ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ І СВІТЛОТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАМП РОЗЖАРЮВАННЯ

Лабораторна робота № 1

Мета роботи: Визначити будову і існуючий асортимент ламп розжарю­вання. Дослідити залежності основних параметрів ламп розжарювання від зміни напруги мережі.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Природне світло має дуже велике значення для сучасного суспільства, (всесвітньої комунікації не було б або вона була б незначною, якби половина.віту в любий даний момент часу була б занурена у пітьму. Світло від штучних джерел світла має ту перевагу, що воно порівняно постійне по рівню і кольору в побий час і в любу пору року.

Серед всієї різноманітності штучних джерел світла лампи розжарювання [ЛР) найбільш розповсюджені. їх випуск зростає, області використання розширюються, збільшується кількість типорозмірів, високими темпами механізується і автоматизується виробництво. Не дивлячись на все більше використання розрядних джерел світла, які більш економічні і довговічні, ЛР загального і спеціального призначення іще довгий час -будуть переважати в різних областях світлотехніки, а для цілого роду спеціальних призначень, мабуть, ніколи не будуть витіснені розрядними лампами. Це обумовлено низькою собівартістю ЛР, зручностями в користуванні, можливістю створення джерел світла від мікромініатюрних ламп (долі Вт) до ламп, які споживають десятки кВт.

ЛР -" це теплові джерела світла, які використовують випромінювання нагрітого до температури 2500...3000°К, вольфрамового тіла розжарювання, поміщеного в скляну колбу, наповнену інертним газом або відкачану до глибокого вакуума.

1879 рік прийнято рахувати роком народження ЛР, коли американський винахідник Т.А.Едіссон не тільки удосконалив конструкцію ЛР, запропоновану в 1873 р. А.П.Лодигіним, але і розробив технологію її виробництва.

В залежності від призначення та особливих вимог, які висуваються до окремих типів ЛР, конструкція їх може значно змінюватися. В цілому ж будова ЛР слідуюча (рис.1.1).

Основною частиною ЛР є тіло розжарювання 1, яке виготовляються з вольфрамового дроту або стрічки. Дріт випускають діаметром від 0,01 до 1,5 мм. Вольфрамову стрічку виробляють товщиною від 0,02 мм і більше, різної ширини • та довжини. Для підтримки тіла розжарювання використовують молібденові. тримачі 2, форма, розмір і кількість яких залежить від конструкції тіла розжарювання, яке використовується -в лампах даного типу.

Для того, щоб тіло розжарювання (спіраль, біспіраль, триспіраль і т.д.) зберігало в процесі роботи форму, його фіксують в просторі не тільки з допомогою тримачів 2, але і електродів 3, по яким напруга підводиться до тіла розжарювання 1. В залежності від типу лампи електроди можуть складатися з одної, двох або трьох ланок. На рис.1.1 показані електроди, які складаються з трьох ланок:

- внутрішньої ланки За, яка виготовляється з нікелю, який має дуже мале газовиділення при нагріванні і досить формостійкий при високих температурах;

- середнньої ланки - платінітового впаю 3б, (коефіцієнт теплового лінійного розширення у платініта такий самий, як і у скла), який утворює зі склом вакуумно-щільне з'єднання;

Рис. 1.1

- зовнішньої ланки - виводу Зв, яка виготовляється як правило з міді том? що мідь гнучка і добре паяється.

Електроди і тримачі: це частина так званої ножки. Ножка - це скляний конструктивний вузол лампи, який крім електродів і тримачів включає в себе скляний суцільний штабік 4 з лінзочкою 5, скляний пустотілий штенгель 6 її скляну трубку - тарілку 7, розгорнуту в нижній частині 8. Ці деталі з'єднані між собою шляхом сплавлення скляних елементів в зоні лопатки 9. Ножка служить опорою для тіла -розжарювання і разом, з колбою 10 забезпечує герметизацію лампи.

Тіло розжарювання розміщується або у вакуумі, або в середовищі так званих інертних газів або їх сумішей, які не реагують з матеріалом тіла розжарювання. Як правило лампи наповнюють сумішшю інертних газів 86% Аr + 14% N₂ або 90% Кr + 10% N₂. Азот вводять в лампу для того, щоб виключити можливість винекнення міжвиткових розрядів в лампі. Використання технічного кріптону виправдано в тих випадках, коли економічний ефект його використання (за рахунок зменшення теплових втрат в газі і збільшення строку служби) компенсує більш високу його вартість в порівнянні з технічним аргоном. Як правило, це має місце в нормально освітлювальних лампах (НОЛ) потужністю не більше 150 Вт. В лампах 150 і більше Вт доцільніше використання аргонового наповнення. Тиск наповнюючого газу в непрацюючій лампі, виходячи з умов технології їх наповнення, повинен бути трохи нижче атмосферного. Як правило, це 600...650 мм рт.ст. При роботі лампи Р_гор=(1,5...1,7)Р_хол.

Конструктивно ця задача вирішується слідуючим чином: ніжку з тілом розжарювання розміщують в колбі 10, горло колби герметично зварюють з розгорткою тарілки 8, через штангель і відкачний отвір 11 з колби відкачують повітря і після цього вводять інертні гази. Потім запаюють штангель, герметично закриваючи тим самим внутрішній простір лампи, і на горловині лампи, за допомогою цокольовочної мастики, закріплюють цоколь 12; до корпусу 13 і контактної пластини 14 приварюються виводи електродів.

Цоколі ЛР забезпечують їх кріплення в патроні та орієнтацію нитки розжарювання відносно осі патрона. Найчастіше використовують різьбові, штіфтові, фокусуючі штіфтові, фокусуючі дискові і фокусуючі секторні цоколі (рисі.2). Енергетичний баланс різних ЛР приведений в табл.1.1.

Різьбовий Штіфтово-двох Штіфтово одно- Фоксуючий дисковий

Контактний Контактний

Рис. 1.2

Основним електричним параметром ЛР, як споживача електроенергії, є номінальна напруга мережі або джерела живлення, при вмикані на яке вона повинна робити. Ця напруга називається номінальною напругою ЛР.

Другим основним електричним параметром ЛР є потужність. Під номінальною потужністю ЛР даного типу розуміють розрахункову електричну потужність, яка виділяється в ЛР даного типу при її вмиканні на номінальну напругу.

Основною світлотехнічною характеристикою ЛР є світловий потік в люменах, який вона випромінює. Практично номінальним світловим потоком лампи є середнє значення світлового потоку великої партії ламп даного типу. При нормуванні світлового потоку обмежують його допустиму нижню межу.

Світлова віддача, одна з найважливіших характеристик якості ЛР, останнім часом виключена з характеристик,які нормуються, тому що її можна отримати як відношення світлового потоку до потужності.

Не зважаючи на різноманітність конструкцій ЛР, взаємна залежність їх параметрів в межах великої (не більше ±10%) зміни одного з них може бути представлена рівнянням слідуючого типу

, (1)

де Н₂ та В - два будь-яких параметри ЛР, причому значення параметра Н_с відповідає значенню В_o.

Це значить, що якщо при деяких умовах лампа має параметри Н₀ та В₀, а потім параметр Н₀ в силу буль-яких причин прийняв значення Н, то при цих же умовах параметр В₀ прийме значення В, яке можна отримати з виразу (1).

В залежності від параметрів, які входять до рівняння (1), змінюється показник степеня п. Для кожних двох параметрів в умовах, обумовлених вище, тобто зміни параметрів до ±10%, показник степеня п залишається постійним.

Найбільш важливими для експлуатації є зміни параметрів в залежності від зміни напруги на лампі, так як фактична напруга, яка подається на лампу, як правило, відрізняється як від номінального, так і від розрахункового її значення. Рівняння, які зв'язують основні параметри ЛР з напругою, мають слідуючий

вигляд:

- залежність потужності: (Р/Р_о) = (U/U_о)^8/5 (2)

- залежність струму: (І/І_с) = (U/U_о)^3/5 (3)

- залежність світлового потоку: (F/F_о) = (U/U_о)^3,6 (4)

- залежність світлової віддачі: (Н/Н₀) = (U/U_о)² (5)

- залежність строку служби: (т/т_о) = (U/U_о)^-14 (6)

- залежність температури тіла, розжарювання: (Т/Т_о) = (U/U_о)^1/3 (7)

З розглянутих залежностей звертає на себе увагу різка залежність строку служби ЛР від прикладеної напруги, показник степені якої мінус 14. Це означає, що при підвищенні напруги на 10% новий строк служби ламп складає всього 14% від номінального. Дещо слабіша залежність світлового потоку ЛР від напруги. В першому наближенні вона означає, що на 1% зміни напруги світловий потік змінюється на 4% від номінального значення. Таким чином при зменшенні напруги зменшується світловий потік і збільшується тривалість горіння ЛР. Це добре ілюструють графіки залежності параметрів ЛР від напруги живлення рис.1.3.

Напруга, % Напруга, %

а – вакуумні ЛР, б) – газоповні ЛР; 1 – тривалість горіння;

2 – світловий потік; 3 – світлова віддача; 4 – сповивальна потужність;

5 – струм.

Рис. 1.3

При нагріванні тіла розжарювання, колба і внутрішні деталі ЛР виділяють різні гази і пари (кисень, водень, пари води). Це негативно впливає на роботу ЛР. Так наявність парів води визиває безперервну і інтенсивно протікаючу кругову реакцію в лампі – “водяний цикл”: 3H₂O+W <=>WO₃+6H. Вольфрамовий ангідрид W0₃ випаровується з тіла розжарювання і конденсується на колбі. Тут водень відновлює його до металу, а водяна"' пара,яка утворюється _f знов взаємодіє з тілом розжарювання, швидко руйнуючи його.

Для боротьби з шкідливими газами і парами в лампу вводять спеціально підібрані газопоглиначі (геттери) - матеріали, які активно і не обернено поглинають і зв'язують шкідливі для - роботи ЛР пари і гази. Ефективні геттери потрібні насамперед в лампах малого об'єму, які мають в середині колби відносно велику масу металічних деталей.

Геттери - характеризуються слідуючими основними параметрами:

- швидкістю поглинання, яка повинна бути більша швидкості виділення
газів деталями лампи, інакше тиск шкідливих газів буде безперервно зростати;

- ємністю, тобто кількістю газів, яку вони можуть поглинути;

- вибірковістю поглинання, тобто стелінню активності його до різних газів. Геттери для ЛР можна розділити на дві групи:

1) ті, які випаровуються - червоний фосфор, газова сажа, вуглекислий

барій і їх суміші;

2) ті, які не випаровуються - металічний цирконій, титан, алюміній та інші.
Існує великий асортимент ЛР по конструкції, геометричним розмірам,

електричним характеристикам і призначенню. Так ЛР електричні надмініатюрнії (СМН рис 1.4) використовуються в сигнальних пристроях, пультах, медичній апаратурі. Вони мають підвищену надійність, розраховані на роботу в діапазоні температур від -60 до +120°С і пониженому тиску. Випускаються з цоколями і

вільними виводами.

ЛР електричні мініатюрні серії МН (рис.1.5) широко використовуються в різноманітній апаратурі. ЛР електричні серії Р (рисі.6) розраховані на низьку напругу, малу потужність і мають малі габарити.

ЛР електричні для оптичних приладів серії ОП і СЦ (рисі,7) виготовляються з підвищеними вимогами до якості скла балонів, форми

розташування тіла розжарювання.

ЛР електричні комутаційні серії КМ (рис.1.8) призначені для сигналізації, їх цоколь складається з пластмасового наконечника і двох латунних пластин; тіло розжарювання має підвищенну механічну міцність і витримує вібрацію у вертикальній та горизонтальній площинах.

ЛР електричні спеціальні різного призначення серій РН, СЦ (рис 1.9; 1.10) використовуються в різних вимірювальних і освітлювальних приладах. Компактні і споживають малу потужність, виготовляються з різними типами цоколів.

ЛР електричні в циліндричних балонах серії Ц (рис. 1.11) призначені для сигналізації і освітлення шкал приладів. Випускаються з різьбовими і штіфтовими цоколями, а для роботи в морських умовах - з цоколями з латуні. Тіло розжарювання відрізняється підвищенною механічною міцністю до ударних навантажень.

ЛР електричні кінопроекційні серії К (рис. 1.12) використовуються в різній

проекційній апаратурі. Для точного суміщення світлового центра з фокусом оптичної системи деякі з ламп цієї серії мають спеціальні цоколі.

ЛР електричні для літаків серії СМ (рис.1.13) призначені для освітлення літаків і сигналізації, розраховані для - роботи в умовах пониженого атмосферного тиску і підвищеної відносної вологості оточуючого середовища. Тіло розжарювання ламп серії CM має велику механічну міцність і витримує великі вібраційні та ударні навантаження.

ЛР електричні автомобільні серії А (рис. 1.14) виготовлюються на номінальну напругу 6, 12, 24 В. Тіло розжарювання цих ламп підвищеної міцності, витримує вібрацію з частотою 50 Гц і прискоренням 7,5 та 3q (відповідно для ламп з номінальною напругою 6, 12, 24 В), ударну тряску з частотою 40...100 ударів в хвилину з прискоренням 20, 50 та 10q (відповідно для ламп з номінальною напругою 6, І2, 24 В).

Лампи з серії А випускаються в основному з штіфтовим цоколем. Частина ламп цієї серії випускається з різними типами фокусуючих цоколів.

ЛР електричні маячні серії MM (рис.1.15). також мають тіло розжарювання з підвищеною механічною міцністю і випускаються в матованих балонах і з фокусуючими цоколями.

електричні судової серії С (рис.1.16) випускаються з різьбовими і штіфтовими

цоколями, тіло розжарювання має підвищену механічну міцність, витримує вібрацію з частотою 25 Гц і амплітудою 1 мм. Частина ламп випускається з двома тілами розжарювання (одне резервне, яке включається у випадку перегоряння основного). Цоколі цих ламп латунні. Світлові та електричні параметри основної та резервної спіралей однакові.

ЛР електричні серії ЖС (для залізної дороги (рис.1.17) мають моноспіральне тіло розжарювання, прозорі колби наповнені аргоном. Лампи витримують вібрацію з частотою 35 Гц і амплітудою 0,6 мм, а також багатократні удари з частотою 60-80 в хвилину при прискоренні 2q.

Колби ламп Ж 54-25 мають синій колір і витримують вібрацію з частотою 25 Гц і амплітудою 1 мм.

ЛР електричні освітлювальні.для місцевого освітлення МО (рис.1.18) витримують вібрацію з прискоренням 20q і частотою 50 Гц. Призначені для використання в тих випадках, коли вимоги техніки безпеки забороняють

використовувати напругу 127 та 220 В.

Загалом; слід визначити, що нормальні освітлювальні лампи

розжарювання,наповнені аргоном,завжди мають грушоподібну колбу (рис. 1.17, 1.18), а наповнені криптоном - грибоподібну колбу (рис.1.19), що дозволяє легко їх розрізняти.

ОПИС ДОСЛІДНОЇ ПАНЕЛІ ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Елементи необхідні для виконання лабораторної роботи закріплені на панелі, яка представляє собою лампи розжарювання різного призначення зафіксовані у відповідних патронах.

Всі необхідні для виконання лабораторної роботи прилади знаходяться на столі лабораторного стенда. Це ААТР, - амперметр, вольтметр, ватметр і люксметр.

З'єднання схем проводити за допомогою мідних провідників з наконечниками.

ЗАВДАННЯ

А. Виконується при підготовці до роботи

1. Розрахувати та побудувати залежності строку служби і світлового потоку ЛР від зміни величини напруги мережі. Всі необхідні дані приведені в табл. 1.2. Зміну напруги мережі прийняти в межах ±50% від номінальної U₀ через кожні 10%.

Таблиця 2

1.2

В. Виконується в лабораторії

Зібрати схему рис. 120, зняти і побудувати в реальних на одному графіку та відносних (приведених) на другому графіку одиницях залежності струму (І.,), потужності (Р,) і світлового потоку (F_A) ламп розжарювання від зміни напруги мережі (лампи) U_M. (UJ. Виміри провести для трьох типів ламп розжарювання. Типи ЛР задаються викладачем. Результати вимірювань занести в таблиці 1.3; 1.4; 1.5.

Рис. 1.20

Таблиця 1.3

Таблиця 1.4

ЛР типу

Таблиця 1.5

За результатами дослідів зробити висновки відносно зміни світлового потоку (світлового ККД г)) і лінійності вольт-амперних характеристик. Для кожного типу ЛР зафіксувати точку, в якій лампа споживає енергію, але зовсім не випромінює світла.

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ПО ВИКОНАННЮ ЛАБОРАТОРНОЇ

РОБОТИ

. Світловий потік розраховується по величині освітленості за допомогою

люксметра з формули.

F_л ≡ 3,πl²Е (лм), (1)

де l - відстань від тіла розжарювання до фотоелемента, м.

3. Світловий ККД ЛР розрахувати за формулою:

η= F_л/(683 η_еP_л), (2)

де η_е - коефіцієнт перетворення потужності ЛР в променевий потік;

η_е= ε_Тσ(T)⁴. (S_T._P/P_A), (3)

де ε_Т - інтегральний коефіцієнт випромінювання (табл.1.6).

Таблиця 1.6

σ_Т- стала Больцмана, σ_Т = 5,67-10" Вт • м^-2 • -град^-4;

S_TP - площа поверхні ТР, м², знаходиться при номінальній напрузі ЛР,

коли η_е - 0,9 з формули (3);

Т - температура тіла розжарювання, К.

T= , (4)

де R₀ - опір тіла розжарювання при кімнатній температурі, Ом;

- температурний коефіцієнт опору, для вольфраму = 0,0052 град^-1

4. Приведення значення електричних величин визначити з формул:

U_м = Uмн/U_м; I_л=Iлн/I_л; Р_л = Р_лн/Р_л., (5)

де U_м, І_лн, Р_л - поточні значення мережі, струму і потужності ЛР, які вимірюються відповідними приладами.

Uмн, І_лн, Р_л - номінальні значення напруги мережі, струму і потужності ЛР.

3. Всі виміри в схемі рис 1.20 провести в інтервалі напруги мережі від О В до 1,1 U_мн, розробивши інтервал на вісім рівних частин.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Дайте визначення лампі розжарювання.

2. Розкажіть будову лампи розжарювання.

3. Яка будова електродів?

4. Чим наповнюють колбу ламп розжарювання? До якого тиску?

5.Як конструктивно вирішується задача наповнення колби ЛР сумішшю Інертних газів?

6. Які цоколі ви знаєте?

7.Чим відрізняється енергетичний баланс різних ЛР?

8. Якими основними параметрами характеризується ЛР?

9. Як аналітично виглядає взаємна залежність параметрів ЛР в межах
великої зміни одного з них?

10. Як залежить строк служби ЛР від величини напруги мережі?

11. Що таке геттер і для чого він вводиться в ЛР?

12. Якими основними параметрами характеризуються геттери?

13. Чим відрізняються ЛР типу СМН від МН.

14. Які ЛР використовуються для оптичних приладів?

15. Які ЛР використовуються у вимірювальних приладах?

16. Які цоколі у автомобільних та кінопроекційних ЛР?

17. Які особливості мають ЛР для літаків, маяків і суден?

18. Як візуально відрізнити ЛР з аргоновим і кріптоновим наповненням?

19. Доякої групи елементів відносяться ЛР (лінійних чи нелінійних)?

20. Як змінюється відносний (приведений) світловий потік ЛР при
зменшенні напруги живлення в 1,5; 2,0; 3,0; 4,0 рази від номінальної?

21. Чи співпадають відносні вольт амперні характеристики ЛР різних типів?

ЛІТЕРАТУРА

1. П.В.Пляскин, В.В.Федоров, Ю.АБуханов. Основы конструирования
электрических источников света.-М.: Энергоиздат, 1983, C.62...105.

2. В.С.Згурский, В.Л.Лисицин,Элементы индикации. Справочник. Энергия,
1980, С.4...40.

3. Г.Г.Ишанин, Э.Д.Панков. Источники и приемники излучения. -М.:
Машиностроение. 1982, С.34...37.

4. В.И.Баев Практикум по электрическому освещению и облучению. -М.:
Агропромиздат. 1991. -с.67-70.

Поиск по сайту: