Lab1-2.pdf

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Kierunek: Elektrotechnika, semestr 3

Zastosowanie promieniowania optycznego

Laboratorium

Ćwiczenie nr 1-2

Temat: WYZNACZANIE SPRAWNOŚCI ENERGETYCZNYCH LAMP

ELEKTRYCZNYCH

1.Wiadomości podstawowe

Promieniowanie optyczne jest promieniowaniem elektromagnetycznym nieciągłym,

obejmującym zakres częstotliwości f (lub długości fali w próżni λ pr =c/f, gdzie

prędkość c fali elektromagnetycznej w próżni wynosi ok. 3 ⋅ 10 8 m/s (300 000 km/s))

pomiędzy promieniowaniem mikrofalowym a rentgenowskim.

10 22

10 20

10 18

10 16

10 14

10 12

10 10

10 8

10 6

10 4

10 2

f [Hz]

λ próżni [m]

10 -14

10 -10

10 -8

10 -6

10 -4

10 -2

10 0

10 2

10 4

10 6

10 -12

Rys. 1. Widmo fal elektromagnetycznych: I  zakres widma fal elektromagnetycznych wykorzystywanych w

elektrotechnice, A  fale częstotliwości akustycznej, B  fale radiowe, C  mikrofale, D  promieniowanie

podczerwone, E  promieniowanie widzialne, F  promieniowanie nadfioletowe, D, E, F  promieniowanie optyczne,

G  promieniowanie rentgenowskie, H  promieniowanie gamma i kosmiczne

Przyjmuje się umownie, że zakresy częstotliwości f i długości fali w próżni λ pr

promieniowania optycznego wynoszą odpowiednio:

1000

⋅

Zakres promieniowania optycznego obejmuje promieniowanie podczerwone (IR),

widzialne (światło) (VIS) i nadfioletowe (UV) o przyjętych umownie następujących

zakresach f i λ pr :

(

1000

podczerwone

⋅

(

widzialne

⋅

(

nadfioletowe

⋅

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

2. Lampy

Lampa jest urządzeniem służącym do wytwarzania promieniowania optycznego,

zazwyczaj widzialnego. W zależności od rodzaju energii, z której wytwarzane jest

promieniowanie optyczne, lampy dzieli się na nieelektryczne (poza elektryczne) i

elektryczne.

Do dominujących lamp nieelektrycznych (oprócz lamp nieelektrycznych

wytwarzających promieniowanie na skutek naturalnych lub sztucznych procesów

luminescencji) należą lampy płomieniowe (paliwowe), przekształcające w procesach

spalania energię chemiczną na energię promieniowania optycznego (np.: świeca,

pochodnia, lampa olejowa, lampa naftowa).

Lampy elektryczne (elektryczne promienniki optyczne) są urządzeniami

elektrycznymi wytworzonymi w celu zamiany jednoczęstotliwościowej

(monochromatycznej, np. f=50Hz) energii elektromagnetycznej na energię użyteczną

optycznego (zwykle polichromatycznego (wieloczęstotliwościowego))

promieniowania elektromagnetycznego. Wśród lamp elektrycznych, ze względu na

zakres częstotliwości promieniowania optycznego traktowanego jako promieniowanie

użyteczne, wyróżnia się lampy promieniowania nadfioletowego i podczerwonego

(elektryczne promienniki odpowiednio nadfioletu (UV) (np. lampy kwarcowe) i

podczerwieni (IR) (np. żarowe promienniki podczerwieni)) oraz lampy

promieniowania widzialnego (promienniki światła (VIS)).

Elektryczne lampy promieniowania: nadfioletowego, widzialnego i podczerwonego

przyjęło się nazywać odpowiednio źródłami: nadfioletu (UV), światła (VIS) i

podczerwieni (IR).

Niektóre z lamp elektrycznych nie mogą być zasilane bezpośrednio z sieci, lecz

muszą współpracować ze specjalnymi elektrycznymi lub elektronicznymi układami

zasilającymi. Układy zasilające elektryczne źródła promieniowania (źródła: światła,

promieniowania nadfioletowego, promieniowania podczerwonego) służą np. do:

regulacji napięcia, wywołania wysokonapięciowego impulsu (zapłonowego),

stabilizacji prądu, poprawy współczynnika mocy, filtracji wyższych harmonicznych.

Elektryczne źródło światła, składające się z przetwornika elektroświetlnego i z

różnych innych części (np. trzonek gwintowany, kołki przyłączeniowe, izolatory

ceramiczne, bańka szklana), jest zwykle łatwo wymienialnym urządzeniem

elektrycznym mechanicznie zintegrowanym.

Przetwornik elektroświetlny , będący miejscem zamiany jednoczęstotliwościowej

energii elektromagnetycznej na energię elektromagnetyczną promieniowania

widzialnego, jest najważniejszym jedno- lub wieloczęściowym elementem

elektrycznego źródła światła. Przetwornikami elektroświetlnymi są np.: skrętka lub

dwuskrętka wolframowa, złącze półprzewodnikowe, obszar wyładowania łukowego o

ciśnieniu atmosferycznym, zamknięte (przezroczystymi powierzchniami) obszary

wyładowania jarzeniowego lub łukowego o różnym ciśnieniu, złącze

półprzewodnikowe lub zamknięty obszar wyładowania łukowego wraz z zamykającą

je powierzchnią szklaną pokrytą luminoforem.

Przetworniki elektroświetlne są tzw. pierwotnymi źródłami promieniowania

widzialnego. W przypadku niektórych lamp ich wewnętrzne odbłyśniki lub matowe

szkła stają się tzw. wtórnymi źródłami światła, odpowiednio odbijającymi lub

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

rozpraszającymi promieniowania pierwotne, pochodzące z przetworników

elektroświetlnych.

Ze względu na sposób wytwarzania promieniowania widzialnego elektryczne

źródła światła dzieli się na:

• inkandescencyjne , tzn. temperaturowe (żarówki próżniowe i gazowane,

żarówki halogenowe), o wysyłanym promieniowaniu optycznym zbliżonym do

rozkładu Plancka (rys.2),

•

T = 6000 K

10 8

q rλ

T = 4000 K

m 2 µm

T = 2000 K

10 6

T = 1000 K

T = 500 K

10 4

T = 300 K

T = 200 K

10 2

10 0

0,1

0,5

100

Rys. 2. Rodzina funkcji rozkładu widmowego promieniowania wg wzoru Plancka

λ [µm]

• inkandescencyjno-luminescencyjne (lampy wyładowcze: wysokoprężne

rtęciowo-żarowe, atmosferyczne łukowe).

• luminescencyjne , tzn. poza temperaturowe:

a wśród nich, ze względu na rodzaj przetwornika elektroświetlnego i

sposób generacji promieniowania wyróżnia się:

• źródła złączowo-półprzewodnikowe o polichromatycznym

promieniowaniu spontanicznym (diody półprzewodnikowe LED) i

monochromatycznym promieniowaniu wymuszonym (diodowe lampy

laserowe),

• źródła wyładowcze o promieniowaniu wymuszonym (lasery na ciele

stałym, lasery gazowe) i o promieniowaniu spontanicznym.

Według kryterium rodzaju wyładowania wyładowcze źródła światła o

promieniowaniu spontanicznym dzieli się natomiast na:

• źródła o wyładowaniu świetlącym (lampy tlące, lampy (rury) jarzeniowe

(wysokonapięciowe)),

• źródła o niskoprężnym wyładowaniu łukowym zachodzącym w parach sodu

(niskoprężne lampy sodowe) lub rtęci (niskoprężne lampy rtęciowo-

fluorescencyjne o różnych kształtach rur wyładowczych (np. świetlówki o

rurach przestrzennie rozciągłych (np. (prosto)liniowe, kołowe), świetlówki

kompaktowe o rurach przestrzennie upakowanych), lampy indukcyjne

(wysokoczęstotliwościowe i bezelektrodowe)),

• źródła o wysokoprężnym wyładowaniu łukowym zachodzącym w parach

sodu (wysokoprężne lampy sodowe), parach rtęci (wysokoprężne lampy

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

rtęciowe, wysokoprężne lampy rtęciowo-fluorescencyjne) i w parach rtęciowo-

halogenkowo-metalowych

(lampy

metalohalogenkowe

(rtęciowo-

halogenkowe)).

Luminescencyjne źródła światła wymagają stosowania różnych elektrycznych

lub elektronicznych układów zasilających .

Dla luminescencyjnych wyładowczych źródeł światła , wymagających wysokiego

napięcia zapłonu i utrzymywania stałej wartości prądu wyładowania, elektryczne

(tradycyjne, dławikowe, transformatorowo-rozproszeniowe) lub elektroniczne układy

zasilające nazywane są układami stabilizacyjno-rozruchowymi.

Elektroniczne układy zasilające będące falownikami o częstotliwości napięć

wyjściowych wynoszącej najczęściej

25 ÷ i umożliwiające zasilanie źródeł

wyładowczych m.in. z sieci stałoprądowych w porównaniu z tradycyjnymi układami

zasilającymi charakteryzują się wieloma zaletami.

W przypadku gabarytowo niewielkich elektronicznych układów zasilających łączy

się je czasami z wyładowczymi kompaktowymi (przestrzennie upakowanymi)

źródłami światła w jedną elektromechaniczną i łatwo wymienialną całość, którą

nazywa się zintegrowanym źródłem światła (np. zintegrowane świetlówki

kompaktowe).

kHz

Obecny rozwój w dziedzinie źródeł światła związany jest głównie z poszerzeniem

asortymentu istniejących już rodzin źródeł światła i z coraz szybszym rozwojem

elektronicznych układów zasilających. Obserwuje się szczególnie dynamiczny rozwój

wysokoprężnych lamp rtęciowo-halogenkowych i diodowych lamp

elektroluminescencyjnych oraz stabilizacyjno--zapłonowo-sterujących układów

elektronicznych do zasilania wysokoprężnych lamp wyładowczych. Układy te

umożliwiają stosowanie zarówno analogowych, jak i cyfrowych układów sterowania

źródłami światła i pozwalają coraz częściej na płynną regulację strumienia świetlnego

lamp wyładowczych.

Do powszechnie stosowanych elektrycznych źródeł światła można zaliczyć:

żarówki, żarówki halogenowe, świetlówki o różnych kształtach ((prosto)liniowe,

kołowe, U-kształtne itp.) i zintegrowane świetlówki kompaktowe, wysokoprężne

lampy rtęciowe i rtęciowo-żarowe, wysokoprężne lampy rtęciowo-halogenkowe oraz

nisko- i wysokoprężne lampy sodowe.

3. Sprawności lamp elektrycznych

Na rysunku 3 przedstawiono poszczególne promieniowania wchodzące w skład

promieniowania optycznego, a na rysunku 4 zobrazowano moce elektromagnetyczne

w pracujących lampach elektrycznych.

60- 965 Poznań

ul.Piotrowo 3a

tel. (0-61) 6652688

fax (0-61) 6652389

http://lumen.iee.put.poznan.pl

Rys. 3. Zakresy długości fal elektromagnetycznych w próżni ( λ pr ) odpowiadające promieniowaniu: optycznemu

(O), nadfioletowemu (UV), widzialnemu (VIS) i podczerwonemu (IR)

Rys. 4. Schemat ideowy przetwarzania mocy elektromagnetycznych w lampach elektrycznych

Sprawność energetyczna (mocowa ) η en lampy elektrycznej, czyli elektrycznego

źródła promieniowania optycznego, jest sprawnością zachodzącej w lampie

przemiany dochodzącej do lampy, a pobieranej ze źródła zasilania mocy elektrycznej

P e (w W), na wysyłaną przez nią moc promienistą promieniowania optycznego

(strumień promienisty) P ro (w W), (rys. 4):

(1)

W przypadku lamp elektrycznych współpracujących z zasilającymi je układami

elektrycznymi (np. lampy wyładowcze, lampy złączowo-półprzewodnikowe), ich

sprawność energetyczna całkowita η enc , równa iloczynowi sprawności energetycznej

lampy η en i sprawności energetycznej układu zasilającego η enz , wyniesie (rys. 4):

⋅

)

enc

enz

gdzie P ec ( w W) jest mocą pobieraną z sieci przez lampę i układ elektryczny ją

zasilający.

Sprawnością optyczną (wydajnością energetyczną) promieniowania: widzialnego

( η ovis ), podczerwonego ( η oir ) lub nadfioletowego ( η ouv ) nazywa się stosunek

strumienia promienistego (mocy promienistej) odpowiednio: widzialnego (P rvis ),

podczerwonego (P rir ) lub nadfioletowego (P ruv ) do strumienia promienistego (mocy

promienistej) P ro promieniowania optycznego, tzn. (rys. 4, rys. 3):

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: