13. ELEKTRYCZNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA Do najbardziej rozpowszechnionych odbiorników energii elektrycznej naleŜą urządzenia (lampy) oświetleniowe, zwane inaczej elektrycznymi źródłami światła. Wysyłają one energię promienistą o długości fali od 380 do 760 nm mającą zdolność podraŜniania siatkówki oka ludzkiego, dzięki czemu odbieramy wraŜenia świetlne. W środowisku naturalnym oko ludzkie najsilniej reaguje na światło Ŝółtozielone (długość fali 550 nm). Przy bardzo słabym oświetleniu największa wraŜliwość oka przesuwa się w kierunku promieniowania niebieskiego (długość fali 430 nm), w wyniku czego nie moŜna rozróŜniać barw. Wielkości i jednostki świetlne Strumień świetlny Φ - moc wypromieniowana, oceniana z punktu widzenia wraŜeń świetlnych; jednostką tego strumienia jest lumen (skrót lm). Jednemu watowi mocy wypromieniowanej przy długości fali λ = 555 nm odpowiada strumień świetlny około 670 lm. Światłość I – stosunek strumienia świetlnego wypromieniowanego w danym kierunku ∆Φ w bardzo małym kącie bryłowym ∆ω do tego kata, tj. I = . Jednostką światłości jest ∆ω kandela (skrót cd), która wchodzi w skład jednostek podstawowych układu SI. W praktyce intensywność oświetlenia oceniamy za pomocą jego natęŜenia. NatęŜenie oświetlenia E – stosunek strumienia świetlnego ∆Φ padającego na element ∆Φ powierzchni ∆S do pola tego elementu, tj. E = . Jednostką natęŜenia oświetlenia jest luks ∆S (w skrócie lx). Do pomiaru natęŜenia oświetlenia słuŜą luksomierze zbudowane np. na zasadzie fotoelektrycznej. Podział źródeł światła ZaleŜnie od sposobu przemiany energii elektrycznej na energię promienistą rozróŜniamy następujące źródła światła: ♦ inkandescencyjne (lampy łukowe i Ŝarówki) ♦ luminescencyjne z rozdziałem na • lampy fluororescencyjne (świetlówki) • lampy wyładowcze (rtęciowe wysokopręŜne, sodowe wysokopręŜne i niskopręŜne) ♦ mieszane (rtęciowo – Ŝarowe, rtęciowe z luminoforem) Do innych mniej rozpowszechnionych źródeł światłą zalicza się lampy jarzeniowe wysokonapięciowe, lampy ksenonowe, płyty luminescencyjne i inne. Przy porównywaniu źródeł światła bierze się pod uwagę ich skuteczność świetlną i trwałość. Skuteczność świetlna C – stosunek strumienia świetlnego Φ wysyłanego przez źródło lm do pobieranej przez nie mocy; wyraŜa się ją w . W Trwałość źródła t – czas wyraŜany w godzinach do momentu fizycznego zniszczenia źródła, albo czas, po którym strumień świetlny źródła jest mniejszy od wymaganego poziomu. śarówki – są odbiornikami energii elektrycznej, w których przemiana tej energii w światło zachodzi w Ŝarniku wykonanym z drutu wolframowego, skrętki lub dwuskrętki wolframowej. Temperatura pracy Ŝarnika, w zaleŜności od konstrukcji Ŝarówki i jej mocy znamionowej wynosi 2300 – 30000K. W celu ograniczenia intensywności utleniania wolframu Ŝarnik jest umieszczany w szklanej bańce; Ŝarówki o niewielkiej mocy (do 25W) wykonuje się jako próŜniowe, a o większych mocach są wypełnione azotem, argonem, kryptonem lub ksenonem. Wypełnienie gazem zmniejsza intensywność parowania wolframu, zapewnia większą skuteczność (wydajność) świetlną, zbliŜa barwę światłą do białej. Wydajność świetlna Ŝarówek przy zasilaniu napięciem znamionowym jest równa 8 – 20 lm/W, przy czym mniejsze wartości dotyczą Ŝarówek o mniejszych mocach znamionowych. Sprawność Ŝarówek wynosi jedynie 1,2% - 3%, co oznacza tylko mała część mocy pobieranej jest zamieniana na światło, a cała reszta – w ciepło. Wydajność świetlna Ŝarówek oraz trwałość Ŝarówek zaleŜą silnie od wartości napięcia zasilającego; zasilanie napięciem wyŜszym od znamionowego np. o 5% powoduje zwiększenie strumienia świetlnego o 20% ale równocześnie zmniejszenie trwałości o połowę. Znamionowa trwałość Ŝarówek przy zasilaniu napięciem znamionowym wynosi 1000 h, przy czym Ŝarówki specjalnego przeznaczenia mogą mieć trwałość znacznie mniejszą. W Ŝarówkach halogenowych, w wyniku dodania pewnych związków halogenowych (najczęściej jodu) stworzono tzw. cykl regeneracyjny, polegający na tym, Ŝe odparowane w czasie świecenia cząsteczki wolframu łączą się z jodem w jodki wolframu, które z kolei dyfundując do strefy o wysokiej temperaturze w sąsiedztwo Ŝarnika ulegają rozkładowi, a cząsteczki wolframu osadzają się z powrotem na Ŝarniku. Podczas świecenia ustala się stan równowagi, co oznacza Ŝe tyle samo wolframu odparowuje, co z powrotem osadza się na Ŝarniki (dzięki czemu masa Ŝarnika nie zmienia się). Oczywiście w rzeczywistości z powodu chociaŜby niewielkich zmian temperatury wzdłuŜ długości Ŝarnika przekrój drutu Ŝarnika zmniejsza się w miejscach w wyŜszej temperaturze, a zwiększa się w miejscach o niŜszej temperaturze, co sprawia Ŝe trwałość takich Ŝarówek jest teŜ ograniczona (chociaŜ teoretycznie Ŝarnik nie powinien się zuŜywać). W celu zapewnienia wysokiej temperatury w Ŝarówce, czego wymaga proces regeneracji, bańka Ŝarówki halogenowej jest wykonana ze szkła kwarcowego w formie rurki o małej średnicy, Ŝarnik jest umieszczony w osi rurki. Trzonki Ŝarówek halogenowych wykonuje się w zaleŜności od przeznaczenia (z bolcami, samochodowe, itp.); Inne wykonuje się z zewnętrznymi szklanymi bańkami ochronnymi i normalnymi trzonkami z gwintem (typy E14, E27 lub E40). śarówki halogenowe wykonuje się na napięcie znamionowe 6 – 250 V i moce znamionowe 4,5 – 6000 W. Lampy fluorescencyjne – są to lampy rtęciowe niskopręŜne wytwarzające światło w wyniku wyładowania elektrycznego i fluorescencji zachodzącej w luminoforze, którym pokryte są wnętrza szklanych rur lamp. Wyładowanie w rozrzedzonych parach rtęci (przy ciśnieniu około 1 Pa) i gazie pomocniczym (argon pod ciśnieniem 2,5 – 5 hPa) wytwarza promieniowanie w zakresie widma niewidzialnego, a odpowiednio dobrane luminofory przetwarzają promieniowanie nadfioletowe na promieniowanie widzialne o poŜądanej barwie światłą (dzienne, chłodnobiałe, białe lub ciepłobiałe). Świetlówki wymagają opraw o odpowiednim wyposaŜeniu i układzie połączeń. Najbardziej rozpowszechnione są układy z zapłonnikiem; po doprowadzeniu napięcia nie następuje natychmiastowe zapalenie świetlówki (zbyt niskie napięcie do zainicjowania wyładowania w lampie), a tylko wyładowanie świecące w zapłonniku zawierającym dwie elektrody, z których jedna jest wykonana z bimetalu. Pod wpływem ciepła wydzielanego przez to wyładowanie elektroda bimetalowa wygina się i zamyka obwód; przez elektrody świetlówki płynie prąd nagrzewając je i powodując emisję elektronów. Równocześnie stygnie zapłonnik, otwierając swoje elektrody i w ten sposób zostaje przerwany obwód. Przerwa w obwodzie powoduje indukowanie się wyŜszego (około 1000V) napięcia na dławiku, co zapoczątkowuje wyładowanie w rurze świetlówki, następnie podtrzymywane juŜ tylko napięciem sieci. Całkowity czas zapłonu wynosi kilka sekund. Po zaświeceniu lampy elektrody zapłonnika pozostają trwale rozwarte, gdyŜ napięcie na świetlówce i zapłonniku wynosi około 110V i jest niŜsze od napięcia wyładowania świecącego w zapłonniku. Świetlówki są zasilane napięciem 220V, a napięcie robocze lampy wynosi około 110V. W celu obniŜenia napięcia na świetlówce do poŜądanej wartości w oprawach są montowane dodatkowe impedancje połączone szeregowo ze świetlówką. Dla ograniczenia strat mocy czynnej w tym celu stosuje się dławiki. Pociąga to za sobą konieczność stosowania dodatkowych kondensatorów do poprawy współczynnika mocy całej oprawy (zwykle od wartości 0,4-0,6 do wartości około 0,9). L1 N Kondensator-do poprawy współczynnika mocy Dławik Rura świetlówki z elektrodami Bimetal Zapłonnik Rys. 13.1. Podstawowy układ świetlówki Wydajność świetlna lamp fluorescencyjnych wynosi 30 – 90 lm/W, zaleŜnie od barwy światłą i rodzaju oprawy; większe wydajności mają świetlówki ze specjalną oprawą zbudowaną z elementów elektronicznych generujących impuls do zapłonu lampy, ograniczenie wartości napięcia roboczego oraz zwiększenie częstotliwości tego napięcia do około 30 kHz. Trwałość świetlówek przy świeceniu bez przerwy wynosi do 15 000h; w warunkach normalnej eksploatacji wynosi ona około połowy tej wartości, natomiast przy duŜej częstości łączeń maleje do około 2000 – 4000h. Strumień świetlny po 2000h pracy zmniejsza się do około 85% wartości znamionowej, a po 4000h – do około 75% wartości znamionowej. Oprócz tradycyjnych świetlówek w formie rur o róŜnych długościach coraz powszechniej są stosowane lampy typu kompakt, często z elektronicznym powielaczem częstotliwości napięcia roboczego (do około 30 kHz) stanowiącymi całość ze świetlówką. Lampy te mają estetyczny kształt, róŜną barwę światła, większą wydajność świetlną, wyeliminowanie migotanie światła (związane z przechodzeniem prądu przez zero). Przystosowane są do mocowania w zwykłych oprawach z tzw. gwintem E27 lub innych znormalizowanych. Trwałość lamp typu kompakt wynosi 8 000 – 10 000h, a ich wydajność świetlna 60 – 80lm/W. Znaczny wpływ na pracę świetlówek ma temperatura otoczenia; powyŜej 250C i poniŜej 150C ich wydajność znacznie maleje, np. w temperaturze 00C wydajność maleje do 50% wydajności znamionowej. Lampy rtęciowe wysokopręŜne – naleŜą do grupy lamp, w których strumień świetlny otrzymuje się w wyniku wyładowania łukowego w jarzniku wypełnionym parami rtęci i gazem pomocniczym (argonem) pod ciśnieniem około 2 MPa. Jarznik wykonany ze szkła kwarcowego jest umieszczony w bańce szklanej, o kształcie zbliŜonym do Ŝarówki, wypełnionej azotem pod ciśnieniem około 700 hPa. Po załączeniu napięcia wyładowanie rozpoczyna się początkowo między jedną z głównych elektrod a elektrodą pomocniczą, co powoduje podwyŜszenie temperatury i ciśnienia par rtęci w jarzniku, przez co zmniejsza się oporność przestrzeni między elektrodami głównym; po kilkudziesięciu sekundach pojawia się między tymi elektrodami wyładowanie. Pełną wydajność świetlną lampa rtęciowa osiąga po czasie 1 – 4 min. Wysokie ciśnienie w jarzniku sprawia, Ŝe widmo promieniowania znajduje się w zakresie fal widzialnych, choć barwa światła (niebieskozielona) znacznie odbiega od światła dziennego i jest nieprzyjemna dla wzroku. Barwę światłą poprawia się przez pokrycie wewnętrznych powierzchni bańki luminoforem i w ten sposób uzyskuje się barwę zbliŜoną do światła dziennego. Elektrody główne Argon i rtęć Jarznik ze szkła kwarcowego Azot Dławik jako impedancja ograniczająca napięcie robocze do poŜądanej wartości Bańka Kondensator do poprawy współczynnika mocy Elektroda pomocnicza Opornik zapłonowy Rys. 13.2. Konstrukcja i układ lampy rtęciowej Napięcie robocze lamp rtęciowych, podobnie jak świetlówek, wynosi około 110V, co sprawia Ŝe muszą być stosowane specjalne oprawy z dławikiem i kondensatorem (rys. 12.3). Lampy te nie wymagają dodatkowych urządzeń zapłonowych. Lampy rtęciowe wysokopręŜne są wytwarzane na moce 50 –2000W i mają średnią wydajność świetlną do 60 lm/W. Odmianą lamp rtęciowych są lampy rtęciowo – Ŝarowe, w której we wspólnej bańce znajdują się połączone szeregowo właściwy jarznik lampy rtęciowej oraz Ŝarnik wolframowy jak w zwykłej Ŝarówce. śarnik pełni funkcję opornika ograniczającego napięcie na jarzniku oraz emituje światło o duŜej zawartości promieniowania czerwonego, przez co poprawia barwę światłą emitowanego przez lampę. Takie lampy nie wymagają stosowania specjalnych opraw, ale ich wadą jest stosunkowo niewielka wydajność świetlna wynosząca około 20 – 30 lm/W. DuŜą wydajnością świetlną (do90 lm/W) oraz moŜliwością korygowania barwy światła w szerokim zakresie charakteryzują się lampy rtęciowe halogenowe. W takich lampach do jarznika z rtęcią są dodawane halogenki metali, zazwyczaj jodki. Zapłon tych lamp wymaga stosowania zapłonnika, podobnie jak w świetlówkach lub teŜ innych urządzeń zapłonowych. Lampy tego typu są wytwarzane o mocy do 3500W, przy czym lampy o mocach 2000W i 3500W są przeznaczone na napięcia 380V. Parametry i właściwości lamp rtęciowych zaleŜą od typu lampy, natomiast ich wspólną cechą jest duŜa wydajność świetlna oraz trwałość mieszcząca się w granicach 10000–20000h. do wad lamp rtęciowych moŜna zaliczyć konieczność stosowania opraw z dławikiem i kon- densatorem, tętnienie światła, bardzo duŜą luminancję (szczególnie lamp z błyszczącymi bańkami), trudność a nawet niemoŜność ich natychmiastowego zapłonu po chwilowym zaniku napięcia (oczywiście w lampach bez urządzeń zapłonowych). Lampy rtęciowe są stosowane do oświetlenia terenów otwartych (ulic, placów, itp.), a takŜe do oświetlenia wnętrz wysokich pomieszczeń przemysłowych. Lampy sodowe – ze względu na ciśnienie par sodu w jarzniku lampy te moŜna podzielić na wysokopręŜne i i niskopręŜne; róŜnią się one budową, zasadą działania i właściwościami. W lampach sodowych wysokopręŜnych w jarzniku umieszczonym w bańce szklanej o kształcie wydłuŜonej Ŝarówki znajduje się sód, rtęć oraz gaz pomocniczy (ksenon) o ciśnieniu około 2 kPa. Po załączeniu napięcia wyładowanie rozpoczyna się w ksenonie, a dopiero potem, po odparowaniu sodu i rtęci – wyładowanie w parach tych metali, które jest decydujące w wytwarzaniu strumienia świetlnego. Do zainicjowania wyładowania w ksenonie potrzebne jest wysokie napięcie, stąd w większości lamp potrzebne jest stosowanie specjalnych opraw z urządzeniem zapłonowym i dławikiem do ograniczenia napięcia roboczego jak w lampach rtęciowych halogenowych Lampy sodowe wysokopręŜne są budowane na moce znamionowe od kilkudziesięciu do 1000W, świecą światłem o barwie Ŝółtozłocistej, a ich wydajność wynosi 80 – 140 lm/W. Trwałość lamp, w zaleŜności od konstrukcji jest równa 10000 – 24000 h. Głównym zastosowanie lamp sodowych jest oświetlenie terenów otwartych, przede wszystkim ulic i placów o duŜym natęŜeniu ruchu ulicznego, często na przemian z lampami rtęciowymi, natomiast rzadziej, ze względu na barwę, do oświetlenia pomieszczeń przemysłowych. W lampach sodowych niskopręŜnych jarznik, umieszczony w wydłuŜonej bańce szklanej, jest wykonany z długiej szklanej rury w kształcie litery U. W jarzniku znajduje się metaliczny sód oraz gaz pomocniczy (mieszanina neony i argonu) o ciśnieniu około 2 kPa. Do zasilania lamp sodowych niskopręŜnych stosuje się najczęściej transformatory o duŜej reaktancji rozproszenia, zapewniające wysokie napięcie konieczne do zapłonu lampy i ograniczenie napięcia do poŜądanej wartości w czasie normalnej pracy. Po załączeniu lampy rozpoczyna się wyładowanie w gazie pomocniczym i dopiero po odparowaniu sodu wyładowanie w parach sodu staje się dominujące. Pełną wydajność świetlną lampa sodowa uzyskuje po kilku, a nawet kilkunastu minutach. Lampy sodowe niskopręŜne są budowane na moce nie przekraczające 200W, ich wydajność świetlna jest bardzo duŜa (około 180 lm/W), a trwałość dochodzi do 16000 h. Barwa światła jest Ŝółtopomarańczowa. Zastosowanie tych lamp, to głównie oświetlenie terenów otwartych. Wybrane parametry eksploatacyjne źródeł światła Zestawienie wybranych parametrów eksploatacyjnych źródeł światła podano w tabeli 1 13.1 . Tabela 13.1. Zestawienie wybranych parametrów eksploatacyjnych źródeł światła Rodzaj Moc źródła Strumień Skuteczność Temperatura Trwałość źródła świetlny świetlna C barwowa P [W] t[h] Φ [lm] [lm/W] Tb[K] śarówki 10 – 1500 50 – 35000 5 – 20 2500 – 3000 500 – 2500 zwykłe śarówki 5 – 2000 150 – 60000 5 – 30 2800 – 3300 1000 – 5000 1 Na podstawie pracy Siwik A., Adamczyk K., Ptasiński L. Laboratorium elektroenergetyki przemysłowej. AGH. 1997. halogenowe Świetlówki 20 – 200 1000 – 15000 40 – 95 25000 – 6500 6000 - 20000 standardowe 18 – 95 1000 – 88000 Świetlówki 70 – 100 3000 – 6500 6000 – 20000 energooszczędne Świetlówki 5 – 55 250 – 7000 50 – 82 2700 – 4000 5000 - 20000 kompaktowe Rtęciówki 50 – 2000 1500 – 65000 30 – 70 3000 – 6000 3000 - 24000 wysokopręŜne Lampy rtę100 – 1250 1000 – 40000 10 – 30 3000 - 6000 4000 – 10000 ciowo-Ŝarowe Lampy meta30 – 3500 1500-300000 50 - 125 3000 – 6500 1000 - 20000 lohalogenkowe Sodówki 35 – 1000 1500-150000 50 – 150 2000 – 2500 3000 - 24000 wysokopręŜne Sodówki 15 – 200 1500 – 35000 100 – 200 1700 3000 - 24000 niskopręŜne Lampy 55 - 85 3500 - 6000 65 - 75 2700 - 4000 60000 bezelektrodowe indukcyjne typu QL Uwaga: Trwałość większości lamp w istotnym stopniu zaleŜy od częstości zapłonów w cyklu dobowym. Wyładowcze źródła światła – dla zapewnienia właściwych parametrów eksploatacyjnych: stabilności strumienia świetlnego i trwałości – winny być zainstalowane w określonej pozycji pracy. Właściwości fotometryczne większości źródeł zaleŜą w istotnym stopniu od temperatury środowiska. Ćwiczenie 13. 1. Badanie wybranych źródeł światła Celem ćwiczenia jest poznanie róŜnych źródeł światłą, ich budowy, zasady działania i właściwości oraz układów połączeń podstawowych źródeł światła. Wyznaczenie skuteczności świetlnej niektórych źródeł światła Źródła światłą umieszcza się w skrzyni fotometrycznej i dokonuje się pomiaru natęŜenia oświetlenia za pomocą luksomierza. Parametry elektryczne mierzymy w układzie pomiarowym jak na rysunku 13.3. * A ≈220 V * W V Rys. 13.3. Schemat do pomiaru parametrów źródła światła lx Wyznaczenie stałej k skrzyni Po załączeniu układu na napięcie znamionowe źródła o znanym strumieniu Φ mierzymy Φ natęŜenie oświetlenia E i obliczamy stałą skrzyni ze wzoru k = E Pomiary i obliczenia W skrzyni umieszczamy róŜne źródła i dokonujemy pomiarów U, I, P, E a następnie obliczamy Φ, skuteczność świetlną C, cos ϕ. Wyniki pomiarów zestawiamy w tabeli 13.2. Tabela 13.2. Zestawienie wyników pomiarów i obliczeń parametrów źródeł światła Lp Typ źródła – dane znamionowe U I P E Φ =kE [V[ [A] [W] [lx] [lm] Φ cosϕ P [lm/W] C= Charakterystyka Ŝarówki Pomiaru charakterystyk Ŝarówki dokonujemy w układzie jak na rysunku 13.4. Napięcie regulujemy w zakresie od 0 do 1,2UN. A V ≈220 V Rys. 13.4. Schemat do wyznaczania charakterystyki Ŝarówki Wyniki pomiarów notujemy w tabeli 13.3. Tabela 13.3. Wyniki pomiarów charakterystyk Ŝarówek śarówka 1 śarówka 2 śarówka 3 Dane znamionowe: Dane znamionowe: Dane znamionowe: Lp U I [V] [A] U P=UI U I [W] [V] [Ω Ω] R= I [A] U P=UI U I [W] [V] [Ω Ω] R= I [A] U I [Ω Ω] R= P=UI [W] Badanie świetlówki Przed wykonaniem pomiarów zapoznajemy się z instalacją świetlówki, wyjaśniamy rolę zapłonnika, dławika, kondensatora przeciwzakłóceniowego oraz kondensatora do poprawy współczynnika mocy. Pomiary przeprowadzamy w układzie jak na rysunku 12.5; rolę zapłonnika spełnia wyłącznik jednobiegunowy. A A1 W ∩∩∩ V1 ≈220 V V A2 V2 Rys. 13.5 Układ do badania świetlówki Pomiar napięć i prądów podczas zapłonu oraz podczas normalnej pracy Pomiary nagrzewania się elektrod (zapłonu) wykonujemy przy zamkniętym wyłączniku, a normalnej pracy – przy otwartym. Cykl pomiarowy powtarzamy trzykrotnie odczekując za kaŜdym razem, aŜ świetlówka całkowicie ostygnie. Wyniki pomiarów notujemy w tabeli 13.4. Tabela 13.4. Zestawienie wyników pomiarów świetlówki Fazy pracy świetlówki Lp I I1 I2 U U1 [A] [A] [A] [V] [V] 1 Zapłon 2 3 średnia 1 Praca 2 3 średnia U2 [V] Pomiar mocy świetlówki Przez odpowiednie połączenie cewki napięciowej watomierza moŜna zmierzyć moc czynną P pobieraną przez cały układ, moc czynną P’ pobieraną przez rurę wyładowczą oraz moc czynną P” pobieraną przez dławik. Wyniki pomiarów zamieszczamy w tabeli 13.5. Tabela 13.5. Zestawienie wyników pomiarów mocy elementów instalacji świetlówki U Z kondensaBez kondensaRura wyładowcza Dławik V torem C tora C U2 U1 I P I P I1 P’ I1 P” cosϕ ϕ cosϕ ϕ [A] [A] [W] [A] [W] [V] [W] [A] [V] [W] 220 Sprawozdanie powinno zawierać wyniki pomiarów oraz charakterystyki U(I) Ŝarówek. Zadania i pytania kontrolne 13.1. Ocenić skuteczność świetlną badanych źródeł światła. 13.2. Dwie Ŝarówki o róŜnych mocach znamionowych, których charakterystyki wyznaczono w ćwiczeniu połączono szeregowo i załączono na napięcie 380 V. Jaka będzie moc kaŜdej Ŝarówki? 13.3. Narysować schemat układu połączeń świetlówki i wyjaśnić rolę poszczególnych elementów. 13.4. Czy i jak zmieni się jasność świecenia Ŝarówek przed i po załączeniu wyłącznika? Napięcie U = 220 V. Napięcie znamionowe i moc kaŜdej Ŝarówki wynoszą 220 V i 100 W. 220V 220V 220V Rys. 13.6. Układy Ŝarówek do zadania 12.4.