POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA W KIELCACH
LABORATORIUM OŚWIETLENIA ELEKTRYCZNEGO
Nr ćwiczenia : 1	Temat: Badanie porównawcze żarówki i świetlówki .	Zespół: 1.Chęciński Paweł 2.Chojnacki Andrzej 3.Dobrowolski Daniel 4.Dukat Piotr
Data wykonania ćwiczenia: 12.10.1998	Data oddania sprawozdania : 26.10.1998	Ocena:

1. Wstęp teoretyczny .

Żarówki zaliczamy do źródeł o temperaturowym wytwarzaniu światła . Należą one do mało ekonomicznych . W zakresie fal widzialnych , w ramach widma świetlnego , stosunek mocy energetycznie wykorzystanej do całkowitej mocy wypromieniowanej jest niewielki . Stosunek mocy widzialnie wykorzystanej do całkowitej mocy wypromieniowanej jest jeszcze mniejszy ( ok. 3 - 4% ) . Podwyższenie skuteczności świetlnej żarówki mogłoby nastąpić tylko przy izotermie wyższej , zakreślającej większe pole w obrębie widma świetlnego , czyli przez podwyższenie temperatury żarzenia . Jest to jednak niemożliwe ze względu na topliwość wolframu . Strumień świetlny żarówki maleje z czasem ( lampa się starzeje ) . Po 500 godz. świecenia spada on średnio do 90 % , po 1000 godz. średnio do 85 % strumienia początkowego . Trwałość przepisowa średnia partii żarówek przy znamionowym napięciu wg normy wynosi 1000 godz. świecenia , natomiast trwałość poszczególnych żarówek nie mniej niż 700 godz. świecenia . Dla żarówki obserwuje się dużą zależność takich parametrów jak , skuteczność świetlna , strumień świetlny oraz trwałość żarówki od napięcia roboczego . Przy czym dwa pierwsze parametry wzrastają a trzeci maleje wraz ze wzrostem napięcia .

Świetlówki należą do kategorii lamp o fluorescencyjnym wytwarzaniu światła . Ze względu na konstrukcję rozróżniamy :

1. świetlówki o gorącej katodzie :

• a) podgrzewanej przy zaświecaniu

b) nie podgrzewanej przy zaświecaniu

• 2. świetlówki o zimnej katodzie .

Świetlówka ma „ujemną” charakterystykę , wyrażającą się obniżeniem napięcia na lampie w miarę wzrostu prądu . Zapłon świetlówki wymaga pewnego udaru napięcia oraz małego prądu . Dla warunków normalnej pracy jest odwrotnie , napięcie jest niższe a prąd jest większy . Wraz ze wzrostem prądu maleje oporność rury , która ma charakter rezystancji , a więc włączenie jej bezpośrednio do sieci doprowadziłoby do gwałtownego wzrostu prądu i do spalenia elektrod rury . Zapobiega temu dodatkowa oporność , stabilizująca proces wyładowania ( ograniczająca wzrost prądu ) . Opornością tą może być dławik , kondensator lub opornik czynny . Najczęściej stosowana jest stabilizacja indukcyjna . Strumień znamionowy świetlówki (umownie strumień po 100 godz. świecenia ) w wyniku starzenia maleje stopniowo . Po 2000 godz. świecenia spada do około 85 % , natomiast po 4000 godz. do około 75 % swej wartości znamionowej . Wpływ napięcia roboczego na skuteczność świetlną , strumień oraz trwałość świetlówki jest niewielki . Mimo to należy dążyć do utrzymywania napięcia roboczego w pobliżu znamionowego , gdyż zarówno za wysokie jak i za niskie napięcia zmniejszają trwałość świetlówki . Trwałość świetlówek jest bardzo duża . Wynosi ona dla świetlówek świecących bez przerwy około 5000 godz. , zaś rzeczywista ( zależy od częstości włączeń , wahań natężenia prądu , napięcia sieci , itd... ) waha się od 2000 godz. do 8000 godz. Bilans energetyczny jest dużo korzystniejszy niż przy żarówkach . Z pobranej przez świetlówkę energii około 20 % przypada na energię świetlną z czego 18 % przetwarzają luminofory z promieniowania UV , zaś 2 % stanowi bezpośrednie światło luminescencyjne pary rtęci o sinawej barwie . Poniższa tabela zawiera zestawienie porównawcze właściwości elektrycznych i fotometrycznych żarówki i świetlówki .

Lp.	Wielkość (własność) porównywalna	Rodzaj lampy
			Żarówka	Świetlówka
1.	Sposób wytwarzania światła	temperaturowe	luminescencyjne
2.	Świetlny współczynnik sprawności promieniowania	3 - 4 %	20 %
3.	Strumień świetlny znamionowy	350 - 415 lm	2100 - 2500 lm
4.	Znamionowe napięcie wyładowania ( żarzenia )	220 V	103 V
5.	Prąd znamionowy	Ok. 0,17 A (norma nie podaje )	0,43 A
6.	Luminancja ( jaskrawość )	Ok. 10 sb (dla bańki matowej)	0,5 - 0,6 sb
7.	Trwałość	1000 godz.	2000 - 8000 godz.
8.	Wpływ temperatury otoczenia na pracę	minimalny	znaczny

2. Pomiary własności lamp fluorescencyjnych .

Podczas ćwiczenia badaniu poddano lampę fluorescencyjną TLD 36W / 83 firmy PHILIPS . Do przeprowadzenia pomiarów zostały użyte następujące mierniki :

1. Woltomierz kl. 0,5 o zakresach 75 V oraz 150 V .

2. Woltomierz kl. 0,5 o zakresie 300 V .

3. Amperomierz kl. 0,5 o zakresie 1,5 A .

4. Watomierz kl. 0,5 o zakresach : napięciowym 200 V ; prądowym 1 A .

5. Luksomierz typ L - 02 o zakresach 500 Lx oraz 1500 Lx .

A ) W pierwszej części ćwiczenia badaliśmy zmienność wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej takich jak : natężenie prądu lampy , moc pobierana z sieci oraz natężenie oświetlenia . Prąd oraz moc odczytywaliśmy bezpośrednio z mierników . Ponieważ luksomierz wskazuje oprócz natężenia pochodzącego od badanej lampy także natężenie oświetlenia od innych źródeł światła , należy przed przystąpieniem do wykonania pomiarów ustalić natężenie oświetlenia od tych źródeł . W naszym przypadku natężenie to wynosi E_o=230 Lx . Uzyskane w tej części ćwiczenia wyniki zawiera poniższa tabela . Poszczególne kolumny zawierają : U₁ - napięcie zasilania lampy , I - natężenie prądu lampy , P - moc pobieraną przez lampę , E' - natężenie oświetlenia wskazywane przez luksomierz ( natężenie lampy + natężenie oświetlenia od innych źródeł ) oraz E - natężenie oświetlenia lampy ( obliczone z zależności E = E' - E_o ) . Pomiary dokonywane były co 10 sekund .

Lp.	U1	I	P	E'	E
-----	V	A	W	Lx	Lx
1.	220	0,44	18	550	320
2.	220	0,43	35,6	560	330
3.	220	0,43	36	600	370
4.	220	0,42	36	600	370
5.	220	0,42	36,2	625	395
6.	220	0,42	37	640	410
7.	220	0,416	37	655	425
8.	220	0,416	37,4	675	445
9.	220	0,41	37,6	690	460
10.	220	0,41	38	700	470
11.	220	0,41	38,6	725	495
12.	220	0,406	39	740	510
13.	220	0,4	39,2	750	520
14.	220	0,4	39,2	755	525
15.	220	0,4	39,2	760	530
16.	220	0,4	39,4	775	545
17.	220	0,398	39,6	790	560
18.	220	0,398	40	790	560
19.	220	0,398	40	790	560
20.	220	0,398	40	790	560
21.	220	0,398	40	790	560

Tabela 1 : Wartości charakterystyczne lampy fluorescencyjnej w funkcji czasu podczas zapłonu .

Przebieg poszczególnych wielkości z tabeli 1 w funkcji czasu przedstawiają krzywe na wykresie 1 . Obserwując wyżej wymieniony wykres zauważamy , że podczas zapłonu lampy fluorescencyjnej wzrasta wraz z czasem wartość mocy pobieranej z sieci oraz wartość strumienia świetlnego natomiast maleje wartość prądu płynącego w lampie . Przebiegi wyżej wymienionych wielkości powinny być nieco bardziej regularne . Na wykresie są one nieco „schodkowe” . Mogło to być spowodowane tym , iż zmiany tych wielkości są niewielkie , na przykład zmiana prądu następuje od I=0,44 A do I=0,398 A czyli o 0,042 A , natomiast stała podziałki mierników była dosyć duża w porównaniu z tymi zmianami co utrudniało dokładny odczyt .

B ) Badanie własności lampy fluorescencyjnej po ponownym zapłonie .

Wszystkie wielkości charakterystyczne zostały zmierzone podobnie jak w punkcie poprzednim . Uzyskane wyniki zawiera tabela 2 .

Lp.	U1	I	P	E'	E
-----	V	A	W	Lx	Lx
1.	220	0,4	40	790	560
2.	220	0,4	40	790	560
3.	220	0,4	40	790	560
4..	220	0,4	40	790	560
5.	220	0,4	40	790	560
6.	220	0,4	40	790	560
7.	220	0,4	40	790	560
8.	220	0,4	40	790	560
9.	220	0,4	40	790	560
10.	220	0,4	40	790	560

Tabela 2 : Wartości wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej w funkcji czasu podczas ponownego zapłonu .

Przebieg poszczególnych wielkości z tabeli 2 w funkcji czasu przedstawiają krzywe na wykresie 2 . Obserwując wyżej wymieniony wykres zauważamy , że wartości wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej po ponownym zapłonie są stałe w czasie . Porównując je z wynikami otrzymanymi w części pierwszej ćwiczenia możemy stwierdzić iż wartości te są równe wartościom ustalonym poszczególnych wielkości obserwowanym w czasie zapłonu lampy . Podczas pierwszego zapłonu lampy fluorescencyjnej czas zapłonu wyniósł około 2 - 3 sekundy , natomiast podczas ponownego zapłonu wyniósł ok. 1 sekundy .

C ) Badanie zależności wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej od wartości napięcia zasilającego .

W tej części ćwiczenia zasilaliśmy lampę napięciem kolejno od 180 V do 250 V co 10 V . Przy każdym z nastawionych napięć mierzyliśmy wartości mocy pobieranej przez lampę , natężenia prądu oraz natężenia oświetlenia . Wyniki otrzymane w tej części ćwiczenia przedstawia tabela 3 .

Lp.	U1	I	P	E'	E
-----	V	A	W	Lx	Lx
1.	250	0,52	51	900	670
2.	240	0,47	46	850	620
3.	230	0,44	43	830	600
4.	220	0,4	39	795	560
5.	210	0,36	36	750	520
6.	200	0,33	32,4	735	505
7.	190	0,29	29	690	460
8.	180	0,24	24,6	635	405

Tabela 3 . Wartości wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej w funkcji napięcia zasilającego .

Przebieg zmienności poszczególnych wielkości charakterystycznych w funkcji napięcia zasilającego przedstawia wykres 4 . Na podstawie tego wykresu możemy zauważyć , iż wraz ze wzrostem napięcia zasilającego wzrastają wartości prądu lampy , mocy pobieranej przez lampę oraz natężenia oświetlenia . Jednakże wartość natężenia oświetlenia rośnie wolniej niż pobór mocy co wiąże się ze zmniejszaniem skuteczności świetlnej . Dlatego też zaleca się zasilanie lampy fluorescencyjnej napięciem bliskim znamionowemu .

D ) Pomiar wartości wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej ( pomiary dla samej lampy ) .

W tej części ćwiczenia dokonaliśmy pomiarów mocy pobieranej przez lampę , natężenia prądu oraz napięcia na samej lampie fluorescencyjnej ( bez osprzętu pomocniczego ) . Otrzymane wyniki zawiera tabela 4 .

Lp.	U1	PL	IL	UL
-----	V	W	A	V
1.	220	6,00	0,41	110
2.	220	6,50	0,402	110
3.	220	6,50	0,4	110
4.	220	6,50	0,4	110
5.	220	6,50	0,392	110
6.	220	6,50	0,392	110
7.	220	6,50	0,392	110,8
8.	220	6,50	0,392	110,8
9.	220	6,50	0,392	111,2
10.	220	6,50	0,392	111,2
11.	220	6,50	0,392	111,2
12.	220	6,50	0,392	111,2
13.	220	6,50	0,39	111,2
14.	220	6,50	0,39	111,2
15.	220	6,50	0,388	111,2

Tabela 4 : Wartości wielkości charakterystycznych lampy fluorescencyjnej w funkcji czasu podczas zapłonu .

Wielkości otrzymane w tej części ćwiczenia zostały przedstawione na wykresie 3 . Zaobserwowaliśmy tu iż moc oraz napięcie na samej lampie zmieniają się bardzo nieznacznie . Na wykresie nie jest to zbyt widoczne dopóki nie zwrócimy uwagi na podziałkę osi pionowych . Wówczas zauważamy , że napięcie zmienia się tylko o 1,2 V , natomiast moc pobierana przez lampę o 0,5 W . Zmiana prądu w tej części ćwiczenia była analogiczna jak w podpunkcie A . O ile pomiary prądu I oraz napięcia na lampie U_L nie budzą zastrzeżeń , o tyle pomiar mocy wydaje się być błędny . Było to spowodowane trudnościami w wykonaniu tej części ćwiczenia .

E ) Wnioski oraz uwagi do badania lampy fluorescencyjnej .

Na wykresie 9 został przedstawiony wykres wskazowy napięć dla lampy fluorescencyjnej . Przy jego konstrukcji zostały przyjęte pewne uproszczenia . Założono na przykład zgodność w fazie napięcia lampy oraz jej prądu . Ponadto przyjęto , że lampa jest czystą rezystancją a statecznik czystą indukcyjnością , co jest nieprawdą . Jednak w pewnym przybliżeniu wykres ten obrazuje sytuację rzeczywistą . Podczas wykonywania ćwiczenia badaliśmy także , wpływ kondensatora do kompensacji mocy biernej na pracę lampy . Teoretycznie włączenie kondensatora powinno spowodować podwyższenie współczynnika mocy cos ϕ od wartości około 0,5 do wartości 0,9 , a nawet 0,95 . W przypadku badanego układu współczynnik mocy wynosił bez kondensatora około 0,46 , natomiast z kondensatorem około 0,57 .

Ponieważ istnieje zależność pomiędzy strumieniem lampy a napięciem ją zasilającym , to w ogólnym przypadku możemy zapisać :

Φ / Φ_n = ( U / U_n )^x

Dla lampy fluorescencyjnej badanej w ćwiczeniu współczynnik x = 1,39 czyli zależność ta przyjmuje postać :

Φ / Φ_n = ( U / U_n )^1,39

Po pierwszym załączeniu lampa osiągnęła strumień znamionowy po około 170 sekundach , natomiast po ponownym załączeniu już po około 5 sekundach ( prawie natychmiast po zapłonie ) . Napięcie zapłonu lampy wynosi około 185 V , co stanowi 84,09 % napięcia znamionowego . Napięcie gaśnięcia lampy wynosi natomiast około 155 V , co stanowi z kolei 70,45 % napięcia znamionowego .

2. Pomiary własności lamp żarowych .

Pomiary wielkości charakterystycznych lamp żarowych zostały przeprowadzone przy pomocy tych samych mierników , co pomiary wielkości charakterystycznych lamp fluorescencyjnych . Badaniu została poddana żarówka PILA o danych P = 200 W oraz U = 220 - 230 V . Podobnie jak przy badaniu poprzedniego źródła światła należało uwzględnić natężenie oświetlenia pochodzące od innych źródeł niż badana żarówka .

A ) Pomiar wielkości charakterystycznych lampy żarowej w funkcji czasu po pierwszym oraz po ponownym zapłonie .

W tej części ćwiczenia mierzyliśmy wartości prądu żarówki , mocy pobieranej z sieci oraz natężenia oświetlenia . Wyżej wymienione wielkości były mierzone analogicznie jak w podpunkcie 2A . Otrzymane wyniki zostały zawarte w tabeli 5 oraz przedstawione na wykresie 5 .

Lp.	U1	I	P	E'	E
-----	V	A	W	Lx	Lx
1.	220	0,89	193	860	630
2.	220	0,89	193	875	645
3.	220	0,89	193	890	660
4.	220	0,89	193	900	670
5.	220	0,89	193	900	670
6.	220	0,89	193	900	670
7.	220	0,89	193	900	670
8.	220	0,89	193	900	670

Tabela 5 : Wartości wielkości charakterystycznych lampy żarowej w funkcji czasu podczas zapłonu .

Zauważamy , że moc pobierana z sieci oraz prąd żarówki mają stałą wartość . Natężenie oświetlenia wzrasta bardzo szybko do wartości znamionowej , którą osiąga już po około 40 sekundach . Jest to spowodowane wzrostem temperatury żarnika w czasie , zaraz po zapłonie żarówki . Po wyłączeniu żarówki i jej ponownym załączeniu jej parametry osiągają od razu wartości ustalone ( w czasie na tyle krótkim , że trudno go bliżej określić ) .

B ) Pomiar wielkości charakterystycznych lampy żarowej w funkcji napięcia zasilania .

Postępowanie przy pomiarach w tym punkcie ćwiczenia było analogiczne jak w podpunkcie 2C . Otrzymane wyniki zawiera tabela 6 oraz przedstawia wykres 6 .

Lp.	U1	I	P	E'	E
-----	V	A	W	Lx	Lx
1.	250	0,95	234	1250	1020
2.	240	0,92	218,4	1100	870
3.	230	0,904	204	1000	770
4.	220	0,88	188	900	670
5.	210	0,86	176	790	560
6.	200	0,84	164	700	470
7.	190	0,82	152	625	395
8.	180	0,8	140	550	320

Tabela 6: Wartości wielkości charakterystycznych lampy żarowej w funkcji napięcia zasilającego .

Obserwując wykres zauważamy , iż zarówno moc pobierana z sieci , natężenie prądu jak i strumień lampy żarowej rosną wraz ze wzrostem napięcia zasilającego . Najszybciej wraz ze wzrostem napięcia rośnie natężenie oświetlenia , następnie moc pobierana z sieci a najwolniej prąd . Taka sytuacja powoduje , iż skuteczność świetlna żarówek wzrasta wraz ze wzrostem napięcia zasilającego . Jednakże wraz ze wzrostem napięcia zasilającego maleje trwałość żarówek co powoduje konieczność zasilania ich napięciem bliskim znamionowemu .

E ) Wnioski oraz uwagi do badania lampy żarowej .

W przypadku badanego układu współczynnik mocy wynosił około 0,99 . Zależność pomiędzy strumieniem lampy żarowej a napięciem ją zasilającym ma postać :

Φ / Φ_n = ( U / U_n )^3,47

Po pierwszym załączeniu lampa osiągnęła strumień znamionowy po około 40 sekundach , natomiast po ponownym załączeniu natychmiast . Napięcie zapłonu lampy wynosi około 18 V , co stanowi 8,18 % napięcia znamionowego . Napięcie gaśnięcia lampy wynosi natomiast około 17 V , co stanowi z kolei 7,73 % napięcia znamionowego .

3. Porównanie strumieni świetlnych lamp fluorescencyjnych i żarowych .

Ponieważ pojęcie natężenia oświetlenia jest bezpośrednio powiązane z pojęciem strumienia świetlnego , toteż wszelkie konieczne do obliczenia w ćwiczeniu stosunki Φ / Φ_n zastępowaliśmy stosunkami E / E_n . Porównując czasy osiągnięcia strumienia znamionowego przez lampę fluorescencyjną oraz żarową , zauważamy iż ta druga osiąga go znacznie szybciej . Obrazuje to wykres 7 . Jeżeli porównalibyśmy wartości strumieni obu lamp przy zasilaniu ich różnymi napięciami , to zaobserwowalibyśmy iż strumień lampy fluorescencyjnej wykazuje mniejszą zmienność niż strumień żarówki . Obrazuje to wykres 8 .

9

9

---