Источники света общего применения

Нить в лампах накаливания обычно изготавливается из вольфрама. Следует учитывать, что спектр излучения раскаленного вольфрама после прохождения стеклянной или кварцевой оболочки лампы изменяется. Кроме того, в процессе работы вольфрам испаряется, осаждаясь на стенках колбы. Поэтому стеклянные колбы ламп накаливания заполняют галогеном (парами йода, соединениями брома), обеспечивают повышенное давление в колбе, что уменьшает испарение вольфрама и потемнение колбы.

Лампы накаливания характеризуются малым сроком эксплуатации, большой инерционностью и сравнительно малой светоотдачей.

Газоразрядные лампы. При излучении света отдельными атомами, ионами или молекулами спектр излучения состоит из отдельных линий или полос. Они имеют точные характеристические частоты, мало зависящие от температуры. Примерами таких излучателей являются неоновые и натриевые лампы.

В газоразрядной лампе возбуждение газа происходит за счет столкновений со свободными электронами. При возбуждении ионов и атомов их внешние электроны переходят на более высокие орбиты. Молекулы, кроме того, могут получать вращательную и колебательную энергии. Когда ионы, атомы или молекулы возвращаются в свое основное состояние, излучаются кванты света с определенной длиной волны.

В дуговых лампах высокого давления возможно весьма большое число возбужденных состояний, что приводит к возникновению широких спектральных полос излучения в отличие от узких спектральных линий. Спектральное распределение света таких ламп в большей или меньшей степени приближается к спектру абсолютно черного тела. Конкретный вид спектрального распределения света таких ламп зависит от состава газовой смеси, ее давления, типа газового разряда и геометрии лампы. Выбором металла подбирают спектр излучения, который состоит из отдельных линий и полос.

Спектральное распределение света таких ламп в большей степени приближается к спектру абсолютно черного тела, устройства имеют большую светоотдачу, возможность выбора металла (спектра), малую инерционность (можно модулировать измеряемым параметром интенсивность света). Недостаток: малый срок службы, большие размеры, экологически вредны.

Излучатели на основе люминофоров представляют собой порошковые или тонкоплёночные конденсаторы, выполненные на стеклянной прозрачной подложке. Роль диэлектрика выполняет электролюминофор на основе соединения цинка с серой, который излучает свет под действием сильного знакопеременного электрического поля. Такие светящиеся конденсаторы могут изготовляться различных размеров (от долей сантиметра квадратного до десяти и более квадратных метров), различной конфигурации, что позволяет изготавливать из них знако-буквенные индикаторы, отображать различные схемы, карты, ситуации.

В последнее время для малогабаритных устройств индикации широко стала использоваться низковольтная катодолюминесценция - свечение люминофора под действием электронного луча. Такие источники излучения представляют собой электровакуумную лампу, анод которой покрыт люминофором, излучающим красный, жёлтый, зелёный, синий свет при попадании на него ускоренных электрическим полем электронов. Простота конструкции, низкая стоимость, большие яркости и большой срок службы сделали катодолюминесценцию удобной для различных применен

В настоящее время в качестве источников электромагнитного излучении широко применяют полупроводниковые светодиоды. Это диоды с электронно-дырочным переходом, которые при приложении напряжения испускают оптическое излучение. Дырки и электроны в зоне перехода рекомбинируют, переходя из зоны проводимости в валентную зону. Испускаемый квант энергии соответствует этому уменьшению энергии. Этот процесс называется инжекционной люминесценцией. Ток идеального диода зависит от приложенного напряжения и температуры:

.       (5.1)

Сила света, излучаемая светодиодом, может регулироваться, так как пропорциональна величине протекающего через него тока.

Каждый тип светодиода имеет собственное спектральное распределение, зависящее от типа используемого соединения. На рисунке 5.1 приведен характерный вид спектра излучения светодиода.

Рисунок 5.1 Спектр излучения светодиода

КПД таких устройств достигает 50%. Светодиоды дают монохроматическое излучение, мощность излучения составляет от десятков милливатт до микроватт, длительность импульса может составлять с, что обеспечивает полосу модуляции до 100 МГц. Прямое падение напряжение на светодиоде составляет 1-2 В, модулируя напряжение питания, можно изменять их светоотдачу.

Измерительные устройства с использованием светодиодов характеризуются малыми размерами, низкой стоимостью, надежны в работе, но имеют низкую стабильность параметров.

Светодиоды изготавливают двух типов конструктивного исполнения, отличающихся тем, что излучение осуществляется с поверхности или с торца кристалла. Торцевые излучатели дают более узкий пучок излучения.

Инфракрасные диоды предпочтительней для применения в волоконно-оптических устройствах, так как обеспечивают лучшее, по сравнению с видимым светом, распространение излучения в кварце.

В зависимости от материала диода и примесей в нём меняется цвет генерируемого излучения: красный, жёлтый, зелёный, синий (соединения галия с фосфором и азотом, кремния с углеродом и пр.

История создания излучающих диодов ведется от открытия так называемого «свечения Лосева». В 1923 г. О.В. Лосев, исследуя точечно-контактные карбидокремниевые детекторы, обнаружил, что при пропускании через них электрического тока может возникнуть зеленовато-голубое свечение. Практического применения тогда этот эффект не получил, но в 1955 г. ученые обнаружили инфракрасное излучение при пропускании тока через диод на кристалле арсенида галлия (GaAs). В 1962 г. другой полупроводник (на основе фосфида галлия) засветился красным светом. Эти две даты и определяют время рождения светодиодов.

Возбужденные электроны (а возбуждаются они электрическим полем), переходя из зоны проводимости в валентную зону, испускают кванты энергии. Согласно зависимости, связывающей энергию и частоту излучаемых колебаний (произведение энергии [эВ] на длину волны [мкм] равно числу 1,23), для излучения в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра требуется энергия 1-3 эВ [1,23: 1,1 = 1,1...1,23 : 0,4 = 3,1]. Именно в этих пределах находится энергия, необходимая для преодоления запрещенной зоны у кремния (Si), арсенида галлия (GaAs) и фосфида галлия (GaP): 1,12; 1,4; 2,27 эВ.

Создавая полупроводниковые материалы, с помощью тех или иных примесей (в строго определенных пропорциях) научились получать полупроводниковые источники, излучающие в диапазоне от инфракрасного до голубого (наиболее сложно реализуемого, особенно по мощности, излучения).

Таблица 5.2 Параметры излучающих диодов

Цвет свечения	Длина волны, мкм	Материал полупроводника	Напряжение питания, В (при 10 мА)	Мощность излучения, мкВт (при токе 10 мА)
Зеленый	0,565	Ga–P	2.2–2,4	1,5–8,0
Желтый	0,583	Ga–P–As	2,0–2.2	3,0–8,0
Оранжвый	0,635	Ga–P–As	2,0–2.2	5,0–10,0
Kрасный	0,655	Ga–As–P	1,6–1,8	1,0–2,0
ИK	0,900	Ga–As	1,3–1,5	100,0–500,0

Рисунок 5.2 Обозначение, конструкции и характеристики излучающих диодов

На графике вольт-амперных характеристик выделена область, определяемая напряжениями питания в достаточно узком диапазоне 1,2-2,5 В, и следует заметить, что у большинства светодиодов уровни предельных обратных напряжений также невелики - в пределах 2,5-5 В, поэтому в цепь питания светодиода необходимо, как правило, включать ограничительное сопротивление). Графики спектральных характеристик свидетельствуют о достаточно узких полосах излучения светодиодов (во второй графе таблицы указаны значения длин волн максимумов излучения), имеющих ширину (на уровне 0,5 от максимального излучения) в несколько десятков нанометров.

Важной характеристикой любого излучателя является направленность излучения. Пространственное распределение излучения характеризуется фотометрическим телом излучателя, а в случае его симметрии - диаграммой направленности. На рисунке приведено несколько типовых диаграмм, характерных для излучателей разных видов (ненаправленные характерны для ламп накаливания, луч - для лазеров). Диаграммы со слабовыраженной направленностью характерны для индикаторных светодиодов в пластмассовых корпусах (для них важен сам факт свечения или тушения), а для излучающих диодов, используемых в датчиках или записывающих устройствах, характерны направленные и остронаправленные диаграммы излучения.

Поскольку рабочее питание на излучающие диоды подается в прямом направлении (свечение возникает при положительном потенциале на анодном выводе диода), для работы на переменном токе выпускаются диодные сборки, в которых два диода включены встречно-параллельно. В этом варианте каждый диод работает только полпериода синусоидального цикла. При этом важно не забыть, что ограничительное сопротивление в цепи питания диода не должно допустить повышенных обратных напряжений на запертом диоде.

Выпускаются также диодные сборки, дающие световой поток с изменяемым цветом свечения. В таких сборках объединяются два диода с разным цветом свечения (как правило, зеленый и красный), что позволяет излучать не только тот или иной основной цвет, но и промежуточные (например, желто-зеленый, желтый, оранжевый). Пока не созданы диоды с интенсивным свечением синего цвета, равным по яркости зеленому и красному, иначе на таких диодных сборках можно было бы создавать полноцветные светодиодные табло и экраны

Строго говоря, под светом подразумевается видимое человеческим глазом излучение, поэтому и светодиодами следует называть диоды, излучающие в видимом диапазоне спектра. Однако физические параметры излучения прилегающей к видимой зоне инфракрасной области спектра мало чем (кроме частоты колебаний) отличаются от световых волн, поэтому термин «светодиод» часто применяют и к ИК-диодам, хотя термин «излучающий диод» в этом случае более точен.

Естественным развитием элементной базы класса излучающих диодов можно считать появление светодиодных сборок в виде цифровых, буквенно-цифровых и графических индикаторов, широко используемых в индикаторных панелях и табло.

Для того чтобы высветить тот или иной символ, необходимо управлять свечением (или гашением) каждого элемента. С этой целью, как и в фотодиодных линейках и матрицах, питание на отдельные элементы светодиодных линеек и матриц подается в мультиплексном режиме. При этом если в сборке общее число элементов равно m, то каждый из элементов работает как бы в мигающем режиме, зажигаясь на 1/m времени цикла обегания всех элементов. Если частота циклов мультиплексирования выше 10-15 Гц, то по закону Тальбота мигающие элементы кажутся светящимися постоянно, но с меньшей яркостью (яркость может быть повышена путем пропускания через светодиод большего тока).

Выпускаемые в различных исполнениях светодиодные линейки и матрицы нашли применение в сканирующих и записывающих устройствах. В сканерах они используются в качестве линейных осветителей. В записывающих головках рекордеров, имиджсеттеров, цифровых печатных машин светодиодные линейки и матрицы осуществляют запись информации на светочувствительный материал - фотопленку, фоторезисторную пленку, электрографический цилиндр и т.п.

Рисунок 5.3 Схемы многоэлементных светодиодных излучателей

Особенностью этих элементов является необходимость синхронизации их работы с высокочастотным информационным сигналом (каждый импульс сигнала предназначается определенному светодиоду в линейке или матрице). Задача подключения в требуемый момент того или иного светодиода к источнику сигнала выполняется электронными коммутаторами, управляемыми по циклическим программам. Особый класс излучающих диодов составляют лазерные диоды.

 

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться: