Εργαστήριο Φωτοτεχνίας

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Φωτοτεχνίας Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών των Λαμπτήρων Πυρακτώσεως Γεώργιος Χ. Ιωαννίδης Τμήμα Ηλεκτρολογίας

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

1. Σκοπός... 4 1.1 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη... 4 1.1.1 Πρότυπο HD384 - Φωτιστικά Σώματα... 4 1.1.1 Λαμπτήρες πυρακτώσεως... 5 1.2 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης... 18 1.2 Βιβλιογραφία:... 20 3

1. Σκοπός Ο σκοπός αυτής της ενότητας είναι η εξοικείωση του σπουδαστή με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Στην σύντομη θεωρητική ανάπτυξη που ακολουθεί αναφέρεται και εξηγείται ο τρόπος λειτουργίας των λαμπτήρων αυτών και μελετώνται τα βασικά τους χαρακτηριστικά. Με την ολοκλήρωση της μελέτης της ενότητας αυτής ο σπουδαστής θα πρέπει να έχει κατανοήσει τα παραπάνω είδη λαμπτήρων και να γνωρίζει πως μεγέθη όπως διάρκεια ζωής, φωτεινή ροή και φωτεινή απόδοση εξαρτώνται από την τάση λειτουργίας και τις συνθήκες περιβάλλοντος. 1.1 Σύντομη Θεωρητική Ανάπτυξη Από την ανακάλυψη του πρώτου λαμπτήρα από τον Thomas Edison μέχρι σήμερα έχουν περάσει πολλά χρόνια. Η εξέλιξη που έχει γίνει ειδικά τις τελευταίες δεκαετίες στον τομέα του φωτισμού είναι πολλές και ραγδαίες. 1.1.1 Πρότυπο HD384 - Φωτιστικά Σώματα Στο πρότυπο ΕΛΟΤ HD384 (απαιτήσεις για ηλεκτρικές εγκαταστάσεις), σχετικά με τα φωτιστικά σώματα αναφέρονται τα παρακάτω: Μόνο φωτιστικά σώματα με περιορισμένη επιφανειακή θερμοκρασία επιτρέπεται να χρησιμοποιούνται, στις θέσεις όπου μπορεί να υπάρχει κίνδυνος πυρκαγιάς λόγω εύφλεκτης σκόνης ή και ινών, τα φωτιστικά σώματα πρέπει να είναι κατασκευασμένα έτσι ώστε : Η σκόνη ή οι ίνες να μην συσσωρεύονται σε επικίνδυνες ποσότητες. Σε περίπτωση σφάλματος η θερμοκρασία στην επιφάνεια τους να μην ανυψώνεται αισθητά. Συγκεκριμένα η θερμοκρασία στην επιφάνεια των φωτιστικών δεν πρέπει να υπερβαίνει : Τους 90 σε κανονική λειτουργία. Τους 115 σε συνθήκες σφάλματος. Αν δεν δίνονται οδηγίες από τον κατασκευαστή, τα μικρά τοπικά φωτιστικά σώματα ή οι προβολείς πρέπει να απέχουν από εύφλεκτα υλικά: 0,5 m όσα έχουν ισχύ μικρότερη από 100 W. 0,8 m όσα έχουν ισχύ μεταξύ 100 & 300W. 1,0 m όσα έχουν ισχύ μεταξύ 300 & 500W. Οι λαμπτήρες και τα άλλα εξαρτήματα των φωτιστικών σωμάτων πρέπει να προστατεύονται από πιθανές μηχανικές καταπονήσεις. Τα προστατευτικά μέσα δεν πρέπει να στηρίζονται στις λυχνιολαβές, εκτός αν οι τελευταίες αποτελούν μέρος της συνολικής κατασκευής του φωτιστικού σώματος. Εξαρτήματα όπως λαμπτήρες ή θερμά στοιχεία δεν πρέπει να μπορούν να πέσουν έξω από το φωτιστικό σώμα. 4

1.1.1 Λαμπτήρες πυρακτώσεως Όταν ένα σώμα θερμαίνεται σε υψηλή θερμοκρασία τα συστατικά του άτομα διεγείρονται η δε ακτινοβολούμενη ενέργεια είναι συνεχής, δηλαδή η αναλογία της ακτινοβολίας από το ερυθροπυρωμένο νήμα το οποίο δίνει ορατό φως αυξάνει πάρα πολύ με την αύξηση της θερμοκρασίας. Η ιδιότητα αυτή δίνει ένα μεγάλο πλεονέκτημα στους λαμπτήρες πυρακτώσεως. Η αύξηση όμως αυτή δεν μπορεί να είναι ανεξέλεγκτη αλλά περιορίζεται από: Το σημείο τήξεως του νήματος και Την εξάχνωση του βολφραμίου. Πιο αναλυτικά, εάν η προσφερόμενη ενέργεια στο νήμα είναι μεγαλύτερη από το ποσό των ηλεκτρονίων που εκπέμπονται τότε το αποτέλεσμα είναι το νήμα να φθείρετε και τελικά να καταστρέφετε. Για να γίνει πιο ανθεκτικό το νήμα γεμίζουμε το κενό μέσα στον γυάλινο κώδωνα (γλόμπο) με αδρανή αέρια όπως: μίγμα, 85% αργό και 15% άζωτο το οποίο εισάγεται υπό πίεση σε ποσοστό 80% της ατμοσφαιρικής πίεσης, που είναι το πλέον συνηθισμένο μίγμα και επίσης φροντίζουμε η διατομή του νήματος να είναι ανάλογη με την ισχύ του λαμπτήρα. Συνέπεια αυτών είναι να επιτυγχάνουμε την αύξηση της θερμοκρασίας του νήματος οπότε αυξάνουμε και την απόδοση του λαμπτήρα χωρίς να μειώνεται η διάρκεια ζωής του. Το μειονέκτημα αυτής της λύσης είναι ότι το αέριο άγει θερμότητα από το νήμα ελαττώνοντας τη θερμοκρασία του και κατά συνέπεια τον βαθμό απόδοσης του λαμπτήρα. 1.1.1.1 Είδη Λαμπτήρων Πυρακτώσεως Οι λαμπτήρες πυρακτώσεως χωρίζονται στις παρακάτω κατηγορίες: Λαμπτήρες χρήσης (General Lighting Services Lamps). Λαμπτήρες με ανακλαστήρα (Reflector Lamps). Λαμπτήρες με παραβολικό ανακλαστήρα (Pressed glass Lamps). Λαμπτήρες ψυχρής δέσμης (cool beam lamps). Λαμπτήρες καθρέφτη (Blown bulb Lamps). Σωληνοειδής Λαμπτήρες (tubular lamps). Ραβδοειδής Λαμπτήρες (Striplite lamps). Διακοσμητικές λάμπες (Decorative lamps). Λαμπτήρες ειδικών εφαρμογών Λαμπτήρες αλογόνου (Tungsten halogen lamps). 5

Σχήμα 1-1: Ο λαμπτήρας πυράκτωσης παράγει φως με την ηλεκτρική θέρμανση ειδικού σύρματος (νήματος, filament), σε τέτοια θερμοκρασία στην οποία η εκπομπή ενέργειας που γίνεται να είναι εμφανής στο ορατό φάσμα. Με άλλα λόγια μπορούμε να πούμε ότι η λειτουργία των λαμπτήρων πυρακτώσεως στηρίζεται στην ηλεκτρική θέρμανση του μεταλλικού τους νήματος μέχρι λευκοπυρώσεως, ώστε να εκπέμπει ορατή ακτινοβολία. Από την ηλεκτρική ενέργεια που δαπανούμε μόνο ένα ποσοστό περίπου 10% μετατρέπεται σε ωφέλιμη φωτεινή ενέργεια. Βέβαια, το ποσοστό αυτό εξαρτάται από το υλικό του νήματος, την θερμοκρασία του και το αέριο που τοποθετούμε στο κώδωνα. 6

Σχήμα 1-2: Βασικά μέρη λαμπτήρα πυράκτωσης 1.1.1.2 Κύρια Μέρη Λαμπτήρα Πυρακτώσεως Τα κύρια μέρη ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως είναι: Το νήμα (the filament), Ηστήριξη νημάτων (filament support), Ο κώδωνας «γλόμπος» (bulb), Το αέριο πληρώσεως (gas) και Ο κάλυκας βάσεως (cap). Το νήμα (the filament) Στις σύγχρονες λυχνίες πυράκτωσης το νήμα είναι κατασκευασμένο από βολφράμιο (tungsten), το οποίο έχει υψηλό σημείο τήξεως και επιτρέπει μικρό ποσοστό εξάχνωσης σε υψηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας και κατά συνέπεια υψηλότερο βαθμό απόδοσης στον λαμπτήρα. Το νήμα του λαμπτήρα κατασκευάζεται σε τρεις κυρίως μορφές: την ευθύγραμμη, την ελικοειδή και την ελικοειδή διπλής περιελίξεως που αυξάνει την απόδοση και περιορίζει το μέγεθος του νήματος. Το νήμα περικλείεται από υάλινη σφραγισμένη αεροστεγώς σφαίρα (κώδωνας), η οποία εμποδίζει την επικοινωνία με τον εξωτερικό αέρα και το οξυγόνο αυτού κάτι που θα προκαλούσε την ανάφλεξη του νήματος. Για επιπλέον αύξηση της φωτεινής απόδοσης τυλίγουμε το νήμα γύρω από ένα πυρήνα από μολυβδαίνιο (molybdenum). Επίσης, με αυτό τον τρόπο μειώνουμε και το μέγεθος των νημάτων. Σχήμα 1-3: Νήμα με την μορφή τυλίγματος 7

1.1.1.3 Στήριξη Νήματος (filament support). Η στήριξη των νημάτων γίνεται πάνω σε ένα ειδικά διαμορφωμένο στέλεχος από γυαλί πάνω στο οποίο είναι στερεωμένοι οι ακροδέκτες στήριξης (οδηγοί), των νημάτων. Σχήμα 1-4: Διάφοροι τρόποι στήριξης νήματος 1.1.1.4 Γυάλινος Κώδωνας «Γλόμπος» (Bulb) Τα νήματα και η βάση στήριξης τους περιβάλλονται από ένα ερμητικά κλειστό γυάλινο περίβλημα και εμποδίζουν να έρθουν σε επαφή τα νήματα με τον εξωτερικό αέρα. Η επαφή τους με το οξυγόνο θα προκαλούσε φωτιά. Για την κατασκευή του γυάλινου περιβλήματος στις λάμπες κοινής χρήσης το πιο συνηθισμένο υλικό είναι το μίγμα υδροξειδίου του νατρίου και του ασβεστίου. Για λαμπτήρες μεγαλύτερων απαιτήσεως σε θερμοκρασία ή από άποψης κραδασμών χρησιμοποιούνται πιο ανθεκτικά γυαλιά τα οποία περιέχουν καθαρό διοξείδιο του πυριτίου. Σχήμα 1-5: Διάφοροι τύποι κωδώνων Ανάλογα την εφαρμογή για την οποία προορίζεται ο λαμπτήρας υποβάλλετε και στις απαιτούμενες για την εφαρμογή επεξεργασίες. Οι επεξεργασία αυτές είναι: Επεξεργασία θαμπώματος (frosting) Επεξεργασία γαλακτώδους επίστρωσης (opalising). Επεξεργασία χρωματισμού (coloring). Επεξεργασία επίστρωσης καθρέφτη (mirror coating). 8

Επεξεργασία θαμπώματος (frosting) Επιτυγχάνεται με την επάλειψη στο εσωτερικό του κώδωνα με οξύ, το οποίο προκαλεί ένα σατινένιο φινίρισμα. Έτσι μετριάζεται η εξάπλωση του φωτός χωρίς σχεδόν καθόλου μείωση της εκπομπής. Επεξεργασία γαλακτώδους επίστρωσης (opalising) Επιτυγχάνεται με την επίστρωση του εσωτερικού του κώδωνα με λεπτό στρώμα πούδρας διοξειδίου του πυριτίου και διοξειδίου του τιτανίου. Αυτή η επεξεργασία παρέχει καλύτερη διάχυση φωτός αλλά ταυτόχρονα πολύ μεγάλη απορρόφηση του παραγόμενου. Επεξεργασία χρωματισμού (colouring) Επιτυγχάνεται στους λαμπτήρες πυρακτώσεως με την επικάλυψη χρώματος στην εσωτερική επιφάνεια του λαμπτήρα. Επίσης, σε κάποιες περιπτώσεις περιέχεται χρωματιστό κάτοπτρο σε διαφανή ή και μη διαφανή κώδωνα. Επεξεργασία επίστρωσης καθρέφτη (mirror coating) Οι λαμπτήρες με ανακλαστήρα είναι η πρώτη κατηγορία λαμπτήρων ειδικού τύπου. Αυτοί έχουν στην εσωτερική επιφάνεια του κώδωνα διαδοχικές στρώσεις μετάλλου οι οποίες σχηματίζουν ένα είδος καθρέφτη, ο οποίος κατευθύνει το φως σε μια επιλεγμένη διεύθυνση. Σχήμα 1-6: Λαμπτήρες με ανακλαστήρα (καθρέφτη). α) κοινής υάλου και β) σκληρής υάλου Έτσι, ο εσωτερικός ανακλαστήρας δεν υποβάλλεται σε κανενός είδους καταστροφή ή διάβρωση ή μόλυνση κάτι που θα αύξανε το κόστος καθαρισμού αυτού ενώ εξασφαλίζεται υψηλή φωτεινή έξοδος και διάρκεια ζωής του λαμπτήρα. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι λαμπτήρων με ανακλαστήρα: Οι λαμπτήρες κάτοπτρου σκληρής υάλου. Οι λαμπτήρες κάτοπτρου κοινής υάλου. Οι λαμπτήρες σκληρής υάλου κατασκευάσθηκαν για περιπτώσεις φωτισμού εξωτερικών χώρων δεδομένου ότι ανθίστανται σε θερμοκρασιακές μεταβολές και είναι κατάλληλοι για οποιεσδήποτε καιρικές συνθήκες χωρίς αυτό να σημαίνει ότι δεν χρησιμοποιούνται και για διακόσμηση εσωτερικών χώρων. 9

Οι λαμπτήρες κάτοπτρου μαλακής υάλου χρησιμοποιούνται κυρίως για φωτισμό εσωτερικών χώρων και συγκρινόμενοι με τους προηγούμενους έχουν μικρότερη φωτεινή ένταση, όταν αναφερόμαστε σε λαμπτήρες της ίδιας ισχύος, Επίσης, έχουν μικρότερο βάρος και μέγεθος και κατασκευάζονται για μικρές ισχύς. 1.1.1.5 Αέριο Πληρώσεως (Fill Gas). Η εξάχνωση των νημάτων μειώνεται γεμίζοντας τον κώδωνα με ένα αδρανές αέριο. Η θερμοκρασία λειτουργίας των νημάτων μπορεί να είναι υψηλή. Το αργό ή το άζωτο ή μίγματα αυτών είναι τα πιο συνηθισμένα αέρια που χρησιμοποιούνται. Όσο αυξάνει η πίεση του αερίου η εξάχνωση των νημάτων μειώνεται αυξάνοντας την φωτεινή απόδοση και τον χρόνο ζωής του λαμπτήρα. Η πίεση του αερίου πληρώσεως στους κοινούς λαμπτήρες είναι περίπου 0,9 atm όταν είναι κρύες και πάνω από 1,5 atm σε λειτουργία. 1.1.1.6 Κάλυκας Βάσεως (cap). Οι κάλυκες των λαμπτήρων αυτών συναντώνται συνήθως σε δύο μορφές : 1. Βιδωτοί: Χαρακτηρίζονται με το γράμμα Ε (Edison) 2. Μπαγιονέτ: Χαρακτηρίζονται με το γράμμα Β (Bayonet). Και οι δύο τύποι λαμπτήρων κατασκευάζονται σε διάφορα μεγέθη τα πιο διαδεδομένα είναι τα παρακάτω: ΒΙΔΩΤΟΥ ΤΥΠΟΥ ΚΑΛΥΚΑΣ EDISON Ε10 Ε14 ΜΠΑΓΙΟΝΕΤ ΤΥΠΟΥ ΚΑΛΥΚΑΣ BAYONET Β15 Β22 Ε27 Ε40 10

Παρατήρηση: Οι λαμπτήρες τύπου (Bayonet), τείνουν να καταργηθούν λόγω του ότι μειονεκτούν στην στιβαρότητα στήριξης συγκριτικά με τους βιδωτούς. Ε14/23x15 Ε14/25x17 Β15/24x17 Ε27/25 Β22/25x26 Ε40/45 Ε40/41 Σχήμα 1-7: Συνήθης Μορφές Καλύκων Στο Σχήμα 1-7 φαίνονται μερικές από τις πιο συνηθισμένες μορφές καλύκων. 1.1.1.7 Φωτεινή απόδοση (Luminous Efficacy). Θεωρητικά, ένας λαμπτήρας πυράκτωσης όταν λειτουργεί σε θερμοκρασία κοντά στο σημείο τήξεως του βολφραμίου (3653 o K ) εμφανίζει φωτεινή απόδοση της τάξεως των 53lm/W λόγω της μη καλής μεταφοράς θερμότητας ή της μετάδοσης απωλειών. Στην πράξη η αποδιδόμενη φωτεινή ροή ενός λαμπτήρα πυράκτωσης είναι αρκετά χαμηλότερη. Για παράδειγμα για σύγχρονους λαμπτήρες πυράκτωσης με διάρκεια χρόνου λειτουργίας 1000 ώρες η φωτεινή απόδοση τους κυμαίνεται μεταξύ 8 και 21,5lm/W. 1.1.1.8 Ισοζύγιο ενέργειας Το ισοζύγιο ενέργειας λαμπτήρα πυρακτώσεως γενικής χρήσης 100W παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-8. 11

Σχήμα 1-8: Ενεργειακό ισοζύγιο λαμπτήρα (πηγή Philips) 1. Ορατή ακτινοβολία-5w 2. Υπέρυθρη ακτινοβολία από το νήμα πυρακτώσεως-61w 3. Απώλειες αγωγής και μεταφοράς από το νήμα πυρακτώσεως ως το τοίχωμα του κώδωνα-34 W 4. Υπέρυθρη ακτινοβολία από τον κώδωνα-22w 5. Συνολικές απώλειες αγωγής και μεταφοράς-12w 6. Συνολική υπέρυθρη ακτινοβολία-83w 1.1.1.9 Χρωματική εμφάνιση και χρωματική απόδοση Οι κοινοί λαμπτήρες πυράκτωσης με χαμηλή θερμοκρασία χρώματος περίπου (2800 o K ), γενικά δίνουν μια καλή χρωματική απεικόνιση στο χώρο τον οποίο φωτίζουν. Συγκρίνοντας τους μάλιστα με τον ήλιο (6000 o K ) το φως που εκπέμπεται από τους λαμπτήρες είναι πράγματι θερμό για το ανθρώπινο μάτι και έχει μια κίτρινη απόχρωση. 1.1.1.10 Διακοπτική λειτουργία (switching). Το συχνό άναμμα και σβήσιμο ενός λαμπτήρα πυράκτωσης κατά κανόνα δεν είναι επιβλαβές για τον λαμπτήρα και δεν του μειώνει την διάρκεια ζωής. Αυτό θα συμβεί όταν λόγω μακροχρόνιας χρήσης του λαμπτήρα (φυσικής φθοράς),τα νήματα του λαμπτήρα γίνουν πολύ λεπτά οπότε η γρήγορη αλλαγή θερμοκρασίας που οφείλετε στο συχνό άναμμα και σβήσιμο του λαμπτήρα είναι ικανή να προκαλέσει κόψιμο του νήματος. 12

1.1.1.11 Μηχανισμός ρύθμισης έντασης φωτισμού (Dimming). Στους κοινούς λαμπτήρες πυράκτωσης μπορούμε να ρυθμίσουμε την ένταση φωτισμού τους χωρίς περιορισμούς. Ένας ελεγχόμενος λαμπτήρας έχει χαμηλότερη θερμοκρασία νήματος του οποίου αποτέλεσμα είναι η χαμηλότερη θερμοκρασία χρώματος, η χαμηλότερη φωτεινή ροή και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής. Κατά συνέπεια βλέπουμε ότι η αύξηση του χρόνου ζωής γίνεται σε βάρος της φωτεινής ροής. Όταν λειτουργούμε τον λαμπτήρα σε ποσοστό κάτω από το 50% της ονομαστικής τάσης λειτουργίας, το φως που παράγει ο λαμπτήρας αυτός είναι αμελητέο έως ανύπαρκτο αλλά η κατανάλωση ενέργειας εξακολουθεί να είναι υπολογίσιμη. Για την εξάλειψη αυτού του φαινομένου θα πρέπει το κύκλωμα ελέγχου των ρυθμιστών να διακόπτει την τροφοδοσία του λαμπτήρα όταν η τάση που εφαρμόζεται στο λαμπτήρα πέσει κάτω από το 50% της ονομαστικής τάσης λειτουργίας του, έτσι ώστε ο λαμπτήρας να μην καταναλώνει ενέργεια άσκοπα. 1.1.1.12 Επίδραση μεταβολών τάσεως λειτουργίας Μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας σε ένα λαμπτήρα πυράκτωσης επιφέρει αλλαγή των χαρακτηριστικών λειτουργίας του. Η σχέση μεταξύ χαρακτηριστικών λειτουργίας και μεταβολών της τάσεως φαίνεται στο Σχήμα 1-9. Για παράδειγμα χαρακτηριστικά μπορούμε να δούμε ότι 5% αύξηση της τάσεως μειώνει τον χρόνο διάρκειας ζωής του λαμπτήρα κατά 50% περίπου. Σχήμα 1-9: Επίδραση της τάσης λειτουργίας λαμπτήρα πυρακτώσεως στη φωτεινή ροή (Φ), φωτεινή απόδοση (n), ισχύ (P) και στη διάρκεια ζωής του (L). Από την εποχή της εμφανίσεως του πρώτου λαμπτήρα πυρακτώσεως ήταν γνωστή η επίδραση της τάσεως επί της λειτουργίας ιδιαιτέρως επί της διάρκειας ζωής του. Η εξάρτηση της φωτεινής ροής (Φ), της ηλεκτρικής ισχύος (P), της διάρκειας ζωής (L), της θερμοκρασίας χρώματος (C.C.T.), και την φωτεινής απόδοσης (L.P.W.), από τον λόγο της τάση τροφοδοσίας (U), ως προς την ονομαστική τάση 13

τροφοδοσίας (Uo), δίνεται με την βοήθεια των παρακάτω εξισώσεων, όπου ο δείκτης ο δηλώνει ότι τα παραπάνω μεγέθη αντιστοιχούν σε τάση τροφοδοσίας Uo. U U 0 Εξ 1-1 P P U U 0 n Εξ 1-2 L L U U 0 d Εξ 1-3 C. C. T. ( C. C. T) U U 0 m Εξ 1-4 L. PW.. ( L. PW..) U U 0 1.,9 Εξ 1-5 Οι εκθέτες στις προηγούμενες εξισώσεις δίνονται στον επόμενο πίνακα Σταθερές Αέριο πληρώσεως Κενό k 3.38 3.51 n 1.54 1.58 d 13.1 13.5 m 0.42 0.42 Η γραφική παράσταση των προηγούμενων σχέσεων με μορφή εκατοστιαίων μεταβολών χάριν εποπτείας, αποδίδεται στο σχήμα που ακολουθεί. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η Εξ 1-3 από την οποία προκύπτει ό,τι για μια αύξηση της τάσεως κατά 5% η διάρκεια ζωής ελαττώνεται κατά 55% περίπου, ενώ από το διάγραμμα μπορούμε να δούμε τις μεταβολές των υπόλοιπων μεγεθών που ασφαλώς συγκρινόμενες με την προηγούμενη περίπτωση της διάρκειας ζωής είναι ηπιότερες. 14

Άλλου τύπου λαμπτήρες πυρακτώσεως είναι οι παρακάτω: Λαμπτήρες με παραβολικό ανακλαστήρα (Pressed glass Lamps). Λαμπτήρες ψυχρής δέσμης (cool beam lamps). Λαμπτήρες καθρέφτη (Blown bulb Lamps). Σωληνοειδής λαμπτήρες (tubular lamps). Ραβδοειδής λαμπτήρες (Striplite lamps). Διακοσμητικές λάμπες (Decorative lamps). Λαμπτήρες ειδικών εφαρμογών Λαμπτήρες αλογόνου (Tungsten halogen lamps) Μετά την ανακάλυψη των λαμπτήρων πυρακτώσεως και επί 100 χρόνια γίνονταν προσπάθειες αυξήσεως του χρόνου ζωής και της αποδόσεως των λαμπτήρων αυτών, αφενός μεν με την αντικατάσταση του νήματος άνθρακα με νήμα βολφραμίου, αφετέρου δε με την χρήση διαφόρων αδρανών αερίων πληρώσεως αραιότερων και ακριβέστερων. Ευρεσιτεχνίες (πατέντες) που δημοσιεύθηκαν κατά καιρούς είχαν αναφέρει την χημική αντίδραση μεταξύ των αλογόνων και του βολφραμίου, αλλά για διάφορες αιτίες (περιορισμούς) δεν γινόταν εφικτό να χρησιμοποιηθεί αυτό το φαινόμενο μέχρι το 1959. Οι λαμπτήρες αλογόνου περιέχουν ένα αλογόνο π.χ. ιώδιο ή χλώριο προστιθέμενο στο αέριο πληρώσεως με αποτέλεσμα να ελαττώνεται η εξάχνωση και να αποφεύγεται η αμαύρωση. Περί το 1960 ανακαλύφθηκε ότι η εισαγωγή κάποιου αλογόνου π.χ. ιωδίου στον λαμπτήρα πυρακτώσεως αυξάνει επίσης αξιοσημείωτα τα lm/w. Αυτό οφείλεται όπως θα δούμε στον αναπαραγωγικό κύκλο του αλογόνου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-10. 15

Σχήμα 1-10: Αναπαραγωγικός κύκλος του αλογόνου Η υψηλή θερμοκρασία του νήματος βολφραμίου στους λαμπτήρες πυρακτώσεως προκαλεί εξάχνωση του μετάλλου το οποίο εν συνεχεία συμπυκνώνεται και επικάθεται στα τοιχώματα του υάλινου κώδωνα και προκαλεί αμαύρωση αυτού. Η αμαύρωση του κώδωνα μπορεί να αποφευχθεί προσθέτοντας κάποιο αλογόνο (συνήθως ιώδιο) το οποίο αποτρέπει την επικάθιση του εξαχνωμένου βολφραμίου στην εσωτερική επιφάνεια του κώδωνα. Το βολφράμιο που εξαχνώνεται από το νήμα μετακινείται προς τον κώδωνα λόγω διάχυσης ή θερμικής μεταφοράς. Σε μια θερμοκρασία μικρότερη των 2000 Κ το βολφράμιο ενώνεται με το ιώδιο και σχηματίζουν το ιωδιούχο βολφράμιο το οποίο, λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του κώδωνα βρίσκεται σε αέρια κατάσταση, μεταφέρεται προς το τοίχωμα του υάλινου κώδωνα του οποίου η θερμοκρασία διατηρείται μεταξύ 500 Κ και 1500 Κ και δεν επικάθεται σ' αυτό, αλλά επιστρέφει πίσω στο νήμα (λόγω των θερμικών ρευμάτων), πλησίον του οποίου η θερμοκρασία υπερβαίνει τους 2800 Κ. Εκεί πλέον διασπάται σε βολφράμιο και ιώδιο, με το μεγαλύτερο τμήμα του βολφραμίου να εναποτίθεται στο νήμα (αλλά όχι απαραίτητα στην ίδια θέση από την οποία εξαχνώθηκε) και του ιωδίου ετοίμου να επιτελέσει νέο κύκλο. Οι χημικές εξισώσεις που λαμβάνουν χώρα είναι οι εξής: 2000 K W 2I WI 2 0 0 WI W I 2800 2 K 2 Θεωρητικά οι παραπάνω αντιδράσεις μπορούν να γίνονται επ' άπειρο, αλλά πρακτικά αυτό δεν γίνεται, πάντως όμως αυξάνουν κατά πολύ την ζωή του λαμπτήρα. Επιπρόσθετα το αέριο πληρώσεως σήμερα είναι το βρώμιο που στερείται χρώματος, αντί του ιωδίου που έχει πορφυρή χροιά ή - μπορεί να χρησιμοποιηθεί μίγμα αργού με μικρές ποσότητες αζώτου με διάρκεια ζωής 2000Η ή και περισσότερο. 16

Λαμπτήρες αλογόνων βολφραμίου έχουμε διαφόρων σχημάτων με επικρατέστερο τον σωληνοειδή και το νήμα προσανατολισμένο αξονικά και είναι τύπου με απλό ή διπλά άκρα όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-11, χρησιμοποιούνται δε για φωτισμό εξωτερικών χώρων, ιδιαίτερα σε αθλητικούς χώρους, σε στούντιο, θέατρα, τηλεοράσεις, κινηματογραφικές μηχανές και επιστημονικά όργανα. Σχήμα 1-11: Λαμπτήρες αλογόνων βολφραμίου με απλό και διπλά άκρα Οι λάμπες αλογόνων μέχρι πρόσφατα είχαν κυρίως επαγγελματικές εφαρμογές. Τα τελευταία όμως χρόνια η χρήση τους αυξήθηκε θεαματικά, αφού οι καταναλωτές προτιμούν τις λάμπες αλογόνων σε πολυάριθμες εφαρμογές φωτισμού εξωτερικών και εσωτερικών χώρων, τόσο για τα τεχνικά χαρακτηριστικά τους, όσο και την ξεχωριστή ποιότητα φωτισμού που προσφέρουν. Έτσι σήμερα στην αγορά διατίθενται λάμπες αλογόνων πολλών τύπων, όπως: για λειτουργία στα 12V που απαιτούν μετασχηματιστή και στα 230V (τάση δικτύου), με μικρό κάλυκα για ειδικά φωτιστικά, αλλά και με απλό κάλυκα (Ε27, Β22, Β15 και Ε14) για άμεση και εύκολη αντικατάσταση σε φωτιστικά που παλαιότερα χρησιμοποιούσαν κοινές λάμπες πυρακτώσεως. Οι λάμπες αλογόνων δίνουν λαμπρό αστραφτερό φως γιατί έχουν υψηλότερη θερμοκρασία χρώματος, 3000-3300 Κ, από εκείνη μίας λάμπας πυρακτώσεως (2700 Κ). Επιπλέον έχουν το μέγιστο δυνατό δείκτη χρωματικής απόδοσης (100), που σημαίνει ότι αποδίδουν τα χρώματα πιστά και ιδιαίτερα ζωντανά, χαρακτηριστικό που τις κάνει ιδανικές για την ανάδειξη χρωμάτων σε βιτρίνες, καταστήματα, γκαλερί και άλλους χώρους προβολής και παρουσίασης προϊόντων και αντικειμένων. Εξ άλλου οι λάμπες αλογόνων, με την χρήση ροοστάτη (Dimmer), επιτρέπουν την αυξομείωση της έντασης φωτός, ανάλογα με τον φωτισμό που απαιτείται σε κάθε περίσταση. 17

1.2 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Εξηγείστε το λόγο για τον οποίο η φωτεινή ροή που παράγει λαμπτήρας πυρακτώσεως ισχύος P είναι μεγαλύτερη από την φωτεινή ροή που παράγουν n λαμπτήρες ισχύος P/n έκαστος. 2. Για το λαμπτήρα πυρακτώσεως που θα σας δοθεί στο εργαστήριο συμπληρώστε τα παρακάτω στοιχεία: Ισχύς λαμπτήρα μετρήσεως P test = W Φωτεινή ροή λαμπτήρα μετρήσεως Φ st = lm (από κατασκευαστή) Ισχύς λαμπτήρα αναφοράς P st = W Φωτεινή ροή λαμπτήρα αναφοράς Φ st = lm Θερμοκρασία σφαίρας Θ s = o C Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τους παρακάτω πίνακες: Τάση λαμπτήρα V λtest = 230V/50Hz E test E standard E aux.st E aux.test (lx) (lx) (lx) (lx) Φ corrected Test lamp: on Standard lamp: on Standard lamp: off Test lamp: off (lx) Aux lamp:off Aux lamp:off Aux lamp:on Aux lamp:on 18

Α/Α Τάση Λαμπτήρα (V) Ρεύμα λαμπτήρα (A) Ισχύς λαμπτήρα (W) Ένταση φωτισμού luxmeter (lx) Φωτεινή ροή (lm) 1 20 2 40 3 60 4 80 5 100 6 120 7 140 8 160 9 180 10 200 11 220 12 230 13 240 Σχεδιάστε τις γραφικές παραστάσεις του ρεύματος (Ι L ), της ισχύος (P L ), της φωτεινής ροή (Φ L ) και της φωτεινής απόδοσης (LPO) του λαμπτήρα συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας του λαμπτήρα (V L ). Αξιολογήστε και σχολιάστε τα πειραματικά αποτελέσματα κάνοντας σύγκριση με τα αντίστοιχα θεωρητικά. 19

1.2 Βιβλιογραφία: 1. Α. Τσακίρης, Φωτοτεχνία, Αθήνα 2004 2. Φ.Ι. Δημόπουλος, Φωτοτεχνία, Ηλεκτρικές συσκευές, εκδόσεις Φ.Δημόπουλου 3. Philips, LIGHTING MANUAL, 5η Έκδοση 1993 4. J. Krochmann, ON THE MEASUREMENT OF LUMINOUS FLUX WITH AN INTEGRATING SPHERE PHOTOMETER, June 1984 5. Φ. Τοπάλη, Φωτοτεχνία, εκδόσεις ΕΜΠ 6. Π. Νικολόπουλου, Φωτοτεχνία, εκδόσεις ΕΜΠ, 1985 7. Ι. Οικονομόπουλος, Θεωρητική και εφαρμοσμένη φωτοτεχνία, Εκδόσεις Philips 8. J. Favie, C. Damen, G. Hietbrink, N. Quaedfield, Lighting 9. C.I.E., Guide and calculations for interior lighting 10. www.oscram.gr 20