Elektryczne źródła światła

Materiały dydaktyczne dla kierunku Technik Optyk (W12) Kwalifikacyjnego kursu zawodowego .

Widmo promieniowania elektromagnetycznegoBy narząd wzroku spełniał swoją funkcję, potrzebne jest światło. Światło (promieniowanie widzialne) jest to ta część widma elektromagnetycznego, która powoduje bezpośrednio wraŜenia wzrokowe.W widmie światła widzialnego moŜna wydzielić przedziały długości fal, które oko ludzkie odbiera jako wraŜenie róŜnych barw:

380 - 436 nm fiolet,436 - 495 nm niebieski ,495 - 566 nm zielony,566 - 589 nm Ŝółty,589 - 627 nm pomarańczowy ,627 - 780 nm czerwony.

Podstawowe wielkości

Podstawowymi wielkościami oświetleniowymi są:

- strumień świetlny Φ wyraŜany w lumenach [lm],- światłość I wyraŜana w kandelach [cd],- natęŜenie oświetlenia E wyraŜane w luksach [lx],- luminancja L wyraŜana w [cd/m ].

- sprawność oprawy ηo w [%]

Elektryczne źródła światła:

• Lampy żarowe (żarówki), w których wykorzystuje się świecenie nagrzanego drutu wolframowego.

• Lampy halogenowe, w których wykorzystuje się świecenie nagrzanego drutu wolframowego w atmosferze halogenków.

• Lampy fluorescencyjne (świetlówki), w których wykorzystuje się zjawisko fluorescencji, tj. świecenia pewnych substancji chemicznych pod wpływem działania promieni ultrafioletowych i elektronów.

• Lampy wyładowcze (rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe), w których wykorzystuje się świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych (przepływu prądu elektrycznego przez gaz).

• Lampy o świetle mieszanym, w których w celu otrzymania światła wykorzystuje się dwa zjawiska fizyczne – świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych i świecenie ciał stałych pod wpływem wysokiej temperatury (lampy rtęciowo-żarowe, lampy łukowe).

• Lampy LED, wykorzystujące wysokoenergetyczne diody świecące LED.

Lampy żarowe.

Elementem świecącym w żarówce jest żarnik z drutu wolframowego,

rozgrzany do temperatury 2100÷2800˚C i umieszczony w bańce z

wytworzoną próżnią lub napełnioną mieszaniną gazu szlachetnego

(argon, krypton, ksenon) z azotem. Do lamp żarowych zaliczamy też

lampy halogenowe, czyli takie, których bańka jest napełniona

halogenem. Mają one wyższą trwałość (mniejsze zużycie żarnika) i

lepszą skuteczność świetlną od tradycyjnych żarówek żarowych.

Żarówki mają 2 podstawowe rodzaje trzonków: gwintowy (E27 i E14)

oraz bagnetowy (B22).

Podstawowymi parametrami żarówek są: napięcie, moc i prąd.

Rezystancja żarówek jest nieliniowa i zależy między innymi od ich

temperatury. W żarówkach ok. 90% energii jest zużywane na

wytwarzanie energii cieplnej.

Podczas montażu oprawek żarówkowych prądu przemiennego należy

pamiętać, że na krążek stykowy podajemy przewód fazowy, a na gwint

przewód neutralny. Wyłącznik zawsze montujemy na przewodzie

fazowym.

Żarówek halogenowych nie powinno się dotykać gołymi rękami.

Rozgrzanej bańce ze szkła kwarcowego szkodzi pot z rąk.

. Budowa żarówki.

1-bańka szklana, 2-gaz lub próżnia, 3-żarnik

wolframowy, 4-elektrody niklowe, 5-podpórki

molibdenowe, 6-pręcik szklany, 7- łopatka szklana,

8-trzonek, 9-gwint, 10-krążek stykowy

Rodzaje żarników: a) jednoskrętkowy;

b) dwuskrętokwy

Rodzaje trzonków: a) gwintowy; b) bagnetowy

Żarówka halogenowa dwutrzonkowa

Lampy rtęciowe.

Ich zasada działania opiera się na świeceniu sprężonych par rtęci o

ciśnieniu 100 Pa. Elementem wytwarzającym światło jest jarznik - rurka

ze szkła kwarcowego wypełniona argonem i rtęcią. Poza jarznikiem

panuje próżnia.

Trwałość wynosi 6000 godzin.

Wadą jest długi czas, który musi upłynąć między wyłączeniem lampy a

jej ponownym załączeniem.

Budowa i schemat włączenia lampy rtęciowej 1-bańka zewnętrzna z luminoforem, 2-rezystor, 3-bańka ze szkła kwarcowego, 4-argon, 5-kropla rtęci, 6-elektrody główne, 7-elektroda zapłonowa, D-dławik, Ck-kondensator do poprawy współczynnika mocy, L-przewód fazowy N-przewód neutralny

Lampy rtęciowo-żarowe.

Konstrukcja zbliżona do lampy rtęciowej. Oprócz jarznika posiada

żarnik wykonany z wolframu, będący dodatkowym źródłem

światła. Żarnik świeci od razu po załączeniu lampy. Rozruch trwa 4

minuty.

Lepiej oddają barwy oświetlanych przedmiotów.

Trwałość około 4000 godzin

Budowa i schemat włączenia lampy rtęciowo-żarowej 1-bańka zewnętrzna z luminoforem, 2-rezystor, 3-bańka ze szkła kwarcowego, 4-argon, 5-kropla rtęci, 6-elektrody główne, 7-elektroda zapłonowa, 8-żarnik wolframowy, D-dławik, Ck-kondensator do poprawy współczynnika mocy, L-przewód fazowy N-przewód neutralny

Lampy sodowe.

Działanie podobne, jak lampy rtęciowej. Jej jarznik jest wykonany z tlenku glinu, a jego wnętrze wypełnia neon oraz sód w postaci metalicznej. Świecą pary neonu i sodu. Dają żółte, kontrastowe światło. Stosowane do oświetlania dróg. Trwałość około 4000 godzin.

Schemat budowy i układ zasilania lampy sodowej

1-bańka zewnętrzna, 2-próżnia, 3-rura wypełniona neonem, argonem i małą ilością sodu, 4-elektroda, 5-trzonek, Atr-autotransformator rozproszeniowy, Ck-kondensator do poprawy współczynnika mocy.

Lampy bezelektrodowe

Lampy fluorescencyjne.

Świetlówka jest lampą rtęciową niskoprężną. Wykorzystuje ona

wyładowania elektryczne w parze rtęci o ciśnieniu ok. 1 Pa. Między

elektrodami jarznika, do których jest przyłożone napięcie, płynie prąd,

poruszają się ładunki (elektrony i jony dodatnie) zderzające się z

atomami rtęci. Wzbudzone atomy rtęci są źródłem promieniowania o

dużej energii i małej długości fali. Promieniowanie to padając na

luminofor, którym pokryta jest wewnętrzna powierzchnia jarznika,

powoduje wzbudzenie jego cząsteczek, a w rezultacie ich świecenie.

Skład chemiczny luminoforu pozwala regulować barwą światła

świetlówki.

Aby ochronić świetlówkę przed uszkodzeniem na skutek zbyt dużego

prądu, w szereg z nią włącza się statecznik – układ ograniczający

wartość prądu. Najczęściej w roli statecznika wykorzystuje się dławik.

Ze względu na niekorzystny wpływ dławika na współczynnik mocy

dodaje się kompensujący go kondensator.

Zapłonnik lampowy do świetlówki: a) budowa; b) schemat 1-bańka szklana wypełniona neonem, 2-blaszka bimetalowa, 3-styk, 4-kondensator przeciwzakłóceniowy

Napięcie robocze świetlówki jest zbyt małe, żeby doprowadzić do jej

samoczynnego zapłonu. Dlatego też podczas zapłonu między elektrody

przykłada się napięcie kilkakrotnie większe od napięcia roboczego.

Zapłonem świetlówki steruje zapłonnik (starter).

Po załączeniu lampy płynie mały prąd w obwodzie: dławik 6 – elektroda

4 – zapłonnik 1 – elektroda 5. Całe napięcie przypada na zapłonnik tj. na

małą lampę tlącą, w której rozpoczyna się wyładowanie. Lampa ta

ogrzewa bimetal, który wygina się zwierając obwód. W tej chwili w

obwodzie zaczyna płynąć wysoki prąd, nagrzewając elektrody

świetlówki. W tym samym czasie zapłonnik stygnie (zwarta lampa tląca)

i po kilku sekundach bimetal rozwiera obwód. Nagłe przerwanie prądu

płynącego między innymi przez dławik, powoduje pojawienie się na nim

SEM samoindukcji. Między nagrzanymi elektrodami pojawia się

przepięcie powodujące zapoczątkowanie wyładowania w rurze

świetlówki. Jeśli do zapłonu nie doszło, cały proces zaczyna się od

początku.

Jeśli zapłon nastąpił, napięcie na rurze spada, a jednocześnie napięcie

na lampie tlącej w zapłonniku jest za małe, by zaczęła świecić i

podgrzewać bimetal.

Zamiast zapłonnika tradycyjnego coraz częściej stosuje się zapłonnik

elektroniczny. Pozwala on na miniaturyzację i co za tym idzie znalazł

zastosowanie w tzw. świetlówkach kompaktowych, zwanych też

żarówkami energooszczędnymi.

Świetlówka kompaktowa

Światło świetlówki w odróżnieniu od żarówek żarowych, jest światłem

migającym z częstotliwością 100 Hz. Tętnienie to nie jest dostrzegalne

gołym okiem, ale stwarza tzw. efekt stroboskopowy. W przypadku

oświetlania elementów wirujących z częstotliwością zbliżoną do

częstotliwości tętnień, możemy mieć wrażenie, że części wirujące stoją

w miejscu. To z kolei może być przyczyną wypadków. Dlatego też w

pomieszczeniach przemysłowych stosuje się układy antystroboskopowe

polegające na instalowaniu w jednej oprawie dwu świetlówek których

migotanie jest przesunięte w fazie.

Innym rozwiązaniem jest zastosowanie opraw z trzema świetlówkami z

których każda zasilana jest z innej fazy.

śarówka LED

Oprawy oświetleniowe

Oprawy oświetleniowe słuŜą:

Podział opraw:

Ze względu na sposób mocowania oprawy dzielimy na:

1) stałe

2) przenośna

3) nastawne

RozróŜniamy 5 klas oświetlenia:

I - kierują cały strumień w dół (zast. w wysokich halach i do oświeltenia

miejscowego),

II i III - stosowane w pomieszczeniach niŜszych o średnio jasnych

ścianach i sufitach (biura, sklepy),

IV i V - światło odbite od sufitu, (zast. w mieszkaniach, hotelach,

pomieszczenaich powszechnego uŜytku).

Sprawność oprawy:

Właściwości opraw oświetleniowych w zależności od klasy

Klasa I II III IV V

Charakter

oświetlenia bezpośrednie

przeważnie

bezpośrednie mieszane

przeważnie

pośrednie pośrednie

Strumień

wysyłany do

dolnej półprze-

strzeni

90÷100% 60÷90% 40÷60% 10÷40% 0÷10%

Orientacyjna

krzywa rozsyłu

światłości

Oprawy do

żarówek i

rtęciówek

Oprawy do

świetlówek

Obliczanie oświetlenia wnętrz

Obliczanie oświetlenia zewnętrznego

NaleŜy określić:

Sposoby rozmieszczenia źródeł światła:- środkowe- jednostronne- dwustronne- naprzemianległe

Literatura:

J.Nowicki „Podstawy elektrotechniki i elektroniki dla ZSN” WSiP 1999

G.Bartodziej, E.Kałuża „Aparaty i urządzenia elektryczne” WSiP 1997

W.Kotlarski, J.Grad „Aparaty i urządzenia elektryczne” WSiP