Светотехнические электронные приборы и устройства

ВВЕДЕНИЕ Задачами курса «Светотехнические электронные приборы и устройства» является выработка у студентов навыков расчета, проектирования и эксплуатации газоразрядных, тепловых и твердотельных некогерентных источников оптического излучения, а также ознакомление с областями применения светотехнических электронных приборов и устройств. Для усвоения материала необходимы знания по предметам «Проектирование и технология электронной компонентной базы», «Микроволновая электроника», «Теоретические основы электротехники», «Квантовая и оптическая электроника». После изучения курса «Светотехнические электронные приборы и устройства» обучающиеся должны знать принципы генерации оптического излучения, физические процессы, происходящие в них, функции, выполняемые системами управления освещением, принципы их построения, а также методы и способы улучшения технико-экономических показателей систем освещения. 1.1 Предмет дисциплины и её задачи. Светотехника – область науки и техники, предметом которой является исследование принципов и разработка способов генерирования, пространственного перераспределения и измерения характеристик оптического излучения, а также преобразования его энергии в другие виды энергии и использование в различных целях. Преобразование электрической энергии в лучистую энергию оптического диапазона осуществляется технологическими электроустановками освещения и облучения. Наиболее широко используются установки электроосвещения, которые стали неотъемлемой электротехнической частью на любом производстве и в быту и обеспечивают возможность нормальной деятельности людей при отсутствии или недостаточности естественного освещения. Электроустановки облучения отличаются от электроустановок освещения только тем, что в своём составе вместо источников света имеют источники ультрафиолетового или инфракрасного спектра оптического излучения и применяются в специальных технологических целях. В настоящее время большое внимание уделяется энергетической и экономической эффективности осветительных электроустановок, на нужды которых в нашей стране затрачивается свыше 13% вырабатываемой электроэнергии. Основными путями повышения эффективности осветительных электроустановок являются: ·    увеличение экономичности и срока службы источников света и светильников; ·    применение автоматических устройств для регулирования искусственной освещённости в зависимости от значения естественной; ·    рациональное проектирование и эксплуатация осветительных сетей и осветительных установок. 1.2 Оптическое излучение и свет. Оптическое излечение передается от тела к телу в виде фотонов электромагнитных волн различной длины (частоты). Значение энергии фотона связано с частотой электромагнитных колебаний соотношением: e = hn = (h×c)/l, (1.1) где e - энергия фотона, Дж; h - постоянная Планка, h = 6,6245´10 -34 Дж´с; n - частота электромагнитных колебаний, Гц; l - длина электромагнитной волны, м. Частота n и длина волны l, электромагнитного излучения взаимосвязаны со скоростью распространения электромагнитных волн в пространстве (со скоростью света) с = 3×108 м/с соотношением: с = lv. Излучения оптического диапазона спектра электромагнитных колебаний в зависимости от длины волны l делят: на видимое (от 380 до 760 нм), ультрафиолетовое (от 1 до 380 нм) и инфракрасное (от 760 до 106 нм), [1 нм = 10-9 м]. Видимый солнечный свет - это сочетание излучений семи основных цветов: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового, которые приведены в порядке уменьшения длины электромагнитной волны. В оптической области спектра электромагнитных колебаний перед красным излучением находится инфракрасное (ИК - излучение), а за фиолетовым – ультрафиолетовое (УФ - излучение). (По-латыни «инфра» означает «впереди», а «ультра» — «за»). Инфракрасные и ультрафиолетовые лучи невидимы для человеческого глаза. В свою очередь, ультрафиолетовое (УФ) излучение подразделяют: на длинноволновое зоны А (от 315 до 380 нм), средневолновое зоны В (от 280 до 315 нм) и коротковолновое зоны С (от 100 до 280 нм). УФ - излучение с длиной волны менее 100 нм интенсивно поглощается воздухом земной атмосферы и не достигает поверхности земли. Длинноволновое УФ - излучение зоны А обладает крайне низкой фотобиологической активностью, но способно вызывать видимое свечение некоторых веществ. Поэтому его используют для люминесцентного анализа химического состава различных веществ и биологического состояния продуктов питания. Средневолновое УФ - излучение зоны В оказывает благоприятное действие на живые организмы, вызывает эритему и загар, способствует лучшему усвоению витамина D, обладает мощным антирахитным действием. Для большинства растений УФ - излучение зоны В неблагоприятно. Коротковолновое УФ - излучение зоны С обладает бактерицидным действием. Поэтому его применяют для обеззараживания продуктов питания, воды, воздуха, для дезинфекции и стерилизации различного инвентаря и посуды. Инфракрасное (ИК) излучение также в зависимости от длины волны подразделяют на три зоны: коротковолновую А (от 760 до 1400 нм), средневолновую В (от 1400 до 3000 нм) и длинноволновую С (от 3000 нм до 1 мм). ИК - излучение практически не поглощается воздухом и большую часть энергии своих фотонов расходует на образование теплоты в поверхностном слое тела нагрева. Глубина проникновения ИК - излучения в поверхностный слой составляет в среднем для воды 30...45 мм, для древесины - 3...7 мм, для тела животного — 2,5 мм. 1.3 Энергетическая и световая система величин. Характеристики светового поля. Длина волны или частота электромагнитных колебаний – это качественная характеристика монохромного оптического излучения. Мощность оптического излучения, называемая лучистым потоком, даёт количественную оценку оптического излучения. В общем случае мощность лучистого потока измеряется в ваттах (Вт). Для видимого спектра оптического излучения этот поток называют световым потоком. Основные величины, количественно характеризующие оптическое излучение в целом, - это лучистый поток и сила излучения, облучённость и экспозиция. Лучистый поток Ф (Вт), характеризующий мощность оптического излучения, численно равен лучистой энергии dQ (Дж), излучаемой источником в единицу времени dt (с): Ф = dQ /dt. (1.2) В системе световых величин в качестве единицы эффективного светового потока ФС (1.2), воздействующего на глаз человека, принят люмен (лм). Экспериментально установлено, что 1 лм составляет мощность 1/683 ватта светового излучения с длиной волны 555 нм, которая соответствует максимальной спектральной чувствительности человечес­кого глаза и воспринимается им желто-зеленого цвета. Сила излучения I (Вт/ср) определяет удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу пространственного угла dw , измеряемого в стерадианах (ср): I = dФ /dw.. (1.3) Пространственную плотность светового потока (1.3) называют силой света IC . За единицу силы света принята кандела (кд), одна из основных единиц измерения системы СИ. В системе СИ 1кд определяется как сила света, излучаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности в виде абсолютно чёрного тела площадью 1/600 000 м2 при нормальном давлении 101 325 Па (Н/м2) и температуре затвердевания платины Т = 2045 К. Таким образом, единица светового потока в один люмен равна силе света в одну канделу, распределённую в пределах пространственного (телесного) угла в один стерадиан (ср). То есть, имеем 1 лм = 1 кд×ср. Телесный угол – часть пространств, ограниченная незамкнутой поверхностью. Часто используются телесные углы, ограниченные разными каноническими поверхностями. Мерой телесного угла с вершиной в центре сферы является отношение площади сферической поверхности dА, на которую он опирается, к квадрату радиуса сферы r. За единицу телесного угла - стерадиан (ср) – принят центральный телесный угол, вырезающий участок сферы, площадь которого равна квадрату ее радиуса. Элементарный зональный телесный угол ограничен двумя соосными каноническими поверхностями, образующие которых смещены на угол dα: dΩ=dA/r2=2πsinαdα. Наибольший телесный угол образован самой сферой и равен 4p»12,56ср. Значение силы света источника или светильника в различных направлениях принято представлять радиус-векторами, длина которых в принятом масштабе определяет значение силы света в заданных направлениях пространства. Если излучатель или светильник круглосимметричный, то его светораспределение достаточно полно характеризуется продольной кривой силы света (КСС), представленной, например, для правой полуплоскости (рис.2). В случае несимметричных излучателей, например светильник с трубчатыми люминесцентными лампами, который имеет две плоскости симметрии, то им соответствуют продольная и поперечная КСС. Рис.2 Правая полуплоскость кривой силы света для круглосимметричного светильника. Облучённость E (Вт/м2) характеризует удельную мощность излучения, приходящуюся на единицу облучаемой поверхности dS (м2): E = dФ /dS. (1.4) Соотношение (1.4) в системе световых величин принято называть освещенностью ЕС . За единицу освещенности принят люкс (лк), 1лк = 1 лм/м2. Освещённость можно трактовать, как плотность светового потока. Значение освещённости в отдельной точке поверхности ЕО подчиняется закону обратных квадратов: ЕО = Ia cos a / r 2 , (1.9) где Ia - сила света источника в направлении рассматриваемой точки, кд; a - угол между нормалью (перпендикуляром) воспринимающей плоскости и направлением к точечному источнику излучения; r – расстояние от рассматриваемой точки до источника, м. Экспозиция (Дж/м2), называемая также количеством облучения, определяет удельную энергию излучения, приходящуюся на единицу облучаемой поверхности в течение времени облучения t (с), H = 0 ò tEdt. (1.5) Уровень светового ощущения характеризуется яркостью. Яркость – это плотность силы света по площади проекции излучающего тела в направлении a, кд/м2 = нит. Для светящейся поверхности конечных размеров значение средней яркости равно: Вa = Ia / (SП× cos a ), (1.10) где Ia - сила света (кд), излучаемая поверхностью SП (м2) в направлении a. Поверхность излучающих тел, обеспечивающих одинаковую яркость во всех направлениях, называют диффузионной. Для них справедлива запись: Вa = Ia / (SП× cos a ) = const. Оптические и светотехнические характеристики тел. Преломлением излучения называется изменение его направления при переходе из одной прозрачной среды в другую. Согласно закону преломления лучи – падающий и отраженный – лежат в одной плоскости с перпендикуляром к элементу преломляющей поверхности в точке падения луча, причем отношение синусов углов падения i и преломления j для рассматриваемых сред зависит только от длины волны излучения, но не зависит от угла падения: Sin(i) /sin(j) = n21 Постоянная n21 называется относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления n среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления среды. Он равен отношению скоростей распространения света в вакууме с0 и в данной среде v: n = с0/v. Относительный показатель преломления выражается через абсолютные показатели преломления первой и второй сред n2 и n1 соотношением n21=n2/ n1. Если n21 < 1, то при sin(i) / n21>1 свет не выходит из среды, происходит полное внутреннее отражение – зеркальное отражение светы от границы двух сред с коэффициентом отражения ρ = 1. При полном внутреннем отражении угол i превосходит предельный угол iпр, определяемый из соотношения sin(iпр) = n21. Отражением называется возвращение излучения объектом без изменения длин волн составляющих его монохроматических излучений. Имеют место следующие виды отражений: а) Зеркальное без рассеяния отраженного потока. При З.О. 1 – падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости с перпендикуляром к элементу отражающей поверхности в точке падения луча; 2 – угол падения луча равен углу его отражения; 3 – закон квадрата расстояний от отраженного пучка соблюдается от источника света, а не от отраженной поверхности (ΔΩi = ΔΩρ). б) Равномерно диффузное при котором поток излучения рассеивается так, что энергетическая яркость во всех направлениях полупространства одинакова. с) Диффузное (смешанное), при котором наблюдается частично зеркальное и частично диффузное отражение д) Направлено – рассеянное, при котором фотометрическое тело отраженных от участка поверхности сил света можно приближенно описать вытянутым эллипсоидом вращения, большая ось которого распространяется в направлении зеркального отражения. При зеркальном отражении ΔΩi = ΔΩρ, яркость в пределах телесного угла постоянна и равна Lρ= Lиρ, где Lи – яркость источника в пределах телесного угла ΔΩi. В случае равномерно-диффузного отражения ΔΩi << ΔΩρ = 2π. Яркость участка равномерно диффузно отражающей поверхности равна L = Eρ/π. Где L и E – яркость и освещенность поверхности, равномерно диффузно отражающей свет, ρ – ее коэффициент отражения. Коэффициент яркости – отношение яркости освященной поверхности к яркости идеального рассеивателя (идеальной поверхности) Lид с ρ = 1, находящегося в тех же условиях освещения: Lид = E/π; Bαβ = Lαβ/ Lид. Коэффициент яркости зеркальной поверхности Bз = πρзLи/E, где Lи – яркость источника, освещающего зеркальную поверхность, ρз – коэффициент зеркального отражения, E – освещенность зеркальной поверхности. Пропусканием называется прохождение излучения сквозь среду без изменения длин волн составляющих его монохроматических излучений. Наблюдаются следующие виды пропускания: а) направленное без рассеяния б) равномерно диффузное, при котором прошедший поток излучения рассеивается так, что энергетическая яркость во всех направлениях полупространства одинакова: Leτ = Leτe/π = const; Lτ= Eτ/π = const где Leτ и Lτ – энергетическая яркость и яркость поверхности, пропустившей поток излучения и световой поток; τe и τ – коэффициенты пропускания слоя среды в) смешанное, при котором наблюдается частично направленное и частично равномерное диффузное пропускание г) направленно – рассеянное, при котором индикатриса силы света описывается вытянутым эллипсом вращения. Энергия оптического излучения, падая на какой-либо объект, частично отражается от поверхности объекта, частично им поглощается и частично пропускается. Относительные значения потоков в долях от полного, упавшего на поверхность объекта, соответственно характеризуют коэффициенты: r - отражения, a - поглощения и g - пропускания. Очевидно, что: r + a + g = 1. (1.6) Эти коэффициенты - важные оптические показатели различных тел. В зависимости от преобладающего значения того или иного коэффициента тела подразделяют на отражатели, поглотители и фильтры. Из всей энергии оптического излучения в другой вид преобразуется лишь та, которая поглощается телом. Тела, в которых происходит преобразование поглощенной энергии излучения в другие виды энергии (биологическую, тепловую, электрическую и т. д.), называют приёмниками. Реакцию приемника оптического излучения по отношению к мощности падающего на него излучения называют чувствительностью: g = ФЭФ /ФП = kaФПhЭ /ФП = kahЭ (1.7) где ФЭФ - мера реакции приемника, или эффективный поток излучения, поглощённый и преобразованный приемником, Вт; ФП - поток излучения, падающий на приемник, Вт; k, a - коэффициенты пропорциональности и поглощения; hЭ - энергетический КПД преобразования излучения приемником. Большинство приемников оптического излучения обладают различной чувствительностью к излучениям с разной длиной волны, которое из-за постоянства длины волны излучения называют монохроматическим. В этом случае говорят о спектральной чувствительности приемника g (l). Спектральная чувствительность - основная фотометрическая характеристика приемника излучения, которая может быть выражена также в виде относительной спектральной чувствительности: k(l) = g(l) /g(l)max (1.8) где g(l)max - максимальная спектральная чувствительность приемника излучения. Рис.1. Стандартизированные функции относительной спектральной чувствительности типовых приёмников оптического излучения: 1 - бактерий для летального действия; 2 – кожи человека для витального действия; 3 – глаза человека; 4 – зелёного листа растения. На рис.1 показаны стандартизированные (усреднёные) функции относительной спектральной чувствительности некоторых типовых приемников оптического излучения, которые можно также расценивать как функции относительной спектральной эффективности фотобиологических воздействий: 7 — бактерицидного, 2 — витального (эритемного), 3 — светового и 4 — фотосинтезного. В соответствии с этим различают и системы эффективных величин и единиц их измерений: бактерицидную, витальную, световую и фотосинтезную. Характеристики светового поля Световое поле – область пространства, в котором имеет место перенос световой энергии данного источника света. Общий вид интегральной характеристики светового поля согласно определяется выражением где с – интегральная характеристика светового поля – средняя освещенность выбранной поверхности, расположенной в окрестности точки светового поля (размеры этой поверхности малы и отраженными потоками световое поля не искажают), f(,β) – функция ценности излучения, определяющая эффективность излучения, поступающего от источника на выбранную поверхность, Ω – телесный угол, окружающий точку, в которой определяется значение с, dEH – нормальная освещенность, создаваемая элементом источника света на площадке, расположенной перпендикулярно направлению на этот элемент в исследуемой точке поля. Функция f(,β) зависит от положения элемента источника, освещающего выбранную поверхность, и формы этой поверхности: f(,β) = ΔσΔA, где Δσ – проекция выбранной поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению от элемента источника к данной точке поля; ΔA – площадь поверхности, средняя освещенность которой определяется. В настоящее время используются следующие интегральные характеристики светового поля: 1) Освещенность E участка плоскости ΔA (см рис). В этом случае f(β) = Δσ/ΔA; освещенность участка ΔA в окрестности точки Б где . 2) Пространственная освещенность E0 – сумма нормальных освещенностей в данной точке поля. Очевидно что ; Параметры источников света. Электрическим источником оптического излучения, и в частности источником света, называют устройство для преобразования электрической энергии в лучистую энергию оптического спектра. Параметры источников света условно можно разделить на две основные группы: технические (физические) и эксплуатационные.  Основные Технические параметры ИС: световой поток Ф, сила излучения I, яркость Вa , спектр излучения. Спектр излучения – совокупность монохроматических излучений, входящих в состав сложного излучения. Источники излучения могут иметь сплошной, полосатый, линейный спектр или спектр со сплошной и линейной составляющей. Сплошной спектр – спектр, у которого монохроматические составляющие заполняют без разрывов интервал длин волн, в пределах которого происходит излучение. Полосатый спектр - спектр, монохроматические составляющие которого образуют дискретные группы (полосы), состоящие из множества тесно расположенных монохроматических излучений. Линейный спектр – спектр, состоящий из отдельных, не примыкающих друг к другу монохроматических излучений Эксплуатационные параметры. Электрический режим характеризуется: мощностью лампы Рл, рабочим напряжением на лампе Uл, напряжением питания U, током и родом тока (постоянный, переменный и т.д.) При оценке эффективности лампы наиболее важны: - энергетический КПД лампы в заданной области спектра от λ1 до λ2 : ηэн.л = [λ1 ò λ2 φел (λ)d λ]/Pл . - эффективный КПД лампы для соответствующего приемника излучения ηэф.л = [λ1 ò λ2φел (λ)S(λ)d λ]/Pл . где S(λ) – относительная спектральная чувствительность приемника излучения. - эффективная отдача лампы: ηл = Фэфл/Pл=Smax(λ) ηэф.л Важными параметрами источников света являются также полный и полезный сроки службы. Полный срок службы – продолжительность горения лампы от начала эксплуатации до момента полной или частичной утраты работоспособности. Полезный срок службы - продолжительность горения лампы от начала эксплуатации до момента ухода за установленные пределы одного из параметров, определяющих целесообразность использования ламп данного типа 2. Тепловые источники оптического излучения. 2.1 Способы генерирования оптического излучения. Тепловые источники оптического излучения. По физической природе различают три основных вида оптического излучения (ОИ): тепловое, люминисцентное, и лазеры. Тепловым называют ОИ, возникающее при нагревании тел. У твердых тел они имеют непрерывный спектр, зависящий от температуры тела и его оптических свойств. Тепловыми излучателями являются: лампы накаливания, простые угольные дуги, все пламенные источники. Основные законы теплового излучения установлены для идеализированного тела, называемого черным телом или излучателем Планка. В качестве него принято тело, которое поглощает все падающие на него излучение независимо от длины волны, направления падения и поляризации. Закон Кирхгофа. В любой точке поверхности теплового излучателя при любой температуре и длине волны отношение спектральной плотности энергетической яркости в заданном направлении к спектральному коэффициенту поглощения неполяризационного излучения в противоположном направлении не зависит от рода излучателя и равняется спектральной плотности энергетической яркости черного тела при той же температуре и длине волны. После интегрирования по всем направлениям полусферы получаем: me(λ, T)/α(λ, T) = mes(λ, T), (2.1) где me(λ, T) – спектральная плотность энергетической светимости тела (Вт/м2); mes(λ, T) – то же но для черного тела; α(λ, T) – спектральный коэффициент поглощения тела при температуре Т. Закон Стефана—Больцмана определяет соотношение между энергетической светимостью черного тела Mes(Вт/м2) и его температурой: Mes =σT4, (2.2) Где σ = 5,67*10-8Вт/( м2 К4) – постоянная Стефана—Больцмана. Закон смещения Вина устанавливает связь положения максимума в спектре излучения черного тела с температурой его нагрева lmax = С /Т, (2.3) lmax - длина волны, соответствующая максимуму в спектре излучения черного тела, нм; С = 2898×103 нм×К - постоянная Вина; Т — абсолютная температура тела, К. Закон Планка устанавливает распределения спектральной плотности энергетической светимости черного тела в зависимости от температуры: mes(λ, T) = с1l-5[ес2/(lТ)-1]-1, (2.4) где с1 = 2πhc02=3.742*10-16Вт*м2, с2=h*c0/k = 1.439*10-2м*K; h = 6.626*10-34 Дж*с – постоянная Планка, c0= 3*108м/с – скорость света в вакууме, k=1.38*10-23Дж/К – постоянная Больцмана. Коэффициент полезного действия излучения черного тела определяется спектральным распределением излучения при температуре Т (рис. 2.1, кривая 1). Рис. 2.1 К определению различных КПД излучения черного тела. Площадь А, ограниченная кривой 1 и осью абсцисс, соответствует потоку излучения, площадь A1 – потоку излучения, приходящемуся на видимую область спектра. Площадь А2 – соответствует воспринимаемому человеческим глазом потоку излучения, который называется световым потоком Ф. Эффективность излучения черного тела можно оценить следующими показателями: энергетическим КПД – отношением площади A1 к А; световым КПД – отношением A2 к А; КПД видимого излучения – отношения площадей A2 к А1; световой отдачей – отношением светового потока Ф к электрической мощности Рs, затраченной на нагрев тела. Световая отдача черного тела имеет максимальное значение 89,5лм/Вт при T=6600K. Все реальные тела являются либо серыми (спектральный коэффициент излучения у них меньше 1 и не зависит от длины волны), либо селективными, у которого спектральный коэффициент теплового излучения зависит от длины волны. Тепловое излучение реальных тел, в том числе металлов, описывается законами излучения черного тела с внесением в них экспериментально установленных коэффициентов. Так, для оценки интегрального значения тепловой энергетической светимости металлов Me(Т) применяется выражение, аналогичное закону Стефана-Больцмана: Me(Т) = ε(T)*Mes(T)= ε(T)* σT4, (2.4) где ε(T) – интегральный коэффициент теплового излучения металла.