizí paprsky, které nemají vlnovou délku pøesnì zapadající do vzdálenosti mezi obìma zrcadly. Jen tato vlnová délka vede k lavinovému laserovému efektu a spolu s materiálovými vlastnostmi rubínu urèuje barvu vycházejícího svìtla. Existují rùzná provedení laseru. Liší se napø. použitým materiálem. Vedle laserù z tuhých látek, jako je rubínový laser, jsou plynové a dnes i kapalné lasery. Budí-li se laser bleskovou trubicí, dostáváme laserové svìtlo jen po dobu krátkého záblesku (impulzní laser). Proti nim stojí trvale svítící lasery, takzvané lasery s trvalou vlnou. Naopak je možno do konstrukce laseru zabudovat optický ventil, takzvaný Kerrùv èlánek. Ten nejdøíve pøeruší dráhu mezi zrcadly a tím znemoží aktivaci energie elektronù. V této dobì se „pumpuje“ svìtelná energie do laserové tyèe. Když se Kerrùv èlánek zase otevøe, vytvoøí se rychle mohutné laviny, které vyvolají mimoøádnì silný impulz svìtla o trvání 5–50 ns (nanosekund, tedy miliardtin sekundy). Ještì pár poznámek: intenzita ozáøení laserem je 106–1012 W/cm2. Na první pohled se to zdá gigantické (1012 W = 1 TW [terawatt] = 1 milion MW). Protože ale díky extrémnímu soustøedìní svazku èiní plocha jeho prùniku a tedy i osvícená plocha øádovì ètvereèní mikrometry – tj. stomiliontiny ètvereèního centimetru, pohybuje se celkový výkon kolem 10–2 až 104 W. Rovnìž mùže takový úzký svazek laserového svìtla znièit sítnici oka, když na ni dopadne. Pøi manipulaci se zaostøenými laserovými paprsky se musí používat speciální ochranné brýle.

Laserová dioda V podstatì na stejném principu, ale se zcela jinými materiály pracují polovodièové lasery. Pøitom se vlastnì jedná o diody LED, jejichž polovodièový pøechod je tak utvoøen a opatøen zrcadlícími konci, že dochází k laserovému efektu. Laserové diody vydávají svìtlo obsahující ménì energie a jejich paprsky nejsou soustøedìny do tak úzkého svazku jako u výše popsaných laserù. Naproti tomu jsou

125 malé a jednoduše provozovatelné a pøedevším se dá intenzita jejich svìtla regulovat: je pøímo úmìrná proudu laseru. Z tohoto dùvodu se laserové diody hodí pøevážnì k optoelektronickému pøenosu signálù svìtlovody. Bez velkých nákladù se dají pøenášené signály modulovat a jejich svìtlo zavádìt do optického vlákna. Zatímco první laserové diody pracovaly jen v pásmu infraèerveného svìtla, jsou dnes k dispozici i typy s viditelným svìtlem. Prahové napìtí èiní 2–3 V. Úèinnost laserových diod je pomìrnì nízká, to znamená, že vìtšina nashromáždìné elektrické energie se uvolní ve formì tepla. Proto musejí být laserové diody dobøe chlazeny.

Obr. 8.3

Laserová dioda. Její pøechod PN je utvoøen tak, že nastává laserový efekt

Výbojky plnìné plynem Aèkoliv jejich technika je již pomìrnì stará, získávají plynové výbojky v poslední dobì opìt významné postavení. Pojem oznaèující tento druh svìtelných zdrojù zní dnes znaènì zastarale, ale pøesto odkazuje na funkèní princip velké skupiny tìchto zdrojù: v plynu se vybíjí elektrická energie a uvolòuje se ve formì svìtla. Nejjednodušší plynová výbojka, doutnavka, kterou je osazena zkoušeèka napìtí, neobsahuje nic více než dvì elektrody a plynovou náplò neonu nebo helia. Vzácné plyny jsou vlastnì izolátory. Avšak pùsobením okolního tepla, kosmického a radioaktivního záøení stejnì jako elektromagnetických vln v nich stále vznikají jednotlivé nabité („izolované“) atomy plynu. Tyto vlivy z nich uvolòují jednotlivé elektrony. Pøiloží-li se na elektrody napìtí, uvedou se ionizované atomy a volné elektrony do pohybu smìrem k elektrodì s opaènou polaritou, tedy kladné atomy plynu k záporné elektrodì a elektrony ke kladné elektrodì. Na této cestì se srážejí s jinými atomy, které tím rovnìž ionizují a tím uvádìjí do pohybu, zkrátka plynem zaène protékat proud. Pøi kolizích se uvolòuje energie, která je pozorovatelná jako svìtlo. Je to pøemìnìná elektrická energie pocházející ze zdroje napìtí pøipojeného na elektrody.

126

Obr. 8.4

Doutnavka

Zajímavá je proudovì-napìová charakteristika doutnavého výboje. Vykazuje pozoruhodný hrb, což znamená, že doutnavkou teèe urèitý stejný proud pøi dvou rùzných napìtích. Jak si to máme pøedstavit?

Obr. 8.5

Charakteristika U/I doutnavky. Zapalovací napìtí je vyšší než napìtí stabilizovaného výboje

Doutnavky vždy pracují s pøedøadným odporem. Pøipojí-li se sériové zapojení ke zdroji napìtí, proud a napìtí nejprve roste, až se dosáhne zapalovacího napìtí (vrchol køivky). Doutnavka se rozsvítí. Pøitom proud dále roste, avšak napìtí klesá, protože energie pohybujících se nábojù roznìcuje ionizaci. Ve stabilním aktivním stavu je na doutnavce napìtí výboje. Zajímavý je plochý konec køivky. Napìtí je zde konstantní, aèkoliv proud se zmìní o dvì desítky procent. To je vlastnì funkce stabilizátoru napìtí. De facto je doutnavka, a v podobì lampièky nebo vìtší trubice, do jisté míry Zenerovou diodou v elektronkové (od slova elektronka, nikoliv elektron!) technice. Odpor zachycuje napìový rozdíl mezi napájecím a stabilizovaným napìtím. Musí být dimenzován tak, aby jednak mohl doutnavkou protékat dostateèný proud a jednak nekleslo pøi plném zatížení pøipojeným spotøebièem napìtí výboje, protože by doutnavka zhasla.

127

Konstantní napìtí

Obr. 8.6

K získání stabilizovaného napìtí se napájí doutnavková trubice pøes odpor. Na jejích elektrodách je konstantní napìtí výboje

Také prvky pøepìové ochrany jsou stavìny na bázi doutnavky: pøekroèí-li napìtí na jejích elektrodách urèitou hodnotu, plyn se „zapálí“ a napìtí již dále nestoupá. Svodièe pøepìtí jsou nabízeny pro celou øadu aplikací pøepìové ochrany. Elektrické vlastnosti doutnavek, stejnì jako barva jejich svìtla závisí hlavnì na složení plynové náplnì. Zatímco neon svìtélkuje naèervenale, helium doutná spíše žlutì. Pro osvìtlení místností a ulic je k dispozici celá øada rozmanitých plynových výbojek. V poulièních svítilnách se používají vìtšinou monochromatické (jednobarevné) žlutì svítící a velmi úèinné nízkotlaké výbojky plnìné sodíkovými párami nebo vysokotlaké výbojky plnìné párami rtuti s modrobílým svìtlem. Protože tyto páry se samy o sobì nezapálí, pøimíchává se k nim vzácný plyn, ve kterém dojde po zapnutí k doutnavému výboji, který se po krátké zahøívací dobì pøenese na páry kovu. Bìhem této krátké doby vidíme napø. sodíkovou výbojku svítit tmavì èervenì namísto žlutì. Sodíkové výbojky mají nejvyšší svìtelnou úèinnost (zisk svìtla z urèitého množství energie) a ve žlutém svìtle vidí lidské oko velmi ostøe. Avšak kvùli jednobarevnosti není možné rozeznávání barev. Z tohoto dùvodu se doposud v poulièním osvìtlení výraznì prosazovaly i rtuové výbojky. Tlumivka

Doutnavkový zapalovaè

Startér

Odrušovací kondenzátor

Záøivka Doutnavkový startér

Obr. 8.7

Startér a jeho cívka vyrábìjí impulzní napìtí, které pøevyšuje zapalovací napìtí

128 U záøivek a úsporných žárovek (kompaktní výbojky) se jedná o nízkotlaké lampy plnìné rtuovými párami. V porovnání s žárovkami spotøebovávají o 80 % ménì proudu a jejich životnost asi 8000 hodin je zhruba osmkrát vyšší. Jejich plynová smìs vyzaøuje ultrafialové svìtlo, které by stìží bylo vidìt, kdyby na stìnách trubice nebyl nanesen transmiter, tedy látka, která mìní ultrafialové svìtlo na svìtlo viditelné. Té se øíká luminiscenèní látka neboli luminofor. Také záøivky mají na své proudovì-napìové charakteristice hrb, který je nutno pøi startu pøekonat. Vrchol hrbu, tedy zapalovací napìtí, je vyšší než amplituda síového støídavého napìtí. Tento problém se øeší tlumivkou a startérem. Startér je doutnavka s bimetalovými elektrodami. Zapaluje se po zapnutí svítidla. Teplo „doutnajících“ plynù ohýbá bimetalové elektrody, až se zkratují. V tom okamžiku se síové napìtí objeví na tlumivce, tzn. vysokoindukèní cívce, a topných drátech elektrod trubice. Protékající proud nyní nabíjí energií tlumivku a zahøívá elektrody. Bimetalové elektrody startéru se po krátké ochlazovací dobì rozepnou, proud tlumivkou zanikne a to vyvolá impulz napìtí o velké amplitudì pøevyšující zapalovací napìtí a plyn v záøivce se zapálí. Za provozu pak tlumivka plní úlohu pøedøadného odporu, nebo její indukènost pøedstavuje pro støídavý proud odpor. Funkci startéru je možno prokázat malým pokusem, ve kterém se startér použije jinak, než je obvyklé. Obvod tvoøí sériové zapojení startéru a žárovky 25–60 W. Tento pokus je tøeba realizovat s dobøe izolovanými mìøicími šòùrami a laboratorními svorkami, nikoliv s levnými tenkými zkoušecími šòùrami s krokodýlky. K tomuto pokusu je nezbytné pøistupovat velmi opatrnì, protože pøi nìm pracujete s plným síovým napìtím; nejprve propojte obvod do definitivního stavu a teprve pak pøipojte síové napìtí. Po zapnutí se rozsvítí doutnavka startéru. Její plynová náplò se zahøívá, až se sepnou kontaktní elektrody. Nyní je pod plným síovým napìtím žárovka, která proto svítí. Krátce nato se kontakty startéru opìt rozepnou a celý proces se opakuje – žárovka tedy bliká. Záøivky mají znaènì vyšší úèinnost než žárovky. Zatímco bìžné žárovky pro domácnost vyzaøují asi 10 lm/W – lumen na watt je svìtelný tok získaný z 1 wattu elektrické energie, krátce svìtelná úèinnost, zacházejí záøivky pøi své úèinnosti Doutnavkový startér

Obr. 8.8

Startér záøivky jednou trochu jinak: jako blikaè žárovky

129 nad 50 lm/W s elektrickou energií mnohem šetrnìji. Moderní energeticky úsporné žárovky jsou vlastnì rovnìž záøivky. Jejich trubice je kratší a byl pro nì vyvinut povlak luminiscenèní látkou s pøíjemnìjší barvou svìtla. Startér byl do nich integrován, u nìkterých typù i tlumivka. Tyto záøivky je možno našroubovat do obyèejné objímky místo bìžné žárovky. Ovšem z ekologického hlediska je tento typ problematický. Po koneèném opotøebení tìlesa záøivky – a i pøi její dlouhé životnosti k tomu jednou dojde – se nám nabídne neporušená tlumivka. Kdo rád kutí, mùže uèinit z nouze ctnost: tlumivku vymontovat a zapojit ji do série s úspornou žárovkou bez zabudované tlumivky. Pro tento typ záøivek je zapotøebí speciální patice, která je však k dostání. Pøíkony staré a nové záøivky by se mìly shodovat.

Obr. 8.9

Stará pøedøadná tlumivka se jednoduše zapojí do série s novou úspornou žárovkou

Protože záøivky obsahují rtu (která je tekutá), nemìli bychom ji, když se pokazí, jednoduše rozbít nebo vyhodit do domovního odpadu, nýbrž odevzdat jako zvláštní odpad. V mnohých obchodech, kde záøivky prodávají, berou staré zpìt. Fotografické blesky jsou vybaveny xenonovými zábleskovými výbojkami, které jsou také druhem lamp s výbojem v plynu. Vzácný plyn je pod vysokým tlakem. V pøístroji jsou zapojeny paralelnì k vysokokapacitnímu elektrolytickému kondenzátoru, který se pøed zábleskem nabije na 300 V nebo více. Výbojka se zapálí vysokonapìovým impulzem na zapalovací elektrodì. Pøitom teèe z kondenzátoru krátký, ale velmi vysoký špièkový proud. Díky nìmu vykazuje svìtelný záblesk rozdìlení barev, které se velmi blíží spektru denního svìtla.

130 Denní svìtlo

Bleskovka

Obr. 8.10

Porovnání spekter xenonové bleskovky a sluneèního svìtla

Zapojení blesku obsahuje vedle bleskovky a napájecího dílu – v podstatì akumulátoru a napìového mìnièe – zapalovací èást s malým vysokonapìovým transformátorem a øídicí elektroniku, která bìhem doby, kdy výbojka svítí, fotodiodou mìøí svìtlo odražené od pøedmìtu, na který bylo zamìøeno, a pøeruší proud výbojkou, jakmile byl film dostateènì osvìtlen. Obslužný díl

Synchronizaèní kontakt

Øídicí elektronika Tyristorový spínaè

Nabíjecí proud napájení (220 V)

Akumulátor

Obr. 8.11

Mìniè napìtí

Blesková výbojka Elektrolytický kondenzátor blesku

Zapalovací elektroda Zapalovací trafo Zapalování

Principiální zapojení elektronického blesku

Výkon, pøesnìji maximální intenzita svìtla elektronického blesku, je vyjádøena smìrným èíslem. Smìrné èíslo, napø. „32 pøi 21 DIN“, není žádnou fyzikálnì definovanou mírou (jednotkou v soustavì SI), nýbrž vyplynula z fotografické praxe: èím více jsou objekty vzdáleny od aparátu, tím ménì svìtla na nì z blesku dopadá a tím více musí být clona fotoaparátu otevøena (nejmenší èíslo clony!) – jednoduše: