7. Готовность к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ок-7);

8. Способность исследовать технические средства для измерения основных параметров электроэнергетических и электротехнических объектов и систем и проходящих в них процессов (пк-18);

9. Способность выполнять экспериментальные исследования по заданной методике, обрабатывать результаты экспериментов (пк-44)

Краткие теоретические сведения:

Люминесцентная лампа – это искусственный источник оптического излучения, в основе принципа действия которого лежат явления дугового разряда в газах и люминесценции.

Устройство люминесцентных ламп показано на рисунке 3.1 Люминесцентная лампа общего назначения представляет собой цилиндрическую колбу 5, герметически закрытую вваренными в ее торцы стеклянными ножками 3. На ножках смонтированы вольфрамовые биспирали 4, покрытые слоем оксида (окислов щелочноземельных металлов) обеспечивающего хорошую эмиссию электронов. По концам лампа имеет короткие цоколи 2 с полыми штырьками 1, служащими для включения ее в электрическую сеть. К штырькам внутри лампы припаяны выводы электродов.

Внутренняя поверхность колбы покрыта тонким слоем люминофора – кристаллического вещества определенного химического состава.

Из колбы откачан воздух и введен аргон с небольшим количеством ртути. Аргон необходим для уменьшения распыления покрытия электродов и облегчения зажигания разряда. При разряде возбуждаются и излучают, однако, лишь атомы ртути.

Преобразование электрической энергии в видимое излучение можно разделить на два этапа:

1. Преобразование электрической энергии в процессе разряда в парах ртути в энергию ультрафиолетового излучения;

2. Преобразование в слое люминофора ультрафиолетового излучения в видимое.

Незначительная часть видимого излучения (5…7%) создается в результате самого электрического разряда в межэлектродном промежутке.

Р исунок 3.1 - Устройство люминесцентной лампы.

1 – штырьки;

2 – цоколь;

3 – стеклянная ножка;

4 – биспираль;

5 – колба;

6 – внутреннее пространство (пары ртути и аргон).

Люминофор, применяемый в люминесцентных лампах, представляет собой порошкообразное вещество. Размер зерен, толщина и структура слоя влияют на световые свойства лампы.

Слой люминофора работает на просвет – возбуждается изнутри, а излучает в окружающее пространство.

Наиболее рациональное сочетание светотехнических, электрических и геометрических показателей имеют лампы мощностью 40 Вт.

Путем подбора химического состава люминофора в современных условиях можно получить практически любой спектр излучения люминесцентной лампы.

Выпускаемые в настоящее время нашей промышленностью люминесцентные лампы различаются по цветности излучения. Приняты следующие обозначения стандартных цветностей ламп:

Д – дневная, соответствует цветности излучения абсолютно черного тела при температуре 6500 К;

Б – белая – 4200 К;

ХБ – холодно-белая – 4800 К;

ТБ – тепло-белая – 2800 К;

ДЦ – дневная с улучшенной цветопередачей;

Е – естественная;

БЕ – белая естественная;

ХЕ – холодная естественная.

Условие стабильности электрического разряда требует наличия дополнительного (балластного) сопротивления в цепи питания лампы. Таким балластом может служить активное сопротивление (такие схемы включения люминесцентных ламп применяются в пожароопасных и взрывоопасных помещениях), при этом требуется установка дополнительного зажигающего устройства, емкость (применяется при питании установки током повышенной частоты, 400 Гц и выше).

Чаще же всего применяется индуктивный балласт, так как лампа при работе с ним имеет наилучшие светотехнические показатели и не требуется дополнительного зажигающего устройства.

Наиболее часто встречается в практике стартерная схема включения люминесцентной лампы с индуктивным балластом (рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Стартерная схема включения люминесцентной лампы.

Работа стартерной схемы включения люминесцентной лампы.

Электрический пробой межэлектродного промежутка может произойти лишь при напряжении, равном напряжению зажигания или больше его. Значение напряжения зажигания может в несколько раз превышать напряжение сети. Чтобы снизить величину–этого напряжения и сохранить работоспособность электродов, их предварительно нагревают электрическим током, до температуры 1100…1200С. Это обеспечивает достаточную термоэлектронную эмиссию оксидного покрытия. После зажигания лампа работает в режиме дугового разряда. Зажигается лампа в практических условиях автоматически посредством стартера и дросселя. Наиболее часто применяемый стартер тлеющего разряда (рисунок 3.3) представляет собой миниатюрную газоразрядную лампу с биметаллическими электродами. В стартерной схеме лампа Л включается последовательно с индуктивным балластным сопротивлением (дроссель Др). Дроссель может состоять из одной или, как в нашем случае – из двух равноценных обмоток, размещенных на одном магнитопроводе и подключенных к разным электродам лампы, что позволяет ограничить проникновение радиопомех в сеть за счет увеличения индуктивного сопротивления ветвей схемы. Параллельно лампе подключены газоразрядный стартер и конденсатор С2 емкостью 0,01мкФ, предназначенный для снижения радиопомех, некоторого увеличения продолжительности импульса зажигания лампы и уменьшения вероятности дугообразования между контактами стартера в момент их размыкания. Параллельно схеме подключены конденсатор С1 для повышения мощности схемы до 0,9 и разрядное сопротивление R. Коэффициент мощности такой схемы без компенсирующего конденсатора обычно не превышает 0,5…0,6.

При включении схемы в момент времени t1 разряд в лампе не возникает, так как напряжение зажигания Uзл выше напряжения на ее электродах (напряжение холостого хода Uл).

Рисунок 3.3 - Устройство стартера тлеющего разряда.

1 – стеклянный баллон;

2 – подвижный биметаллический электрод;

3 – неподвижный электрод.

В стартере же возникает тлеющий разряд, так как напряжение зажигания стартера ниже напряжения сети. В период t1…t2 ток тлеющего разряда стартера разогревает его контакты и вызывает их замыкание. Электроды лампы разогреваются током предварительного подогрева Iпп, определяемым напряжением сети, сопротивлением дросселя и электродов. Значение этого тока обычно на 40…50% выше номинального тока лампы. В течение 1…2 секунд электроды нагреваются до требуемой температуры и напряжение зажигания понижается. За это время электроды стартера остывают (так как разряд между ними прекратился) в момент времени tз открываются и разрывают цепь электродов лампы. Резкое уменьшение тока, протекающего через дроссель, вызывает в нем ЭДС самоиндукции, превосходящую пониженное за счет разогрева электродов напряжение зажигания. Лампа загорается, по ней течет ток горения лампы Iгл, на ее электродах устанавливается напряжение горения лампы Uгл, равное приблизительно половине напряжения сети. После зажигания люминесцентной лампы контакты стартера остаются разомкнутыми, так как напряжение на зажимах лампы недостаточно для возникновения в нем тлеющего разряда. Напряжение зажигания стартера ниже номинального напряжения сети, но выше напряжения на лампе в рабочем режиме:

Uc  Uз.ст  Uл.

Стартер служит для автоматического замыкания на определенное время цепи электродов лампы и для мгновенного разрыва цепи после их разогрева.

Дроссель выполняет следующие функции:

- обеспечивает достаточный и безопасный для лампы ток в цепи электродов для быстрого их разогрева при зажигании;

- создает импульс повышенного напряжения, обеспечивающий возникновение разряда в люминесцентной лампе;

- стабилизирует разряд при номинальном для данной лампы токе;

- обеспечивает устойчивую работу люминесцентной лампы при отклонениях напряжения в питающей сети.

В рабочем режиме при питании лампы от сети переменного тока каждый электрод ее работает попеременно в качестве анода и в качестве катода. Основную роль в электрическом разряде в каждый полупериод играет катод, так как он обеспечивает необходимый уровень эмиссии. Разогрев электродов лампы происходит за счет кинетической энергии попадающих на них заряженных частиц («самокалящиеся» электроды). На электроде образуется наиболее разогретая точка – катодное пятно, являющееся основным источником эмиссии электронов. В процессе эксплуатации лампы оно медленно перемещается вдоль электрода от сетевого его конца к стартерному примерно на один виток биспирали за 1000 ч горения.

3.1.Ознакомиться с приборами и оборудованием, применяемым в данной работе, их характеристики привести в табл. 3.1.

Технические характеристики приборов использованных в работе представлены ниже.

Таблица 3.1 - Технические характеристики приборов, используемых в работе.

Прибор	Тип	Система	Пределы измерения	Цена деления	Класс точности	Примечания
Люксметр
Вольт- метр
Амперметр
Ваттметр

3.2. Ознакомиться с устройством люминесцентных и энергосберегающих ламп, сделать в отчете рисунок ЛЛ с указанием деталей и заполнить таблицу 3.2.

Таблица 3.2 - Технические характеристики исследуемых ламп.

Лампа	Тип	Мощность, Вт	Напряжение, В	Свет. поток, лм	Длина, м	Примечания

3.3. Ознакомиться с принципиальной электрической схемой стенда в части выполнения данной работы.

3.4. Порядок проведения опытов:

3.4.1. С помощью автоматического выключателя QF1 и магнитного пускателя КМ подать напряжение на стенд (рукоятку QF1 перевести в верхнее положение и нажать кнопку “Подача напряжения”).

3.4.2. Пакетный переключатель SA1 перевести в положение “ЛР1,2,3”.

3.4.3. Переключатель SA2 поставить в положение Uс. Включить Л1 с помощью выключателя “Л1”при этом лампа не должна загореться.

3.4.4. С помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) повышать напряжение, контролируя его по вольтметру V1 , занести в отчет значение напряжения, при котором лампа загорится. Довести уровень напряжения до значения 240 В. в сети, снять показания приборов (А1,V1,W1) и занести в таблицу 3.3 в столбцы с пометкой «сети» или «схемы». Переключатель SA2 перевести в положение Uл, а переключатель SA3 – в положение Uл1, снова снять показания приборов и занести в таблицу 3.3 в столбцы с пометкой «лампы» или «на лампе». Снижать уровень напряжения с шагом в 10В, каждый раз при этом снимая показания с приборов (амперметр А1, вольтметр V1, ваттметр W1) и занося их в таблицу 3.3 как для сети, так и для лампы, переводя SA2 в соответствующие положения. При определенном напряжении лампа должна погаснуть, занести значение этого напряжения в последнюю строку таблицу 3.3.

Таблица 3.3 - Результаты экспериментальных и расчетных исследований.

Измерено							Вычислено
Напряжение		Мощность						Светоотдача
Сети Uc,В	На лампе Uл,В	Схемы Рс,Вт	Лампы Рл,Вт		Ток I,А	Освещенность ЕА, лк	Свет. поток Фс, лм	Лампы л, лм∙Вт	Блока лампа-дросель л-д, лм∙Вт	cоs	Ки
Лампа загорелась при U=… В.
240
230
220
и т.д.
Лампа погасла при U= … В.

После проведения опытов снять напряжение со стенда, для чего следует нажать кнопку “Снятие напряжения” и рукоятку QF1 перевести в нижнее положение.

3.4.Произвести необходимые вычисления, используя для этого нижеприведенные выражения:

Световой поток Фс, лм.

(3.1)

где =3,14;

Нр – высота подвеса лампы, м;

L – длина лампы, м;

ЕА – освещенность в точке А, лк (по измерениям).

по рисунку 3.4;

по рисунку3.4.

При расположении контрольной точки А под лампой угол  =0 и угол  определится из выражения:

(3.2)

Светоотдача лампы л, лм/Вт:

(3.3)

где Рл – мощность лампы, Вт (по измерениям);

Фс – вычисленное значение светового потока, лм.

Светоотдача блока лампа – дроссель л-д, лм/Вт:

(3.4)

где Рс – мощность схемы, Вт (по измерениям).

Коэффициент мощности cos:

(3.5)

где Uc – напряжение сети, В;

Pc – мощность схемы, Вт;

I – сила тока, А (по измерениям).

Коэффициент искажения Ки:

(3.6)

где Uл – напряжение на лампе, В;

Pл – мощность лампы, Вт;

I – сила тока, А (по измерениям).

Рисунок 3.4 - К расчету светового потока от люминесцентной и энергосберегающей лампы.

3.5.Изобразить графики зависимости мощности схемы и лампы, светоотдачи лампы и блока лампа-дроссель, светового потока, коэффициента мощности, коэффициента искажения от напряжения сети (Pс, Рл, л, л-д, Фс, cos, Ки = f(U)).

3.6.По проделанной работе сделать вывод.

Контрольные вопросы:

1. Поясните работу схемы стартерного включения люминесцентной лампы.

2. Поясните назначение люминофора в ЛЛ.

3. Поясните принцип действия ЛЛ.

4. Поясните назначение дроссельного балласта в схеме включения ЛЛ.

5. Укажите типы балластных сопротивлений и особенности работы ЛЛ при их использовании.

6. Охарактеризуйте полученные Вами графики.

7. Расшифруйте обозначение типа ламп ЛД, ЛЕЦ, ЛТБ.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

Исследование газоразрядных ламп высокого давления.

Цель работы: Изучение устройства и исследование электрических и светотехнических характеристик газоразрядных ламп высокого давления.

Краткие теоретические сведения:

Наиболее широко для облучения растений применяются газоразрядные лампы высокого давления. Газоразрядная лампа высокого давления (ГЛВД) – это искусственный источник оптического излучения, в основе принципа, действия которого лежат явления дугового разряда в парах ртути и люминесценции.

Рассмотрим устройство таких ламп на примере лампы типа ДРЛ (дуговая ртутная люминесцентная), устройство которой показано на рисунок 4.1. Лампа содержит горелку 1 в виде в виде трубки из кварцевого стекла с основными 2 и дополнительными 4 вольфрамовыми электродами в торцах. Дополнительные электроды включены через токоограничивающие резисторы 3 к основным электродам на противоположном торце горелки. В полости горелки содержаться аргон и дозированное количество ртути. Внешняя колба 5 выполнена из термостойкого стекла и изнутри покрыта слоем люминофора 6. Форма колбы обеспечивает во время работы лампы температуру, необходимую для эффективной работы люминофора, и необходимое распределение ее по поверхности. Полость колбы заполнена углекислым газом для стабилизации свойств люминофора.

С хема включения лампы ДРЛ в сеть показана на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 - Схема включения лампы ДРЛ в сеть.

Рисунок 4.1 - Устройство четырехэлектродной лампы ДРЛ.

1 – внутренняя кварцевая колба;

2 – основные вольфрамовые электроды;

3 – токоограничивающие резисторы;

4 – дополнительные электроды;

5 – внешняя колба;

6 – слой люминофора.

При подаче напряжения на лампу между близко расположенными основным и дополнительным электродами возникает разряд, ионизирующий газ в горелке и обеспечивающий зажигание разряда между основными электродами. При зажигании лампы разряд между основными и дополнительными электродами прекращается, так как падение напряжения на токоограничивающих резисторах слишком велико для его поддержания. Балластное устройство в виде дросселя ограничивает ток разряда и стабилизирует его при отклонениях напряжения в сети в допустимых пределах.

В момент зажигания ток лампы в 2…2,5 раза превышает его номинальное значение, но по мере разогрева горелки он постепенно уменьшается, напряжение на лампе возрастает примерно до 130 В, мощность лампы и ее поток излучения возрастают. Разгорание лампы длится 5…10 мин. В рабочем режиме температура внешней колбы может превышать 200˚С. Повторное зажигание лампы ДРЛ возможно лишь спустя 10…15 мин. После ее погасания. Благодаря тому, что пространство внешней колбы заполнено углекислым газом и имеет во время работы высокую температуру, условия окружающей среды не оказывают существенного влияния на работу этих ламп. Лампы ДРЛ нормально работают при температурах окружающего воздуха от –40 до +80˚С.

Световая отдача ламп ДРЛ составляет 40 – 50 лм/Вт, что более чем в 2 раза выше световой отдачи ламп накаливания соизмеримой мощности и несколько ниже, чем у люминесцентных ламп. Лампы ДРЛ кроме того значительно уступают люминесцентным лампам стандартных оттенков в правильности цветопередачи, так как в спектре их излучения отсутствует оранжево-красная часть.

Разновидностью ламп ДРЛ являются лампы ДРВЛ (дуговые ртутно-вольфрамовые люминесцентные). Внешне они почти не отличаются от ДРЛ, но в полости колбы имеют встроенное балластное устройство в виде вольфрамовой спирали, включенной последовательно с газоразрядным промежутком. Вольфрамовая спираль, ограничивая ток дугового разряда, служит в дополнение излучения люминофора источником излучения красной части спектра. Лампы ДРВЛ могут включаться в сеть непосредственно. В сравнении с лампами ДРЛ они имеют более благоприятный для правильной цветопередачи состав излучения, не требуют для работы достаточно металлоемкого и дорогого балластного устройства, но обладают в 1,8…2 раза более низкой световой отдачей, что обусловлено значительными потерями мощности во встроенном активном балластном сопротивлении.

Кроме ламп типа ДРЛ и ДРВЛ существуют и другие разновидности газоразрядных ламп высокого давления:

ДРИ - дуговая ртутная с иодидами щелочноземельных металлов. Обладают светоотдачей 90…95 лм/Вт, могут нормально работать при температурах окружающего воздуха от –40 до +80˚С, возможно получение от них практически любого спектра излучения за счет добавок различного количества иодидов щелочноземельных металлов. К недостаткам этих ламп относятся малый срок службы (2500…5000 ч.) чувствительность к колебаниям напряжения сети и необходимость создания высокого напряжения для их зажигания, а значит для их работы необходим сложный пуско-регулирующий аппарат.

ДНаТ – дуговая натриевая трубчатая. Имеет рубиновую горелку, внутреннее пространство которой заполнено парами ртути, ксеноном с добавлением натрия. Обладает светоотдачей до 130 лм/Вт, максимум спектральной плотности излучения находится очень близко к максимуму спектральной чувствительности глаза человека. Применяется в основном для уличного освещения, но используются и для облучения. Их разновидность – лампы ДНаО – дуговые натриевые осветительные.

ДКсТ – дуговая ксеноновая трубчатая. Обладают светоотдачей 20…45 лм/Вт, дают спектр излучения близкий к солнечному. Применяется в основном для освещения. Могут включаться без балластного устройства, так как стабилизация разряда достигается за счет внутренних процессов. Разновидность ламп – ДКсТВ – дуговая ксеноновая с водяным охлаждением. Для охлаждения используется дистиллированная вода в замкнутом цикле. Такие лампы позволяют получать более высокие показатели светоотдачи, мощности при меньших габаритах.

Порядок выполнения работы.

4.1.Ознакомиться с приборами и оборудованием, применяемым в данной работе, их характеристики привести в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 - Технические характеристики приборов, используемых в работе.

Прибор	Тип	Система	Пределы измерения	Цена деления	Класс точности	Примечания
Люксметр
Вольт- метр
Амперметр
Ваттметр

Ознакомиться с устройством газоразрядных ламп высокого давления, сделать в отчете рисунок ДРЛ с указанием деталей и заполнить таблицу 4.2.

Таблица 4.2 - Технические характеристики исследуемых ламп.

Лампа	Тип	Мощность, Вт	Напряжение, В	Свет. поток, лм	Длина, м	Примечания

Ознакомиться с принципиальной электрической схемой стенда в части выполнения данной работы.

Порядок проведения опытов.

4.4.1 С помощью автоматического выключателя QF1 и магнитного пускателя КМ подать напряжение на стенд (рукоятку QF1 перевести в верхнее положение и нажать кнопку “Подача напряжения”).

4.4.2.Пакетный переключатель SA1 перевести в положение “ЛР 4”.

4.4.3 Переключатель SA4 поставить в положение “Сеть”. С помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) подать на схему напряжение 220В. Включить лампу с помощью выключателя «ДРЛ». Снять показания приборов (А2,V2,W2) и занести в таблицу 4.3 в столбцы с пометкой «сети» или «схемы». Переключатель SA4 перевести в положение “ДРЛ”, снова снять показания приборов и занести в таблицу 4.3 в столбцы с пометкой «лампы» или «на лампе». Снимать показания приборов каждую минуту для обоих положений переключателя и заносить эти показания в соответствующие графы таблицы 4.3 вплоть до полного разгорания лампы (в течение 2-х минут не изменяется величина потребляемой лампой мощности, тока и уровень напряжения на лампе). Кроме этого каждую минуту производить замеры освещенности под лампой и заносить их результаты в таблицу 4.3. Повысить уровень напряжения в сети до 230-ти В, снять показания приборов. Снижать уровень напряжения с шагом в 10В до величины 180 В, каждый раз при этом снимая показания с приборов (амперметр А2, вольтметр V2, ваттметр W2), производя замеры освещенности и занося результаты их в таблицу 4.4 как для сети, так и для лампы, переводя SA4 в соответствующие положения.

Таблица 4.3.

Время от момента зажигания лампы t, мин.	I, A	Uc, B	Pc, Вт	Рл, Вт	ЕА, лк	Ефт, фит/м2
0
1
2
3
4
5
…

4.5. После проведения опытов снять напряжение со стенда, для чего следует нажать кнопку “Снятие напряжения” и рукоятку QF1 перевести в нижнее положение.

4.6. Произвести необходимые вычисления, используя для этого нижеприведенные выражения:

Фитооблученность Ефт, фит/м2

(4.1)

где Е_А – освещенность в точке А под лампой (по измерениям), лк;

Кф – коэффициент перевода освещенности в фитооблученность Кф=1,5.

Таблица 4.4 - Результаты экспериментальных и расчетных исследований.

Измерено						Вычислено
Напряжение		Мощность
Сети Uc, В	На лампе Uл,В	Схемы Рс, Вт	Лампы Рл,Вт	Ток I,А	Освещенность ЕА, лк	Фитооблученность Ефт, Вт/м^2	Отклонение фитообл. ΔЕфт
230
220
210
200
190
180

Отклонение фитооблученности от номинального значения для данной лампы:

(4.2)

где Ефт – фитооблученность при данном напряжении сети, фит/м2;

Ефт.н – номинальное значение фитооблученности от данной лампы, фит/м2 (берется из таблицы 4.3 для полного разгорание лампы).

4.7. Изобразить графики зависимости мощности лампы, напряжения на лампе, тока, освещенности и фитооблученности от времени разгорания (Pл ,Uл , I, ЕА, Eфт = f(t)) а так же графики зависимости мощности лампы, тока, освещенности, фитооблученности и отклонения фитооблученности от напряжения сети (Pл , I, ЕА , Eфт, ΔЕфт = f(Uс)).

4.8.По проделанной работе сделать вывод.

Контрольные вопросы:

1. Поясните принцип действия четырехэлектродной лампы ДРЛ.

2. Проведите сравнительную характеристику ламп типа ДРЛ и ДНаТ.

3. Чем обусловлено широкое применение ламп ДНаТ для освещения дорог, открытых пространств?

4. Укажите преимущества и недостатки металлогалогенных ламп.

5. Если работающую лампу ДРЛ выключить, а затем снова включить, то её зажигание произойдет только через некоторое время, почему?

6. Охарактеризуйте полученные Вами графики зависимости изменения параметров лампы от времени зажигания. Поясните физический процесс.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5

Исследование энергосберегающих ламп.

Цель работы: Изучение устройства энергосберегающих ламп и исследование их светотехнических и электрических характеристик.

Приобретаемые компетенции: