POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w KIELCACH

Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki

Samodzielny Zakład Urządzeń Elektrycznych i TWN

Laboratorium Techniki Świetlnej

Instrukcja laboratoryjna

Pomiary wielkości fotometrycznych lamp

fluorescencyjnych z wykorzystaniem walca

fotometrycznego

2

Spis treści

1. Cel instrukcji 3

2. Wprowadzenie teoretyczne 3

2.1. Podstawowe wielkości fotometryczne 5
2.2. Bryła fotometryczna i krzywa światłości 10
2.3. Pomiary strumienia świetlnego za pomocą fotometru kulistego 12
2.4. Budowa i zasada działania świetlówki 14

2.5. Fotoogniwo selenowe 18

3. Stanowisko laboratoryjne 20
4. Pomiary 23

4.1. Pomiar strumienia świetlnego i parametrów elektrycznych 23

4.1.1. Przebieg pomiarów 23

4.2. Pomiary czasu zapłonu świetlówki 24

4.2.1. Przebieg pomiarów 24

5. Uwagi BHP 26
6. Literatura 27

3

1. Cel instrukcji

Instrukcja ma na celu przybliżenie podstawowych wiadomości o technice

świetlnej a w szczególności fotometrii oraz zapoznanie wykonujących ćwiczenie

z metodą badań parametrów elektrycznych i strumienia świetlnego świetlówek
za pomocą fotometru walcowego .

2. Wprowadzenie teoretyczne

Technika świetlna jest dziedziną obejmującą oparte na teorii naukowej

sposoby : wytwarzania , formowania rozsyłu , mierzenia i stosowania światła , w celu
uwidocznienia przedmiotów i ich otoczenia .

Podstawowe działy techniki świetlnej są dość zróżnicowane i w praktyce

ulegają dalszemu podziałowi . Można do nich zaliczyć : źródła światła , oprawy
oświetleniowe , fotometrię i technikę oświetlania .

W problematyce elektrycznych źródeł światła dominują zagadnienia

technologiczno konstrukcyjne . Dotyczą one zarówno wytwarzania samych źródeł

jak i osprzętu pomocniczego . Występują również zagadnienia dotyczące

eksploatacyjnych cech źródeł światła i prawidłowych warunków ich działania .

W zakres fotometrii wchodzą pomiary światła , na podstawie których

określa się wartości podstawowych wielkości i wskaźników charakteryzujących
źródła i oprawy oraz efekty związane z ich zastosowaniem .

Technika świetlna należy do dość specyficznych dziedzin . Podstawą tej

odrębności jest fakt , że naczelnym kryterium jest sposób reagowania człowieka
na światło . Wynika stąd stosowanie specyficznego układu wielkości i jednostek
związanych z dziedziną, czyli odrębny język techniki świetlnej . Określenie tych

wielkości jest oparte na zmiennej czułości reagowania człowieka na bodźce

świetlne .

W celu scharakteryzowania promieniowania monochromatycznego

ze względu na jego skuteczność w wywoływaniu wrażeń wzrokowych
wprowadzono pojęcie skuteczności świetlnej widmowej względnej promieniowania
monochromatycznego.

Skuteczność świetlna widmowa względna promieniowania

monochromatycznego o długości fali X jest to stosunek mocy promieniowania
o odniesieniowej długości fali do mocy promieniowania o długości fali X .

Przy czym moce tych dwóch promieniowań zostały tak dobrane ,

że w określonych warunkach wywołują równe co do wielkości wrażenia świetlne .
Odniesieniowa długość fali jest tak dobrana , że największa wartość stosunku
mocy tych dwóch promieniowań wynosi 1 .

Wyznaczanie skuteczności świetlnej widmowej względnej zostało

wyodrębnione dla dwóch granicznych przypadków, charakterystycznych dla dwóch

4

krańcowych stanów przystosowania się narządu wzroku do poziomu
promieniowania .

- jako jeden z krańcowych przypadków przyjęto warunki występowania

dużego poziomu promieniowania , czyli pełnego przystosowania oka do tzw.

jasności. Zachodzi tu tzw. widzenie fotopowe . Dla takich warunków skuteczność

świetlną widmową względną promieniowania monochromatycznego o długości fali
X przyjęto oznaczać symbolem V( X ).

- jako drugi z krańcowych przypadków przyjęto warunki występowania

małego poziomu promieniowania , a zatem pełnego przystosowania oka do tzw.
ciemności . W warunkach takich zachodzi tzw. widzenie skotopowe . Dla takiego
przypadku skuteczność świetlną widmową względną promieniowania
monochromatycznego o długości fali X przyjęto oznaczać symbolem V'(A,).
Na Rys. 2.1. przedstawiono krzywe skuteczności świetlnej widmowej względnej
dla obu rodzajów widzenia .

Rys. 2.1. Krzywe skuteczności świetlnej widmowej względnej przy widzeniu fotopowym

(V(X)) i skotopowym (V'(/,) )

W celu wprowadzenia wielkości fotometrycznych, stanowiących odpowiedniki

wielkości energetycznych przyjęto pojęcie normalnego obserwatora
fotometrycznego CIE .

Normalny obserwator fotometryczny CIE został określony jako odbiornik

promieniowania , którego krzywa względnej skuteczności świetlnej widmowej jest

zgodna z krzywą V(A.) lub z krzywą V(X) . Za odbiornik taki uważa się oko

5

o uśrednionych ( przeciętnych ) właściwościach lub jego sztuczny odpowiednik
(np. ogniwo fotoelektryczne odpowiednio skorygowane) używany w fotometrii.

2.1. Podstawowe wielkości fotometryczne

Ocenianie promieniowania za pomocą normalnego obserwatora

fotometrycznego CIE daje podstawę określania podstawowych wielkości
fotometrycznych takich jak:

- strumień świetlny,
- światłość,
- natężenie oświetlenia ,
- luminancja .

Wymienione wyżej wielkości fotometryczne odnoszą się do widzenia fotopowego

(są związane z krzywą V(X)) . Gdy mają się odnosić do widzenia skotopowego
(związane z krzywą V(k) ) to nazwy tych wielkości są uzupełniane terminem
" skotopowy".

Strumień świetlny jest wielkością wyprowadzoną z mocy promieniowania

przez ocenienie promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego
CIE , charakteryzującego się krzywą V(A.).

Przy promieniowaniu monochromatycznym na długości X , o mocy

P^ można przyjąć , że wyrażenie jest miarą mocy promieniowania P^ ,
ocenionego według zdolności wywoływania wrażeń wzrokowych
Wielkość proporcjonalną do tej miary nazywamy strumieniem świetlnym przy
długości M<I>?J .

0

^ = K

m

P

x

V

x

[Im], (2.1.)

K

m

= 683 Im/W. (2.2.)

Współczynnik proporcjonalności K

m

jest współczynnikiem przejścia z układu

jednostek energetycznych na układ jednostek fotometrycznych

Współczynnik K

m

dawniej nazywany był fotometrycznym równoważnikiem

promieniowania . Obecnie określany jest jako największa wartość skuteczności
świetlnej widmowej K^ .

Strumień świetlny można wyrazić wzorem wykorzystującym pojęcie K^ :

*>7, =

K*Pjt [

|m

] • (

2

-

3

-)

K^ = K

m

V^

(2.4.)

Wartość K

m

wynika z określeń dotyczących promieniowania ciała

czarnego , przy pewnych założeniach związanych z warunkami temperaturowymi
promieniowania i wartości światłości tego promieniowania .

Strumień świetlny jest związany z mocą promieniowania zależnością

przyjętą przez CIE w 1948r. :

dP

0 = , (2.5.)

QX

gdzie:

dP moc promieniowania zawartego między X i 1+dA.,

d?i

V(X) - względna skuteczność świetlna widmowa dla promieniowania
na długości fali X, w warunkach widzenia fotopowego,
K

m

- największa wartość skuteczności świetlnej widmowej.

Strumień świetlny jest zatem mocą promieniowania ocenioną według

zdolności wywoływania wrażeń wzrokowych , w warunkach widzenia fotopowego .

Przy promieniowaniu złożonym strumień świetlny O danego promieniowania

jest sumą strumieni świetlnych dla poszczególnych długości fal X :

X=760

d>= . (2.6.)

X=380

Rozchodzenie się strumienia świetlnego w przestrzeni można

scharakteryzować stosunkiem elementarnego strumienia dO zawartego
w elementarnym kącie bryłowym dco do miary tegoż kąta . Stosunek taki

nazywamy światłością . Światłość jest wielkością kierunkową , związaną

z kierunkiem objętym przez dany elementarny kąt bryłowy . Operujemy więc

pojęciem światłości ( l

a

) w określonym kierunku a wyznaczonym danym kątem

7

Rys. 2.2. Światłość w danym kierunku jest gęstością strumienia świetlnego w kącie

przestrzennym obejmującym ten kierunek

Światłość ( w danym kierunku ) jest to więc gęstość kątowa strumienia

świetlnego . Charakteryzuje ona rozsył strumienia świetlnego w przestrzeni
(Rys. 2.2.).

Jednostką światłości jest kandelach ( cd ).

Pojęcie światłości dotyczy teoretycznych , punktowych źródeł światła ,

w rzeczywistości źródła światła mają skończone wymiary , które jednak mogą być

pominięte w porównaniu z odpowiednią odległością, z jakiej są one rozpatrywane

Przyjmuje się założenie , że źródła muszą być rozpatrywane z odległości
stanowiącej co najmniej pięciokrotną wielkość największego wymiaru źródła .

Stopień oświetlenia powierzchni przez padający na nią strumień zależy

od jej wielkości. Do scharakteryzowania oświetlenia powierzchni przyjęto wielkość
natężenia oświetlenia ( E ), której jednostką jest lux [lx].

Natężenie oświetlenia w punkcie A powierzchni E^ jest to stosunek

strumienia świetlnego AO padającego na elementarne pole AS powierzchni
zawierającej ten punkt do tego pola :

AO

8

Średnie natężenie oświetlenia na danej powierzchni jest to stosunek strumienia
świetlnego O padającego na pole S danej powierzchni do tegoż pola :

O

Natężenie oświetlenia jest więc gęstością powierzchniową strumienia

świetlnego na oświetlonej powierzchni ( Rys. 2.3. ).

powierzchni, na którą pada

Jaskrawość to zjawisko charakteryzujące się tym , że powierzchnia

( oświetlona lub świecąca samoistnie ) wydaje się wysyłać mniej lub więcej
światła w porównaniu z innym elementami . Intensywność wrażenia świetlnego jest

większa , gdy większa jest jaskrawość , z tego powodu jest ona traktowana jako

odpowiednik miary intensywności wrażenia świetlnego . Wzrost wrażenia
świetlnego jest spowodowany wzrostem szybkości reakcji fotochemicznych

9

w siatkówce oka , o którym decyduje poziom natężenia oświetlenia na siatkówce .

Poziom natężenia oświetlenia na siatkówce przyjmuje się za podstawę określenia

wielkości fotometrycznej , której odpowiednikiem psychosensorycznym jest

jaskrawość. Tą wielkość fotometryczną nazywa się luminancją.

Natężenie oświetlenia na siatkówce można opisać wzorem :

Es = — ~ — . (2.10.)

Scosa Lr

gdzie :

l

a

- światłość źródła w kierunku oka (pod kątem a w stosunku do

normalnej do powierzchni świecącej),

S - pole powierzchni świecącej,
q - pold źrenicy (otworu w tęczówce oka przez który wpada

światło),

i - współczynnik przepuszczania układu optycznego oka ,

L - głębokość oka (odległość siatkówki od środka układu

optycznego oka).

OT

Człon -77- umownie przyjmuje się jako stały współczynnik . W takim przypadku

L

2

można określić luminancję L

a

w określonym kierunku , w punkcie źródła światła

jako :

• (2-11.)

Scosa

Jednostką luminancji jest kandela na metr kwadratowy [cd/m

2

] zwana nitem [nt].

Luminancję w określonym kierunku , w punkcie powierzchni definiuje się

jako stosunek światłości pola elementarnego otaczającego ten punkt do rzutu

prostokątnego tego pola na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku .
Luminancja określona jest więc światłością przypadającą na jednostkę pola
odpowiedniego rzutu powierzchni świecącej.

Luminancja jest umowną miarą natężenia oświetlenia na siatkówce , oddaje

tylko w przybliżeniu jaskrawość.

10

2.2. Bryła fotometryczna i krzywa światłości

Rozchodzenie się strumienia świetlnego w przestrzeni otaczającej źródło

światła jest scharakteryzowane przez światłość , której rozsył przestrzenny można
przedstawić w postaci pęku wektorów wychodzących ze środka źródła w różnych
kierunkach . Wektory światłości tworzą bryłę fotometryczną wokół danego źródła .

Bryła fotometryczna jest to miejsce geometryczne końców wektorów

o wspólnym początku i długości proporcjonalnej do światłości źródła w danym
kierunku . W szczególnym przypadku bryła ta może być kulą. W zdecydowanej

większości przypadków bryły fotometryczne rzeczywistych źródeł światła odbiegają
od kształtu kulistego . Na Rys. 2.4. pokazano bryłę fotometryczną żarówki .

180° 150*

0" 30'

Rys. 2.4. Bryła fotometryczna żarówki

Gdy bryłę fotometryczną przetniemy dowolną pionową płaszczyzną to na

tej płaszczyźnie zostanie ślad bryły tworzący tzw. krzywą światłości .

Krzywą światłości nazywamy krzywą ( określaną najczęściej

we współrzędnych biegunowych ) przedstawiającą światłość w płaszczyźnie

przechodzącej przez źródło światła w funkcji kąta liczonego od przyjętego
kierunku . Zwykle przyjmuje się pionowy kierunek osi, przy którym kąty są liczone

od półosi skierowanej ku dołowi ( przykład krzywej światłości pokazano na

Rys. 2.5.).
Rozsyły światłości źródeł światła możemy podzielić na obrotowo - symetryczne
i niesymetryczne .

Obrotowo - symetryczny rozsył światłości to taki , przy którym bryła

fotometryczna powstaje z obrotu biegunowej krzywej światłości dookoła osi

w

w

11

leżącej w odnośnej płaszczyźnie południkowej . Gdy bryła fotometryczna nie

* mająca symetrii obrotowej jest symetryczna względem co najmniej jednej

płaszczyzny używa się terminu symetryczny rozsył światłości.

W

r

r

r

r

r

r

r

Rys. 2.5. Krzywa rozsyłu światłości we współrzędnych biegunowych

Niesymetryczny rozsył światłości to rozsył , który nie ma płaszczyzny

symetrii.

Bryła obrotowo-symetryczna może być przedstawiona na płaszczyźnie jako
połowa biegunowego wykresu światłości w zakresie kątów od 0° do 180° .
Pokazano to na przykładzie bryły fotometrycznej żarówki na Rys. 2.4.

Symetryczną bryłę fotometryczną posiada świetlówka ( Rys. 2.6.) . Bryła ta

ma dwie płaszczyzny symetrii wzajemnie prostopadłe : podłużną , zawierającą oś
podłużną lampy oraz poprzeczną.

12

płaszczyzno podłużna

-EZEEE

płaszczyzna poprzeczna

Rys. 2.6.

Bryła fotometryczna i krzywe światłości świetlówki

W płaszczyźnie podłużnej krzywa światłości jest zbudowana z dwóch stycznych
okręgów o średnicy równej maksymalnej światłości l

m a x

. W płaszczyźnie

poprzecznej krzywa światłości jest okręgiem o promieniu równym l

m a x

.

W celu wzajemnego porównania krzywych światłości różnych źródeł światła

przelicza się te krzywe na strumień świetlny źródła światła 1000 Im .
W przypadku oprawy oświetleniowej wymóg ten dotyczy źródła światła

zastosowanego w oprawie .

Rzeczywistą wartość światłości l'

a

p w danym kierunku cc i danej płaszczyźnie p

wyznacza się przeliczając dane z wykresu wg. wzoru :

<D

0

l ct

P

=

'

a

P 1000 '

(2.12.)

gdzie :

O

0

- rzeczywisty strumień świetlny danego źródła

2.3. Pomiary strumienia świetlnego za pomocą fotometru kulistego

Wyznaczanie strumienia świetlnego z rozkładu światłości jest stosunkowo

długotrwałe i wykonywane przeważnie wtedy gdy oprócz strumienia świetlnego
potrzebny jest również przestrzenny rozsył światła . W przypadku pomiarów
seryjnych lub przemysłowych wygodniejsza jest metoda bezpośrednia .
Do bezpośrednich pomiarów najlepiej nadaje się metoda pomiaru za pomocą

fotometru kulistego ( kuli Ulbńchta ).

Źródło światła świecące w pomalowanej na biało kuli Ulbrichta wywołuje

na ścianach natężenie oświetlenia , które jest suma dwu składowych :
bezpośredniej, wywołanej przez światło wypromieniowane bezpośrednio ze źródła ,

13

i pośredniej wywołanej światłem jedno- lub wielokrotnie odbitym od ściany kuli .
Pośrednie natężenie oświetlenia E przy spełnieniu określonych wymagań jest we

wszystkich miejscach ściany wewnętrznej kuli stałe i proporcjonalne
do całkowitego strumienia O źródła . Pomiędzy E i O istnieje zależność:

O o

E = = - 7 ^ - , (2-13.)

2 1

gdzie :

47cr

r - promień kuli ,
p - współczynnik odbicia jej wewnętrznej powłoki .

Przy utrzymaniu stałych parametrów kuli otrzymamy :

E = kd>, (2.14.)

gdzie:

k - współczynnik kuli .

Przy pomiarze strumienia świetlnego dokonywanym metodą podstawiania

zawiesza się w tym samym miejscu kolejno źródło światła mierzone o szukanym
strumieniu O

x

, a następnie źródło wzorcowe o znanym strumieniu O^ . Wywołują

one w oknie pomiarowym natężenie oświetlenia :

i En = (2.15.)

4 7 i r

1

" P 47tr ' ~ P

Stąd dla szukanego strumienia otrzymujemy zależność :

3>x = < £ N ~ (2.16.)

E

N

Wartości bezwzględne natężenia oświetlenia E

x

i E|\| nie muszą być znane ,

znany musi być tylko ich stosunek . W stosowanych metodach pomiarowych
fizycznych wystarcza wyznaczyć prądy fotoelektryczne proporcjonalne
do natężenia oświetlenia .

U podstaw teorii fotometru kulistego leżą założenia :

- wnętrze ma kształt kuli ,
- w kuli nie ma żadnych przedmiotów wpływających na

rozchodzenie się światła ,

14

-wewnętrzna powierzchnia kuli odbija całkowicie rozpraszająco

i we wszystkich miejscach jednakowo ,

- powłoka wewnętrzna kuli jest aselektywna , tzn. jej możliwości

odbicia są niezależne od długości fal światła .

Gdy trzy pierwsze warunki są spełnione , to pośrednie natężenie

oświetlenia na wewnętrznej ścianie kuli jest wszędzie równe i niezależne od
przestrzennego rozsyłu światła , oraz od miejsca zawieszenia mierzonej lampy

w kuli . W rzeczywistości wymagania stawiane dla fotometru kulistego nie mogą
zostać spełnione .

Przy metodzie podstawiania błędy pomiaru i wzorcowania mają w przybliżeniu

jednakową wartość i przy utworzeniu ilorazu redukują się w znacznym stopniu .

Błędy wywierają tym mniejszy wpływ , im mniej różnią się od siebie wymiary

źródeł światła oraz ich przestrzenne i widmowe rozkłady promieniowania .

Uwzględniając pewne przepisy pomiarowe można stosować do pomiarów

strumienia świetlnego także powierzchnie wewnętrzne odbiegające kształtem
od kuli . Odnosi się to do przypadków , w których porównuje się ze sobą źródła
światła o jednakowym lub podobnym przestrzennym rozsyle światła .

2.4. Budowa i zasada działania świetlówki

W świetlówce elementem wytwarzającym światło jest warstwa luminoforu

pobudzana do świecenia nadfioletowym promieniowaniem rezonansowym
powstającym w wyładowaniu w parach rtęci o niskim ciśnieniu .

W wykonaniu standardowym świetlówki mają kształt rur szklanych o różnych
średnicach i długościach , zakończonych z obu stron trzonkami dwukołkowymi

( Rys. 2.7. ) . Warstwa luminoforu znajduje się na wewnętrznej powierzchni rury .

Wykonane z drutu wolframowego (w postaci skrętki) elektrody lampy są pokryte
emiterem tlenkowym ułatwiającym zapłon . W rurze znajduje się określona ilość

par rtęci oraz neutralny gaz pomocniczy ( argon , mieszanina argonu i neonu )
o ciśnieniu 2,5 - 5 hPa .

15

Rys. 2.7. Budowa świetlówki .

1 - kołki stykowe , 2 - elektroda , 3 - rtęć , 4 - rura szklane pokryta luminoforem ,

5 - wypełnienie gazowe , 6 - trzonek

Gaz pomocniczy odgrywa bardzo ważną rolę w procesie zapoczątkowania

wyładowania i jonizacji pary rtęci.

Warunki wyładowania w świetlówkach , takie jak gęstość prądu , temperatura

robocza , ciśnienie par rtęci i gazu pomocniczego oraz wymiary geometryczne
lampy , są dobierane dla optymalnych warunków wytwarzania promieniowania
rezonansowego rtęci o długości fal głównie 185,0 nm i 253,7 nm . Zapewnia to
największą skuteczność świetlną r\ świetlówki dla warunków w jakich przychodzi

jej pracować . Promieniowanie rezonansowe jest zamieniane przez luminofor

na promieniowanie widzialne o długościach fal w zakresie około 400 4- 700 nm .

Świetlówki możemy podzielić na świetlówki:
- o zimnej katodzie - w których światło jest wytwarzane przez zorzę

dodatnią wyładowania świecącego (wysokonapięciowe rury

jarzeniowe).

- o gorącej katodzie - w których światło jest wytwarzane przez zorzę

dodatnią wyładowania łukowego .

Świetlówki o gorącej katodzie możemy podzielić na lampy :

- o zapłonie zimnym (zaświecają się bez wcześniejszego

podgrzewania elektrod)

- o zapłonie gorącym (zaświecają się po podgrzaniu elektrod).

Największe zastosowanie znalazły świetlówki o zapłonie gorącym .

Świetlówka posiada nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową

( Rys. 2.8. ) , wymagającą zastosowania szeregowo dołączonych elementów
ograniczających prąd . Elementy takie nazywamy stabilizatorami lub statecznikami.

16

Ul

UtN

i ^

1

1

l

i

I

IN

Rys. 2.8. Charakterystyka napięciowo - prądowa lampy wyładowczej

Do stabilizacji wyładowania w lampie może zostać zastosowany statecznik

reżystancyjny, pojemnościowy lub indukcyjny . Pierwsze dwa typy stateczników nie
są stosowane z powodu zbyt dużych strat mocy lub wprowadzania zniekształceń
prądu wpływających na trwałość lampy . Najszersze zastosowanie znalazł
statecznik indukcyjny ( dławik z rdzeniem żelaznym ) , którego punkt pracy

znajduje się na prostolinijnej części charakterystyki magnesowania . Włączenie
świetlówki pod napięcie zasilające bez użycia statecznika powoduje

jej uszkodzenie.

Aby zaświecić świetlówkę należy użyć dodatkowego urządzenia zwanego

zapłonnikiem . Zapłonnik jest włączany równolegle do elektrod lampy . Najbardziej

rozpowszechnione są zapłonniki termiczne , wykonane w postaci lampki tlącej
(Rys. 2.9.).

17

Rys. 2.9. Zapłonnik termiczny .

1 - kondensator przeciwzakłóceniowy , 2 - styk , 3 - pasek bimetalowy ,

4 - bańka szklana napełniona neonem

Jedna z elektrod zapłonnika wykonana jest w postaci paska bimetalowego .
Wpięty równolegle do elektrod zapłonnika kondensator służy głównie do tłumienia
zakłóceń radioelektrycznych .

Napięcie sieci jest zbyt małe aby zapoczątkować wyładowania w lampie .

W stanie beznapięciowym elektrody zapłonnika są rozwarte , po załączeniu

napięcia między elektrodami zapłonnika powstaje wyładowanie świetlące .
Pod wpływem wytworzonego ciepła elektroda bimetalowa wygina się powodując

zwarcie z drugą elektrodą. Przez elektrody świetlówki przepływa wtedy prąd

podgrzewania wstępnego wymuszając termiczną emisję elektronów . Od wartości

tego prądu zależy napięcie zapłonu świetlówki . Stygnąca elektroda bimetalowa

powoduje rozwarcie obwodu indukując w dławiku siłę elektromotoryczną ( SEM )
o amplitudzie około 1 kV . W takich warunkach możliwy jest zapłon lampy .

W przypadku niezaświecenia się świetlówki cykl zapłonowy jest powtarzany

aż do skutku . Po zaświeceniu się lampy elektrody zapłonnika pozostają rozwarte
ponieważ spadek napięcia na świetlówce jest mniejszy od napięcia zapłonu

wyładowania świetlącego zapłonnika .

Układy świetlówek z tradycyjnymi zapłonnikami pomimo swojej prostoty

posiadają wiele wad ograniczających obszary ich zastosowań . Wstępne
podgrzewanie elektrod lamp opóźnia moment zapłonu i wpływa na obniżenie
ich trwałości użytkowej. Poza tym zapłonnik termiczny jest elementem najczęściej
ulegającym uszkodzeniom i zużyciu .

18

Od kilku lat coraz powszechniejsze zastosowanie znajdują tzw. układy

bezzapłonnikowe świetlówek . W układach tych poprzez wprowadzenie elementów

elektronicznych zmniejszono lub wyeliminowano braki układu zapłonnikowego .

Układy bezzapłonnikowe pozwalają na prawie natychmiastowe zapalenie

świetlówki po załączeniu napięcia .

Świetlówki o zapłonie bezzwłocznym mają elektrody o zmniejszonym oporze

oraz wymagają odpowiedniego zbliżenia do uziemionej metalowej części oprawy
lub naniesienia na rurę przewodzącej i uziemionej wstęgi zapłonowej.

Występuje bardzo duża różnorodność wykonań układów bezzapłonnikowych .

2.5. Fotoogniwo selenowe

Fotoogniwa znalazły szerokie zastosowanie w fotometrycznej praktyce

pomiarowej dzięki prostocie ich obsługi . Najczęściej używane są fotoogniwa
z warstwami selenowymi . Składają się one przeważnie z podłoża najczęściej
metalicznego o grubości około 1 mm , na które naniesiona jest warstwa
półprzewodząca krystalicznego selenu o grubości nie większej niż 0,1 mm .
Na niej znajduje się bardzo cienka warstwa pośrednia , zaporowa o grubości
kilku mikrometrów , oraz elektroda przykrywająca ( Rys. 2.10 ).

Rys. 2.10. Budowa fotoogniwa selenowego

1 - listwa stykowa (styk ujemny) , 2 - elektroda przykrywająca ,

3 - warstwa zaporowa , 4 - warstwa selenowa , 5 - podłoże

Elektroda przykrywająca musi dobrze przepuszczać światło i mieć wystarczającą
przewodność elektryczna , wykonana jest najczęściej z metalu ( np. platyny )
lub półprzewodnika ( np. tlenek kadmu ) , a na krawędzi jest wzmacniana

19

metaliczną warstwą stykową . Powierzchnia elektrody zabezpieczona jest
od uszkodzeń lakierem bezbarwnym .

Światło padające przenika warstwę przykrywającą i zostaje pochłonięte

w następnych warstwach . Każdy kwant światła posiadający dostateczną energię

uwalnia jeden elektron z wiązania w siatce krystalicznej . W fotoogniwie

występuje w strefie przygranicznej tych warstw występuje pole elektryczne ,

uwarunkowane fizyczno-chemiczną naturą selenu i warstwy zaporowej ,
które kieruje elektrony do warstwy przykrywającej, a dziury do podłoża . Pomiędzy

elektrodą przykrywającą , a podłożem powstaje siła fotoelektryczna . Podłoże

wykazuje potencjał dodatni, a elektroda ujemny . Gdy połączymy ze sobą podłoże

i elektrodę przykrywającą to w obwodzie popłynie prąd zależny od rezystancji

w obwodzie prądowym i natężenia naświetlenia .

20

3. Stanowisko laboratoryjne

Rys. 3.1.

Stanowisko laboratoryjne
1 - walec pomiarowy , 2 - klapa do wkładania źródeł światła , 3 - pulpit sterowniczy

4 - uchwyty do świetlówki, 5 - fotoogniwo

21

Rys. 3.2. Pulpit sterowniczy

1 - rezystor szeregowy , 2 - rezystor równoległy , 3 - tabliczka zaciskowa ,

4 - przełącznik typu świetlówki, 5 - mikroamperomierz , 6 - pokrętło

autotransformatora , 7 - bezpieczniki , 8 - przełącznik 220 V , 9 - przełącznik 6 V ,
10 - przełącznik " lampa badana " , 11 - przełącznik amperomierza ,

12 - przełącznik cewki prądowej watomierza , 13 - przełącznik cewki napięciowej

watomierza , 14 - przełącznik woltomierza , 15 - zapłonnik , 16 - przełącznik
zapłonnika , 17 - gniazdo BNC , 18 - woltomierz napięcia zasilania , 19 - watomierz ,

20 - miliamperomierz , 21 - woltomierz napięcia na lampie , 22 - galwanometr

22

Rys. 3.3. Schemat elektryczny układu pomiarowego

Rys. 3.4. Schemat układu do wykrywania momentu pełnego zaświecenia świetlówki

23

4. Pomiary

4.1. Pomiar strumienia świetlnego i parametrów elektrycznych

Pomiarom podlegają następujące wielości:

- napięcie zasilania,
- moc pobierana przez układ ,
- prąd płynący w układzie ,
- napięcie na lampie badanej,

- wartość strumienia świetlnego badanej lampy .

Układ dopasowujący fotoogniwa należy ustawić:

- rezystor szeregowy -1111111 Q ( maksymalna wartość rezystancji),
- rezystor równoległy - 2111 Q .

Dla takiego ustawienia wartości parametrów wzorca grupowego wynoszą :

Tabela nr 1

Typ wzorca

U

I

P

L

O

n

—

V

mA

W

dz.

Im

20 W

58,1

346,8

17,7

111,2

962,3

40 W

101,6

439,6

38,8

124,9

2348

4.1.1. Przebieg pomiarów

1. Na autotransformatorze ustawić napięcie 0 V .

2. Włączyć stabilizator napięcia i odczekać kilka minut aby się nagrzał.

3. Ustawić przełącznik " sieć 220 V" w pozycji 220 V .

4. Ustawić przełącznik " 6 V" w pozycji 6 V .
5. Sprawdzić wykalibrowanie mierników zwracając szczególna uwagę

galwanometr.

6. Przełącznik typu świetlówki ustawić w odpowiedniej pozycji.
7. Sprawdzić typ i moc zapłonnika .
8. Sprawdzić zakresy mierników .
9. Włożyć lampę badaną w oprawki walca .

10. Autotransformatorem ustawić napięcie zasilania tak aby watomierz

wskazywał wartość mocy wzorca grupowego dla danego typu lampy

podanych w tabeli nr 1 .

11. Przełącznik " lampa badania " ustawić w pozycji lampa badania .
12. Odczekać okres około 15 min. aby ustabilizowały się parametry lampy.

24

13. Odczytać wartości wskazywane przez mierniki włączając je pojedynczo

do obwodu za pomocą przełączników.

14. Odczytać wskazanie galwanometru .
15. Przełącznikiem "lampa badania" odłączyć zasilanie układu lampy.
16. Wyniki umieścić w tabeli (wg. wzoru tabela n r 2 ) .

Tabela nr 2

Typ lampy

Typ

oprawy

U

I

P

L

—

—

V

mA

W

dz.

Im

Wartość strumienia świetlnego lampy badanej obliczyć korzystając ze wzoru :

®x = ®Np- (4.1.)

N

gdzie:

O

x

- strumień lampy badanej,

O

n

- strumień wzorca grupowego (tabela nr 1 ),

L

x

- wychylenie wskazówki galwanometru (w działkach ) przy

fotometrowaniu lampy badanej,

L

N

- wychylenie wskazówki galwanometru dla wzorca grupowego podane

w tabeli nr 1 .

Warunki jakim muszą odpowiadać świetlówki zgodnie z tabelami 2 i 3

PN-69/E-85001 .

4.2. Pomiary czasu zapłonu świetlówki

Pomiarowi podlega czas od chwili podania napięcia do układu świetlówki

do momentu jej pełnego zaświecenia . Według PN-69/E-85001 nie powinien on
być dłuższy niż 1 minuta .

4.2.1. Przebieg pomiarów

1. Na autotransformatorze ustawić napięcie 0 V .

2. Włączyć stabilizator napięcia i odczekać kilka minut aby się nagrzał.

3. Podłączyć zegar do zacisków " ZEGAR " tabliczki zaciskowej.
3. Ustawić przełącznik " sieć 220 V" w pozycji 220 V .

1

25

4. Ustawić przełącznik " 6 V " w pozycji 6 V .
6. Przełącznik typu świetlówki ustawić w odpowiedniej pozycji .
7. Sprawdzić typ i moc zapłonnika .
9. Włożyć lampę badaną w oprawki walca .

10. Autotransformatorem ustawić napięcie zasilania 220 V lub 180V.
11. Przełącznik "lampa badania" ustawić w pozycji lampa badania.
12. Po zatrzymaniu się zegara odczytać z wyświetlacza czas zapłonu .

13. Wyresetować zegar przyciskiem " CLR" na obudowie zegara.
14. W zależności od zaleceń prowadzącego wymienić świetlówkę

lub zapłonnik .

15. Powtórzyć badania zaczynając od punktu 6.
16. Wyniki umieścić w tabeli (wg. wzoru tabela n r 3 ) .

Tabela nr 3

Czas [s]

Typ

\ lampy

Typ
zapłonnika

26

5. Uwagi BHP

Podczas wykonywania badań na stanowisku laboratoryjnym należy

zachować szczególną ostrożność ponieważ :

- stanowisko wykonane jest z blachy stalowej i istnieje możliwość

pojawienia się na obudowie napięcia ,

-na tabliczce zaciskowej znajdują się zaciski" STATECZNIK" służące

do wpięcia statecznika badanego innego typu . W trakcie badań znajdują
się one pod napięciem ,

- istnieje możliwość oparzenia dłoni przez rozgrzana lampę podczas jej

wyjmowania ,

- możliwe jest skaleczenie dłoni na skutek pęknięcia lampy podczas jej

wkładania lub wyjmowania .

27

6. Literatura

1. Banach M. : Podstawy techniki oświetlania .

PWN , Warszawa 1982 .

2. Bąk J. , Pabjańczyk W. : Podstawy techniki świetlnej.

Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 1994.

3. Bąk J. : Technika oświetlania .

PWN , Warszawa 1981 .

4. Helbig E. : Podstawy fotometrii.

WNT, Warszawa 1975.

5. Kamler J. : Fotometria i kolorymetria ekranów luminescencyjnych.

WNT, Warszawa 1963.

6. PN-69/E-85001 : Lampy fluorescencyjne (świetlówki) do ogólnych

celów oświetleniowych .

7. PN-89/E-04040 : Pomiary fotometryczne .
8. PN-93/E-93440 : Stateczniki do świetlówek .
9. PN-93/E-93450 : Zapłonniki do świetlówek .