CHARACTERISTICS OF LIGHTING SYSTEMS REALIZED USING OPTICAL FIBRES

Transkrypt

1 Atoi RÓśOWICZ światłowody, oświetleie, przewodzeie światła WŁAŚCIWOŚCI SYSTEMÓW OŚWIETLENIOWYCH NA ŚWIATŁOWODACH Propagacja światła wzdłuŝ optyczego światłowodu zaleŝy od wielu czyików, wśród których dość duŝe zaczeie ma; kąt wejścia wiązki światła do rdzeia światłowodu, czystość materiału rdzeia i płaszcza oraz współczyik wewętrzego odbicia. Światłowody uŝywae w techice oświetleiowej ajczęściej są wykoae ze szkła kwarcowego lub PMMA. Sprawość i efektywość tych systemów jako całości zaleŝa jest od: kostrukcji geeratora, zastosowaego źródła światła, zespołu źródło światłakolimator, rodzaju materiału uŝytego a światłowód, długości światłowodu. O wyborze tego systemu do celów oświetleiowych powiy decydować wymogi środowiskowe oraz estetycze. CHARACTERISTICS OF LIGHTING SYSTEMS REALIZED USING OPTICAL FIBRES Lightig propagatio i optical fibres depeds o may factors. Mai facotrs are: fallig agle of light stream ito fibre core, purity of core ad cover material, coefficiet of iteral reflectio. Optical fibres used i lightig techology are made mostly from quartz glass or PMMA. Those systems efficiecy depeds o: costructio of geerator, type of used light source ad collimator, legth of fibre. The evirometal ad esthetic costrais should be cosidered whe choosig optical fibre systems.. WPROWADZENIE Światło jest iezbęde do Ŝycia, wpływa takŝe a jego jakość. Codzieie po zmroku włączamy źródła sztuczego oświetleia, które umoŝliwiają am przedłuŝeie ormalego fukcjoowaia. Najbardziej popularym źródłem światła uŝywaym do oświetleia gospodarstw domowych jest Ŝarówka, biur i hal produkcyjych świetlówka, dróg i placów lampa rtęciowa. JedakŜe są oe coraz częściej wypierae przez bardziej owoczese źródła i systemy światła. Coraz częściej dla zapewieia właściwego kształtowaia oświetleia we wętrzach jak i obiektów zewętrzie ilumiowaych potrzebe są źródła światła o takich własościach, które pozwolą a optymale wykorzystaie istiejących systemów oświetleiowych jak i ukazaie zamierzoych cech ilumiowaego obiektu. Do takich układów iewątpliwie aleŝą świetle systemy światłowodowe. dr hab. iŝ. Atoi RóŜowicz prof. PŚk Politechika Świętokrzyska, Katedra Urządzeń Elektryczych i Techiki Świetlej, Aleja Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 5-34 Kielce

2 544 Atoi RÓśOWICZ W skład świetlego systemu światłowodowego (iekiedy azywa się torem światłowodowym) rys. wchodzą: źródło światła (Z), elemet kolimujacy tworzący wiązkę świetlą o małej rozwartości (K), zestaw filtrów (F), pojedycze włóko lub wiązka włókie światłowodowych (Ś) oraz elemety kształtujące bryłę świetlą wychodzącą ze światłowodu (O). W praktyce występuje w torze światłowodowym trzy elemety: geerator światła (G) który samym sobą przedstawia; o - źródło światła (Z), o - kolimator (K), o - filtry (F), kable światłowodowe (Ś), końcówki soczewkowe (O). Z K F Ś O Rys.. Schemat układu toru światłowodowego. PODSTAWY FIZYCZNE PRZEWODZENIA ŚWIATŁA WE WŁÓKNIE ŚWIATŁOWODOWYM Strumień światła przechodzący z ośrodka optyczie gęstszego (o większym współczyiku załamaia) do ośrodka optyczie rzadszego a graicy ośrodków ulega częściowemu odbiciu i załamaiu tz część strumieia odbija się od powierzchi graiczej pod kątem rówym kątowi padaia strumieia a tą powierzchię, atomiast część strumieia ulega załamaiu w drugim ośrodku, przy czym kąt załamaia Θ jest większy od kąta padaia Θ. Zgodie z prawem Selliusa: gdzie: si Θ si Θ = współczyik załamaia ośrodka pierwszego, współczyik załamaia ośrodka drugiego. () gdzie: Współczyik załamaia określa się zaleŝością: c = v o c = 0, v c 0 prędkość światła w próŝi v prędkość światła w ośrodku o współczyiku załamaia v - prędkość światła w ośrodku o współczyiku załamaia ()

3 WŁAŚCIWOŚCI SYSTEMÓW ŚWIATŁOWODOWYCH STOSOWANYCH Przy wzroście kąta padaia Θ = Θ kr kąt załamaia wzrasta do Θ = 90 ο, tak Ŝe promień załamay rozprzestrzeia się wzdłuŝ powierzchi graiczej, czyli: a więc: si Θ kr = (3) Θ = arcsi kr (4) Przekroczeie przez promień padający kąta Θ kr powoduje, Ŝe światło odbija się od graicy ośrodków zgodie z zasadą: kąt padaia i odbicia są rówe i leŝą w płaszczyźie prostopadłej do elemetu odbijającej powierzchi. Zjawisko to azywae jest całkowitym wewętrzym odbiciem. Kąt Θ kr poza którym występuje całkowite wewętrze odbicie jest azyway kątem krytyczym. Tak długo jak promień padający a graice między dwoma ośrodkami o róŝej gęstości (róŝych współczyikach załamaia) przy kącie większym iŝ kąt krytyczy Θkr, tak długo będzie występowało odbijaie promieia z powrotem do tego samego ośrodka, a graicza powierzchia (między ośrodkami) odbijająca zachowuje się jak doskoałe zwierciadło. Tak, taki promień będzie łapay w pułapkę wewątrz włóka światłowodu, przechodząc wielokrote wewętrze odbicia, by wyurzyć się a końcu włóka światłowodu. W światłowodach o skokowej zmiaie współczyika załamaia między rdzeiem a płaszczem zauwaŝyć moŝa, Ŝe aalogicza sytuacja zachodzi pomiędzy płaszczem a ośrodkiem go otaczającym jakim jest powietrze. PoiewaŜ od stroy płaszcza a graicy płaszcz-rdzeń ie moŝe zachodzić całkowite wewętrze odbicie, część promiei rozchodzących się w płaszczu powtórie przechodzi do rdzeia. Tam padając a przeciwległą graicę pod kątem miejszym od krytyczego, przechodzi powtórie do obszaru płaszcza. Tak rozchodzące się promieie świetle ie są wypromieiowywae a zewątrz włóka, lecz prowadzoe w płaszczu. Promieie prowadzoe w płaszczu są bardziej tłumioe iŝ promieie prowadzoe w rdzeiu. Przyczyą jest pochłaiaie eergii wiązki światła przez okrywający płaszcz oraz mikrozgięcia włóka. Istieie prowadzeia płaszczowego moŝe zachodzić jedyie a początku światłowodu połączoego ze źródłem. 3. PARAMETRY ŚWIATŁOWODÓW STOSOWANYCH W SYSTEMACH OŚWIETLENIOWYCH Światłowodem moŝe być kaŝde urządzeie optycze w obrębie którego światło po liiach łamaych, będących wyikiem kolejych odbić przemieszcza się od wejścia do wyjścia. PoiewaŜ proces odbicia ma skończoa sprawość określoą wartością współczyika odbicia, dlatego jakościowo dobry światłowód (pojedycze włóko światłowodowe) powio charakteryzować się wartością współczyika odbicia ρ moŝliwie zbliŝoą do jedości. Wykorzystyway w techice oświetleiowej jako elemet prowadzący (światłowód) moŝe mieć rdzeń wykoay ze; szkła kwarcowego SiO lub z PMMA.

4 546 Atoi RÓśOWICZ Obecie światłowody mogą być wykoywae jako: - całkowicie z domieszkowego szkła, przy czym materiał rdzeia ma współczyik załamaia ieco większy iŝ płaszcza, - ze szkła kwarcowego i z płaszczem polimerowym p. z Ŝywicy silikoowej, - całkowicie wykoae z polimerów. RóŜica współczyików załamaia jest ajmiejsza dla włókie całkowicie szklaych, większa dla włókie z płaszczem polimerowym około dwukrotie i ajwiększa dla włókie całkowicie polimerowych. Jak wiadomo [4] apertura umerycza światłowodów rośie wraz ze wzrostem róŝicy współczyików załamaia rdzeia i płaszcza (, ). Małe wartości apertury umeryczej ozaczają jedocześie iewielką sprawość sprzęŝeia eergetyczego źródło-światłowód. WyŜej przedstawioe typy światłowodów cechują się astępującymi właściwościami: - światłowody wykoae całkowicie ze szkła, cechują się małą aperturą umeryczą, iewielką stratością, średice rdzeia wyoszą 50, 00 lub 00µm, mała średica włókie sprawia kłopoty przy łączeiu, - światłowody z płaszczem polimerowym cechują się większą aperturą umeryczą, średice rdzeia wyoszą 00µm i więcej, - światłowody całkowicie polimerowe cechują się duŝą aperturą umeryczą, duŝą stratością, średice rdzeia wyoszą mm lub mm. Światłowody z czystego szkła kwarcowego w postaci iekrystaliczej cechuje się współczyikiem załamaia wyoszącym od,45 do,5 w zakresie pasma widzialego (im dłuŝsza fala tym miejszy współczyik załamaia). Zaczący wpływ a wartość współczyika załamaia ma zawartość domieszkowaia iych pierwiastków. Włóka wykoae z SiO (płaszcz szklay lub polimerowy) mają iezwykle małą tłumieość, wyoszącą dla promieiowaia pasma widzialego od.db/km do38db/km (zaczie miejsze wartości tłumieości posiada szkło kwarcowe w zakresie podczerwiei bliskiej). Na rys. przedstawioo wykres tłumieości światłowodu wykoaego ze szkła. Straty w materiale światłowodu wyikają z: - absorpcji promieiowaia, tz. z istieia obcych ciał w masie szklaej rdzeia światłowodu, - rozproszeia promieiowaia przechodzącego przez ośrodek. Procetowo większą wartość staowią straty absorpcyje 00 db/km 0 0, m 000 Rys.. Tłumieość światłowodu o bardzo małych stratach

5 WŁAŚCIWOŚCI SYSTEMÓW ŚWIATŁOWODOWYCH STOSOWANYCH Światłowody wykoae ze szkła kwarcowego pomimo, Ŝe cechują się bardzo dobrymi parametrami przewodzeia ie zajdują w świetlych systemach światłowodowych zbyt duŝego zastosowaia ze względu a zbyt małą elastyczość przy większych średicach, czyli światłowody tego rodzaju mogą być stosowae do przeoszeia bardo małych mocy świetlych. W latach osiemdziesiątych po raz pierwszy wprowadzoo a ryek oświetleiowy światłowody wykoae z PMMA (polimetakryla metylu). Przezroczysta masa wyglądem przypomiająca szkło, ierozpuszczala w wodzie, rozpuszczala m.i. w estrach, acetoie, dioksaie. PMMA jest materiałem, który dobrze prowadzi trasmisję światła w pełym paśmie promieiowaia widzialego. Produkowae światłowody z PMMA cechują się współczyikiem załamaia wyoszącym od,4 do,49 w zakresie pasma widzialego. Współczyik tłumieia strumieia świetlego światłowodów wykoaych z PMMA jest poad 8 do 30 razy większy iŝ dla światłowodów wykoaych ze szkła kwarcowego. Wartość współczyika tłumieia światłowodów wykoaych z PMMA jest róŝa dla roŝych długości fali. Tak duŝa wartość tłumieości w sposób zasadiczy wpływa a opłacalą długość stosowaych światłowodów. W przypadku zastosowaia światłowodów o miejszej tłumieości wydłuŝa się zaczie opłacala długość kabli światłowodowych. Jak wykazują dotychczasowe badaia [,4] sprawość wiązki światłowodu oświetleiowego mierzoa całkowitym współczyikiem przepuszczeia jest ściśle uzaleŝioa od długości kabli w wiązce. Długość kabli liczoa od głowicy do końcówki optyczej i ie powia przekraczać kilkuastu metrów, by sprawość moŝa uzać za dostateczie duŝą. Sprawość światłowodu defiiuje się jako; gdzie: η = Φ wej strumień świetly a końcu światłowodu Φ wyj - strumień świetly wprowadzoy do głowicy światłowodu Φ Φ Na rys.3. przedstawioo zaleŝość wpływu długości światłowodu a stratość strumieia świetlego. Z daych (rys.3) wyika dość jedozaczie, Ŝe kaŝde 5 metrów kabli wiązki światłowodowej powoduje zmiejszeie przepuszczalości o około 0%. Stosowaie więc wiązki światłowodowej o długości kabli poad 30m staje się iecelowe gdyŝ sprawość wyiesie ieco poad 40%. Jak widać z przedstawioych daych (rys.3) bardzo istoty wpływ a efekt końcowy oświetleia mają wiązki światłowodowe. Dlatego jak wykazao wyŝej przy stosowaiu światłowodowego systemu oświetleiowego aleŝy uwzględić wiele czyików między iymi materiał włóka, moc przeoszoą oraz stratość strumieia świetlego w kablu światłowodowym (rys.3). wej wyj (5)

6 548 Atoi RÓśOWICZ Rys.3. Przepuszczalość światłowodu PMMA w fukcji długości Jak wykazują badaia włase autora [4] przy projektowaiu systemu światłowodowego aleŝy poadto uwzględić zmieość wskaźika oddawaia barw oraz zmieość temperatury barwowej wiązki światła wyprowadzaej ze światłowodu w fukcji zastosowaej długości wiązek światłowodowych. ZaleŜość zmia tych parametrów w fukcji długości wiązek przedstawioo a rys. 4, rys. 5.,5 T/Tc,5 PMMA 0,75 SiO 0, długość światłowodu w m Rys.4. Temperatura barwy światła wychodzącego ze światłowodu w fukcji jego długości

7 WŁAŚCIWOŚCI SYSTEMÓW ŚWIATŁOWODOWYCH STOSOWANYCH Rys.5.Współczyik oddawaia barw w fukcji jego długości Z przedstawioych daych wyika iŝ temperatura barwy światła (rys.4) wychodzącego z wiązki światłowodu o długości 0m zmieia się, i tak dla światłowodów wykoaych z PMMA zwiększa się o około 5% atomiast dla światłowodów wykoaych z SiO zmiejsza się o około 0%. Natomiast współczyik oddawaia barw dość istotie maleje w fukcji długości wiązki światłowodowej (rys.5). Parametry te aleŝy mieć a uwadze przy projektowaiu oświetleia systemami światłowodowymi. Przeprowadzoe przez autora badaia trasmisji promieiowaia wykazały, Ŝe wiązka światła wychodząca ze światłowodu pozbawioa jest promieiowaia w paśmie ultrafioletu i podczerwiei. 4. WPROWADZENIE STRUMIENIA ŚWIETLNEGO DO ŚWIATŁOWODU KaŜde wygięcie światłowodu moŝe powodować zakłóceia wartości kąta padaia światła a koleje elemety graicy ośrodków tak Ŝe część światła pada pod katem miejszym od graiczego i w efekcie moŝe wypływać poza światłowód. Tak więc kostrukcja światłowodu pokazaa a rys.4. (rdzeń walcowy o większym współczyiku załamaia objęty ściśle warstwą materiału płaszcza o współczyiku < ) prowadzi światło, które wejdzie do rdzeia pod pewym kątem. Strumień światła pada a rdzeń z powietrza którego współczyik załamaia o =. Uwzględiając prawo Selliusa maksymaly kąt padaia a płaszczyzę wejściową światłowodu wyosi: si Θ wej = o si(90 Θ kr ) = Krytyczej wartości kąta padaia a płaszcz Θkr odpowiada kąt akceptacji światłowodu Θ zawarty miedzy osią światłowodu i promieiem krytycyzm. Wartość fukcji siusa tego kąta azywa się aperturą umeryczą NA światłowodu i określa pośredio maksymalą rozwartość wiązki świetlej, która moŝe być trasportowaa rdzeiem światłowodu. (6)

8 550 Atoi RÓśOWICZ NA = si Θ max (7) Przy daej kombiacji materiałów rdzeia i płaszcza światłowodu apretura liczbowa włóka wyosi: ) NA = ( Kąt akceptacji wyzacza rozwartość stoŝka akceptacji o kącie Θ w przedziale którego światłowód przyjmuje promień świetly. Jak wyika z przedstawioych wyŝej zaleŝości wartość apertury umeryczej światłowodu warukuje efektywość sprzęŝeia światłowodu z geeratorem źródła światła. Z róŝicy wartości kątów rozwarcia stoŝka akceptacji światłowodu i wartości kąta rozwarcia promieiowaia geeratora źródła światła wyikają straty sprzęŝeia. Kąty rozwarcia układów świetlych geeratorów są dość zróŝicowae jak pokazao w dalszej części artykułu, dlatego straty sprzęŝeia są takŝe zróŝicowae. W zaleŝości od zastosowaego źródła światła rozróŝia się trzy rozwiązaia kostrukcyje geeratora rys.6 Jak widać a rys. 6 w kaŝdym z rozwiązań geeratora wypromieiowae światło ze źródła światła jest kierowae do światłowodu (głowicy światłowodu ), bezpośredio rys 6a, lub wiązka światła zostaje odbita od lustra i po przejściu i skupieiu przez zitegroway układ soczewek wprowadzoa do głowicy światłowodu rys.6b, 6c. KaŜde z powyŝszych rozwiązań układu geeratora charakteryzuje się iym kątem Θ wyj, a to ozacz takŝe róŝe wartości strat strumieia a styku źródło światła głowica światłowodu. (8) a/ F b/ F 4 3 c/ F 4 3 Rys.6. Układy optyczo świetle geeratorów, a/ układ z źródłem typu Masterlie bez układu kolimacyjego; b/ układ z źródłem typu haloge capsulelie i kolimatorem, c/ układ z źródłem typu metalohalge i kolimatorem. Ozaczeia a rysuku: - kabel światłowodowy, - źródło światła, 3- kolimator, 4- lustro.

9 WŁAŚCIWOŚCI SYSTEMÓW ŚWIATŁOWODOWYCH STOSOWANYCH Przeprowadzoe przez autora badaia sprawości tych układów wykazały, Ŝe sprawość geeratorów wyosi od % do 5%. Tak zaczące róŝice w otrzymaych wartościach sprawości geeratorów wyikają z, kostrukcji geeratora (typu a, b lub c) oraz z zastosowaego źródła światła w daym typie. 5. WNIOSKI Tam gdzie tradycyje elektrycze źródła światła okazują się problemem czyli tam gdzie mamy do czyieia z wodą, gazem, czułymi materiałami itd system światłowodowy moŝe być jedyą alteratywą. Natomiast przy projektowaiu światłowodowego systemu oświetleiowego aleŝy uwzględić wiele czyików między iymi materiał włóka, moc przeoszoą, stratość strumieia świetlego, wskaźik oddawaia barw, zmiaę temperatury barwowej w fukcji długości światłowodów. 6. LITERATURA [] Bobrowski Cz.: Fizyka krótki kurs, WNT, Warszawa 993 [] Nowe tredy w oświetleiu, Philips Lightig [3] Fibre Optic Lightig Systems, [4] Smoliński A.: Światłowody i ich zastosowaie, Ossolieum 980 [5] RóŜowicz A.: Wieloaspektowość stosowaia świetlych systemów światłowodowych. LUMEN 09.