- 2 -

U

f

B

Rys. 1. Konstrukcje lamp metalohalogenkowych: a) jednostronnie trzonkowane, b) dwu-

stronnie trzonkowane, c) do natychmiastowego powtórnego zapłonu

U

Uo= const

Rys. 2. Typowa charakterystyka lampy wyładowczej

W nowoczesnych konstrukcjach stosowane są wszelkiego rodzaju osłony ter-

miczne, które ograniczają zmiany temperatury jarznika podczas pracy lampy.

Podobnie jak w innych wysokoprężnych lampach wyładowczych lampa meta-

lohalogenkowa wymaga użycia układu zapłonowego do zapłonu lampy. Wyładow-

- 3 -

cze źródła światła mają tzw. „ujemną" (opadającą) charakterystykę zewnętrzną

(rys.2).

Oporność wewnętrzna lampy R = U

L

: II maleje ze wzrostem prądu płynącego

przez lampę. Bezpośrednie włączenie lampy na napięcie sieci spowodowałoby zatem

ciągły i nieograniczony wzrost prądu płynącego przez lampę, a w rezultacie znisz-

czenie lampy.

Z tego względu każda lampa wyładowcza musi być zaopatrzona w dodatkowe

urządzenia ograniczające nadmierny wzrost prądu i ustalające jego wartość na wy-

branym dla danego typu lampy poziomie (tzw. statecznik lub stabilizator). Mogą one

posiadać dodatkowo zainstalowany kondensator równoległy, który poprzez indywi-

dualną kompensację mocy biernej poprawia stosunkowo niski współczynnik mocy

układu.

1.2. BUDOWA I ZASADA DZIAŁANIA LA MP ME TA I.OIIA LOG EN KO WY CII

Budowę lampy metalohalogenkowej przedstawiono na rys. 3. Składa się ona z

następujących zasadniczych części:

1. Rura wyładowcza (jarznik).

Rura wyładowcza jest głównym elementem lampy. Wykonana jest ze szkła kwar-

cowego. Czasami stosowana jest biała warstwa tlenku cynku w celu zwiększenia

temperatury barwowej światła. Szkło kwarcowe do produkcji jarzników powinno

być wysokiej jakości.

2. Elektrody.

Elektrody lamp metalohalogenkowych podobne są do elektrod stosownych w wy-

sokoprężnych lampach rtęciowych.

3. Bańka zewnętrzna.

Podobnie jak w lampach rtęciowych dużej mocy bańka zewnętrzna lamp typu HPI,

HPI-T oraz MHN-T wykonana jest z mocnego szkła, przezroczystego lub pokry-

tego od wewnątrz luminoforem. Lampy dwustronnie trzonkowane MHN-TD oraz

M1IW-TD posiadają bańkę zewnętrzną wykonaną ze szkła kwarcowego, lampy

- 4 -

MHD w ogóle nie posiadają bańki zewnętrznej. Wewnętrzna powierzchnia bańki

może być pokryta luminoforem, który przetwarza promieniowanie ultrafioletowe

pochodzące z wyładowania na promieniowanie widzialne.

4. Gaz wypełniający.

Jarznik wypełniony jest mieszaniną gazów inercyjnych (neon i argon lub krypton -

argon), określoną dawką rtęci i odpowiednimi związkami metali w zależności od

typu lampy.

Bańka zewnętrzna lamp metalohalogenkowych, których jarznik wypełniony jest

mieszaniną neonu i argonu, musi być również wypełniana neonem.

Jeżeli jarznik wypełniony jest mieszaniną krypton - argon, w bańce zewnętrznej

może być zastosowany azot, bądź może być próżnia.

5. Trzonki lampy.

Zwykle stosuje się trzonki gwintowane E40, typowe dla żarówek za wyjątkiem

lamp dwustronnie trzonkowanych. Lampy MHN-T posiadają specjalne zamoco-

wania dla zapewnienia odpowiedniej pozycji świecenia.

Elektrody główne zatopione są w dwóch końcach rury wyładowczej. Pokryte

są tzw. emiterem, czyli substancją ułatwiającą emisję elektronów. Obok elektrod

głównych zatopione są elektrody pomocnicze połączone szeregowo z opornikiem

regulującym wartość prądu zapłonu. Rura wyładowcza umocowana jest za pomocą

konstrukcji wsporczej bańki zewnętrznej. Bańka zewnętrzna stanowi izolację ter-

miczną rury wyładowczej.

Ujemna charakterystyka lampy wyrażająca się obniżeniem się napięcia na

lampie w miarę wzrostu prądu wymaga zastosowania dławika, który ma za zadanie

stabilizację wyładowania i utrzymanie wartości prądu na poziomie odpowiadającym

znamionowej mocy lampy. Zwykle nie jest konieczne znalezienie indywidualnych

układów stabilizujących dla różnych typów lamp wyładowczych pracujących na na-

pięciu 230 V. W ten sposób w promiennikach trójpasmowych (HPI) stosuje się te

same układy, co w wysokoprężnych lampach rtęciowych, podczas gdy lampy zawie-

- 5 -

rające pierwiastki metali ziem rzadkich (MHN-T, MHN-TD) oraz MHW-TD dobrze

działają przy układach stosowanych w wysokoprężnych lampach sodowych.

Rys. 3. Schemat budowy lampy metalohalogenkowej typu HPI

W układzie zasilania lampy metalohalogenkowej znajduje się układ zapłono-

wy. Ponieważ napięcie uzyskiwane z dławika jest niewystarczające do zapłonu lam-

py konieczne są dodatkowe urządzenia wspomagające zapłon - elektroniczne układy

zapłonowe. Jedynie lampy skandowe i kilka mniejszych trójpasmowych typów ta-

kich jak HPI 400W BUS mogą startować bez układu zapłonowego a jedynie przy

pomocy elektrody pomocniczej.

Stosowane obecnie układy zapłonowe dla wysokoprężnych lamp wyładow-

czych omówiono w rozdziale 1.3.

Stabilizacja wyładowania w lampach metalohalogenkowych trwa krócej niż w

lampach rtęciowych. Wartości napięcia i prądu osiągają swe wartości znamionowe

po kilku minutach od chwili zapłonu (rys. 4). Po pierwszym zgaszeniu lampy ciśnie-

nie panujące w rurze wyładowczej jest zbyt duże do zapewnienia ponownego zapło-

- 6 -

nu na istniejącym napięciu. Ponowny zapłon lampy jest możliwy dopiero po 5 do 20

minutach, zależnie od szybkości stygnięcia jarznika.

o / o

160

4 1 4 0

I 1 2 0

1 0 0

80

60

4 0

20

0

Rys. 4. Zachowanie podczas rozruchu lampy ITPI-(T)

gdzie: W|

a

- moc lampy,

Via - napięcie lampy,

Ii

a

- prąd lampy,

O - strumień świetlny.

W lampach z pierwiastkami metali ziem rzadkich (dysproz lub ind) dwustron-

nie trzonkowanych o specjalnej konstrukcji jednego z trzonków, istnieje możliwość

natychmiastowego zapłonu po krótkiej przerwie w przepływie prądu (na przykład po

awarii sieci zasilającej) po przyłożeniu impulsu napięciowego o wartości 30 - 60 kV.

Lampy metalohalogenkowe są bardziej wrażliwe na zmiany napięcia zasilają-

cego niż lampy rtęciowe (rys. 5). Zmiana napięcia o ± 10% powoduje zmianę tempe-

ratury barwowej. Poza tym wzrost napięcia zasilającego powyżej U

r

zmniejsza

trwałość lampy.

\

\

/

/

/ /

/ ,

F /

/

/

/ I

w,„

/

/ /

"J

/

/

/

•

'O

1

2 3 4

c z a s w m i n . • — •

70

92 100 106

napięcie zasilania w %

Rys. 5. Wpływ wahań napięcia roboczego na parametry lampy metałohalogenkowej typu HPI

Lampy metalohalogenkowe dostępne są w wielu odmianach:

• dwustronnie trzonkowane,

• jednostronnie trzonkowane.

Na badanym stanowisku wykorzystano lampę dwustronnie trzonkowaną typu

MHN-TD.

1.3. PRZEGLĄD UKŁADÓW ZAPŁONOWYCH

Obecnie stosowane są cztery typy układów zapłonowych dla wysokoprężnych

lamp wyładowczych (HID). Na rysunku 6 przedstawiono cztery typy układów zapło-

nowych stosowanych zarówno w lampach rtęciowych, sodowych jak i metalohalo-

genkowych.

- 8 -

a)Bez zapłonnika

JJF-FYYYYY

F

/1\

HP
HPL

i>) Układ równoległy

f

F

HPI
SON-I

(SOX)

W

C)

Układ szeregowo-ró^ioległy d> Układ szeregowy ^

^

T

^

M COM ^ Y Y Y Y y r - i

MH

SON-E

HPA

0=)

CDM
MH

SON-E
HPA

y

Rys. 6. Układy zapłonowe HID: a) bez zapłonnika, b) równoległy, c) szeregowo - równołegły,

d) szeregowy

Oprócz konwencjonalnych układów zapłonowych (statecznik + zapłonnik)

stosowane są również elektroniczne układy zapłonowe. Układ elektroniczny zastę-

puje tradycyjną anodę zapłonową i kondensator.

L/-

N f -

/ J \

La

Rys. 7. Układ pracy lampy przy zastosowaniu układu elektronicznego

Najważniejszymi cechami tych układów są:

• eliminacja pulsowania strumienia świetlnego,

• eliminacja wahań sieci zasilającej,

• mały rozmiar i ciężar.

Dla lamp metalohalogenkowych stosowane są przeważnie dwa konwencjonal-

ne układy: układ szeregowo - równoległy i szeregowy (rys. 6 c, d).

- 9 -

Zaletami technicznymi układu szeregowego jest niezależność działania dławi-

ka i zapłonnika.

Wadami natomiast są:

• straty mocy na zapłonniku,

• dławik i zapłonnik wymagają osobnej ochrony przeciw efektom końca trwałości

lampy,

• zapłonnik buczy (cewka).

Do zalet układu szeregowo - równoległego możemy zaliczyć:

• minimalny pobór mocy przez zapłonnik,

• zapłonnik się nie nagrzewa,

• wyższa dopuszczalna temperatura otoczenia zapłonnika,

• wystarczająca odległość pomiędzy lampą i układem,

• cichy zapłonnik,

• zapłonnik nie jest narażony na efekty końca trwałości lampy.

Układ ten wykorzystano w zaprojektowanym stanowisku laboratoryjnym. Jest

to układ zalecany przez firmę Philips dla lamp SON i lamp metalohalogenkowych.

W celu zapewnienia stabilności pracy lampy pracującej na stateczniku kon-

wencjonalnym zaleca się, aby napięcie zasilania nie wahało się więcej niż ± 5% od

napięcia znamionowego statecznika.

LITERATURA

1. Grabowski Z., Szypowski H.: Oświetlenie elektryczne. Warszawa, PWN 1972.

2. Lighting manuał. Philips Lighting. Philips International B. V., 1993 (Wyd. 5).

3. Technika świetlna. Poradnik - informator. Praca zbiorowa pod redakcją Przewod-

niczącego PKOSw. dr inż. Jana Grzonkowskiego. Warszawa, 1996.

- 10-

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA

2.1. DANE ZNAMIONO WE LAMPY

Określić moc lampy oraz jej moc znamionową.

2.2. UKŁAD POŁĄCZEŃDO POMIARÓW

Rys. 8. Układ połączeń do badania lampy metalohałogenkowej

Oznaczenia:

L

a

- lampa metalohalogenkowa typu MHN-TD,

S - statecznik (dławik),

Pi P2 - przełączniki Pi i P

2

służące do odpowiednich przełączeń obwodu w celu uzyskania

odpowiednich pomiarów mocy i napięcia,

Przełącznik Pi w pozycji A - moc układu,

B - moc lampy,

Przełącznik P2 w pozycji A - napięcie układu zapłonowego,

B - napięcie dławika,

,0 - napięcie lampy.

- 1 1 -

2.3. WYKONANIE POMIARÓW

2.3.1. Przygotowanie układu

Ustawić luksomierz w odpowiednim miejscu tak, aby jego ogniwo fotoelek-

tryczne skierowane było w stronę lampy.

UWAGA: Właściwy pomiar powinien odbywać się bez wpływu obcych źródeł świa-

tła, jak również bez wpływu strumienia rozproszenia odbitego od otocze-

nia. W przypadku występowania w pomieszczeniu trudnych do wyelimi-

nowania obcych źródeł (np. oświetlenie ogólne laboratorium), luksomierz

wskazuje przy pomiarze natężenie oświetlenia będącego sumą dwu natę-

żeń:

E = E' + E

0

Należy wówczas przed właściwymi pomiarami zmierzyć natężenie

oświetlenia E

0

pochodzące od obcych źródeł światła i panujące w miejscu

pomiarów. Wtedy natężenie E' pochodzące od badanego źródła światła

wynosi:

E' = E - E

0

UWAGA: Przy pomiarach mocy (P) należy uwzględnić, że watomierz wskazuje su-

mę mocy pobieranej przez źródło światła i mocy pobieranych przez mier-

niki.

W układzie jak na rys. 8, watomierz wskazuje sumę mocy pobieranej przez lampę, i

w watomierzu (Pw)- Znając oporności wewnętrzne przyrządów, można wyznaczyć

P

w

, co pozwoli na dokonanie korekty wyników pomiarów.

2.3.2. Pomiary podczas rozruchu

a) Wyłączniki Wi, W2 i W

3

zamknięte. Przy pomocy autotransformatora nastawiamy

na woltomierzu Vi napięcie 220 V. Następnie należy zamknąć wyłącznik

W4, roz-

poczynając od tej chwili pomiar czasu. Zanotować wskazania amperomierza (I),

watomierza (P), woltomierza (V

2

) i luksomierza (E), bezpośrednio po zamknięciu

- 12 -

W4 oraz w kolejnych odstępach czasu, np. co 10 czy 15 s. Osiągnięcie przez lampę

strumienia znamionowego sygnalizuje ustalenie się wskazań amperomierza (jak i

luksomierza).

Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 1.

Tablica 1

Lp.

I

P

U

E

[A]

[W]

[V]

[lx]

1

2

Zmieniając położenie przełączników Pi i P2 należy wyznaczyć moc lampy, układu

oraz napięcie lampy, układu zapłonowego i dławika,

b) Otworzyć wyłącznik W

t

i zaraz zamknąć go ponownie. Od momentu zamknięcia

Wi należy rozpocząć pomiar czasu i w kolejnych odstępach czasu notować wska-

zania amperomierza, watomierza, woltomierza (V

2

) i luksomierza, aż do ustalenia

się wskazań amperomierza (oraz luksomierza). Pomierzyć czas od momentu po-

nownego włączenia lampy do momentu jej zapłonu.

Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 1.

2.3.3. Pomiary w normalnym stanie pracy

Nie gasząc lampy (wyłączniki W

2

, W

3

, W

4

zamknięte) należy podwyższać na-

pięcie do 250 V, odczekać do czasu ustalenia się wielkości mierzonych i zanotować

wskazania przyrządów (watomierza, amperomierza, woltomierza i luksomierza). Na-

stępnie obniżać kolejno napięcie do 180 V i każdorazowo po ustaleniu się wielkości

mierzonych zanotować wskazania przyrządów jak poprzednio.

Napięcia zmieniamy co 5 V.

- 13-

Wyniki pomiarów zamieścić w tablicy 2.

Tablica 2

Pl

Pu

Uzas

łzas

U

L

Ud.

U

uz

E

W

W

V

A

V

V

V

lx

Zmieniając kolejno pozycje przełączników Pi i P

2

wyznaczamy moc lampy,

układu i odpowiednio napięcie dławika, lampy i układu zapłonowego.

2.3.4. Oscylografowanie prądów i napięć

Przed rozpoczęciem oscylografowania należy ustawić oscyloskop na najmniej-

szą czułość.

Zdjąć oscylogramy:

a) prądu zasilającego układ przy włączonym i wyłączonym kondensatorze,

b) napięcia na lampie, zwrócić uwagę na wpływ kondensatora na przebieg napięcia.

- 14-

3. OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

1. Przedstawić na wspólnym wykresie zależności: P = f(t); I = f(t); U = f(t); O = f(t)

po pierwszym i po powtórnym włączeniu lampy (p. 2.3.2. a, b).

2. Przedstawić na wspólnym wykresie zależności: P = f(U); I = f(U); O = f(U); U l =

f(U

s

) (p. 2.3.3.).

3. Wyznaczyć czas, po jakim lampa osiąga strumień znamionowy po pierwszym i po

powtórnym jej włączeniu oraz czas od powtórnego załączenia napięcia do zapłonu

lampy.

4. Podać napięcie zapłonu lampy (w woltach i w procentach napięcia znamionowe-

go)-

5. Wyciągnąć wnioski z oglądanych na oscyloskopie przebiegów napięć i prądów.

6. Uwagi i wnioski z wykonywanego ćwiczenia.