Εργαστήριο Φωτοτεχνίας

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Φωτοτεχνίας Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών των Λαμπτήρων Νατρίου (Na Υψηλής Πιέσεως Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο την αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο και από εθνικούς πόρους. 2

3 1. Λαμπτήρες Νατρίου (Na Υψηλής Πιέσεως Βασικά Μέρη Λαμπτήρα Σωλήνας Εκφόρτισης Ηλεκτρόδια Εξωτερικός Κώδωνας Θερμικός Διακόπτης και/ή Βοηθητικό Κύκλωμα Εκκίνησης Αέριο Πληρώσεως Κάλυκας Βάσεως Έναυση και run-u Λειτουργία Επανέναυση Ισοζύγιο Ενέργειας Θερμοκρασία χρώματος και δείκτης χρωματικής απόδοσης Εξωτερικές Επιδράσεις Κυκλώματα Ballast Εν Σειρά Κύκλωμα Εκκινητή Εν Παραλλήλω Κύκλωμα Εκκινητή Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης Βιβλιογραφία:

4 1. Λαμπτήρες Νατρίου (Na Υψηλής Πιέσεως Οι λαμπτήρες Na υψηλής πιέσεως εμφανίζουν πολύ υψηλότερη πίεση ατμών νατρίου από του αντίστοιχους χαμηλής πιέσεως κάτι που οδηγεί σε σημαντικές διαφορές στην λειτουργία τους αλλά και στη σύνθεση του εκπεμπόμενου φωτός. Ο σωλήνας εκφόρτισης περιέχει σημαντική ποσότητα νατρίου ώστε να οδηγήσει σε συνθήκη κορεσμένου ατμού όταν ο λαμπτήρας λειτουργεί. Επιπλέον, ο σωλήνας περιέχει σημαντική ποσότητα υδραργύρου το οποίο λειτουργεί ως ενδιάμεσο μέσο (αέριο και αέριο ξένον για την έναυση της λειτουργία του λαμπτήρα αλλά και για τον περιορισμό της απώλειας θερμότητας από το τόξο εκφόρτισης προς τοίχωμα του σωλήνα. Ο σωλήνας εκφόρτισης είναι τοποθετημένος στο εσωτερικό γυάλινου κώδωνα του οποίου έχει αφαιρεθεί ο αέρας. Ο λαμπτήρας Na υψηλής πιέσεως εκπέμπει ένα σημαντικό μέρος της ενέργεια του στο ορατό φάσμα και του αποδίδεται μια σχετικά αποδεκτή τιμή δείκτη χρωματικής απόδοσης. Οι λαμπτήρες αυτοί παρουσιάζουν φωτεινή απόδοση μέχρι και 130lm/W σε μια θερμοκρασία χρώματος Κ. Οι κύριες εφαρμογές του λαμπτήρα αφορούν εξωτερικό φωτισμό δρόμων, φωτισμός αποθηκών και σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις διακοσμητικού φωτισμού Οι λαμπτήρες αυτοί είναι συνήθως διαθέσιμοι σε ισχύς από 35 W έως 1000W. 1.1 Βασικά Μέρη Λαμπτήρα Τα βασικά μέρη ενός λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως φαίνονται στο Σφάλμα! Το αρχείο προέλευσης της αναφοράς δεν βρέθηκε. και είναι: Ο σωλήνας εκφόρτισης, Τα ηλεκτρόδια, Ο εξωτερικός κώδωνας, Θερμικός διακόπτης και/ή βοηθητικό κύκλωμα εκκίνησης, Το αέριο πληρώσεως και Ο κάλυκας βάσεως 4

5 Σχήμα 8-1: Κατασκευή λαμπτήρα Na υψηλής πιέσεως (πηγή Philis Σωλήνας Εκφόρτισης Ο σωλήνας εκφόρτισης του λαμπτήρα Na υψηλής πιέσεως κατασκευάζεται από πολυκρυσταλλική αλουμίνα (οξείδιο του αργιλίου η οποία είναι ημιδιαφανής και αδιαπέραστη από τους θερμούς ατμούς νατρίου και παρουσιάζει αντοχή στις θερμοκρασιακές μεταβολές. Ο σωλήνας εκφόρτισης διατηρείται στη θέση του με ένα σύστημα ελατηρίων και στηριγμάτων. Το άκρο του κοντά στο κάλυκα βάσης είναι ένας κινητός σύνδεσμος πάνω από την στήριξη του σωλήνα, ο οποίος διαθέτει ένας εύκαμπτο ηλεκτρικό σύνδεσμο που επιτρέπει την διαστολή όταν ο σωλήνας θερμαίνεται Ηλεκτρόδια Τα ηλεκτρόδια στους λαμπτήρες Na υψηλής πιέσεως είναι κατασκευασμένα από ράβδο βολφραμίου γύρω από τη οποίο υπάρχει τύλιγμα βολφραμίου. Τα ηλεκτρόδια είναι επικαλυμμένα με υλικό κατάλληλο για εκπομπή ηλεκτρονίων Εξωτερικός Κώδωνας Ο εξωτερικός κώδωνας είναι κενός κα παραμένει σ αυτή τη κατάσταση χρησιμοποιώντας κατάλληλο υλικό (getter στην βάση του κώδωνα το οποίο απορροφά τυχόν αέρια έχουν δημιουργηθεί από την λειτουργία του λαμπτήρα. 5

6 Το σχήμα του εξωτερικού κώδωνα είναι συνήθως ωοειδές ή σωληνωτό. Στην πρώτη περίπτωση ο κώδωνας έχει επιστρωθεί με υλικό που επιτρέπει την καλύτερη διάχυση του φωτός (επειδή ο λαμπτήρας δεν παράγει πρακτικά υπέρυθρη ακτινοβολία μειώνοντας την υψηλή λαμπρότητα του σωλήνα εκφορτίσεως. Στην περίπτωση των σωληνωτών κωδώνων δεν υπάρχει επικάλυψη (διαφανείς κώδωνας Θερμικός Διακόπτης και/ή Βοηθητικό Κύκλωμα Εκκίνησης Συνήθως χαμηλής ισχύος λαμπτήρες Na υψηλής πιέσεως περιέχουν εκκινητή στον εξωτερικό κώδωνα. Σ άλλες περιπτώσεις τέτοιων λαμπτήρων υπάρχουν βοηθητικά κυκλώματα εκκίνησης με σκοπό τους να περιορίσουν την τάση κορυφής που απαιτείται για την έναυση του λαμπτήρα. Τέλος, είναι δυνατόν τα προηγούμενα συστήματα να συνυπάρχουν σ ένα λαμπτήρα Αέριο Πληρώσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως πληρώνεται με αέριο ξένον, υδράργυρο όπως επίσης και με νάτριο υψηλής καθαρότητας. Το αδρανές αέριο (ξένον είναι απαραίτητο για την έναυση του λαμπτήρα και την διέγερση των Hg και Na Κάλυκας Βάσεως Οι λαμπτήρες νατρίου υψηλής πιέσεως είναι εφοδιασμένοι με κάλυκα Edison E27 και E40 εκτός ιδιαίτερων περιπτώσεων όπου χρησιμοποιούνται ειδικού τύπου κάλυκες για την ορθή τοποθέτηση του εντός των φωτιστικών Έναυση και run-u Λειτουργία Για την έναυση αυτού του είδους των λαμπτήρων απαιτείται παλμός τάσης μεταξύ 1.8kV και 5kV αναλόγως του τύπου του λαμπτήρα. Από την στιγμή της έναυσης μέχρι την σταθεροποίηση της λειτουργίας του λαμπτήρα πρέπει να περάσουν αρκετά λεπτά. Στο Σχήμα 1-1 παρουσιάζεται η χρονική εξέλιξη του ρεύματος, της τάσης και της ισχύος τυπικού λαμπτήρα Na υψηλής πιέσεως. 6

7 Σχήμα 1-1: Χρονική εξέλιξη ρεύματος (I la, τάσεως (V la και ισχύος (P la λαμπτήρα Να υψηλής πιέσεως (πηγή Philis Επανέναυση Σε περίπτωση σβέσης του λαμπτήρα λόγω διακοπής της τάσης τροφοδοσίας θα πρέπει να μειωθεί η θερμοκρασία των ατμών του Na έτσι ώστε τα άτομα του νατρίου να μπορούν να ιονιστούν από τον παλμό έναυσης. Τα παραπάνω συμβαίνουν εντός ενός λεπτού Ισοζύγιο Ενέργειας Το ισοζύγιο ενέργειας λαμπτήρα Na χαμηλής πιέσεως 180W παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-2. Σχήμα 1-2: Ενεργειακό ισοζύγιο λαμπτήρα Na υψηλής πίεσης 400W (Philis 7

8 1. Ισχύς στον σωλήνα εκφόρτισης 376W 2. Θερμικές απώλειες στα ηλεκτρόδια-24w 3. Ορατή ακτινοβολία-118w 4. UV ακτινοβολία από την εκφόρτιση-2w 5. IR ακτινοβολία από την εκφόρτιση-80w 6. Θερμικές απώλειες του σωλήνα εκφόρτισης-176w 7. UV ακτινοβολία-1w 8. IR ακτινοβολία-1w 9. Συνολική IR ακτινοβολία-221w 10. Απώλειες αγωγής και μεταφοράς Στο Σχήμα 1-3 φαίνεται πως μεταβάλλεται η φωτεινή απόδοση των λαμπτήρων Na (Philis σε συνάρτηση με την πίεση των ατμών του Na. Σχήμα 1-3: Φωτεινή απόδοση λαμπτήρων Na συναρτήσει της πιέσεως των ατμών Na (πηγή Philis Θερμοκρασία χρώματος και δείκτης χρωματικής απόδοσης 8

9 Σχήμα 1-4: Μεταβολή της θερμοκρασίας χρώματος και του δείκτη χρωματικής απόδοσης συναρτήσει της πίεσης των ατμών του Na (πηγή Philis Όπως φαίνεται από το Σχήμα 1-4 μπορούμε να επηρεάσουμε το φως που παράγει ο λαμπτήρας Na μεταβάλλοντας την πίεση των ατμών τους. Οπότε είναι δυνατό να αλλάξουμε τον δείκτη της χρωματικής απόδοσης αλλά και την θερμοκρασία χρώματος αυτών των λαμπτήρων μεταβάλλοντας την πίεση των ατμών του Na. Oι μεταβολές αυτές φαίνονται στο Σχήμα Εξωτερικές Επιδράσεις Η θερμοκρασία περιβάλλοντος επηρεάζει ελάχιστα την λειτουργία του λαμπτήρα λόγω της άριστης μόνωσης που προφέρει ο εξωτερικός κώδωνας. Επίσης, η επίδραση των διακυμάνσεων της τάσης τροφοδοσίας παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-5. Σχήμα 1-5: Η επίδραση των διακυμάνσεων της τάσης τροφοδοσίας στου λαμπτήρας Na υψηλής πιέσεως (πηγή Philis V :Τάση τροφοδοσίας V la :Τάση λαμπτήρα I la :Ένταση ρεύματος λαμπτήρα P la :Ισχύς λαμπτήρα 9

10 Τέλος, οι νέας τεχνολογίας λαμπτήρες Na υψηλής πίεσης μπορούν να τοποθετηθούν κατά τυχαίο τρόπο Κυκλώματα Ballast Οι λαμπτήρες Na υψηλής πίεσης λειτουργούν με την προσθήκη επαγωγικού ballast και κύκλωμα εκκινητή. Μερικοί λαμπτήρες διαθέτουν ενσωματωμένο κύκλωμα εκκινητή αλλά οι περισσότερες χρησιμοποιούν εξωτερικό. Υπάρχουν δύο τύποι κυκλωμάτων: αυτοί που χρησιμοποιούν τον κύκλωμα του εκκινητή σε σειρά με τον λαμπτήρα και εκείνοι που το συνδέουν παράλληλα Εν Σειρά Κύκλωμα Εκκινητή Το κύκλωμα του εκκινητή τοποθετείται μεταξύ του πηνίου (choke και του λαμπτήρα. Ημιαγώγιμος διακόπτης δημιουργεί κύκλωμα συντονισμού για την παραγωγή μιας σειράς παλμών για την έναυση του λαμπτήρα. Με την βοήθεια αυτομετασχηματιστή οι παλμοί αποκτούν το κατάλληλο πλάτος (βλέπε Σχήμα 1-6. Μετά την εκκίνηση του λαμπτήρα το κύκλωμα εκκίνησης σταματά να λειτουργεί. Σχήμα 1-6: Εν σειρά κύκλωμα εκκινητή με διόρθωση συντελεστή ισχύος (πηγή Philis Εν Παραλλήλω Κύκλωμα Εκκινητή Σ αυτή την κατηγορία ο εκκινητής τοποθετείται παράλληλα στο λαμπτήρα. Στο Σχήμα 1-7 παρουσιάζεται λαμπτήρας όπου o εκκινητής (λαμπτήρας αίγλης βρίσκεται εντός του λαμπτήρα Na ενώ στο Σχήμα 1-8 βρίσκεται εκτός αυτού. Μετά την εκκίνηση του λαμπτήρα ο πυκνωτής χρησιμοποιείται για την διόρθωση του συντελεστή ισχύος. 10

11 Σχήμα 1-7: Κύκλωμα ballast με ενσωματωμένο λαμπτήρα αίγλης Σχήμα 1-8: Εν παραλλήλω κύκλωμα εκκινητή Στο Σχήμα 1-9 παρουσιάζεται κύκλωμα ημιπαράλληλου εκκινητή (Philis όπου το κύκλωμα έναυσης τοποθετείται σε ενδιάμεση λήψη του επαγωγικού ballast και επομένως λειτουργεί ως αυτομετασχηματιστής ανυψώνοντας την τάση. Η πτώση τάσης που θα δημιουργηθεί από την λειτουργία του λαμπτήρα θα κλείσει αυτόματα τον εκκινητή. Σχήμα 1-9: Κύκλωμα ημιπαράλληλου εκκινητή με διόρθωση συντελεστή ισχύος. (πηγή Philis 11

12 1.2 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για τον λαμπτήρα νατρίου υψηλής πίεσης SON 250W. Τάση τροφοδοσίας λαμπτήρα 230V. t (min:sec I Lam V Lam E Lux (klux P Lam t (min:sec (A (V (W 00:15 04:45 00:30 05:00 00:45 05:15 01:00 05:30 01:15 05:45 01:30 06:00 01:45 06:15 02:00 06:30 02:15 06:45 02:30 07:00 02:45 07:15 03:00 07:30 03:15 07:45 03:30 08:00 03:45 09:15 04:00 09:30 04:15 09:45 04:30 10:00 I Lam (A V Lam (V E Lux (klux P Lam (W α Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα (I Lam, της τάσης του λαμπτήρα (V Lam, της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Lux και της ισχύος του λαμπτήρα (P Lam, συναρτήσει του χρόνου για ονομαστική τάση τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας τις τιμές του προηγούμενου πίνακα. β Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρούμενων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. 2. Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για τον λαμπτήρα νατρίου υψηλής πίεσης SON 250W. V in (V I Lam (A V Lam (V E Lux (klux P Lam (W S Lam (Υπολογιστικά PF Lam (Υπολογιστικά 12

13 α Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα (I Lam, της τάσης του λαμπτήρα (V Lam, της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Lux και της ισχύος του λαμπτήρα (P Lam, συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας με βάση τον προηγούμενο πίνακα. β Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρημένων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. γ Να εξηγηθεί η μεταβολή του χρώματος του παραγόμενου φωτός του λαμπτήρα που παρατηρείται από την έναρξη της λειτουργίας του μέχρι την σταθεροποίηση του. 3. Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για τον λαμπτήρα νατρίου υψηλής πίεσης SON 400W. Τάση τροφοδοσίας λαμπτήρα 230V. t (min:sec I Lam V Lam E Lux (klux P Lam t (min:sec (A (V (W 00:15 04:45 00:30 05:00 00:45 05:15 01:00 05:30 01:15 05:45 01:30 06:00 01:45 06:15 02:00 06:30 02:15 06:45 02:30 07:00 02:45 07:15 03:00 07:30 03:15 07:45 03:30 08:00 03:45 09:15 04:00 09:30 04:15 09:45 04:30 10:00 I Lam (A V Lam (V E Lux (klux P Lam (W α Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα (I Lam, της τάσης του λαμπτήρα (V Lam, της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Lux και της ισχύος του λαμπτήρα (P Lam, συναρτήσει του χρόνου για ονομαστική τάση τροφοδοσίας χρησιμοποιώντας τις τιμές του προηγούμενου πίνακα. β Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρούμενων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. 13

14 4. Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα για τον λαμπτήρα νατρίου υψηλής πίεσης SON 400W. V in (V I Lam (A V Lam (V E Lux (klux P Lam (W S Lam (Υπολογιστικά PF Lam (Υπολογιστικά α Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα (I Lam, της τάσης του λαμπτήρα (V Lam, της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Lux και της ισχύος του λαμπτήρα (P Lam, συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας με βάση τον πίνακα. β Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρημένων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. 1.3 Βιβλιογραφία: 1. Α. Τσακίρης, Φωτοτεχνία, Αθήνα Φ.Ι. Δημόπουλος, Φωτοτεχνία, Ηλεκτρικές συσκευές, εκδόσεις Φ.Δημόπουλου 3. Philis, LIGHTING MANUAL, 5η Έκδοση J. Krochmann, ON THE MEASUREMENT OF LUMINOUS FLUX WITH AN INTEGRATING SPHERE PHOTOMETER, June Φ. Τοπάλη, Φωτοτεχνία, εκδόσεις ΕΜΠ 6. Π. Νικολόπουλου, Φωτοτεχνία, εκδόσεις ΕΜΠ, Ι. Οικονομόπουλος, Θεωρητική και εφαρμοσμένη φωτοτεχνία, Εκδόσεις Philis 8. J. Favie, C. Damen, G. Hietbrink, N. Quaedfield, Lighting 9. C.I.E., Guide and calculations for interior lighting