Использование энергии оптических излучений

Оптическое излучение - это часть спектра электромагнитных колебаний с длиной волны от 10 нм до 340000 нм. Весь спектр оптических излучений разделяют на три больших области:

1. Ультрафиолетовое (УФ) излучение с длиной волны,

l = 10 ...380 нм;

2. Видимое излучение (ВИ), l = 380...760 нм;

3. Инфракрасное (ИК) излучение, l = 760...340 × 10³ нм.

Для технологических целей используют УФ- и ИК-излучения. Видимое излучение используется для освещения рабочих мест, сигнализации и решения некоторых технологических задач.

Оптическое излучение оценивают энергетическими и эффективными величинами, предусмотренными Международной комиссией по освещению (МКО).

Энергетические величины учитывают количество энергии, переносимой излучением. Эффективные величины учитывают эффективность зрительного, бактерицидного, эритемного и других видов воздействия. Эффективность воздействия ИК - излучения определяется при помощи энергетических величин.

Единицей светового потока (Ф) является люмен (лм) 1 лм = 1/683 Вт при однородном излучении на длине волны 554 нм.

За единицу силы света (I ) принята канделла (кд), которая характеризует силу света равномерно излучающего точечного источника, формирующего световой поток в 1 люмен внутри телесного угла ω величиной 1 стерадиан (ср).

. (7.1)

Под освещённостью (Е) понимают отношение светового потока (Ф), падающего на поверхность, к площади этой поверхности (S).

. (7.2)

За единицу освещённости принят люкс (лк). 1 лк = 1 лм/м²

Для потока ультрафиолетового и инфракрасного излучений используют свои, специфические единицы измерений (см. табл. 7.1). На практике также часто используют дольные единицы, такие как мэр (милиэритема), мб (милибакт) и др.

Облученность как и освещённость, измеряют в единицах: эр/м²; ар/м²; бакт/м²; фит/м²; для ИК излучения - Вт/м².

Доза облучения (Д), характеризующая количество лучистой энергии, полученной объектом за время облучения Т_обл, определяется как

Д = Е × Т_обл . (7.3)

Измеряется Д в эр×ч/м², бакт∙ч/м² и т.д.

Для получения всех перечисленных видов излучений в качестве источников используют различные лампы, работающие на электрической энергии.

Источники излучений, в том числе и видимого излучения, оценивают светоотдачей (h_с), под которой понимают отношение светового потока Ф, формируемого источником к электрической мощности Р, подводимой к этому источнику.

(7.4)

Таблица 7.1 - Единицы измерения потоков излучений

Важным эксплуатационным параметром излучения является также срок службы (Т ), измеряемый в часах.

Лампа накаливания – до недавнего времени самый массовый источник светового излучения. Его преимущества: низкая цена, привычность, простота схем светильников, в которых он используется, малые габариты. Средняя световая отдача лампы с вольфрамовой спиралью равна примерно 12 лм/Вт. По сравнению с другими, это неэффективный источник света. Большая часть излучения спирали находится в невидимом ИК спектре. Проще говоря, такие лампы гораздо больше греют, чем светят.

Лампа накаливания состоит из стеклянного баллона, вольфрамовой нити накала и цоколя. Она работает в результате теплового излучения нити накала. В современных лампах нить выполнена в виде спирали из вольфрама (температура плавления 3370⁰С). В зависимости от типа ламп нить накала может быть моноспиральной (односпиральной), биспиральной (дважды спиральной) и трижды спиральной. Температура накала нити достигает 2500...2700⁰ С. В процессе горения лампы вольфрам постепенно испаряется и оседает на стенках колбы. Этот процесс обуславливает уменьшение светового потока, формируемого лампой, и является причиной выхода ее из строя. Срок службы ламп накаливания не превышает 1000 часов. Основные параметры ламп накаливания и других источников света приведены в табл. 7.2.

Разновидностью ламп накаливания являются галогенные лампы. По устройству они подобны лампам накаливания, однако есть и отличия. При их производстве используются гораздо более совершенные технологии и материалы. В объем колбы этих ламп вводятся йод, бромистый метил (СН₃Вr) или метилен брома (СН₂Вr₂). Эти вещества испаряются при температуре в несколько сотен градусов Цельсия и соединяются с испарившимся вольфрамом, который оседает на стенках колбы. При этом образуются летучие соединения, которые взаимодействуют с вольфрамом спирали. За счет этих процессов, составляющих галогенный цикл, испаренный вольфрам возвращается на нить лампы. При этом температуру нити возможно повысить до 3000^оС и срок службы лампы удлиняется в 2-3 раза. Возрастает так же светоотдача лампы до 20…30 люмен/ватт на протяжении всего срока службы без снижения светового потока.

В галогенных лампах необходимо строго обеспечивать расстояние между спиралью и стенками колбы, при котором галогенный цикл наиболее эффективен. Это расстояние значительно меньше, чем у обычных ламп накаливания, что обуславливает требование повышенной теплоустойчивости колбы. По этой причине галогенные лампы изготавливаются из кварца, цена их существенно выше, но и свойства намного лучше. Служит галогенная лампа около 4000 часов.

Люминесцентная лампа представляет собой трубку из обычного стекла, внутренняя поверхность которой покрыта белым кристаллическим веществом - люминофором. При облучении люминофора ультрафиолетовыми лучами он излучает видимый свет. На концах трубки закреплены электроды, подобные нитям ламп накаливания. Из трубки откачан воздух, а пространство заполнено разреженной смесью аргона и парами ртути при давлении не более 100 Па. Электрический ток, протекающий между электродами, вызывает в газовой смеси электрический разряд.

Возникающие в результате этого разряда ультрафиолетовые лучи облучают люминофор, и он начинает светиться видимым светом. Светоотдача люминесцентных ламп высокая, примерно 40 – 80 лм/Вт, цветопередача - около 85%, срок службы - 10 тысяч часов.

Из-за не слишком хороших характеристик по цветопередаче изготовители делят свои изделия на несколько групп по цвету излучаемого света и ставят соответствующие условные обозначения. За счет применения люминофора различного состава получают разные оттенки видимого излучения люминесцентных ламп - от холодного белого до теплого белого света.

Из приведенных в табл. 7.2 источников света в бытовых условиях и на производстве наиболее часто применяются лампы накаливания и люминесцентные лампы в светильниках, оборудованных электромагнитными пускорегулирующими аппаратами (ЭМПРА), в состав которых входит дроссель LL с фильтрующим конденсатором С₁ и стартер SF с вспомогательным конденсатором С₂ (Рис.7.4, а). Это наиболее дешевые энергосберегающие источники света. Более современные источники, получающие все большее практическое использование, – это галогенные лампы и светильники с люминесцентными лампами, оборудованные электронными пускорегулирующими аппаратами (ЭПРА, рис.7.4, б). Они дороже по стоимости, однако имеют лучшие световые и эксплуатационные характеристики.

Рис. 7.4 – Схемы включения люминесцентной лампы: а) схема с ЭМПРА; б) схема с ЭПРА (электронный пускорегулирующий аппарат)

В настоящее время находят всё более широкое распространение новые разработки люминесцентных источников света - компактные люминесцентные лампы (КЛЛ), которые имеют цоколь, как и у ламп накаливания и оборудованы ЭПРА. Они обладают светоотдачей до 50 лм/Вт и выше и больший (5-8 раз), чем у ламп накаливания срок службы. КЛЛ не содержат ртуть в чистом виде, а только в виде амальгамы.

Дуговые ртутные люминесцентные лампы высокого давления типа ДРЛ имеют преимущества по сравнению с люминесцентными лампами: высокая световая отдача - до 50 лм/Вт, отличаются большой электрической мощностью и значительным световым потоком.

Лампа ДРЛ (рис. 7.5, а) представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находится ртутно-кварцевая горелка. Баллон заполнен углекислым газом и изнутри покрыт люминофором, который преобразует спектр ртутной кварцевой горелки в видимое излучение. Лампы ДРЛ выпускают в основном четырёхэлектродными. Четырёхэлектродная лампа имеет два дополнительных электрода, расположенных рядом с главными и соединёнными с противоположными катодами посредством дополнительного сопротивления. Дополнительные электроды служат для облегчения зажигания лампы. При включении лампы между дополнительными электродами и ближайшими катодами возникает тлеющий разряд, обеспечивающий необходимую ионизацию газа. В результате ионизации разряд устанавливается между основными электродами, так как сопротивление газового промежутка между ними меньше сопротивления включенных в сеть дополнительных электродов. Срок службы четырёхэлектродных ламп около 8000 ч.

Пускорегулирующие аппараты четырёхэлектродных ламп изготавливают для напряжения 220 В. На рисунке 7.5,б показана схема включения четырёхэлектродной лампы. Она состоит из дросселя LL и конденсатора С. Эту схему применяют для зажигания четырёхэлектродной лампы при комнатной температуре. Для зажигания ламп при низких температурах (до –30⁰ С) применяют схему включения, изображённую на рисунке 7.5,в. В этом случае лампу включают через трансформатор ТV с большим рассеиванием. Трансформатор даёт возможность в момент зажигания получить импульс напряжения до 300 В и больше.

Лампы ДРЛ чаще всего применяются для уличного и производственного освещения, то есть для условий, когда не предъявляется особых требований ко времени включения и цветопередаче.

Улучшить состав спектра разрядных ламп высокого давления можно без люминофора, путем введения в объем ртутно-кварцевой горелки йодидов некоторых металлов. Такую конструкцию имеют металлогалогенные лампы (МГЛ) типа ДРИ. Такие устройства позволяют без люминофора получать спектры видимого излучения при высоком КПД (см. табл.7.2).

Рис. 7.5 – Лампа ДРЛ и схемы ее включения: а) конструкция лампы; 1-внешняя стеклянная колба; 2-слой люминофора; 3-разрядная трубка из кварцевого стекла; 4-рабочий электрод; 5-зажигающий электрод; 6-ограничительные резисторы; б) схема включения при температуре среды до –14…-20оС; в) для зажигания при температуре до –30оС

Еще больший световой КПД имеют лампы с наполнением из натрия вместо ртути (НЛВД). Ввиду высокой агрессивности паров натрия разрядная колба выполняется из чистой окиси алюминия. Кроме того, в этих лампах для нормальной работы необходимо строго выдерживать температурный режим, что требует усложнения пускорегулирующей аппаратуры. Эти обстоятельства удорожают применение данных источников света.

Светодиоды в качестве источников света начали применяться в шестидесятых годах XX века. Принцип действия светодиодов, как полупроводниковых приборов, основан на преобразовании электрической энергии непосредственно в световое излучение. Первые светодиоды излучали только красный, желтый и зеленый свет, давали световой поток величиной около долей люмена, что позволяло их использовать только в качестве индикаторов в разнообразных технических устройствах. В 1985 г. были разработаны светодиоды со световым потоком от 1 до 100 лм, которые начали применяться в качестве световых элементов в системах освещения автомобилей и других транспортных средств. К 1990 г. световая отдача светодиодов достигала 10 лм/Вт, т.е. стала примерно такой же, как и у ламп накаливания. Однако для систем искусственного освещения светодиоды были практически непригодны, так как не излучали белый свет. Разработка в 1993 г. синего светодиода дала мощный толчок для дальнейшего развития светодиодной техники, так как комбинация синего, зеленого и красного способна давать белый свет и, значит, создавать разнообразные оттенки светового излучения. С середины 90-х годов прошлого века светодиоды широко применяются в системах визуализации информации, а также разрабатываются светодиодные устройства для осветительных установок. При этом большое внимание уделяется снижению себестоимости производства светодиодов, поскольку именно высокая цена является основным фактором, сдерживающим массовое их применение в качестве источников видимого света.

Схема включения одиночного светодиода (VD2) приведена на рис. 7.6. При напряжении питания U~ = 2…5В потребляемый ток ограничивается резистором R_ОГР. Вспомогательный диод VD1 необходим для выпрямления переменного напряжения U~.

Длина волны светового излучения светодиода, то есть его цвет, зависит в основном от химического состава используемых полупроводниковых материалов.

Рис. 7.6 – Схема включения светодиода

Важнейшими материалами, применяемыми в светодиодах, являются алюминий, галлий, индий, фосфор, которые используются для получения светового излучения в диапазоне от крас-

ного до желтого цвета, с длиной волны λ= 760-560 нм. С помощью индия, галлия и азота получают зеленое, голубое и синее свечение (λ = 560-450 нм). Добавление люминофора к кристаллу, вызывающего голубое свечение, позволяет получить светодиод с белым цветом светового излучения. Усиления яркости свечения светодиодов добиваются введением в полупроводниковые материалы специальных добавок и присадок, а также применением многослойных структур (так называемых гетероструктур), что позволяет реализовать в одном кристалле множество р-п - переходов.

Светодиоды имеют разное конструктивное исполнение. Однако в любом случае основой светодиодов являются полупроводниковые кристаллы, в которых реализованы р-п-переходы. Кристаллы могут иметь размеры от 0,18 до 1мм. Обычно кристалл помещается в медную или алюминиевую полированную чашечку, которая служит светоотражателем. Светодиодные лампы содержат несколько десятков светодиодных излучателей.

В ближайшем будущем ожидается массовое внедрение как на производстве, так и в быту световых приборов, оснащенных полупроводниковыми светодиодными излучателями. На данный момент светодиодные лампы еще нельзя считать равноправными соперниками другим светильникам в сфере бытового и производственного освещения. С другой стороны, есть немало областей, в которых светодиоды уже вытеснили конкурентов практически полностью, например, в сфере индикации.

Главное достоинство светодиодной лампы - высокая долговечность, срок службы доходит от 25 000 до 100 000 часов, что составляет при непрерывной работе от 3 до 12 лет. Светоотдача до 100…140 лм/Вт и более. Хотя цветопередачу светодиодов нельзя назвать даже средней, они излучают свет в довольно узком спектре, можно подобрать практически любой цвет излучения. За счет высокой светоотдачи светодиоды нагреваются столь незначительно, что их можно применять там, где очень важно сохранить температурный режим, например, в холодильных камерах. Стандартные цоколи позволяют вворачивать светодиодные лампы в патроны для любых других ламп.

Светодиодные излучатели используются в широком диапазоне мощностей - от декоративного микроосвещения и сигнализации до мощных прожекторов. Они обладают высокой механической прочностью, надежностью и виброустойчивостью.

В качестве источников ультрафиолетового излучения применяют ртутно-кварцевые лампы различных конструкций.

Ртутно-кварцевая лампа ДРТ(дуговая ртутная трубчатая) представляет собой трубку из кварцевого стекла, заполненную аргоном и небольшим количеством ртути (давление до 98 кПа). Кварцевое стекло хорошо пропускает не только видимые, но и ультрафиолетовые лучи. Внутри кварцевой трубки, у её концов, вмонтированы вольфрамовые электроды, на которые навита спираль, покрытая слоем оксида. Во время работы лампы между электродами возникает дуговой разряд, являющийся источником ультрафиолетового излучения.

Лампы ДРТ чувствительны к изменению напряжения. При снижении напряжения в сети на 10% она может не загореться. Срок службы лампы составляет около 800 ч. Лампы ДРТ используют в сети переменного тока 127 и 220 В. Нормальное расположение лампы при работе - горизонтальное. ДРТ применяют с профилактической и лечебной целями в медицине. Их используют также для люминесцентного анализа.

Эритемные люминесцентные лампы типа ЛЭ (люминесцентная эритемная) имеют устройство, аналогичное люминесцентным осветительным лампам, но отличающееся от них составом люминофора и сортом стекла трубки. Трубка лампы ЛЭ выполнена из увиолевого стекла, хорошо пропускающего ультрафиолетовое излучение и не пропускающего лучи с волной короче 253,7 нм. Состав люминофора подбирают таким, чтобы он излучал поток с длинами волн в пределах 280...320 нм. Это соответствует «мягкому» ультрафиолетовому излучению.

Лампы ЛЭ-15 мощностью 15 Вт рассчитаны на напряжение 127 и 220 В, а лампы ЛЭ-30 - на 220 В. При работе лампа даёт слабое голубое свечение - в видимой части спектра светятся пары ртути. Схема включения эритемных ламп аналогична схеме включения люминесцентных (Рис.7.4).

Бактерицидные лампы типа ЛБ (лампа бактерицидная) устроены подобно люминесцентным лампам. Трубки из увиолевого стекла хорошо пропускают бактерицидное излучение с длиной волны 254 нм. Люминофором трубка не покрыта.

Бактерицидные лампы изготовляют четырёх марок: ДБ-15 и ДБ-30 для работы при температуре окружающей среды 10...15⁰ С, ДБ-30П и ДБ-60П (буква П означает повышенную плотность тока) для работы при температуре 15...25⁰ С. Средний срок службы ламп 1500 ч. В конце этого срока бактерицидный поток составляет 50% от номинального.

Схема включения бактерицидных ламп аналогична схеме включения эритемных и люминесцентных ламп. Бактерицидные лампы применяют для обеззараживания воздуха в помещениях, обеззараживания питьевой воды, а также продуктов, оборудования и тары на пищевых предприятиях.

Ультрафиолетовые излучения вызывают конъюнктивит - болезненное воспаление глаз, поэтому работать с такими с источниками необходимо в очках с защитными стеклами.

В практике получили распространение два типа инфракрасного излучения: светлое-на основе ламп, и тёмное- на основе трубчатых электронагревателей - ТЭНов.

Промышленность выпускает лампы типа 3С на напряжение 127 и 220В мощностью 250 и 500 Вт. Они представляют собой колбу параболической формы с внутренним зеркальным покрытием. Температура нити накала этих ламп по сравнению с обычными осветительными лампами аналогичной мощности понижена, в результате чего срок их службы увеличен до 2000...10000 ч. Нить расположена в фокусе колбы, которая концентрирует лучистый поток в определённом направлении. Лампы типа 3С не требуют дополнительных отражающих устройств, что удобно в эксплуатации.

Инфракрасные лампы (лампы-термоизлучатели) ИКЗК-220-250 по конструкции аналогичны лампам типа 3С, но имеют колбу из цветного стекла. Мощность ламп - 250 Вт, питающее напряжение -220 В.

Для защиты ИК-ламп от механических повреждений и капель влаги применяют специальную арматуру.

ТЭНы используют в конструкциях, где необходимо создать поток инфракрасного излучения большой мощности.