Microsoft Word - Cwiczenie 2.doc

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i właściwościami lamp wyładowczych, jak
i układami zasilającymi.

1.Wiadomości podstawowe

Podział źródeł światła w tym lamp wyładowczych przedstawiony jest na rys. 1

Rys. 1. Klasyfikacja źródeł światła

1.1. Wysokoprężna lampa rtęciowa

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

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

wartość 10

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.

1.1.1. Budowa lampy rtęciowej

W szklanej bańce zewnętrznej umieszczono jarznik wykonany w postaci zamkniętej

rurki. Jest on wyposażony w dwie elektrody główne znajdujące się na dwóch przeciwległych

końcach rurki oraz w zależności od mocy lampy, jedną lub dwie elektrody zapłonowe

usytuowane po jednej w pobliżu elektrod głównych. Wyprowadzenie elektrody głównej na

zewnątrz jarznika jest połączony przez opornik zapłonowy z przeciwległą elektrodą

zapłonową. Jarznik jest połączony galwanicznie i mechanicznie z dwoma doprowadzeniami

prądu wyprowadzenie doprowadników na zewnątrz bańki wykonane jest w postaci

próżnioszczelnych przepustów. Bańka zewnętrzna ma najczęściej kształt elipsoidalny, a jej

wnętrze wypełnia mieszanina argonu z azotem. Bańka zewnętrzna izoluje jarznik od wpływu

otoczenia; jej izotermiczny kształt zapewnia także utrzymanie optymalnej temperatury

Źródła światła

Żarówki

Lampy wyładowcze

Diody LED

Tradycyjne

Zwierciadlane

Halogenowe

Lampy indukcyjne

Świetlówki

Lampy rtęciowe

Lampy sodowe

Niskoprężne

Wysokoprężne

Rtęciowo - żarowe

Metalohalogenkowe

Tradycyjne

Kompaktowe

luminoforu. Jarznik rtęciówki wysokoprężnej wykonany jest ze szkła kwarcowego. W jego

zagniecionych końcach są zamocowane próżnioszczelne przepusty prądowe z folii

molibdenowej. Elektrody jarznika wykonane są z wolframu; elektrody główne mają postać

dwuwarstwowej skrętki nawiniętej na pręciku elektrodowym, a elektroda zapłonowa ma

formę pręcika. Jarznik jest wypełniony argonem i zawiera taką ilość rtęci, aby – przy

ustalonych warunkach pracy – jego wnętrze wypełniła nienasycona para rtęci.

Rys. 1.2. Budowa lampy rtęciowej

1 – rura wyładowcza ze szkła kwarcowego, 2 – elektrody główne, 3 – elektrody pomocnicze, 4 – opornik

zapłonowy, 5 – konstrukcja wsporcza, 6 – bańka ze szkła twardego, 7 – warstwa luminoforu, 8 – trzonek z

gwintem

Szklana bańka zewnętrzna lampy przepuszcza promieniowanie widzialne, zatrzymując

promieniowanie nadfioletowe poniżej 320 nm. Przykładowy rozkład widmowy

promieniowania rtęciówki pokazany został na rys. 1.3. Luminofor naniesiony na wewnętrzną

powierzchnię bańki lampy transformuje wzbudzające go promieniowanie nadfioletowe

jarznika na światło czerwone poprawiając barwę światła. Wskaźnik oddawania barw R

rtęciówek wysokoprężnych wynosi 40÷59 w zależności od luminoforu użytego do pokrycia

bańki.

Rys. 1.3 Rozkład widmowy promieniowania lampy rtęciowej

1.1.2. 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 × 10

– 15 × 10

Pa (2 - 15 atmosfer), a lampa uzyskuje

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

1.2. 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.

1.2.1 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.

Rys. 1.4 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).

Żarnik wolframowy spełnia rolę ogranicznika prądu w obwodzie lampy, oraz stanowi

dodatkowe źródło strumienia świetlnego. Posiada on kształt skrętki wolframowej,

uformowanej w obręcz, która otacza jarznik w celu uzyskania dobrego wymieszania światła,

pochodzącego z dwóch źródeł. Konstrukcja żarnika ma bezpośredni związek ze zjawiskami,

zachodzącymi w okresie rozświecania lampy. W tym czasie żarnik poddawany jest bardzo

silnemu przepięciu, co pociąga za sobą konieczność zapewnienia mu bardziej solidnej,

masywnej konstrukcji (w porównaniu do konstrukcji żarnika tradycyjnej żarówki),

Bańka zewnętrzna wykonana jest ze szkła sodowo-wapniowego (dla lamp o mocy

100W, 160W i 250W), lub ze specjalnego, twardego szkła borosilikatowego (dla lamp

o mocy 500W i lamp z powłoką reflektorową), które jest w stanie wytrzymać wysokie

temperatury pracy oraz szok termiczny. Bańka zewnętrzna lamp rtęciowo – żarowych,

podobnie jak bańki zwykłych żarówek, wypełniona jest argonem – gazem o niskiej

przewodności cieplnej – znajdującym się pod stosunkowo wysokim ciśnieniem (ma to na celu

zminimalizowanie zjawiska wyparowywaniu wolframu z żarnika). Jako dodatek do argonu

stosuje się azot, w celu wyeliminowania możliwości przeskoku iskry.

Elementem, który występuje w lampach rtęciowo – żarowych – podobnie, jak

w tradycyjnych żarówkach – jest getter. Jego zadaniem jest wyeliminowanie możliwości

występowania w bańce zewnętrznej tlenu i pary wodnej. Najczęściej jest to fosfor, który

wchodzi w reakcje z wymienionymi powyżej związkami i zabezpiecza tym samym żarnik

przed ich niekorzystnym wpływem.

Trzonki lamp rtęciowych wykonane są z niklowanego elektrolitycznie mosiądzu. Typ

trzonka zależy od mocy lampy. Lampy o mocach do 250W posiadają trzonki E27, lub B22

(lampa 250W może posiadać również trzonek E40), lampy 500W wyposażone są w trzonki

E40.

1.2.2. Zasada działania lampy rtęciowo-żarowej

Załączenie napięcia zapoczątkowuje dwa zjawiska – powstanie łuku elektrycznego

(wyładowanie w gazie) i emisję światła przez żarnik.

Bezpośrednio po zapłonie, napięcie łuku elektrycznego jest bardzo niskie, wynosi ok.

30V. Ponieważ jarznik i żarnik połączone są szeregowo, napięcie żarnika wynosi ok. 190V,

co jest wartością znacznie wyższą, niż wartość napięcia pracy ustalonej, która kształtuje się na

poziomie 100V – 145V. W konsekwencji żarnik emituje w tym czasie znacznie więcej

światła, niż po ustaleniu się warunków pracy. Strumień świetny jarznika jest wtedy bardzo

niski. Rozświecanie się lampy pociąga za sobą wzrost napięcia łuku elektrycznego

i jednoczesne zwiększanie ilości światła, które jest przez niego emitowane. Spada oczywiście

w tym czasie napięcie na żarniku, co jest powodem stopniowego zmniejszania się jego

strumienia świetlnego. Zjawisko to trwa ok. 3 minut – do momentu, aż nastąpi stabilizacja

wyładowania w gazie. W stanie ustalonym, wartość strumienia świetlnego, pochodzącego

z łuku elektrycznego jest ok. dwukrotnie wyższa, niż wartość strumienia, emitowanego przez

żarnik. Lampa rtęciowo – żarowa jest więc jedynym źródłem światła, które w początkowym

okresie po załączeniu wysyła więcej światła, niż w ustalonym stanie pracy.

Mimo słabego obciążenia skrętki w czasie pracy lampy, wytwarza ona

promieniowanie ciągłe wzbogacając tym samym światło lampy przede wszystkim

w promieniowanie z zakresu czerwieni, poprawiając barwę wytwarzanego światła i wskaźnik

oddawania barw (R

≈ 65 a nawet R

≈ 72).

Rys. 1.5 Rozkład widmowy promieniowania lampy rtęciowo – żarowej

1.3. Lampy metalohalogenkowe (rtęciowo – halogenkowe)

Lampy z halogenkami metali są podobne pod względem konstrukcyjnym do

wysokoprężnych lamy rtęciowych, przy czym główna różnica polega na tym, że jarznik tych

pierwszych zawiera, oprócz rtęci, jeden lub więcej halonków metali. Halogenki te częściowo

wyparowują, gdy lampa osiąga swoją nominalną temperaturę pracy. A zatem para halogenku

rozkłada się w centralnym gorącym obszarze łuku na halogen i metal, przy czym wyparowany

metal promieniuje właściwe sobie widmo.

Opracowano wiele różnych lamp z halogenkami metalu. Typowa kombinacja

halogenków zawiera jodki sodu, indu i talu. Te halogenki zwiększają intensywność

promieniowania w trzech pasmach widmowych barwy: niebieskim, zielonym i żółto –

czerwonym. Oddawanie barw jest tu lepsze w porównaniu z lampami rtęciowymi wysokiego

ciśnienia (R

≈ 95). Posiada znacznie wyższą skuteczność świetlną dochodzącą do

120 lm/W.

Rys. 1.6 Rozkład widmowy promieniowania lampy metalohalogenkowej

1.3.1. Zasada działania lampy metalohalogenkowej

Lampa halogenkowa wymaga do zapłonu napięcia ok. 1 – 1,5 kV, dlatego taż jej

obwód elektryczny wyposażony jest w specjalny zapłonnik umożliwiający otrzymanie

impulsów takiej wartości.

Lampy tego typu charakteryzują się występowaniem podczas ich pracy cyklu

halogenkowego, opartego na wykorzystaniu procesów transportu w plazmie jarznika.

W skrócie cykl halogenkowy przebiega następująco: w chwilę po zainicjowaniu zapłonu

lampy cała rtęć wyparowuje i powstaje, stabilizowane ściankami, wyładowanie wysokoprężne

w gazie składającym się głównie z par rtęci o ciśnieniu kilku atmosfer. Przy dostatecznie

wysokiej temperaturze ścianek (ok. 700K) jodki także odparowują, a ich molekuły dyfundują

do strefy wysokotemperaturowego wyładowania, gdzie następuje ich rozpad. Atomy metali

ulegają jonizacji i wzbudzeniom, co w efekcie prowadzi do emisji promieniowania

charakterystycznego dla danego pierwiastka. Dyfundując z powrotem do ścianki, atomy

metalu zderzają się w obszarze zimniejszego gazu z atomami jodu, tworząc na powrót

molekuły jodków.

Należy pamiętać, że lampy te mogą pracować tylko w położeniu określonym przez

producenta (zwłaszcza lampy mające trzonki z dwóch stron), ponieważ zmiana dozwolonej

pozycji pracy powoduje zmiany w rozkładzie temperatury w lampie, co ma wpływ na wartość

temperatury barwowej oraz trwałość. W zależności od typu, trwałość wynosi od 3000 do

20000 h. Wadę w postaci braku stałości barwy światła w czasie eksploatacji wyeliminowano

w lampach metalohalogenkowych z jarznikiem ceramicznym. Uzyskano w nich także wyższą,

o ok. 20%, skuteczność świetlną. Emitują one także mniej ciepła.

Pełny strumień świetlny uzyskuje się po ok. 3 min od chwili podania impulsu

zapłonowego, ponowny zapłon lampy po jej zgaśnięciu (spowodowanym np. zanikiem

napięcia zasilania) jest możliwy po ok. 10 min. Mankament ten został wyeliminowany

w specjalnych konstrukcjach przystosowanych do natychmiastowego zapłonu.

1.4. Wysokoprężne lampy sodowe

Pierwsze wysokoprężne lampy sodowe ukazały się na rynku w 1965r. i były

wyprodukowane przez Firmę General Electric. Do chwili obecnej opracowano bogaty

udoskonalony typoszereg lamp sodowych wysokoprężnych mocach od 50 do 1000W.

1.4.1. Budowa lampy sodowej

Konstrukcja lampy sodowej jest podobna do lampy rtęciowej. Jarznik jest

zamocowany w zamkniętej bańce szklanej, stanowiącej jej osłonę przed wpływem atmosfery.

W odróżnieniu od rtęciówki w bańce lampy sodowej panuje próżnia. Do jej utrzymania

w czasie eksploatacji stosuje się geter rozpylony na szyjce bańki. Doprowadzenie prądu do

elektrod jarznika i zamocowanie mechaniczne odbywa się za pomocą tasiemek i wsporników.

Lampa wyposażona jest w trzonek gwintowany przymocowany mechanicznie lub za pomocą

specjalnych kitów odpornych na działanie wysokiej temperatury.

Podczas wyładowania w parze sodu o ciśnieniu 10

Pa uzyskuje się skuteczność

świetlną dochodzącą do 150lm/W, jednakże dla uzyskania takiego ciśnienia wymagane jest,

aby temperatura najchłodniejszej części rurki wynosiła ok. 970 K. Przy takiej temperaturze

pary sodu, konieczne było zastosowanie na jarznik materiału bardziej odpornego niż szkło.

Jest nim przeświecalna ceramika z tlenku glinu domieszkowanego magnezem. Tlenek glinu

w postaci polikrystalicznego spieku różni się od konwencjonalnych materiałów ceramicznych

tym, że nie ma powierzchni porowatej, dzięki czemu jest przeświecający i szczelny. Rurki

wyładowcze zrobione z tego materiału wytrzymują długotrwałe działanie par alkalicznych

przy temperaturze do 1520K. Całkowity współczynnik przepuszczania rurek

z polikrystalicznego tlenku glinu wynosi dla promieniowania widzialnego 90 – 95%.

Rys. 1.7 Budowa wysokoprężnej lampy sodowej

1 – jarznik, 2 – bańka zewnętrzna, 3 – wspornik, 4 – geter, 5 – nóżka szklana z przepustami prądowymi,

6 – trzonek

Zapłon w typowej lampie sodowej następuje w gazie zapłonowym, który stanowi

w zimnej lampie główne napełnienie gazowe jarznika. Sód i rtęć w zimnym jarzniku mają

prawie całkowicie postać stałą (prężność ich par w temperaturze 20

C jest praktycznie biorąc

do pominięcia w stosunku do ciśnienia gazu zapłonowego około 2,66 kPa). W miarę

nagrzewania się jarznika następuje parowanie sodu i rtęci, które wraz ze wzrostem prężności

ich par biorą coraz większy udział w wyładowaniu, a w stanie ustalonym odgrywają w nim

decydującą rolę. Ilość sodu i rtęci są tak dobrane, by w miarę nagrzewania się lampy nie

wyparowały całkowicie. Nadmiar rtęci i sodu gromadzi się w postaci ciekłego amalgamatu

w najchłodniejszym miejscu jarznika, które znajduje się najczęściej na jednym z jego

końców. Bezpośrednio po zapłonie napięcie na jarzniku jest małe, natomiast prąd osiąga

wartość zbliżoną do prądu zwarcia dławika. W skutek przepływu znacznego prądu i dobrej

izolacji termicznej, którą stanowi próżniowa bańka zewnętrzna, rozgrzanie się jarznika

następuje w ciągu kilku minut. Po upływie około 4 min. strumień świetlny osiąga 80% pełnej

wartości.

Rys. 1.8 Rozkład widmowy promieniowania lampy sodowej wysokoprężnej

Ogólny wskaźnik oddawania barw ma dla większości sodówek wysokoprężnych

wartość 23, jednakże są już opracowane lampy o poprawionym R

= 65) i dobrym

oddawaniu barw R

= 85.

1.5. Niskoprężne lampy sodowe

Ten typ lamp przechodził w swej, rozpoczętej w 1932r. historii wiele zmian

konstrukcyjnych, których celem było ograniczenie strat cieplnych i tą drogą podniesienie

skuteczności świetlnej lampy. Sodówki niskoprężne wytwarzają światło prawie

monochromatyczne o długości fal 589 i 589,6 nm (barwa żółta). Z tego też względu pomimo

bardzo wysokiej skuteczności świetlnej do 200lm/W, nie znalazły powszechnego

zastosowania w technice oświetlenia.

Jarznik w kształcie litery U wykonany ze szkła wapienno – sodowego i stosowany

w lampach sodowych niskiego ciśnienia ma na powierzchni wewnętrznej warstwę szkła

boranowego, które jest odporne na działanie sodu. Dla osiągnięcia optymalnych warunków

promieniowania lampy konieczne było podniesienie temperatury najchłodniejszego punktu

wewnątrz bańki wyładowczej do poziomu około 260

C. Zamknięcie U – rurki wyładowczej

w zewnętrznej odejmowanej bańce zwiększyło skuteczność świetlną lampy. Kolejne operacje

konstrukcyjne poprawiły skuteczność poprzez nałożenie (napylenie) na wewnętrzną ściankę

bańki zewnętrznej filtrów z materiałów przepuszczających światło, ale odbijających

z powrotem w kierunku U – rurki generowane przez nią promieniowanie podczerwone (np.

tlenek indu). To dogrzanie U – rurki pozwoliło na zmniejszenie poboru mocy elektrycznej

niezbędnej dla podtrzymania optymalnej temperatury pracy, czyli podniesienie skuteczności

świetlnej.

Rys. 1.9 Niskoprężna lampa sodowa

1 – trzonek bagnetowy dla utrzymania pozycji, 2 – geter przeznaczony dla utrzymania wysokiej próżni,

3 – sprężyny wsporcze, 4 – elektrody, 5 – wgłębienie dla utrzymywania sodu, 6 – szklany jarznik, 7 – bańka

pokryta odbłyśnikiem promieniowania podczerwonego

W normalnych warunkach pracy atmosfera gazowa jarznika składa się z pary sodu pod

ciśnieniem 300 mPa, oraz z mieszaniny gazów szlachetnych dodanych celem obniżenia

napięcia zapłonu. Przed zapłonem, sód rozproszony jest we wgłębieniach utworzonych

w ściance jarznika. Po zapłonie wyładowanie najpierw przebiega w gazie szlachetnym.

W miarę wzrostu temperatury jarznika, część sodu paruje i przejmuje wyładowanie. Po

wyłączeniu sód skrapla się i ponownie zbiera w zagłębieniach, które są najchłodniejszymi

miejscami jarznika.

1.7 Lampy plazmowe siarkowe

Są to lampy o krótkiej historii, znajdujące się w fazie szybkiego rozwoju.

Wyładowanie odbywa się w mieszaninie pary siarki i gazów szlachetnych jonizowanej

mikrofalami. Komplet lampowy składa się z generatora mikrofal i kompaktowej bańki

wyładowczej.

Rys. 1.10 Lampa plazmowa, siarkowa typu SOLAR 1000™

Jaskrawość (luminacja) samego źródła siarkowego jest bardzo wysoka i nie może ono

dostrzegane bezpośrednio. Lampy o mocy 1000 W produkowane są w dwóch wersjach:

− z dodatkową rurą – rozpraszaczem światła (te stosowane są jako długie linie świecące,

np. w magazynach, warsztatach samochodowych itp.),

− z zewnętrznym odbłyśnikiem rozpraszającym oświetlonym przez niewidoczną dla

obserwatora bańkę wyładowczą, który to odbłyśnik jest wtórnym źródłem światła

o znacznie mniejszej od źródła luminancji (typowymi zastosowaniami tego typu

lamp jest oświetlenie wielkich terenów otwartych), oświetlenie atriów

w wielokondygnacyjnych budynkach.

Cechą szczególną lampy siarkowej jest to, że jej widmo o charakterze ciągłym jest

bardzo zbliżone do widma światła dziennego (światła nieboskłonu).

Rys. 1.11 Widmo lampy plazmowej, siarkowej

Skuteczność świetlna tych lamp jest rzędu 100 lm/W, temperatura barwowa 6500 K,

wskaźnik oddawania barw R

około 100, światło jej nie pulsuje, a trwałość lampy jest bardzo

duża (dotychczas nieokreślona wobec krótkiej historii lampy) – ograniczona trwałością

magnetronu. W widmie promieniowania lampy jest niewielka ilość promieniowania

podczerwonego i pomijalna ilość promieniowania nadfioletowego, co powoduje, że lampa

jest bezpieczna dla środowiska. Lampa jest bezpieczna ekologicznie również dlatego, że nie

zawiera rtęci i pierwiastków ciężkich. Istnieje możliwość ściemniania światła lampy oraz

podłączenia jej do systemu kontroli i sterowania.

2. Układy zasilające lampy wyładowcze

Każda lampa wyładowcza musi współpracować z dodatkowymi urządzeniami

włączonymi pomiędzy lampę i sieć. Urządzenia te umożliwiają zapłon lampy (są to tzw.

Zapłonniki) oraz ograniczają prąd lampy po zapłonie (są to tzw. Stateczniki). Najprostszy

układ lampy wyładowczej stanowi statecznik indukcyjny w postaci dławika z rdzeniem

żelaznym, połączonym szeregowo z lampą oraz zapłonnik termiczny, połączony równolegle

do elektrod lampy. W układach dwulampowych rolę statecznika pełni szeregowe połączenie

kondensatora i dławika. Takie układy połączeń, ze względu na długi okres ich stosowania

można nazwać tradycyjnymi, stosowane są one w wielu odmianach zwłaszcza w obwodach

świetlówek, są także najpopularniejsze w połączeniu z innymi lampami wyładowczymi.

Zupełnie odrębną grupę stanowią elektroniczne układy zapłonowo stabilizacyjne.

Zostały one wynalezione w związku z koniecznością stosowania prądu stałego do zasilania

świetlówek przede wszystkim w środkach komunikacji. Wraz z rozwojem elektroniki uległy

one rozpowszechnieniu zwłaszcza ze względu na podwyższenie sprawności układu i znajdują

zastosowanie przede wszystkim w obwodach świetlówek, zarówno liniowych jak

i kompaktowych.

Oprócz zapewnienia dobrej stabilizacji prądu i mocy lampy w warunkach zasilania

napięciem znamionowym przy odchyleniach napięcia od wartości znamionowej, statecznik

powinien spełniać następujące wymagania:

a) ograniczyć powstawanie wyższych harmonicznych prądu,

b) stanowić wysoką reaktancję dla częstotliwości stosowanych do celów przełączeniowych

(np. sterowanie częstotliwością akustyczną),

c) zapobiegać zakłóceniom radiowym powodowanym przez źródła światła,

d) zapewniać właściwe warunki zapłonu dla danej lampy w dużym zakresie wartości

temperatury otoczenia.

Z punktu widzenia wymagań producenta opraw i ich użytkownika, stateczniki

powinny mieć małe wymiary i masę, małe straty mocy czynnej, dużą trwałość i niski poziom

szumów akustycznych.

2.1. Lampy rtęciowe i rtęciowo – żarowe

Do zapłonu tych lamp nie są wymagane żadne urządzenia. Jednak w układzie

zasilającym wymagany jest dławik, połączony szeregowo z jarznikiem, który pełni rolę

statecznika ograniczającego natężenie prądu w obwodzie. Natomiast kondensator połączony

równolegle lampą służy do indywidualnej kompensacji mocy biernej pobieranej przez lampę,

podwyższając tym samym jej niski (0,5 – 0,6) współczynnik mocy. Schemat podłączenia

lampy rtęciowej przedstawiony jest na rysunku 2.1.

Dł

Rys. 2.1 Schemat połączeń lampy rtęciowej

W lampach rtęciowo – żarowych rolę statecznika spełnia żarnik. Stabilizuje

wyładowanie jarznika przy zapłonie i podczas pracy, specjalny statecznik (dławik) jest tu

niepotrzebny. Daje to tę korzyść, że lampa taka z odpowiednim trzonkiem może być

wkręcona do normalnej oprawy żarówkowej, bez potrzeby stosowania jakiegokolwiek

osprzętu dodatkowego.

2.2. Lampy z halogenkami metalu i niskoprężne lampy sodowe

Dla zapłonu tych lamp potrzeba napięcia szczytowego, które znacznie przewyższa

normalne napięcie sieci, a mianowicie dla lamp z halogenkami metalu wynosi ono

600 – 700 V, a dla niskoprężnej lampy sodowej 400 – 600 V. Zapłon dla obydwu typów tych

lamp można uzyskać z elektronicznego zapłonnika tyrystorowego przyłączonego pomiędzy

elektrody lampy.

Zapłonnik ten generuje szereg impulsów wysokiego napięcia o wymaganej wielkości,

a obwód elektroniczny wytłumia je po zapłonie lampy Na rysunku 2.2 pokazano sposób

połączenia obwodu lampy metalohalogenkowej z tzw. układem zapłonowym równoległym,

a na rys. 2.3 z układem zapłonowym szeregowo – równoległym.

Dł

TUZ

Rys. 2.2 Schemat połączeń lampy z układem zapłonowym równoległym

Dł

TUZ

Rys. 2.3 Schemat połączeń obwodu lampy z układem zapłonowym szeregowo – równoległym

Ponieważ napięcie zapłonu niskoprężnej lampy sodowej jest stosunkowo niskie,

można w jej obwodzie zastosować transformator rozproszeniowy, który jednocześnie pełni

funkcje statecznika indukcyjnego. Do niedawna był to obowiązujący układ połączeń,

ponieważ przy zastosowaniu niskoprężnych lamp sodowych napięcie robocze może w czasie

nagrzewania osiągnąć wysokie wartości i lampy o dużych mocach znamionowych mają nawet

napięcia robocze stale wyższe niż napięcie sieci. Jednakże, przez przekształcenie

indywidualnego przebiegu prądu lampy w przebieg o kształcie prostokątnym – jak to ma

miejsce w praktyce – można napięcie robocze lampy obniżyć do napięcia niższego od

napięcia sieci. Pozwala to zastosować zapłonnik elektroniczny z osobnym statecznikiem, przy

czym elektroniczny obwód, dający prostokątny przebieg prądu, jest integralną częścią

zapłonnika. W porównaniu z transformatorem rozproszeniowym zaletą tej kombinacji układu

zapłonowo – stabilizującego, zwanego niekiedy statecznikiem hybrydowym jest to, że obniża

on straty mocy, masę i wymiary gabarytowe urządzeń sterujących.

2.3. Wysokoprężne lampy sodowe

Dla uzyskania zapłonu, lampy te wymagają napięcia o wartości szczytowej około

3000 V; dlatego też do zapłonu sodówek stosowane są specjalne układy zapłonowe –

najczęściej elektroniczne. W kraju powszechnie stosowane są układy połączeń tych lamp

z aparaturą zapłonowo – stabilizacyjną analogiczne do pokazanych na rys. 2.2 i 2.3.

W wykonaniach zagranicznych zapłonnik nie jest czasami przyłączony bezpośrednio

do elektrod lampy, ale przez odczep uzwojenia dławika, które działa jak transformator

podwyższający dla impulsów zapłonowych podawanych z zapłonnika.

W pewnych typach wysokoprężnych lamp sodowych układ zapłonowy jest

wbudowany. Wtedy każda lampa jest wyposażona w łącznik bimetalowy, którego dokładna

funkcja jest zależna od producenta. Pewne typy lamp sodowych wysokiego ciśnienia

z wbudowanym zapłonnikiem mogą współpracować ze statecznikiem normalnych

wysokoprężnych lamp rtęciowych. Pozwala to zmodernizować stare instalacje oświetlenia

drogowego z lampami rtęciowymi bez podnoszenia kosztów na nowe urządzenia sterujące lub

– co dzieje się częściej – na nowe oprawy do wysokoprężnych lamp sodowych.

Znane są wykonania wysokoprężnych lamp sodowych ze specjalną wstęgą zapłonową

wokół jarznika, przez co uzyskuje się obniżenie napięcia zapłonu do ok. 180 V. Lampy takie

zapalają się bez pomocy zapłonników, ale ich skuteczność świetlna jest mniejsza o około 20%

od zwykłych sodówek.

3. Opis stanowiska do badania lamp wyładowczych

Stanowisko laboratoryjne do badania lamp wyładowczych składa się z tablicy głównej

i szafy goniometrycznej. Na tablicy głównej znajdują się:

1. Wyłącznik główny zasilania tablicy z bezpiecznikiem [WG]

2. Gniazdo zasilające autotransformator [AT] i inne urządzenie korzystające

w napięcia przemiennego 230V [~230 V]

3. Zaciski służące do zmiany konfiguracji układu zasilającego lampy

4. Kondensatory do kompensacji mocy biernej

5. Dławiki

6. Zapłonniki magnetyczne [UZ]

7. Zapłonniki elektroniczne [EUZ]

8. Wyprowadzone zaciski do podłączenia mierników laboratoryjnych

Załączenie układu następuje poprzez włączenie wyłącznika głównego. Załączenie

układu można przeprowadzić tylko poprzez autotransformator ustawiony na napięcie zerowe.

Autotransformator należy zasilać tylko z gniazda odpowiednia oznaczonego napisem

„Autotransformator”, drugie gniazdo jest nie zależne od wyłącznika głównego i wyłączenie

wyłącznika nie powoduje w nim zaniku napięcia.

Zmianę konfiguracji układu następuje poprzez połączenie ze sobą odpowiednich

zacisków na tablicy głównej. Na stanowisku laboratoryjnym możliwe jest badanie lamp:

rtęciowo – żarowych, rtęciowych wysokoprężnych, sodowych wysokoprężnych

i metalohalogenkowych o mocach od 50 do 250 wat. Badanie można przeprowadzać bez lub

z kompensacją mocy biernej. Kompensacji dokonuje się przez włączenie w układ kondensatora

kompensującego i załączenie włącznika W1 znajdującego się na tablicy głównej.

Na goniometrze umieszczone są: dwa zapłonniki elektroniczne [EUZ], zaciski do

zasilenia lampy, wyłącznik odcinający napięcie na lampie, głowica z podziałką kontową.

Wewnątrz goniometru znajduje się gniazdo do podłączenia oprawy z gwintem E27 lub E40.

W dolnej części znajduje się czujnik luksomierza.

Zapłonniki elektroniczne [EUZ] umieszczone są na goniometrze ze względu na

spełnienie wymogów technicznych dotyczących długości przewodów zasilających lampę,

których długość zazwyczaj nie powinna przekraczać 0,6 metra. Zapłonniki te stosuje się do

zasilania lamp metalohalogenkowych. Korzystając z takiego zapłonnika nie potrzeba stosować

innych urządzeń zewnętrznych, takich na przykład jak dławik, nie jest konieczna również

kompensacja mocy biernej ponieważ współczynnik mocy takich układów osiąga wartość

powyżej cosφ=97. Zasilenie tych układów podłączamy z zacisków L1 i N na tablicy głównej

i łączymy je z odpowiednimi zaciskami na przedniej części goniometru. Załączenie takiego

układu powinno następować wyłącznie przy napięciu znamionowym tj. U=230V. Praca przy

zbyt niskim napięciu zasilającym morze doprowadzić do trwałego uszkodzenia takiego

zapłonnika.

Uwaga: Zmiana konfiguracji układu, wymiana lampy, ustawienie lampy w osi obrotu

goniometru należy przeprowadzać zawsze przy odłączonym napięciu zasilającym oraz

wyłączonych wyłącznikach W1 i W2.

4. Przeprowadzenie badań, lamp wyładowczych.

Badania wyładowczych źródeł świetlnych będziemy przeprowadzać według następującego

schematu:

a) Dobór właściwego układu zasilania w zależności od rodzaju lampy

b) Określenie napięcia zapłonu i gaśnięcia lampy

c) Wyznaczenie charakterystyki zapłonu lampy

d) Wyznaczenie krzywej światłości

e) Wyznaczenie strumienia świetlnego i sprawności lampy

f) Wyznaczenie charakterystyk napięciowych lampy

g) Wykreślenie wykresów wektorowych prądów i napięć

Przed przeprowadzeniem badania lampy wyładowczej należ określić jej typ a także jej

parametry znamionowe. Podstawowe dane, znajdują się na samej lampie to jest typ lampy

i jej moc wyrażoną w watach, inne parametry między innymi pozycja pracy, pojemność

kondensatora kompensującego (jeśli jest zalecany), ewentualne uwagi dotyczące układu

zasilania należy odszukać w katalogu producenta lampy. Na podstawie tych informacji

możemy odpowiednio skonfigurować układ zasilający. Opis i przykłady schematów zasilania

różnych typów lamp przedstawiono w rozdziale drugim.

b) Napięciem zapłonu określamy takie minimalne napięcie, jakie wystękuje na zaciskach

lampy, przy którym występuje wyładowanie tlące. Pomiar tego napięcia przeprowadzamy

w układzie zasilającym z wykorzystaniem autotransformatora, (bądź innego urządzenia

pozwalającego na płynną regulację napięcia), zwiększając napięcie zasilające od zera aż do

zaobserwowania wyładowania w lampie. Badając lampę zasilaną poprzez statecznik

elektroniczny, nie badamy napięcia zapłonu, gdyż załączenie takiego układu na znacznie

obniżonym napięciu zasilającym mogłoby doprowadzić do uszkodzenia statecznika. Napięcie

gaśnięcia przeprowadzamy w analogiczny sposób, to znaczy, po ustaleniu się temperatury

w jarzka w lampie obniżamy napięcie zasilające układ od napięcia znamionowego aż do

momentu zgaśnięcia lampy.

Wyznaczenie charakterystyki zapłonu lampy przeprowadzamy przy znamionowym

napięciu zasilającym układ. Badanie to przeprowadzamy na zimnej lampie. Po załączeniu

układu mierzymy co pewien określony z góry czas, np. co 1min. napięcie na lampie, prąd

lampy i natężenie oświetlenia. Wyniki pomiaru można przedstawić za pomocą charakterystyk

U=f(t), I=f(t), E=f(t). Z charakterystyk zapłonu można odczytać czas pełnego zapłonu, tj.

czas po jakim lampa osiągnie swoją maksymalną moc świetlną.

d) Wyznaczenie

krzywej

światłości.

Światłość źródła światła w określonym kierunku jest to stosunek strumienia

świetlnego dФ wysyłanego przez to źródło światła w danym kierunku do kąta przestrzennego

dω obejmującego ten strumień. Definicja ta ma sens fizyczny tylko w przypadku źródeł

światła o bardzo małych wymiarach, takich by można je było uważać za punkt świecący.

[

[cd]

(1)

Pomiaru

światłości dokonujemy metodą pośrednią mierząc natężenie oświetlenia

E za

pomocą luksomierza i wykorzystując zależność

[lx]

(2)

stąd otrzymujemy

[cd]

(3)

gdzie

r – odległość czujnika luksomierza do źródła światła mierzona w metrach, w

ćwiczeniu czujnik oddalony jest do lampy o r=1,49 m.

pomiaru

światłości źródeł światła w różnych kierunkach wykorzystuje się

goniometr. Pomiar przeprowadza się przy znamionowym napięciu zasilającym układ

ustalonej temperaturze jarznika lampy odczytując wskazania luksomierza dla poszczególnych

odchyleń kątowych. Przeprowadzając to badanie należy pamiętać o przestrzeganiu

dopuszczalnych pozycji pracy badanej lampy.

e) Wyznaczenie

całkowitego strumienia świetlnego i sprawności lampy.

Do wyznaczenia strumienia świetlnego i sprawności lampy korzystamy z wyników pomiaru

badania krzywej rozsyłu.

W pierwszym etapie wyznaczamy średnią światłość w poszczególnych przedziałach

kątowych korzystając z zależności

(

)

śr

[cd]

(4)

gdzie:

; E

α+1

natężenie oświetlenia dla poszczególnych kolejnych odchyleniach kątowych;

Następnie wyznaczamy kąty przestrzenne ∆ω dla poszczególnych przedziałów kątowych

(

)

cos

−

∆

[sr]

(5)

mając wyznaczoną średnią światłość I

śr

i kąty przestrzenne ∆ω możemy obliczyć strumienie

świetlne strefowe

śr

∆

∆Φ

[lm]

(6)

sumując wszystkie strumienie strefowe otrzymujemy całoprzestrzenny strumień świetlny

źródła wyrażony w lumenach :

∑

∆Φ

[lm]

(7)

Aby wyznaczyć strumień świetlny dla innych wartości napięcia należy posłużyć się

przybliżoną zależnością

[lm]

(8)

gdzie:

– całkowity strumień świetlny wyznaczony z pomiaru krzywej światłości

– natężenie oświetlenia przy napięciu znamionowym U

=230V

–

natężenie oświetlenia dla danej wartości napięcia zasilającego

Dla wyliczenia sprawności układu w lumenach na wat należy zmierzyć pobór mocy

układu i całoprzestrzenny strumień świetlny lampy. Ponieważ dla ustalenie się wartości

napięć, prądów i strumienia świetlnego konieczne jest ustalenie się temperatury lampy, to też

odczyt z przyrządów pomiarowych powinien nastąpić po około 15 minutach. Pobór mocy

układu określony jest przez wzór.

=UI

cosφ

[W]

(9)

Wartość napięcia U odczytamy z woltomierza V

(patrz rys. 3.1). Prąd i płynący przez

układ zasilający i lampę odczytamy z amperomierza A

.Wspułczynnik mocy cosφ obwodu

lampy wyznaczymy z zależności

cos

(11)

gdzie P jest to moc czynna odczytana z watomierza W

. A zatem sprawność lampy wraz

z układem zasilającym jest równy

[lm/W]

(12)

Wyznaczenie charakterystyk napięciowych lampy

Wyznaczenie charakterystyk napięciowych lamp wyładowczych dokonujemy poprzez

regulowanie napięcia zasilającego układ w granicach ±7% napięcia znamionowego, tj. od

215V do 245V, sczytując wskazania mierników. Wyniki pomiarów przedstawiamy w formie

wykresów funkcji I=f(U); P=f(U); E=f(U) cosφ=f(U); η=f(U)

5. Program ćwiczenia

Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy zapoznać się ze stanowiskiem

i lampą podaną do badania przez prowadzącego laboratorium.

5.1 Badanie Lampy rtęciowo – żarowowej

Połączyć układ do badania lampy rtęciowo – żarowej jak na rys.5.1

Określić napięcie zapłonu, napięcie gaśnięcia, czas zapłonu, wyznaczyć

charakterystykę zapłonu, zbadać wpływ zmian napięcia zasilającego na parametry świetlne

lampy, czas ponownego zapłonu, wyznaczyć krzywą światłości kierunkowej oraz obliczyć

całkowity strumień świetlny. Wyniki pomiarów zanotować w odpowiednich tabelach.

Rys. 5.1 Układ pomiarowy do badania lampy rtęciowo – żarowej

Tabela 1 do wyznaczenia charakterystyki zapłonu

V1 A2

V3 V4

OSRAM

1
2

Źródło światła

t U1 I1 E

min V A lx

Tabela 2 do wyznaczenia charakterystyk napięciowych

I1 U1 P1 E I Φ

η cosφ

A V W lx cd lm

Lm/W

Napięcie zapłonu

=………V

Napięcie gaśnięcia

=………V

Czas zapłonu

=………min

Czas powtórnego zapłonu t

=………min

Tabela 3 do wyznaczenia krzywej światłości

I1 U2 P1 α E I I

śr

∆Φ

A V W

lx cd cd sr lm

5.2 Badanie lampy rtęciowej

Połączyć układ do badania lampy rtęciowej jak na rys. 5.2 odpowiednio dobierając

wartości kondensatora i dławika.

Określić napięcie zapłonu, napięcie gaśnięcia, czas zapłonu, wyznaczyć

charakterystykę zapłonu, zbadać wpływ zmian napięcia zasilającego na parametry świetlne

lampy, określić rozpływ prądów, rozkład napięć, sporządzić bilans energetyczny, czas

ponownego zapłonu. Wyznaczyć krzywą światłości kierunkowej oraz obliczyć całkowity

strumień świetlny Wyniki pomiarów zanotować w tabeli.

Rys.5.2 Układ pomiarowy do badania lampy rtęciowej

Tabala 4 do wyznaczenia charakterystyki zapłonu

t U3 I3 E

min V A lx

Pomiary wykonać z kompensacją mocy biernej i bez kompensacji

C=……µF

Tabela 5 do wyznaczenia charakterystyk napięciowych

I1 U1 P1 I2 U2 P2 I3 U3 P3 E Φ

η cosφ

Lp.

A V W A V W A V W lx lm

Lm/W

Napięcie zapłonu

=………V

Napięcie gaśnięcia

=………V

Czas zapłonu

=………min

Czas powtórnego zapłonu t

=………min

Tabela 6. do wyznaczenia krzywej światłości

I1 U2 P1 α E I I

śr

∆Φ

A V W

lx cd cd sr lm

V1 A2

V3 V4

OSRAM

1
2

Źródło światła

5.3. Badanie lamp sodowych i lamp metalohalogenkowych

zależności od rodzaju lampy dobrać odpowiedni układ zasilający lampę (rys. 5.3;

rys. 5.4). Lampę metalohalogenkową badać w dwóch różnych konfiguracjach układu

zasilającego.

Uwaga:

lampa SityLight DS-E 80W pracuje tylko ze specjalnym elektronicznym

układem zapłonowym OSRAM POWERTRONIC PT-DS 80/230-240

Zbadać wpływ zmian napięcia zasilającego na parametry świetlne lampy. Wyznaczyć

charakterystykę zapłonu. Określić napięcie i czas zapłonu. Zasilając lampę napięciem

znamionowym sporządzić rozpływ prądów i rozkład napięć i bilans napięć, oraz krzywą

rozsyłu światła oraz obliczyć całkowity strumień świetlny Określić czas ponownego zapłonu.

Pomiary zanotować w tabeli.

Rys. 5.3 Układ pomiarowy do badania lamp sodowych wysokoprężnych i

metalohalogenkowych (układ z zapłonnikiem magnetycznym UZ)

Rys. 5.4 Układ pomiarowy do badania lamp metalohalogenkowych (układ z zapłonnikiem

elektronicznym EUZ)

V1 A2

V3 V4

OSRAM

1
2

Źródło światła

V1 A2

V3 V4

OSRAM

1
2

Źródło światła

Tabela 7 do wyznaczenia charakterystyki zapłonu

t U3 I3 E

min V A lx

C=……µF

Tabela 8. do wyznaczenia charakterystyk napięciowych

I1 U1 P1 I2 U2 P2 I3 U3 P3 E Φ

η cosφ

Lp.

A V W A V W A V W lx lm

Lm/W

Napięcie zapłonu

=………V

Napięcie gaśnięcia

=………V

Czas zapłonu

=………min

Czas powtórnego zapłonu t

=………min

Pomiary wykonywać w pełnym zakresie kontowym goniometru.

Tabela 9. do wyznaczenia krzywej światłości

I1 U2 P1 α E I I

śr

∆Φ

A V W

lx cd cd sr lm

6. Sposób opracowania wyników badań

Dla wszystkich badanych lamp należy wykreślić charakterystyki zapłonu: I=f(t);

U=(t); I=f(t).

Sporządzić wykres światłości kierunkowej we współrzędnych biegunowych.

Wyznaczyć charakterystyki napięciowe: I=f(U); P=f(U); η=f(U); E=f(U); cosφ=f(U).

Scharakteryzować zastosowanie poszczególnych rodzajów lamp.

7. Wykaz literatury

1. Zbigniew Grabowski, Henryk Szypowski „Oświetlenie elektryczne” wydanie II,; PWN;

Warszawa 1969r

2. Katalog; Źródła światła – program produkcji 2003/2004 OSRAM

3. Mieczysław Banach „Oświetlenie elektryczne” WPW Wydawnictwa Politechniki

Warszawskiej; Warszawa 1970

4. Andrzej Pawlak „Elektroinstalator Dodatek – Informator światło; Charakterystyka

elektrycznych źródeł światła”

5. Józef Dąbrowski „Zarys historii oświetlenia”;

Światło

Środowisko

nr 2, (lato), 1994r

6. Jan Grzonkowski „Źródła światła – rozwój, stan aktualny” Przegląd Elektrotechniczny nr

6, 2002r

7. Dariusz Szumny „Lampy rtęciowe – charakterystyka” Instalacje elektryczne nr 10, 1995r

8. Zbigniew Gabryjelski „Sieci i urządzenia oświetleniowe” Wydawnictwo Politechniki;

Łódź 1997r

9. Dariusz Szumny „Lampy rtęciowo – żarowe” Instalacje elektryczne nr 10; 1995r

10. Lucyna Hemka „Elektryczne źródła światła” Nowa elektrotechnika nr 9; 2004r

11. Tadeusz Oleszyński „Miernictwo techniki świetlnej”; PWN; Warszawa 1957r