Основы оптико-электронного приборостроения (стр. 9 )

Лампы накаливания. Электрическая лампа накаливания – это источник теплового излучения нагреваемого до высокой температуры твердого тела (нити накаливания) при прохождении через него электрического тока. Широкому распространению ламп накаливания способствует их дешевизна, удобство эксплуатации, неплохие эксплуатационные качества (высокая надежность, простота включения, достаточно большой срок службы, малое время разгорания). Спектр излучения нити накаливания, которая обычно изготавливается из вольфрама, селективен. Энергетическая светимость вольфрамовой нити может быть вычислена по формуле:

Me = ελTσT4 = [1 – exp(βT)] σT4,

где σ = 5,67·10-8 Вт·м-2·К-4; β = 1,47·10-4·К-2.

При увеличении T коэффициент излучения вольфрама ελT стремится к единице. Это позволяет в расчетной практике использовать законы излучения черного тела, используя понятия о цветовой, яркостной и радиационной температурах.

Важными параметрами ламп накаливания, служащими для оценки их эффективности, являются энергетический к. п.д. излучения и световая отдача ( в лм/Вт). Световая отдача осветительных ламп невелика – их световой к. п.д. составляет несколько процентов. Следует отметить, что световая отдача увеличивается при увеличении напряжения питания, а следовательно, и температуры тела накала. Однако при этом увеличивается потребляемая мощность, а срок службы лампы резко сокращается. Для увеличения срока службы возможно уменьшать напряжение питания, при этом значительное увеличение срока службы окупает небольшое уменьшение величины светового потока. Расчетные соотношения и графики для этих случаев приведены в литературе, например в [7,21].

Для стабилизации параметров ламп накаливания рекомендуется перед установкой их в прибор производить их «тренировку» (отжиг) при номинальных режимах в течение 5…10 % от общего срока службы.

Нужно отметить, что большая тепловая инерционность тела накала не позволяет модулировать излучение ламп накаливания путем изменения напряжения питания даже с относительно низкой частотой.

Галогенные лампы накаливания. Для увеличения световой отдачи и срока службы колбы некоторых ламп накаливания заполняют газообразными соединениями галогенов. Присутствие галогена заметно уменьшает осаждение распыленного при нагреве вольфрама на внутренней поверхности колбы лампы, что снижает ее потемнение, а главное, высокое давление уменьшает скорость испарения вольфрама, что позволяет увеличить температуру тела накала (до 3400 К) и, как следствие, световую отдачу. При температуре, близкой к температуре нагретой нити, галогенид вольфрама распадается на галоген и вольфрам. Этот восстановленный вольфрам осаждается на нити лампы, что увеличивает в два-три раза срок ее службы.

В каталогах и литературе можно найти лампы самых различных типов: приборные, автомобильные, прожекторные и мн. др. В табл. 2.3 в качестве примера приведены параметры некоторых ламп накаливания для оптических приборов и галогенных ламп.

Таблица 2.3. Параметры некоторых ламп накаливания для оптических приборов (ОП)

и галогенных (КГМ) ламп [7]

Тип лампы	Номинальные величины	Средняя продолжительность горения, ч	Размеры мм
Напр. В	Мощность, Вт	Световой поток, лм	D	L
ОП 2,4-1,1	2,5	2,0	9	100	12	24
ОП 3,5-2	3	0,9	7,5-7,6	40-50	12	24
ОП 4-4	4	4	40	100	18	33
ОП 4,5-33	4,5	33	600	30	41	68
ОП 6,8-11,5	6,8	11,5	125	200-250	21	56
КГМ 6,6-45	-	45	750	1000	8,5	60
КГМ 6,6-100	-	100	2000	1000	11	60
КГМ 127-750	127	750	19000	50	25,5	91
КГМ 12-20	12	20	400	59	4,6	24
КГМ 27-27	27	27	590	10	6,3	32

Газоразрядные источники излучения. В этих источниках оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металлов или их смесей. Современные газоразрядные лампы имеют ряд преимуществ перед лампами накаливания, а именно, большие яркость и световую отдачу, больший срок службы, возможность сосредоточения наиболее мощных линий излучения в заданном спектральном диапазоне путем подбора газа и условий разряда, возможность использовать цепь питания лампы для модуляции испускаемого ею потока. Газоразрядные лампы могут выполняться импульсными с длительностью импульсов от секунд до нанасекунд, причем чем меньше эта длительность и выше частота вспышек, тем меньше мощность излучения.

К недостаткам газоразрядных источников, сравнительно с лампами накаливания, относятся сравнительная с лампами накаливания сложность схем включения, небольшой срок службы, большие габариты, длительное время разгорания.

Параметры выпускаемых промышленностью газоразрядных ламп приведены в литературе, например в [7].

Полупроводниковые излучающие диоды (светодиоды). Принцип действия светодиодов основан на электролюминесценции, возникающей при протекании тока в структурах с p-n–переходом. Когерентное монохроматическое или спонтанное свечение (люминесценцию) в полупроводнике можно получить несколькими методами возбуждения (накачки): оптическим возбуждением, воздействием пучком быстрых электронов с высокой энергтей, возбуждением импульсами электрического поля (ударной ионизацией). При приложении к p-n –переходу напряжения в прямом направлении инжектируемые носители (электроны и дырки), попадая в ту область перехода, где они являются неосновными, рекомбинируют с основными носителями. Это почти всегда сопровождается испусканием квантов с энергией, близкой к ширине запрещенной зоны. Поэтому в некоторых полупроводниках прохождение тока сопровождается достаточно интенсивным свечением области p-n –перехода. Длина волны излучения определяется шириной запрещенной зоны полупроводника. На основе этого явления были созданы малогабаритные экономичные излучатели.

Светодиоды излучают в спектральных диапазонах до нескольких десятков нанометров, расположенных в видимой и инфракрасной частях спектра. Выпускаются светодиоды с переменным цветом излучения, а также со спектром, близким к белому цвету. Эти излучатели обладают довольно высоким к. п.д. – коэффициентом преобразования мощности тока, проходящего через p-n –переход, в видимое или инфракрасное излучение. При охлаждении светодиода до 77 К этот к. п.д. достигает 0,5.

Основными материалами, используемыми для изготовления светодиодов, являются в настоящее время GaAs, GaP, GaN, а также тройные соединения, например, GaAsP, GaAlAs, GaInP.

Светодиоды имеют малые размеры (миллиметры и их доли), большой срок службы (до 100 тыс. ч.), хорошее быстродействие (10-6…10-9 с), низкие питающие напряжения (1.6…3,5 В) и токи (10…1000 мА). Они являются практически точечными излучателями. Диаграмма направленности излучения у них зависит от конструкции и оптических свойств материала. Яркость свечения у различных светодиодов составляет сотни и тысячи кд/м2, а у некоторых достигает 104 кд/м2. В табл. 2.4 в качестве примера приведены параметры некоторых отечественных светодиодов [7]

Таблица 2.4. Параметры некоторых отечественных светодиодов

Тип диода	Спектр излучения, мкм	Номинальные прямые напряжение (В)/ток(мА)	Мощность излучения, (мВт)/сила света (мкд)	Угол излучения (на уровне 0,5), угл. град	Температура окруж. среды, К	Масса, г.
АЛ102А	0,7±0,1	2,8/5	-/0,040	40	213…343	0,25
АЛ102В	0,565±0,035	2,8/5	-	40	213…343	0,25
АЛ103А	0,95±0,2	1,6/50	1	200	233…358	0,1
3АЛ107А	0,9…1,2	<2/100	6,0	40	213…358	0,2
АЛ307Д	0,55	2,5/10	-/0,4…0,8	-	213…343	0,03

Световые индикаторы. В системах отображения информации различных ОЭП широко применяются разнообразные индикаторы: цифровые, буквенно-цифровые, шкальные и др. Наиболее используемыми являются светодиодные, жидкокристаллические, электролюминесцентные, катодолюминесцентные индикаторы. Для качественной работы угловой размер элементов отображаемых цифр, букв и символов должен быть обычно не менее 35΄…40΄, их яркость превышать 20…30 кд/м2, а контраст с фоном должен превышать несколько десятков процентов.

Достоинствами индикаторов на светодиодах являются значительные яркость и контрастность, многоцветность свечения, малое энергопотребление (10…100 мВт на знак), хорошая совместимость с микросхемами, большой срок службы (до 106 ч).

Индикаторы на жидких кристаллах используют внешнюю подсветку, источник которой может располагаться перед управляющей ячейкой – при работе на рассеянном излучении, или за ней – при работе на пропускание. Типовыми параметрами этих индикаторов являются: напряжение управления - 1…30 В, потребляемая мощность – 1…200 мкВт/см2, время включения – 100…400 мс, время выключения – 200…400 мс, угол наблюдения – ±20о…±80о, контраст – 20…90%, долговечность – 10…12 лет.