МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторно-практической работе №5

по дисциплине «Светотехника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СВЕТООТДАЧИ ИСТОЧНИКОВ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Студент гр. 2202		Михеев Д. А.	.
		Николаев А. В.
Преподаватель		Киселев А. С.

Санкт-Петербург

2024 г.

Цель работы – исследование светоотдачи тепловых, газоразрядных и полупроводниковых источников оптического излучения.

Основные положения

Свет – электромагнитное излучение, воспринимаемое человеческим глазом. Это видимая часть излучения оптического диапазона, составляющая порядка 0.05 % всего оптического интервала длин волн (10¹…10⁶ нм). В широком смысле свет – синоним оптического излучения и включает кроме видимого излучения (ВИЗЛ) ультрафиолетовую (УФ) область (10…380 нм) и инфракрасную (ИК) область (760…10⁶ нм). Основным приемником света является глаз человека. Чувствительность усредненного человеческого глаза сосредоточена в области частот 4.0·10¹⁴…7.5·10¹⁴ Гц или длин волн λ = 380…760 (780) нм). Она описывается кривой спектральной световой чувствительности K_λ = f(λ) дневного зрения, максимум K_max которой приходится на длину волны λ_max = 555 нм. На практике чаще пользуются функцией относительной спектральной чувствительности ν_λ = K_λ / К_max = f(λ). При λ = λ_max = 555 нм максимум этой функции ν_max = 1. При значительном снижении освещенности максимум ν_λ смещается в сторону более коротких λ и располагается в районе 510 нм.

Одна из основных световых величин – сила света I_v, характеризует свечение источника в заданном направлении и определяет пространственное распределение потока излучения. Единица измерения I_v – кандела [кд]. В световом диапазоне аналогом мощности оптического излучения или энергетического потока F_e [Вт] является световой поток F_v – световая величина, оценивающая поток оптического излучения по вызываемому им световому ощущению и измеряемая в люменах [лм]. Один люмен – световой поток dF_v, испускаемый точечным источником в телесном угле dΩ = 1 ср (стерадиан) при силе света I_v = 1 кд. Световому потоку F_v = 1 лм с λ_max = 555 нм соответствует энергетический поток F_e = 0.00146 Вт, который является механическим эквивалентом светового потока. На этой основе вводится понятие светового ватта: 1 световой Вт = 1 Вт (λ_max = 555 нм) = 683 лм. Для монохроматической спектральной составляющей оптического излучения с произвольной длиной волны λ световой поток определяется как: F_v (λ) = ν_λ F_e (λ) [световых Вт] = 683 ν_λ F_e (λ) [лм].

Полные световой F_v и энергетический F_e потоки являются, соответственно интегралами спектральных функций F_v (λ) и F_e (λ) в пределах их существования. Отношение полного светового потока F_v [лм] к величине полного энергетического потока F_e [Вт], который это световое излучение создает, называют световой эффективностью, или светоотдачей, излучения K_изл = F_v / F_e [лм/Вт]. Для характеристики световой эффективности источников излучения пользуются понятием светоотдачи K_ист = F_v / Р_эл [лм/Вт], где Р_эл – потребляемая источником излучения электрическая мощность [Вт].

Описание лабораторной установки

Основой установки является оптическая скамья, на которую поочередно устанавливаются исследуемые источники оптического излучения: лампы накаливания (ЛН), ртутные люминесцентные лампы низкого давления (ЛЛ), светодиодные лампы (СДЛ) и отдельные светодиоды (СД), перечисленные в табл. 5.1.

Информация о световых характеристиках исследуемых источников оптического излучения получается на основе измерения освещенности Е в люксах [лк], создаваемой ими в плоскости светочувствительного элемента люксметра. Функция спектральной чувствительности люксметра совпадает с функцией ν_λ = f(λ) спектральной чувствительности человеческого глаза. Измерительный прибор люксметра имеет два диапазона измерений: 150 и 500 лк. Люксметр устанавливается на оптической скамье напротив исследуемого источника света на достаточном удалении L, которое исключает превышение показаний измерительного прибора над предельным значением Е_max = 500 лк.

Изменение уровня мощности, потребляемой галогенной лампой накаливания, производится тумблером на лицевой панели ее блока питания: режим «Накал» (Р_эл = 100 Вт), режим «Недокал» (Р_эл = 75 Вт).

Таблица 1.

Список исследуемых ламп

Лампа	Паспортная мощность, Вт	Режимы исследования	Снятие зависимости Е = f(L)	Тип источника питания
Лампы накаливая
Галогенная ЛН	100	Накал – 100 Вт Недокал – 75Вт	Да Нет	Стабилизатор тока
Газонаполненная ЛН	95	250…100 В	Нет	Сеть
Синяя ЛН	60	220 В	Нет	Сеть
Люминесцентные лампы
Линейная цилиндрическая	–	250…170 В	Да	Нестабилизированный
Белая спиральная	20	250…140 В	Нет	Стабилизатор тока
Красная спиральная	20	220 В	Нет	Стабилизатор тока
Зеленая спиральная	20	220 В	Нет	Стабилизатор тока
Светодиодные лампы
СДЛ № 1	6	250…120 В	Нет	Нестабилизированный
Окончание таблицы 5.1.
СДЛ № 2	5	250…120 В	Нет	Нестабилизированный
СДЛ № 3	5	250…150 В	Нет	Стабилизатор тока
СДЛ № 4	7	250..120 В	Нет	Стабилизатор тока
Разноцветные светодиоды	–	30 мА	Нет	Стабилизатор тока

Регулировка или установка режима питания остальных ламп осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа), имеющего встроенный вольтметр. Ток ламп (I), потребляемая активная мощность (Р) и сетевое напряжение питания (U_c) измеряются универсальным цифровым модулем, встроенным в цепь питания ламп. Цветные спиральные газоразрядные лампы исследуются только в номинальных режимах с фиксированным уровнем потребляемой мощности.

В большинстве проводимых в лабораторной работе световых измерений с достаточной для практики точностью источники света можно полагать точечными, т. е. удаленными от приемника излучения. Такой подход позволяет по измеренной на удалении L освещенности Е рассчитать силу света в канделах I_v [кд] = Е [лк]·L² [м], а затем оценить световой поток F_v в люменах. Для идеального точечного источника, излучение которого равномерно распределено в пределах полного телесного угла Ω = 4π (I_v = const), F_v = 4πI_v [лм]. Для равнояркого цилиндрического F_v = π²I_v ≈ 10I_v [лм].

При расчете световых потоков, пространственно локализованных в пределах ограниченного телесного угла Ω, например, светодиодов, можно также сделать ряд упрощающих допущений: полагать, что освещенность в пределах площадки S светового пятна, удаленного от источника (светодиода) на расстоянии L, равномерна. При этом можно считать, что полный телесный угол Ω ≈ S·L^–2. Тогда в силу малых размеров излучающего кристалла светодиода освещенность Е = I / L², а его световой поток F_v = I_v Ω = I_v S L^–2= Е S [лм]. Освещенность, создаваемая светодиодами, измеряется при помощи люксметра, вмонтированного в экран.