Grupa: Elektrotechnika, sem 3., wersja z dn. 24.11.2008 Technika Świetlna Laboratorium Ćwiczenie nr 2 Temat: WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK ROZRUCHOWYCH I CHARAKTERYSTYK NAPIĘCIOWYCH LAMP ELEKTRYCZNYCH Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury: 1). CzyŜewski D., Zalewski S.: Laboratorium fotometrii i kolorymetrii. Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2007 2). PN-90/E-01005 Technika świetlna. Terminologia. 1. CECHY EKSPLOATACYJNE ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA Strumień świetlny (Φ; jednostka: lumen [lm]) to wielkość wyprowadzona ze strumienia energetycznego przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE. Moc (P, jednostka: wat [W]) to ilość energii pobieranej przez odbiornik w jednostce czasu. Skuteczność świetlna (η jednostka: [lm/w]) to stosunek strumienia świetlnego źródła światła do mocy pobieranej przez to źródło. Trwałość (τ jednostka: [h]) to całkowity czas, w ciągu którego lampa świeciła, zanim stała się bezuŝyteczna lub została uznana za taką zgodnie z określonymi kryteriami. Praktyczne znaczenie ma trwałość średnia czyli wartość średnia z indywidualnych czasów działania lamp poddanych próbie trwałości. Wielkości te zaleŝą od: - napięcia zasilania, - częstotliwości napięcia zasilania, - kształtu przebiegu napięcia (ewentualnych odstępstw od sinusoidy), - częstości załączeń i wyłączeń ZaleŜności te są róŝne dla róŝnych rodzajów źródeł światła. 2. OPIS BADANYCH ŹRÓDEŁ ŚWIATŁA śarówki Elementem Ŝarówki, w którym następuje przemiana energii elektrycznej w energie świetlną jest Ŝarnik, rozgrzewany do stanu Ŝarzenia poprzez przepływ prądu elektrycznego. Budowę typowej Ŝarówki pokazano na rysunku 1. Rys. 1. Budowa Ŝarówki głównego szeregu. śarniki współczesnych Ŝarówek, wykonane są z wolframu w postaci jednoskrętek lub dwuskrętek i umieszczone w bańkach szklanych. W celu ograniczenia parowania wolframu Ŝarnik umieszcza się w próŝni lub atmosferze gazu obojętnego (najczęściej mieszaniny argonu i azotu).śarnik wolframowy zapewnia małą prędkość parowania i korzystny rozkład widmowy (rys.2)
Rys. 2. Rozkład widmowy Ŝarówki Typowa trwałość Ŝarówek głównego szeregu wynosi około 1000 godzin (bardzo zaleŝy od zmian napięcia zasilania). Skuteczność świetlna Ŝarówek waha się od 5 do 15 lm/w, a Ŝarówek halogenowych od 10 do 20 lm/w. Względne zmiany parametrów Ŝarówki w zaleŝności od zmian napięcia zasilania pokazano na rysunku 3. Rys. 3. Zmiany podstawowych parametrów Ŝarówki w zaleŝności od napięcia zasilania. Świetlówki Lampy fluorescencyjne, czyli świetlówki, to lampy wyładowcze niskiego ciśnienia z parami rtęci, w których światło wytwarzane jest głównie przez warstwę luminoforu pobudzanego przez linie rezonansowe rtęci z zakresu UV: 185nm i 254nm. Budowę typowej świetlówki pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Budowa świetlówki
W szklanej bańce (zwanej jarznikiem) pokrytej od wewnątrz warstwą luminoforu zatopione są zespoły elektrodowe wraz z trzonkami (lub jednym trzonkiem). Wolframowe elektrody pokryte są emiterem tlenkowym co zwiększa trwałość lampy i ułatwia zapłon. Bańka wypełniona jest gazem pomocniczym (najczęściej argonem), który zwiększa skuteczność świetlną lampy, ułatwia zapłon i zwiększa trwałość elektrod. Dozowana w postaci metalicznej rtęć odparowuje pod wpływem zwiększonej temperatury (pary rtęci osiągają ciśnienie około 1Pa w temperaturze około 45 C) i promieniuje (głównie w zakresie UV) pobudzając luminofor, który wytwarza promieniowanie widzialne. Rozkład widmowy świetlówki pokazano na rysunku 5. Rys. 5. Rozkład widmowy świetlówki 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. Istotny wpływ na strumień świetlny i trwałość ma temperatura otoczenia. Trwałości świetlówek zawierają się w granicach od kilku do kilkunastu tysięcy godzin, a skuteczności świetlne są rzędu kilkudziesięciu lumenów z wata. Lampy sodowe wysokopręŝne WysokopręŜne lampy sodowe (sodówki) to lampy wyładowcze duŝej intensywności, w których światło uzyskuje się głównie z promieniowania pary sodu o ciśnieniu cząstkowym rzędu 10kPa. Rys. 6. Budowa i zdjęcie lampy sodowej
W zewnętrznej bańce ze szkła twardego (cylindrycznej lub eliptycznej), zakończonej głównie trzonkiem edisonowskim, umieszczony jest w próŝni geterowej (ciśnienie poniŝej 0,01Pa) jarznik. Wykonany jest on z polikrystalicznego tlenku aluminium (ceramika) odpornego na wysoki temperatury i niszczące działanie sodu. Wewnątrz jarznika znajduje się sód, rtęć (ułatwia i poprawia działanie lampy) i gaz pomocniczy (najczęściej ksenon lub argon, który ułatwia zapłon i zwiększa skuteczność świetlną). Działanie: najpierw przy niskim ciśnieniu następuje wyładowanie w gazie pomocniczym. Z czasem rośnie temperatura i ciśnienie. Rtęć i sód odparowują i przejmują wiodącą rolę w wyładowaniu. Barwa światła zmienia się z róŝowej na pomarańczowo-ŝółtą (pochodzącą głównie z linii rezonansowych sodu 589 i 589,6 nm). Widmo promieniowania wysokopręŝnej lampy sodowej pokazano na rysunku 7. Rys. 7. Rozkład widmowy wysokopręŝnej lampy sodowej WysokopręŜne lampy sodowe charakteryzują się duŝymi skutecznościami świetlnymi rzędu 150lm/W, a trwałość uŝytkowa (tzn. czas, po upływie którego strumień świetlny spadnie poniŝej 80% wartości początkowej) zawiera się w granicach 10000-16000 godzin. Charakterystyki rozruchowe oraz zmianę parametrów wysokopręŝnej lampy sodowej w zaleŝności od napięcia zasilania pokazano na rysunku 8. Gdzie: Ila prąd lampy, Wla moc lampy, Φ strumień świetlny, Vla napięcie na lampie Rys. 8. Charakterystyki rozruchowe i napięciowe Po prawej stronie zmiany podstawowych parametrów wysokopręŝnej lampy sodowej w zaleŝności od napięcia zasilania, po lewej charakterystyki rozruchowe
Lampy metalohalogenkowe Lampy metalohalogenkowe to lampy wyładowcze duŝej intensywności, w których światło jest wytwarzane głównie w wyniku promieniowania mieszaniny par metalu i produktu rozkładu halogenków (np. jodku talu, jodku indu). Rys. 9. Budowa i zdjęcia lamp metalohalogenkowych. Jarznik (cylindryczny lub kulisty) wykonany jest ze szkła kwarcowego lub z ceramiki. Wewnątrz znajduje się rtęć (ułatwia zapłon lampy, poprawia wskaźnik oddawania barw i zwiększa skuteczność świetlną) oraz halogenki metali. Lampy metalohalogenkowe działają głównie na bazie jodu, bowiem daje on związki prawie ze wszystkimi metalami, rozpada się w dość niskich temperaturach łuku i nie jest agresywny dla kwarcu. Najczęściej stosowane są jodki talu, sodu, indu, dysprozu, holmu. Spośród wysokopręŝnych lamp wyładowczych lampy metalohalogenkowe mają najlepsze własności kolorymetryczne. Przykładowe widmo pokazano na rysunku 10. Rys. 10. Przykładowy rozkład widmowy lampy metalohalogenkowej
Skuteczności świetlne lamp metalohalogenkowych zawierają się w granicach od 73 do 120 lm/w, a trwałość jest rzędu 10000 godzin. Charakterystyki rozruchowe oraz zmianę parametrów lampy metalohalogenkowej w zaleŝności od napięcia zasilania pokazano na rysunku 11. Ila prąd lampy, Wla moc lampy, Φ strumień świetlny, Vla napięcie na lampie Rys. 11. Charakterystyki rozruchowe i napięciowe lampy metalohalogenkowej. Po prawej stronie zmiany podstawowych parametrów lampy metalohalogenkowej w zaleŝności od napięcia zasilania, po lewej charakterystyki rozruchowe 3. POMIARY Dla wskazanych przez prowadzącego źródeł światła połączyć odpowiedni układ pomiarowy z rysunku 12. Zasilić badaną lampę napięciem znamionowym i wyznaczyć charakterystyki rozruchowe (odczytać natęŝenie prądu I l, napięcie U l, moc P l oraz wartość proporcjonalną do strumienia świetlnego Φ w odstępach czasu t podanych przez prowadzącego, aŝ do czasu ustabilizowania się parametrów lampy). Następnie w zakresie zmian napięcia zasilającego ± 10% U n wyznaczyć: Φ, η, P l, I l, U l.. Przy kaŝdej zmianie napięcia zasilającego naleŝy, poczekać na ustabilizowanie się parametrów fotometrycznych i elektrycznych badanego źródła światła. Obliczyć wartość proporcjonalną do skuteczności świetlnej η = Φ /P l [dz/w]. Wykreślić względne charakterystyki rozruchowe badanych lamp. Na osi Y nanieść względne zmiany mierzonych parametrów I l /I nl, U l /U nl, P l /P nl, Φ / Φn, η / ηn, na osi X czas t. Odczytać czas rozruchu lampy jako czas od momentu załączenia zasilania do momentu kiedy strumień świetlny lampy osiągnie wartość 90% strumienia ustalonego. Wykreślić przebiegi charakterystyk napięciowych lamp. W zakresie zmian napięcia zasilającego ± 10% U n obliczyć względne zmiany parametrów lamp P/P n, I/I n, Φ / Φn, η / ηn. Przeanalizować wpływ zmiany napięcia zasilającego lampę na jej parametry fotometryczne i elektryczne. Obliczyć wykładniki potęgowe n H (I l, U l, P l, Φ ) Dla niewielkich zmian napięcia U (w zakresie +/- 10%) odniesionych do znamionowego napięcia zasilającego Un moŝna zmiany podstawowych parametrów przedstawić za pomocą tzw. wykładników potęgowych n H. Przy niewielkich zmianach napięcia zasilającego U zmiany parametrów lamp H mają charakter wykładniczy i mogą być opisane następującą zaleŝnością: H H = U n U n n H
a) b) c) Rys. 12. Schematy układów pomiarowych badanych lamp a) Ŝarówki (ś), b) świetlówki (LF), c) lampy metalohalogenkowej (LMH) i wysokopręŝnej lampy sodowej (WLS).
Grupa: Dzień: Godzina: Ćwiczenie nr 6 Badanie wpływu warunków zasilania na cechy eksploatacyjne źródeł światła CHARAKTERYSTYKI ROZRUCHOWE Typ lampy badanej: Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 POMIARY OBLICZENIA t I l U l P l Φ η U l /U ln I l /I ln P l /P ln Φ / Φn η / ηn [ s ] [ A] [V] [ W ] [ dz ] [ dz/w] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ]
Grupa: Dzień: Godzina: Ćwiczenie nr 6 Badanie wpływu warunków zasilania na cechy eksploatacyjne źródeł światła BADANIE WPŁYWU ZMIAN NAPIĘCIA ZASILANIA Typ lampy badanej POMIARY OBLICZENIA Lp. U s I l U l P l Φ η U l /U ln I l /I ln P l /P ln Φ / Φn η / ηn [ V ] [ A ] [V] [ W ] [ dz ] [ dz/w] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 1 253 2 230 1 1 1 1 1 3 207 Typ lampy badanej POMIARY OBLICZENIA Lp. U s I l U l P l Φ η U l /U ln I l /I ln P l /P ln Φ / Φn η / ηn [ V ] [ A ] [V] [ W ] [ dz ] [ dz/w] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 1 253 2 230 1 1 1 1 1 3 207 Typ lampy badanej POMIARY OBLICZENIA Lp. U s I l U l P l Φ η U l /U ln I l /I ln P l /P ln Φ / Φn η / ηn [ V ] [ A ] [V] [ W ] [ dz ] [ dz/w] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ] 1 253 2 230 1 1 1 1 1 3 207