POLITECHNIKA WARSZAWSKA
INSTYTUT MASZYN ELEKTRYCZNYCH
Zakład Konstrukcji Urządzeń Elektrycznych
Badanie wyładowczych źródeł światła
Laboratorium Elektrotechniki w Inżynierii Komunalnej
Warszawa 2003
Światło elektryczne można wytwarzać dwoma podstawowymi sposobami: poprzez ogrzanie odpowiednich stałych ciał do wysokiej temperatury umożliwiającej powstanie promieniowania świetlnego lub przez spowodowanie promieniowania luminescencyjnego.
Urządzenie przetwarzające energię elektryczną na promieniowanie świetlne nazywamy ogólnie źródłem światła.
Celem ćwiczenia jest poznanie własności wybranych źródeł światła:
· świetlówki,
· lampy rtęciowej,
· lampy sodowej,
W ramach ćwiczenia zostaną wykonane pomiary parametrów elektrycznych źródeł przy różnych wartościach napięcia zasilającego.
Pomiary dotyczą:
· napięcia zapłonu,
· napięcia gaśnięcia (dla lampy rtęciowej czas powtórnego zapłonu),
· napięcia i prądu lampy,
· mocy lampy,
· mocy układu lampa-dławik,
Przedmiotem badań są:
· świetlówka o mocy 40W LF10
· lampa rtęciowa LRF400 o mocy 400W
· lampa sodowa
2.1. Promieniowanie świetlne
Istotą światła jest promieniowanie elektromagnetyczne o naturze falowej, rozchodzące się kuliście ze swego źródła. Promieniowanie takie w granicach pasma widzialnego, a więc w zakresie 380 do 780nm, nazywa się widmem świetlnym (skrajne granice widma świetlnego podane są w liczbach zaokrąglonych).
Przy widzeniu oczy pobierają energię świetlną . Nasilenie wrażenia świetlnego zależy nie tylko od absorbowanej przez oko ilości energii widzialnego promieniowania, ale i od długości fali tego promieniowania, czyli od barwy światła. Można zatem powiedzieć że wzrok reaguje różnie na te same ilości energii świetlnej, zależnie od barwy światła.
Względna skuteczność świetlna promieniowania (o jednej częstotliwości lub długości fali ) wyraża wrażliwość przeciętnego, normalnego oka na całą gamę barw w zależności od długości fali l.
Rysunek 1 przedstawia wykres ilustrujący względną skuteczność świetlną dla widzenia fotopowego (czyli przy świetle dziennym lub silnym świetle sztucznym).
Rys. 1. Względna skuteczność świetlna dla widzenia fotopowego i skotopowego
Jak widać z przedstawionego wykresu najsilniejszym bodźcem świetlnym przy widzeniu fotopowym jest promieniowanie monochromatyczne - zielonozółte o długości fali l=555nm, natomiast przy widzeniu skotopowym jest promieniowanie zielone o długości fali l=510nm.
Największy kontrast barw zachodzi między wyżej wymienionymi barwami a barwami skrajnymi w widmie.
Promieniowanie nadfioletowe-(ultrafioletowe) jest promieniowaniem niewidzialnym w zakresie fal od 10¸380nm. Promieniowanie nadfioletowe wykorzystywane jest w praktyce w źródłach światła, w których zachodzi zjawisko luminescencji.
Luminescencja w świetlówce jest więc zjawiskiem pobudzania falami o długości l=254nm, emitowanymi przez pary rtęci, składników tzw. luminoforów, w których to niewidzialne promieniowanie UV, zmienia się na promieniowanie widzialne. Taka transformacja długości fali stosowana jest w świetlówkach oraz lampach rtęciowych o skorygowanej barwie światła.
2.2. Podstawowe wielkości świetlne i ich jednostki
2.2.1. Strumień świetlny (f)
Strumień świetlny jako wielkość fizyczna odnosi się zarówno do samodzielnych źródeł światła jak i do opraw oświetleniowych. Jest to moc promieniowania widzialnego oceniona według wielkości wrażenia świetlnego w oku przystosowanym do jasności.
Jednostką strumienia jest lumen [lm].
Strumień świetlny można wyrazić wzorem:
(2.1)
gdzie:
- moc promieniowania monochromatycznego [W]
- względna skuteczność świetlna []
- skuteczność świetlna promieniowania
- długość fali [nm].
2.2.2 Światłość (I)
W danym kierunku jest to stosunek strumienia świetlnego wysyłanego przez źródło światła w nieskończenie małym stożku obejmującym dany strumień, do kąta przestrzennego tego stożka. Jednostką światłości jest kandela [cd].
Światłość można przedstawić wzorem:
(2.2)
- strumień w [lm]
- miara kąta przestrzennego w [srd].
2.2.3 Luminancja (L)
Jest to wielkość decydująca o subiektywnym wrażeniu świetlnym. Wyrażona jest jako stosunek światłości w danym kierunku elementarnego pola powierzchni otaczającej dany punkt powierzchni źródła do pola rzutu tej powierzchni na płaszczyznę prostopadłą do danego kierunku. Luminancja może odnosić się do samodzielnych źródeł światła oraz powierzchni odbijających światło.
Luminancję wyrażamy w trzech jednostkach:
· Nit [nt];
· Stilb [sb];
· Apostilb [asb]; ;
Apostilb jest jednostką luminancji, którą posługujemy się zwykle przy świetle odbitym od powierzchni matowych czyli rozpraszających.
Stosownie do podanej wyżej definicji luminancję La wyraża wzór:
(2.3)
- jest rzutem elementarnej powierzchni ds na płaszczyznę prostopadłą do kierunku patrzenia obserwatora.
2.2.4 Natężenie oświetlenia (E)
Jest to wielkość określająca w pewnym sensie intensywność oświetlenia. Natężenie oświetlenia w danym punkcie powierzchni oświetlanej jest to stosunek strumienia świetlnego df, padającego na elementarne pole powierzchni ds. do tego pola, czyli:
(2.4)
Jednostką natężenia oświetlenia jest luks [lx].
Wprowadzając poznane wcześniej wielkości świetlne, natężenie oświetlenia można wyrazić również następującym wzorem:
(2.5)
- światłość w danym kierunku [cd]
- odległość oprawy od powierzchni oświetlanej [m]
- kąt między padającym promieniem światła a normalną do oświetlanej powierzchni.
Powyższy wzór wyraża jednocześnie w postaci ogólnej PRAWO ODWROTNOŚCI KWADRATÓW, zwane często głównym prawem fotometrycznym, które jest podstawą do obliczania natężeń oświetlenia ze światłości oprawy oświetleniowej.
2.2.5. Ilość światła (Q)
Ilość światła jest to iloczyn strumienia świetlnego wysyłanego przez samodzielne źródło światła i czasu świecenia. Można tę wielkość określić wzorem:
(2.6)
t - jest czasem,
lub jeżeli strumień świetlny jest niezmienny w czasie, wzorem:
(2.7)
Jednostką ilości światła jest lumenosekunda [lms], względnie lumenogodzina [lmh].
2.3. Elektryczne źródła światła
Jak już zauważono na wstępie, elektrycznym źródłem światła nazywa się urządzenia do przetwarzania energii elektrycznej na energię świetlną.
Źródła światła przeznaczone do oświetlenia dzielimy na następujące kategorie:
a) żarówki.
a) lampy fluorescencyjne niskoprężne,
b) lampy wyładowcze wysokoprężne.
2.3.1. Lampy wyładowcze fluorescencyjne (świetlówki)
Świetlówki należą do źródeł o fluorescencyjnym sposobie wytwarzania światła. Ze względu na swą konstrukcję dzielą się na:
a) Świetlówki o gorącej katodzie(podgrzewanej przed zaświeceniem)
b) Świetlówki o zimnej katodzie.
Świetlówka o gorącej katodzie, podgrzewanej przy zaświecaniu, zbudowana jest z rury wykonanej z przezroczystego szkła o długości 0.5¸1.2 m. Na jej obu końcach wbudowane są elektrody, nagrzewane przy zapłonie do temperatury około 1000°C. Elektrody wykonane są zwykle w formie skrętek wolframowych, pokrytych substancją emitującą elektrony. Wnętrze rury powleczone jest cienką warstwą luminoforów, a więc substancji chemicznych o właściwościach fluorescencyjnych. Przez odpowiedni dobór luminoforów można otrzymać dowolną barwę światła, a w szczególności różne odcienie światła białego. Rura po wypompowaniu powietrza wypełniona jest naturalnym gazem z zawartością kropli rtęci.
Wskutek przepływu pomiędzy wolframowymi elektrodami gaz-argon i rtęć silnie się nagrzewają: rtęć zmienia się w parę i, poza słabym jarzeniem, silnie emituje promienie nadfioletowe o długości l=254[nm]. Luminofory przetwarzają niewidzialne promieniowanie UV na promieniowanie widzialne. Na rysunku 2 została przedstawiona charakterystyka układu świetlówka-statecznik.
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa świetlówki
Zapłon świetlówki wymaga pewnego udaru napięcia i małego prądu, przy pracy zaś jest odwrotnie - napięcie jest niższe, a prąd większy. Wraz ze wzrostem prądu maleje oporność rury, która jako odbiornik energii elektrycznej ma charakter rezystancji.
Włączenie świetlówki bezpośrednio do sieci doprowadziłoby do gwałtownego wzrostu prądu i spalenia elektrod rury. Zapobiega temu dodatkowy opór, stabilizujący proces wyładowania, czyli ograniczający wzrost prądu. Oporność tę może stanowić dławik (stabilizator indukcyjny), kondensator (stabilizator pojemnościowy) ewentualnie oporność czynna (stabilizator rezystancyjny).
W celu zaświecenia rury o gorącej podgrzewanej przy zapłonie katodzie należy w obwód rury włączyć tzw. zapłonnik. Najczęściej stosowanym zapłonnikiem jest zapłonnik lampowy. Zasadniczą jego częścią jest mała lampka tląca, zwana neonówką, o jednej elektrodzie sztywnej i drugiej bimetalowej, która odgina się pod wpływem i zwiera z pierwszą. Gdy układ jest wyłączony, obwód zapłonnika jest otwarty. Po włączeniu świetlówki wystąpi na elektrodach lampki zapłonnika całkowite napięcie sieci, co spowoduje w niej wyładowanie elektryczne. Wskutek wytworzonego przy tym wyładowaniu ciepła, elektroda bimetalowa rozginając się zewrze obwód zapłonnika. Wówczas prąd o wartości około 1,5 razy większej od prądu roboczego popłynie w obwodzie przedstawionym na rysunku 3. Pod jego wpływem rozgrzewają się skrętki świetlówki i między końcami każdej z elektrod nastąpi jonizacja i lekkie świecenie.
Rys. 3. Schemat zapłonnika lampowego i układ połączeń pojedynczej świetlówki
W tym samym czasie lampka zapłonnika (której elektrody są zwarte) stopniowo stygnie i po krótkiej chwili obwód zostaje nagle przerwany. Zmiana natężenia prądu w czasie jest przy tym bardzo wielka, dlatego też w dławiku o indukcyjności L wystąpi znaczna siła elektromotoryczna (), a wywołana przez to fala przepięciowa (o napięciu około 700V) spowoduje przeskok łuku między elektrodami świetlówki oraz jej zaświecenie. Cały przebieg zapłonu trwa około 1¸3s.
Zapłonnik jest tak skonstruowany że napięcie jakie teraz na nim wystąpi nie wystarczy do jego zaświecenia. W czasie świecenia świetlówki prąd płynie więc w obwodzie zapłonnika tylko przez kondensator C1. Kondensator ten jest dołączony równolegle do lampki zapłonnika i służy do tłumienia zakłóceń radiowych oraz zmniejszenia iskrzenia na elektrodach zapłonnika.
W układzie podanym na rysunku 3 poza omawianym już statecznikiem i zapłonnikiem równolegle włączony jest kondensator C2, który służy do kompensacji mocy biernej pobranej przez świetlówkę stabilizowaną indukcyjnie, poprawiając niski współczynnik mocy o wartości około 0,5 do około 0,9.
Jak już zaznaczono na wstępie, barwy świetlówek związane są ściśle z doborem odpowiednich receptur substancji fluorescencyjnych. Do ogólnych celów oświetleniowych stosowane są barwy świetlówek o odcieniu białym. Barwy te scharakteryzowane są poprzez tzw. temperatury barwowe.
Świetlówki mogą być z dobrym przybliżeniem rozpatrywane jako liniowe źródła światła. Krzywe rozsyłu światłości świetlówki bez odbłyśnika w dwu płaszczyznach w stosunku do jej osi poprzecznej i podłużnej przedstawia rysunek 4.
Rys. 4. Krzywe rozsyłu światłości w dwu płaszczyznach względem osi świetlówki :
a) poprzecznej, b) podłużnej
Luminancja świetlówki jest niewielka – najwyżej 0.5¸0.6 sb. Luminancja tego rzędu nie razi co prawda wzroku, ale może wywołać olśnienie, szczególnie jeżeli wzrok jest przystosowany do niskich poziomów luminancji.
Wpływ napięcia roboczego na zmiany parametrów elektrycznych i świetlnych pokazuje wykres na rysunku5.
Rys. 5. Wpływ napięcia roboczego na względne zmiany parametrów elektrycznych i świetlnych świetlówki
Z przedstawionego wyżej wykresu wynika, iż należy dążyć do utrzymania napięcia roboczego w pobliżu wartości znamionowej (230V), gdyż są to optymalne warunki pracy tego źródła światła.
Istotnym elementem występującym przy eksploatacji świetlówek jest zjawisko stroboskopowe tzn. zjawisko pulsacji światła. Zjawisko to polega na tym iż lampa przygasa 2 razy w okresie zmiany prądu, czyli przy częstotliwości znamionowej 50Hz, 100 razy na sekundę. Jest to męczące dla wzroku, a nawet może być niebezpieczne, jeżeli w pomieszczeniu znajdują się maszyny wirujące. Powstające wówczas złudzenia optyczne mogą wywołać wrażenie pozostawania elementów wirujących w bezruchu.
Efekt stroboskopowy ogranicza się przy oprawach jednorurowych i przy instalacji trójfazowej dołączając sąsiadujące lampy do różnych faz, wówczas migotanie ich jest przesunięte w fazie i znacznie złagodzone.
Istnieją również inne sposoby ograniczania tego zjawiska przy stosowaniu układów dwu i więcej rurowych zasilanych jednofazowo.
Na rysunku 6 pokazano przykłady różnych układów połączeń świetlówek.
Rys. 6. Układy połączeń świetlówek:
a) układ łagodzący efekt stroboskopowy, b) układ gwiazdowy zasilany trójfazowo
2.3.2. Lampy wyładowcze rtęciowe
Lampa rtęciowa stanowi wyładowcze źródło światła, w którym wyładowanie powstaje głównie wskutek wzbudzenia atomów rtęci przy ciśnieniu w granicach około 1atm dla lamp średnioprężnych, od kilkunastu do 100atm dla lamp wysokoprężnych.
Źródłem światła w lampie rtęciowej jest jarznik wykonany ze szkła kwarcowego w formie rurki, na końcach której wtopione są dwie elektrody wolframowe. Do zaświecenia służy dodatkowa elektroda zapłonowa umieszczona w pobliżu elektrody pierwszej i połączona przez opornik zapłonowy z elektrodą drugą.
...
lukasz2g