xi.1: temperaturstrahler xi.2: plasmastrahler xi.3 ... · prinzip eines anorganischen leuchtstoffes...
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XI.: Weitere Strahlungsquellen
XI.1: Temperaturstrahler
XI.2: Plasmastrahler
XI.3: „Unkonventionelle“ Elektrolumineszenz
Strahlungsfluß
Bewertung des Strahlungsflusses durch Leistungsmessgerät:
Strahlungsfluß φe [φe]=W
Bewertung des Strahlungsflusses durch das Auge:
Index e wie energetisch
Übergang zum Lichtstrom φv
[ ] lmvΦ =780
380
683 ( )nm
ev
nm
dlm v dW d
λ λλΦ
Φ = ∫
Lichtausbeute: v
el
lmP W
η Φ =
(das Lumen)
Index v wie visuell
Strahlstärke ↔ Lichtstärke
1 1
e ee
dId
φ φ = = Ω Ω
Strahlstärke:
[ ] WsreI =
Lichtstärke:
780
380
683 ( )nm
ev
nm
dIlmI v dW d
λ λλ
= ∫
[ ] lm cdsrvI = =
XI.1.1: Temperaturstrahlung
Strahlungsgleichgewicht: Emittierte und absorbierte Leistung müssen im thermischen Gleichgewicht gleich sein:
( , ) ( , )λ λλ α λ=e eM T E T
wobei α: Absorptionsgrad und Eeλ(λ,T): spektrale Bestrahlungsstärke
α=1: Alle auftreffende Strahlung wird absorbiert → Schwarzer Strahler, Schwarzkörperstrahler SK
( , )( , ) λλ
λλα
=SK ee
L TL T
Für eine möglichst große Emission muß der Strahler im gewünschten Wellenlängenbereich auch möglichst gut absorbieren.
XI.1.1: Temperaturstrahlung
15
2
1 1( , )π srexp( ) 1
λ λλ
λ
=−
SKe
cL T cT
c1=3.74 10-16Wm2
Es gilt:c2=1.439 10-2 m K
(Planck‘sche Strahlungsformel)
Spektrale Strahldichte iststark temperaturabhängig
→ Verschiebung des Maximums mit der Temperatur
→Hohe Strahldichte bei hohen Temperaturen
XI.1.1: Temperaturstrahlung
Die Wellenlänge der maximalen spektralen Strahldichte verschiebtmit steigender Temperatur nach dem Wien‘schenVerschiebungsgesetz: K
max 0.29cmλ =T
Die gesamte Strahldichte ergibt sich durch Integration zu:
42 4
σ W( ) mit σ 5.667 10 8π sr m K
= = ⋅ −⋅
SKeL T T
(Stefan-Boltzmann-Gesetz)
XI.1.2: Glühlampen
Eine effiziente Glühlampe muß also im sichtbaren Spektralbereich einen hohen Absorptionsgrad haben und mit einer möglichst hohen Temperatur(nahe an 5000 K) betrieben werden.
Im tatsächlichen Betrieb: Kompromiss zwischen Lebensdauer und höchstmöglicher Lichtausbeute.
391Lebensdauer im Vakuum: =const.
Tτ
XI.1.2: Glühlampen: Historische Entwicklung
9,8Ar,N2AEG: W-Wendel1913
22-33HalogenzusatzGEC: Halogen-Glühlampe1959
10-18Ar,N2Doppel-Wendel1932KrDoppel-Wendel1936
7VakuumGEC: Gezogener W-Draht1910VakuumSiemens, Halske:Gespritzte Ni-W-Fäden1908
VakuumJust, Hanamann: Gespritzte Wolframfäden
19065,8VakuumBolten:Tantalfaden1905
VakuumAuer von Welsbach: Osmiumfaden19023VakuumMetallisierte Kohlenfäden1905
1,5VakuumEdison: Beginn der tech. EntwicklungKohlefaden (Fabrikationsreife)
1879
VakuumGoebel: Kohlefäden (in evakuierten Parfümflaschen)
1854
Licht-ausbeute [lm/W]
Glühdraht brennt in Luft
Erhitzung von Edelmetallfäden (Pt) (Physiker Grove)
1840-1860
XI.1.2: Glühlampen
Abdampfen der Wolframatome wird verhindert durch:
• Stickstoff-Argon-Gemisch
4.2 10-92.3 10-7
1 bar Ar/N2VakuumAbdampfrate von Win g cm-2s-1 @ 2870 K:
• Wendelung
Wärmeverluste werden verringert durch
Wendelung verringert den Wärmeübergang aufgrund von Konvektion
Halogen-GlühlampenLebensdauer kann erhöht werden durch Zusatz von Halogenen. Hier am Beispiel der (historischen) Jodlampe:
1. W-Atom dampft ab2. Diffusion nach außen3. Bildung von WJ2 im Aussenbereich (gasförmig > 250 °C)
4. Diffusion zur Wendel5. Zersetzung
6. Abscheidung auf Wendelaus [2]
Halogen-Lampe erlaubt- höhere Temperatur (höhere Lichtausbeute)oder - größere Lebensdauer
W + J2 ↔ WJ2
T gross(~ 3000 K)
T klein(~ 400 K)
XI.1.2: Halogen-Glühlampen
- höhere Drahttemperatur bei gleicher Lebensdauer
→ höhere Lichtausbeuteoder
- höhere Lebensdauer bei gleicher Drahttemperatur
Weitere Vorteile:
-Miniaturisierung möglich, da weniger Kolbenschwärzung durch Rücktransport
→erlaubt höhere Betriebsdrücke und Füllung mit teureren Edelgasen (geringere Wärmeleitung)
Funktionsprinzip Kaltlichtreflektor
- dielektrische Spiegel reflektieren nur die sichtbare Strahlung
XI.2: Leuchtstofflichtquellen
...bereits diskutiert: Die weisse LED
Farbstoff
Abb.
LED erzeugt blaues Licht
Anregung eines Leuchtstoffes
Emission von niederenergetischerem Licht
GasentladungslampenGasentladungslampen
HochdruckNiederdruck
z.B. Philips UHP-Lampe, 100W, 90HzHg, 200bar
0.1-1 Pa Hg, 103 Pa Edelgas
direkte Nutzung der Plasmastrahlung
Anregung einesLeuchtstoffes
Gasentladungslampen: DruckabhängigkeitGasentladungslampen: Druckabhängigkeit
Druckabhängige Verbreiterung der Emissionsspektren bei einerNatriumgasentladungslampe
- niedriger Druck: atomare Linie- hoher Druck: breites Spektrum
Quelle:J. de Groot, J. van Vliet, The High-Pressure
Sodium Lamp, Philips Technical Library (1986)
GasentladungslampenGasentladungslampen
0.1-1 Pa Hg, 103 Pa Edelgas
-Anregung von Quecksilber von geringem Druck durch Elektronenstoß Quecksilber-Niederdruckgasentladung erzeugt UV-Strahlung (185 und 254 nm)-Leuchtstoffschicht wandelt UV-Strahlung in sichtbares Licht um (Energieverlust ca. 50%)
XI.2: Leuchtstofflichtquellen
Prinzip eines anorganischen Leuchtstoffes
REM-Aufnahme von Leuchtstoffpartikelnfür Kathodenstrahl-röhren
Allgemeinbeleuchtung: Lichtausbeuten, Lebensdauern, Allgemeinbeleuchtung: Lichtausbeuten, Lebensdauern, BetriebskostenBetriebskosten
Glühlampe <19 lm/W 1000 h
Hochvolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W 2500 h
Niedervolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W <5000 h
Leuchtstofflampe <104 lm/w 16000 h
Kompaktleuchtstofflampe
<88 lm/W 10000 h
Lichtquelle Lichtausbeute Lebensdauer
Glühlampe <19 lm/W 1000 h
Hochvolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W 2500 h
Niedervolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W <5000 h
Leuchtstofflampe <104 lm/w 16000 h
Kompaktleuchtstofflampe
<88 lm/W 10000 h
Glühlampe <19 lm/W 1000 h
Hochvolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W 2500 h
Niedervolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W <5000 h
Leuchtstofflampe <104 lm/w 16000 h
Kompaktleuchtstofflampe
<88 lm/W 10000 h
GlühlampeGlühlampe <19 lm/W<19 lm/W 1000 h1000 h
Hochvolt-HalogenglühlampeHochvolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W<22 lm/W 2500 h2500 h
Niedervolt-HalogenglühlampeNiedervolt-Halogenglühlampe
<22 lm/W<22 lm/W <5000 h<5000 h
LeuchtstofflampeLeuchtstofflampe <104 lm/w<104 lm/w 16000 h16000 h
KompaktleuchtstofflampeKompaktleuchtstofflampe
<88 lm/W<88 lm/W 10000 h10000 h
Lichtquelle Lichtausbeute Lebensdauer
aus [1]
Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „BeamerBeamer““1 mm
Philips UHP-Lampe, 100W, 90HzHg, 200bar
0 .0 0
0 .0 5
0 .1 0
0 .1 5
0 .2 0
0 .2 5
0 .3 0
0 .3 5
0 .4 0
0 .4 5
4 0 0 .0 0 5 0 0 .0 0 6 0 0 .0 0 7 0 0 .0 0w a v e le n g t h [ n m ]
Inte
nsity
[W/n
m]
1 6 0 b ar2 0 0 b ar2 4 0 b ar
enthält Hg-Höchstdruck-
lampe
* Pavel Pekarski, UHP Lamps for Projection Systems, ICPIG 2003 Greifswald
Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“Gasentladungslampen: Hochdrucklampe im „Xenon“--ScheinwerferScheinwerfer
4 mm
D2-Lampe (Xenon Lampe):
50 bar Xenon (7 bar Kaltfülldruck)20 bar Quecksilber<1 bar NaI, ScI3
Technische Daten:
Strom: 0.4 A, 400 Hz RechteckLeistung: 35 Watt (85 V)Lichtstrom: 3200 lm (Start: 400 lm)
XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Kathodenstrahlröhre
1. Elektronen werden durch thermionische Emission aus Kathode gelöst
2. Kontrollgitter steuert e-Fluß
3. Anoden beschleunigen und fokussieren e-Strahl
4. Horizontale und vertikale Steuerung des Strahls durch Ablenkplatten
(1-4 bei Farbbildschirmen jeweils für 3 e-Strahlen)
XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Kathodenstrahlröhre
5. Elektronen fallen durch Löcher in Schattenmaske auf verschiedenfarbige Phosphore
6. Elektronen regen Phosphore an
7. Bildschirm leuchtet farbig
XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Die Plasmaanzeige
• pixelartige Zündung von Gasentladung ähnlich wie in Leuchtstofflampe
• einfarbig emittierende Phosphore
XI.2: Leuchtstofflichtquellen/displays: Feldemissionsbildschirme
„Pixelierte Minielektonenstrahlröhren“
XI.3.1 : Hochfeldelektrolumineszenz
1. Tunneln eines Elektrons aus Grenzflächenzuständen
2. Beschleunigung durch E-Feld
3. Energieabgabe durch Stossanregung u. Stossionisation
4. Lichtaussendung durch Rekomination
ElektrolumineszenzElektrolumineszenz--FolieFolie
Schema der Hochfeld-EL
Elektrode
Dielektrikum
Elektrode
Quelle: www.helicon.de
Typische Daten Betriebsspannung: 115 V ACStandardfrequenz: 400 HzLeuchtdichte: < 200 cd/m2
Lichtausbeute: < 1 lm/W
Organische Leuchtdioden (Organische Leuchtdioden (OLEDsOLEDs))
Cathode
AnodeSubstrate
Organic semiconductor
- sehr dünne Bauelemente (< 1 µm)- mechanisch flexibel (?) - geringe Gewicht- grosse Flächen- alle Farben- geringe Betriebsspanungen- ...
Quelle: www.covion.com
XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Materialien
Konjugierte Polymere Aufdampffähige Moleküle
Alq3
Covion PPV co-polymers
Polyfluorene (Dow)
HTL
ETL
Abscheidung aus der Flüssigphase Vakuumabscheidung
OLED: Energiediagramm
+-
A typical device consists of 3 layers
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
+
–
• avoid large barriers (ITO-side: PEDOT, Phthalos; low work function cathodes: Ca, LiF+Mg:Ag)
• balanced carrier injection
XI.3.2 : Organische Leuchtdioden: Heterostrukturen
• more degrees of freedom with evaporated small molecules
• multiple layers can support injection and carrier balance
Lichtausbeuten im Vergleich
- OLED-Weltrekord: > 90 lm/W (green)
- zum Vergleich Bildschirme: 1 lm/W (CRT), 2 lm/W (AMLCD)