Величини і технічні одиниці світла

Основними величинами і одиницями, якщо йдеться про світло і освітлювальну техніку є величини, подані в табл. 1.13. Ці величини

Таблиця 1.13 - Деякі світлові величини та їх одиниці

Жарівки. Жарівки виготовляють з цоколями відповідно до міжнародних норм. Жарівки із різьбовою вкруткою позначаються, наприклад Е5,5, Е6, Е10, Е14 і Е27, де цифри означають зовнішній діаметр різьбової вкрутки в міліметрах. Жарівки з багнетним цоколем позначаються, наприклад ВА7, ВА9s, ВА15s і т.д. Існують також мініатюрні жарівки із вставним цоколем, які застосовуються в телефонії, як і жарівки з дротяними виводами, монтовані з допомогою підставок або лютуванням. Існують також мініатюрні жарівки у вигляді скляних трубок та інших різноманітних виконаннях.

Принцип дії жарівки полягає, як відомо, на тому, що її нагрівальний елемент, через який проходить електричний струм, нагрівається до такої високої температури, що утворюється видиме випромінювання, тобто світло. Матеріалом, з якого виготовляють нагрівальний елемент є вольфрам, який має температуру топлення 3655 К. У звичайній жарівці нагрівальний елемент має температуру в межах від 1800 до 2500 К. Вища температура дає яскравіше світло, але одночасно скорочує час служби жарівки.

Декотрі застосування вимагають ламп з яскравішим, білішим світлом, наприклад, при освітленні у фотографії та фільмуванні. З цією метою застосовуються жарівки з нагрівальним елементом, що знаходиться при граничних температурах 2500-2900 К в балонах наповнених газом.

Жарівка споживає у 12 разів більший струм в момент вмикання, ніж під час нормальної роботи з номінальним освітленням, тобто, коли вона вже достатньо нагріта. Час спрацювання (засвічування) жарівок є найменшим у низькострумових жарівках. Значення струму вмикання можна зменшити, застосовуючи початкове нагрівання струмом, величина якого ще не спричиняє свічення жарівки. Якщо робоча напруга жарівки відрізняється від номінальної, то також змінюються і її властивості (рис. 1.28). З цього виникає, що ресурс зменшується до 0,05 % від номінального значення при перевищенні напруги на 25 %, при цьому продуктивність джерела світла зростає у 2,1 рази порівняно з номінальним значенням. Збільшується також колірна температура (біліше світло). У спеціальних застосуваннях це може бути корисним, в інших, наприклад, у вказівникових жарівках, у пристроях, де важливою є надійність в роботі, це спричинює використання заходів до зменшення напруги. Однак, у цьому випадку, кориснішим може бути застосування світлових діодів як вказівників. Окрім значення напруги, на ресурс жарівки впливає вид напруги живлення - постійна або змінна. Живлення постійною напругою скорочує час служби жарівки на половину. Удари та вібрації також скорочують час служби жарівок, але це менше стосується низьконапругових жарівок. Підвищена температура середовища також скорочує час служби жарівок (рис. 1.28).

Галогенові жарівки. Галогенові жарівки мають нагрівальний елемент такий, як і в звичайних жарівках, але в них відбувається постійний хімічний процес між матеріалом нагрівача – вольфрамом – та матеріалом заповнення балону - галогеном. Взаємодія між вольфрамом та галогеном відбувається через газове середовище. В результаті циркуляції тепла газ осідає на нагрівальному елементі, а не на скляній оправі. Цей процес спричиняє те, що світловий потік є постійним впродовж всього терміну служби галогенової лампи.

Продуктивність джерела світла є кращою, ніж у звичайних жарівках і світлова температура світла є вищою – близько 3000 К, що є корисним при освітленні об’єктів під час фільмування та фотографування, в проекторах, освітлення творів мистецтва і т.д. Іншою перевагою галогенових ламп порівняно із звичайними є їх довший час служби.

Лампи денного світла. Лампи денного світла мають дуже високу продуктивність. Типовим значенням є 100 лм/Вт або й більше. Для порівняння, галогенова жарівка дає близько 12-25 лм/Вт, а звичайна вольфрамова жарівка дає близько 18 лм/Вт при температурах 2500-2900 К або ж 1-8 лм/Вт при температурах 1800-2500 К. Час служби приблизно в шість разів довший, ніж звичайної жарівки. Лампи денного світла виготовляються з колірними температурами між 2900 та 6300 К, а також для ультрафіолетового випромінювання. Лампи денного світла повинні бути під’єднані послідовно із стартером, який обмежує струм. Стартер має також інше завдання, а саме забезпечити достатньо високу напругу пробою газового середовища. Завдяки пробою неонового середовища, через стартер, подібно як і через обидва виводи лампи, проходить електричний струм. В момент припинення подачі струму, накопичена енергія спричиняє виникнення імпульсу напруги і таким чином лампа денного світла засвічується. Потужність стартера повинна бути вибрана відповідно до потужності лампи. Лампи денного світла переважно виготовляються для напруги 220 В. Для різних напруг використовуються різні стартери.

Компактна лампа денного світла має спеціальні виводи або звичайну вкрутку Е27. В останньому випадку лампа денного світла завжди має пристрій запалювання, тобто стартер і розрядник.

Лампи денного світла зазвичай мають кут зсуву фази cosφ =0,4-0,5. Тому, в стаціонарних (постійних) пристроях їх коефіцієнт потужності повинен бути скомпенсований конденсатором до значень близьких до сosφ =0,9.

Світлодіодні лампи в корпусах для жарівок. Напівпровідниковий матеріал може випромінювати світло. В момент, коли електрон в напівпровідниковомуматеріалі комбінується з діркою – вивільнюється енергія. У звичайних кремнієвих напівпровідниках вона перетворюється на тепло, але завдяки застосуванню інших напівпровідникових матеріалів і домішок можна отримати видиме світло різних кольорів або інфрачервоне випромінювання. Червоний, оранжевий і жовтий колір можна отримати з галій-арсен-фосфиду (GaAsP), в той час, як галій-фосфид (GaP) дає зелений та блакитний колір. На практиці блакитне світло застосовується зрідка з огляду на його дуже низьку продуктивність, тим більше, що око людини є менш чутливим до блакитного кольору, на відміну від, наприклад, оранжевого кольору.

Діодні лампи зазвичай пристосовані до певної напруги живлення. Існують лампи, які мають тільки один світлодіод із спадком напруги на ньому 2 В. Такі лампи повинні включатися послідовно з резистором, опір якого підраховується наступним чином:

опір резистора (кОм)=[напруга живлення (В) – спад напруги (В)]/струм (мА).

Припустимо, що хочемо увімкнути діод із робочим струмом 10 мА до напруги живлення 5 В. З рівняння випливає, що такий резистор повинен мати опір значенням (5-2)/10=0,3 кОм.

З допомогою цього резистора ми захищаємо світлодіод від надмірно високого струму. Але відповідно ще необхідно включити діод в необхідній полярності. Діод з оберненою полярністю не світить, і неодмінно вийде з ладу, якщо напруга становитиме приблизно 5 В або більше.

Неонові лампочки. Складаються з двох електродів і оправи, наповненої інертним газом. Коли прикладена напруга перевищить певне значення, то газ іонізується і починає проводити струм. У цьому випадку також варто включити послідовний резистор, щоб обмежити значення струму, у той час як значення спадку напруги власне на неоновій лампі буде постійним. Значення напруги пробою залежить від тиску газу. Зазвичай значення напруги свічення знаходиться в проміжку (60…150) В. Однак, значення напруги запалювання є вищим. Значення напруги живлення повинно бути щонайменш рівним значенню напруги запалювання. Значення послідовного резистора повинно бути рівним:

опір резистора (кОм)=[напруга живлення (В)–напруга свічення (В)]/струм (мА).

Завдяки своєму принципу дії, неонові лампи часто застосовуються як стабілізатори. Неонові стабілізатори діють в наступний спосіб: від неонової лампи відрізняються тільки конструкцією, а також тим, що напруга свічення стабілізатора є чітко визначеною.

Існують також неонові лампи із вбудованим послідовним резистором. Але виробник вказує напругу запалювання, а не свічення.

Лекція 4

Електромагніти і двигуни. Електричні сенсори, сигналізації та лічильники імпульсів і часу.

Електромагніти. Електричні двигуни. Сенсори. Електричні лічильники імпульсів. Лічильники часу. Сигналізації.

Електромагніти. Їх потрібно вибирати, враховуючи їх робочий цикл, тобто чи мають тримати постійне впродовж довгого невизначеного часу – вмикання на 100 %, чи це має бути цикл із зменшеним робочим часом, наприклад, на 25%, що означає, що притягувальний магніт є увімкнений, наприклад, на 20 секунд, а вимкнений протягом наступних 60 секунд.

Притягувальна сила, чи відштовхувальна, змінюється з переміщенням якоря, і ця зміна є нелінійною. При проектуванні важливо також врахувати робоче положення, в якому магніт буде змонтований. Сила, яка подається в каталозі, визначена для горизонтального монтажу. При вертикальному монтажі потрібно також брати до уваги вагу якоря і напрямок його переміщення, чи це магніт відштовхувальний, котрий діє вниз, чи є притягувальним електромагнітом, котрий діє вверх, так і те, чи ця сила тяжіння співпадає чи протистоїть електромагнітним силам.

Електричні двигуни. Електричні двигуни будуються за кількома принципами. Нижче поданий їх опис:

Двигуни з постійним магнітом є найпопулярнішими двигунами постійного струму, що застосовуються в електроніці. Вони мають достатній стартовий момент обертання. Кількість обертів зменшується пропорційно до значення струму, а струм збільшується пропорційно до значення обертового моменту.

Двигуни постійного струму без заліза. Назва виникає з відсутності якоря в обмотці обертового елементу, в ньому знаходиться тільки мідна обмотка. Залізо спричиняє збільшення втрат при великій частоті перемагнічення (втрати на гістерезис і вихрові струми). Подібна ситуація є і в двигунах постійного струму, котрі працюють з дуже високими швидкостями обертання. Корисним є позбуття заліза у обертовому елементі. Залізо в якорі замінюється нерухомим циліндром в статорі. Двигуни постійного струму без заліза мають дуже малий пороговий момент. Малий пороговий момент та мала індуктивність обмотки обертового елементу дають невелику електромеханічну сталу часу. Такі двигуни досконало надаються до серво застосувань, тобто виконавчих елементів в автоматиці та управлінні.

Кроковий двигун має постійний магніт як обертовий елемент і статор з двома або чотирма обмотками. При кожній зміні фази струму, який проходить через обмотки, обертовий елемент пересувається на сталий кут, який визначається кількістю полюсів обертового елементу і кількості фаз в обмотці статора. Механічний кут кроку визначається наступною залежністю 360⁰ /n·p, де р – кількість пар полюсів, а n – кількість фаз у двигуні.

З огляду на свої властивості, кроковий двигун дуже часто застосовується в пристроях автоматики для точного визначення позиції, наприклад, на столі з визначеними спів осями X-Y. Загалом від управляється спеціальними керуючими пристроями, а цілим пристроєм назагал керує мікроконтролер або однокристальний мікропроцесор.

Сенсори

Сенсори і перетворювачі (англ. Transducers) є елементами, завданням яких є визначення зміни вимірюваної величини і створення відповідного сигналу, залежного від напрямку і значення тієї зміни.

Сенсори загалом можна поділити на дві групи: для створення двостанового сигналу, який відповідає, наприклад, замиканню і розмиканню кола, а також такі, котрі створюють сигнал пропорційний вимірюваній величині. Сучасні двостанові сенсори мають найчастіше транзисторний вихід замість механічного перемикача замикаючого/розмикаючого коло. Існує два типи транзисторних виходів: дводротові та тридротові. Тридротові мають різні варіанти: pnp і npn із стандартним барвним позначенням і складом дротів. Коли сенсор pnp є активований, значення вихідного сигналу змінюється в напрямку додатного значення напруги живлення. Вихідний сигнал сенсора npn змінюється в напрямку від’ємної полярності. Тридротовий сенсор також називається сенсором Namur. Сенсор типу Namur можна трактувати як резистор змінного опору: високого, коли сенсор активований, та низького, коли він не активований. Сенсори з транзисторним виходом зазвичай мають захист від короткого замикання виходу та зміни полярності під’єднання (рис. 1.29).

Деякі типи сенсорів: cенсори рівня мають плавець, з’єднаний (вмонтований) з магнітом, котрий з’єднує або роз’єднує контакти контактрона.

Рис. 1.29. - Підключення сенсорів типу pnp і npn

Сенсори чутливі до тиску спричиняють перемикання двостанового вихідного сигналу при певному рівні тиску.

Сенсори перехилення перемикаються при малих змінах кута нахилу детекційного елементу і використовуються, наприклад, в сенсорах положення.

Сенсори ємнісні мають імпеданс, котрий змінюється разом зі зміною об’єму конструкції по відношенню до матеріалу, який визначається, наприклад, металу або рідини. Чим менша діалектрична стала матеріалу, тим менша повинна бути відстань, необхідна для спрацювання (перемикання) сенсора. Значення діалектричної сталої типових середовищ становить: повітря 1, поліамід 4-7, скло 5-15, метал 50-80 і вода 80. Сенсори цього типу можуть встановлювати, наприклад, присутність води, котра знаходиться на іншій стороні скла. Зміна об’єму після введення до середовища матеріалу з вищою діалектричною сталою може бути викрита через матеріал із нижчою діалектричною сталою (рис. 1.30).

Типовий зв'язок між значенням діючої поверхні та контактною відстанню, необхідною для вмикання сенсора, для різних матеріалів

Для вимірювання рівня, наприклад, наповнення резервуарів, використовуються ємнісні сенсори, стан котрих змінюється при заданому рівні. Вони мають генератор, котрий збуджується при певній ємності пристрою, яка змінюється, проходячи через певне середнє значення. Сенсори, окрім того, мають ще підсилювач і вихідний транзисторний каскад.

Цього типу сенсори ємності можуть використовуватись до стабілізації рівня заповнення резервуарів, які збирають рідини або порошкові матеріали. Іншим застосуванням ємнісних сенсорів є підрахунок деталей (тобто, перемикань сенсора, спричинених кожною деталлю), визначення переміщення

конвеєрної стрічки і транспортної стрічки або ж визначення положення товару на транспортній тасьмі. Визначення відбувається абсолютно безконтактно, тобто не потрібно зіткнення поверхні сенсора з визначуваною деталлю. Сенсори об’єму не вимагають особливих умов догляду та зберігання, не зношуються і дають дуже виразні імпульси без іскріння чи деренчання (багаторазових дотикань і розмикань) контактів. Це дозволяє отримати високу частоту підрахунку.

Індуктивні сенсори в найпростіших виконаннях складаються із індуктивної котушки, котра реагує на зміну магнітного поля у вимірювальному середовищі. Є також індуктивні сенсори, котрі не вимагають зовнішнього магнітного поля. Вони реагують на зміну власного магнітного поля, спричинену присутністю металевих предметів (рис. 1.31). Магнітне поле виробляється за допомогою внутрішнього генератора.

Існують також сенсори з двостановим вхідним сигналом, який змінюється під впливом магнітного поля із певною напруженістю. Характеристики цих сенсорів мають гістерезис, тобто вмикання та вимикання відбувається при різних напруженостях магнітного поля. Цей тип сенсорів властиво включається до категорії індуктивних перемикачів. Вихідний сигнал може безпосередньо керувати іншими електричними пристроями, перемикачами або реле. Перемикання стану виходу відбувається в результаті наближення металевого елементу на певну відстань від рефлектора (безконтактно).

Індуктивні сенсори зазвичай використовуються як безконтактні вимикачі і детектори граничних положень. Вони добре надаються до підрахунку предметів або встановлення їх позиціонування.

Оптичні сенсори мають фототранзистор, електролюмінесцентний діод або фоторезистор як детектувальний елемент. Склад оптичного сенсора має загалом передавач модульованого інфрачервоного випромінювання (IR) разом із приймачем і є чутливим детектором інфрачервоного випромінювання.

Оптичні сенcори можна загалом поділити на 3 групи:

- Складні передавачі/приймачі, які діють з сенсором. Перемикання сенсора відбувається, коли переривається світло, наприклад, коли сенсор затулити.

- Складні передавачі/приймачі, котрі реєструють присутність яскравого предмету, який знаходиться поблизу сенсора і спричиняє відбиття світла.

- Окремі приймачі і передавачі, котрі можуть бути розміщені у спільному корпусі сенсора. Світло передається від пункту передавання до пункту приймання сигналу за допомогою світловоду.

Оптичні сенсори мають напівпровідниковий або перемикальний виходи. Оскільки оптичні сенсори використовують модульоване світло, то вони не реагують на світлові завади з іншими частотами, не кратними частоті модуляції. Додатковим способом захисту від завад є конструкції сенсорів, котрі працюють із поляризованим світлом. Приймач сигналу є чутливий лише тоді, коли світло є синфазним зі світлом передавача.

Поиск по сайту: