Fényforrások. Németh Zoltán Veres Ádám

Átírás

1 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

2 GAZDASÁGOSSÁG FÉNYMINŐSÉG Fényhasznosítás Élettartam Környezettudatosság! Egyéb technikai adatok Felfutási idő Újragyújtási idő Sugárzási szög (Spektrum) Színhőmérséklet (T C ) Színvisszaadás (R a )

3 Fényhasznosítás A fényforrás által kibocsátott fényáram és a felvett villamos teljesítmény hányadosa Összes kisugárzott teljesítmény Fényáram Felvett elektromos teljesítmény fotopos látás esetén (λ = 555nm) K max = 683 lm/w A vizsgált fényforrás 1 W felvett teljesítményből hány lm fényáramot képes előállítani

4

5 Fényforrások élettartama Empirikus kiégési jelleggörbe (izzólámpa) Élettartam definíciók: Átlagos Egyedi Névleges Prognosztizált Garantált T várható U tényleges U n 13,1 T n 13,1 0,85U n Tvárható Tn 8,4* h U n

6 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: 13,1 T hajnal 1,05 *1h 0, 5h 1 óra alatt 2 órát öregszik! 13,1 Este: T este 0,95 2h 1 óra alatt 0,5 órát öregszik (élettartam megduplázódik ) Névleges élettartam 2 T várható ,8*1000h 800h 2,5 Tényleges élettartam Forrás: BME-VIK, Világítástechnika, előadás (2009)

7 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, Js k: a Boltzmann állandó 1, J/K

8 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 T c 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.

9 Színhőmérséklet

10 y 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 0,7 510 nm 0,6 0,5 0,4 0,3 500 nm 560 nm G 4000 K 7000 K 580 nm 2000 K 600 nm R 650 nm * Planck sugárzók vonala 0, K 0,1 475 nm B nm 400 nm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 x

11 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.

12 Vizsgálatok Színvisszaadási index

13 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)

14 FÉNY KELETKEZÉSE ALAPJÁN LUMINESZCENCIA Vegyi / biológiai: foszfor oxidációja, bogarak Katódlumineszcencia: katódsugárcső HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÁS Fotolumineszcencia: fénycsövek Elektrolumineszcencia: LED diódák Nap, tűz, izzólámpák 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 Rádium számlapos óra, 50-es évek FÉNYFORRÁSOK RENDSZERE: Hőmérsékleti sugárzók Kisülőlámpák Szilárdtest sugárzók Izzólámpák Halogén izzólámpák Kisnyomású Nagynyomású LED-ek

15 FÉNYFORRÁSOK HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓK KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK HAGYOMÁNYOS HALOGÉN LED-EK (Félvezető LÉZEREK) KISNYOMÁSÚ NAGYNYOMÁSÚ FÉNYCSŐ HAGYOMÁNYOS INDUKCIÓS LÁMPA KOMPAKT KISNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA HIGANYLÁMPA FÉMHALOGÉN LÁMPA XENON LÁMPA NAGYNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA

16 I L Co S ILCOS 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)

17 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK 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 Shuji Nakamura Első kék LED (InGaN, GaN p típ. adagolása zafír hordozón) 1997 Első fehér (foszfor fényporos ) LED 2001 Első UV LED

18 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK 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

19 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Alkalmazási területek Folyamatosan bővül Kijelzők, jelzőlámpák Járművilágítás Általános világítási alkalmazások Lámpák Dísz és kiemelő világítások Panel háttérvilágítások

20 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK 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)

21 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Direkt (közvetlen) sávátmenet a vezetési sáv minimuma egybeesik a vegyértékkötési sáv maximumával (Megfelelő anyagok, adalékolás) Indirekt (közvetett) sávátmenet a vezetési sáv minimuma nem esik egybe a vegyértékkötési sáv maximumával (Si, Ge diódák) Periódusos rendszer III. és V. oszlopából vett elemek vegyületei Foton emisszió elenyésző Sávszerkezet (tiltott sávszélesség) határozza meg a maximális emissziós hullámhosszat!

22 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Nyitófeszültségek (tiltott sávszélesség) Feszültség stabilizáló áramkör LED-ek anyagai

23 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Különböző színes LED-ek spektrális telj. eloszlása Fehér LED spektruma

24 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK 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

25 KIALAKÍTÁSOK FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Furatszerelt (THD) SMD Multichip LED COB (Chip On Board) Power LED (HPLED)

26 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK

27 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK 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

28 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK A sugárzás hullámhossza a félvezető anyagtól és a szennyezéstől függ Élettartam: óra (?) Fényhasznosítás + fényáram Erősen HŐMÉRSÉKLETFÜGGŐ!! (Katalógusadat vs. valóság?) 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! Folyamatosan nő! ~120 lm/w Akár mA Egyetlen más fényforrás sem képes erre!

29 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Fényhasznosítás fejlődése lm/w AlInGaP/GaP AlInGaP/GaP AlInGaP/GaAs AlGaAs/AlGaAs InGaN 1 GaAsP:N GaAs:N GaAsP GaP:Zn 3 O AlGaAs/AlGaAs SiC 0.1 GaAs 0.6 P Nichia: GaN zöld: HP: Fehér: Agilent/Philips: 15 lm/w -> 70 lm/w 50 lm/w 40 lm/w, 58% hatásfok 40 lm/w 102 lm/w Megj.: V(λ) miatt, egy vörös vagy egy kék LED hiába erősebb, az elméleti hatásfoka kisebb!

30 Hőmérséklet hatása a spektrális emisszióra FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK

31 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK Hőmérséklet hatása a fényáramra HŰTENI - HŰTENI - HŰTENI!!!

32 FÉLVEZETŐ-ALAPÚ FÉNYFORRÁSOK 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

33 DEF.: Olyan fényforrás, amelyben a fényt villamos árammal hevített izzószál bocsátja ki. HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓ Működésének fizikai alapelvei a hőmérsékleti sugárzás és a villamos áram hőhatása. Geometriája, konstrukciója és világítástechnikai szerepe szerint igen sokféle lehet. Izzószál: magyar szabadalom! Juszt és Hanaman Halogén ciklus: Halogén 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 Hagyományos Vákumlámpa (kb Pa) hátránya: az izzótest nagyon párolog (sebessége exp. Tvel) bura feketedés Φés T n Gáztöltésű lámpa Kémiailag közömbös gáz Nemesgáz, nitrogén hátránya: az izzószál T; bura T Φ

34 TELJESÍTMÉNYSZABÁLYOZÁS: HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓ Feszültséggel látszólag jól szabályozható P = U2, de R a hőmérséklettel nő! R A névleges fesz. túllépésével az élettartam lerövidül aláfeszítjük: élettartam nő! T 0 T = U U 0 C, ahol C = 13,5 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 h (halogén: 5000h) Kiváló színvisszaadás Meleg színhőmérséklet (~3500 K) Folytonos spektrum KIHALÁSRA ÍTÉLVE!

35 IZZÓLÁMPA ENERGIAFOLYAM HŐMÉRSÉKLETI SUGÁRZÓ

36 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)

37 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 ( óra) széles színhőmérséklet választéka (2700 K 6500 K) KOMPAKT fénycső Gond: méretezés. Áramsűrűségre és Térerősségre való méretezés!

38 KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK KISNYOMÁSÚ VONALAS SPEKTRUM Különböző színhőmérsékletű háromsávos fénycsövek spektruma.

39 KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK KISNYOMÁSÚ FÉNYCSŐ ENERGIAFOLYAM

40 KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK KISNYOMÁSÚ 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. * lm/w Hosszú felfutási és újragyújtási idejű Élettartamuk: gyártó függő 60kh is lehet Vonalas színkép

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

42 KISÜLÉSES FÉNYFORRÁSOK KISNYOMÁSÚ KISNYOMÁSÚ NÁTRIUMLÁMPA ENERGIAFOLYAM

43 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: W; Fényáram: 2,0-130 klm * lm/w Hosszú felfutási és újragyújtási idejű Élettartamuk: 5-18 kh (gyártó függő) Színhőmérséklet: (10000) K Színvisszaadás: Vonalas színkép További nagynyomású lámpák: higanylámpa, kevertfényű lámpa, Nátriumlámpa (nagynyomás: Pa)

44 Sugárzások élettani hatásai Biológiai hatásfüggvény XB KB B(λ) Xe(λ) hatásos sugárzott teljesítmény arányossági tényező biológiai hatásfüggvény sugárzástechnikai mennyiség spektrális eloszlása UV sugárzás élettani hatásai Kötőhártya gyulladás Bőrpír Lebarnulás

45 Szem és a bőr károsodása PET-UV t megengedett besugárzási idő E a besugárzás mértéke Palackok fertőtlenítése, tisztítása

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

47 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 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.

48 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

49 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

50 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

51 Kell hozzá: Lézeraktív anyag Rezonátor Pumpálás / populáció inverzió Kicsatolás

52 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

53 Koherencia Nagy koherenciahossz (Koherencia összetartozás) INTERFERENCIA KÉPES INTERFEROMETRIA / HOLOGRÁFIA Divergencia Kis divergencia (Divergencia Széttartás) ALACSONY SZÓRÓDÁSI VESZTESÉG ENERGIA KONCENTRÁCIÓ Monokromatikusság Energia Azonos energiájú fotonok szűk sugárzási tartomány RAMAN SPEKTROSZKÓPIA Kis térfogatba nagyon nagy energia koncentráció Abszorpció NAGY ENERGIAMENNYISÉG ELNYELETÉSE, MEGMUNKÁLÁS

54 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