Rodzaje elektrycznych źródeł światła

Barwa światła wysyłanego przez źródło znajduje się w bezpośrednim związku z rozkładem energii w jego widmie. Często właśnie charakterystyka barwna decyduje o możliwościach zastosowania danego źródła w tym czy innym określonym celu. Wszystkie znane sztuczne źródła światła można podzielić na dwie grupy:

- źródła o emisji promieniowania opartej na zjawiskach termicznych,
- źródła luminescencyjne.

Żarówki

Najstarszym przedstawicielem elektrycznych źródeł światła są wszelkiego rodzaju żarówki w których elementem odpowiedzialnym za emisję promieniowania jest rozgrzany do wysokiej temperatury (ok. 2500-3000o K ) żarnik. Żarnik wykonany z trudno topliwego metalu o wysokiej temperatury topnienia rozgrzewa się na skutek przepływu prądu i emituje energię rozchodzącą się w przestrzeni w postaci fal elektromagnetycznych o różnych długościach fal. Ciągły przepływ prądu uzupełnia ubytek energii powstały wskutek emisji promieniowania.

Żarówki są typowymi przedstawicielami źródeł o ciągłej emisji widma promieniowania. A więc temperatura ich rozkładu widmowego jest równa temperaturze barwowej. Parametry barwowe żarówek praktycznie nie zależą od materiału z jakiego został wykonany żarnik, a tylko od wartości temperatury do jakiej się ogrzewa. Temperatura barwowa żarówki ze skrętką wolframową w przezroczystej bezbarwnej bańce wynosi 2360 K dla żarówek próżniowych i 2800 K dla żarówek gazowanych. Specjalne typy żarówek przeznaczonych do oświetlenia specjalnego mają wyższą temperaturę barwową równą 3300 K. Żarnik jak każde rozżarzone ciało stałe wysyła widmo ciągłe promieniowania tzn. wysyła on promieniowanie o wszystkich barwach, przechodzących jedna w drugą w sposób ciągły. Na część nadfioletową widma (dł. fali do 400) nm przypada znikoma część wypromieniowanej energii; na zakres widzialny (400 - 760) nm znacznie większa; na część zaś podczerwoną (powyżej 760) nm największa. Rozkład energii promieniowania w poszczególnych podzakresach widmowych zależy od właściwości materiału żarnika, od jego temperatury pracy i widmowego współczynnika przepuszczalności ścianek banki. Przy danym materiale żarnika i bańki każdej temperaturze odpowiada dokładnie określony rozkład widmowy promieniowania.

Jedną z istotnych wad żarówek klasycznych jest różnica ich barwy w stosunku do światła dziennego. Przy stosunkowo niskiej temperaturze żarnika (2400 – 2600) K w promieniowaniu żarówki przeważają barwy pomarańczowo – czerwone. Przy podwyższeniu temperatury żarnika maksimum jego promieniowania przesuwa się w kierunku fal krótszych, a promieniowanie całkowite zbliża się do światła białego. Nie mniej jednak w żarówkach klasycznych, przy żadnej temperaturze nie otrzymuje się światła białego.

Poprawę barwy żarówki można osiągnąć przez podwyższenie temperatury skrętki. Powodowałoby to zwiększenie udziału widzialnej części promieniowania w ogólnej ilości wypromieniowanej energii. Jednakże ten sposób związany jest z przyśpieszeniem procesu rozpylania i niszczenia skrętki. Polepszenie barwy żarówek klasycznych uzyskuje się niekiedy przez zastosowanie filtrów świetlnych lub baniek ze szkła barwionego. W tym ostatnim przypadku szkło absorbuje część czerwono – pomarańczową widma, a dobrze przepuszcza światło fioletowe i niebieskie i w ten sposób poprawia barwę całego promieniowania. Takie żarówki osiągają temperaturę barwową (3500 – 4000) K. Zastosowanie filtrów lub szkła barwionego w bańce powoduje jednak zmniejszenie całkowitego strumienia świetlnego i z tego powodu metoda ta nie jest szczególnie polecana.

Tabela 1 prezentuje przykłady temperatury barwowej żarówek o różnej konstrukcji i technologii wykonania.

Żarówki halogenowe

W celu zapobieżenia negatywnym skutkom rozpylania żarnika oraz poprawy barwy emitowanego światła powstała nowa generacja żarówek tzw. żarówki halogenowe.

W wielkim skrócie można powiedzieć, że wprowadzone zmiany polegają na wprowadzeniu do wnętrza bańki żarówki pierwiastków siódmej grupy układu okresowego zwanych popularnie halogenkami. Gdy taki halogenek znajdzie się w wypełniającym żarówkę gazie, to wraz z odparowanym wolframem utworzy obieg wolframowo – halogenkowy. Odparowany z żarnika wolfram jest wiązany przez halogenek, zanim zdąży osadzić się na bańce. W pobliżu rozgrzanego żarnika powstały związek rozpada się ponownie na elementy składowe. Wolfram odkłada się ponownie w żarniku lub pozostaje w jego pobliżu, natomiast uwolniony halogenek gotów jest do ponownej reakcji. Trwający nieprzerwanie cykl halogenowy powoduje, że w żarówce halogenowej zaczernienie bańki jest znikome, a emitowany strumień świetlny pozostaje stały w czasie. Zapobiegający wypyleniu żarnika cykl halogenowy umożliwia bezpieczne podniesienie temperatury żarnika. Powoduje to przesunięcie widma promieniowania w kierunku fal krótkich i znaczna poprawę barwy emitowanego światła.

Najczęściej spotykane wartości temperatur barwowych zawierają się w przedziale od 2900 K do 3200 K. Wskaźniki oddawania barw zarówno szczególne jak i ogólny są rzędu 99.

Wyładowcze źródła światła

Ten rodzaj źródeł światła powstał w wyniku wykorzystania procesów związanych z przepływem prądu przez gaz. W wyniku przyłożenia pola elektrycznego do przestrzeni wypełnionej gazem, w tym ostatnim obserwuje się powstanie wyładowania. Wyładowanie w gazie jest zależne od wielu czynników związanych z: rodzajem gazu, rodzajem i kształtem elektrod, temperaturą gazu, jego ciśnieniem oraz wartością przyłożonego do elektrod napięcia. Lampy wyładowcze podzielono w sposób umowny na lampy niskoprężne, średnioprężne i wysokoprężne. Za podstawę tego podziału przyjmuje się wartości ciśnienia par napełnienia jarznika lampy, ponieważ jest to jeden z tych parametrów, które decydują o właściwościach fizyko – chemicznych lampy i tym samym o jej parametrach eksploatacyjnych.

Świetlówki

W lampach niskoprężnych ciśnienie utrzymywane jest na poziomie 5 hPa. Tak niskie ciśnienie określa własności wyładowania w rurze wyładowczej. Nazywane ono jest wyładowaniem jarzeniowym i charakteryzuje się tym, że nie podnosi temperatury rury. Stąd emisja z takiego wyładowania bywa często nazywana świeceniem zimnym.

Wyładowanie jarzeniowe jest wykorzystywane jako pierwotne źródło promieniowania w świetlówkach. Niskociśnieniowe lampy wypełnione są parami rtęci, które emitują promieniowanie głównie linii rezonansowych 185 nm i 253,7 nm. Około 90% emitowanej energii promienistej przypada na linie 253,7 nm. Linia ta odgrywa szczególna rolę w procesach powstawania światła w świetlówkach - jest ona źródłem wydajnej luminescencji luminoforów wzbudzanych przez tę linię. W wyniku fosforescencji niewidzialna promieniowanie UV jest zmieniane w światło widzialne. Od składu chemicznego luminoforu zależy jego widmo czyli temperatura barwowa, wskaźnik oddawania barw i w znacznym stopniu skuteczność świetlna lampy.

Wysokoprężne lampy rtęciowe

Lampy wysokociśnieniowe mają ciśnienie robocze kilkadziesiąt razy przewyższające ciśnienie atmosferyczne (powyżej 105 Pa). Zjawiska fizyczne zachodzące w jarzniku lampy rtęciowej wysokiego ciśnienia takie jak poszerzenie zderzeniowe linii widmowych oraz silna absorpcja linii rezonansowych przez plazmę wyładowania powodują, że emisja promieniowania z takich lamp występuje w znacznej części w widzialnym obszarze widma.

W widmie lampy rtęciowej brakuje emisji w obszarze czerwonym widma. W efekcie światło otrzymywane z takiej lampy ma zimną niebieskawą barwę. W celu poprawienia parametrów barwowych lamp rtęciowych wysokoprężnych stosuje się dwie metody. Pierwsza z nich polega na pokryciu bańki zewnętrznej warstwą luminoforu itrowego z europem jako aktywatorem lub stosowanie wersji lamp żarowo – rtęciowych z wbudowanym dodatkowo żarnikiem wolframowym.

Różnice w parametrach barwowych trzech rodzajów lamp rtęciowych zestawiono w Tabeli 2.

Wysokoprężne lampy sodowe

Cechą charakterystyczna wysokoprężnych lamp sodowym jest emisja 85 % jej energii promienistej w postaci monochromatycznej linii D-sodu (589 nm). Położenie tej linii w pobliżu maksimum czułości oka, powoduje że lampy te charakteryzują się bardzo dużą wydajnością świetlną. Niestety barwa uzyskiwanego z nich światła (intensywnie żółta) w znacznym stopniu ogranicza obszar ich stosowania. Stosowane są głównie do oświetlenia zewnętrznego – ulicznego.

Wysokoprężne lampy wyładowcze – metalohalogenkowe

Lampy te charakteryzują się wzbogaconym o kombinację szeregu metali (w sumie ok. 50) napełnieniem jarznika. Napełnienie jarznika lampy dodatkowymi metalami (metale przeznaczone do napełnienia lamp występują w postaci jodków lub bromków stąd nazwa lamp metalohalogenkowe) zmienia właściwości użytkowe i eksploatacyjne takich lamp w stosunku do lamp napełnianych tylko np. rtęcią. Przede wszystkim zmienia się widmo promieniowania takiej lampy. Widmo lampy rtęciowej zostaje wzbogacone o linie promieniowania atomowego pozostałych metali domieszki, a wysokie ciśnienie par w jarzniku gwarantuje powstawanie dodatkowych efektów kwantowo–mechanicznych wpływających na ostateczne ukształtowanie widma promieniowania lampy.

W Tabeli 3 przedstawiono parametry barwowe lamp metalohalogenkowych o różnym napełnieniu chemicznym jarznika.

Półprzewodnikowe diody elektroluminescencyjne (LEDy)

Półprzewodnik wypromieniowuje fale o określonej długości fali. Zależnie od rodzaju materiału półprzewodnikowego LED-y emitują promieniowanie monochromatyczne w różnych barwach (Tabela 4). Hitem w produkcji źródeł światła w ostatnich latach stały się LEDy emitujące światło białe, których temperatura barwowa zawiera się w granicach od 7250 K do 7750 K, a ogólny wskaźnik oddawania barw jest rzędu 85.

opracowała Lucyna Hemka