СиЭ_для лабораторных работ. Методические указания для выполнения лабораторных работ 1, 2, 3 Новосибирск 2018 2 удк
 Скачать 0.52 Mb.
|
|
K u = U/U н - относительный уровень питающего напряжения; U и U н - соответственно фактическое и номинальное напряжения питания лампы. Методика выполнения работы Для снятия характеристик ламп накаливания собирают схему, изобра- женную на рис. 1.1. Экспериментальные зависимости тока и освещенности от уровня на- пряжения снимают путем изменения подводимого напряжения при помощи лабораторного автотрансформатора (Латра). Результаты замеров заносят в таблицу 1.2. Таблица 1.2. Зависимости тока, освещенности, сопротивления, мощности, светового потока и световой отдачи лампы накаливания от напряжения Замерено Рассчитано U I E R P F H В о.е. А о.е. лк о.е. Ом о.е. Вт о.е. лм о.е. лм/Вт о.е. Интервалы изменения напряжения 10 В. Максимальное значение на- пряжения не должно превышать 250 В. При измерении освещенности сле- дует брать разность показаний люксметра при включенной и выключенной лампе. По полученным данным рассчитывают величины: а) сопротивление лампы (Ом) R = U/I ; (1.1) б) мощность, потребляемая лампой (Вт) P = U•I ; (1.2) в) световой поток (приблизительно) F=4π•E•L 2 , (1.3) где L - расстояние от тела накала до фотоэлемента, м; Е - измеренная освещенность, лк; г) световая отдача (лм/Вт) H=F/P. Результаты расчетов заносят в таблицу 1.2. Световой КПД лампы для условий дневного видения определяют по выражению η=H/683 = F/683P. Зона максимума длины волны (нм) определяется по уравнению Вина Λ max =0,2897•10 7 / Т°, где Т° - абсолютная температура, К. 11 Рассчитать Λ max при Т° = 200, 300 и 340 °К. По данным таблицы 1.2 на миллиметровой бумаге в относительных единицах строят зависимости тока I, потребляемой мощности Р, сопротивления R, светового потока F, свето- отдачи Н от напряжения на лампе. Здесь же следует привести известные теоретические зависимости тока, мощности, светового потока, срока служ- бы лампы накаливания от напряжения. Контрольные вопросы 1. Назовите основные детали конструкции лампы накаливания. 2. Укажите основные причины снижения светового потока ламп нака- ливания. 3. Укажите мероприятие, снижающее распыление тела накала. 4. Какие материалы используются для изготовления тела накала лам- пы? 5. Объясните, почему лампы с биспиралью имеют более высокую све- тоотдачу? 6. Назовите максимально возможный теоретический КПД лампы нака- ливания и объясните, как его определить. 7. Пользуясь уравнением Вина, определите, при какой температуре нити КПД лампы будет максимальным. 8. Объясните, почему спираль лампы имеет нелинейную возрастаю- щую вольтамперную характеристику? 9. Чем объяснить, что газонаполненные лампы имеют больший срок службы, чем вакуумные? 10. Какие газы применяются для наполнения колб ламп накаливания? 11. Дайте физическое толкование сокращения срока службы ламп на- каливания при превышении номинального напряжения. Содержание отчета 1. Цель работы. 2. Электрическая принципиальная схема для проведения эксперимен- та. 3. Таблицы технических характеристик испытываемых ламп и прибо- ров, используемых в работе. 4. Таблица результатов измерений и расчетных величин. 5. Графики расчетных и экспериментальных зависимостей. 6. Выводы по работе. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 Исследование электрических и светотехнических характеристик люминесцентных ламп Цель работы: изучение устройства люминесцентной лампы и иссле- 12 дование ее электрических и светотехнических характеристик Программа работы 1. Ознакомиться с устройством люминесцентных ламп различных ти- пов. 2. Ознакомиться с лабораторной установкой и записать технические (паспортные) данные ламп, измерительных приборов, аппаратов и других элементов лабораторной установки. 3. Собрать электрическую схему согласно рис. 2.1 и снять зависимости тока, потребляемой мощности комплектом лампы и создаваемой ею осве- щенности от напряжения сети. 4. Определить расчетным путем зависимости светового потока, свето- отдачи и коэффициента мощности (Ф, Н, cosφ) от напряжения сети. 5. Снять осциллограммы кривых тока и напряжения на лампе от на- пряжения питания. 6. Составить отчет о работе. Рис. 2.1. Схема для снятия характеристик люминесцентных ламп Краткие теоретические сведения Совершенствование источников света с целью повышения их свето- технических и технико-экономических показателей привело к разработке газоразрядных источников оптического излучения. Цветность излучения и характер распределения его по спектру зависят от рода паров металла или газа и условий электрического разряда. Эти свойства открыли для газораз- рядных источников широкое и многообразное применение во всех отраслях народного хозяйства. В зависимости от рода излучателя, обеспечивающего основную часть энергии излучения газоразрядного источника, различают: газосветные лампы, в которых используется излучение газа или паров металла в процессе электрического разряда; электродосветные лампы, в которых используется излучение раска- ляющихся в процессе разряда электродов; 13 люминесцентные лампы, в которых основным источником излучения являются люминофоры, возбуждаемые излучением электрического разряда в газе. Излучение газоразрядных источников носит, как правило, смешанный характер и содержит излучение раскаленных электродов, газовой среды и люминофора, если он в данном случае имеется. Одно из этих излучений обычно преобладает. Наиболее широкое распространение среди газоразрядных источников оптического излучения получили лампы, в которых используется электри- ческий разряд в парах ртути. Люминесцентные лампы - лампы низкого давления, в которых разряд происходит при давлении до 0,01 МПа. Преобразование электрической энергии в световую в люминесцентной лампе происходит в результате электрического разряда в парах ртути и преобразования его в излучение ультрафиолетовой части спектра, которое, в свою очередь, воздействует на люминофор и превращает его в энергию видимой части спектра. На долю видимого излучения приходится около 20% электроэнергии, потребляемой лампой. Цветность люминесцентной лампы определяется, в основном, составом люминофора. Газовый разряд обладает значительно более высокой световой эффек- тивностью по сравнению с тепловым излучением. В отличие от теплового излучения твердых тел, имеющего непрерывный спектр, излучение газово- го разряда дает линейчатый спектр, зависящий от рода газа или паров ме- талла (например, ртути), наполняющих лампу. Если к электродам люминесцентной лампы приложить определенную разность потенциалов, то электрическое поле между электродами начнет воздействовать на свободные электроны и ионы, всегда присутствующие в газе. В результате этого воздействия возникает перемещение электронов к аноду, а ионов к катоду, т.е. появляется электрический ток. По мере увеличения напряжения на электродах скорость перемещения частиц увеличивается. Электроны получают достаточную кинетическую энергию для ионизации встречающихся на их пути атомов газа. В результа- те ионизации, возникающей при столкновении электронов с атомами газа, появляются новые электроны и ионы, процесс нарастает, и электрический ток в трубке увеличивается. Вследствие относительно малой скорости переноса ионов последние группируются у катода, а более подвижные электроны быстро переносятся к аноду. В результате вдоль трубки возникает неравномерное распределе- ние потенциала с большим градиентом потенциала у катода и малым у ано- да. Под действием большой разности потенциалов ионы получают значи- тельное ускорение и ударом о катод освобождают с его поверхности новые 14 электроны, которые, в свою очередь, становятся источниками ионизации. Таким образом, устанавливается независящий от внешних ионизаторов процесс, сопровождающийся свечением (тлеющий разряд). При дальнейшем увеличении тока в цепи лампы процесс бомбарди- ровки катода ионами усиливается. Под действием интенсивной бомбарди- ровки катод накаляется и возникает термоэлектронная эмиссия. Для облег- чения эмиссии электронов используются вольфрамовые катоды, поверх- ность которых покрыта окисью бария. При возникновении термоэлектрон- ной эмиссии происходит дальнейшее увеличение тока, катодное падение потенциала резко уменьшается (примерно до 10 В), и возникает дуговой разряд. С повышением давления газа растет число соударений, а вместе с тем и температура нейтрального газа. Благодаря возникающему в этих услови- ях большому перепаду температуры от оси разряда к стенкам трубки, раз- ряд стягивается в яркий светящийся шнур. Высокие экономичность и яр- кость дугового разряда при сравнительно низких напряжениях на лампе обеспечивают широкие возможности использования его в различных раз- рядных источниках света. Характер и механизм электрического разряда в газе или парах металла существенно зависят от плотности разрядного тока и свойств среды, глав- ным образом от давления (рис. 2.2). Рис. 2.2. Характеристика газового разряда: 1, 2 - область тихого разряда; 3, 4 - область тлею- щего разряда; 5 - область дугового разряда Различают три основные формы разряда: - тихий разряд, характеризуется малой плотностью тока (до 10 -6 А/см 2 ) и отсутствием заметного свечения; - тлеющий разряд, характеризуется ярко выраженным свечением, на- блюдается при малых плотностях тока (10 -4 -10 -2 А/см 2 ) и низких давлениях газа или паров, наполняющих лампу, падение потенциала составляет 100- 300 В; 15 - дуговой разряд, характеризуется интенсивной эмиссией электронов с катода и значительной яркостью свечения, плотность разрядного тока мо- жет достигать больших величин (10-100 А/см 2 ). Так как процесс ионизации является процессом нестабильным, имею- щим постоянную тенденцию увеличения, то проводимость среды внутри лампы, а, следовательно, и ток при постоянном напряжении на лампе будет все время возрастать (падающая вольт-амперная характеристика), в связи с чем режим горения лампы становится неустойчивым. Поэтому для стаби- лизации тока в люминесцентных лампах, как и в большинстве разрядных ламп, используются балластные устройства (резисторы, дроссели, емкости), включаемые последовательно с лампой. Падение напряжения в балласте компенсирует увеличение проводимости в разрядной трубке и тем самым ограничивает ток, могущий привести к разрушению лампы. Напряжением зажигания U з называется наименьшее значение напря- жения, при котором в лампе возникает самостоятельный разряд. Самостоятельным называют такой разряд, который поддерживается благодаря внутренним процессам, возникающим в газоразрядном проме- жутке под действием приложенной к электродам разности потенциалов. Несамостоятельным называется разряд, существование которого воз- можно только в условиях воздействия внешних факторов (ионизирующие излучения, подогрев электродов от внешнего источника и т.п.). Напряжение зажигания самостоятельного дугового разряда значитель- но выше напряжения, требующегося для поддержания разряда в устано- вившемся режиме, когда межэлектродный промежуток ионизирован, и ка- тод, разогретый за счет кинетической энергии падающих на него заряжен- ных частиц, обеспечивает достаточный уровень эмиссии электронов. Напряжение зажигания, как правило, превышает и эффективное на- пряжение сети U с , к которой подключен газоразрядный источник. Величина напряжения зажигания зависит от ряда причин: рода газа, наполняющего лампу; его давления; материала электродов и их эмиссион- ных свойств; диаметра колбы и расстояния между электродами. Снижения напряжения зажигания можно добиться различными способами (до не пре- вышающего U с ): - можно увеличить первичную ионизацию газа, вводя в газоразрядный промежуток дополнительные электроды, при помощи которых создается высокая напряженность электрического поля вблизи катода, способствую- щая возникновению и развитию разряда; - покрытием электродов активирующим слоем (щелочных и щелочно- земельных металлов), повышающим их эмиссионные свойства; - предварительным нагревом электродов, уменьшающим работу выхо- да электронов с катода; - расположением на поверхности лампы проводящей полосы, изме- 16 няющей распределение электрического поля в межэлектродном промежут- ке. Люминесцентные лампы выпускаются белого света (ЛБ), холодно- белого (ЛХБ), тепло-белого (ЛТБ), дневного (ЛД), дневного улучшенной цветопередачи (ЛДЦ), холодно-белого улучшенной цветопередачи (ЛЕ или ЛХБЦ). Для рекламы и иллюминации также выпускаются цветные лампы. Сортимент люминесцентных ламп включает прямые лампы мощно- стью 4, 6, 8, 15, 20, 30, 40, 65, 80 и 150 Вт, а также U-образные лампы 8-80 Вт, W - образные лампы 30 Вт и кольцевые лампы 20-40 Вт. Для общего освещения производственных и общественных зданий наиболее широко применяются лампы мощностью 40 и 80 Вт. Такой же мощностью выпус- каются рефлекторные лампы, на колбу которых в пределах двухгранного угла 240° нанесен отражающий слой, придающий лампам преимуществен- но одностороннее светораспределение. Люминесцентная лампа (рис. 2.3) состоит из цилиндрической стеклян- ной трубки-колбы 1, внутренняя поверхность которой покрывается люми- нофором, способным светиться (флюоресцировать). Колба наполняется га- зом аргоном с несколькими каплями ртути (30-80 мг). Трубка герметически закрыта вваренными в ее торцы стеклянными ножками 2. Внутри трубки на ее концах впаиваются электроды, представляющие собой вольфрамовые биспирали 3, покрытые слоем оксида. По концам лампы имеются короткие цоколи 4 с полыми штырьками 5, к которым припаяны выводы электродов. К электродам подводится напряжение от источника тока. Рис. 2.3. Люминесцентная лампа: 1 - колба; 2 - ножка лампы; 3 - спираль; 4 - цоколь; 5 - электроды Люминофор - твердое кристаллическое порошкообразное вещество (соли кальция, цинка, кадмия, бериллия и т.д.), химический состав которого определяет цвет излучения и светоотдачу. Люминофор преобразует ульт- рафиолетовое излучение в излучение в видимой части спектра. Для зажигания и горения ламп необходимо включение последователь- но с ними пускорегулирующих аппаратов (ПРА). Наиболее часто применя- ется стартерная схема включения люминесцентных ламп (рис. 2.4). Чтобы вызвать свечение в лампе, необходимо предварительно разо- греть электроды. Предварительный нагрев электродов обеспечивает термо- электронную эмиссию, после чего разряд возникает сначала в аргоне, а за- тем переходит в пары ртути. Для получения дугового разряда служит спе- 17 циальное устройство - стартер (рис. 2.5), включаемое на короткое время по- следовательно в цепь электродов. Рис. 2.4. Стартерная схема включения люминесцентной лампы Рис. 2.5. Стартер тлеющего разряда: 1 - корпус; 2 - биметаллическая пластинка; 3 - контакты Стартер (Ст)представляет собой миниатюрную газоразрядную лампу с биметаллическими электродами. При подаче напряжения на схему в стартере возникает тлеющий разряд (напряжения зажигания стартера ниже напряжения питания). В это время биметаллическая пластина стартера на- гревается, изгибается и замыкает цепь электродов люминесцентной лампы. По цепи в течение 0,3...1с протекает ток, величина которого определяется величинами напряжения питания и сопротивлением цепи. Сопротивление стартера при тлеющем разряде велико (примерно 75 кОм), поэтому ток мал (несколько мА). Однако величина этого тока достаточна для разогрева электродов стартера. В результате нагрева биметаллический подвижный электрод стартера замыкает цепь электродов лампы. При протекании тока электроды лампы разогреваются до температуры 1100...1200 °С, это обес- печивает достаточную термоэлектронную эмиссию. Электроды стартера остывают и через 0,2…0,6с разрывают цепь тока через электроды лампы. При разрыве цепи ток резко уменьшается и в дросселе (согласно зако- ну Ленца) возникает электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции, которая, складываясь с напряжением на лампе, увеличивает его до величины, при которой в лампе возникает дуговой разряд. Значение ЭДС (несколько кВ) зависит от величины индуктивности и скорости изменения тока. Время разрыва цепи стартером составляет 1-2 мкс. Напряжение зажигания стартера ниже номинального напряжения сети, но выше напряжения на лампе в рабочем режиме: 18 U л зст с После зажигания лампы часть напряжения (примерно 0,5U с ) будет па- дать на дросселе, поэтому напряжение на стартере будет недостаточно для его зажигания, т.е. при работающей лампе стартер не зажигается. Стартер служит: для автоматического замыкания на определенное время цепи электро- дов лампы; для мгновенного разрыва цепи после их разогрева. Рабочим режимом люминесцентной лампы является дуговой разряд, который стабилизируется и поддерживается с помощью балластного со- противления. Следует помнить, что важнейшей функцией дросселя являет- ся ограничение тока в процессе дугового разряда в лампе. Дроссель в стартерных схемах выполняет следующие функции: обеспечивает достаточный и безопасный для лампы ток в цепи элек- тродов для быстрого их разогрева при зажигании; создает импульс повышенного напряжения, обеспечивающий возник- новение разряда в лампе; стабилизирует разряд (напряжение на лампе) при номинальном для данной лампы токе; обеспечивает устойчивую работу лампы при отклонении напряжения в питающей сети. В рабочем режиме при питании лампы от сети переменного тока каж- дый электрод ее работает попеременно в качестве анода и в качестве като- да. Основную роль в электрическом разряде в каждый полупериод играет катод, так как он обеспечивает необходимый уровень эмиссии. На катоде образуется наиболее разогретая точка - катодное пятно, являющееся ос- новным источником эмиссии электронов. В процессе эксплуатации лампы оно медленно перемещается вдоль электрода от сетевого его конца до стар- терного примерно на один виток биспирали за 1000ч горения. Параллельно лампе и стартеру подключается конденсатор С1 (0,01 мкФ), предназначенный для увеличения длительности импульса повышен- ного напряжения и уменьшения вероятности дугообразования между кон- тактами стартера в момент их размыкания. Параллельно схеме подключен конденсатор С2 (2-10 мкФ) для повышения коэффициента мощности |