суббота, 1 ноября 2014 г.

Ликбез: фонари, типы излучателей света, принцип работы.

Фонарик - крайне важный атрибут не только походов, но и игр. Причем не только на природе ночью, но и в помещениях днём. Рассмотрим основные типы фонарей и их особенности.

Прежде всего, фонари делятся на четыре группы: хорошие,
плохие, очень плохие и китайские. Именно эта классификация здесь рассматриваться и не будет. Кроме того, есть же исключения среди китайских фонарей, например брэнд Fenix.

Поэтому, рассматривать классификацию будем с точки зрения типа светового излучателя. И здесь у нас два варианта:
  1. классические фонари с лампой накаливания;
  2. светодиодные фонари.

Фонари с лампой накаливания.

Это могут быть как простенькие недорогие фонари, так и навороченные дорогущие военные оригиналы с галогеновыми излучателями.  Но внутри стоит одинаковый по типу излучатель.

 

Принцип работы у обычной вакуумной лампы прост, как мычание: спираль из материала с низким сопротивлением и высокой температурой плавления (вольфрам и его сплавы) подключается к источнику питания (батарее) и, накаляясь, излучает свет. Беда в том, что при сильном нагрегреве спирали её металл начинает активно испаряться, что резко снижает срок службы и ограничивает достижимую яркость лампы.

В галогеновых лампах в колбу добавляется буферный газ, который препятствует уходу испарившихся атомов вольфрама от спирали, то есть как бы возвращающий их на место. В результате можно добиться более высоких температур лампы и, как следствие, большей светимости спирали.

Давайте поглядим на всякие кривульки. В данном случае это спектры излучения солнца, галогенки и обычной лампы накаливания. Напоминаю, что спектр показывает амплитуду (яркость) в зависимости от длины волны. Глаз видит в диапазоне от 400 до 740 нм. Длина волны меньше 400 это ультрафиолет, больше 740 - инфракрасное излучение.


В любом случае, излучение получается в широком спектре, захватывающем как видимый, так и инфракрасный диапазон. Ключевое слово в этом деле - ШИРОКОМ. Иными словами, спектр излучения ламп накаливания непрерывный и покрывает весь видимый глазом диапазон и еще здоровый кусман ИК. Как следствие этого, глаз очень хорошо видит при таком освещении. Об этом еще будет говориться у светодиодных ламп, когда мы их завалим и начнём пинать ногами.

Чем выше напряжение источника питания и меньше сопротивление батареи, тем выше ток (закон ома I=U/R, где I - ток, U - напряжение, R - сопротивление). Чем выше ток, тем больше выделяемая в виде нагрева и света мощность (P=UхI, где P - мощность). Вообще-то, можно сразу написать P=UxU/R, но так же скучно, надо понудеть, блеснуть ерундицией, так сказать...

На самом деле там всё немного сложнее, т.к. сопротивление зависит от температуры и всё такое, но нас интересует другой факт, а именно - при неправильном питании (не тем напряжением) мы либо получим меньшую яркость, либо эта лампочка просто перегорит. Второе следствие, что со временем из-за разряда батарей яркость будет постепенно падать.

Еще одна беда это на что расходуется энергия батарей. Как уже упоминалось, она преобразуется лампой в тепло и свет.
Украду кусочек Википедии:
Коэффициент полезного действия (КПД) ламп накаливания (здесь под КПД понимается отношение мощности видимого излучения к полной мощности) достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет около 5 %.С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время службы лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 Kвсего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
То есть всего лишь порядка 5% всей энергии идёт в видимом диапазоне, остальное - тепло. Можно повысить яркость лампы, задрав напряжение, но при этом страдает долговечность... Обидно.

Плюсы:

  • отличный спектр и, как следствие, видимость;
  • дешевизна ламп;
  • простота питания (в цепи только лампа, выключатель и батарея);
  • при установке инфракрасного светофильтра получаем отличный ИК фонарь.
Недостатки:
  • малый срок службы;
  • нельзя получить высокую яркость в малом объеме не снизив надежности;
  • хрупкость;
  • яркость падает с разрядом батарей;
  • КПД ниже плинтуса.

Светодиодные (LED) фонари.

LED = Light Emitting Diode, то есть излучающий свет диод.

 

Явление излучения света pn-переходом из некоторых сочетаний материалов было обнаружено аж в 1907 году, но промышленный рассвет светодиодных фонарей произошел практически век спустя. Это связано с тем, что современные "фонарные" светодиоды имеют абсолютно другую конструкцию.

Разные pn-переходы излучают свет с разной, но строго определенной для сочетания материалов длиной волны. То есть светодиоды могут быть красными, зелеными, желтыми, но никак не могут быть белыми, так как белый свет это смесь излучений с длинами волн от красного до фиолетового. Соответственно, все белые светодиоды это попытка обмануть глаз.

По конструкции делятся на два вида: 
  1. с набором излучателей с разной длиной волны;
  2. с преобразованием излучения люминофором.
Первый вид нашел применение в подсветке помещений: для получения интересного пользователю освещения можно менять яркость отдельных излучателей, получая свет нужного цвета.



Второй вид как раз и используется в фонарях. По конструкции эти светодиоды представляют собой мощный синий или реже ультрафиолетовый светодиод, на поверхность которого нанесён люминофор. Излучение от диода "накачивает" люминофор и он светится. Совместный спектр пробравшегося через люминофор излучения диода и излучения люминофора определяет суммарный спектр излучения светодиода в целом.


Картинка иллюстрирует разницу в получаемом свете от трех видов: синий светодиод + желтый люминофор, ультрафиолетовый светодиод + цветной люминофор и уже упомянутый RGB светодиод.

Во втором случае варьируя компоненты люминофора можно получать нужный нам спектр освещения. Однако, как ни мешай разные люминофоры в один, невозможно получить такой же равномерный спектр, как у лампы накаливания, поэтому спектр светодиодных ламп весьма неравномерный, состоит из набора длин волн, излучаемых элементами люминофора (линейчатый). Количество этих линий и их положение в спектре, а также уровни составляющих спектра определяют качество полученного в сумме спектра. Как правило, компании разработчики сообщают усреднённый спектр. Вторым параметром, связанным со спектром, является цветовая температура, определяющая состав спектра.

На практике всё это приводит к тому, что разборчивость наблюдаемой со светодиодной подсветкой сцены ниже, чем у галогеновых фонарей. По моим наблюдениям, чем ниже цветовая температура светодиода, тем лучше с ним видно. По крайней мере мне.

На самом деле, не всё так плохо, ак кажется. Некоторые фирмы достигли в производстве светодиодов существенных успехов. Прежде всего это фирма Cree, промышленно выпускающая целую кучу серий сетодиодов с приличной светимостью, пристойным спектром и относительно занедорого. К примеру, в документации к серии XM-L



приводят такую информацию по спектру излучения:



Как видно, спектр покрывает довольно широкую область, забираясь хвостиком даже в ИК область, причём варианты с тёплым белым светом (цветовая температура 2600-3700К) излучают в ИК больше света (хотя, надо признать, яркость составляет доли процента).

Для улучшения качества спектра производятся даже специальные светодиды, состоящие из нескольких разных кристаллов в одном общем корпусе (серия Cree MC-E и несколько серий).



Использование отличных от ламп принципов получения света позволяет получить и иной КПД - более 40%, то есть почти втрое лучше, чем галогенка в самых-самых оптимальных условиях, и в 4-8 раз лучше, чем та же лампа в щадащих условиях.

Потери на нагрев в светодиодах заметно меньше, чем в лампе. Однако хороший отвод тепла от светодиода - обязательное условие: светодиоды не терпят перегрева. Температуры воздуха выше 60 градусов для светодиодного фонаря - жестокая пытка.

 А теперь ложка дёгтя: светодиоды - токовые устройства. То есть их надо "кормить" постоянным током, значит просто подключить его к батарейке нельзя. Для питания светодиодов используются специальные электронные схемы - драйверы светодиодов. Они обеспечивают постоянный заданный ток через кристалл светодиода. Драйверы бывают разными по принципу работы - могут просто съедать лишнее напряжение, а могут быть импульсными, производящими преобразование по сложным принципам. Таким образом, их КПД и прочие параметры значительно отличаются. Нормальная импульсная схема будет иметь КПД около 85%, а вот линейная "пожиралка лишнего" может иметь значительно меньший КПД. Подробнее про проблемы фонарикостроения и светодиодопитания будут еще посты (потом воткну сюда ссылки).

Таким образом, суммарный КПД хорошей системы драйвер-светодиод будет составлять 0,4*0,8=32%, что всё-таки значительно выше, чем у ламп.

Плюсы:
  • большая достижимая яркость;
  • больший КПД;
  • не боятся ударов и падений;
  • с хорошим драйвером яркость не падает до полного разряда источника питания.
Минусы:
  • худшее качество света по сравнению с лампами накаливания (а для дешевеньких китайских светодиодов так и просто отвратительное);
  • необходимость применения сложных электронных схем - драйверов - для питания светодиода;
  • невозможно использовать при высоких температурах.


Спектр способов получения света или Почувствуйте разницу.

А что же вообще со спектром других источников. А вот есть такая замечательная иллюстрирующая картинка:


Желтенький - это наше солнышко. Красный - лампа накаливания, уже разбирали. Зеленый - светодиоды, с ними мы тоже вроде как смотрели. Голубенький - сканнер штрих-кодов (там внутри красный лазер. А вот синий ужас - это лампы дневного света. Там, согласитесь, вообще красота со спектром, вообще страшная линейчатость. 

Так что моя ругань на светодиодные по сравнению с ЭТИМ УЖАСОМ - просто ворчание.