• Sztuczne źródła

światła

Czym jest światło ? Można by przytoczyć prostą definicję: promieniowanie optyczne, promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali od ok. 0,4 m do ok. 0,76 m, wywołujące u ludzi wrażenia wzrokowe, do światła zalicza się też zazwyczaj promieniowanie nadfioletowe i podczerwone; w niektórych zjawiskach fizycznych, np. dyfrakcji fal, interferencji fal, polaryzacji fal, światło objawia charakter falowy, w innych zaś (np. emisja światła przez atomy, zjawisko fotoelektryczne) charakter korpuskularny (światło stanowi strumień pędzących fotonów). Prędkość rozchodzenia się światła w próżni wynosi 299 792 458 m/s (ok. 300 000 km/s).Światło białe, światło zawierające wszystkie długości fali, światło monochromatyczne, jednobarwne, światło o określonej długości fali; światło barwne zawiera zwykle pewne określone długości fali; najsilniejszym źródłem światła docierającego do Ziemi jest Słońce.

Sztuczne źródła światła są to najczęściej urządzenia elektryczne stworzone przez człowieka. Chyba najprostszym źródłem sztucznego światła jest żarówka, lampa żarowa,

lampa elektryczna, w której światło jest emitowane przez rozżarzony przepływem prądu drut umieszczony w hermetycznej bańce; pierwsze użyteczne żarówki zbudowali niezależnie od siebie J.W. Swan (1878) i Th.A. Edison (1879);.

Żarówka jest to źródło promieniowania temperaturowego, w którym ciałem świecącym drut lub włókno z trudno topliwego materiału, rozżarzone wskutek przepływu prądu elektrycznego. Włókna używane w żarówkach wytwarza się najczęściej z wolframu, który ma wysoką temperaturę topnienia (T_t = 3743 K) i niewielką szybkość parowania w wysokiej temperaturze. W celu uniknięcia utlenienia wolframu, bańki żarówek odpompowuje się do ciśnień rzędu 10^-3 - 10^-4 hPa (żarówki próżniowe) lub wypełnia się gazami chemicznie obojętnymi, takimi jak: argon, azot lub krypton. Żarówki wypełnione gazami chemicznie obojętnymi zachowują się podobnie, jak żarówki próżniowe. Budowę typowej rej żarówki przedstawia rysunek:

1. żarnik 2.bańka 3. podpórki molibdenowe

4. rurka pompowa 5.talerzyk 6. trzonek

7. izolator 8.płytka kontaktowa 9. perełka

10.wspornik szklany 11. doprowadnik prądu 12. spłaszcz

13.gaz lub próżnia

Podczas eksploatacji żarówki występuje jednak ciągle powolne odparowywanie Wolframu i osadzenie metalu na bańce żarówki. Szybkość parowania wolframu zależy od ciśnienia jego par. Napylona warstwa wolframu wewnątrz szklanej bańki żarówki, wskutek absorpcji i odbicia światła, zmniejsza strumień światła wychodzący z żarówki oraz zmienia rozkład widmowy emitowanego promieniowania.

Szczególnym rodzajem wypełnienia żarówek z włóknami wolframowymi są pierwiastki siódmej grupy układu okresowego, zwane halogenkami lub chlorowcami. Gdy wypełniający żarówkę gaz zawiera pewną ilość któregoś z chlorowców, takich jak jod lub brom, to pomiędzy chlorowcom a odparowanym wolframem tworzy się w określonych warunkach obieg wolframowo-chlorowcowy. Odparowany z żarnika wolfram jest wiązany

przez chlorowiec, zanim zdąży osiąść na ściance banki. W pobliżu gorącego żarniki związek wolframowo-chlorowcowy rozpada się z powrotem na części składowe. Wolfram odkłada się na żarniku lub pozostaje w jego pobliżu, natomiast atom chlorowca uwalniasz i jest gotów do powtórnej reakcji. W wyniku cyklu wolframowo-chlorowcowego w żarówce, zaczernienie bańki jest zaniedbywane i emitowany przez żarówkę strumień świetlny oraz widmo promieniowania pozostają praktycznie stałe.

Żarówki powyższego typu zwane są popularnie halogenami lub kwarcowo-jodowymi co niezbyt odpowiada istocie ich działania (nazwa tych żarówek może być mylona z lampami wyładowczymi o wypełniaczu halogenowym). Żarówki zwane halogenami wyróżniają się: małymi rozmiarami, niewielką masą, widmem światła zbliżonym do światła białego, względnie dużą wydajnością świetlną oraz odpornością termiczną. Bańka żarówki halogenowej wykonana jest ze szkła kwarcowego charakteryzującego się dużą odpornością na wysokie temperatury oraz przezroczystością w ultrafiolecie. Wygląd typowych żarówek halogenowych przedstawia rysunek:

Rysunek przedstawia żarówki przystosowane do pracy w zakresie niskich napięć

Rysunek przedstawia przykładowe żarówki firmy Philips zasilane prądem sieciowym

Żarówki próżniowe różnią się od żarówek halogenowych trwałością, wydajnością świetlną oraz ceną. Trwałość żarówek wolframowych do celów oświetleniowych jest rzędu 1000 godzin pracy, natomiast żarówek halogenowych jest znacznie wyższa. Względnie niższą trwałość wykazują żarówki halogenowe używane do celów specjalnych, z powodu pracy w trudnych warunkach termicznych oraz częstego przekraczania parametrów optymalnych dla danej żarówki, w celu uzyskania wysokiej temperatury barwnej emitowanego światła. Wydajność świetlna zwykłych żarówek jest rzędu 10 lumenów (jednostka strumienia świetlnego) na wat dostarczonej mocy elektrycznej, natomiast dla żarówek halogenowych dochodzi do 30 lumenów na wat. Temperatura barwna żarówek oświetleniowych wynosi około 2800 K, natomiast żarówek halogenowych około 3200 K. Zwykle, ze względu na koszty materiałów do produkcji żarówek oraz technologię produkcji, żarówki halogenowe są droższe od zwykłych żarówek. Podstawowym atutem żarówek halogenowych jest wyższa wydajność świetlna, która jest co najmniej dwukrotnie większa od wydajności zwykłych żarówek, oraz barwa światła, bliższa światłu białemu.

Parametry żarówek można w pewnym zakresie regulować napięciem zasilania. Generalnie, wzrost napięcia zasilania podnosi parametry korzystne dla żarówek, przy czym gwałtownie spada efektywny czas pracy żarówki. Żarówki wolframowe w różnej postaci są obecnie najbardziej rozpowszechnionymi źródłami światła. Zasilane są napięciem od ułamków wolta do 500 V i pobierają moc elektryczną od miliwatów do dziesiątków kilowatów. Są niezwykle stabilnymi źródłami światła. Mają jednak względnie małą wydajność świetlną, ponieważ nie przekracza ona 4%. Natomiast wydajność energetyczna w obszarze widzialnym wynosi około 10%.

Źródła żarowe nie osiągną zdecydowanie większej wydajności świetlnej oraz energetycznej. Dla najwydajniejszego źródła emitującego promieniowanie termiczne o temperaturze barwnej 6000 K wydajność świetlna wynosi 14%, energetyczna 40%. Temperatura emitującego źródła wynosząca 6000 K jest temperaturą optymalną dla wydajności świetlnej i energetycznej źródła światła. Podwyższenie lub obniżenie tej temperatury dla źródeł światła emitujących promieniowanie termiczne pogarsza wydajność świetlną i energetyczną źródła. Szczegóły dotyczące zależności wydajności świetlnej i energetycznej od temperatury źródła emitującego promieniowanie, opisane zdolnością emisyjną dla ciała doskonale czarnego. Z przytoczonych danych wynika, że do celów oświetleniowych żarówki są mało wydajnymi źródłami światła i są obecnie wypierane przez źródła wyładowcze.

Żarowe źródła specjalne. Promieniowanie elektromagnetyczne emitują wszystkie rozgrzane ciała. Większość energii emitowanej przez różne ciała jest w zakresie fal podczerwonych, gdyż — zgodnie z widmem emisyjnym ciała doskonale czarnego oraz temperaturą topnienia różnych ciał — maksymalna energia promieniowania jest emitowana przy długościach fal dłuższych od fal widzialnych. Żarowe źródła światła służą również jako promienniki podczerwieni. Promieniowanie podczerwone ogrzewa ciała w wyniku jego pochłaniania. Promienniki podczerwieni charakteryzują się dużą trwałością, średnio około 3000 godzin oraz dobrą kierunkową koncentracją energii cieplnej, spowodowaną lustrem odbijającym wewnątrz lampy. Promienniki podczerwieni mają specjalne filtry, które absorbują promieniowanie widzialne. Lampy te często wypełnia się halogenkami dla przedłużenia trwałości oraz zmniejszenia wymiarów. Zastosowanie promienników podczerwieni jest szerokie i niezbędne tam, gdzie potrzebna jest tylko promienista energia cieplna. Stosuje sieje: we włókiennictwie, w przemyśle tworzyw sztucznych, przemyśle ceramicznym i rolnictwie, jako lampy kserograficzne oraz w medycynie.

Są to podstawowe dziedziny zastosowań. Źródła żarowe charakteryzują się też wysoką stabilnością długoczasową emitowanego promieniowania. Jest to jeden z podstawowych powodów używania tych źródeł do kalibracji różnych układów i detektorów optycznych. Źródeł termicznych używa się do budowy wzorcowych źródeł promieniowania podczerwonego i widzialnego. Kalibracyjne źródła promieniowania podczerwonego oparte są często na emisji promieniowania z węglika krzemu, ponieważ emisyjność tego materiału jest wysoka i praktycznie nie zależy od długości fali, w bardzo szerokim przedziale długości fal.

Źródła promieniowania podczerwonego zwykle mają regulowaną temperaturę barwną, która nie przekracza 1000 K. Typowa temperatura barwna kalibracyjnych źródeł światła w zakresie promieniowania podczerwonego wynosi 500 K. Przy określeniu temperatury barwnej ciała emitującego przybliża się jego widmo poprzez widmo ciała doskonale czarnego. Jeżeli emisyjność ciała różni się od jedności i jest zależna od długości fali, to temperatura barwna jest różna od zwykłej temperatury. Dla ciała doskonale czarnego temperatura barwna i temperatura zwykła są sobie równe. Dla źródeł wzorcowych o wyższych temperaturach barwnych, jako żarnika używa się praktycznie tylko wolframu, najczęściej w postaci cienkich świecących taśm. Źródła te mogą symulować temperaturę barwną do 3000 K, pomimo względnie niskiej emisyjności wolframu.

Przy użyciu źródeł żarowych można również uzyskać bardzo wysokie temperatury barwne, osiągające nawet temperaturę powierzchni Słońca. Do emisji promieniowania wykorzystuje się wówczas węglik tantalu o bardzo wysokiej odporności na temperaturę. Rozgrzanie węglika tantalu do tak wysokiej temperatury odbywa się bez galwanicznych połączeń elektrycznych, za pomocą fal wysokiej częstotliwości. Ze względu na trudności w zasilaniu i konieczność chłodzenia takiego źródła światła, używane jest ono rzadko i zastępowane jest przez źródła wyładowcze symulujące wysokie temperatury barwne.

Kolejnym rodzajem lamp są lampy wyładowawcze zalicza się do nich lampy rtęciowe, lampy ksenonowe. Najbardziej rozpowszechnionymi typami lamp wyładowczych są lampy z wypełnieniem rtęciowym. Pary rtęci są jednym z podstawowych gazów roboczych w lampach wyładowczych. W zależności od ciśnienia roboczego lampy rtęciowe możemy podzielić na lampy niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe. Niskociśnieniowe lampy rtęciowe są lampami wyładowczymi o ciśnieniach znacznie niższych od 10⁵ Pa. Z różnych powodów, wraz z parami rtęci w lampach znajdują się domieszki innych gazów, takich jak: krypton, neon i argon. Rtęciowe lampy niskociśnieniowe emitują wąskie linie widmowe w obszarze emisyjnym od 185 nm do 1,014 m. Natężenie emitowanego promieniowania przez niskociśnieniową lampę rtęciową, dla wybranych linii widmowych, przedstawia rysunek:

Natężenie promieniowania podstawowych linii emitowanych w niskociśnieniowej lampie rtęciowej (w odległości 2,5 cm). Natężenie emitowane promieniowania jest podane w skali logarytmicznej. Około 90% emitowanej energii przypada na długość fali  = 253,7 nm. Linia ta nazywa Lampy emitujące tę długość fali stosuje się: we fluorometrii, fotochemii, sterylizacji produktów żywnościowych i narzędzi, do wytwarzania ozonu, w mikroskopii oraz do celów leczniczych i kosmetycznych. Linia rezonansowa rtęci o długości fali . = 254 nm ma szczególnie istotne znaczenie w produkcji lamp do celów oświetleniowych, z powodu wydajnej luminescencji luminoforów wzbudzanych przez tę linię. W wyniku fluorescencji

niewidzialna długość fali promieniowania ultrafioletowego jest zamieniana na promieniowanie świetlne z bardzo dużą wydajnością. Podstawowymi lampami tego typu są świetlówki.

Lampy wysokociśnieniowe mają ciśnienie robocze przewyższające wartość 10⁵ Pa, a więc ciśnienie atmosferyczne przewyższają czasami nawet kilkadziesiąt razy. Wewnątrz lampy wysokociśnieniowej umieszczona jest kulka rtęci o odpowiedniej masie i w temperaturze pokojowej ciśnienie par rtęci jest rzędu l Pa. W wyniku wyładowania wzrasta temperatura wewnątrz lampy, co prowadzi do wzrostu ciśnienia par rtęci. Bańka lampy jest wykonana ze szkła kwarcowego odpornego na temperaturę i wysokie ciśnienie. Podczas pracy temperatura bańki może osiągać 1000° C. Moc emitowana przez lampy wysokociśnieniowe osiąga wartość od 50 W do 15 kW. Przy lampach wyładowczych pracujących w pomieszczeniach zamkniętych istnieje konieczność odprowadzenia ozonu, wytwarzanego przez promieniowanie ultrafioletowe.

Wobec faktu, że podczas pracy ciśnienie w lumpie dochodzi tło kilkuset atmosfer konieczne jest też odpowiednie obudowanie lampy. Uzyskanie wysokiego ciśnienia roboczego oraz temperatury równowagowej na bańce lampy wymaga pewnego czasu, zwanego okresem rozgrzewania. Czas ten wynosi od l minuty do 10 minut, zależnie od mocy lampy. Wysokie ciśnienie sprawia, że widmo liniowe emitowane w lampach wysokociśnieniowych jest rozmyte.

Z powodu częstych zderzeń atomów rtęci spowodowanych wysokim ciśnieniem i temperaturą, następuje znaczne rozszerzenie linii widmowych. Jednocześnie wysoka temperatura powoduje silną jonizację atomów i w konsekwencji obydwa te zjawiska fizyczne prowadzą do pojawienia się ciągłego widma promieniowania, ze szczególnie dużym natężeniem rozmytych linii widmowych.. Widma emisyjne wyładowczej lampy rtęciowej w porównaniu z lampą wyładowczą ksenonową oraz żarówką halogenową o mocy 1000 W. Ciśnieniowe poszerzenie linii widmowych, pojawienie się widma ciągłego oraz silna absorpcja linii rezonansowej powodują, że wysokociśnieniowe lampy rtęciowe emitują znaczną część promieniowania w obszarze widzialnym. Wydajność wysokociśnieniowych lamp rtęciowych jest ukuło 60 lm/W. Jest tu wydajność kilku razy wyższa od wydajności żarówek. Lampy rtęciowe dużej mocy musza być chłodzone wymuszonym obiegiem powietrza lub wody.

Znaczną rolę jako źródła światła odgrywają lampy ksenonowe lub wypełnione ksenonem z domieszką różnych par. Do celów oświetleniowych lampy te są z reguły wysokociśnieniowe i charakteryzują się tym, że ich światło może symulować promieniowanie słoneczne o temperaturze barwnej około 6000 K. Pomimo, że wydajność świetlna tych lamp nie jest zbyt wysoka i wynosi około 30 lm/W, lampy te znalazły zastosowanie przede wszystkim jako impulsowe źródła światła. Parametry błyskowych lamp ksenonowych są bardzo różne i dostosowane do ich przeznaczenia. Lampy te są używane jako: fotograficzne lampy błyskowe, lampy błyskowe pompujące stany wzbudzone w laserach, lampy stroboskopowe, lampy o przeznaczeniu wojskowym, do hartowania polimerów oraz do wielu innych celów. Wszystkie lampy ksenonowe, w celu zapłonu muszą być przez krótki czas zasilane wysokim napięciem, dochodzącym do 25 kV. Wygląd i wymiary ksenonowej lampy wyładowczej stosowanej do pompowania lasera na ciele stałym przedstawia rysunek:

Wygląd i wymiary lampy wyładowawczej dużej mocy stosowanej jako pompa optyczna do laserów

Szczególnie duże moce promieniowania mogą emitować ksenonowe lampy błyskowe. Maksymalna emitowana moc może dochodzić do 100 MW. Czas trwania błysku lampy można zwykle zmieniać w przedziale od l s do kilku milisekund. Emitowane przez lampy ksenonowe promieniowanie charakteryzuje się widmem ciągłym oraz pojawia się prawie natychmiast po zapłonie. Powyższe cechy lamp ksenonowych spowodowały ich szybki rozwój i znalazły one zastosowanie w wielu urządzeniach powszechnego użytku oraz w urządzeniach technicznych.

Widmo promieniowania większości lamp wyładowczych jest liniowe lub ciągłe z silnym uwypukleniem linii widmowych. Emitowane widmo jest charakterystyczne dla danego gazu lub pary, w której zachodzi wyładowanie i jest osłabiane przez materiał, z którego zbudowana jest bańka lampy. Wartości emitowanej energii promienistej są podane w skali bezwzględnej i pozwalają wybrać odpowiednią lampę do odpowiednich celów.

W większości lamp wyładowczych wykorzystuje się świecenie zorzy dodatniej, która ma największą wydajność świecenia dla niskich ciśnień i małych prądów lub wysokich i bardzo wysokich ciśnień oraz dużych prądów. Dla niskich ciśnień i przy małych prądach wyładowczych, wzbudzenie atomów i cząsteczek zachodzi w wyniku zderzenia atomów z wysokoenergetycznymi elektronami przyspieszanymi polem elektrycznym. Atomy te po wzbudzeniu zwykle przechodzą najpierw do niższych stanów wzbudzonych, a dopiero potem wypromieniowują. promieniowanie rezonansowe. Sprawność takiego układu jest wysoka i dochodzi do 60%. Ze względu na to, że tylko elektrony w lampie wyładowczej mają wysoką temperaturę, pozostałe parametry zależą od temperatury otoczenia. W ten sposób działają lampy niskociśnieniowe zawierające pary następujących metali: Na, Hg, Cd, Zn, K, Rb, Cs, oraz wiele innych.

Stabilność długości linii widmowych emitowanych w takich lampach osiąga się po minucie, a natężenie linii ustala się po kilkunastu minutach.

Widma atomów są liniowe i charakterystyczne dla danych atomów. Linie widome mogą służyć do cechowania przyrządów optycznych. W zasadzie wszystkie lampy emitujące widma atomowe mogą spełniać tę rolę. Widma te pokrywają cały obszar promieniowania ultrafioletowego oraz widzialnego. Długości fal emitowanych przez różne pierwiastki są dokładnie skatalogowane.

Często lampy kalibracyjne zawierają dwa rodzaje gazów, będące kombinacją gazów szlachetnych i rtęci. Podczas eksploatacji lamp o kombinowanym wypełnieniu należy zwracać uwagę na chłodzenie oraz na właściwy prąd zasilania. Zaniedbanie tych elementów obsługi prowadzi do emisji linii rtęci bez linii charakterystycznych dla gazu dopełniającego. Wygląd lampy kalibracyjnej oraz palnika przedstawia rysunek:

Jeżeli emisja promieniowania odbywa się nie przez atomy, a przez cząsteczki, jak w przypadku wodoru i deuteru, to otrzymujemy prawie ciągłe widmo stanów oscylacyjno-rotacyjnych z silnymi liniami pochodzącymi od widm liniowych atomów. Liniowe widma atomowe są wynikiem krótkotrwałego istnienia swobodnych atomów w gazie. Emisja wodoru i deuteru jest silna w obszarze dalekiego ultrafioletu, natomiast w zakresie widzialnym jest słaba. Jeżeli lampy wodorowe mają okienka przezroczyste dla ultrafioletu próżniowego ( < 200 nm), to są one dobrym źródłem promieniowania w zakresie od 100 nm do 200 nm. Widma w obszarze ultrafioletu (> 200 nm) są uzyskiwane wówczas, gdy lampa wodorowa ma bańkę kwarcową, natomiast w obszarze ultrafioletu próżniowego są uzyskiwane, gdy okienko lampy deuterowej jest zbudowane z MgF₂. Aby lampa wodorowa pracowała stabilnie, gaz jest wstępnie podgrzewany. Dla rozpoczęcia pracy lampy niezbędne jest napięcie zapłonu rzędu 400 V. Lampa pracuje przy napięciu ok. 80 V i prądzie 300 mA. Dane te pochodzą z katalogu firmy Oriel.

Źródło światła do celów oświetleniowych powinno charakteryzować się: dużą wydajnością, właściwą barwą światła, łatwością obsługi i zasilania, stabilnością, trwałością oraz niską ceną. Wszystkich tych cech nie daje się łatwo pogodzić, ale najbliższe powyższym wymaganiom są źródła światła oparte na lampach wyładowczych. Lampy wyładowcze są obecnie najwydajniejszymi źródłami światła. Przewyższają one kilkakrotnie wydajność świetlną żarówek, a w szczególnym przypadku ich wydajność świetlna dochodzi do 200 lm/W. Powyższa wartość dotyczy wysokociśnieniowych lamp sodowych.. Podstawowymi źródłami światła opartymi na wyładowaniach w gazach, używanymi do celów oświetleniowych, są:

a) świetlówki,

b) lampy rtęciowe,

c) lampy sodowe,

d) lampy halogenowe,

e) lampy o świetle mieszanym,

f) neony.

Aby lampa wyładowcza mogła być wydajnym źródłem światła, energia elektryczna musi być w niej efektywnie zamieniana w energię świetlną. Wydajność konwersji energii elektronów w energię optyczną dla świetlówki przedstawia rysunek:

Wydajność konwersji energii w świetlówce o mocy 100 W z powłoką fluoroscencyjną

Pobudzony do świecenia gaz powinien świecić wydajnie w obszarze widzialnym lub w obszarze ultrafioletu. Maksymalną wydajność świetlną _max = 680 lm/W można osiągnąć jeżeli całą energia elektryczna zostałaby zamieniona w promieniowanie o długości fali

= 555 nm odpowiadającej maksymalnej czułości oka. Jeżeli cała energia elektryczna zostałaby zamieniona na promieniowanie białe, to w obszarze widzialnym wydajność źródła światła byłaby bliska ok. 300 lm/W. Są to granice wydajności dowolnego źródła światła białego. Niestety, nie istnieje gaz, który spełniałby powyższe warunki. Większość gazów emituje widmo liniowe (a nie widmo białe), zwykle w postaci kilku linii i nie zawsze w obszarze widzialnym. Silną emisję promieniowania bezpośrednio w obszarze widzialnym mają pary sodu. Sód emituje wydajnie żółtą linię o długości  = 589 nm, nieco poza maksymalną czułością oka. Lampy sodowe osiągają bardzo dużą wydajność (rzędu 200 lm/W) i są używane do oświetlania dużych obiektów, takich jak: place, ulice, stadiony itp. Są to wydajne źródła światła, ale prawie jednobarwne i niezbyt właściwe dla

oka. Światło bezpośrednie emitują także inne gazy używane w neonach oraz lampach rtęciowych z domieszką halogenów, zwanych lampami halogenowymi. Skuteczność świetlna lamp halogenowych dochodzi do 100 Im/W i są one również używane do oświetlania dużych przestrzeni. Do celów oświetleniowych w mieszkaniach stosuje się świetlówki, ponieważ mają one światło zbliżone do światła białego oraz niewielką moc. Aby uzyskać komfort fizjologiczny, przy oświetleniu niezbędna jest odpowiednia temperatura barwna..

Źródłem światła używanym jeszcze obecnie do oświetlenia jest tradycyjna świetlówka. Lampa wyładowcza nazywa się świetlówką, jeżeli luminofor otacza bezpośrednio rurę wyładowczą. Typowa budowa świetlówki:

1. kołki stykowe

2. rurka do odpompowania gazu

3. katoda

4. rtęć

5. rurka szklana pokryta luminoforem

Kształty i sposoby zasilania świetlówek mogą być różne. Jeżeli wyładowanie odbywa się w zamkniętym szkłem kwarcowym obszarze, to mamy do czynienia z klasyczną lampą rtęciową. W przypadku, gdy wyładowcza lampa rtęciowa otoczona jest powłoką luminescencyjną, mamy do czynienia z lampą rtęciową o świeceniu luminescencyjnym poza obszarem wyładowania. Gazem roboczym w omawianych lampach jest rtęć, która po wzbudzeniu emituje linię 254 nm. Linia ta pobudza luminofor do świecenia. Zasadnicza różnica w budowie pomiędzy świetlówką i lampą rtęciową wynika z faktu, że świetlówka jest lampą małej mocy o niskiej temperaturze, natomiast lampa rtęciowa emituje duże moce promieniowania. W lampach tych najczęściej używanym luminoforem emitującym światło białe jest kompozycja Ca₅F, C1(PO₄)₃,: Sb: Mn, gdzie Sb³⁺ jest sensybilizatorem, a Mn²⁺ jest aktywatorem. Kwantowa wydajność emisji luminoforów używanych na pokrycie lamp dochodzi do 90%. Istnieje szereg luminoforów używanych praktycznie, emitujących różne długości fal. W lampach luminescencyjnych możliwe jest uzyskanie dowolnej barwy emitowanego promieniowania.

Schemat podłączenia świetlówki do sieci elektrycznej

1. świetlówka

2. zapłonnik

3. katoda

4. statecznik

C₁,C₂ - kondensatory

Świetlówka jest zwykle wypełniona parami rtęci pod ciśnieniem rzędu l Pa oraz parami argonu pod ciśnieniem rzędu 400 Pa. Skuteczność świetlna świetlówek, podobnie jak i lamp rtęciowych, wynosi około 80 lm/W i jest około 5 razy większa niż zwykłej żarówki. Uzyskiwana obecnie sprawność świetlówek jest praktycznie maksymalna dla współczesnych luminescencyjnych lamp wyładowczych. Sprawność ta jest nieco zróżnicowana dla różnych lamp, zależnie od mocy i kształtu lampy. Wyładowanie w świetlówkach odbywa się pod niskim ciśnieniem, stąd moc emitowana z jednostki objętości gazu nie jest wielka. Świetlówki nie dają dużej mocy, ponieważ przy jej podwyższaniu wzrosłaby temperatura lampy, a wysoka temperatura prowadziłaby do zniszczenia luminoforu.

W celu uzyskania wyższych mocy, konieczne jest oddzielenie obszaru wyładowań od luminoforu, z powodu wysokiej temperatury w obszarze wyładowań. Prowadzi to w konsekwencji do podwyższenia ciśnienia w palniku. Tak zbudowana lampa nazywa się rtęciówką. Ze względu na wyższe ciśnienie w palniku lampy rtęć silnie świeci także w obszarze widzialnym. Do niektórych zastosowań praktycznych lampy tego typu nie mają w ogóle powłoki fluorescencyjnej. Do celów oświetleniowych używa się też lamp będących źródłem światła mieszanego, np. lamp żarowo-rtęciowych, także dla uzyskania właściwej barwy promieniowania.

Trwałość większości tradycyjnych lamp wyładowczych wynosi około 6000 godzin i przekracza znacznie trwałość żarówek. Pewne problemy przy eksploatacji lamp wyładowczych, jak stroboskopia, są związane z zasilaniem lamp wyładowczych prądem przemiennym. W przypadku lamp wyładowczych istnieją również problemy z regulacją ich jasności. Należy jednak podkreślić, że trwałość współczesnych lamp wyładowczych w postaci kompaktowej jest kilkakrotnie większa. Szczególne osiągnięcia w zakresie trwałości tego typu lamp ma firma Philips, która produkuje lampy wyładowcze o trwałości dochodzącej do kilku lat pracy.

W zakresie lamp żarowych, oprócz klasycznych żarówek, na uwagę zasługują nowoczesne lampy halogenowe dostosowane swym kształtem do tradycyjnej żarówki i zasilane napięciem sieciowym. Lampy halogenowe nowego typu emitują światło o zaletach typowych dla tego rodzaju źródeł światła, o dużej wydajności świetlnej, stabilności oraz właściwej temperaturze barwnej (około 3000 K). Możliwe jest użycie tych lamp do oświetlenia mieszkań, hoteli, restauracji, przy czym lampy te zapewniają możliwość regulacji elektronicznej natężenia źródła światła. Wydajność lamp halogenowych dochodzi obecnie do 30 lm/W.

Szczególne znaczenie do celów oświetleniowych mają obecnie świetlówki nowego typu, zwane świetlówkami kompaktowymi, wprowadzone na rynek przez firmę Philips w roku 1980. Różnią się one istotnie od świetlówek starego typu. Wymiary świetlówek kompaktowych zostały zmniejszone do rozmiarów zwykłej żarówki. Świetlówki kompaktowe mogą być również używane w tradycyjnych oprawach stosowanych dotychczas do zwykłych żarówek.

Świetlówki w porównaniu z klasycznymi żarówkami charakteryzują się około 5-krotnie większą wydajnością świetlną (około 80 lm/W), dziesięciokrotnie dłuższą trwałością (do 10000 godzin) i barwą światła zbliżoną do barwy lamp żarowych (temperatura barwna około 2700 K). Dodatkowo, poprzez zmianę luminoforów w świetlówce można regulować temperaturę barwną, zależnie od wymagań użytkownika. Świetlówki kompaktowe nie wykazują zjawiska migotliwości, natomiast nie jest możliwe ściemnianie tych lamp. Biorąc pod uwagę podstawowe dane techniczne świetlówek kompaktowych, należy zwrócić uwagę, że świetlówka zastępuje pięć zwykłych żarówek o tej samej mocy nominalnej. I tak, jeżeli użyjemy do oświetlenia świetlówki kompaktowej zużywającej moc elektryczną 15 W, to oświetlenie powodowane przez to źródło światła odpowiada oświetleniu zwykłej żarówki o mocy 75 W. Jednocześnie świetlówka kompaktowa ma trwały elektroniczny układ zapłonowy w odróżnieniu od klasycznej świetlówki, który zapewnia bezmigotliwą pracę oraz możliwość wielokrotnego załączania tego źródła światła. Schemat elektronicznego układu zapłonowego świetlówki kompaktowej przedstawia rysunek:

Najwyższe wydajności świetlne uzyskuje się z niskoprężnych i wysokoprężnych lamp sodowych, których skuteczność świetlna osiąga odpowiednio 200 i 150 lm/W. Lampy sodowe emitują światło o zabarwieniu żółtym i są stosowane do oświetlenia: sklepów, ulic, placów zabaw, do tworzenia elementów dekoracyjnych i wszędzie tam, gdzie żółte zabarwienie nie stanowi przeszkody w oświetleniu obiektu. Niskoprężna lampa sodowa emituje monochromatyczne światło o długości fali = 589 nm. Moc elektryczna tych lamp zawiera się od 18 W do 130 W. Wysokoprężne lampy sodowe mają wyższe moce elektryczne, w zakresie od 30 do 1000 W. Wygląd i wymiary dwóch różnych typów wysokoprężnych lamp sodowych przedstawia rysunek:

Najnowocześniejszymi wyładowczymi źródłami światła oświetleniowego są wyładowcze lampy indukcyjne oraz kompaktowe lampy wyładowcze z jarznikiem ceramicznym zbudowanym z polikrystalicznego tlenku glinu. Zamiast dotychczas stosowanych jarzników kwarcowych, zastosowano jarznik ceramiczny. Dzięki temu ograniczono migrację sodu z jarznika, co spowodowało stabilniejszą temperaturę barwową. Emisja światła odbywa się w wyniku promieniowania mieszaniny pary metalu i produktu rozkładu halogenków. Powoduje to powstanie białego światła o dużej skuteczności świetlnej.

Precyzyjnie kontrolowana geometria jarznika ceramicznego zapewnia identyczną temperaturę barwną wszystkich lamp. Jarznik ceramiczny zapewnił także wyższą temperaturę barwną oraz lepszy rozkład widmowy promieniowania. Lampy te zwane Mastercolour zapewniają więc stabilną temperaturę barwną emitowanego promieniowania wynoszącą około 3000 K, większy strumień światła z tej samej mocy elektrycznej oraz większą trwałość. Skuteczność świetlna omawianych lamp dochodzi do 100 lm/W. Moc zasilania lamp typu Mastercolour wynosi od 30 W do 150 W. Lampa typu Mastercolour jest znacznym osiągnięciem w zakresie jakości, wydajności i trwałości źródeł światła. Lampy tego typu mają elektrody w jarzniku niezbędne dla podtrzymywania wyładowania. Elektrody w lampach wyładowczych zamocowane w jarzniku ceramicznym są nowością. Elektrody w rurze wyładowczej zawsze ulegają z czasem zniszczeniu w różny sposób. Niszczenie tych elektrod dokonuje się zwykle przez wyparowanie metalu, z którego są zbudowane lub w inny sposób. Tylko niektóre lampy mogą być pozbawione elektrod wewnątrz rury wyładowczej lub jarznika.

Jednym z najnowszych osiągnięć firmy Philips Lighting jest bezelektrodowa lampa wyładowcza zwana lampą indukcyjną. Nowa koncepcja generowania światła bazuje na wyładowaniu elektrycznym za pomocą prądu przemiennego w środowisku gazowym, bez użycia elektrod wprowadzonych bezpośrednio do obszaru wyładowań. Lampa ta może świecić ciągłym światłem nawet 7 lat. Przy niezwykłej trwałości, źródła tego typu charakteryzują się także dużą skutecznością świetlną, dochodzącą do 70 lm/W. Jest to więc źródło światła o parametrach przewyższających dotychczasowe osiągnięcia w tej dziedzinie. Wygląd lampy indukcyjnej wraz z zasilaczem przedstawia rysunek obok.

Dioda elektroluminescencyjna zamienia bezpośrednio energię elektryczną w energię świetlną. Świecenie w diodzie elektroluminescencyjnej pochodzi ze złącza półprzewodników p-n na którym zachodzi rekombinacja nośników. Wydajność świecenia rekombinacyjnego zależy od rodzaju materiału półprzewodnikowego oraz wiąże się również z długością emitowanego promieniowania. Największa wydajność jest uzyskiwana w diodach wykonanych z arsenku galu (GaAs) domieszkowanych pierwiastkami z trzeciej i piątej grupy układu okresowego. Diody z DaAs emitują w bliskiej podczerwieni. W przypadku diod z fosforku galu (GaP), emitujących w czerwieni i bliskiej podczerwieni, wydajność dochodzi do 10%, natomiast przy emisji światła zielonego wydajność elektroluminescencji różnych diod spada do 0,5%. Jeżeli natężenie prądu w diodzie przekroczy pewną wartość progową przy odpowiedniej geometrii próbki, można uzyskać akcję laserową na złączu półprzewodników. Podstawowe parametry opisujące diodę elektroluminescencyjną są związane z: długością fali, przy której dioda emituje maksymalną moc promieniowania, szerokością spektralną emitowanego promieniowania, mocą optyczną emitowaną przez diodę, rozbieżnością wiązki, częstotliwością odcięcia, tzn. częstotliwością zasilania, przy której sygnał spada o pewną wartość, zwykle o 3 dB. Dodatkowymi parametrami są jeszcze napięcie zasilania oraz pojemność diody.

Z uwagi na niewielkie rozmiary, łatwość zasilania i niskie koszty wytwarzania, diody elektroluminescencyjne znalazły szerokie zastosowanie w wielu urządzeniach technicznych, zwłaszcza w urządzeniach sygnalizacyjnych oraz systemach sterowania. Ze względu na małą moc emitowanego promieniowania diody elektroluminescencyjne nie są stosowane do celów oświetleniowych.

Iniekcja elektronów do polimerów jest dokonywana z elektrody wapniowej, natomiast dziur z układu ind/tlenek cyny. Silna rekombinacja odbywa się na złączu akumulującym dziury.

Elektroluminescencja z diod polimerowych może być w przyszłości tanim i powszechnym źródłem światła. Obecne badania diod polimerowych są prowadzone intensywnie w kierunku praktycznego ich wykorzystania Należy oczekiwać, że w niedalekiej przyszłości można spodziewać się dużych powierzchni świecących o małej jasności (ściany, obrazy itp.), zmieniających zupełnie sposoby oświetlenia i warunki pracy przy sztucznym oświetleniu.

Na podstawie:

Jan Godlewski „Generacja i detekcja promieniowania optycznego”, Wydawnictwa Naukowe PWN.

---