Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki

dla studentów WIP

Temat:

Badanie źródeł światła

materiały pomocnicze do laboratorium elektroniki, elektrotechniki i energoelektroniki
wyłącznie do użytku wewnętrznego przez studentów WIP PW
bez prawa kopiowania i publikowania

Zakład Trakcji Elektrycznej

IME PW 2002

2

1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych zagadnień związanych z przetwarzaniem
energii elektrycznej na świetlną.

2. Wiadomości ogólne o świetle i źródłach światła
Światło widzialne odbierane przez oczy to promieniowanie elektromagnetyczne o długości
fali mieszczące się w zakresie 0,38

µm do 0,76µm. Wrażliwość oka ludzkiego jest

największa na promieniowanie o długości fali w środku tego przedziału 0,555

µm

(żółtozielone).
Temperatura barw [K].
Promieniowanie świetlne z jakim często się spotykamy jest emitowane przez rozgrzaną do
wysokiej temperatury materię: słońce, żarówka, łuk elektryczny. Dochodzi do emisji światła z
rozgrzanych atomów. Stąd wywodzi się pojęcie temperatury barw. Przy temperaturze 5800K
( temperatura powierzchni Słońca ) materia promieniuje światłem białym. Światło to zawiera
promieniowanie w całym zakresie widzialnym w odpowiednich proporcjach. Im niższa
temperatura materii tym promieniowanie ma kolor bardziej czerwony. Im wyższa temperatura
materii tym promieniowanie ma kolor bardziej niebieski. Drugim typem źródeł światła z
jakimi się spotykamy są źródła luminescencyjne: robaczki świętojańskie, ryby głębinowe,
świetlówki, lampy rtęciowe, sodowe, diody elektroluminescencyjne, ekrany kineskopów. W
źródłach tych dochodzi do emisji światła ze zjonizowanych atomów. Promieniowanie to
ograniczone jest do jednej lub kilku długości fali ( linii widma o bardzo małym przedziale
długości fali) co odpowiada określonemu kolorowi światła. Światło białe uzyskuje się przez
dobranie odpowiednich proporcji ilościowych różnych atomów ( związków chemicznych )
emitujących światło. Istnieją źródła o mieszanym typie emisji światła.

Φ

Strumień świetlny

Φ– jednostka lumen [lm].

Wiąże się z mocą promieniowania P

λ

( energią niesioną w jednostce czasu ) gdzie

1W = 682 lm dla fali o długości 0,555

µm. Dla fali o innej długości należy uwzględnić

współczynnik widzialności V

λ

który wiąże się z charakterystyką czułości oka

Φ = P

λ

V

λ

400 500 600 700 nm

1

0

0,2

0,4

0,6

0,8

555 nm

Rys. 1. Zależność współczynnika widzialności V

λ od długości fali Vλ=f(λ ) dla widzenia

dziennego.

3

Strumień świetlny 1lm w kącie bryłowym 1[sr] (steradian ) emitowany jest przez punktowe
źródło świecące równomiernie we wszystkich kierunkach. Przy czym ma ono światłość I
równą 1 kandeli [cd] ( świecy)

Natężenie oświetlenia E [lx] .
Miara jednostkowego oświetlenia powierzchni luks [lx]. 1luks występuje gdy strumień 1lm
pada równomiernie na powierzchnię 1m2 .

E=d

Φ /ds. [lx]

Skuteczność świetlna

η[lm/W]

Mówi nam o zdolności przetwarzania energii elektrycznej w energię świetlną po
uwzględnieniu współczynnika widzialności V

λ

. Dla fali o długości 0,555

µm 1W=682lm

Elektryczne źródła światła.
Podstawowymi źródłami światła są urządzenia wykorzystujące energię elektryczną. Typy
źródeł cechuje barwa światła i sprawność η ( wydajność świetlna). Dla celów
oświetleniowych najlepszym jest światło o barwie widmowej zbliżonej do światła
słonecznego. Do celów sygnalizacyjnych wymagane jest najczęściej światło o określonym
kolorze. Sprawność winna być jak największa ( sięgać V

λ

682 lm/W energii elektrycznej).

Promieniowanie w zakresie podczerwonym i ultrafioletowym nie jest uwzględniane.
Światła żarowe.
Światło emitowane jest przez żarnik rozgrzany do temperatury do około 3000K. Żarówka
klasyczna i halogenowa. Żarówki są rezystorami i prąd płynący przez nie jest proporcjonalny
do napięcia. Nie wprowadzają one do sieci zasilających zakłóceń. Jedynie podczas załączania
gdy włókno żarówki jest zimne ( ma mniejszą rezystancję ) popłynie prąd większy od
znamionowego. Podczas nagrzewania w ciągu kilkuset ms włókno osiąga temperaturę i
rezystancję znamionową. W chwili gdy żarówka przepala się może powstać wewnątrz bańki
łuk elektryczny. Jeżeli w tym momencie napięcie narasta może doprowadzić do zadziałania
bezpiecznika co jest typowym zjawiskiem.
Lampy luminescencyjne
Światło emitowane jest przez wzbudzone atomy gazu ( pary sodu, gaz szlachetny – w
neonach, halogenki) lub luminoforu. Świetlówki, „żarówki energooszczędne”, lampy
rtęciowe, lampy sodowe, metalohalogenkowe.

rura swiecaca przetwornica tranzystorowa

Rys.2. Wygląd „żarówki energooszczędnej”

“Żarówka energooszczędna” – jest to świetlówka o rurce wygiętej w zygzak ( 2 do 4 pętli) w
celu zmniejszenia długości. Emisja światła następuje z luminoforu podobnie jak w
świetlówce. Zasilana jest ona poprzez przetwornicę tranzystorową znajdującą się w trzonku.
Przetwornica tranzystorowa zapewnia szybki zapłon, stabilizację prądu. Przetwornica ma
mniejszy ciężar i gabaryty niż dławik i zapłonnik do świetlówki. Obecnie spotyka się oprawy
do świetlówek w których zamiast dławika i startera zastosowane są przetwornice
tranzystorowe.

4

Lampy luminescencyjne są elementami nieliniowymi. Posiadają w obwodzie zasilania
dodatkowo dławiki lub przetwornice. Ze względu na sposób działania wprowadzają one do
sieci zasilającej zakłócenia.

3. Pomiary
W ćwiczeniu przeprowadzone zostaną pomiary zmian strumienia światła, zmian natężenia
oświetlenia i zmian proporcji barw przy zmianach mocy dostarczanej do źródła światła.
Światłomierz mierzy natężenie oświetlenia z czułością uwzględniającą współczynnik
widzialności V

λ.

zgodnie z charakterystyką na rysunku nr.1. Przetwornikiem jest fotodioda. Na wyjściu
analogowym ( o zakresie maksymalnym 200mV) można obserwować chwilową wartość
natężenia oświetlenia. Na wskaźniku cyfrowym następuje odczyt natężenia oświetlenia lx-
wąski kąt odbioru lub fc- szeroki kąt odbioru. Zakresy : 20 lx, 200lx, 2000lx, 20000lx (x10).

W

Światłomierz

Oscyloskop

Autotransformator

220V

V

A

Komora

Rys.3. Schemat stanowiska pomiarowego
1. Badanie żarówki
a) Żarówkę klasyczną założyć do komory bańką pionowo do dołu.

U

Φ

Emax

Emin

Et

P

U

I

S

cosφ

[V]

[lm]

[mV]

[mV]

[%]

[W]

[V]

[A]

[VA]

220

Ustawić za pomocą autotransformatora napięcie zasilania 220V. Włączyć zasilanie żarówki. .
Włączyć światłomierz na pozycję lux. Przyciskiem range ustawić maksymalną możliwą
dokładność Wyjście analogowe światłomierza dołączyć do oscyloskopu. Na oscyloskopie
zaobserwować przebieg zmiany jasności oświetlenia Zmierzyć maksymalną wartość jasności
oświetlenia Emax i minimalną Emin (korzystając ze skali mV oscyloskopu). Obliczyć
wielkość względną tętnień Et(%) wg. wzoru (1):

5

Et = (Emax-Emin)/2(Emax+Emin)

(1)

Na oscyloskopie zaobserwować przebieg prądu zasilającego źródło światła.
Przełączyć światłomierz na pozycję fc. Przyciskiem range ustawić maksymalną możliwą
dokładność.
Zmierzyć średnią wartość –

Φ [lm]

b) Zmierzyć pobieraną przez żarówkę: moc czynną P[W] ( za pomocą watomierza ) i moc
pozorną S[VA] wg. wzoru (2) (za pomocą woltomierza i amperomierza).

S = UI [VA]

(2)

Obliczyć wartość cos

ϕ przesunięcia między prądem i napięciem

cosφ = P/S

(3)

Obliczyć skuteczność η [lm/W] (sprawność ) przetwarzania energii elektrycznej na świetlną
w żarówce za pomocą wzoru (4).

η

220

= k

Φ / P [lm/W]

(4)

k= 2,2 - współczynnik konstrukcyjny komory pomiarowej dla świetlówki, żarówki i „żarówki
energooszczędnej”
k= 1,3 - żarówki halogenowej ( ze względu na wpływ odbłyśnika w żarówce)
c) Zmieniając napięcie zasilania od 230V do 110 V zmierzyć moc czynną pobieraną przez
żarówkę i strumień. Wykreślić charakterystykę strumienia i skuteczność η w funkcji napięcia
i mocy przyjmując jako punkt wyjścia skuteczność dla napięcia 220Vobliczoną w punkcie b (
pomijamy zmiany widma przy zmianie mocy żarówki ) wg. wzoru (5)

η = η

220

(

Φ P

220

/

Φ

220

P)

(5)

U [V]

110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230

P [W]
Φ [lm]
η [lm/W]

d) Założyć czerwony filtr na czujnik światłomierza w komorze. Zmierzyć strumień dla napięć
zasilających 230V, 200V, 170V, 140V i 110V Kolejno zmieniając filtry nałożone na czujnik
światłomierza w komorze na zielony, niebieski pomierzyć dla przedziału widma dla tych
samych napięć. Obliczyć względne zmiany dla przedziałów kolorów w zależności od napięcia
zasilania i mocy

Φw[%] przyjmując jako 100% sumę z trzech kolorów odrębnie dla każdego

poziomu napięcia.

Φwc= Φc/(Φc+Φz+Φn) (

6)

Wykreślić zależności względne jasności dla poszczególnych kolorów od napięcia

Φw=f(U)

i mocy

Φw=f(P)

U [V]

230

200

170

140

110

P[W]
Φc [Lm]
Φz [Lm]
Φn [Lm]
Σ Φ [Lm]
Φwc [%]
Φwz [%]
Φwn [%]

6

2. Dla żarówki halogenowej przeprowadzić pomiary jak w punkcie 1a,1b,1c,1d.
3. Dla “żarówki energooszczędnej” przeprowadzić pomiary jak w punkcie 1a,1b,1c,1d.
Uwaga po załączeniu zasilania odczekać 2 minuty dla ustabilizowania się warunków pracy
lampy. Podczas pomiarów nie obniżać napięcia zasilającego poniżej 110V.
4. Dla świetlówki przeprowadzić pomiary jak w punkcie 1a,1b,1c,1d. Uwaga po załączeniu
zasilania odczekać 2 minuty dla ustabilizowania się warunków pracy lampy. Podczas
pomiarów nie obniżać napięcia zasilającego poniżej 110V.
5. Badanie jasności oświetlenia na stole laboratoryjnym po przełączeniu światłomierza na lux
Zmierzyć natężenie oświetlenia na blacie stołu przy zdjętej komorze.
6. Zmierzyć za pomocą omomierza rezystancję żarówki i żarówki halogenowej. Porównać ją
z rezystancją obliczoną przy napięciu 110V i 230V.

R=U/I

(7)

4. Pytania pomocnicze
1. Budowa, cechy, sposób emisji światła w żarówkach klasycznych i halogenowych
2. Budowa, cechy, sposób emisji światła w świetlówkach. Układ zasilania świetlówki z

dławikiem i starterem

3. Budowa, cechy, sposób emisji światła w lampach sodowych
4. Charakterystyka czułości oka ludzkiego i widma światła emitowanego przez różne źródła

światła

5.
Literatura
Hempowicz P. Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków.
(Oświetlenie elektryczne str. 467 –490 z wydania V), poniżej fragmenty:

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18