Promieniowanie monochromatyczne to promieniowanie o jednej tylko częstotliwości (długości fali)

Transkrypt

1 Promieniowanie to przenoszenie energii bez pośrednictwa materii. Najczęściej promieniowanie jest traktowane jako promieniowanie elektromagnetyczne, czyli takie, któremu przypisuje się naturę falową. Promieniowanie monochromatyczne to promieniowanie o jednej tylko częstotliwości (długości fali) Promieniowanie złożone to promieniowanie złożone z różnych promieniowań monochromatycznych Widmo promieniowania to obraz powstały wskutek rozłożenia promieniowania złożonego na promieniowanie monochromatyczne widmo promieniowania widmo promieniowania świetlówek o różnej barwie

2 UV-C daleki nadfiolet 100 nm 80 nm UV-B średni nadfiolet 80 nm 315 nm UV-A bliski nadfiolet 315 nm 400 nm VIS promieniowanie widzialne 380 nm 780 nm IR-A bliska podczerwień 760 nm nm IR-B średnia podczerwień nm nm IR-C daleka podczerwień nm nm (1 mm)

3 Umowne podzakresy promieniowania widzialnego Barwa światła Charakterystyczny przedział długości fali [nm] fioletowa niebieska niebiesko-zielona zielona zielono-żółta żółta pomarańczowa czerwona Promieniowanie widzialne składa się z szeregu promieniowań monochromatycznych Poszczególne promieniowania monochromatyczne wykazują różną skuteczność w wywoływaniu wrażeń wzrokowych Przy równej mocy promieniowania, światło czerwone, fioletowe i niebieskie powoduje słabsze pobudzenie narządu wzroku niż światło zielone i żółte Vλ względna, widmowa skuteczność świetlna (dla widzenia dziennego, fotopowego gdy działają czopki) - stosunek mocy promieniowania o odniesieniowej długości fali λ m, do mocy promieniowania o długości fali λ. Moce tych dwóch promieniowań zostały tak dobrane, że w określonych warunkach wywołują równe co do wielkości wrażenie świetlne. V λ względna, widmowa skuteczność świetlna (dla widzenia nocnego, skotopowego gdy działają pręciki) Obserwator normalny CIE to odbiornik promieniowania, którego krzywa względnej skuteczności świetlnej widmowej jest zgodna z krzywą Vλ Przebieg funkcji Vλ i V λ

4 Φ = 780nm K m dpλ Vλ dλ [ ] 380nm Strumień świetlny lm lumen gdzie: 380nm 780nm zakres widzialny promieniowania elektromagnetycznego lm K m = 683 W - największa wartość skuteczności świetlnej (kiedyś: fotometryczny równoważnik promieniowania) V λ - względna widmowa skuteczność świetlna (odpowiada względnej skuteczności świetlnej przeciętnego ludzkiego oka) dp λ [W] - moc promienista widmowa z zakresu długości fali pomiędzy λ a λ + d λ Światłość α dφ = dω I [ ] cd kandela Strumień świetlny rozchodzący się w elementarnym kącie bryłowym

5 Natężenie oświetlenia E Φ S = [ ] lx luks Strumień świetlny padający na powierzchnię Luminancja Pojęcie luminancji związane jest z wrażeniem powstającym przy postrzeganiu przedmiotów, o których możemy powiedzieć, że mają mniejszą lub większą jaskrawość. L α Iα Iα = = S S cosα cd m

6 BRYŁA FOTOMETRYCZNA I KRZYWA ŚWIATŁOŚCI charakteryzują rozchodzenie się strumienia świetlnego w przestrzeni otaczającej źródło światła Bryła fotometryczna jest to miejsce geometryczne końców wektorów o wspólnym początku i o długości proporcjonalnej do światłości źródła w danym kierunku. Krzywa światłości jest to krzywa przedstawiana najczęściej we współrzędnych biegunowych łącząca końce wektorów światłości w płaszczyźnie pionowej przechodzącej przez źródło światła w funkcji kąta.

7 Obrotowo-symetryczna bryła fotometryczna powstaje z obrotu krzywej światłości w układzie współrzędnych biegunowych dookoła osi leżącej w płaszczyźnie południkowej i przechodzącej przez środek źródła światła Symetryczna bryła fotometryczna powstaje wtedy, gdy bryła fotometryczna nie posiada symetrii obrotowej lecz jest symetryczna względem co najmniej jednej płaszczyzny Niesymetryczna bryła fotometryczna powstaje wtedy, gdy bryła fotometryczna nie posiada płaszczyzny symetrii

8 Katalogowa krzywa światłości W celu ułatwienia porównywania krzywych światłości różnych źródeł światła (opraw oświetleniowych) przelicza się światłości podawane w [cd] na strumień świetlny źródła światła o wartości 1000lm [cd/1000lm]. I 1000 γ [cd / 1000lm] Φ 1000lm C, = IC, γ I C, 1000lm Φo γ = IC, γ [cd] 1000 o o Φ - strumień świetlny źródła światła (lub suma strumieni źródeł światła) w oprawie

9 Prawo odwrotności kwadratów Dla punktowych źródeł światła natężenie oświetlenia w punkcie A jest wprost proporcjonalne do światłości źródła w kierunku punktu A i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości pomiędzy źródłem światła a punktem A. Z definicji natężenia oświetlenia E i światłości w kierunku alfa I α : dφ E = ds I α dφ = dω Natężenie oświetlenia na powierzchni w punkcie A: dφ Iα dω Iα ds cosα Iα ds cosα A = = = = cosα ponieważ: dω = ds ds r ds r r E E A I Iα Iα = cosα = cosα = r h ( h/cosα) cos α 3 α Iα dla α=0 E A = r

10 Prawo odwrotności zakłada, że źródło światła jest punktowe, co w praktyce sprowadza się do tego, że zakłada się odległość r jako dostatecznie dużą w stosunku do wymiaru źródła światła d. r >> d Błąd wynikający z zastosowania prawa odwrotności kwadratów (t.j. różnica pomiędzy rzeczywistym natężeniem oświetlenia pochodzącym od rzeczywistego źródła światła a obliczonym natężeniem oświetlenia według prawa odwrotności kwadratów) jest mniejszy niż 1% jeżeli odległość r od źródła światła jest większa od pięciokrotnego największego wymiaru d źródła światła. r > 5 d Graniczna odległość fotometrowania to odległość pomiędzy źródłem światła a rozpatrywanym punktem, dla której błąd wynikający z zastosowania prawa odwrotności kwadratów jest równy 1% r gr. = 5 d

11 Prawo Lamberta odnosi się do pierwotnych lub wtórnych źródeł światła, których powierzchnie mają zdolność doskonałego rozpraszania światła (powierzchnie idealnie matowe, gips, zmatowione szkło...) Prawo Lamberta mówi, że: Każdy element ciała równomiernie rozpraszającego światło ma we wszystkich kierunkach (w obrębie kąta bryłowego π) jednakową luminancję. Iα L = = constans S cosα α L α = Lα= 0 L α = 0 = I α= 0 S Iα Iα= 0 = S cosα S I I 0 cosα I 0 = I0 = Imax α = α= α = Iα = Imax cosα I α Φ Φ dφ = = ω dω ω = ω ω 1 I α dω = π α α 1 I α sinα dα = π π 0 I max cosα sinα dα =π I max Związek pomiędzy natężeniem oświetlenia na powierzchni Lambertowskiej (idealnie rozpraszającej światło) a luminancją tej powierzchni. Φ ρ = ρ Φ = π I max Imax ρ Φ ρ L = = = E S π S π

12 Kąt bryłowy jest to część przestrzeni ograniczona co najmniej trzema płaszczyznami, które mają wspólny punkt i przecinają się parami. Punkt przecięcia tych płaszczyzn jest wierzchołkiem kąta bryłowego. S ω = [sr] r S powierzchnia części kuli, na której opiera się dany kąt bryłowy o wierzchołku w środku tej kuli, r promień kuli. np.: 1 steradian: S = 1m r = 1m pełny kąt bryłowy = 4 π = 1,57 [sr] półprzestrzenny kąt bryłowy = π

13 Kąt bryłowy stożkowy może być określony przez płaski kąt rozwarcia stożka OA = r cosα h = r r cosα S = π r h - powierzchnia czaszy kulistej ω = S r π r = ( 1 cosα) r = π ( 1 cosα) Strefowy kąt bryłowy to przestrzeń ograniczona powierzchniami bocznymi dwóch współosiowych stożków, która wycina z powierzchni kuli pas kulisty o wysokości h=h -h 1 S = S ω α α 1 ( cosα α ) S1 = π r (h h1) = π r h = π r 1 cos = π ( cosα α ) 1 cos

14 Obliczanie strumienia świetlnego Metody dokładne można stosować wtedy, kiedy istnieje matematycznie opisana zależność pomiędzy światłością a kątem α. Φ dφ I α = =, d Φ = I α dω - z definicji światłości ω dω Strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym o skończonej wartości ω = ω otrzymujemy całkując następujące wyrażenie: 1 ω Φ ω = ω ω 1 I α dω Kąt bryłowy w funkcji kąta płaskiego: ω α α 1 = π ( cosα α ) 1 cos Różniczkując to wyrażenie otrzymujemy: d ω = π sinα dα Jeżeli z kątem bryłowym ω związany jest przedział kąta płaskiego α = α, to: 1 α Φ ω = π α α 1 I α sinα dα Kula świecąca Rozsył światłości: I = const. Φ Φ Φ α α α 0 α = π Iα sinα dα = π I0 sinα d α α α 1 = π I0 = π I ( 1 cosα) ( cosα α ) 0 1 cos α Strumień całoprzestrzenny (α 1 = 0, α = π) Φ = 4 π 0 I 0

15 Płytka świecąca (idealnie rozpraszająca światło) Linia świecąca Rozsył światłości: Φ Φ Φ I = Imax cosα α α α 0 α = π Iα sinα dα = π Imax cosα sinα d α 1 α = π Imax 1 I 1 α = π cosα ( 1 cos α) ( cos α ) max 1 Strumień całoprzestrzenny (α 1 = 0, α = π/) Φ 0 = π I max α Rozsył światłości: Iα = Imax sinα Φ Φ Φ α α 0 α = π Iα sinα dα = π Imax sin α d 0 0 = π 1 α sin 0 α I max α ( α α ) + ( sinα sin α ) α α = π I max Strumień całoprzestrzenny (α 1 = 0, α = π) Φ 0 = π Imax 1 α

16 Metody mniej dokładne stosuje się wtedy, kiedy nie można matematycznie opisać zależności pomiędzy światłością a kątem α. Całkowanie krzywej światłości zastępuje się sumowaniem. Metoda strumieni cząstkowych polega na sumowaniu strumieni cząstkowych wypromieniowanych w obrębie niewielkich kątów bryłowych. Strumień cząstkowy zawarty w kącie bryłowym Φ ω i = I śr. ω i ω i ωi : gdzie: Iśr. ω - średnia światłość w obrębie kąta bryłowego ωi Φ i = n Φ = 0 ω i śr. ω i i= 1 i= 1 n I ω i gdzie: n liczba przedziałów na jakie podzielono kąt bryłowy całoprzestrzenny Z przedziałem kąta bryłowego związany jest przedział kąta płaskiego: ω i = [ cosα cos( α + α )] π i i i α [1 0 ] I α [cd] α [1 0 ] I śr. α [cd] ω [sr] Φ [lm] Φ0 = 998.1

17 PARAMETRY I CHARAKTERYSTYKI FOTOMETRYCZNE MATERIAŁÓW Własności odbiciowe materiałów zależą od: rodzaju materiału: - dielektryk lub metal, - materiał przeźroczysty lub nieprzeźroczysty, - materiał o strukturze jednorodnej lub niejednorodnej, stanu powierzchni materiału: - powierzchnia gładka lub chropowata, - powierzchnia z naniesionymi (napylonymi) dodatkowymi warstwami (np. przeciwodblaskowymi) o różnych współczynnikach załamania n, grubości materiału. Podział materiałów oświetleniowych: materiały o odbiciu (o przepuszczaniu): - kierunkowym, - rozproszonym, - kierunkowo-rozproszonym. materiały - przeźroczyste, - nieprzeźroczyste, materiały - barwne (selektywne), - szare (nieselektywne).

18 Współczynnik odbicia strumienia świetlnego ρ (ang. reflectance) stosunek strumienia odbitego Φ ρ do strumienia padającego Φ w danych warunkach. Φρ ρ = Φ Współczynnik odbicia kierunkowego ρ r (ang. regular reflectance) r stosunek części odbitej kierunkowo Φ ρ całego strumienia odbitego do strumienia padającego Φ. r Φρ ρr = Φ Współczynnik odbicia rozproszonego ρ d (ang. diffuse reflectance) d stosunek części odbitej w sposób rozproszony Φ ρ całego strumienia odbitego do strumienia padającego Φ. Φρ d ρd = Φ ρ =ρ + tak samo jest dla współczynnika przepuszczania τ r ρ d Zależność współczynnika odbicia od kąta padania światła. Dla większości rzeczywistych materiałów współczynniki odbicia i przepuszczania zależą od kąta padania światła θi na powierzchnię materiału (za wyjątkiem materiałów lambertowskich). Zazwyczaj wartości współczynnika odbicia podaje się dla prostopadłego padania światła na powierzchnie materiału (θi=0). Ze wzrostem kąta padania światła wzrasta również wartość współczynnika odbicia. 1.0 Zależność współczynnika odbicia od kąta padania światła, dla światła padającego na gładką powierzchnię. Współczynnik odbicia ro -całkowity wsp. odbicia 0. ro-r -wsp.odb. kierunkowego ro-d -wsp.odb. rozproszonego Kąt padania światła [1 0 ] ro ro-r ro-d

19 Współczynniki widmowe Dla promieniowania monochromatycznego stosowane są pojęcia współczynników widmowych. Widmowe współczynniki: nie zależą od składu widmowego padającego na nie promieniowania, są cechą charakterystyczną materiału. Φρλ ρ λ = widmowy współczynnik odbicia Φλ Φ τλ τ λ = widmowy współczynnik przepuszczania Φλ Φαλ α λ = widmowy współczynnik pochłaniania Φ λ ρλ λ [nm] Współczynniki całkowite Całkowite współczynniki zależą od: współczynników widmowych ρ λ, składu widmowego promieniowania padającego ρ= 780nm Φ eλ 380nm 780nm Φ ρ eλ 380nm λ V V λ λ dλ dλ Φ e λ.

20 K O L O R Y M E T R I A widzenie nocne (skotopowe) L < 0,01 cd/m działają tylko pręciki widzenie w skali szarości widzenie zmierzchowe (mezopowe) 0,01 < L < 10 cd/m działają pręciki i czopki upośledzone widzenie barwne widzenie dzienne (fotopowe) L > 10 cd/m działają tylko czopki widzenie barwne Sprawdzenie warunku na widzenie dzienne luminancja w polu widzenia L dla materiału idealnie rozpraszającego światło: ρ L = E π Jeżeli współczynnik odbicia ρ=1 to najmniejsze wymagane natężenie oświetlenia E na danej powierzchni dla warunku, że L > 10 cd/m wyniesie: π E = L = ρ π 10 31[lx] 1 Dla rzeczywistego materiału, dla którego współczynnik odbicia ρ=0,5 najmniejsze wymagane natężenie oświetlenia E dla warunku L > 10 cd/m wyniesie: π π E = L = [lx] ρ 0,5

21 Addytywne mieszanie barw Tworzenie wrażeń barwnych przez mieszanie w oku promieniowań odpowiadających różnym barwom. Układ barw RGB stanowią trzy bodźce barwowe odniesienia (barwy główne): czerwona, zielona i niebieska.

22 Subtraktywne mieszanie barw Uzyskiwanie wrażeń barwnych pod wpływem promieniowania białego, z którego pochłania się kolejno promieniowania różnych barw. Jest to mieszanie barwników. Układ barw CMY stanowią trzy bodźce barwowe odniesienia (barwy główne): turkusowa (niebiesko-zielona), purpurowa i żółta. W układach CMYK dodaje się czwarty barwnik czarny.

23 Prawa Grassmann a (1853r.), układ kolorymetryczny RGB 1. Każdy bodziec barwny może być odtworzony przez addytywne mieszanie trzech bodźców niezależnych. Bodźce niezależne to takie, których nie da się odtworzyć poprzez zmieszanie dwóch pozostałych. C= n R R + n G G+ n B B Nie zawsze da się uzyskać równowagę barw. Niekiedy barwę czerwoną R należy przenieść na stronę barwy C. C= n R R + n G G+ n B B W układzie kolorymetrycznym RGB bodźce barwowe odniesienia stanowią barwy monochromatyczne o następujących długościach fali: R: λ = 700 nm G: λ = 546,1 nm B: λ = 435,8 nm. Dwa bodźce wywołujące takie samo wrażenie barwne, lecz posiadające różne składy widmowe w mieszaninie z trzecim bodźcem tworzą zawsze identyczne wrażenie barwne. Metameryzm bodźce barwowe o różnym składzie widmowym mają takie same składowe trójchromatyczne (taką samą barwę). Np. barwa żółta monochromatyczna ( nm) jest metameryczna z żółtą wywołaną przez mieszaninę promieniowania zielonego ( nm) i czerwonego ( nm). 3. Jeżeli w mieszaninie addytywnej jeden ze składników będzie zmieniał się w sposób ciągły to barwa mieszaniny będzie się zmieniała również w sposób ciągły.

24 Układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931 Układ barw fikcyjnych, którego bodźce barwowe odniesienia nie można odtworzyć w laboratorium: wszystkie barwy są dodatnie, barwa równoenergetyczna (biała) leży w środku trójkąta barw, jedna ze składowych jest proporcjonalna do luminancji Y V λ

25 Pomiar współrzędnych chromatyczności ekranu monitora Funkcje kolorymetryczne układu XYZ CIE 1931 Za pomocą kolorymetru mierzone są składowe trójchromatyczne X, Y, Z proporcjonalne do funkcji kolorymetrycznych x λ, y λ, z λ i rozkładu widmowego P λ promieniowania: 780 X = Pλ xλ Y = Pλ yλ Z = Pλ zλ 380 dλ dλ dλ Na podstawie pomierzonych składowych trójchromatycznych obliczane są współrzędne chromatyczności: X x = X+ Y + Z Y y = X+ Y + Z Z z= X+ Y + Z x + y + z= 1

26 Temperatura barwowa to taka temperatura promiennika czarnego, który ma taką samą barwę (współrzędne chromatyczności x, y) jak rozpatrywany promiennik rzeczywisty Ciało czarne idealny promiennik temperaturowy, który całkowicie pochłania padające nań promieniowanie

27 S P R Z Ę T O Ś W I E T L E N I O W Y Źródła światła pierwotne wtórne (wysyłają światło odbite lub przepuszczone, nie ma przemiany energii: np. sufit, ściany, księżyc) naturalne - słońce - gwiazdy - robaczek świętojański sztuczne lampy inne - piec stalowniczy - łuk spawalniczy pochodnia gazowa naftowa świeca elektryczna temperaturowe luminescencyjne łukowe żarówki fluorescencyjne wyładowcze Sztuczne źródła światła światło otrzymuje się w wyniku przemiany innego rodzaju energii, np. energii elektrycznej, chemicznej... W zależności od sposobu wzbudzania atomów i cząstek wyróżnia się dwa sposoby wytwarzania promieniowania w elektrycznych źródłach światła: - inkadescencja (promieniowanie termiczne) - luminescencja

28 INKADESCENCJA (promieniowanie temperaturowe) to wysyłanie promieniowania w wyniku cieplnego wzbudzenia atomów lub cząsteczek Prąd elektryczny przepływa przez ciało stałe lub ciecz i rozgrzewa je do wysokiej temperatury. Cząsteczki zostają wprowadzone w drgania i ruch obrotowy, osiągają wyższy poziom energetyczny, zostaje wyemitowany kwant promieniowania. Częstotliwość drgań jest różna, więc widmo tego promieniowania jest widmem ciągłym.

29 LUMINESCENCJA polega na wysyłaniu promieniowania powstającego w wyniku wzbudzenia atomów lub cząsteczek. Luminescencja jest charakterystyczna dla danego rodzaju ciała promieniującego. Luminescencja dzieli się na: Elektroluminescencję to emisja promieniowania przez atomy lub cząsteczki wzbudzone kosztem energii pola elektrycznego. Zachodzi w ciałach stałych, cieczach i gazach. Zjawisko wyładowania w gazach lub parach metali wykorzystywane jest przy budowie lamp rtęciowych, metalohalogenkowych, sodowych i innych. Fotoluminescencję to emisja promieniowania przez atomy lub cząsteczki wzbudzane fotonami promieniowania ultrafioletowego UV, promieniowania widzialnego VIS lub podczerwonego IR. Do budowy lamp wykorzystywane jest zjawisko fotoluminescencji ciał stałych, które nazywamy luminoforami. Luminofory są krystalicznie aktywowane domieszkami metali ciężkich (mangan, cynk, srebro, antymon) Reguła Stokes a λ > λ prom.emitowane prom.wzbudzające

30 Wielkości charakteryzujące elektryczne źródła światła P [W] U [V] U L [V] I [V] cos ϕ f [Hz] V [%] znamionowa moc elektryczna (układu i lampy) znamionowe napięcie zasilające znamionowe napięcie na lampie znamionowy prąd lampy współczynnik mocy częstotliwość napięcia zasilającego (napięcia na lampie) współczynnik zniekształceń nieliniowych n Ik k= V = I1 100% stopień zniekształceń przebiegów napięcia i prądu lampy (dla lamp wyładowczych) gdzie: I k wartość skuteczna prądu k-tej harmonicznej I 1 wartość skuteczna podstawowej harmonicznej Φ [lm] η [lm/w] T b [K] R a strumień świetlny Φ η = skuteczność świetlna lampy (układu) P temperatura barwowa wskaźnik oddawania barw - charakteryzuje dokładność, jakość oddawania barw tak aby barwy przedmiotów oświetlanych przez źródła światła nie były zniekształcone: - dobry: Ra = średni: Ra = mały: Ra < 70

31 τ [h] trwałość: - średnia, - gwarantowana, - użytkowa. Φt / Φt= trwałość użytkowa τuż τuż krzywa wygasania t [h] trwałość średnia τśr i gwarantowana τgw τgw τśr t [h] w współczynnik tętnienia charakteryzuje głębokość tętnienia strumienia świetlnego. Φ w max Φmin Φ = 100 lub w max Φ = min 100 Φmax Φmax + Φmin tętnienie to zjawisko negatywne, które powoduje: - zjawisko stroboskopowe, - zmniejszenie komfortu widzenia. sposoby ograniczenia tętnienia: - odpowiednie układy pracy lamp, układ duo dla świetlówek, zasilanie z trzech faz - zasilanie prądem stałym, zasilanie napięciem o wysokiej częstotliwości.

32 Ż A R Ó W K I Żarnik wykonany z wolframu, w postaci jednoskrętki lub dwuskrętki. Wolfram: - wysoka temperatura topnienia C, - mała prędkość parowania. Główny problem to parowanie wolframu, które prowadzi do przepalenia żarnika. Strumień świetlny i skuteczność żarówki rosną wraz z temperaturą żarnika, lecz równocześnie maleje trwałość, bo zwiększa się parowanie wolframu. Żarówki gazowane gaz oblepia żarnik i zmniejsza parowanie, więc można podnieść temperaturę żarnika nie zmniejszając trwałości. Gaz (im cięższy gaz tym lepszy): - argon, - azot, - - mieszanina argonu (cięższy) i azotu (większa odporność na przebicie), - krypton.

33 Żarówki halogenowe zachodzi regeneracyjny cykl halogenowy, tworzą się związki chemiczne halogenków (fluor, chlor, jod) z metalem (wolfram) 1) wolfram paruje i osadza się na bańce ) wolfram wiąże się z jodem i tworzy się jodek wolframu 3) jodek wolframu odrywa się od bańki i wędruje na żarnik 4) jodek wolframu rozkłada się w wysokiej temperaturze żarnika na jod i wolfram, wolfram osadza się na żarniku, a jod z powrotem wędruje na bańkę 1) ) 3) 4) Warunek przy jakim zachodzi cykl halogenowy: temperatura bańki nie powinna być mniejsza niż 50 K (dlatego żarówki halogenowe maja bańki o małych rozmiarach) Ze względu na zachodzący cykl regeneracyjny można podnieść temperaturę żarnika bez straty trwałości (rośnie strumień i skuteczność świetlna).

34 Temperatura żarnika: - żarówki próżniowe T < 500 K (do 5W) - żarówki gazowane 600 K < T < 3000 (powyżej 40W) - żarówki halogenowe T 300 K Żarówki są wrażliwe na zmiany napięcia. Dla niewielkich zmian napięcia +/- 10% można zmiany podstawowych parametrów przedstawić za pomocą wykładników potęgowych: trwałość 13 τ U = n U τ n strumień świetlny 3, 6 Φ U = n U Φ n moc 1, 6 P U = P n U n skuteczność świetlna 1, 9 η U = n U η n

35 Żarówki do ogólnych celów oświetleniowych: - próżniowe, - gazowane. Zestawienie parametrów żarówek P [W] U [V] Bańki Trzonki przeźroczyste matowe mleczne zwierciadlane kolorowe gwintowe: E14, E7, E40 bagnetowe: B η [lm/w] próżniowe 6 9 [lm/w] gazowane [lm/w] Ra 100 im większa moc tym większa skuteczność świetlna: 40W 40 lm 10.5 lm/w 60W 710 lm 11.8 lm/w 100W 1360 lm 13.6 lm/w τ [h] trwałość średnia 1000 h trwałość gwarantowana 700 h

36 Żarówki halogenowe: - niskonapięciowe, - na napięcie sieciowe. Zestawienie parametrów żarówek halogenowych P [W] U [V] Bańki Trzonki bez dodatkowej osłony z dodatkową osłoną gwintowe: E14, E7 jednostronnie trzonkowane: G4, GY6.35, GU5.3, GU10, GZ10 dwustronnie trzonkowane: R7s η [lm/w] niskonapięciowe 1 6 [lm/w] na napięcie sieciowe 10 4 [lm/w] Ra 100 im większa moc tym większa skuteczność świetlna: τ [h] trwałość średnia h Niskonapięciowe Żarówka z odbłyśnikiem typu zimne lustro tzw. żarówka dichroiczna

37 Na napięcie sieciowe Żarówek halogenowych bez dodatkowej osłony nie można dotykać palcami Rozkład widmowy żarówki halogenowej z normalnym szkłem kwarcowym (z lewej) oraz ze szkłem kwarcowym i filtrem UV (z prawej)

38 Ś W I E T L Ó W K I Elektrody wykonane z drutu wolframowego w postaci dwuskrętki, są pokryte emiterem tlenkowym, który obniża pracę wyjścia elektronów i tym samym ułatwia zapłon. Argon gaz pomocniczy. Rtęć dozowana w postaci metalicznej, odparowuje pod wpływem zwiększonej temperatury, pary rtęci osiągają ciśnienie ok Pa w temperaturze ok C. Luminofor wytwarza promieniowanie widzialne, pobudzany jest do świecenia tzw. promieniowaniem rezonansowym rtęci z zakresu UV: 185 nm i 54 nm. Rozkład widmowy świetlówki z luminoforem

39 Ciśnienie par rtęci musi mieć taką wartość, aby promieniowanie linii rezonansowych rtęci miało największą skuteczność. O wartości ustalonego ciśnienia par rtęci decyduje wartość temperatury najchłodniejszego punktu w świetlówce (tzw. punkt kondensacji) η [%] T [0C] Zależność skuteczności świetlnej od temperatury najchłodniejszego punktu w świetlówce Świetlówka posiada ujemną, nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową, w związku z tym należy stosować elementy stabilizujące punkt pracy a pełniące rolę ograniczania prądu płynącego przez lampę (stateczniki). Układ pracy świetlówki ze statecznikiem indukcyjnym i zapłonnikiem tlącym, kondensator C do poprawy współczynnika mocy. Z prawej rysunek pokazujący budowę zapłonnika tlącego.

40 Zapłon świetlówki: 1). Styki zapłonnika są otwarte. Po włączeniu napięcia pomiedzy elektrodami zapłonnika powstaje wyładowanie świetlące. Grzeje się elektroda z bimetalu i następuje zwarcie elektrod zapłonnika. Płynie prąd o natężeniu ok. 10mA. ). Prąd płynie przez elektrody i zwarte styki zapłonnika. Płynący prąd podgrzewa elektrody i wymusza termiczną emisje elektronów. Bimetal stygnie. Płynie prąd około jeden i pół razy większy od prądu znamionowego. 3). Bimetal rozwiera obwód. W dławiku indukuje się siła elektromotoryczna o amplitudzie ok. 1 kv, która jest wyższa od napięcia zapłonu świetlówki (Uz~50-400V). 4). Jeżeli świetlówka nie świeci to cykl zapłonowy się powtarza. Stateczniki: 1). Rezystancyjne, nie stosuje się ze względu na: - straty mocy, - tętnienie strumienia, - chłodzenie elektrod. ). Pojemnościowe, nie stosuje się ze względu na: - tętnienie strumienia, - mała trwałość lampy. 3). Indukcyjne, dławik z rdzeniem żelaznym, najlepszy z dławików nieelektronicznych. 4). Elektroniczne, podwyższona częstotliwość napięcia na lampie ok. 40 khz: - zwiększenie strumienia i skuteczności świetlnej lampy, - zmniejszenie tętnienia strumienia, - zwiększenie trwałości, - zmniejszenie strat mocy, - natychmiastowy zapłon, - bardziej awaryjne niż stateczniki indukcyjne.

41 Układ duo (antystroboskopowy): - Prądy płynące przez świetlówki są przesunięte w fazie o π/, w związku z tym strumienie świetlówek również są przesunięte w fazie o π/. - współczynnik mocy układu cosϕ 0. 9 Charakterystyki napięciowe Wpływ napięcia zasilającego na parametry świetlne i elektryczne jest niewielki. Np.: Us +/-10% to Φ +/-10%. Temperatura otoczenia. Ma wpływ na strumień świetlny i trwałość świetlówek ALASKA klasa II, IP65, Ta do -5 0 C ARKTIS klasa II, IP65, Ta do C Względna zmiana strumienia oprawy w funkcji temp. zewn. Ta (Tu) 1 oprawa ze statecznikiem niskostratnym oprawa ze statecznikiem elektronicznym 3 nieosłonięta świetlówka T6 58W

42 Trwałość: Zależy od częstości włączeń (od kilku do kilkunastu tysięcy godzin). Rozruch: Osiągnięcie znamionowego punktu pracy zazwyczaj trwa do kilku minut. Własności świetlówki zależą od rodzaju luminoforu i rodzaju statecznika: - trwałość τ, - skuteczność świetlna η, - wskaźnik oddawania barw Ra, - temperatura barwowa Tb, Rodzaje świetlówek: - liniowe, - kompaktowe, - zintegrowane (ze statecznikiem), - niezintegrowane (bez statecznika).

43 Liniowe: Standardowe o średnicy 6mm (firmy Osram): Nazwa Moc Barwa Tb[K] Ra Φ η L18/5 uniwersalna biała L18/0 18W biała L18/30 ciepła L36/5 uniwersalna biała L36/0 36 W biała L36/30 ciepła z luminoforem trójpasmowym o średnicy 6mm (firmy Osram): Nazwa Moc Barwa Tb[K] Ra Φ η L18/840 chłodno-biała L18/830 18W ciepło-biała L18/87 interna L36/840 chłodno-biała L36/ W ciepło-biała L36/87 interna

44 Kompaktowe niezintegrowane: P: 5 55 W Φ: lm η: lm Ra: 80 89, >90 Kompaktowe zintegrowane: P: 3 3 W Φ: lm η: lm Ra: 80 89, Świetlówki specjalne: - bakteriobójcze, bez luminoforu z bańka ze szkła kwarcowego, - do solarium UV-A, UV-B. Świetlówka UV z filtrem Blacklight blue firmy Philips

45 Zestawienie parametrów świetlówek P [W] 3 58 U [V] 30 Bańki Trzonki rurki proste o średnicach 38mm, 6,mm, 16mm rurki gięte i łączone (świetlówki kompaktowe) kołkowe (obustronnie trzonkowane): G13, G5 kołkowe (jednostronnie trzonkowane): G3, G4d, GX4d, G11 gwintowe: E14, E7 (świetlówki kompaktowe) η [lm/w] liniowe [lm/w] kompaktowe [lm/w] Ra im większa moc tym większa skuteczność świetlna: τ [h] trwałość użytkowa h

46 L A M P Y R T Ę C I O W E Jarznik wykonany ze szkła kwarcowego odpornego na wysoka temperaturę i na działanie par rtęci. Elektrody na rdzeń wolframowy w dwóch warstwach nawinięty jest drut wolframowy, naniesiona jest pasta emisyjna ułatwiająca zapłon lampy. Wypełnienie Rtęć i Argon. Wyładowanie w parach rtęci, argon stanowi gaz pomocniczy. Widmo prążkowe z niewielkim udziałem widma ciągłego. Luminofor odpowiada za wytworzenie promieniowania tylko w zakresie czerwonym (inaczej niż w świetlówkach).

47 Rozruch znamionowy punkt pracy osiągany jest po kilku minutach. Prąd rozruchowy ok. 1.5 razy większy od prądy znamionowego. Układ pracy lampy rtęciowej ze statecznikiem indukcyjnym, kondensator C do poprawy współczynnika mocy Zapłon zastosowano metodę zmniejszenia napięcia zapłonu polegająca na zmniejszeniu odległości miedzy elektrodami. Zapłon odbywa się za pomocą elektrod pomocniczych umieszczonych w pobliżu elektrod głównych. W chwili kiedy rezystancja przestrzeni wyładowczej będzie mniejsza od rezystancji opornika, wyładowanie przenosi się miedzy elektrody główne.

48 Zestawienie lamp rtęciowych firmy Philips Zestawienie parametrów lamp rtęciowych P [W] U [V] 30 Bańki Trzonki eliptyczne przeźroczyste lub pokryte luminoforem gwintowe: E7, E40 η [lm/w] liniowe [lm/w] Ra im większa moc tym większa skuteczność świetlna: τ [h] trwałość użytkowa h

49 L A M P Y M E T A L O H A L O G E N K O W E To lampy rtęciowe ze specjalnymi domieszkami. Do jarznika dodaje się halogenki metali (tal, ind, dysproz) co skutkuje poprawą rozkładu widmowego. Zwiększa się skuteczność świetlna i wskaźnik oddawania barw. Rozkłady widmowe lamp metalohalogenkowych Układ pracy lampy metalohalogenkowej ze statecznikiem indukcyjnym, UZ układ zapłonowy wytwarzający impuls o amplitudzie kilku kv. Z prawej strony pokazany jest rozruch lampy.

50 Zestawienie lamp metalohalogenkowych firmy Philips Zestawienie parametrów lamp metalohalogenkowych P [W] U [V] 30 Bańki eliptyczne, tubularne Trzonki gwintowe: E7, E40, kołkowe: G1, RX7s η [lm/w] [lm/w] im większa moc tym większa skuteczność świetlna: Ra τ [h] trwałość użytkowa ok h

51 L A M P Y S O D O W E W Y S O K O P R Ę Ż N E Jarznik wykonany z polikrystalicznego tlenku aluminium (ceramika), produkowany od lat 60-tych bo wcześniej nie znaleziona takiego materiału na jarznik, który by wytrzymał wysoka temperaturę ( C) i niszczące działanie sodu. Wypełnienie Rtęć, Sód i gaz pomocniczy (argon lub ksenon). Wyładowanie w parach sodu i częściowo w parach rtęci. Zapłon następuje w gazie pomocniczym a później odparowują rtęć i sód, które przejmują wiodącą rolę w wyładowaniu. Widmo prążkowe z niewielkim udziałem widma ciągłego. Głównie dwie linie rezonansowe sodu 589 i nm (barwa żółta) plus podkład ciągły i linie rtęci. Brak luminoforu. Żółta barwa światła Tb=700K. Oddawanie barw jest niewłaściwe Ra=3

52 Układ pracy lampy metalohalogenkowej ze statecznikiem indukcyjnym, UZ układ zapłonowy wytwarzający impuls o amplitudzie kilku kv. Z prawej strony pokazany jest rozruch lampy. Zestawienie lamp sodowych firmy Philips

53 Zestawienie parametrów lamp sodowych P [W] U [V] 30 Bańki Trzonki eliptyczne, tubularne, przeźroczyste lub z powłoką rozpraszającą gwintowe: E7, E40 η [lm/w] [lm/w] Ra 3 im większa moc tym większa skuteczność świetlna: τ [h] trwałość użytkowa h

54 L A M P Y S O D O W E N I S K O P R Ę Ż N E Jarznik dwuwarstwowa rurka w kształcie litery U. Warstwa wewnętrzna z tlenku aluminium, warstwa zewnętrzna ze szkła. Wypełnienie Sód i gaz pomocniczy (argon lub neon). Wyładowanie w parach sodu. Widmo liniowe: dwa prążki 589 nm i nm (dublet sodowy). Brak luminoforu. Żółto-pomarańczowa barwa światła. Brak właściwego oddawania barw, nie można wyznaczyć wskaźnika oddawania barw Ra. Optymalna skuteczność lamp sodowych niskoprężnych uzyskiwana jest przy niskich natężeniach prądu lampy. Jednak prąd o niskim natężeniu nie może zapewnić odpowiednio wysokiej temperatury koniecznej do odparowania sodu ( C). Aby zwiększyć temperaturę stosuje się następujące zabiegi: - pomiędzy jarznikiem z zewnętrzną bańką jest próżnia, - rurki jarznika pokrywa się tlenkiem cyny (szaro-niebieski nalot), który odbija promieniowanie podczerwone i powoduje zwiększenie temperatury jarznika, - rurki jarznika (kształt U) oddziaływają cieplnie na siebie i zwiększają temperaturę.

55 Układ pracy lampy sodowej niskoprężnej należy stosować specjalne dławiki hybrydowe lub transformatory rozproszeniowe. Rozruch lampy sodowej niskoprężnej. Zestawienie lamp sodowych niskoprężnych firmy Philips

56 Zestawienie parametrów lamp sodowych niskoprężnych P [W] U [V] 30 Bańki Trzonki tubularne przeźroczyste bagnetowe: BYd η [lm/w] [lm/w] Ra - im większa moc tym większa skuteczność świetlna: τ [h] trwałość użytkowa ok h