1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с.257 — 290.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983,с.334 — 359.
3. Прищеп Л.Г. Учебник сельского электрика. — М.: Агропромиздат, 1986, с.262 — 276.
Методические указания к лабораторной работе № 11
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И СВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ СВЕТА.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
изучение устройства, принципа действия ламп накаливания и люминесцентных ламп и сравнение их электрических и светотехнических характеристик.
1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1.1 Изучить конструкцию лампы накаливания и люминесцентной лампы. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и электрическими схемами для исследования ламп.
1.2 Подготовить к работе люксметр согласно указаний раздела 3, измерить расстояние между лампой и фотоэлементом.
1.3 Собрать схему (рис.1) и показать ее преподавателю.
1.4 Установить напряжение на лампе 240 В. Произвести измерение тока, мощности, освещенности. Данные измерений занести в таблицу 1. Плавно снижая напряжение на лампе, через каждые 20 В снимать показания и результаты занести в таблицу.
1.5 Собрать схему (рис.2) и показать ее преподавателю.
1.6 Выполнить указание п.1.4 для люминесцентной лампы (рис.2) и данные записать в таблицу 2.
Построить совмещенные графики зависимости светоотдачи от мощности для лампы накаливания и люминесцентной лампы, аналогично графики зависимости светового КПД от мощности.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.
Лампы накаливания.
Основной частью лампы накаливания (рис.3) является тело накала 3, которое нагревается под действием электрического тока до температуры 2000…2800°К и испускает электромагнитное излучение в виде светового (видимого) и инфракрасного (теплового) потока. Тело накала изготавливают из вольфрамовой проволоки различной конструкции и формы (нити, спирали, биспирали). Вольфрам имеет высокую температуру плавления (3663°К) и малую скорость испарения. Дополнительные присадки из окисей кремния и алюминия с добавлением калия и натрия обеспечивают большую механическую прочность тела накала при хорошей формоустойчивости.
Для подвода тока к телу накала и поддержания его в нужном положении служат электроды 6. Дополнительными поддерживающими элементами являются держатели 4, вставленные в утолщение стеклянного стержня 5, имеющего название штабик. Внутренние детали лампы изолированы от внешней среды колбой 1. Внутри тарелки 9 имеется откачная трубка 10 с отверстием 14 для откачивания воздуха. Внутреннюю полость колбы заполняют инертными газами (аргон, криптон) для уменьшения окисления и распыления вольфрама при высокой температуре.
Для подвода питания и крепления лампы в патроне служит резьбовой цоколь 13. Лампы мощностью до 300 Вт имеют обычно цоколь Е27, а 500 Вт и более — Е40. Питание от второго провода подводится через контактную пластину 12.
Обозначение ламп накаливания общего назначения имеет буквенно-цифровую символику.
Например
: БК 215-225-100-2 — биспиральная, криптоновая, на диапазон напряжения 215…225 В, мощность 100 Вт, второй номер разработки.
Срок службы ламп накаливания общего пользования составляет в среднем 1000 часов.
В настоящее время широко выпускаются более эффективные — галогенные — лампы накаливания, имеющие колбу в форме трубки. Добавка галогена, например, йода, в колбу лампы накаливания вызывает замкнутый химический цикл. В рабочем режиме частички вольфрама с тела накала испаряются и оседают на стенках колбы лампы. При температуре 570…1400°К у стенок колбы пары йода соединяются с частичками вольфрама, образуя йодистый вольфрам с температурой испарения 520…570°К. При температуре 520°К и более это газообразное соединение улетучивается и из-за повышенной концентрации у стенок диффузирует в направлении раскаленной вольфрамовой спирали. Вблизи вольфрамовой спирали йодистый вольфрам диссоциирует на исходные составные элементы — вольфрам и йод. Частицы вольфрама оседают на тело накала, а йод движется в обратном направлении к стенкам колбы. Таким образом осуществляется регенерация испарившегося вольфрама на тело накала, что приводит к увеличению срока службы лампы. Вольфрамо-йодный цикл препятствует осаждению вольфрама на стенки колбы лампы, сохраняя их чистыми и прозрачными на протяжении всего срока службы.
Достоинствами
галогенных ламп накаливания являются повышенный срок службы (до 10 тыс. часов), высокая световая отдача (до 29 лм/Вт). Недостатки
— высокая стоимость и необходимость эксплуатации только в горизонтальном положении.
Люминесцентные лампы.
Люминесцентные лампы
работают на основе люминесценции — свечения газа в трубке лампы под действием электрического тока. В отличие от ламп накаливания в газоразрядных источниках света светящимся телом является участок межэлектродного промежутка. До включения в сеть газоразрядная лампа является диэлектриком. Под действием приложенного напряжения происходит ионизация газового промежутка и он становится проводником электрического тока. Для зажигания таких ламп необходимо приложить напряжение из расчета 500…1000 В на 1 м длины трубки. После зажигания лампы сопротивление ее значительно уменьшается, поэтому рабочий ток необходимо ограничивать. Для этих целей служат пускорегулирующие аппараты (ПPА).
Устройство люминесцентной лампы.
На внутреннюю поверхность стеклянной трубки (колбы) равномерно по всей длине нанесен тонкий слой люминофора, преобразующий ультрафиолетовую часть излучения разряда в парах ртути в видимое излучение. Благодаря люминофору световая отдача в люминесцентной лампе доходит до 75 лм/Вт. В качестве люминофора в люминесцентных лампах применяется галофосфат кальция, активированный марганцем и сурьмой, изменяя соотношение которых, можно изменять цветность излучения.
Электроды, которые находятся на концах колбы (рис.4), выполняются из вольфрама. Для улучшения термоэлектронной эмиссии электроды покрываются веществом, состоящим из карбонатов бария, стронция и кальция. Для возникновения ультрафиолетовых лучей в лампу добавляется дозированное количество ртути. После зажигания лампы ртуть испаряется и газовый разряд теперь идет уже в парах ртути. При движении электроны сталкиваются с атомами ртути и отдают им часть кинетической энергии. При этом электроны атома ртути переходят на некоторую новую орбиту. Такая структура возбужденного атома нестабильна. Электрон стремится перейти в свое прежнее положение. При обратном его переходе на более низкий энергетический уровень выделяется квант лучистой энергии, преобладающими в этом излучении являются ультрафиолетовые лучи. Колба лампы наполнена инертным газом аргоном, который способствует надежному горению разряда в трубке, облегчению зажигания лампы и уменьшению распыления электродов. Давление газа составляет 400 Па (3 мм. рт. ст). Наиболее распространенными являются люминесцентные лампы ЛД-40, ЛБ-40, название которых расшифровывается следующим образом: люминесцентная, дневного (или белого) света, мощностью 40 Вт.
Рис.4. Устройство люминесцентной лампы.
Пускорегулирующие аппараты со стартерным зажиганием.
Стартер представляет собой стеклянный баллон, наполненный газом неоном. В баллон впаяны два электрода, один из которых биметаллический. Параллельно контактам стартера включается конденсатор для устранения радиопомех.
Дроссель-катушка с большим числом витков необходим для создания импульса напряжения при зажигании лампы и для ограничения тока, протекающего через лампу.
Работа люминесцентной лампы.
При подаче напряжения на лампу (рис.2) начальный ток потечет по следующей цепи: клемма сети, дроссель, первичный электрод лампы, стартер, второй электрод лампы, клемма сети. Величина этого тока незначительная и составляет доли ампера. Этот ток, проходя через газ между электродами стартера, нагревает этот газовый промежуток (т.к сопротивление этого газового слоя довольно велико). Вместе с газом нагреваются и электроды стартера. Биметаллический электрод при нагревании изгибается и соединяется со вторым электродом. При замыкании контактов стартера ток в цепи резко увеличивается, т.к исключается сопротивление газового промежутка стартера. Величина этого тока, в основном, определяется индуктивным сопротивлением дросселя. Ток, который течет по цепи при замкнутых контактах стартера называется пусковым током. Пусковой ток разогревает электроды люминесцентной лампы до температуры около 1000°К. Лампа готова к зажиганию. Так как электрическое сопротивление замкнутых электродов стартера мало, они охлаждаются (Q=I2
R) и размыкаются (биметаллический электрод возвращается в начальное положение). При размыкании контактов стартера ток в цепи резко уменьшается, такое резкое уменьшение тока вызывает быстрое уменьшение магнитного поля дросселя, что в свою очередь приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, импульс которой достигает 500…600 В. Это напряжение, накладываясь на напряжение сети, пробивает газовый промежуток в лампе, и начинается электрический разряд в газе, а затем и в парах ртути. Невидимое для глаза ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате этого разряда, облучает слой люминофора и вызывает видимое свечение его.
Стробоскопический эффект.
Люминесцентные лампы, работающие на переменном токе, создают пульсирующий световой поток. Эта пульсация светового потока значительно больше, чем у лампы накаливания.
Освещение движущихся предметов пульсирующим световым потоком приводит к так называемому стробоскопическому эффекту, который выражается в искаженном представлении об истинном состоянии движения. Так, при совпадении частоты пульсации светового потока и скорости вращения предмета, вращающаяся часть кажется неподвижной, что может привести к травматизму. В других случаях предмет может казаться движущимся в обратном направлении. Простейшей мерой уменьшения глубины пульсаций светового потока является включение соседних люминесцентных ламп в разные фазы трехфазной системы тока.
Преимущества и недостатки люминесцентных ламп.
По сравнению с лампами накаливания люминесцентные лампы имеют следующие преимущества
:
у них значительно большая световая отдача — до 75 лм/Вт (у ламп накаливания общего пользования — до 20 лм/Вт);
более благоприятный спектр излучения;
невысокая температура поверхности трубки;
срок службы до 10000 часов (у лампы накаливания — до 1000 часов).
Недостатками
люминесцентных ламп являются:
сложная конструкция (требуется пуско-регулирующая аппаратура);
большие габариты;
чувствительность к температуре окружающей среды (при t°<0 зажигание не гарантируется).
3. Подготовка к работе люксметра.
Люксметр Ю-116 состоит из измерителя, который представляет собой прибор магнитоэлектрической системы, обозначенный на схеме 1 буквой PL и отдельного селенового фотоэлемента BL. Фотоэлемент с насадкой, расположенный в пластмассовом корпусе, соединяется с измерителем шнуром при помощи разъемного соединения. Прибор имеет две шкалы: 0-100 и 0-30.
При нажатой правой кнопке следует пользоваться шкалой 0-100, а при нажатой левой — шкалой 0-30. Показания прибора в делениях по соответствующей шкале умножается на коэффициент ослабления, который зависит от применяемой насадки, имеющей на своей поверхности маркировку КМ, КP и КТ и равняется соответственно 10, 100, 1000. Например
, на фотоэлементе установлена насадка КP, нажата левая кнопка, стрелка показывает 10 делений по шкале 0-30. Измеряемая освещенность равна 10&100= 1000 лк.
4. Световые и электрические характеристики источников света.
4.1 Номинальное напряжение
— это напряжение, на которое лампа рассчитана для работы. Лампы накаливания общего назначения выпускаются на следующие диапазоны напряжений: 215…225; 220…235; 230…240; 235…245 В. Для увеличения срока службы следует приобретать лампы с с большим номинальным напряжением. Люминесцентные лампы, в основном, рассчитаны на напряжение сети 220 В, причем на самой лампе, в зависимости от мощности, падение напряжения составляет 102…110 В, остальная часть напряжения падает на дросселе.
4.2 Электрическая мощность
лампы указывается как средняя величина для номинального значения напряжения. Промышленность выпускает лампы накаливания общего назначения мощностью от 15 до 1000 Вт.д.иапазон мощностей люминесцентных ламп меньше и составляет, в основном, 15…80 Вт.
4.3 Световой поток
характеризует мощность видимого излучения, оцениваемого глазом человека, измеряется в люменах (лм). Световой поток можно выразить через освещенность, измеренную люксметром:
Ф = 4Еl2
где Е — освещенность, лк;
l — расстояние между лампой и фотоэлементом, м;
4.4 Световая отдача
характеризует экономичность источника света и определяется отношением излучаемого светового потока к мощности лампы:
лм/Вт
где P — мощность лампы, Вт.
4.5 Световой КПД
. Многочисленными измерениями установлено соотношение между мощностью и световым потоком — ваттом и люменом: 1 Вт=683 лм при однородном излучении с длиной волны, равной 555 нм. Отсюда световой КПД
4.6 Срок службы.
Средний срок службы лампы накаливания общего назначения составляет 1000 часов. На срок службы значительно влияет колебание напряжения. Зависимость имеет вид:
где , UН
— соответственно срок службы и напряжение по паспортным данным. Срок службы люминесцентных ламп составляет 5000…10000 часов, причем срок службы уменьшается как при увеличении, так и при уменьшении напряжения относительно номинального.
Таблица 1.
Источник: //www.bestreferat.ru/referat-191738.html