Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki	Wydział Metali Nieżelaznych Metalurgia, rok II R.A. 2014/2015, semestr zimowy	Skład zespołu: Mateusz Hodorowicz Mateusz Hajduga Marta Ficner Sebastian Faliszewski Jakub Gontarczyk Rafał Góra	Nr ćw.: 3
Laboratorium – Elektronika i elektrotechnika
Temat ćwiczenia: Badanie wybranych źródeł światła	Data wykonania ćwiczenia: 14.11.2014	Data oddania sprawozdania: 28.11.2014	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny:

Elektryczne źródła światła :

1. Żarówka - elektryczne źródło światła, w którym ciałem świecącym jest rozżarzony na skutek przepływu prądu, zazwyczaj do temperatury ok. 2500-3000 K drut z trudno topliwego materiału (pierwotnie grafit, obecnie wolfram) umieszczony w bańce szklanej wypełnionej mieszaniną gazów szlachetnych (np. argon z 10% domieszką azotu). Widmo światła emitowanego przez żarówkę jest ciągłe, a maksimum natężenia przesunięte w stronę czerwieni względem światła słonecznego. Sprawność żarówki wynosi ok. 4%.

Budowa żarówki:

1. bańka, b) żarnik, c) elektroda, d) główka, e) krążek, f) słupek, g) nóżka, h) trzonek gwintowany, i) szyjka, j) guzik

2. Świetlówka

Budowa świetlówki:

Świetlówka składa się z rury szklanej, w której występują wyładowania elektryczne pomiędzy dwiema elektrodami pokrytymi warstwą aktywną. Wnętrze rury wypełnia argon i pary rtęci pod niskim ciśnieniem.

Przy wyładowaniu elektrycznym powstaje w rurze słabe promieniowane widzialne i silne promieniowanie ultrafioletowe, niewidzialne. Powierzchnia wewnętrzna rury pokryta jest mieszaniną odpowiednio dobranych substancji chemicznych wykazujących właściwości fluoroscencyjne, tworzącą warstwę zwaną luminoforem. Pod wpływem padającego na luminofor niewidzialnego promieniowania ultrafioletowego następuje świecenie luminoforu. Barwa światła zależy od składu chemicznego luminoforu.

Podczas pracy świetlówki wymagają współdziałania dodatkowych urządzeń.

W obwodzie świetlówki musi być umieszczony stabilizator prądu. Rolę stabilizatora prądu dla świetlówek zasilanych napięciem przemiennym pełni zwykle dławik, tzn. cewka nawinięta na rdzeniu z blach ze stali krzemowej.

Zadaniem dławika jest ograniczenie prądu płynącego przez świetlówkę. Świetlówki z podgrzewanymi katodami przy zaświeceniu współpracują ponadto z zapłonnikiem. Jest to urządzenie które zamyka obwód na krótką chwilę i ponownie go otwiera.

Zasada działania:

Schemat układu zasilania świetlówki z zapłonnikiem lampowym

D – dławik stabilizujący

Ck – kondensator do kompensacji mocy biernej

L - świetlówka

K1, K2 – katody; Z – zapłonnik

Działanie tego układu jest następujące: Po włączeniu napięcia przez obwód złożony z

dławika D, Katody K1, zapłonnika oraz katody K2 płynie bardzo mały prąd, gdyż zapłonnik przedstawia bardzo duży opór. Następuje jarzenie neonu zawartego w zapłonniku i jego nagrzewanie. Podgrzana blaszka bimetalowa wygina się i dotyka styku. Opór zapłonnika maleje praktycznie do zera. Przez obwód płynie duży prąd, ograniczony przez dławik i rezystancję katod K1 i K2, wywołując nagrzanie katod. Od momentu zamknięcia styku zapłonnika następuje chłodzenie blaszki bimetalowej, która po chwili powraca w położenie wyjściowe, przerywając przepływ prądu w obwodzie. Nagła zmiana prądu płynącego przez dławik powoduje powstanie w nim SEM samoindukcji o znacznej wartości

(kilkaset woltów). Siła elektromotoryczna samoindukcji, dodaje się do napięcia sieci i powoduje, że między katodami K1 i K2 panuje przez moment wysokie napięcie, które może wywołać wyładowania elektryczne w rurze.

Jeśli nie nastąpi zapłon świetlówki, cały proces przebiega ponownie tak samo, aż do zapalenia świetlówki. Po zapaleniu świetlówki między katodami utrzymuje się napięcie, które jest niższe od napięcia zapłonu zapłonnika. Gaz w zapłonniku nie jarzy się, blaszka bimetalowa pozostaje w położeniu wyjściowym i prąd płynie przez gaz w rurze.

W układzie zasilania świetlówki napięciem przemiennym umieszcza się zwykle kondensator służący do kompensacji mocy biernej pobieranej przez dławik. Dzięki temu następuje zwiększenie współczynnika mocy, i zmniejszenie prądu płynącego z sieci do układu świetlówki.

Skuteczność świetlna świetlówek jest znacznie wyższa niż żarówek.

Korzystną cechą świetlówek jest mała luminacja, co umożliwia stosowanie ich bez kloszy rozpraszających światło. Trwałość świetlówek wynosi 3000÷6000 h.

1. Lampa wyładowcza rtęciowa

Lampa rtęciowa jest lampą wyładowczą, w której światło powstaje w wyniku

wzbudzenia atomów rtęci. Ciśnienie cząstkowe par rtęci w ustalonych warunkach osiąga

wartość 10⁵ Pa. Lampa może mieć bańkę z powłoką luminoforową i wtedy światło jest

wytwarzane częściowo przez wyładowanie w parach rtęci, a częściowo przez warstwę

luminoforu wzbudzonego promieniowaniem nadfioletowym wyładowania.

Budowa lampy rtęciowej:

1 - bańka szklana pokryta luminoforem od wewnątrz, 2 - elektrody główne, 3 - rezystor zapłonowy, 4 - elektroda pomocnicza, 5 - jarznik kwarcowy, 6 - kropla rtęci. Dł - dławik, C - kondensator.

Zasada działania lampy rtęciowej

W pracy lampy rtęciowej wyróżnić można trzy zasadnicze etapy: zapłon, czas

rozświecania, tzn. dochodzenia do warunków znamionowych oraz stan pracy stabilnej,

w którym wszystkie parametry świetlne i energetyczne źródła pozostają stałe i niezmienne.

Załączenie napięcia powoduje powstanie szybko narastającego impulsu napięciowego

pomiędzy elektrodą główna i pomocnicza, oraz jonizację gazu w tym rejonie (wyładowanie

tlące). Wyładowanie tlące rozprzestrzenia się następnie na cały jarznik pod wpływem pola

elektrycznego, istniejącego pomiędzy dwiema elektrodami głównymi. Efektem tego jest

dalsze podgrzewanie w/w elektrod, aż do momentu, gdy emisja elektronów z elektrod jest już wystarczająca do zapoczątkowania łuku elektrycznego. Elektroda pomocnicza – dzięki

wysokiej wartości rezystancji, włączonej szeregowo z nią – przestaje tym samym odgrywać

role w dalszym procesie emisji promieniowania.

Jonizacja argonu, wypełniającego rurkę wyładowczą, zostaje zakończona, a rezultatem

powstania łuku elektrycznego jest gwałtowny wzrost temperatury wewnątrz jarznika, co

z kolei powoduje stopniowe parowanie rtęci. Wzrasta ciśnienie par rtęci, łuk elektryczny

zawęża się, a energia promieniowania koncentruje się w zakresie fal dłuższych – światło staje

się więc bardziej białe. Ostatecznie, stabilizacja łuku elektrycznego następuje przy ciśnieniu

par rtęci, zawartym w przedziale 2 × 10⁵ – 15 × 10⁵ Pa (2 - 15 atmosfer), a lampa uzyskuje

stan równowagi termodynamicznej. Czas rozświecania lampy wynosi ok. 4 minut.

1. Lampy rtęciowo – żarowe

Lampa rtęciowo – żarowa zwana taż lampą o świetle mieszanym zawiera w jednej

bańce szeregowo połączone jarznik rtęciowy i żarnik, ma zatem podobną budowę do

rtęciówek wysokoprężnych.

Budowa lamp rtęciowo-żarowych

Głównymi częściami składowymi lampy rtęciowo-żarowej są: jarznik, elektrody

(główna i pomocnicza), żarnik, bańka zewnętrzna, pokryta warstwą powłoki luminoforowej,

gaz, wypełniający jarznik i bańkę, getter, oraz trzonek.

Budowa lampy rtęciowo – żarowej

1 - doprowadniki prądu, 2, 6 – oporniki elektrod zapłonowych, 3, 8, elektrody zapłonowe, 4 – elektrody główne, 5 – jarznik, 7 – żarnik, 9 – podpórka żarnika, 10 – bańka ze szkła twardego, 11 - luminofor

W lampach rtęciowo – żarowych część strumienia świetlnego uzyskiwana jest

w następstwie wyładowania elektrycznego, które zachodzi w specjalnie skonstruowanej rurce wyładowczej, zwanej jarznikiem. Część promieniowania, pochodzącego z wyładowania

w gazie, mieści się w zakresie promieniowania widzialnego, natomiast pozostała część,

emitowana jako promieniowanie ultrafioletowe, przekształcana jest przez luminofor

w promieniowanie widzialne.

Jarznik – podobnie jak w przypadku lamp rtęciowych – wykonany jest ze szkła

kwarcowego, charakteryzującego się niska absorpcją promieniowania ultrafioletowego

i promieniowania widzialnego, oraz zdolnością do wytrzymywania bardzo wysokich

temperatur. Zawiera on niewielką ilość rtęci oraz gaz wypełniający, zazwyczaj argon,

ułatwiający zapłon lampy. Jarznik posiada kształt rurki, zatopionej z obu stron, do której

doprowadzone są elektrody, Elektrody główne składają się z wolframowego rdzenia, którego

koniec owinięty jest wykonaną z wolframu skrętką, pokrytą materiałem emisyjnym, Elektroda pomocnicza – molibdenowa lub wolframowa – jest kawałkiem drucika, umieszczonego blisko jednej z elektrod głównych i połączonego z drugą elektrodą za pośrednictwem 25 Ω rezystora (dzięki elektrodzie pomocniczej możliwe jest zapoczątkowanie wyładowania w gazie – odległość pomiędzy elektrodami głównymi jest bowiem zbyt wielka, by przyłożony impuls napięciowy mógł spowodować jego jonizację).

1. Cel ćwiczenia: celem ćwiczenia jest poznanie różnych źródeł światła, ich budowy, zasady działania i właściwości oraz układów połączeń podstawowych źródeł światła.

2. Przebieg ćwiczenia:

• Temat: Wyznaczenie skuteczności świetlnej niektórych źródeł światła

• Schemat:

			*
	A	*	W	lx
220	V

• Krótki opis wykonywanych pomiarów:

Po załączeniu układu na napięcie znamionowe źródła o znanym strumieniu Φ mierzymy natężenie oświetlenia E i obliczamy stały współczynnik skrzyni ze wzoru:

$$k = \frac{\Phi}{E} = \frac{800}{3960} = 0,202$$

Gdzie:

φ - wartość podana przez producenta żarówki LED 9 W dla U = 230 V,

E - wartość uzyskana na zajęciach dla żarówki LED 9 W dla U = 230 V.

W skrzyni umieszczamy różne źródła i dokonujemy pomiarów U, I, P, E a następnie obliczamy Φ, skuteczność świetlną C oraz cosΦ.

cosϕ obliczamy ze wzoru na pracę:

P = U × I × cos ϕ

z czego otrzymujemy:

$$cos\ \phi = \frac{P}{U \times I}$$

• Tabele wyników pomiarów i obliczeń

Żarówka z żarnikiem wolframowym 60 W R63
U [V]
20
41
60
81
101
230

Żarówka z żarnikiem wolframowym 100 W
U [V]
20
43
62
80
230

Żarówka LED 9 W
U [V]
120
140
160
180
200
230

Wnioski:

W obiegu jest wiele różnych rodzajów lamp. Wynika to z tego, że lampy mają różne właściwości, dlatego znajdują inne zastosowania. Przy wyborze żarówki powinniśmy się zastanowić nad tym, czego oczekujemy od żarówki. Gdy chcemy dzięki żarówce uzyskać ciepło np. do ogrzania małego pomieszczenia to wybierzemy lampę żarową. Ten wybór wynika z tego, że żarówka wykorzystuje ok. 5% energii na światło widzialne, a reszta energii jest tracona w emisji ciepła. Dzięki temu, że jest wiele rodzajów źródeł światła mamy większy wybór w wyborze najbardziej nam odpowiadającej lampy.

W czasie ćwiczenia zauważono, że żarówka LED zaczyna świecić dopiero przy napięciu powyżej 100 V.

Dziewięciowatowa żarówka LED daje więcej światła niż sześćdziesięciowatowa lampa żarowa. Stosunek lm/W jest także kilkakrotnie większy, co znacznie przekłada się na energooszczędne zastosowanie takich żarówek.