1
Ćwiczenie laboratoryjne:
ELEKTRYCZNE ŹRÓDŁA ŚWIATŁA
1. Wprowadzenie
Światło jest jedną z postaci energii. Zakres fal elektromagnetycznych odpowiadający promieniowaniu
widzialnemu obejmuje długości fal od 380 do 760 nm. Poniżej tego zakresu znajduje się promieniowanie
nadfioletowe, zaś powyżej - podczerwone.
Elektrycznymi źródłami światła (lub lampami elektrycznymi) nazywa się urządzenia przetwarzające energię
elektryczną na światło. Rozróżnia się źródła światła:
żarowe (inkadescencyjne), wykorzystujące zjawisko świecenia ciał stałych podgrzanych prądem elektrycznym
do odpowiednio wysokiej temperatury (żarówki),
wyładowcze, wykorzystujące zjawiska świetlne towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego
w gazach; wyróżnia się źródła luminescencyjne, do których zalicza się lampy fluoroscencyjne (świetlówki)
oraz lampy wyładowcze (rtęciowe wysokoprężne oraz sodowe nisko- i wysokoprężne).
Lampy rtęciowe i sodowe stosuje się do oświetlania hal fabrycznych oraz oświetlenia zewnętrznego. Ich wadą
jest wysoka cena oprawy z dławikiem i kondensatorem, wielka luminacja i stroboskopowość. Lamp tych nie
stosuje się do oświetlania małych i niskich pomieszczeń ze względu na rażącą wzrok barwę ich światła.
Ponadto produkowane są lampy jarzeniowe wysokonapięciowe, lampy ksenonowe i łukowe, płyty
elektroluminescencyjne i inne.
Każde źródło światła wysyła strumień energii promienistej, który określa się nazwą strumień świetlny
i oznacza literą . Jednostką strumienia świetlnego jest 1 lumen (1 lm):
jest to strumień świetlny wysyłany w kącie bryłowym 1 sr (steradian - kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli,
wycinający z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi jej promienia) przez punktowe źródło światła o
światłości 1 cd (1 kandeli):
1 lm = 1 cd 1 sr
Kandela jest prostopadłą światłością 1/60 cm
2
powierzchni wzorca ciała doskonale czarnego
w temperaturze krzepnięcia platyny.
Strumień może oświetlać dany przedmiot padając bezpośrednio ze źródła lub po odbiciu np. przez sufit,
ściany czy odbłyśniki opraw oświetleniowych. Stosunek strumienia świetlnego
padającego na jakąś
powierzchnię do pola tej powierzchni S nosi nazwę natężenia oświetlenia E:
E =
/ S
Jeżeli wyrazimy strumień świetlny w lumenach, a powierzchnię w m
2
, to otrzymamy natężenie oświetlenia
w luksach (lx):
Natężenie oświetlenia wynosi 1 luks wówczas, gdy na powierzchnię 1m
2
pada strumień świetlny 1 lumena:
1 lx = 1 lm / 1 m
2
Im większe jest natężenie oświetlenia na danej powierzchni, tym silniejszych wrażeń świetlnych doznaje oko
podczas jej oglądania. Wielkość, na którą reaguje bezpośrednio oko ludzkie nazywamy luminancją (dawniej
jaskrawością) i oznaczamy symbolem L [cd/cm
2
].
Luminancja wyraża stosunek światłości źródła światła (pierwotnego lub wtórnego) w kierunku patrzenia, do
powierzchni rzutu ciała świecącego na płaszczyznę prostopadłą do tego kierunku.
2
1.1. Żarówki
Żarówka wytwarza światło wskutek rozżarzenia się żarnika pod wpływem przepływającego prądu
elektrycznego. We współczesnych żarówkach stosuje się wyłącznie żarniki wykonane w postaci skrętki lub
dwuskrętki z wolframu, którego temperatura topnienia wynosi ok. 3400
o
C. Rozpylony wolfram osadza się na
ściankach bańki szklanej i zmniejsza jej przezroczystość. Wskutek tego w miarę używania żarówki emitowany
przez nią strumień świetlny maleje. Ze względu na rozpylanie się wolframu w wysokiej temperaturze bańkę
szklaną opróżnia się z powietrza (żarówki o mocy znamionowej do 25 W) lub wypełnia się gazem obojętnym
(azotem, argonem, kryptonem lub ksenonem). W zależności od konstrukcji żarówki temperatura pracy żarnika
wynosi około 2100 do 2700
o
C; przy wyższej temperaturze żarnika uzyskuje się wyższą wydajność świetlną oraz
barwę światła zbliżoną do białej.
Bańki żarówek wykonuje się ze szkła przezroczystego, matowego lub opalizowanego. Żarówki z bańką
nieprzezroczystą charakteryzują się bardziej równomiernym rozpraszaniem światła i zmniejszoną luminancją, lecz
emitowany strumień świetlny jest mniejszy o 5 - 15 %.
Wydajność świetlna żarówek zasilanych napięciem znamionowym wynosi od 8 do 20 lm/W. Zasilanie
napięciem wyższym o 5 % od znamionowego powoduje zwiększenie strumienia świetlnego o 20 %, lecz
towarzyszy temu obniżenie o połowę (do około 500 godz.) trwałości żarówki. Sprawność (skuteczność świetlna,
wydajność świetlna) żarówek wynosi zaledwie 1,2 - 3 %, co oznacza, że tylko taka część mocy pobranej ulega
przemianie w światło, podczas gdy 97 - 99 % w ciepło. Miarą skuteczności świetlnej żarówki jest wartość
strumienia świetlnego przypadająca na jednostkę energii (1 W) zużytą przez żarówkę.
Wielkościami charakterystycznymi żarówek są: napięcie znamionowe, przy którym powinno się ich używać,
oraz pobór mocy przy tym napięciu. Wartości te producent najczęściej podaje na bańce szklanej, aby można było
je odczytać bez potrzeby wykręcania żarówki.
Żarówki włącza się do instalacji w układzie równoległym (wyjątek - komplety choinkowe). Napięcie
znamionowe żarówki powinno być równe napięciu sieci elektrycznej.
1.2. Świetlówki
Świetlówki (lampy fluorescencyjne) są to lampy rtęciowe niskoprężne wytwarzające światło w wyniku
wyładowania elektrycznego i fluorescencji zachodzącej w luminoforze, którym pokryte są wnętrza szklanych rur
lamp. Wyładowanie w rozrzedzonych parach rtęci (około 1 Pa) i gazie pomocniczym (argon o ciśnieniu 2,5-5 hPa)
wytwarza promieniowanie w zakresie widma niewidzialnego (185,0 i 253,7 nm). Odpowiednio dobrane
luminofory przetwarzają promieniowanie nadfioletowe na promieniowanie widzialne o pożądanej barwie światła
(dzienne, chłodnobiałe, białe lub ciepłobiałe).
Świetlówki wymagają opraw o odpowiednim wyposażeniu i układzie połączeń. Układ taki najczęściej
zawiera dławik stabilizujący oraz urządzenie zapłonowe (lampa neonowa z elektrodą bimetalową). W chwili
załączenia napięcia elektrody zapłonnika są otwarte. Prawie całe napięcie sieci pojawia się między elektrodami
zapłonnika. Niewielkie napięcie panujące w świetlówce jest zbyt niskie i nie wystarcza do zainicjowania
wyładowania w rurze. Występuje natomiast wyładowanie w zapłonniku. Wyładowania te nagrzewają elektrodę
bimetalową, która wygina się aż do zetknięcia z elektrodą stałą. Po zwarciu zapłonnika natężenie prądu w
obwodzie jest duże, co wywołuje rozżarzenie się elektrod świetlówki. Jednocześnie stygną i rozwierają się
elektrody zapłonnika. Powstający podczas przerwania prądu w obwodzie skok napięcia, wywołany samoindukcją
dławika, powoduje zapłon świetlówki.
Podczas pracy napięcie na zaciskach świetlówki wynosi około 100 V, co nie wystarcza do ponownego
zaświecenia lampki zapłonnika. Gdy zapłonnik jest źle dobrany lub uszkodzony i ma za niskie napięcie zapłonu,
może nastąpić ponowne zaświecenie lampki zapłonnika, nagrzanie jego elektrod i ich zwarcie - wtedy świetlówka
gaśnie, a po chwili następuje ponowny jej zapłon. Gdy świetlówka miga co kilka sekund - należy wymienić
zapłonnik.
Najczęściej stosuje się świetlówki o mocy 20 lub 40 W. Przy obliczaniu zapotrzebowania mocy przez
świetlówki należy uwzględnić całe urządzenie wraz z dławikiem; przykładowo - moc pobierana przez układ ze
świetlówką 40 W wynosi około 50 W.
3
Zalety świetlówki:
1. Skuteczność świetlna świetlówek wynosi około 30 - 60 lm/W, jest więc 3 - 4 krotnie większa niż skuteczność
świetlna żarówek.
2. Trwałość świetlówek jest większa niż żarówek i zależy od liczby włączeń; im dłuższy jest średni czas
świecenia przypadający na jedno włączenie, tym większa jest jej trwałość. W normalnych warunkach
eksploatacyjnych trwałość świetlówki wynosi około 2000 godz.
3. Niska temperatura świetlówki (ok. 50
o
C) ułatwia konstruowanie opraw oświetleniowych.
4. Istnieje możliwość uzyskania dużej równomierności oświetlenia.
5. Luminancja świetlówek wynosi około 0,4-15 cd/cm
2
; jest mała i nie razi wzroku nawet bez zastosowania
osłon.
Do wad świetlówek należy zaliczyć:
1. Duży koszt osprzętu (oprawa z dławikiem, zapłonnikiem).
2. Częste awarie zapłonnika.
3. Duże gabaryty świetlówek, zwłaszcza 40 W.
4. Strumień świetlny świetlówki pod koniec okresu jej eksploatacji jest prawie o 30% mniejszy od początkowego.
5. Zakres pracy świetlówek ogranicza się do temperatur pokojowych. Zarówno przy wzroście, jak i przy
obniżeniu temperatury skuteczność świetlna maleje. W temperaturze 0
o
C ich wydajność świetlna maleje do
35-50 %, a zapłon jest utrudniony. Nie należy stosować świetlówek w pomieszczeniach, w których temperatura
przekracza 40
o
C.
6. W czasie przejścia napięcia zasilającego przez zero (100 razy na sekundę) następuje przerwanie wyładowania
elektrycznego i zmniejszenie strumienia świetlnego do około 30-60 % wartości maksymalnej. Tętnienie
strumienia świetlnego może wywołać błędne wrażenia wzrokowe (tzw. zjawisko stroboskopowe). Tętnienie
światła można ograniczyć lub wyeliminować przez zasilanie lamp z różnych faz, włączenie kondensatora prze-
suwającego chwilę przejścia prądu przez zero w obwodzie jednej ze świetlówek lub zastosowanie opraw
zwiększających częstotliwość napięcia roboczego do kiloherców.
1.3. Warunki racjonalnego oświetlenia
Natężenie oświetlenia podczas wykonywania różnych czynności podają odpowiednie normy. Wymagania
norm są zróżnicowane w zależności od rodzaju źródeł światła i na ogół są większe przy oświetleniu świetlówkami
niż żarówkami. Przykładowe wartości wymaganego natężenia oświetlenia podano w Tabeli 1.
Jeżeli wymagane natężenie oświetlenia nie przekracza 100 lx przy oświetleniu żarówkowym lub 200 lx przy
oświetleniu fluorescencyjnym, stosuje się oświetlenie ogólne o żądanym natężeniu. Przy większych wymaganiach
natężenia oświetlenia dodatkowo stosuje się oświetlenie zlokalizowane samych miejsc pracy. Nie powinno się
stosować oświetlenia samych miejsc pracy bez oświetlenia ogólnego ze względu na powstawanie w
pomieszczeniach zbyt dużych kontrastów w natężeniu oświetlenia.
Tabela 1. Przykładowe wartości wymaganego natężenia oświetlenia
Rodzaj pracy
Przykład rodzaju pracy
Minimalne dopuszczalne natężenie
oświetlenia [lx]
żarówki
świetlówki
mało dokładna
wyrób cegieł
20
50
średnio dokładna
prace montażowe
50
100
dość dokładna
prace ślusarskie, szycie na maszynie
100
200
dokładna
dokładne prace ślusarskie, kreślenie
200
300
precyzyjna
prace zegarmistrzowskie
500
700
Duże walory estetyczne i zdrowotne posiada oświetlenie światłem odbitym (od opraw, ścian czy sufitów), jest
ono jednak znacznie droższe w eksploatacji.
4
Przy doborze oświetlenia miejsca pracy należy uwzględnić następujące czynniki:
1. Natężenie oświetlenia powinno być tak duże, aby rozróżnianie szczegółów przedmiotów, a przy pracy biurowej
czytanie pisma, nie powodowało zmęczenia wzroku.
2. Oświetlenie nie powinno wytwarzać zbyt dużych kontrastów. Przejście z pomieszczenia ciemnego do jasno
oświetlonego powoduje przejściowe olśnienie wzroku. Przenoszenie wzroku z przedmiotów ciemnych na jasno
oświetlone powoduje zmęczenie oczu. Zmniejszenie kontrastów można osiągnąć przez jednoczesne
zastosowanie oświetlenia ogólnego całego pomieszczenia i oświetlenia miejscowego stanowiska pracy oraz
użycie opraw oświetleniowych.
3. Źródło światła nie powinno być zbyt jaskrawe. Gdy źródło punktowe wysyła duży strumień świetlny w
kierunku oka - powoduje olśnienie. Jaskrawość źródeł światła można eliminować przez stosowanie
odpowiednich osłon lub powiększenie powierzchni świecącej za pomocą kloszy z materiałów częściowo
przepuszczających światło.
4. Kolor światła ma wpływ na samopoczucie człowieka i zmęczenie wzroku; przyjemniejsze i mniej męczące są
odcienie żółte i różowe, zaś męczące - odcienie niebieskie i fiołkowe.
Zasady racjonalnego oświetlenia sprowadzają się do wyboru poziomu jaskrawości, zapewnienia
równomierności oświetlenia oraz unikanie olśnienia.
Pomiary natężenia oświetlenia wykonuje się przy użyciu światłomierzy cyfrowych - tzw. luksomierzy.
2.
Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie podstawowych wielkości z dziedziny oświetlenia elektrycznego oraz budowy
i działania sztucznych źródeł światła.
Zakres ćwiczenia obejmuje:
wyznaczenie charakterystyki żarówki,
wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej i prądowo-napięciowej świetlówki,
pomiary natężenia oświetlenia w pomieszczeniu laboratoryjnym.
3.
Wykonanie ćwiczenia i opracowanie wyników
3.1. Charakterystyka prądowo - napięciowa żarówki
Charakterystykę prądowo-napięciową żarówki wykonuje się w układzie przedstawionym na Rys. l. Żarówka
stanowi typową rezystancję nieliniową, więc w celu wykreślenia charakterystyki należy wyznaczyć co najmniej 10
punktów. Pomiary wykonuje się dla zimnej (nie pracującej) żarówki, najpierw zwiększając wartość napięcia
zasilającego od zera do około 1,2 U
n
, a następnie zmniejszając napięcie od 1,2 U
n
do zera. Napięcie reguluje się za
pomocą autotransformatora AT. Typ żarówki i zakres pomiarowy poda prowadzący ćwiczenie.
Rys. 1. Układ do wyznaczania charakterystyki żarówki:
AT - autotransformator regulacyjny, Ż - badana żarówka
5
Zakres czynności obejmuje:
zmontowanie zestawu pomiarowego zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.l i ustawienie pokrętła
autotransformatora w położeniu ,,0",
zanotowanie danych znamionowych badanej żarówki,
akceptację połączeń przez prowadzącego ćwiczenie,
włączenie autotransformatora do sieci prądu przemiennego 230 V,
włączenie zasilania układu pomiarowego (włącznik 0 –1 w położenie 1),
zwiększenie pokrętłem autotransformatora napięcia zasilającego żarówkę do podanej wartości
i zanotowanie w tabelce (Tabela 3.1) napięcia U i natężenia prądu I,
wykonanie następnych pomiarów do wartości 1,2 U
n
i z powrotem do zera,
wyłączenie zasilania i rozmontowanie zestawu pomiarowego.
Tabela 3.1. Wyniki pomiarów charakterystyki żarówki
Dane znamionowe żarówki: . . . . . V, . . . . . W, typ . . . . . .
L.p.
Parametry
Uwagi
U [V]
I [A]
R [ ]
1
2
3
...
Na podstawie uzyskanych wyników należy wyznaczyć charakterystyki: I = f(U) i R = f(U), wyznaczyć napięcie,
przy którym rozpoczyna się żarzenie włókna żarówki i jej świecenie oraz skomentować rezultaty badania.
3.2. Charakterystyka zewnętrzna i prądowo - napięciowa świetlówki
Charakterystyka zewnętrzna świetlówki wyraża się zależnością między napięciem na świetlówce (U
św
)
a napięciem zasilającym (U
zas
): U
św
= f (U
zas
). Charakterystykę prądowo-napięciową świetlówki opisuje zależność
między napięciem na świetlówce (U
św
) a natężeniem prądu (I): U
św
= f (I). Zależności powyższe wyznacza się
w układzie przedstawionym na Rys.2. Po zmontowaniu zestawu pomiarowego, pomiary wykonuje się zwiększając
napięcie zasilające od zera do 220 V i z powrotem do zera (za pomocą autotransformatora AT) co 20 V, odczytując
każdorazowo wskazania woltomierzy V1 i V2 oraz amperomierza A. Wyniki pomiarów należy zanotować
w tabelce (Tabela 3.2).
Rys. 2. Układ do wyznaczania charakterystyki zewnętrznej świetlówki:
AT - autotransformator regulacyjny, W - wyłącznik, Z - zapłonnik, Dł - dławik,
V1, V2 - woltomierze, A – amperomierz.
6
Zakres czynności obejmuje:
zmontowanie zestawu pomiarowego zgodnie ze schematem przedstawionym na Rys.2 i ustawienie pokrętła
autotransformatora w położeniu "0",
zanotowanie danych znamionowych badanej świetlówki,
akceptację połączei1przez prowadzącego ćwiczenie,
włączenie do sieci prądu przemiennego 220 V autotransformatora,
włączenie zasilania układu pomiarowego (włącznik 0 - 1 w położenie 1),
zwiększenie pokrętłem autotransformatora napięcia zasi1ającego (skokowo, co 20 V), przy czym po
każdorazowej zmianie napięcia - naciśnięcie przycisku Z przez około 1 sek. – do momentu zapalenia
świetlówki,
zanotowanie w tabelce (Tabela 3.2) napięcia U
zas
, U
św
i natężenia prądu I,
wykonanie następnych pomiarów do wartości U
n
i z powrotem do zera,
włączenie zasilania i rozmontowanie zestawu pomiarowego.
Tabela 3.2. Wyniki pomiarów charakterystyki świetlówki
Dane znamionowe świetlówki: . . . . . . . . . . . . , typ: . . . . . . . . . . .
U
zas
, [V]
20
40
60
...
...
180 200 220 200 180
...
...
60
40
20
U
św
, [V]
I , [A]
Uwagi
Na podstawie pomiarów należy określić minimalną wartość napięcia U
zas
i U
św
, przy którym następuje zapłon
świetlówki, oraz wartości napięcia, przy której gaśnie zapalona świetlówka oraz sporządzić wykresy: U
św
= f (U
zas
)
oraz U
św
= f (I).
3.3. Pomiary natężenia oświetlenia w pomieszczeniu laboratoryjnym
Pomiary natężenia oświetlenia w wyznaczonych przez prowadzącego ćwiczenie miejscach należy wykonać
przy pomocy światłomierza cyfrowego LIGHT METER LX-103 firmy Lutron, którego widok przedstawiono na
Rys.3. Przed przystąpieniem do pomiarów należy zapoznać się z charakterystyką przyrządu i instrukcją obsługi.
Rys.4. Luksomierz LIGHT METER LX-103:
1 - wyświetlacz LCD, 2 - włącznik zasilania OFF/ON, 3 - przełącznik jednostek pomiarów LUX/FC,
4 - przełącznik zakresów, 5 - czujnik pomiarowy
7
Procedura pomiarowa natężenia oświetlenia jest następująca:
włączyć miernik - włącznik zasilania 2 w położenie ON,
ustawić przełącznik jednostek pomiarów 3 w położenie LUX,
wybrać maksymalny zakres pomiarowy - przełącznik zakresów 4 w położeniu C,
ustawić okno pomiarowe sensora 5 prostopadle do źródła światła i na wyświetlaczu 1 odczytać wartość
natężenia światła; w zależności od wartości natężenia oświetlenia - dobrać odpowiedni zakres pomiarowy
(przełącznik zakresów w położenie B lub A) i uwzględnić odpowiedni dla każdego zakresu mnożnik,
zanotować wynik pomiaru w tabelce (Tabela 3.3).
Tabela 3.3. Wyniki pomiarów natężenia oświetlenia
L.p.
Miejsce pomiaru
E [lx]
Komentarz
1
2
...
4. Sprawozdanie
Sprawozdanie powinno zawierać:
uzyskane wyniki pomiarów i obserwacji,
opracowanie wyników (obliczenia, tabele, wykresy),
syntetyczne omówienie wyników z nawiązaniem do wiadomości teoretycznych,
wnioski wynikające z realizacji ćwiczenia.