Правила работы в лаборатории
Введение
Практикум к лабораторно-практическим занятиям по дисциплине «Электрическое освещение и облучение» подготовлен в соответствии с действующими документами ГОСО Республики Казахстан, типовой и рабочей программ дисциплины и предназначен для студентов энергетических специальностей.
Лабораторно-практические занятия являются составной частью дисциплины, и необходимы для закрепления теоретического материала, приобретения практических навыков и навыков научно- исследовательской работы.
В процессе выполнения лабораторных работ изучаются конструктивные особенности источников излучения, схемы их включения в сеть, исследуются режимы работы и выясняются зависимости электрических и светотехнических параметров от уровня подводимого напряжения.
В результате проведения экспериментов проводится оценка энергетической эффективности источников излучения, сравнительный анализ традиционных источников излучения, современных компактных и светодиодных ламп. Экспериментально находятся основные характеристики светильников и облучателей.
Определяется освещенность помещения опытным и расчетным путем, а также координаты цветности и цветовая температура для различных источников излучения.
Для успешного усвоения материала и проверки знаний приводится список рекомендуемой литературы и вопросы для самопроверки.
Лабораторно-практические занятия проводятся с использованием современных комплексов лабораторного оборудования СТ1-С-К, ЭИСС1-С-Р и ОУРМ1- С-Р имеющих необходимый набор оборудования и измерительных приборов. В комплект стенда СТ1- С- К входит ноутбук Acer Aspire One D250 с программным обеспечением. Данный комплект позволяет исследовать источники излучения и экспериментально определить основные характеристики светильников и облучателей. Стенды дополнительно укомплектованы современными, светодиодными источниками и светильниками, что позволяет провести сравнительный анализ и оценить энергетическую эффективность используемых средств освещения.
Практикум может быть полезен студентам родственных специальностей, а также специалистам соответствующего профиля.
1. Основные требования при выполнении лабораторных работ
Источники излучения
Исследование режимов работы тепловых источников излучения.
Содержание работы
1. Изучить конструкцию тепловых источников света.
2. Исследовать зависимости тока, мощности, сопротивления, температуры, светового потока, световой отдачи и срока службы, для трех типов источников излучения (лон, зеркальных и галогенных) от напряжения сети.
3. Исследовать характер изменения спектра излучения, для трех типов ламп, при изменении напряжения в сети.
4. Построить кривую силы света зеркальной лампы накаливания.
5. Определить координаты цвета, цветности и коррелированную цветовую температуру исследуемых источников света.
Общие сведения
Лампы накаливания являются наиболее массовым светотехническим изделиями, несмотря на расширяющееся применение газоразрядных и светодиодных источников излучения.
Значительное многообразие ламп накаливания (более 1500 наименований) объясняется следующими их достоинствами:
а) компактность, простота конструкции;
б) невысокая стоимость;
в) удобство в эксплуатации, заключающееся в практическом отсутствии периода стабилизации (разгорания) и возможности включения в сеть без дополнительных устройств;
г) благоприятное психо-эмоциональное воздействие;
д) возможность создания миниатюрных ламп и ламп с низким номинальным напряжением;
е) сравнительно простая реализация ламп с необходимыми габаритами и заданной формой тела накала;
ж) надежность работы при пониженном напряжении сети и неблагоприятных условиях среды (высокая влажность, низкая температура воздуха и т.д.).
Наряду с этим ЛН обладают рядом существенных недостатков:
1. Низкая световая отдача. Так, у ЛН общего назначения она составляет от 7 до 20 лм/Вт, т.е. световой КПД у них находится в пределах от 1% до 3%. Лампы накаливания являются крайне неэкономичными источниками света.
2. Небольшой срок службы (в пределах 1000 часов).
3. Спектральный состав излучения ЛН сильно отличается от спектрального состава дневного света. Поэтому не представляется возможным применение ЛН при высоких требованиях к цветопередаче.
Устройство ламп накаливания общего назначения показано на рис. 1.
Основной частью ЛН является тело накала 2, изготовляемое из вольфрама, отличающегося высокой температурой плавления (3650°К) и низкой скоростью его испарения при высоких температурах.
Для нормальной работы тела накала недопустимо присутствие кислорода. Поэтому оно размещается внутри стеклянной колбы 1.
Колба ЛН общего назначения мощностью более 25 Вт наполняется техническим аргоном (смесь газов, состоящая из 86 % аргона и 14 % азота) или техническим криптоном (смесь криптона с азотом). Исходное давление газов при температуре 20°С составляет 80 кПа (600 мм. рт. столба), при горении лампы оно достигает 120 кПа (900 мм. рт. столба).
Колба лампы с криптоновым наполнением имеет уменьшенные габариты.
Лампы мощностью 15 и 25 Вт изготовляются вакуумными.
Для того чтобы тело накала в процессе эксплуатации сохраняло исходную форму, его фиксируют в пространстве с помощью электродов 4 и молибденовых крючков 3. Одновременно электроды служат для подведения тока к телу накала.
Рисунок 2.1 - Устройство лампы накаливания
Внутри колбы расположена сложная деталь (называемая «стеклянной ножкой»), состоящая из штабика 5 с линзой 6, откачной трубки 10 (называемой также штенгелем) и трубки – тарелки 7, нижняя часть которой имеет фланец, предназначенный для соединения (путем сварки) с горловиной колбы.
Стеклянная ножка служит опорой для тела накала и вместе с колбой обеспечивает герметизацию лампы.
Штабик, штенгель, трубка - тарелка и молибденовые (либо платинитовые) вводы соединяются между собой путем сплавления деталей, в результате чего образуется лопатка 8.
Герметизация ввода в широком диапазоне температур обеспечивается за счет того, что температурные коэффициенты линейного расширения лампового стекла и платинита близки друг к другу.
Платинитовый ввод 14 представляет собой биметаллическую проволоку, изготовленную из железоникелевого сплава, покрытого слоем меди.
Для удобства эксплуатации лампа снабжается цоколем 11, который крепится к колбе с помощью специальной мастики.
Выводы из медной или платинитовой проволоки присоединяются к металлическому стакану цоколя и контактной шайбе 12, изолированный друг от друга стекломассой 13. Один из выводов имеет встроенный предохранитель, в качестве которого используется проволока уменьшенного сечения.
Лампы мощностью 40…100 Вт могут изготовляться в матированных колбах (к обозначению типа лампы добавляются буквы МТ), а также в колбах, имитирующих опаловое стекло (добавляется буква О).
Основным параметром, определяющим световые характеристики ЛН, является температура тела накала, которая для обеспечения заданного срока службы выбирается существенно ниже температуры плавления вольфрама для вакуумных ламп она составляет 2400-2600 0К, а в газонаполненных доходит до 2900 0К.
Основными характеристиками ламп накаливания являются: расчетное напряжение, электрическая мощность, световой поток, световая отдача, цветность излучения и средняя продолжительность горения.
Расчетное напряжение Up- это среднее значение диапазона напряжений, для которого рассчитана данная лампа. Учитывая нестабильность напряжения в реальных сетях, стандарт предусматривает выпуск ламп накаливания на различные расчетные напряжения (130, 220, 225, 230, 235, 240; например, указано 220-230, Up=225 и т.д.).
Под номинальной мощностью понимают расчетную электрическую мощность лампы при её включении на расчетное напряжение.
Все остальные параметры ламп также относятся к Up лампы, а не номинальному напряжению сети.
Практически, номинальная мощность и номинальный световой поток – это средние значения для достаточно большого числа ламп данного типа. Действительная же мощность, для отдельно взятых источников, может отличаться от номинальной в пределах +5% (нижний предел мощности не нормируется). Для светового потока, напротив, ограничивается его минимально допустимое значение (обычно в пределах – 5%).
В процессе эксплуатации происходит постепенное снижение рабочей температуры тела накала и загрязнения внутренней части колбы распылившимся вольфрамом. Температура колбы и цоколя при этом повышается из-за возросших тепловых потерь.
Экономичность ЛН характеризуется световой отдачей Н, которая численно равна отношению светового потока, излучаемого лампой, к её электрической мощности:
Н= Ф/Р
где Ф- световой поток, лм;
Р- мощность, потребляемая из сети, Вт.
Полный срок службы лампы определяется следующими обстоятельствами:
а) разрушением тела накала в дефектных местах, происходящим вследствие распыления вольфрама под действием высокой температуры; при этом более 80% ламп перегорают в момент включения, так как пусковой ток ЛН может превышать ее рабочий ток в 9-10 раз;
б) перегоранием тела накала вследствие возникновения дугового разряда, что обычно имеет место при повышенном напряжении в сети, особенно при сильном провисании тела накала;
в) перегоранием встроенного предохранителя или одного из выводов;
г) нарушением крепления цоколя;
д) значительным потемнением колбы;
е) нарушением герметизации лампы.
В силу ряда технологических причин невозможно изготовить все лампы с одинаковым сроком службы. Поэтому нормируется средняя продолжительность горения, представляют собой среднеарифметическое значение срока службы большой партии ламп.
Согласно стандартам стран СНГ, средняя продолжительность горения ЛН общего назначения при расчетном напряжении составляет 1000 часов.
Гарантийный срок службы, т.е. продолжительность горения каждой лампы, д.б. не менее 700 ч. При этом световой поток любой лампы, прогоревшей 750 часов, должен составлять не менее 85 % номинального.
Световые и эксплуатационные параметры ламп накаливания существенно зависят от подводимого напряжения. В наибольшей степени это сказывается на сроке службы и световом потоке лампы. Снижение напряжения на 1% уменьшает световой поток лампы в среднем на 4 %, в то же время срок службы существенно возрастает. Увеличение напряжения приводит к резкому сокращению срока службы и увеличению эксплуатационных затрат, несмотря на значительное возрастание светового потока и световой отдачи.
Допустимый уровень светового потока и одновременно приемлемый срок службы ЛН могут быть обеспечены только тогда, когда напряжение, подводимое к лампе, отличается от расчетного напряжения не более чем на ±5 В.
Это достигается соответствующим выбором ламп по расчетному напряжению или применением средств регулирования напряжения: автотрансформаторов, стабилизаторов или тиристорных ограничителей напряжения.
Галогенные лампы
Галогенная лампа накаливания имеет кварцевую колбу, наполненную инертным газом с добавкой галогенных соединений (в настоящее время с этой целью применяются бромистый метил или бромистый метилен). В качестве тела накала используется вольфрамовая спираль.
Рисунок 2.4 - Галогенная лампа накаливания
При работе галогенной ЛН осуществляется вольфрамово-галогенный цикл, заключающийся в обратном переносе испарившегося вольфрама на тело накала галогенных соединений. Поэтому внутренняя поверхность колбы в процессе горения все время остается свободной от налета вольфрама, что обеспечивает стабильность её теплового режима и позволяет существенно уменьшить размеры лампы.
Галогенный цикл не создает условий для гарантированного возврата испарившегося вольфрама в дефектные участки спирали. Поэтому механизм перегорания тела накала в галогенных лампах накаливания остается тем же, что и в обычных ЛН.
Однако уменьшение размеров колбы и применение для ее изготовления кварцевого стекла создает технические и экономические предпосылки для наполнения ламп до высоких давлений дорогостоящим ксеноном (реже криптоном). Поэтому, по сравнению с ЛН общего назначения, галогенные лампы имеют повышенную световую отдачу, более высокую яркость, лучшую цветопередачу и в 2-3 раза более высокий срок службы.
По конструктивному исполнению галогенные ЛН делятся на 2 группы:
а) линейные (или трубчатые) лампы, длина которых превышает диаметр более чем в 10 раз;
б) компактные.
Линейные лампы должны устанавливаться в горизонтальном положении (допустимое отклонение от горизонтали не более 4°), компактные могут эксплуатироваться в любом положении.
Галогенные лампы применяют для светильников общего освещения и прожекторов, инфракрасного облучения, оптических приборов, автомобильных фар, специального освещения (кино, фото, телестудии) и т.д., то есть во всех случаях, когда важны преимущества этих ламп, а высокая стоимость не имеет значения.
Методика выполнения работы
1. Изменяя подводимое к лампе напряжение, снять зависимости тока, мощности, освещенности и температуры тела накала от Uс. Диапазон изменения напряжения – от 150 до 240В (один из уровней напряжения должен быть равен Uнлампы).
При измерении освещенности следует из показаний люксметра вычитать значение естественной освещенности помещения.
Фотоэлемент люксметра должен располагаться в одном и том же месте, на расстоянии не менее 50 см от лампы.
Температура нити накала измеряется с помощью оптического пирометра. Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 2.3.
Таблица 2.3 Характеристики исследуемых ламп накаливания (3 типа)
| Замерено | Вычислено | |||||||||
| Uc | Iл | P | Е | Тн | Rл | Ф | Н | КПД | Тн | lmax |
| В | А | Вт | лк | К | Ом | лм | Лм/Вт | % | К | мкм |
2. По экспериментальным данным вычисляются:
а) сопротивление нити накала лампы, Rл = Uл/Iл;
б) световой поток,
Ф = 
.
где Ф- рассчитываемое значение светового потока, лм;
Фн – номинальный световой поток, лм [3,4,6];
Е – освещенность при данном напряжении сети, лк;
Ен – освещенность при напряжении сети, равном расчетному напряжению источника света;
в) световая отдача, Н = Ф/Р;
г) световой КПД, % , h = (Н/680)∙100;
д) абсолютная температура тела накала, Тн = (Rл – Rо)/(a´ Rо)+ 293,
где R0 – сопротивление тела накала при температуре +20°С;
a - температурный коэффициент сопротивления (a = 0,0052 К-1).
Длина волны, соответствующая максимуму излучения тела накала, определяется по формуле Вина:
lmax = b/T,
где Т - абсолютная температура, К;
b = 2898 мкм∙К- постоянная Вина.
3. Определить срок службы ламп при напряжении сети от 180 до 240В. Расчеты выполнить для двух – трех типов ламп, имеющих различные Uр. Для ЛН общего назначения мощностью более 150 Вт справедливо следующее соотношение:
t = tн ´ (Uc/ Uр)-14
где t - средняя продолжительность горения ламп при данном напряжении сети Uc;
tн - средняя продолжительность работы ламп при их расчетном напряжении Uр.
4. По экспериментальным и расчетным данным построить графики зависимостей электрических и светотехнических параметров от уровня напряжения: I=f(U); P=f(U);. Q=f(U); T=f(U); Kп=f(U); R=f(U); Ф=f(U); H=f(U); τ=f(U); E=f(U); η=f(U);
провести анализ и сделать выводы.
5. Проанализировать изменение спектрального состава излучения лампы при повышении напряжения в сети от 150 В до Uр.
6. Для построения кривой силы света зеркальной лампы необходимо определить 8…10 значений силы света Ia, где a - угол между оптической осью лампы и данным направлением (a = 0 - 90°).
Измерения проводятся с помощью распределительного фотометра.
Определения силы света осуществляется в следующем порядке:
а) замеряют освещенность Еaпод различными углами к вертикальной оси, располагая фотоэлемент люксметра строго перпендикулярно направлению лучей света (рис. 2.8);
б) вычисляют силу света в данном направлении:
Ia = Еa ´ l 2,
где l – расстояние от тела накала лампы (1) до фотоэлемента люксметра (2).
Рисунок 2.9 - Схема измерения освещенности Еa
Кривую силы света построить в полярной системе координат.
7. Провести анализ диаграмм цветности исследуемых источников излучения, сравнить с диаграммой естественного света.
Используя данные таблицы 2.4 провести анализ, сделать выводы.
Таблица 2.4 Цветовые характеристики исследуемых ламп (3 типа)
| Замерено | Замерено | |||||||||
| Х | Y | Z | x | y | u’ | v’ | Тц | φ(λ) | Е | |
8. Провести сравнительный анализ систем МКО- 31 и МКО – 76 для одного из источников света, сделать заключение.
Содержание отчета
1. Начертить схемы для исследования ламп накаливания.
2. Заполнить таблицы.
3. Привести необходимые для вычисления формулы и примеры расчетов.
4. Построить графики.
5. Привести диаграммы цветности.
6. Сделать заключение по работе.
Вопросы для самоконтроля
1.Объясните назначение основных деталей лампы накаливания.
2.Перечислите преимущества и недостатки ЛН.
3.Дайте определение светового потока, световой отдачи, энергетического и светового КПД.
4.Почему лампы с биспиральной нитью имеют более высокую световую отдачу?
5.С какой целью колба лампы наполняется газом, состав?
6.Объясните, почему ЛН имеет нелинейную вольт - амперную характеристику?
7.Имеется ли в ЛН пусковой ток?
8.Почему лампы, предназначенные для обогрева молодняка животных и птиц, имеют большой срок службы, чем осветительные ЛН?
9.ЛН какой мощности имеют вакуумное исполнение?
10.Назовите преимущества и недостатки ламп типа БК.
11.В чем состоит сущность вольфрамово-галогенного цикла?
12.От чего зависит срок службы ламп накаливания?
13.Почему с увеличением мощности ЛН возрастает их световая отдача?
14. Назовите конструктивные особенности зеркальных и галогенных ламп.
15. Каков механизм перегорания тела накала?
16. Перечислите эксплуатационные особенности галогенных ламп.
17. Как и почему изменяется световой поток ламп накаливания в течение эксплуатации?
18. Дайте физическое толкование зависимости световой отдачи ЛН от напряжения сети.
19. Как изменяется спектральный состав излучения и цветопередача ЛН при повышении температуры тела накала?
20. Понятие цветовой температуры и ее практическое применение.
Содержание работы
1. Изучить устройство люминесцентных ламп, принцип работы и схемы их включения.
2. Исследовать зависимости электрических и светотехнических параметров люминесцентных ламп от уровня подводимого напряжения.
3. Исследовать работу люминесцентных ламп при различных видах балластных устройств (электромагнитным и электронным ПРА, по возможности с активным и емкостным балластами) согласно пункту 2.
4. Снять осциллограммы тока и напряжения при различных видах балластных устройств, сделать анализ.
5. Определить координаты цвета, цветности и коррелированную цветовую температуру исследуемых источников излучения.
Общие сведения
Люминесцентные трубчатые лампы (ЛЛ) являются наиболее распространенными и достаточно экономичными источниками света.
Это объясняется их следующими достоинствами:
а) высокой световой отдачей 80-85 лм/вт;
б) высоким сроком службы (до 15-20 тыс. часов);
в) низкой яркостью и температурой поверхности колбы;
г) возможностью получения любого спектра излучения, что позволяет разрабатывать лампы, обеспечивающие высокое качество цветопередачи.
В то же время ЛЛ малопригодны для наружного освещения и освещения высоких помещений, что обусловлено малой мощностью (общего назначения от 8 до 80 Вт) и сравнительно большими размерами обычных ЛЛ, а также ненадежной работой при низких температурах окружающей среды. Следует отметить, что выпускаются специальные люминесцентные лампы, которые устойчиво работают как при низких, так и при высоких температурах, в диапазоне от -15 до 50 0С (максимальная световая отдача при 35 0С). Некоторые типы ламп быстрого включения с наружным силиконовым покрытием имеют внешнюю полоску зажигания, подключенную к одному из электродов через высокоомное сопротивление. Другие типы ламп быстрого включения имеют внутреннюю полоску зажигания. Такие типы ЛЛ могут использоваться в системах без стартеров.
По назначению и конструктивному исполнению люминесцентные лампы подразделяются на 2 класса: лампы общего назначения и специальные.
Люминесцентная лампа общего назначения представляет собой длинную трубку 1 (рис. 2.9), внутренние стенки которой покрыты слоем люминофора – твердого кристаллического порошкообразного вещества.
Рисунок 2.10 - Конструкция люминесцентной лампы
Оба конца трубки герметично закрыты заваренными в них стеклянными ножками 2, на концах которых смонтированы электроды 3. Электроды выполнены в виде вольфрамовых триспиралей (реже биспиралей), покрытых оксидным слоем, уменьшающим работу выхода электронов и обеспечивающим большую эмиссию электронов, чем чистая поверхность вольфрама. Внешняя поверхность оксидного слоя имеет форму моноспирали.
На концах заваренных ламп закреплены цоколи 4 со штырьками 5, к которым припаиваются выводы из медной проволоки. Для того чтобы штырьки были изолированы друг от друга, их крепят в гетинаксовых прокладках 6, заштампованных в донышках цоколей.
В трубку вводится дозированное количество ртути (20…30 мг) и инертный газ. В обычных лампах используется аргон при давлении 330…400 Па (2,5 … 3 мм. рт.ст.), в энергетически экономичных ЛЛ (мощностью 18,36 и 58 Вт) – смесь криптона (70-90 %) с аргоном при давлении 200…300 Па [555].
Введение инертного газа облегчает зажигание ламп, уменьшает распыление оксидного вещества электродов и увеличивает резонансное излучение ртути.
В процессе электрического разряда в парах ртути при низком давлении генерируется в основном УФ излучения, которое в слое люминофора преобразуется в видимое излучение. Непосредственно за счет разряда в парах ртути образуется только 7…13 % светового потока лампы.
Излучение люминесцентной лампы имеет смешанный спектр, состоящий из сплошного спектра излучения люминофора и линий ртутного разряда.
Цветность ЛЛ определяется в основном составом люминофора. Существует большое количество рецептов люминофоров, позволяющих получить любые оттенки цвета излучения ламп [555 ].
Наибольшее распространение получили люминесцентные лампы семи спектральных типов:
ЛБ – белого цвета, соответствующего по цветности излучения прямому солнечному свету;
ЛТБ – тепло-белого цвета;
ЛТБЦ – то же, но с улучшенной цветопередачей (по цветности излучения близки к лампам накаливания;
ЛЕЦ – естественного света с улучшенной цветопередачей;
ЛХБ – холодно- белого света, соответствующие цветности неба, покрытого тонким слоем белых облаков;
ЛД – дневного света, соответствующие цветности рассеянного солнечного света;
ЛДЦ – то же, но с улучшенной цветопередачей.
По аналогии с указанными спектральными типами, в частности зарубежными производителями, используется маркировка мощности и цветового кода, например: 32W/830. что соответствует тепло-белому цвету. В связи с использованием высокоэффективных люминофоров, в комбинации со специальным предварительным покрытием, значительно улучшилось качество видимого излучения и индекс цветопередачи (CRI ≥80). Цветность излучения, любых источников видимого излучения определяется их цветовой температурой (К). Например, источники с цветовой температурой более 5300 К относятся к источникам дневного света (по классификации ЛЛ). К группе нейтрально белого цветового оттенка относятся источники с цветовой температурой 5300 – 3300 К. Люминесцентные лампы теплых оттенков и лампы накаливания относятся к группе ламп тепло белого оттенка, цветовая температура менее 3300К.
Лампы с цветовой температурой 6000 – 7000К относятся к источникам дневного света (рис.2.10).
Рисунок 2.11 – Цветовые оттенки и цветовая температура
Характеристикой цветовой передачи источников света служит индекс цветопередачи (Ra), выраженный в количественных показателях, основанный на тестировании восьми цветов. Максимально возможное (теоретическое) значение данного показателя равняется 100. Чем ниже индекс цветопередачи источника света, тем хуже осуществляется передача оттенков цвета. Согласно принятого ЕС документа DIN 5035 различается шесть уровней цветопередачи (рис.2.11).
Рисунок 2.12 – Индекс цветопередачи и уровни использования
Источники света уровня 1А применяются в осветительных установках, где точность цветопередачи является определяющей (в полиграфии, фотографии, телевидении, музеях, магазинах одежды и т.п.). Для уровня 1В могут использоваться трехкомпонентные люминесцентные лампы в осветительных установках административных зданий, образовательных учреждений, промышленных и спортивных объектов. Источники группы 2А также имеют хорошие характеристики и могут использоваться в некоторых вышеперечисленных объектах.
Источники света третьей группы могут использоваться в тяжелой промышленности, где качество цветопередачи не так важно. Лампы с уровнем цветопередачи 4 не рекомендуются к использованию внутри помещений (за исключением особых случаев). Указанные требования предусмотрены стандартом DIN EN 12464 – 1 [PHILIPS].
Значительное внимание уделяется механической прочности ЛЛ. Выпускаются лампы, имеющие специальное тефлоновое покрытие (Secura на основе FEP), с целью исключения попадания компонентов лампы во внешнюю среду, в случае ее повреждения. Защитное покрытие рассчитано на высокие температуры (до 200 0С) и сохраняет свои свойства, несмотря на температуру и УФ – излучение. Рекомендуются для применения в больницах, аптеках, стерильных помещениях, объектах связанных с приготовлением пищи и др. Для аудита и инвентаризации таких источников света на цоколе указывается синее кольцо.
Трубчатые люминесцентные лампы могут изготавливаться с диаметрами колб: Т12 – 38мм; Т8 – 26мм; Т5 – 16мм.
Люминесцентная лампа имеет падающую вольтамперную характеристику. Поэтому она включает в сеть только последовательно с балластным сопротивлением. При частоте 50 Гц в качестве балласта можно применить дроссель либо последовательно соединенные дроссель и конденсатор.
В настоящее время преобладающими являются стартерные схемы включения люминесцентных ламп. Рассмотрим работу простейшей схемы, изображенной на рис. 2.12.
При подаче напряжения на схему к стартеру и одновременно к лампе оказывается приложенным напряжение сети, которое ниже напряжения зажигания лампы с непрогретыми электродами, но достаточно для образования тлеющего разряда между электродами стартера, представляющего собой небольшую лампу тлеющего разряда, один или оба электрода которой выполнены в виде изогнутой биметаллической пластинки.
Рисунок 2.13 - Схема включения люминесцентной лампы в сеть: EL –люминесцентная лампа; SV – стартер; LL – дроссель; С1,С2 - конденсаторы.
Ток тлеющего разряда стартера (20…50 мА) не может заметно нагреть электроды лампы, но тепло, образуемое в самом стартере, разогревает его электроды и вызывает их замыкание (вследствие распрямления биметалла).
Пока контакты стартеры замкнуты, в цепи протекает пусковой ток, величина которого определяется отношением напряжения сети к сопротивлению дросселя и электродов лампы. Дроссель, представляющий собой индуктивную катушку на стальном сердечнике, рассчитан таким образом, чтобы пусковой ток превышал рабочий ток лампы на 20-80 % , что достаточно для разогрева электродов лампы до температуры, близкой к температуре термоэлектронной эмиссии (около 900°С).
Одновременно происходит остывание электродов стартера, вследствие чего по истечении 0,3…0,6 секунд они размыкаются. Происходит резкое уменьшение тока. Благодаря наличию в цепи индуктивности (дросселя) возникает импульс напряжения, который и зажигает лампу. Если электроды лампы оказались недостаточно прогретыми, весь процесс повторяется.
После зажигания люминесцентной лампы стартер не должен срабатывать, так как в результате падения напряжения в дросселе напряжения на зажимах стартера становится недостаточным для возникновения в нем тлеющего разряда.
Конденсатор С2, включаемый параллельно контактам стартера, служит для снижения импульса напряжения и одновременного увеличения его длительности, снижения радиопомех и уменьшения подгорания контактов.
Конденсатор С1 устанавливается только в одноламповых светильниках. Емкость его выбирается таким образом, чтобы повысить коэффициент мощности до 0,9 …0,95.
Излучение люминесцентной лампы обладает малой инерционностью. Поэтому при работе на переменном токе промышленной частоты имеет место пульсация светового потока.
Пульсация оказывает вредное воздействие на психику человека, вызывает утомление зрения, снижает работоспособность.
Особую опасность представляет явление стробоскопического эффекта, заключающегося в искажении зрительного восприятия движущихся объектов. Например, если деталь совершает вращательное или колебательное движение с частотой, равной или кратной частоте пульсации освещенности, то создается иллюзия неподвижности этой детали, что может явиться причиной травматизма.
Снижения пульсаций до безвредных значений в большинстве случаев достигается за счет применения схемы «с расщепленной фазой», когда в одной люминесцентной лампе ток опережает напряжение сети примерно на 60°, в другой – настолько же отстает. Пульсация освещенности, при этом, снижается в 2,5 раза. Применяется и поочередное подключение светильников на разные фазы сети.
Однако, наиболее эффективной мерой борьбы с пульсацией светового потока является питание люминесцентных ламп током повышенной частоты.
Показатели работы ЛЛ (световой поток, срок службы, надежность зажигания) зависят от напряжения сети, температуры окружающей среды, частоты включения и др. факторов.
Оптимальные условия для работы люминесцентных ламп, включенных по стартерной схеме, имеют место при напряжении 95… 105 % номинального, температуре окружающей среды 18…25°С, числе включений в сутки не более четырех .
При напряжении, меньшем 95% Uн, длительность пускового режима существенно возрастает. Для зажигания лампы требуется (в среднем) тем большее число срабатываний стартера, чем ниже напряжение сети. Каждое срабатывание вызывает воздействие импульсного напряжения на электроды, вызывая распыление некоторого количества оксидного вещества.
Аналогичные явления имеют место и при снижении температуры ниже +10°С.
Повышение напряжения выше номинального также приводит к снижению срока службы вследствие перекала электродов.
Колебание напряжения сети приводит к изменению электрических и световых параметров люминесцентных ламп. С ростом напряжения, прикладываемого к схеме, в наибольшей степени возрастает ток лампы; мощность лампы при этом растет медленнее, так как напряжение на лампе снижается.
Световой поток лампы с увеличением напряжения сети возрастает в меньшей степени, чем мощность. Это связано с тем, что эффективность преобразования УФ излучения в видимое излучение, в слое люминофора, снижается с увеличением удельной нагрузки. Поэтому световая отдача ЛЛ уменьшается с ростом напряжения сети. В этом состоит одна из основных отличительных особенностей таких источников излучения.
Методика выполнения работы
1. Подготовить эскиз люминесцентной лампы, описать ее устройство и назначение основных частей, указать, какие виды люминесценции имеют место в данной лампе. Изучить принцип работы люминесцентных ламп низкого давления.
2. Привести эскиз стартера тлеющего разряда, описать его устройство. Изучить принцип действия.
3. Изучить работу стартерной схемы включения ЛЛ. привести схему включения, описать ее работу. Описать основные функции дросселя [3].
Собрать и опробовать работу схемы, изображенной на рис. 2.12.
Измерить напряжение на зажимах стартера при отсутствии разряда в люминесцентной лампе и рабочем режиме.
4. Снять осциллограммы напряжения на лампе и дросселе.
Включить последовательно с дросселем реостат и снять осциллограмму тока.
5. Разработать схему для исследования работы ЛЛ, предусмотрев в ней автотрансформатор, а также приборы для измерения напряжения (на выходе схемы, на лампе и дросселе), мощности (на отдельных участках), тока и освещенности (сравнить с приведенными схемами).
Опробовать схему при номинальном напряжении сети. Измерить ток тлеющего разряда стартера, пусковой и рабочий ток лампы, напряжение на дросселе при замкнутых контактах стартера. Рассчитать кратность пускового тока.
6. Получить экспериментально зависимости от подводимого напряжения следующих величин:
а) напряжения на зажимах лампы и дросселя;
б) тока лампы;
в) мощности лампы и дросселя;
г) освещенности.
Для этого достаточно измерить перечисленные величины при 5-6 значениях подводимого напряжения в пределах от 1,1 Uн до 0,8 Uн.
Для анализа результатов исследования данные опытов и расчетные величины заносятся в табл. 2.11.
Таблица 2.11 – Экспериментальные и вычисленные данные
| Замерено | Вычислено | |||||||||||
| Uc | Uл | Uдр | Iл | Pл | Pдр | E | Pсх | Ф | Hл | Hком | сos j | kи |
| В | В | В | А | Вт | Вт | лк | Вт | лм | Лм/Вт | Лм/Вт | - | - |