60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
60-965 Pozna!
Grupa: Elektrotechnika, sem 3., wersja z dn. 04.10.2011
ul.Piotrowo 3a
Podstawy Techniki Åšwietlnej
tel. [phone]
Laboratorium
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Ćwiczenie nr 2
Grupa: Elektrotechnika, sem 3., wersja z dn. 01.10.2007
Temat: POMIAR STRUMIENIA ŚWIETLNEGO ŻARÓWEK I ZINTEGROWANYCH
Technika "wietlna
ŚWIETLÓWEK KOMPAKTOWYCH.
Laboratorium
Opracowanie wykonano na podstawie następującej literatury:
#wiczenie nr 3
1). Laboratorium z techniki świetlnej (praca zbiorowa pod redakcją Władysława Golika). Skrypt nr 1792. Wydawnictwo
Temat: POMIAR STRUMIENIA !WIETLNEGO I WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK
Politechniki Poznańskiej, Poznań 1994.
2). Bąk J., Pabiańczyk W.: Podstawy techniki świetlnej. Wydawnictwo Politechniki A
ódzkiej, A
ódz
1994.
NAPI"CIOWYCH #ARÓWEK
3). PN-90/E-01005 Technika świetlna. Terminologia.
Opracowanie wykonano na podstawie nast$puj%cej literatury:
1). Laboratorium z techniki &wietlnej (praca zbiorowa pod redakcj% Władysława Golika). Skrypt nr 1792. Wydawnictwo
1. PODSTAWOWE WIADOMOÅšCI
Politechniki Pozna!skiej, Pozna! 1994.
2). B%k J., Pabia!czyk W.: Podstawy techniki &wietlnej. Wydawnictwo Politechniki A
ódzkiej, A
ód' 1994.
Strumień świetlny (Ś; jednostka: lumen [lm]) to wielkość wyprowadzona ze strumienia energetycznego
przez ocenę działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIEA.
Strumień energetyczny (strumień promienisty; Śe, P; jednostka: wat [W]) to moc wysyłana, przenoszona
1. STRUMIE( "WIETLNY
lub przyjmowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
Strumie$ %wietlny (!; jednostka: lumen [lm]) to wielko&) wyprowadzona ze strumienia energetycznego
przez ocen$ działania promieniowania na normalnego obserwatora fotometrycznego CIE A.
Względna widmowa skuteczność świetlna V(). Czułość widmowa oka nie jest jednakowa u każdego
obserwatora. Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa (CIE) w 1924 roku przyjęła na podstawie licznych
Strumie$ energetyczny (strumie! promienisty; !e, P; jednostka: wat [W]) to moc wysyłana, przenoszona
pomiarów wielu obserwatorów krzywą względnej widmowej skuteczności świetlnej dla  normalnego
lub przyjmowana w postaci promieniowania elektromagnetycznego.
obserwatora . W ten sposób uzyskano jednolitą skalę oceny dla wszystkich wielkości w technice świetlnej.
Obserwator fotometryczny CIE normalny to idealny obserwator, którego krzywa wzgl$dnej czuło&ci
Obserwator fotometryczny CIE ") dla widzenia fotopowego (dziennego) lub funkcj% V (") dla widzenia
normalny to idealny obserwator, którego krzywa "względnej czułości
widmowej jest zgodna z funkcj% V(" ""
""
widmowej jest zgodna z funkcjÄ… V() dla widzenia fotopowego (dziennego) lub funkcjÄ… V () dla widzenia
skotopowego (nocnego).
skotopowego (nocnego). Wprowadzenie pojęcia obserwatora normalnego umożliwia m.in. dokonywanie
Wzgl&dna widmowa skuteczno%' %wietlna V(") odpowiada przyj$tej przez CIE wzgl$dnej widmowej
"
""
pomiarów świetlnych bez udziału oka, jeżeli tylko zastosuje się odbiornik (głowicę pomiarową), którego
skuteczno&ci &wietlnej przeci$tnego oka ludzkiego.
widmowa czułość odpowiada krzywej V().
1.0
0.8
V( )
"
"
V'( ) ""
"
"
""
0.6
0.4
0.2
0.0
" [nm]
380 480 580 680 780
507 555
Rys. 1. Wzgl$dna widmowa skuteczno&) &wietlna.
Rys. 1. Względna widmowa skuteczność świetlna dla widzenia fotopowego i skotopowego
Strumień świetlny może być obliczony z następującej zależności:
Strumie! &wietlny mo*e by) obliczony z nast$puj%cej zale*no&ci:
780nm
(1)
Åš = Km Å"
780nm
e
+"dÅš () Å" V() Å" d (1)
! = Km 380nm e(") # V(") # d"
#
!d!
380nm
gdzie: 380nm ÷ 780nm - zakres widzialny promieniowania elektromagnetycznego; Km - najwiÄ™ksza wartość
gdzie:
skuteczności świetlnej (Km=683 [lm/W]); [W] - rozkład widmowy strumienia energetycznego, moc
dÅše()
promienista widmowa z zakresu długości fali pomiędzy  a  + d
380nm ÷ 780nm - zakres widzialny promieniowania elektromagnetycznego,
Km - najwi$ksza warto&) skuteczno&ci &wietlnej, Km=683 [lm/W]
d!e(") [W] - rozkład widmowy strumienia energetycznego, moc promienista widmowa z zakresu długo&ci
A
fali pomi$dzy " a " + d"
CIE (Commission Internationale de l Eclairage) Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa
1
A
CIE (Commission Internationale de l Eclairage) Mi$dzynarodowa Komisja O&wietleniowa
1
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
2. POMIAR STRUMIENIA ÅšWIETLNEGO W LUMENOMIERZU
Pomiar strumienia świetlnego wykonuje się w lumenomierzu kulistym poprzez porównanie strumienia
badanego z
ródła ze strumieniem wzorca (rys. 2). Kula fotometryczna lumenomierza jest światłoszczelnie
zamkniętą przestrzenią, pokryta wewnątrz białą, nieselektywna i rozpraszającą farbą. Wartość
współczynnika odbicia powierzchni kuli Á B decyduje o wielkoÅ›ci bÅ‚Ä™dów pomiarowych. Przyjmuje siÄ™, że
bÅ‚Ä™dy te sÄ… najmniejsze jeżeli wartość współczynnika odbicia wynosi ok. Á=0.8.
Rys. 2. Lumenomierz kulisty (tzw. kula Ulbrichta), schemat ideowy lumenomierza kulistego: Zw  wzorcowe z
ródło
światła, Zx  badane z
ródło światła, P  przesłona, A  okno pomiarowe, Iłc - światłość z
ródła światła w kierunku ł,C.
y
ródło światła o bryle fotometrycznej Iłc C umieszczone w środku lumenomierza o promieniu R (rys. 2) w
odległości a wytwarza na elemencie powierzchni dS natężenie oświetlenia E1:
IÅ‚c
E1 = Å" cos¸ (2)
a2
Suma po powierzchni kuli tych natężeń oświetlenia jest strumieniem całoprzestrzennym z
ródła światła.
Åš0
PadajÄ…cy na powierzchniÄ™ kuli strumieÅ„ zostaje w iloÅ›ci Ä… Å" Åš0 D Á Å" Åš0
pochłonięty i w ilości odbity.
Åš0
Strumień odbity, przy założeniu odbicia lambertowskiego (idealnie rozproszonego), pada równomiernie na
całą powierzchnię kuli i ponownie zostaje odbity w ilości . Wskutek wielokrotnie występujących odbić
Á2 Å" Åš0
cały odbity strumień ma wartość:
ÅšÁ
Á
ÅšÁ = Á Å" Åš0 + Á2 Å" Åš0 + Á3 Å" Åš0 + ... = Åš0 Å" (3)
1- Á
Natężenie oświetlenia E2 wytworzone przez strumień odbity obliczane jest z zależności:
ÅšÁ
Åš0 Á
E2 = Å" (4)
4 Å" Ä„ Å"R 1- Á
Sumaryczne natężenie oświetlenia E na poszczególnych elementach powierzchni kuli jest sumą składowej
bezpośredniej E1 i odbitej E2:
IÅ‚c
Åš0 Á
E = Å" cos¸ + Å" (5)
4 Å" Ä„ Å"R 1- Á
a2
B
Á - współczynnik odbicia strumienia Å›wietlnego to stosunek strumienia Å›wietlnego odbitego do strumienia Å›wietlnego
padajÄ…cego na danÄ… powierzchniÄ™.
C
Iłc - światłość kierunkowa wyrażona w kandelach [cd] to stosunek strumienia dŚ rozchodzącego się w elementarnym
kÄ…cie bryÅ‚owym dÉ do wartoÅ›ci tego kÄ…ta, charakteryzuje sposób rozchodzenia siÄ™ strumienia z
ródła światła w
przestrzeni.
D
ą  współczynnik pochłaniania strumienia świetlnego.
2
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Jeżeli w lumenomierzu przed oknem pomiarowym A wstawić przesłonę P, to dla elementu A powierzchni kuli
eliminuje się składową bezpośrednią E1, zależną od kształtu bryły fotometrycznej z
ródła światła oraz od jej
położenia w kuli. Wtedy natężenie oświetlenia EA w oknie pomiarowym A będzie równe składowej odbitej E2,
której wartość jest proporcjonalna do strumienia z
ródła światła:
Åš0
(6)
EA = k Å" Åš0
Jeżeli zawiesi się w tym samym miejscu w lumenomierzu kolejno z
ródło mierzone ZX o strumieniu i
Åš0X
wzorcowe ZW o strumieniu , to ze stosunku natężeń oświetlenia EX i EW na oknie pomiarowym A
Åš0W
otrzymuje siÄ™:
EX
Åš0X = Åš0W Å" (7)
EW
Bezwzględne wartości natężenia oświetlenia EX i EW nie muszą być znane, wystarczy znać tylko ich
stosunek. Przy pomiarach strumienia świetlnego w okienku pomiarowym umieszcza się przetwornik
fotoelektryczny. Natężenie prądu tego przetwornika jest proporcjonalne do natężenia oświetlenia, a zatem
stosunek natężeń oświetlenia EX / EW można zastąpić stosunkiem wskazań miernika natężenia prądu
fotoelektrycznego "X / "W. Ostatecznie szukana wartość strumienia badanego z
ródła światła
Åš0X
wyznaczana jest z następującej zależności:
"X
Åš0X = Åš0W Å" (8)
"W
Jeżeli z
ródło mierzone ZX i z
ródło wzorcowe ZW wraz ze stosowanym osprzętem (oprawki, mocowania)
znacznie różnią się pomiędzy sobą gabarytami i własnościami fotometrycznymi użytych materiałów to
oznacza, że w różnym stopniu wpływają na rozchodzenie się strumienia wewnątrz lumenomierza. Wpływ
z
ródeł światła i ich zamocowania na wynik pomiaru w znacznym stopniu eliminuje się przez wprowadzenie
dodatkowych pomiarów ze z
ródłem pomocniczym. Ponieważ w niniejszym ćwiczeniu żarówka badana jak i
żarówka wzorcowa są do siebie bardzo podobne i w porównywalny sposób wpływają na rozchodzenie się
strumienia wewnątrz lumenomierza to pomiar z żarówką pomocniczą nie będzie wykonywany.
3. ŻARÓWKI  WIADOMOŚCI OGÓLNE
Elementem żarówki, w którym następuje przemiana energii elektrycznej w energie świetlną jest żarnik,
rozgrzewany do stanu żarzenia poprzez przepływ prądu elektrycznego. Budowę typowej żarówki (tzw.
żarówki do ogólnych celów oświetleniowych) pokazano na rys. 3.
Rys. 3. Budowa typowej żarówki.
Żarniki współczesnych żarówek, wykonane są z wolframu w postaci jednoskrętek lub dwuskrętek i
umieszczone w bańkach szklanych. Wykorzystanie wolframu na materiał żarnika wynika z jego wysokiej
temperatury topnienia (około 33500C), małej prędkości parowania w wysokich temperaturach oraz
korzystnego rozkładu widmowego egzytancji energetycznej.
Przykładowy rozkład widmowy żarówki przedstawiony jest na rys. 4.
3
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
Rys. 4. Rozkład widmowy żarówki.
Głównym problemem technicznym związanym z pracą żarówek jest parowanie wolframu, powodujące w
konsekwencji przepalenie się żarnika. Z tych względów żarniki żarówek umieszcza się w próżni (żarówki
próżniowe) lub w atmosferze gazu obojętnego (żarówki gazowane).
W żarówkach próżniowych temperatury robocze żarników nie przekraczają 2500 K, gdyż w wyższych
temperaturach wolfram zaczyna intensywnie parować, osadzając się na bańkach w postaci ciemnego nalotu.
W żarówkach gazowanych stosuje się wyższe temperatury robocze żarników (2600 K - 2700 K), bowiem
obecność gazu znacznie ogranicza intensywność parowania wolframu. Żarówki gazowane mają większą
skuteczność Å›wietlnÄ… · E i barwÄ™ Å›wiatÅ‚a bardziej zbliżonÄ… do biaÅ‚ej niż żarówki próżniowe. Zazwyczaj
żarówki o mocy 40W i większej są wykonywane jako gazowane.
Jako wypełnienie baniek żarówek stosuje się azot, argon, krypton i ksenon. Stosowanie gazów o większym
ciężarze atomowym (krypton, ksenon) poprawia skuteczność świetlną i trwałość żarówek. Ze względu na
koszty powszechnie stosuje siÄ™ jednak mieszaninÄ™ technicznÄ… azotu i argonu.
W przypadku żarówek halogenowych do obojętnego gazu, jaki jest stosowany do wypełnienia żarówek
(azot, argon, krypton) dodaje się śladowe ilości pierwiastków chemicznych z grupy halogenów (np. jod,
brom), dzięki którym inicjowany jest tzw. halogenowy cykl regeneracyjny.
Parujący ze skrętki wolfram łączy się z halogenem tworząc cząsteczki halogenków wolframu, które w
przeciwieństwie do wolframu nie osadzają się na ściankach bańki a pozostają w formie gazowej.
Warunkiem, aby nie następowała kondensacja jest odpowiednio wysoka temperatura ścianki bańki
(>250oC). Dlatego do produkcji żarówek halogenowych używane jest szkło kwarcowe, które wytrzymuje takie
temperatury oraz pozwala na równoczesne zmniejszenie gabarytów z
ródła światła. Kiedy krążące wraz z
gazem cząsteczki halogenków docierają w pobliże skrętki lampy następuje rozpad cząsteczki, atomy
wolframu osadzają się z powrotem na żarniku, podczas gdy halogen dyfunduje w kierunku bańki, by
kontynuować swoją rolę w cyklu i ponownie połączyć się z parującym wolframem. W rezultacie
halogenowego cyklu regeneracyjnego następuje przeniesienie osadzonych na bańce atomów wolframu z
powrotem na żarnik.
Proces obiegu halogenu ma następujące zalety:
więcej światła, przy tej samej mocy lampy, dzięki wyższej temperaturze skrętki,
większa trwałość dzięki stałemu odnawianiu się skrętki.
Lampy halogenowe emitują przyjemne, białe światło o temperaturze barwy od 3000K do 4000K i
doskonałych właściwościach oddawania kolorów. Można je ściemniać praktycznie bez ograniczeń, gdyż
poprzez zredukowanie przepływu prądu najpierw obniża się parowanie wolframu, a dopiero potem następuje
przerwanie obiegu halogenu. Ewentualne zaczernienie bańki ustępuje natychmiast po uzyskaniu przez
lampę pełnej mocy.
E
· [lm/W] skuteczność Å›wietlna np. żarówki to stosunek strumienia Å›wietlnego wypromieniowanego przez żarówkÄ™ do
pobieranej mocy.
4
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
3. ŚWIETLÓWKI  WIADOMOŚCI OGÓLNE
Lampy fluorescencyjne, czyli świetlówki, to lampy wyładowcze niskiego ciśnienia z parami rtęci, w których
światło wytwarzane jest głównie przez warstwę luminoforu pobudzanego przez linie rezonansowe rtęci z
zakresu UV: 185nm i 254nm. Budowę typowej świetlówki pokazano na rysunku 5.
Rys. 5. Budowa świetlówki
W szklanej bańce (zwanej jarznikiem) pokrytej od wewnątrz warstwą luminoforu zatopione są zespoły
elektrodowe wraz z trzonkami (lub jednym trzonkiem). Wolframowe elektrody pokryte sÄ… emiterem
tlenkowym co zwiększa trwałość lampy i ułatwia zapłon. Bańka wypełniona jest gazem pomocniczym
(najczęściej argonem), który zwiększa skuteczność świetlną lampy, ułatwia zapłon i zwiększa trwałość
elektrod. Dozowana w postaci metalicznej rtęć odparowuje pod wpływem zwiększonej temperatury (pary
rtÄ™ci osiÄ…gajÄ… ciÅ›nienie okoÅ‚o 1Pa w temperaturze okoÅ‚o 45°C) i promieniuje (głównie w zakresie UV)
pobudzając luminofor, który wytwarza promieniowanie widzialne. Rozkład widmowy świetlówki pokazano na
rysunku 6.
Rys. 6. Rozkład widmowy świetlówki
Świetlówka posiada ujemną, nieliniową charakterystykę napięciowo-prądową,w związku z tym należy
stosować elementy stabilizujące punkt pracy a pełniące rolę ograniczania prądu płynącego przez lampę
(stateczniki, najczęściej indukcyjne lub elektroniczne, połączone szeregowo z lampą).
Wpływ napięcia zasilającego na parametry świetlne i elektryczne jest niewielki. Istotny wpływ na strumień
świetlny i trwałość ma temperatura otoczenia.
Trwałości świetlówek zawierają się w granicach od kilku do kilkunastu tysięcy godzin, a skuteczności
świetlne są rzędu kilkudziesięciu lumenów z wata.
Świetlówka kompaktowa, kompaktowa lampa fluorescencyjna jest to rodzaj lampy fluorescencyjnej
(świetlówki) o kształcie zapewniającym małe wymiary gabarytowe. Świetlówki takie mają najczęściej kształt
litery "u" lub spirali. Świetlówki kompaktowe możemy podzielić na świetlówki ze zintegrowanym układem
zapłonowym oraz na świetlówki wymagające opraw z takim układem.
Świetlówki ze zintegrowanym układem zapłonowym
Zaletą takich świetlówek jest fakt iż są one bezpośrednimi zamiennikami żarówek głównego szeregu.
Trwałość świetlówek kompaktowych mieści się w zakresie od 6000h do 15000h. Większość z nich nie jest
przystosowana do stosowania w oprawach zamkniętych, używanie świetlówki w takiej oprawie znacząco
skraca jej żywotność. Niektóre świetlówki posiadają własną obudowę rury fluorescencyjnej zmniejszającą
luminację i poprawiającą walory estetyczne. Dostępne świetlówki zalicza się do klas energetycznych A albo
B. Najczęściej spotykane mają temperaturę barwową 2700K (zbliżona do temperatury barwowej żarówki)
albo 6400K (światło dzienne). Skuteczność świetlna wynosi ok. 50lm/W.
5
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
4. POMIARY
A. Pomiar parametrów początkowych.
Dla napięcia znamionowego pomierzyć następujące parametry żarówki i świetlówki kompaktowej (rys. 7):
- strumień świetlny ,
Åš0X
- natężenie prądu I,
- moc lampy P,
- współczynnik mocy lampy cosĆ.
Rys. 7. Schemat układu pomiarowego: Zasilacz AC, Up  napięcie pomiarowe, I  natężenie prądu lampy, P  moc
lampy, LF-K  świetlówka kompaktowa, Ż - żarówka.
Watomierz przyłączyć do zacisków prądowych (A) wyprowadzonych na tablicy lumenomierza. Żarówkę
badaną i wzorcową przyłączyć do zacisków prądowych (A) znajdujących się wewnątrz lumenomierza.
Wykonać pomiary badanych żarówek i świetlówek kompaktowych.
Wykonać pomiar ze wzorcem o znanej wartości strumienia świetlnego . Pomiar należy wykonać
Åš0W
trzykrotnie. Zanotować wskazania miernika natężenia prądu fotoelektrycznego "W. Obliczyć średnią
arytmetycznÄ….
Na podstawie wykonanych pomiarów obliczyć wartoÅ›ci strumienia Å›wietlnego Åš i skutecznoÅ›ci Å›wietlnej ·
badanych lamp.
B. Charakterystyki rozruchowe.
Dla wskazanych lamp wyznaczyć charakterystyki rozruchowe. Zasilić lampy napięciem znamionowym i w
odstępach piętnastosekundowych odczytywać wartości mocy lampy P, natężenia prądu lampy I oraz
wskazania proporcjonalne do wartości strumienia świetlnego lampy "X . Odczytów dokonywać aż do
ustabilizowania się parametrów lampy.
Wykreślić względne charakterystyki rozruchowe badanych lamp.
Na osi Y nanieść wzglÄ™dne zmiany mierzonych parametrów: P / Pust, I / Iust, Åš / Åšust, · / ·ust,
a na osi X czas t.
6
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
W Y N I K I P O M I A R Ó W. PARAMETRY POCZ
TKOWE
Up "X P I cos Ć Åš0X ·
Åš ( )
Lp Typ badanej lampy
[ V ] [ - ] [ W ] [ A ] - [ lm ] [ lm/W ]
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
7
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
W Y N I K I P O M I A R Ó W. WZORCOWANIE
Typ żarówki wzorcowej:
Napięcie fotometrowania Ufot [V]:
Strumień świetlny wzorca [lm]:
Åš0W
1.
2.
Wskazanie miernika nat. prÄ…du fotoelektr. "W [-]:
3.
Åšrednia:
Zakres pomiarowy miernika natężenia prądu fotoelektrycznego:
8
60-965 Poznań
ul.Piotrowo 3a
tel. [phone]
fax [phone]
http://lumen.iee.put.poznan.pl
POMIARY OBLICZENIA
Lp. t P I
"X Åš · P / Pust I / Iust Åš / Åšust · / ·ust
[ s ] [ W ] [ A] [ dz ] [ lm ] [ lm / W] [ - ] [ - ] [ - ] [ - ]
1 15
2 30
3 45
4 60
5 75
6 90
7 105
8 120
9 135
10 150
11 165
12 180
13 195
14 210
15 225
16 240
17 255
18 270
19 285
20 300
9