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.