Дослідження явищ пульсацій світлового потоку джерел світла

Мета роботи: навчитися вимірювати, розраховувати і оцінювати пульсації світлового потоку різноманітних джерел світла.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Світловий потік всіх джерел світла, які живляться змінним струмом, періодично змінюється з частотою, рівною подвоєній частоті мережі. В лампах розжарювання з порівняно товстою ниткою розжарювання (лампи високої потужності або низької напруги) теплова інерція спіралі настільки велика, що коливання світлового потоку практично не спостерігаються. У розрядних ламп подібна інерція відсутня; світловий потік приблизно пропорційний миттєвій потужності лампи.

Величину пульсацій прийнято оцінювати за допомогою коефіцієнта пульсацій світлового потоку k_n, який визначається за формулою 1

k_n = , (1)

і коефіцієта пульсацій освітленності K_п.о

K_п.о = , (2)

Де F_max (E_max), F_min (E_min) – максимальний і мінімальний потоки

(освітленості) за період T (2π), лм;

F _cp = - середнє значення світлового потоку за період T зміни напруги, лм (див. рис. 1)

F_cp= S/ l (S –площа графіка);

E_cp= .

Рис. 4.1

Через те, що криві зміни в часі світлового потоку розрядних і теплових джерел світла можуть бути з достатнім степенем точності апроксимовані синусоїдними функціями, то завжди можна однозначно охарактеризувати глибину коливань освітленості на робочих поверхнях величиною K_п.о. Усереднені значення K_п.о. мінімум для 50 взірців джерел світла кожного типу наведені в табл. 4.1.

Таблиця 4.1

Осцилограми світлового потоку джерел світла загального користування наведені на рис. 4.2

Рис. 4.2

а - однофазне включення, б – двохфазне включення двох близько розташованих ламп (зсув фаз 120º), 1 – люмінесцентні лампи типу ЛДЦ-80; 2-ртутні лампи типу

ДРЛ-1000; 3- ксенонові лаипи типу ДКсТ-10000. Лампи типів ЛЕЦ з люмінофором марки ЛФ-630 мають ще більший коефіцієнт пульсацій - до 75%. Перспективи зниження пульсацій світлового потоку k_п розрядних ламп із звичайною схемою живлення від мережі частотою 50 Гц цілком визначаються:

- можливостями створення люмінофорів і великим часом після свічення. Ці
вимоги необхідно пред'являти розробникам люмінофорів разом з спектральними
і кольоровими параметрами;

- живлення джерел світла постійним або пульсуючим згладженим
струмом;

- живлення джерел світла струмом високої частоти;

- живлення струмом прямокутної форми низької або високої частоти;

-живлення джерел світла сумарним струмом різних частот (основна складова 50 Гц; в паузах - струм високої частоти). Для зниження пульсацій освітленості н а робочій поверхні розрядних джерел світла в освітлювальних установках використовується ряд способів, найбільш розповсюдженими з яких є:

- розфазування ламп в світильниках і самих світильників на три фази мережі живлення;

- використання двохлампових пускорегулюючих апаратів з "розщепленою" фазою.

Мінімальне значення К_п.о. може бути досягнуто і при вмиканні трьох близько розташованих джерел світла в трифазну мережу (табл. 4.2.);

Таблиця 4.2

- використання трифазної розрядної лампи;

- синхронізація інтервалу отримання інформації від об'єкта, який
освітлюється з інтервалом проходження світловим потоком джерела світла
значень, близьких до максимального (освітлення при телевізійних зйомках).

Обмеження коефіцієнта пульсації світлового потоку завдяки використанню багатолампових освітлювальних приладів і установок є в теперішній час практично єдиним реалізованим рішенням. Однак стосовно місцевого освітлення воно мас ряд недоліків. По-перше, для місцевого освітлення бажаний одноламповий освітлювальний прилад як найбільш надійний, економічний і компактний. По-друге, для освітлювальних приладів з індуктивно-ємнісною схемою включення не забезпечується необхідне значення коефіцієнта пульсації світлового потоку при застосуванні низьковольтних малогабаритних ЛЛ з напругою горіння, рівною 0.2...0.3 напруги мережі. А саме вони і мають найбільший інтерес для місцевого освітлення. В цьому випадку одним з рішень питання є живлення ЛЛ постійним струмом або струмом високої частоти.

Схеми живлення ЛЛ постійним струмом майже не використовуються. Це обумовлено тим, що на постійному струмі в ЛЛ виникає явище катафореза, коли через 14... 18 год. експлуатації майже половина лампи не випромінює світла і світловий потік падає до 0.55 від номінального. Потемніння половини ЛЛ обумовлене тим, що позитивні іони переміщуються до електрода з від'ємним знаком і резонансне випромінювання ліній ртуті в половині лампи, з якої ртуть пішла, не виникає.

Для уникнення явища катафорезу розроблена спеціальна безкатафорезна ЛЛ в прямому і V- подібному виконанні. Усунення прояв катафорезу в ЛЛ забезпечується тим, що анод розміщується далі від торця лампи, ніж катод. Завдяки цьому забезпечується необхідний перепад температури між анодним і катодним цоколями ЛЛ. Для ЛЛ типу ЛБ28, конструкція якої наведена на рис. 4.3, температурний перепад складає 25...30^СС. параметри безкатафорезної лампи в порівнянні з ЛЛ типу ЛБ13, найбільш розповсюдженої в системах місцевого освітлення, наведені в табл. 4.3.

Рис. 4.3

1 – катод, 2- анод

Таблиця 4.3

Перспективним напрямком обмеження пульсацій світлового потоку розрядних ламп є їх високочастотне живлення. Зниження коефіцієнта пульсації випромінювання люмінофора з підвищенням частоти струму помітне вже при частотах 400-800 Гц. Залежність коефіцієнта пульсацій світлового потоку випромінювання люмінофорних покрить ЛЛ від частоти струму розряду наведена на рис,4.4. З Цього рисунка видно, що при частоті 1 кГц після свічення люмінофорів, які використовуються в ЛЛ, достатнє, щоб згладити пульсації світлового потоку джерел світла.

Рис. 4.4

1 – гало фосфат кальцію SbMn (тип ЛБ),

2 – суміш рідкоземельних люмінофорів (тип ЛБ),

3 – суміш Ca, Zn- фосфату, Sn, пірофосфату Ba, віллемету (тип ЛЕЦ)

Принципова електрична схема установки для вимірювання коефіцієнта пульсацій світлового потоку наведена на рис. 4.5. В якості приймача випромінювання використовується вимірювальний вакуумний фотоелемент типу Ф-13 (область спектральної чутливості 350...750 нм). В освітлювальних приладах для місцевого освітлення необхідно враховувати і пульсацію електродних ділянок ЛЛ на k_п лампи в цілому.

Рис. 4.5

PS – осцилограф,

R1..R4 – резистори,

BL – фотоелемент,

EL - досліджувана лампа,

QK – імпульсний запалюючий пристрій.

В залежності від полярності електродів ЛЛ спостерігається дещо різне розприділення випромінювання по довжині лампи поблизу електродів. В анодний півперіод, стовп розряду, який є основним джерелом резонансного, випромінювання, підходить майже впритул до електрода. В катодний півперіод стовп розряду відступає від катода на відстань близько діаметра трубки ЛЛ. Тому яскравість свічення "В" трубки ЛЛ біля катодного кінця нижча, ніж біля анодного (рис. 4.6.). При роботі ламп на змінному струмі ця картина змінюється у відповідності з полярністю електродів. Саме тому поблизу кінців лампи і спостерігається більш глибока пульсація свічення з частотою напруги живлення.

Рис. 4.6

В загальному вигляді характер періодичної зміни у часі світлового потоку маже бути виражений функцією вигляду (див. рис. 4.7.):

F(t) = F_min+ F_m , (2)

Де F_min - мінімальне значення світлового потоку за період,

F_m - амплітудне значення світлового потоку,

– модуль значення синуса,

n – показник степеня, визначається типом джерела світла: для ЛЛ n=1.0

для ламп типу ДРЛ n=1,7; для ламп типу ДКсТ n=5.0.

Коливальння світлового потоку приводять до пульсації освітленості в освітленості в освітлювальних устанлвках при однотипних джерелах світла і трифазній мережі живлення величина омвітленості E_cp в розрахцнковій точці робочої поверхні:

Рис. 4.7

E_cp = E_A+E_B+E_c , (3)

Де E_A, E_B, E_c – середні величини складових освітленості джерел сівтла в фазах A, B,C

Приймемо умовно Е_А = 100%, тоді

Е_B = М Е_А; Е_C = NE_A, (4)

де М і N - коефіцієнти, які визначаються процентним співвідношенням величин освітленостей, джерелами світла в фазах В і С по відношенню до джерел,

включених в фазу А.

Таким чином, враховуючи зсуви фаз напруги живлення, можна записати

загальний вираз для миттєвих значень складових освітленості в (3):

E_A(t) = Е_min + E_m ,

E_B(t) – E_min + E_m E_m ; (5)

E_C(t) – E_min + E_m E_{m .}

Так як середні значення складових пропорційні коефіцієнтам М і N відповідно прийнятій раніше умові (4), миттєве значення сумарної освітленості в розрахунковій точці буде дорівнювати

E(t) = EA(t) +E_B(t) + E_С(t). (6)

Точний аналітичний розрахунок величини К _п.о, може бути проведений

шляхом визначення з (5) і (6) максимального, мінімального і середнього за

період значень при відомих n, M і N.

Більш простим є визначення К _п.о шляхом графічної побудови функції (6).

На рис. 4.8 представлена номограма для розрахунку значень К _п.о в освітлювальних установках з ЛЛ. Вона побудована для умовного джерела з К _п.і=100%, тому при проведенні розрахунків в кінцевий розрахунок потрібно вводити поправку на істинне значення К _п.іламп, які застосовані у варіанті освітлювальної установки, який розглядається. Наприклад, для випадку Е_А=100%; Е_В=70%; Е_с=40% (рис. 4.8) маємо К _n= 30% при К _п.і = 100%. Це означає, що при використанні в установці ЛЛ типу ЛБ (k_ni=25%), істинне значення К _п.о =30 0,25=7,5%.

Великі значення k_n джерел світла можуть привести і до виникнення стробоскопічного ефекту. Стробоскопічний ефект - це явище сприйняття швидкорухомих предметів в умовах пульсуючого (імпульсного) освітлення нерухомими або такими, що рухаються повільно з будь-якою, відмінною від істинної, частотою і в довільному напрямку. Це може привести на виробництві до виникнення аварійних ситуацій, коли, скажімо, деталь, що обертається з великою швидкістю в токарному верстаті, буде сприйматися нерухомою. Будь-яка спроба робітника зняти таку деталь з верстата чи перевірити деякі її розміри може завершитись травмою. Тому при освітленні виробничих цехів необхідно застосовувати всі відомі методи по зменшенню k _n до допустимих величин. Застосовувати джерела світла з великими значеннями k_п (k_п>19%) в однолампових світильниках місцевого освітлення взагалі неприпустимо.

Рис.4.8.

E_А, E_В, Е_с - складові освітленості; Е_А = 100%; k_п = 100%; n = 1.

Слід також відзначити, що завжди зменшення К_{n.o .} приводе до підвищення якості освітлення, зниження зорової втоми і підвищення продуктивності праці. Як показали дослідження, зменшення К_{n.o .} з 55% до 5% приводе до 1.5-2.0 кратного зменшення зниження стійкості ясного видіння в кінці роботи, підвищення продуктивності праці на 1.9...2.5% і зменшення зорової втоми. В останній час, з метою збільшення терміну служби ЛР, часто пропонується експлуатувати лампи в схемі однопівперіодного випрямлення, коли лампа включається послідовно з діодом. Випрямлений струм, який протікає через ЛР, - це пульсуючий струм одного напрямку у вигляді півхвилі синусоїди в додатній півперіод і рівний нулю у від'ємний півперіод. Діюче значення прикладеної до ЛР напруги знижується в 1.4 рази, що приводе до збільшення строку служби, зменшення світлового потоку і помітного збільшення k_п. Залежність k_п ЛР від номінальної потужності останніх, в схемі однопівперіодного випрямлення, показана на рис.4.9.

Як видно з рис.4.9.,використання схем з однопівперіодним випрямленням доцільне в місцях, де до рівня і яксті освітленності не пред'являється великих вимог (сходи між поверхами, туалети, допоміжні приміщення тощо), тому що світловий потік зменшується приблизно в 3,4 рази від номінального і зростає k_п (К_{n.o .})Для того, щоб пульсації світлового потоку k_п були майже непомітними, потрібно в таких схемах використовувати ЛР потужністю не менше 100 Вт. В цьому випадку k_п не буде перевищувати 19%, як це і має місце для малопотужних ЛР (Р =15, 25 Вт), які працюють в стандартній мережі синусоїдного струму при номінальній напрузі.

Рис. 4.9

ОПИС ДОСЛІДНОЇ ПАНЕЛІ ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Елементи, необхідні для виконання лабораторної роботи, закріплені на панелі, загальний вигляд якої показаний на рис.4.10. Вимірювальні прилади, необхідні для виконання лабора­торної роботи, розташовані на столі лабораторного стенда: амперметр, вольтметр, ЛАТР, осцилограф, датчик для вимірю­вання миттєвих значень світло­вого потоку (фотодіод ФД-1).

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

ЗАВДАННЯ

А. Виконується при підготовці до роботи

1. Розрахувати коефіцієнт пульсації світлового потоку k_п ЛР, користуючись даними табл.4.4. і рис.4.11.

Таблиця 4.4

а) б)

Рис. 4.11

Б. Виконується в лабораторії

1. Зібрати схему рис.4.12 і виміряти коефіцієнт пульсації світлового потоку для трьох потужностей ЛР в залежності від напруги мережі живлення. Замалювати осцилограми світлового потоку.

Рис.4.12

EL - лампа розжарювання; VD2 - фотодіод; PS - осцилограф.

Результати вимірів занести в табл.4.5, розрахувати коефіцієнти пульсації світлового потоку. За результатами розрахунків побудувати залежності

Таблиця 4.5

2. Зібрати схеми рис.4.13.а, б і визначити при U =220В, якої ЛР k_n більший.

Рис.4.13.

Замалювати осцилограми світлового потоку. Результати спостережень пояснити.

3. Зібрати схему, що на рис.4.14.

Рис.4.14

При розімкненому ключі S і номінальній напрузі живлення, змінюючи ємність конденсатора С, виміряти k _n ЛР і замалювати форму струму в колі (на резисторі R). Дані занести в табл.4.6. Замалювати осцилограми світлового потоку.

Таблиця 4.6

За даними табл.4.6 побудувати залежність k_п від часу післясвічення люмінофора, вважаючи, що збільшення ємності конденсатора еквівалентно збільшенню часу післясвічення люмінофору.

4. При замкненому ключі 8 і відключеній ємності С в схемі рис.4.14 розташувати EL1 і EL2 впритул одна до одної і на око визначити, чи зменшився коефіцієнт пульсації від двох ЛР. Замалювати ферму струму, який споживається з мережі. Замалювати осцилограми струму і світлового потоку.

5. За результатами проведених дослідів зробити висновки.

6. Зібрати схему, що на рис.4.14.б.

Переміщуючи фотодатчик вздовж ЛЛ, зняти значення k_п приелектродних зонах (k _n.ел1, k_{n .ел2}) і в центрі ЛЛ різної кольоропередачі. Дані занести в табл.4.7.

Рис.4.14.б

Таблиця 4.7

Зробити висновки

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1. Як визначається величина пульсації світлового потоку?

2.Чому пульсації світлового потоку ламп розжарювання не сприймаються оком?

3. Чим визначається величина коефіцієнта пульсацій світлового потоку у розрядних ламп з люмінофорами?

4. У якого з типів люмінесцентних ламп коефіцієнт пульсації найбільший (найменший)?

5. Як і чому змінюється коефіцієнт пульсації світлового потоку ламп розжарювання з ростом потужності лампи?

6. У якої з розрядних ламп коефіцієнт пульсації найбільший?

7. Як можна знизити (усунути) пульсації світлового потоку джерел світла?

8. Які недоліки обмеження k_п світлового потоку, що базується на використанні багатолампових освітлювальних приладів?

9. В яких лампах і при яких умовах виникає явище катафорезу?

10. Розкажіть про будову безкатафорезної ЛЛ.

11. Намалюйте залежність коефіцієнта пульсації люмінофорних покрить від частоти.

12. Намалюйте принципову електричну схему установки для вимірювання коефіцієнта пульсацій.

13. Поясніть природу пульсацій світлового потоку в зоні електродів ЛЛ.

14. Якою аналітичною функцією можна апроксимувати характер періодичної зміни у часі світлового потоку?

15. Яка послідовність, дій при визначенні k_п в освітлювальних установках трифазних кіл?

16. Що таке час після свічення люмінофору?

17. Намалюйте осцилограм світлового потоку джерел світла загального призначення.

18. В якій з схем рис.4.15 k_п світловогопотоку ЛР буде найбільший, найменший, однаковий? Чому?

19. В якої з ЛР (рис.4.16), EL1 чи EL2 k_п світлового потоку буде менший?

а) б) в) г)

Рис.4.15

Рис.4.16

20. Чи будуть спийматися оком пульсації світлового потоку близько розташованих ЛР в схемі, що на рис.4.17?

Рис.4.17

21. Як залежить величина кп світлового потоку ЛР від величини напруги живлення?

22. Що таке стробоскопічний ефект?

23. Які позитивні наслідки зменшення пульсацій світлового потоку?

24. Як залежить k_п від часу післясвічення люмінофору?

25. Які Ви знєте методи боротьби з пульсаціями світлового потоку?

26. Які Ви знаєте методи боротьби з пульсаціями освітденності на робочих поверхнях?

27. Чим відрізняються пульсації світлового потоку від пульсацій освітленості?

28. Чи може коефіцієнт пульсацій світлового потоку бути менший від коефіцієнта пульсацій освітленості?

ЛІТЕРАТУРА.

1. Штурм Г.К. Пускорегулирующая аппаратура и схеми включення люминесцентньїх ламп. -М.: Иностранная литература, 1961, С.71...75.

2. Козинский В.А. Злектрическое освещение и облучение. -М.:
Агропромиздат, 1991, С.89...90.

3. Свиридов Ю.И. Расчет козффициента пульсации в осветитильньїх установках с газоразрядньїми источниками света //Свєтотехника, 1967. №6,^ С.10...15.

4. Боос В.Г., Меркулова А.П. Ограничение пульсацый светового потока разрядных ламп местного освещения //Светотехника, 1986. №12, с.10...11.

5. Уткин В.Н, К расчету коэффициента пульсацый освещенности
//Светотехника, 1987. №7. С.12.Л4.

6. Гусєва Л.С. и др. Пульсация освещенности в установках с лампами типов ДРИ и ДНаТ //Светотехника, 1984. №10,-с.1...3.

7. Клыков М.Е. Пульсация светового потока источников света и методы ее уменьшения //Светотехника, 1985, №2.С.18...20.

Лабораторна робота №5

Поиск по сайту: