Grupa: Elektrotechnika, Studia stacjonarne, II stopień, sem. 1. wersja z dn. 20.03.2011 Laboratorium Techniki Świetlnej Ćwiczenie nr 3 Temat: BADANIE PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH I FOTOMETRYCZNYCH ŚWIETLÓWEK KOMPAKTOWYCH ZINTEGROWANYCH Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury: 1. Laboratorium z techniki świetlnej (praca zbiorowa pod redakcją Władysława Golika). Skrypt nr 1792. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1994 2. Polska Norma PN-EN 60969:2002 1. WSTĘP Lampy fluorescencyjne, czyli świetlówki (Rys. 1), to lampy wyładowcze niskiego ciśnienia z parami rtęci, w których światło wytwarzane jest głównie przez warstwy luminoforu wzbudzonego przez promieniowanie nadfioletowe. Rys. 1. Budowa świetlówki Elektrody wykonane są z drutu wolframowego w postaci dwuskrętki, są pokryte emiterem tlenkowym, który obniŝa pracę wyjścia elektronów i tym samym ułatwia zapłon. W trakcie pracy świetlówki emiter ulega odparowaniu. Argon - gaz pomocniczy, zapłonowy, ciśnienie ok. 2500 Pa (0.025 atm). Rtęć dozowana jest w postaci metalicznej i odparowuje pod wpływem zwiększonej temperatury wewnątrz bańki świetlówki. Pary rtęci osiągają ciśnienie ok. 0.6 1.0 Pa w temperaturze ok. 45 0 C. Przy takim ciśnieniu par rtęci większość mocy promienistej wytwarzanej poprzez zjawisko elektroluminescencji przypada na zakres nadfioletowy. Największą intensywność mają dwie tzw. linie rezonansowe rtęci (185nm i 254 nm). Luminofor pokrywa wewnętrzną powierzchnię bańki i wytwarza promieniowanie widzialne. Pobudzany jest do świecenia tzw. promieniowaniem rezonansowym rtęci z zakresu UV: 185nm i 254nm. Ciśnienie par rtęci musi mieć taką wartość, aby promieniowanie linii rezonansowych rtęci miało największą skuteczność. Rys. 2. Rozkład widmowy promieniowania świetlówki. Linie rezonansowe rtęci (185, 254nm), linie w zakresie widzialnym (405, 436, 546, 579nm) oraz widmo ciągłe luminoforu. 1
Linie widmowe rtęci w zakresie widzialnym promieniowania elektromagnetycznego mają bardzo małą intensywność niewystarczającą do zapewnienia odpowiedniej ilości światła. Głównym źródłem promieniowania widzialnego w świetlówce jest luminofor. Rodzaje luminoforów, barwa i wskaźnik oddawania barw Rodzaj zastosowanego luminoforu decyduje o skuteczności świetlnej η, wskaźniku oddawania barw R a i temperaturze barwowej T b. Rys. 3. Sposób oznaczenia świetlówki. Tabela 1. Rodzaje luminoforów. Typ luminoforu Charakterystyka Kod Ra η [lm/w] Standardowe (dwupasmowe) Przeciętna skuteczność świetlna i przeciętne oddawanie barw. Są to luminofory, które posiadają dwa aktywne składniki i tworzą charakterystyczny rozkład widmowy z dwoma maksimami (wierzchołkami). OSRAM 765 (10)* 640 (20)* 535 (23)* 740 (25)* 530 (30)* od 50 do 79 od 65 do 78 Trójpasmowe Największa skuteczność świetlna i dobre oddawanie barw. Aktywne składniki tych luminoforów zawierają tzw. pierwiastki ziem rzadkich i tworzą rozkład widmowy z kilkoma maksimami (wierzchołkami) w trzech pasmach widma: czerwonym, zielonym i niebieskim Wielopasmowe Przeciętna skuteczność świetlna i najwierniejsze oddawanie barw. Luminofory te są mieszaniną wielu składników, które tworzą rozkład widmowy pokrywający cały zakres widzialny. * w nawiasach podano stare oznaczenia PHILIPS 640 (33)* 765 (54)* seria 80 827 830 840 865 seria 90 930 940 950 965 od 80 do 89 od 90 do 100 od 67 do 94 od 50 do 71 / 740-25, Ra=70 / 765-54, Ra=72 Rys. 4. Rozkłady widmowe świetlówek z luminoforem dwupasmowym. 2
/ 827, Ra=85 / 840, Ra=85 Rys. 5. Rozkłady widmowe świetlówek z luminoforem trójpasmowym. Rodzaje świetlówek / 930 / 965 Rys. 6. Rozkłady widmowe świetlówek z luminoforem wielopasmowym. Świetlówki liniowe posiadają prostą bańkę w kształcie walca o róŝnej średnicy: T12 - średnica: 12/8 cal, (inne oznaczenie T38 - średnica: 38 mm), T8 - średnica: 8/8 cal, (inne oznaczenie T26 - średnica: 26 mm), T5 - średnica: 5/8 cal, (inne oznaczenie T16 - średnica: 16 mm). Świetlówki T12 - podstawowy typoszereg mocy: 20W, 40W, 65W - produkowane od 1938 r. Świetlówki T8 - podstawowy typoszereg mocy: 18W, 36W, 58W - produkowane od 1973 r. Świetlówki T8 stanowią bezpośredni zamiennik świetlówek T12 (moŝna je stosować w tych samych oprawach oświetleniowych). Energooszczędność świetlówek T8 polega na kompleksowej oszczędności energii w produkcji i eksploatacji lamp: mniejsza średnica mniej materiału zuŝytego do produkcji lampy (szkło, luminofor) mniejsze wymiary mniejsze koszty magazynowania, transportu, mniejsze zuŝycie energii elektrycznej (mniejsza moc). Świetlówki T5 - produkowane od 1995 r.: pracują wyłącznie ze statecznikami elektronicznymi, w stosunku do św. T8 mają nieznacznie mniejszą długość (róŝnica 50mm) i mniejszą moc, pokryte są luminoforem trójpasmowym lub wielopasmowym, większa skuteczność świetlna do 104 [lm/w], większa trwałość do 20 000h. występują dwa typy świetlówek T5: o o wysokiej wartości skuteczności świetlnej HE (Philips), FH (Osram), o o wysokiej wartości strumienia HO (Philips), FQ (Osram). 3
Świetlówki kompaktowe niezintegrowane. Świetlówki posiadają duŝo zalet umoŝliwiających ich róŝnorodne zastosowanie. Jednak jedną z niewielu wad ujawniającą się w niektórych sytuacjach jest duŝy rozmiar (długość). W celu zmniejszenia rozmiaru świetlówek wprowadzono tzw. świetlówki kompaktowe, które posiadają zagięte rurki bańki. Świetlówki kompaktowe niezintegrowane posiadają róŝnorodne trzonki (np. G23, 2G7, G24, 2G11) i są montowane w specjalnych oprawkach, w które wyposaŝone są odpowiednie oprawy oświetleniowe. zestawienie parametrów świetlówek niezintegrowanych P: 5 120 W Φ: 250 9000 lm η: 50 87 lm/w Ra: 80 89, oraz >90 Rys. 7. Świetlówki kompaktowe niezintegrowane: Dulux D (G24d-...), Dulux S (G23-...), Dulux T (GX24q-...) Świetlówki kompaktowe ze zintegrowanym układem zapłonowym (samostatecznikowe) zaciski elektrod są przyłączone do układu stabilizacyjno zapłonowego (najczęściej jest to tzw. statecznik elektroniczny), który znajduje się w obudowie świetlówki w pobliŝu trzonka. Świetlówki kompaktowe zintegrowane posiadają najczęściej trzonek gwintowy E27 lub E14, który w większości przypadków umoŝliwia ich stosowanie w mieszkaniowych oprawach oświetleniowych, w których do tej pory były uŝywane Ŝarówki. Dostępne na rynku świetlówki samostatecznikowe róŝnią się znacznie właściwościami, szczególnie w zakresie trwałości, strumienia świetlnego, barwy światła oraz moŝliwości lub braku moŝliwości częstych włączeń. Najczęściej spotykane mają temperaturę barwową 27000K, która jest zbliŝona do temperatury barwowej Ŝarówki. Trwałości świetlówek mieszczą się w zakresie od 6000h do 15000h. zestawienie parametrów świetlówek zintegrowanych P: 3 27 W Φ: 100 1700 lm η: 33 65 lm/w Rys. 8. Świetlówki kompaktowe zintegrowane: Dulux EL (E27), Dulux EL CLASSIC z zewnętrznym dodatkowym balonem (E27) Ra: 80 89 4
3. WŁAŚCIWOŚCI ŚWIETLÓWEK Układy zasilania świetlówek - świetlówka posiada ujemną, nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową, w związku z tym naleŝy stosować elementy stabilizujące punkt pracy a pełniące rolę ograniczania prądu płynącego przez lampę (stateczniki, najczęściej indukcyjne lub elektroniczne, połączone szeregowo z lampą). Wpływ napięcia zasilającego na parametry świetlne i elektryczne jest niewielki. Wpływ temperatury otoczenia - temperatura otocznia wpływa na temperaturę punktu kondensacji ciśnienia par rtęci. Znamionowy strumień świetlny świetlówek podawany jest dla temperatury 25 0 C. Świetlówka pracująca w temperaturach otoczenia, które są wyŝsze lub niŝsze niŝ 25 0 C ma niŝszy strumień świetlny. Rys. 9 Wpływ temperatury otoczenia na strumień świetlny świetlówki Trwałość i spadek strumienia w czasie eksploatacji - trwałość świetlówek zaleŝy przede wszystkim od częstości włączeń i od rodzaju zastosowanego statecznika. Trwałość wynosi od kilku do kilkunastu tysięcy godzin. WyŜszą trwałość osiągają świetlówki ze statecznikami elektronicznymi. Wśród stateczników elektronicznych najlepsze z punktu widzenia trwałości są te, które przed zapłonem realizują funkcję podgrzewania elektrod. Z punktu widzenia eksploatacji świetlówek bardzo waŝny jest spadek strumienia świetlnego w czasie pracy. Znaczne zmniejszenie strumienia w trakcie pracy powoduje, Ŝe nie opłaca się dalej eksploatować jeszcze świecących świetlówek i naleŝy je grupowo wymienić. Granicę opłacalności stanowi spadek strumienia do 80% wartości strumienia znamionowego. Typowe wartości: 5.000h 94% 10.000h 92% 15.000h 90% Rys. 10 Krzywa spadku strumienia świetlówek liniowych T8 z luminoforem trójpasmowym (np. TL-D 36W/840). Uwaga, charakterystyki świetlówek kompaktowych mogą się róŝnić od danych prezentowanych na tym wykresie. 5
Typowe wartości: 5.000h 98% 10.000h 90% 15.000h ---- Rys. 11 Krzywa wygasania świetlówek liniowych T8 pracujących ze statecznikiem elektronicznym z zimnym startem (cold-start, rapid-start, instant-start), bez podgrzewana elektrod. Uwaga, charakterystyki świetlówek kompaktowych mogą się róŝnić od danych prezentowanych na tym wykresie. Typowe wartości: 5.000h 99% 10.000h 98% 15.000h 95% Rys. 12 Krzywa wygasania świetlówek liniowych T8 pracujących ze statecznikiem elektronicznym z funkcją podgrzewania elektrod (switch-start, warm-start). Uwaga, charakterystyki świetlówek kompaktowych mogą się róŝnić od danych prezentowanych na tym wykresie. Charakterystyki rozruchowe świetlówek - jedną z podstawowych cech świetlówek kompaktowych, która moŝe być wadą z punktu widzenia wielu uŝytkowników jest długi czas rozruchu. Znamionową wartość strumienia świetlnego świetlówki osiągają po kilku minutach od chwili włączenia. Ze względu na długi czas rozruchu świetlówki kompaktowe nie powinny być stosowane w miejscach, w których włączane są na krótki czas (klatki schodowe, toalety, strefy komunikacji z czujnikami ruchu). Wprowadzane w Ŝycie postanowienia dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 6 lipca 2005 r. w sprawie wymogów dotyczących ekoprojektu dla bezkierunkowych lamp do uŝytku domowego narzucają producentom świetlówek kompaktowych konieczność ograniczenia czasu rozruchu. Zgodnie z wymaganiem zawartym w rozporządzeniu Komisji (WE) nr 244/2009 z dnia 18 marca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady czas rozruchu do chwili osiągnięcia 60% strumienia znamionowego powinien być krótszy od 60 sekund (dla pierwszego etapu, t.j. od 1.09.2009) lub krótszy od 40 sekund (dla piątego etapu, t.j. od 1.09. 2013). Producenci lamp wprowadzają nowe technologie, które maja na celu zmniejszenie czasu rozruchu. Jedną z nich jest technologia Quickstart, dzięki której czas rozruchu moŝna skrócić o połowę. Dzieje się tak dlatego, Ŝe czasie pomiędzy włączeniem lampy a osiągnięciem stabilizacji statecznik elektroniczny zintegrowany z lampą wymusza przepływ prądu o większym natęŝeniu niŝ by to wynikało z normalnego rozruchu. 6
Wymagania normatywne - warunki przeprowadzenia badań oraz wymagania funkcjonalne świetlówek kompaktowych samostatecznikowych określone są w polskiej normie PN-EN 60969:2002 Lampy samostatecznikowe do ogólnych celów oświetleniowych - Wymagania funkcjonalne. Podano m.in. wymagania odnoszące się do tzw. parametrów początkowych jakie posiada nowa świetlówka poddana wyświecaniu przez okres 100 godzin. Maksymalna, początkowa moc świetlówki nie powinna przekraczać 115% mocy znamionowej. Początkowa wartość strumienia świetlnego nie powinna być mniejsza niŝ 90% strumienia znamionowego. 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA Część 1. Badanie charakterystyk rozruchowych świetlówek Pomierzyć charakterystyki rozruchowe świetlówek: Φ, P U, I L, cosφ U = f (t). Odczyty wskazań przyrządów pomiarowych naleŝy dokonywać w odstępach dziesięciosekundowych. Notować wskazania konwertera proporcjonalne do prądu fotoelektrycznego ogniwa ( x) oraz watomierza (P U, I L ). Układ połączyć zgodnie ze schematem umieszczonym na rys. 13. Wyznaczyć czasy rozruchu t 60, tj. czas narastania strumienia świetlnego do osiągnięcia wartości 60% strumienia ustalonego. W sprawozdaniu zamieścić wykresy wykonane w jednostkach względnych. Przeprowadzić ich analizę. Rys. 13. Schemat układu pomiarowego Część 2. Badanie parametrów początkowych świetlówek. Przy zasilaniu napięciem znamionowym U N, naleŝy pomierzyć parametry początkowe świetlówek Φ, P U, I L, cosφ U. Obliczyć skuteczność świetlną świetlówki η[lm/w]. Układ połączyć zgodnie ze schematem umieszczonym na rys. 13. Wykonać skalowanie układu pomiarowego z uŝyciem wzorca strumienia świetlnego. Pomierzone wartości strumienia i mocy świetlówki sprawdzić z wymaganiami normy 60969. Przeprowadzić analizę uzyskanych wyników. PN-EN 7
4. TABELE POMIAROWE Tabela nr 1. Badanie charakterystyk rozruchowych Typ lampy: Moc znamionowa P N =...[W] Znamionowy strumień świetlny Φ N =...[lm] Napięcie znamionowe U N =...[V] Lp Wyniki Pomiarów Obliczenia t x P U I L cosφ U Φ η [s] [-] [W] [A] [-] [lm] [lm/w] 1 10 2 20 3 30 4 40 5 50 6 60 7 70 8 80 9 90 10 100 11 110 12 120 13 130 14 140 15 150 16 160 17 170 18 180 8
Lp t x P U I L cosφ U 19 190 φ ( φ ) η 0 x 20 200 21 210 22 220 23 230 24 240 25 250 26 260 27 270 28 280 29 290 30 300 31 310 32 320 33 330 34 340 35 350 36 360 37 370 38 380 39 390 40 400 41 410 42 420 9
Lp t x P U I L cosφ U 43 430 φ ( φ ) η 0 x 44 440 45 450 46 460 47 470 48 480 49 490 50 500 51 510 52 520 53 530 54 540 55 550 56 560 57 570 58 580 59 590 60 600 61 610 62 620 63 630 64 640 65 650 66 660 10
Tabela nr 2. Badanie parametrów początkowych Typ lampy: Moc znamionowa P N =...[W] Znamionowy strumień świetlny Φ N =...[lm] Napięcie znamionowe U N =...[V] Wyniki pomiarów Obliczenia U N x I L P U cosφ U Φ η [V] [-] [A] [W] [-] [lm] [lm/w] 230 Typ wzorca strumienia świetlnego: Napięcie fotometrowania wzorca U fot[ V ]: Strumień świetlny wzorca Φ W [lm]: Wskazanie miernika prądu fotoelektrycznego W : 1. 2. 3. Średnia arytmetyczna z trzech wskazań miernika prądu fotoelektrycznego: Wzory do obliczeń: P cos φ U U = (1) U I η Φ N L = [lm/w] (2) P U Φ = Φ W X [lm] (3) W 11