- PDF Stažení zdarma

Transkript

1 Vážení zákazníci, dovolujeme si Vás upozornit, že na tuto ukázku knihy se vztahují autorská práva, tzv. copyright. To znamená, že ukázka má sloužit výhradnì pro osobní potøebu potenciálního kupujícího (aby ètenáø vidìl, jakým zpùsobem je titul zpracován a mohl se také podle tohoto, jako jednoho z parametrù, rozhodnout, zda titul koupí èi ne). Z toho vyplývá, že není dovoleno tuto ukázku jakýmkoliv zpùsobem dále šíøit, veøejnì èi neveøejnì napø. umis ováním na datová média, na jiné internetové stránky (ani prostøednictvím odkazù) apod. redakce nakladatelství BEN technická literatura redakce@ben.cz

2 8 Jiné zdroje svìtla 123 Aèkoliv jsou diody LED nejèastìjšími svìtelnými zdroji v optoelektronice, pøesto nesmíme zapomenout na jiné zdroje, napø laser, plynové výbojky a žárovky Laser I když jsou laserové diody zabudovány v každém pøehrávaèi kompaktních diskù (CD) a jsou tedy vyrábìny ve velkých sériích, jsou jako samostatné souèástky pro experimentování zatím ještì pøíliš drahé Kromì toho pracují laserové diody v pøístrojích pracujících s CD jen v neviditelném infraèerveném (IR) pásmu Teprve v poslední dobì byly polovodièové diody vyzaøující viditelné svìtlo dovedeny do stadia dokonalosti umožòujícího jejich sériovou výrobu V prvních laserech nebyly žádné polovodièové diody Tvoøila je rubínová tyè cílenì zneèištìná atomy chromu, jejíž konce byly s nejvìtší pøesností vybroušeny do rovnobìžnosti a opatøeny zrcadlícím povlakem Kolem této tyèe byla spirálovì ovinuta elektronová blesková trubice Zrcadlo Rubínová tyè Polopropustné zrcadlo Bleskovka Obr 8 1 Konstrukce rubínového laseru Když došlo v trubici k bleskovému výboji, byly elektrony atomù chromu nabity energií Podstatnou vlastností chromu dùležitou pro laser je, že jeho elektrony tuto energii ihned zase neodevzdávají, nýbrž až když jsou k tomu vybuzeny K tomu dojde, jakmile je takový elektron zasažen svìtelným paprskem urèité barvy Uchovávaná energie se uvolní ve formì svìtelného paprsku (stejné barvy), který mùže vybudit další elektrony k uvolnìní jejich energie atd : vznikají malé laviny Mnohé zaniknou, protože svìtelné paprsky po stranách rubínovou tyè opustí Jen paprsky šíøící se pøesnì rovnobìžnì s osou tyèe se stále odrážejí mezi obìma zrcadlícími

3 124 rovnobìžnými konci tyèe Energie této laviny roste, až tyto paprsky nakonec jako energií nabitý záblesk laseru proniknou jedním z obou koncù tyèe, které ostatnì zrcadlí jen z 90 % Tak vlastnì vzniká extrémnì úzký svazek laserových paprskù Obr 8 2 ukazuje, že svìtelný paprsek, který nesmìøuje pøesnì podélnì, rubínovou tyè pøedèasnì opustí Obr 8 2 Paprsek nesmìøující zcela ve smìru osy rubínové tyèe ji pøedèasnì opustí Další typickou vlastností svìtla laseru je jeho jednobarevnost (je monochromatické), tzn že obsahuje jen jedinou barvu To lze vysvìtlit vlnovým charakterem svìtla Pøi šíøení paprskù tam a zpátky se tyto nutnì pøekrývají Pøitom se pøedèasnì mizí paprsky, které nemají vlnovou délku pøesnì zapadající do vzdálenosti mezi obìma zrcadly Jen tato vlnová délka vede k lavinovému laserovému efektu a spolu s materiálovými vlastnostmi rubínu urèuje barvu vycházejícího svìtla Existují rùzná provedení laseru Liší se napø použitým materiálem Vedle laserù z tuhých látek, jako je rubínový laser, jsou plynové a dnes i kapalné lasery Budí-li se laser bleskovou trubicí, dostáváme laserové svìtlo jen po dobu krátkého záblesku (impulzní laser) Proti nim stojí trvale svítící lasery, takzvané lasery s trvalou vlnou Naopak je možno do konstrukce laseru zabudovat optický ventil, takzvaný Kerrùv èlánek Ten nejdøíve pøeruší dráhu mezi zrcadly a tím znemoží aktivaci energie elektronù V této dobì se pumpuje svìtelná energie do laserové tyèe Když se Kerrùv èlánek zase otevøe, vytvoøí se rychle mohutné laviny, které vyvolají mimoøádnì silný impulz svìtla o trvání 5 50 ns (nanosekund, tedy miliardtin sekundy) Ještì pár poznámek: intenzita ozáøení laserem je W/cm 2 Na první pohled se to zdá gigantické (10 12 W = 1 TW [terawatt] = 1 milion MW) Protože ale díky extrémnímu soustøedìní svazku èiní plocha jeho prùniku a tedy i osvícená plocha øádovì ètvereèní mikrometry tj stomiliontiny ètvereèního centimetru, pohybuje se celkový výkon kolem 10 2 až 10 4 W Rovnìž mùže takový úzký svazek laserového svìtla znièit sítnici oka, když na ni dopadne Pøi manipulaci se zaostøenými laserovými paprsky se musí používat speciální ochranné brýle Laserová dioda V podstatì na stejném principu, ale se zcela jinými materiály pracují polovodièové lasery Pøitom se vlastnì jedná o diody LED, jejichž polovodièový pøechod je tak utvoøen a opatøen zrcadlícími konci, že dochází k laserovému efektu Laserové diody vydávají svìtlo obsahující ménì energie a jejich paprsky nejsou soustøedìny do tak úzkého svazku jako u výše popsaných laserù Naproti tomu jsou

4 125 malé a jednoduše provozovatelné a pøedevším se dá intenzita jejich svìtla regulovat: je pøímo úmìrná proudu laseru Z tohoto dùvodu se laserové diody hodí pøevážnì k optoelektronickému pøenosu signálù svìtlovody Bez velkých nákladù se dají pøenášené signály modulovat a jejich svìtlo zavádìt do optického vlákna Zatímco první laserové diody pracovaly jen v pásmu infraèerveného svìtla, jsou dnes k dispozici i typy s viditelným svìtlem Prahové napìtí èiní 2 3 V Úèinnost laserových diod je pomìrnì nízká, to znamená, že vìtšina nashromáždìné elektrické energie se uvolní ve formì tepla Proto musejí být laserové diody dobøe chlazeny Obr 8 3 Laserová dioda Její pøechod PN je utvoøen tak, že nastává laserový efekt Výbojky plnìné plynem Aèkoliv jejich technika je již pomìrnì stará, získávají plynové výbojky v poslední dobì opìt významné postavení Pojem oznaèující tento druh svìtelných zdrojù zní dnes znaènì zastarale, ale pøesto odkazuje na funkèní princip velké skupiny tìchto zdrojù: v plynu se vybíjí elektrická energie a uvolòuje se ve formì svìtla Nejjednodušší plynová výbojka, doutnavka, kterou je osazena zkoušeèka napìtí, neobsahuje nic více než dvì elektrody a plynovou náplò neonu nebo helia Vzácné plyny jsou vlastnì izolátory Avšak pùsobením okolního tepla, kosmického a radioaktivního záøení stejnì jako elektromagnetických vln v nich stále vznikají jednotlivé nabité ( izolované ) atomy plynu Tyto vlivy z nich uvolòují jednotlivé elektrony Pøiloží-li se na elektrody napìtí, uvedou se ionizované atomy a volné elektrony do pohybu smìrem k elektrodì s opaènou polaritou, tedy kladné atomy plynu k záporné elektrodì a elektrony ke kladné elektrodì Na této cestì se srážejí s jinými atomy, které tím rovnìž ionizují a tím uvádìjí do pohybu, zkrátka plynem zaène protékat proud Pøi kolizích se uvolòuje energie, která je pozorovatelná jako svìtlo Je to pøemìnìná elektrická energie pocházející ze zdroje napìtí pøipojeného na elektrody

5 126 Obr 8 4 Doutnavka Zajímavá je proudovì-napì ová charakteristika doutnavého výboje Vykazuje pozoruhodný hrb, což znamená, že doutnavkou teèe urèitý stejný proud pøi dvou rùzných napìtích Jak si to máme pøedstavit? Obr 8 5 Charakteristika U/I doutnavky Zapalovací napìtí je vyšší než napìtí stabilizovaného výboje Doutnavky vždy pracují s pøedøadným odporem Pøipojí-li se sériové zapojení ke zdroji napìtí, proud a napìtí nejprve roste, až se dosáhne zapalovacího napìtí (vrchol køivky) Doutnavka se rozsvítí Pøitom proud dále roste, avšak napìtí klesá, protože energie pohybujících se nábojù roznìcuje ionizaci Ve stabilním aktivním stavu je na doutnavce napìtí výboje Zajímavý je plochý konec køivky Napìtí je zde konstantní, aèkoliv proud se zmìní o dvì desítky procent To je vlastnì funkce stabilizátoru napìtí De facto je doutnavka, a v podobì lampièky nebo vìtší trubice, do jisté míry Zenerovou diodou v elektronkové (od slova elektronka, nikoliv elektron!) technice Odpor zachycuje napì ový rozdíl mezi napájecím a stabilizovaným napìtím Musí být dimenzován tak, aby jednak mohl doutnavkou protékat dostateèný proud a jednak nekleslo pøi plném zatížení pøipojeným spotøebièem napìtí výboje, protože by doutnavka zhasla

6 127 Konstantní napìtí Obr 8 6 K získání stabilizovaného napìtí se napájí doutnavková trubice pøes odpor Na jejích elektrodách je konstantní napìtí výboje Také prvky pøepì ové ochrany jsou stavìny na bázi doutnavky: pøekroèí-li napìtí na jejích elektrodách urèitou hodnotu, plyn se zapálí a napìtí již dále nestoupá Svodièe pøepìtí jsou nabízeny pro celou øadu aplikací pøepì ové ochrany Elektrické vlastnosti doutnavek, stejnì jako barva jejich svìtla závisí hlavnì na složení plynové náplnì Zatímco neon svìtélkuje naèervenale, helium doutná spíše žlutì Pro osvìtlení místností a ulic je k dispozici celá øada rozmanitých plynových výbojek V poulièních svítilnách se používají vìtšinou monochromatické (jednobarevné) žlutì svítící a velmi úèinné nízkotlaké výbojky plnìné sodíkovými párami nebo vysokotlaké výbojky plnìné párami rtuti s modrobílým svìtlem Protože tyto páry se samy o sobì nezapálí, pøimíchává se k nim vzácný plyn, ve kterém dojde po zapnutí k doutnavému výboji, který se po krátké zahøívací dobì pøenese na páry kovu Bìhem této krátké doby vidíme napø sodíkovou výbojku svítit tmavì èervenì namísto žlutì Sodíkové výbojky mají nejvyšší svìtelnou úèinnost (zisk svìtla z urèitého množství energie) a ve žlutém svìtle vidí lidské oko velmi ostøe Avšak kvùli jednobarevnosti není možné rozeznávání barev Z tohoto dùvodu se doposud v poulièním osvìtlení výraznì prosazovaly i rtu ové výbojky Tlumivka Doutnavkový zapalovaè Startér Odrušovací kondenzátor Záøivka Doutnavkový startér Obr 8 7 Startér a jeho cívka vyrábìjí impulzní napìtí, které pøevyšuje zapalovací napìtí

7 128 U záøivek a úsporných žárovek (kompaktní výbojky) se jedná o nízkotlaké lampy plnìné rtu ovými párami V porovnání s žárovkami spotøebovávají o 80 % ménì proudu a jejich životnost asi 8000 hodin je zhruba osmkrát vyšší Jejich plynová smìs vyzaøuje ultrafialové svìtlo, které by stìží bylo vidìt, kdyby na stìnách trubice nebyl nanesen transmiter, tedy látka, která mìní ultrafialové svìtlo na svìtlo viditelné Té se øíká luminiscenèní látka neboli luminofor Také záøivky mají na své proudovì-napì ové charakteristice hrb, který je nutno pøi startu pøekonat Vrchol hrbu, tedy zapalovací napìtí, je vyšší než amplituda sí ového støídavého napìtí Tento problém se øeší tlumivkou a startérem Startér je doutnavka s bimetalovými elektrodami Zapaluje se po zapnutí svítidla Teplo doutnajících plynù ohýbá bimetalové elektrody, až se zkratují V tom okamžiku se sí ové napìtí objeví na tlumivce, tzn vysokoindukèní cívce, a topných drátech elektrod trubice Protékající proud nyní nabíjí energií tlumivku a zahøívá elektrody Bimetalové elektrody startéru se po krátké ochlazovací dobì rozepnou, proud tlumivkou zanikne a to vyvolá impulz napìtí o velké amplitudì pøevyšující zapalovací napìtí a plyn v záøivce se zapálí Za provozu pak tlumivka plní úlohu pøedøadného odporu, nebo její indukènost pøedstavuje pro støídavý proud odpor Funkci startéru je možno prokázat malým pokusem, ve kterém se startér použije jinak, než je obvyklé Obvod tvoøí sériové zapojení startéru a žárovky W Tento pokus je tøeba realizovat s dobøe izolovanými mìøicími šòùrami a laboratorními svorkami, nikoliv s levnými tenkými zkoušecími šòùrami s krokodýlky K tomuto pokusu je nezbytné pøistupovat velmi opatrnì, protože pøi nìm pracujete s plným sí ovým napìtím; nejprve propojte obvod do definitivního stavu a teprve pak pøipojte sí ové napìtí Po zapnutí se rozsvítí doutnavka startéru Její plynová náplò se zahøívá, až se sepnou kontaktní elektrody Nyní je pod plným sí ovým napìtím žárovka, která proto svítí Krátce nato se kontakty startéru opìt rozepnou a celý proces se opakuje žárovka tedy bliká Záøivky mají znaènì vyšší úèinnost než žárovky Zatímco bìžné žárovky pro domácnost vyzaøují asi 10 lm/w lumen na watt je svìtelný tok získaný z 1 wattu elektrické energie, krátce svìtelná úèinnost, zacházejí záøivky pøi své úèinnosti Doutnavkový startér Obr 8 8 Startér záøivky jednou trochu jinak: jako blikaè žárovky

8 129 nad 50 lm/w s elektrickou energií mnohem šetrnìji Moderní energeticky úsporné žárovky jsou vlastnì rovnìž záøivky Jejich trubice je kratší a byl pro nì vyvinut povlak luminiscenèní látkou s pøíjemnìjší barvou svìtla Startér byl do nich integrován, u nìkterých typù i tlumivka Tyto záøivky je možno našroubovat do obyèejné objímky místo bìžné žárovky Ovšem z ekologického hlediska je tento typ problematický Po koneèném opotøebení tìlesa záøivky a i pøi její dlouhé životnosti k tomu jednou dojde se nám nabídne neporušená tlumivka Kdo rád kutí, mùže uèinit z nouze ctnost: tlumivku vymontovat a zapojit ji do série s úspornou žárovkou bez zabudované tlumivky Pro tento typ záøivek je zapotøebí speciální patice, která je však k dostání Pøíkony staré a nové záøivky by se mìly shodovat Obr 8 9 Stará pøedøadná tlumivka se jednoduše zapojí do série s novou úspornou žárovkou Protože záøivky obsahují rtu (která je tekutá), nemìli bychom ji, když se pokazí, jednoduše rozbít nebo vyhodit do domovního odpadu, nýbrž odevzdat jako zvláštní odpad V mnohých obchodech, kde záøivky prodávají, berou staré zpìt Fotografické blesky jsou vybaveny xenonovými zábleskovými výbojkami, které jsou také druhem lamp s výbojem v plynu Vzácný plyn je pod vysokým tlakem V pøístroji jsou zapojeny paralelnì k vysokokapacitnímu elektrolytickému kondenzátoru, který se pøed zábleskem nabije na 300 V nebo více Výbojka se zapálí vysokonapì ovým impulzem na zapalovací elektrodì Pøitom teèe z kondenzátoru krátký, ale velmi vysoký špièkový proud Díky nìmu vykazuje svìtelný záblesk rozdìlení barev, které se velmi blíží spektru denního svìtla

9 130 Denní svìtlo Bleskovka Obr 8 10 Porovnání spekter xenonové bleskovky a sluneèního svìtla Zapojení blesku obsahuje vedle bleskovky a napájecího dílu v podstatì akumulátoru a napì ového mìnièe zapalovací èást s malým vysokonapì ovým transformátorem a øídicí elektroniku, která bìhem doby, kdy výbojka svítí, fotodiodou mìøí svìtlo odražené od pøedmìtu, na který bylo zamìøeno, a pøeruší proud výbojkou, jakmile byl film dostateènì osvìtlen Obslužný díl Synchronizaèní kontakt Øídicí elektronika Nabíjecí proud napájení (220 V) Akumulátor Mìniè napìtí Tyristorový spínaè Blesková výbojka Elektrolytický kondenzátor blesku Zapalovací elektroda Zapalovací trafo Zapalování Obr 8 11 Principiální zapojení elektronického blesku Výkon, pøesnìji maximální intenzita svìtla elektronického blesku, je vyjádøena smìrným èíslem Smìrné èíslo, napø 32 pøi 21 DIN, není žádnou fyzikálnì definovanou mírou (jednotkou v soustavì SI), nýbrž vyplynula z fotografické praxe: èím více jsou objekty vzdáleny od aparátu, tím ménì svìtla na nì z blesku dopadá a tím více musí být clona fotoaparátu otevøena (nejmenší èíslo clony!) jednoduše: