ДОСЛІДЖЕННЯ ОСОБЛИВОСТЕЙ РОБОТИ ЛАМП РОЗЖАРЮВАННЯ В НЕСТАЦІОНАРНИХ РЕЖИМАХ

Мета роботи: Дослідити характер зміни основних електричних і світлотехнічних характеристик ламп розжарювання в нестаціонарних режимах роботи.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Лампи розжарювання (ЛР) є і з найближчому майбутньому будуть залишатися найрозповсюднішим джерелом світла. Це пояснюється простотою конструкції ЛР, малими габаритними розмірами, дешевизною, доступністю в експлуатації та при обслуговуванні, відсутністю необхідності в будь-яких допоміжних пристроях.

В Україні випускається близько 200млн.шт ЛР різного призначення, причому з них більше 70% від загальної кількості експлуатується в режимах, які відрізняються від стаціонарного горіння. Ці режими називають нестаціонарними або режимами частих включень (РЧВ). РЧВ характерні для дорожніх світлофорів, святкових світлових панно, реклам, інформаційних табло і т.п.

Робота ЛР в РЧВ характеризується рядом особливостей, в силу яких умови для тіл розжарювання є особливо тяжкими. Відомо, що вольфрам має додатній температурний коефіцієнт опору. При кімнатній температурі тіло розжарювання (ТР) має (в порівнянні з робочим режимом) невеликий опір, який. зростає з ростом температури ТР. Опір тіла розжарювання в робочому режимі в 10... 16 разів більший, ніж в холодному стані, що є основною причиною виникнення "кидків струму" при вмиканні ЛР. Теоретичною границею кратності пускового струму є співвідношення опорів ТР в робочому режимі і при t°=20°С (див. табл.5.1),

Найбільш чутливими до кидків струму виявилися малопотужні ЛР, у яких хоч і менша кратність кидків струму, але більша в 2-3 рази густина струму у вольфрамовому ТР (рис.5.1).

Якщо опір ТР в холодному стані R₂₀ відомий, то завжди можна знайти його значення в гарячому стані (R _г) при нагріванні до будь-якої температури Т_г за формулою:

R _г = R₂₀[1 + α_w(Т _г - 20)],

де α_w=0.005 1/°С - темпратурний коефіцієнт питомого опору.

Таблиця 5.1

Тип ЛР	Опір ТР при t =20°С, R 20, Ом	Опір ТР в робочому режимі, Rроб, Ом
В230-240-15			11.6
В230-240-25			12.2
В230-240-40			13.3
В230-240-60			13.6
В230-240-75			13.6
В230-240-100			14.2
В230-240-150			14.1

Рис.5.1. Залежність величини густини струму ТР

(j, А/мл² від потужності ЛР).

Однією з особливостей роботи ЛР в РЧВ є те, що в момент включення ТР зазнає різних видів деформації (згин, крутіння), а також дії теплового удару і вібрацій. Такі умови негативно впливають на механічну міцність матеріалу ТР, приводять до різноманітних структурних змін у вольфрамі.

Особливості роботи ЛР в РЧВ полягають також і в негативній дії пускових струмів на температуру в дефектних ділянках ТР. Поява навіть незначного (1...2%) початкового дефекта діаметра (при його порівняно великій довжині) призводе до виникнення на ТР ділянок з підвищеною температурою внаслідок збільшеного опору дефектної ділянки, а збільшення середньої температури всього на 2% викликає скорочення строку служби ТР приблизно в 2 рази.

Таблиця 5.2

"Піни включення" за результатами випробування морських сигнальних ламп

Рис.5.2. Криві "смертності" для морських сигнальних ламп

U=12В; І=0.77А;

——— - постійне горіння;

— ∙ — ∙ - 0.4 с горить, 3.6 с пауза;

— — — - 0.2 с горить, 1.8 с пауза;

∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ - 0.15 с горить, 0..75 с пауза

Скорочення строку служби ЛР в РЧВ в порівнянні з режимом постійного горіння пояснюється як наявністю явищ утоми, так і підвищеним термічним випаровуванням вольфраму з ділянок спіралей з підвищеною температурою. Якщо нове ТР лекго переносить теплові удари, то в кінці строку служби, коли воно переходить в крихкий стан, легко руйнується при миттєвій подачі і знятті напруги живлення при вмиканні і вимиканні. Встановлена закономірність: чим коротша тривалість спалаху, тим менший строк служби ЛР (див. рис.5.2 і табл.5.2). Взагалі "ціни включення" ЛР в РЧВ можуть досягати десятків секунд і навіть декількох хвилин. Тому цілком зрозумілим є прагнення знайти способи усунення дії термоударів і механічних напружень, яких зазнають ТР в РЧВ. Одним з таких способів є плавна подача напруги при включені і виключені ЛР.

Вплив режиму подачі напруги на строк служли ЛР в РЧВ ілюструє табл.5.3.

Таблиця 5.3

Аналіз даних табл.5.3 показує, що плавна подача напруги дозволяє збільшити строк служби в 1.5...2 рази. Саме тому в Німеччині і використовується плавна подача напруги в дорожніх світлофорах.

При живленні ЛР змінним струмом амплітуда пускового струму залежить від фазового кута прикладеної напруги (рис.5.3, 5.4).

Рис.5.3. Осцилограми стуму (1) потужності (2) ЛР В230-240-15 при

вмиканні на синусоїдну напругу U =235 В; f =50Гц в момент часу φ=0°.

Рис.5.4. Залежність амплітудного значення пускового струму

від фазового кута напруги живлення в момент включення

для ЛР БК230-240-100 U =235 В; f =50 Гц.

Обмеження пускових струмів (з метою збільшення строку служби ЛР) можливе і шляхом використання:

- чергового підігріву ТР під час пауз або безпосередньо перед подачею
напруги живлення;

- терморезисторів з від'ємним коефіцієнтом опору, які вмикаються послідовно з ЛР;

- спеціально виготовлених ЛР для роботи в РЧВ;

- схем однопівперіодного випрямлення;

- пристроїв для подачі на ЛР напруги в момент переходу синусоїдної
напруги через нуль або 140°;

- пристроїв для обмеження напруги на наперед заданому рівні з
врахуванням інтенсивності природного освітлення.

Для правильного конструювання і розрахунку елементів і пристроїв, обмежуючих пускові струми, необхідно орієнтуватися на тривалість перехідних процесів зміни температури, опору ТР і потужності ЛР при підключені (відключені) до (від) мережі (див. рис.5.5, 5.6).

Аналіз рис.5.5, 5.6 показує, що стала часу перехідних процесів не перевищує 20 тз при підключенні ЛР до мережі, і 70 ms при відключенні, а перехідні процеси завершуються через 60 ms і 210 ms відповідно. Таким чином, тривалість плавної подачі напруги на ЛР за експоненціальним законом повинна бути не менше 60 ms, а зняття - 210 ms.

Слід відзначити, що при плавному підвищенні напруги на ЛР за допомогою ЛАТРа ТР у якісних ламп починають світитися рівномірно по всій довжині, а у неякісних ЛР, з великою кількістю дефектних ділянок, ТР починають світитися тільки в дефектних ділянках, не дефектні ділянки не світяться. Та дефектна ділянка ТР, яка почне світитися першою, якраз і обумовлює строк служби ЛР і місце, де в майбутньому ТР перегорить. Природньо, що строк служби ЛР, у яких ТР при невеликих напругах світиться нерівномірно, завжди менший строку служби ЛР, у яких ТР при невеликих напругах світиться рівномірно. Саме за цим параметром і можна проводити розбраковку ЛР.

Рис.5.5. Зміна параметрів вакуумної ЛР В230-240-15 при вмиканні на U =235 В:

І - опір ТР; 2 - потужність ЛР.

Для режиму остигання: 3 - опір ТР. Постійний струм.

Рис.5.6. Зміна температури ТР (1) і світлового потоку (2) ЛР В230-240-15

при вмиканні на синусоїдну напругу U =235 В, f =50 Гц

Експериментальним підтвердженням наявності "тонкої структури" нагрівання ТР на змінному струмі є не тільки залежність амплітуди пускового струму, від потужності ЛР і фазового кута напруги живлення в момент включення, але і залежність кратності пускового струму І_m.n. до діючого І_д значення стуму (І_m.n / І_д) від величини напруги живлення і його фазового кута в момент включення ЛР. В табл.5.4 приведені експериментальні дані про кратність пускового струму для різних ЛР. Фазовий кут напруги живлення в момент включення дорівнював 0° і 90°. Аналіз даних табл.5.4 дає підставу констатувати, що кратність пускового струму ЛР різних типів залежить від фазового кута прути живлення в момент включення лампи і суттєво відрізняється від співвідношення опорів ТР R _роб/ R ₂₀^о_С (R _роб - опір ТР в усталеному режимі; R _20°С - опір ТР при температурі ТР 20°С).

З табл.5.4 видно, що пускові струми мають великі значення як для звичайних ЛР, так і для спеціальних ЛР. Це ще раз вказує на необхідність використання спеціальних схем для їх обмеження для всього спектру існуючих ЛР.

Таблиця 5.4

Тип лампи	Напруга живлення, В
В 230-240-15		6.83 6.89	8.55 8.61	9.0 9.7
В 230-25		6.02 6.38	6.38 6.76	13.4 13.9
Б 230-240-40		7.79 8.38	9.35 10.05	12.9 13.5
Б 230-240-60		9.68 9.98	12.10 12.47	13.2 13.9
Б 220-240-75		7.48 8.09	10.09 10.92	12.6 13.3
Б 230-240-100		9.28 9.92	12.06 12.90	13.8 14.6
Б 235-245-150		9.04 9.90	12.29 13.46	14.0 14.7
220-240-40 спеціальна ЛР		7.46 7.66	9.33 9.60	10.9 11.5
220-240-150 спеціальна ЛР		8.08 9.74	11.96 12.94	12.5 13.2

"Черговий підігрів" тіла розжарювання (ТР) при роботі ламп в РЧВ приводе до суттєвого (в 2.5...3.3 рази) зменшення пускових струмів (див. табл.5.5). Причому з ростом потужності "чергового підігріву" ефективність обмеження пускових струмів зростає. При виборі напруги "Чергового підігріву" необхідно дотримуватися компромісу між стелінню обмеження пускових струмів і яскравістю ТР в "черговому" режимі, яка може привести до помилкових сигналів під час пауз. Оптимальною є напруга "червоного підігріву" рівна 1/8 від величини номінальної напруги живлення. Така напруга "чергового підігріву" забезпечує нагрівання ТР до температури, рівної половині від номінальної, при якій працює ТР і виключає можливість помилкової засвітки сигналів дорожніх світлофорів під час пауз. Строк служби при цьому зростає в 2.5...3 рази.

Таблиця 5.5

	Тип лампи	Напруга на ЛР в період "Вкл", В	Напруга "чергового підігріву" ТР під час пауз, В	Потужність "чергового підігріву", Вт	Включення ЛР
	Без "підігріву"	З "підігрівом"
Б 230-240-100			0.9 2.5 4.4	9.28	3.73 3.35 2.76
Б 235-245-150			1.3 3.4 6.0	9.04	3.74 2.99 2.66

Якщо послідовно з ЛР включити терморезистор з від'ємним температурним коефіцієнтом опору, то в перший момент після включення він обмежить пусковий струм додопустимої величини (див.табл.5.6). Надалі при нагріванні терморезистора струмом, який протікає через нього, величина опору терморезистора плавно зменшується до величини, при якій споживана ним потужність не перевищує 0.25 Вт для Р _л =25 Вт і 0.5 Вт для Р _л =100 Вт.

Таблиця 5.6

Для відновлення властивості до обмеження пускових струмів ЛР після кожного включення терморезистора потрібен час для остигання. Цей час залежить від маси терморезистора і складає 90-120 с. Із зростанням маси терморезистора зростає і час відновлення його "обмежувальних" властивостей.

За кордоном для дорожніх світлофорів, де ЛР експлуатуються в РЧВ, вже довгий час випускаються спеціальні лампи типу Traffik (фірми Philips, Osram, Radium, Jelesa). Криві "смертності" для цих ламп і вітчизняних освітлювальних ламп загального призначений наведені на рис.5.7.

Рис.5.7. Криві "смертності" ЛР

— ∙∙ — - вітчизняні ЛР в режимі постійного горіння;

— ∙ — - вітчизняні ЛР в РЧВ;

———

∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ - ЛР типу Traffik в РЧВ.

— — —

З рис.5.7 видно, що ЛР типу Traffik мають абсолютно гарантований строк служби 4500 год. в РЧВ при 1/7П=220В, а вітчизняні - не більше 400 год. Такий великий строк служби ЛР типу Traffik обумовлений:

- більш низькою робочою температурою ТР;

- збільшеною кількістю підтримок ТР (з 2-3 до 8-9), які часто мають У-подібну форму для компенсації можливих деформацій ТР в момент включення;

- використанням для виготовлення ТР спеціальних марок вольфраму;

- виготовленням моноспіральних ТР;

- наповненням інертними газами, які суттєво різні за масою (Не і суміш 93.4% Kr з 6.6% N₂).

Останнім часом запропоновано для збільшення строку служби ЛР експлуатувати їх в схемі однопівперіодного випрямлення (ОПВ), включаючи послідовно з напівпровідниковим діодом (рис.5.8). Випрямлений струм, який протікає через ЛР, - це пульсуючий струм одного направлення (рис.5.8а).

Рис.5.8

Порівняння значень "кидків" струму в схемі з діодом і без нього (рис.5.8) показує, що амплітудні значення "кидків" струму майже однакові. Одначе, пусковий режим ЛР в схемах ОПВ ослаблений, оскільки вірогідність вмикання ЛР в момент часу, коли фазовий кут φ=90° і пусковий "кидок" струму максимальний, в 2 рази менший в порівнянні із звичайними схемами включення. Тобто з позицій обмеження пускових струмів схема ОПВ дає незначний ефект. В той же час діюче значення прикладеної напруги зменшується в 1.4 рази, що призводить до зниження робочої температури ТР, світлового потоку, потужності і світлової віддачі. Роботоздатність ЛР в схемі ОПВ можна охарактеризувати наступними співвідношеннями для параметрів ЛР:

U_{л .ОПВ}/ U_{л .} = 0.707; Р_{л. ОПВ}/ Р_л = 0.58...0.60; Т_{тр .ОПВ}/ Т_тр = 0.85...0.90;

F_{л. ОПВ}/ F_л == 0.24...0.29; Н_{л. ОПВ}/ Н_л = 0.44...0.45;

Де U_{л .ОПВ}, F_{л. ОПВ}, Р_{л. ОПВ}, Н_{л. ОПВ}, Т_{тр .ОПВ} - напруга, світловий потік, потужність, світлова віддача і робоча температура ТР в схемі ОПВ;

U_л, F_л, Р_л, Н_л, Т_тр - ті ж параметри ЛР при номінальній напрузі.

Розрахункові оцінки строку служби ЛР в схемах ОПВ показують, що строк служби повинен зрости в 75 раз. У відповідності з цими оцінками середній строк служби ЛР в схемі з ОПВ повинен знаходитися на рівні 75 тис.год. Реально в схемах з ОПВ він збільшується в 1.7 рази для ламп потужністю, 25 Вт і в 2.4 рази - для ламп потужністю 100 Вт.

Мале (в порівнянні з розрахунковими оцінками) збільшення строку служби ЛР в схемах ОПВ в режимі постійного горіння пояснюється наступними факторами:

- електропереносом вольфраму на постійному струмі, що призводе до
виникнення на поверхні спіралей ступінчатої пилоподібної структури, тобто різкій
зміні поперечного перерізу вольфраму;

- коливанням температури ТР, що негативно відбивається на механічній міцності ТР;

- механічними деформаціями ТР в момент включення.

Різке зниження світлового потоку (на 70%), світлової віддачі (на 55%), а також значні пульсації випромінювання роблять неефективним використання схем ОПВ для загального і місцевого освітлення житлових приміщень. Для освітлення сходинкових площадок, підвалів і інших місць, де вказані недоліки не суттєві, схеми ОПВ досить ефективні.

ОПИС ДОСЛІДНОЇ ПАНЕЛІ ЛАБОРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Елементи, необхідні для виконання лабораторної роботи, закріплені на панелі, загальний вигляд якої показаний на, рисо.9. Вимірювальні прилади, необхідні для виконання лабораторної роботи, розташовані на столі лабораторного стенда: амперметр, вольтметр, амперметр, ЛАТР, омметр (тестер), секундомір, досліджувані ЛР, затемнюючий циліндр.

З'єднання елементів схеми виконати за допомогою мідних провідників з наконечниками.

Рис.5.9

Поиск по сайту: