3816 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ СВЕТА

ВВЕДЕНИЕ

Современные источники света используются для наружного и внутреннего освещения, в системах отображения информации, в сигнальной аппаратуре, в системах оптической накачки твердотельных лазеров, в фотохимии, медицинской и физиологической аппаратуре, в технологических установках  светового нагрева, в фотолитографии и в целом ряде других областей техники, науки и технике бытового назначения.

Данные методические указания посвящены описанию экспериментальных методов измерения спектральных характеристик, электрических параметров и количественной оценки цветовых параметров различных источников излучения.

Анализ результатов исследований предполагает предварительное знакомство с законами оптического излучения, с физикой газового разряда, с основными закономерностями квантово-механических переходов в люминесцирующих материалах и газовом разряде, рассматриваемых по дисциплинам «Физика газового разряда», «Физические основы электронной техники», «Квантовая электроника».

Лампы накаливания являются исторически первыми электрическими источниками света. Достоинствами ламп накаливания являются низкая себестоимость приборов, простота схемы включения и устройств их подключения в электрическую цепь. Благодаря этим особенностям лампы накаливания сохраняют свое лидирующее положение в бытовой технике, в автомобильной технике и в ряде других устройств малой и средней мощности, где необходимы недорогие  источники излучения непрерывного действия, простые и надежные схемы коммутации.

По сравнению с лампами накаливания газоразрядные источники света обладают более высокой светоотдачей, большим сроком службы, обеспечивают широкий диапазон цветопередачи, обладают высоким быстродействием. Источником светового потока в таких приборах является газовый разряд. Однако в большинстве вариантов газоразрядных источников основная часть светового потока обеспечивается излучением люминесцентного покрытия, возбуждаемого ультрафиолетовым компонентом разряда паров ртути. При генерации световых потоков большой мощности стоимость каждого ватта светового потока газоразрядных источников существенно ниже, чем у твердотельных приборов (светодиодов, лазеров).

К недостаткам газоразрядных источников следует отнести сложные схемы включения, пульсирующий режим работы на переменном токе, наличие в составе газового наполнения высокоактивных и высокотоксичных компонентов, а также более высокую, чем у ламп накаливания, себестоимость.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ ДНЕВНОГО СВЕТА

В соответствии с общепринятым определением лампы дневного света – это приборы со спектральным составом, близким к солнечному. Необходимый спектральный состав обеспечивается излучением паров ртути и люминесцирующего покрытия, возбуждаемого ультрафиолетовой компонентой излучения ртути. Давление паров ртути (примерно 0,1 мм рт.ст.) формируется в режиме насыщения, когда процессы испарения и конденсации проходят с одинаковой скоростью. Величина давления определяется температурой внутренней стороны стеклянной оболочки. Кроме паров ртути в объеме лампы находится аргон. Этот газ необходим для начального зажигания и поддержания оптимального электрического режима газового разряда. К источнику переменного тока лампы подключаются через дроссель. Дроссель выполняет функцию балластного резистора и обеспечивает начальный бросок напряжения для зажигания разряда. В качестве эмиттеров электронов в лампах используются прямонакальные катоды с оксидным покрытием. Благодаря этому зажигание разряда происходит при сравнительно небольших значениях стартового напряжения. Лампы обладают высокой светоотдачей,  имеют большой срок службы и сравнительно невысокую себестоимость.

Цель работы. Исследовать электрический режим, световые параметры люминесцентной лампы дневного света промышленного изготовления и провести анализ особенностей элементов измерительной схемы.

В ходе выполнения лабораторной работы необходимо снять осциллограммы напряжения, тока и интенсивности светового потока при различных значениях напряжения источника питания; рассчитать потребляемую мощность; оценить тепловой режим; рассчитать энергетический коэффициент полезного действия, коэффициент пульсаций и проанализировать зависимость светоотдачи от величины входного напряжения.

Электрическая схема экспериментальной установки поясняется на рисунке. Исследуемая лампа Л (лампа белого цвета типа ЛБ-20) установлена в защитном кожухе, предохраняющем глаза экспериментатора от воздействия прямого светового потока. В кожухе размещены контактные колодки для включения ламп в цепь питания, а также датчики светового потока и температуры оболочки. Лампа подключена к сети через разделительный трансформатор Т2, напряжение на котором регулируется с помощью автотрансформатора Т1. Напряжение питания контролируется вольтметром PU1. Величина светового потока регистрируется фоторезистором ФС-Д1 (ФР). Температура оболочки измеряется специальным датчиком электронного вольтметра В7-27/А1 (PT). Осциллограммы тока, напряжения и фототока регистрируются с помощью осциллографа С1-91, обеспечивающего возможность контролировать до четырех процессов одновременно. Осциллограмма напряжения снимается через делитель с соотношением 1:100. По такой же схеме на осциллограф подается напряжение внешней синхронизации. Осциллограмма тока снимается с резистора R1 величиной 2,5 Ом. Питание фоторезистора, регистрирующего световой поток, осуществляется от встроенного в установку выпрямителя. Для начального поджига разряда используется кнопочный выключатель Kн.

Последовательность измерений. Вначале надо убедиться, что все электронные устройства выключены, автотрансформатор находится в выведенном состоянии. После этого необходимо подать питание на установку, включить осциллограф и электронный вольтметр.

Для зажигания разряда следует установить с помощью лабораторного автотрансформатора напряжение 220 В, нажать на кнопку поджига Кн и, выдержав 5 секунд, отпустить ее. Сделав выдержку, необходимую для установления рабочего режима осциллографа, следует переключателем блоков осциллографа включить режим работы красного блока. Переключателем на красном блоке установить развертку напряжения (луч I). После установки приемлемой скорости развертки, центровки луча и чувствительности по сигналу напряжения установить и отрегулировать режим развертки сигнала тока (луч II). Затем, установив переключатель режимов красного блока в положении «..», убедиться в синхронизации развертки. Для удобства отсчета нулевого уровня сигналов целесообразно с помощью переключателей, расположенных под делителями напряжения, установив их в среднее положение, обозначенное значком (), совместить линии развертки регистрируемых процессов.

 

 

Схема экспериментальной установки

 

Для осциллографирования фотосигнала необходимо включить зеленый блок. Луч I зеленого блока целесообразно использовать для отметки на экране нулевого уровня. Для этого, переключив режим усиления по зеленому блоку в положение «..» и рычажок луча I, расположенным под ручкой переключения чувствительности, в среднее положение, обозначенное значком (), установить развертку обоих лучей на одну из нижних масштабных линий. Затем, переведя рычажок луча I в режим усиления постоянного сигнала, установить уровень усиления, приемлемый для отсчета фотосигнала.

Изменяя автотрансформатором напряжение на входе (Uвх) от 160 до 230 В, проконтролировать осциллограммы тока, напряжения и фотосигнала, отметив величину напряжения зажигания разряда (Uзаж), напряжения горения разряда Uгор, максимальное значение амплитуды тока Im через лампу, максимальное Uфmax и минимальное Uфmin значения фотосигнала  при четырех значениях входного напряжения.

Расчетная часть включает оценку коэффициента светоотдачи и энергетического коэффициента полезного действия.

Коэффициент светоотдачи hф. определяется как отношение светового потока Фл люминесцентной лампы, выраженного в люменах, к потребляемой электрической мощности Pл, выраженной в ваттах.

hф = Фл/Pл.

В соответствии с особенностями электрического режима люминесцентной лампы (напряжение горения почти не меняется в течение токопрохождения, а осциллограмма тока приближенно имеет форму ломаной линии), потребляемая мощность

Pл » ImUгор/2.

Величина светового потока может быть определена исходя из того, что электропроводность фоторезистора пропорциональна световому потоку, падающему на активную поверхность s = qрФл. Учитывая, что проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, получим, что в соответствии с используемой схемой измерительного блока, напряжение, поступающее на осциллограф:

Uф = U0R2/[1/(qрФл)+ R2].

В этой формуле U0 – напряжение источника питания, qр – фоточувствительность фоторезистора. Для данного фоторезитора qр = 30 мкА/(В·лм).

В данной схеме обеспечено условие 1/(qрФл) >> R2. Поэтому с достаточной для практических расчетов точностью

Фл » ,

где j - угловой коэффициент облученности активной поверхности фоторезистора люминесцентной лампой, Uф – усредненное значение фотосигнала [Uф » (Uфmax+ Uфmin)/2].

Угловой коэффициент облученности j определяет долю светового потока, попадающего на приемник излучения. Фоторезистор находится очень близко к поверхности лампы, поэтому угловой коэффициент облученности примерно равен отношению площади активной поверхности фоторезистора Fр к площади излучающей поверхности лампы Fл.

Активный участок фоторезистора имеет прямоугольную форму с размерами сторон 4×7,2 мм. При расчете излучающей поверхности люминесцентной лампы следует учесть, что длина участка, покрытого люминофором, составляет 58 см, диаметр колбы 3,8 см.

Энергетический коэффициент полезного действия (отношение излучаемой мощности к полной мощности, потребляемой люминесцентной лампой)

hэ »  1 – Qк/ Pл,

где Qк – мощность, рассеиваемая поверхностью лампы в результате конвективного теплоотвода:

Qк = aFл(TлTо ),

где a – коэффициент теплоотдачи [при свободно конвективном охлаждении a » 7 Вт/(м2×град)], Tл – температура оболочки лампы, Tо – температура окружающей среды.

При работе газоразрядных ламп на переменном токе неизбежны пульсации светового потока из-за прерывистости газового разряда. С учетом линейной связи между световым потоком, падающим на фоторезистор, и напряжением фотосигнала коэффициент пульсаций

Kп = (UфmaxUфmin)/(2Uф).

Задание по работе

1. Зарисовать осциллограммы напряжения, тока и фотосигнала при входном напряжении 220 В. По форме осциллограмм оценить значения напряжения горения, напряжения зажигания, амплитуды тока, максимального и минимального уровней фотосигнала.

2. Снять зависимости напряжения горения, амплитуды тока разряда, максимального и минимального уровней фотосигнала от величины входного напряжения в пределах от 160  до 230 В.

3. По результатам измерений рассчитать среднюю мощность, выделяющуюся в разряде, коэффициент светоотдачи при различных значениях входного напряжения.

4. Построить зависимость этих параметров от входного напряжения.

5. Рассчитать коэффициент пульсации и энергетический КПД люминесцентной лампы при напряжении 220 В.

 

Содержание пояснительной записки

1. Постановка задачи.

2. Описание экспериментальной установки.

3. Осциллограммы сигналов напряжения, тока и фотосигнала при напряжении 220 В.

4. Табличные значения результатов осциллографических измерений и расчетных зависимостей.

5. Графики зависимости среднего значения тока, напряжения, мощности, светового потока и коэффициента светоотдачи от напряжения на входе.

6. Выводы по работе.

 

Контрольные вопросы

1. Объяснить вольтамперную характеристику люминесцентной лампы.

2. Каков состав газового наполнения? Назначения компонент газового состава.

3. Схема включения люминесцентной лампы. Возможные варианты стартеров зажигания и принцип действия каждого варианта.

4. Состав и физика работы люминесцентных материалов.

5. Конструкция и особенности работы катода в люминесцентной лампе.

6. Условные обозначения и параметры цветности излучения люминесцентных ламп.

7. Основные параметры и области применения люминесцентных ламп.

8. Что такое «тепловое тушение», как оно сказывается на эксплуатационных параметрах люминесцентных ламп?