Εργαστήριο Φωτοτεχνίας

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Φωτοτεχνίας Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών των Λαμπτήρων Φθορισμού 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 Αρχή Λειτουργίας... 4 1.1.1 Βασικά μέρη λαμπτήρα... 5 1.1.2 Σωλήνας Εκφορτίσεως... 5 1.1.3 Φθορίζουσα Επίστρωση... 5 1.1.4 Ηλεκτρόδια... 6 1.1.5 Αέριο Πληρώσεως... 6 1.1.6 Κάλυκας Βάσεως... 6 1.1.7 Πολικό Διάγραμμα... 7 1.1.8 Ισοζύγιο Ενέργειας... 7 1.1.9 Επίδραση Θερμοκρασίας στην Φωτεινή Ροή... 8 1.1.10 Επίδραση τάσης τροφοδοσίας... 9 1.1.11 Θερμοκρασία χρώματος και δείκτης χρωματικής απόδοσης... 9 1.1.12 Γήρανση Λαμπτήρων Φθορισμού... 12 1.1.13 Κυκλώματα Ballast (περιορισμού ρεύματος)... 12 1.1.14 Ωμικό Ballast... 12 1.1.15 Επαγωγικό Ballast... 12 1.1.16 Ηλεκτρονικό Ballast... 13 1.1.17 Διόρθωση Συντελεστή Ισχύος... 14 1.1.18 Έναυση Λαμπτήρων Φθορισμού... 14 1.1.19 Κυκλώματα με Προθέρμανση και Εκκινητή... 15 1.1.20 Κυκλώματα με Προθέρμανση χωρίς Εκκινητή... 15 1.1.21 Κυκλώματα Άμεσης Έκκίνησης (Cold Start)... 17 1.1.22 Επανέναυση... 17 1.1.23 Μηχανισμός ρύθμισης έντασης φωτισμού (Dimming)... 17 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 φθορισμού. 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 Οι λαμπτήρες φθορισμού είναι ευρύτατα διαδεδομένοι τα τελευταία 30 χρόνια και αντικαθιστούν τους λαμπτήρες πυρακτώσεως σε ολοένα περισσότερες εφαρμογές κυρίως λόγω της μεγάλης οικονομίας που προσφέρουν αλλά και της βελτίωσης της ποιότητας του φωτός που παρέχουν. 1.1.1 Αρχή Λειτουργίας Η λειτουργία των λαμπτήρων αυτών στηρίζεται στην εκφόρτιση αερίου Hg σε χαμηλή πίεση. Μέσα σε σωλήνα εκφορτίσεως περιέχεται ποσότητα ευγενούς αερίου (συνήθως αργού) και μικρές σταγόνες καθαρού υδραργύρου. Στα άκρα του σωλήνα υπάρχουν ηλεκτρόδια επικαλυμμένα με κατάλληλο υλικό ώστε να έχουν την δυνατότητα να εκπέμπουν ηλεκτρόνια λόγω θέρμανσης (θερμιονική εκπομπή). Με την εφαρμογή υψηλής τάσης (άρα υψηλού ηλεκτρικού πεδίου) τα θερμικά παραγόμενα ελεύθερα ηλεκτρόνια επιταχυνόμενα συγκρούονται με τα άτομα του αργού τα οποία διεγείρουν και ιονίζουν. Από την παραγόμενη θερμότητα εξατμίζονται τα άτομα υδραργύρου με τα οποία συγκρούονται τα ηλεκτρόνια και έτσι μεγάλο αριθμός ατόμων Hg διεγείρονται ενώ κάποια ιονίζονται. Το τόξο εκφόρτισης που παράγεται κυριαρχείται από τα ιονισμένα άτομα του Hg. Τα διεγειρόμενα άτομα Hg είναι αυτά που παράγουν φωτόνια στην υπεριώδη όμως περιοχή του φάσματος τα οποία προσπίπτοντας στην εσωτερική επιφάνεια του σωλήνα, η οποία είναι επιστρωμένη με φθορίζουσα ουσία, μετατρέπονται σε ορατά φωτόνια. 4

Σχήμα 4-1:Η διαδικασία πλήρης εξάτμισης του Hg και επίτευξης της πίεσης λειτουργίας των λαμπτήρων αυτών ολοκληρώνεται σε 2-3 λεπτά οπότε και μεγιστοποιείται η παραγόμενη φωτεινή ροή. 1.1.1 Βασικά μέρη λαμπτήρα Τα βασικά μέρη ενός λαμπτήρα φθορισμού (Hg χαμηλής πιέσεως) φαίνονται στο Σφάλμα! Το αρχείο προέλευσης της αναφοράς δεν βρέθηκε. και είναι: Ο σωλήνας εκφορτίσεως, Η φθορίζουσα επίστρωση, Τα ηλεκτρόδια, Το αέριο πληρώσεως και Ο κάλυκας βάσεως 1.1.2 Σωλήνας Εκφορτίσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως είναι κατασκευασμένος από κοινό γυαλί. Οι διαστάσεις του σωλήνα, διάμετρος και μήκος, έχουν συμφωνηθεί μεταξύ των κατασκευαστών. Οι πιο συνηθισμένες διάμετροι είναι αυτοί των 16mm, 26mm και 38mm.Τα πιο συνηθισμένα μήκη σωλήνων είναι αυτά των 600mm, 1200mm και 1500mm. 1.1.3 Φθορίζουσα Επίστρωση Ο τύπος και η σύνθεση της φθορίζουσας επίστρωσης είναι ο ποιο σημαντικός παράγοντας για τον καθορισμό των χαρακτηριστικών του παραγόμενου φωτός σ αυτό το είδος λαμπτήρων. Η επίστρωση αυτή καθορίζει την θερμοκρασία χρώματος (άρα την χρωματική εμφάνιση), τον δείκτη χρωματικής απόδοσης και σε σημαντικό βαθμό την φωτεινή απόδοση του λαμπτήρα. Εν γένη χρησιμοποιούνται τρεις κατηγορίες επιστρώσεως χρησιμοποιούνται: η συνήθης φωσφορική επίστρωση, η τριπλοφωσφορική επίστρωση και η πολυφωσφορική επίστρωση. Η συνήθης φωσφορική επίστρωση έχει ως αποτέλεσμα την εκπομπή φωτός που καλύπτει σχεδόν το συνολικό ορατό φάσμα, δίνοντας λαμπτήρες με καλή φωτεινή απόδοση όμως με σχετικά φτωχό δείκτη χρωματικής απόδοσης. Η τριπλοφωσφορική επίστρωση είναι ένας συνδυασμός σπάνιων γαιών με φθορίζουσες ιδιότητες η οποία οδηγεί σε μέγιστη ακτινοβολία σε τρία αυστηρώς 5

καθορισμένα μήκη κύματος (μπλε, πράσινο και κόκκινο) τα οποία ισοκατανέμονται στο ορατό φάσμα. Η πολυφωσφορική επίστρωση δημιουργείται με την χρήση μίγματος φωσφορικών ουσιών που καλύπτουν το συνολικό ορατό φάσμα. Αυτού του είδους οι επιστρώσεις δίνουν τον υψηλότερο δείκτη χρωματικής απόδοσης συγκριτικά με τους προηγούμενους τύπους. Επίσης, υπάρχουν ειδικού τύπου επιστρώσεις όπως: η επίστρωση σιλικόνης, και η ανακλαστική επίστρωση. Η επίστρωση σιλικόνης εφαρμόζεται εξωτερικά του σωλήνα εκφορτίσεως σε λαμπτήρες χωρίς εκκινητή, για την αποφυγή προβλημάτων εκκίνησης των λαμπτήρων αυτών σε συνθήκες υψηλής υγρασίας. Η ανακλαστική επίστρωση τοποθετείται στην εσωτερική επιφάνεια του σωλήνα μεταξύ της επιφάνειας αυτής και της φωσφορικής επίστρωσης αφήνοντας ένα συγκεκριμένο παράθυρο για την εκπομπή φωτός. 1.1.4 Ηλεκτρόδια Τα ηλεκτρόδια είναι επικαλυμμένα με υλικό κατάλληλο για εκπομπή ηλεκτρονίων απαραίτητων για την διατήρηση της εκφόρτισης στο σωλήνα. Οι περισσότεροι λαμπτήρες φθορισμού χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια τα οποία προθερμαίνονται μέσω ρεύματος πριν την έναυση του λαμπτήρα (μέσω του εκκινητή, starter). Ωστόσο, υπάρχουν λαμπτήρες φθορισμού οι οποίοι χρησιμοποιούν ηλεκτρόδια «συνεχώς θερμαινόμενα» (λαμπτήρες ταχείας εκκίνησης) και λαμπτήρες με ηλεκτρόδια τα οποία δεν προθερμαίνονται καθόλου (λαμπτήρες στιγμιαίας εκκίνησης). Και οι δύο προηγούμενες περιπτώσεις λαμπτήρων δεν χρησιμοποιούν ξεχωριστό κύκλωμα εκκινητή και συχνά χρησιμοποιούν βοηθητικό ηλεκτρόδιο ή αγώγιμη ταινία για την επίτευξη της έναυσης του λαμπτήρα. 1.1.5 Αέριο Πληρώσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως πληρώνεται με αδρανές αέριο (αργό ή κρυπτό) και με μια συγκεκριμένη ποσότητα καθαρού υδραργύρου. Το αδρανές αέριο είναι απαραίτητο για την έναυση του λαμπτήρα. Η υψηλότερη φωτεινή ισχύς παράγεται για πίεση ατμών Hg 0.8Pa (7.9x10-6 Atm) ενώ η πίεση του αδρανούς αερίου είναι 2500Pa (0,025Atm). 1.1.6 Κάλυκας Βάσεως Οι σωληνωτοί λαμπτήρες φθορισμού με θερμαινόμενα ηλεκτρόδια διαθέτουν δύο κάλυκες, ένα για κάθε άκρο τους το οποίο διαθέτει δύο επαφές. Οι λαμπτήρες ακαριαίας εκκίνησης χρησιμοποιούν κάλυκες μιας επαφής. Επίσης, οι κυκλικοί λαμπτήρες φθορισμού χρησιμοποιούν κάλυκα τεσσάρων επαφών. Επίσης, λαμπτήρες φθορισμού μονού άκρου χρησιμοποιούν ειδικούς κάλυκες. Εκείνοι που χρησιμοποιούν ενσωματωμένο κύκλωμα ελέγχου διαθέτουν κάλυκες Ε26 6

ή Ε27 ή ακόμα και Β22 έτσι ώστε να προσαρμόζονται σε φωτιστικά λαμπτήρων πυρακτώσεως. 1.1.7 Πολικό Διάγραμμα Σχήμα 1-1: Τυπικό πολικό διάγραμμα φωτιστικού φθορισμού Στο Σχήμα 1-1 παρουσιάζεται τυπικό πολικό διάγραμμα φωτιστικού διαχύσεως. Τα φωτιστικά φθορισμού συνήθως δεν εμφανίζουν αξονική συμμετρία και για αυτό τον λόγο το πολικό τους διάγραμμα περιλαμβάνει δύο καμπύλες: μια για το εγκάρσιο άξονα (C0-C180) και μία για τον διαμήκη άξονα (C90-C270) όπως παρουσιάζεται στο προηγούμενο σχήμα. 1.1.8 Ισοζύγιο Ενέργειας Το ισοζύγιο ενέργειας σε λαμπτήρα φθορισμού (TL/82) στο Σχήμα 1-2. Σχήμα 1-2: Ενεργειακό ισοζύγιο λαμπτήρα (πηγή Philips) 7

1. Ισχύς στον σωλήνα εκφόρτισης-30,1w 2. Θερμικές απώλειες στα ηλεκτρόδια-5,9w 3. Ορατή ακτινοβολία από τον σωλήνα εκφόρτισης-1,2w 4. UV ακτινοβολία από τον σωλήνα εκφόρτισης-22,5w 5. Θερμικές απώλειες του σωλήνα εκφόρτισης-6,5w 6. Ορατή ακτινοβολία από το επίπεδο της φθορίζουσας επίστρωσης-8,8w 7. UV ακτινοβολία-0,2w 8. IR ακτινοβολία-13,5w 9. Συνολική ορατή ακτινοβολία-10w 10. IR ακτινοβολία, απώλειες αγωγής και μεταφοράς-25,8w 1.1.9 Επίδραση Θερμοκρασίας στην Φωτεινή Ροή Η φωτεινή ισχύς που παράγεται από αυτό το είδος λαμπτήρων εξαρτάται σημαντικά από την εξωτερική θερμοκρασία όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-3. Στην θερμοκρασία των 25 0 C η φωτεινή ροή μεγιστοποιείται ενώ κάτω από τους 15 0 C μειώνεται σημαντικά. Επίσης, και πάνω από τους 25 0 C η φωτεινή ροή μειώνεται αρκετά. Σχήμα 1-3: Φωτεινή ροή τυπικού λαμπτήρα φθορισμού συναρτήσει της εξωτερικής θερμοκρασίας (πηγή Philips) 8

1.1.10 Επίδραση Τάσης Τροφοδοσίας Σχήμα 1-4: Εξάρτηση της φωτεινής ροής (Φ), της ισχύος (P) και της φωτεινής απόδοσης (lm/w) από τη μεταβολή της τάσης τροφοδοσίας (πηγή Philips) Οι διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας φαίνεται να επηρεάζουν την λειτουργία των λαμπτήρων φθορισμού αλλά σημαντικά λιγότερο από ότι στους αντίστοιχους πυρακτώσεως (Σχήμα 1-4). Επίσης, η λειτουργία του λαμπτήρα με τροφοδοσία υψηλής συχνότητας έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της φωτεινής απόδοσης κατά 10% 1.1.11 Θερμοκρασία χρώματος και δείκτης χρωματικής απόδοσης Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά διαφόρων κατηγοριών λαμπτήρων φθορισμού ενώ στο Σχήμα 1-5 οι σχετικές φασματικές κατανομές ισχύος λαμπτήρων της σειράς TL. 9

Πίνακας 1-1: Σύγκριση λαμπτήρων φθορισμού με βάση την θερμοκρασία χρώματος, το δείκτη χρωματικής απόδοσης και την φωτεινή απόδοση (πηγή Philips) Ομάδα χρώματος Κωδικός Philips Θερμοκρασία χρώματος ( o Κ) Δείκτης χρωματικής απόδοσης (Ra) Φωτεινή απόδοση (lm/w) Ra<80 29 2900 51 83 Warm white 80<Ra<90 82 83 2700 3000 85 85 90 96 Ra>90 92 93 2700 3000 95 95 63 64 White Ra<80 35 3500 57 76 Cool white 63 33 4100 83 Ra<80 70 25 4000 69 80<Ra<90 84 4000 85 96 Ra>90 94 3800 95 65 Daylight Ra>90 95 5300 98 65 Cool daylight Ra<80 54 6200 72 69 80<Ra<90 86 6500 85 90 Ra>90 96 6500 97 65 10

Σχήμα 1-5: Καμπύλες σχετικής φασματικής κατανομής ισχύος λαμπτήρων φθορισμού σειράς TL (πηγή Philips) 11

1.1.12 Γήρανση Λαμπτήρων Φθορισμού Η φωτεινή ροή των λαμπτήρων φθορισμού μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Μετά από 8000 ώρες λειτουργίας η ροή έχει μειωθεί στο 70 με 90 % της αρχικής της τιμής. Ο κύριος λόγος του φαινομένου αυτού είναι ότι η φθορίζουσα επίστρωση γίνεται λιγότερο αποτελεσματική. Επίσης, η μείωση της φωτεινής ροής οφείλεται δευτερεύοντος και στο μαύρισμα του σωλήνα του λαμπτήρα, ιδιαίτερα στα άκρα του λόγω του διασκορπισμού του υλικού που είναι υπεύθυνο για την εκπομπή ηλεκτρονίων. Η χρήση υψηλής συχνότητας ballasts περιορίζει το πρόβλημα και συνεπώς οδηγεί σε χαμηλότερο ρυθμό γήρανσης των λαμπτήρων αυτών. 1.1.13 Κυκλώματα Ballast (περιορισμού ρεύματος) Οι λαμπτήρες φθορισμού (Hg χαμηλής πίεσης) εμφανίζουν αρνητική αντίσταση και για αυτό το λόγο το ρεύμα πρέπει να περιοριστεί χρησιμοποιώντας κατάλληλο κύκλωμα ballast. Τέτοια κυκλώματα ballast είναι: το ωμικό ballast, το επαγωγικό ballast και το ηλεκτρονικό ballast. 1.1.14 Ωμικό Ballast Ο τρόπος αυτός περιορισμού του ρεύματος που διαρρέει τον λαμπτήρα είναι ιδιαιτέρως αντιοικονομικός και δεν χρησιμοποιείται παρά μόνο σε λίγες περιπτώσεις που αφορούν την τροφοδοσία με dc ρεύμα. 1.1.15 Επαγωγικό Ballast Το επαγωγικό ballast είναι ευρύτατα διαδεδομένο για ac εφαρμογές σε συνδυασμό με κατάλληλο εκκινητή για την παραγωγή του απαραίτητου παλμού υψηλής τάσης για την έναυση του λαμπτήρα. Στο Σχήμα 1-6 παρουσιάζεται η συνδεσμολογία ενός λαμπτήρα φθορισμού με επαγωγικό ballast και εκκινητή καθώς και η πραγματική εικόνα ενός τέτοιου ballast. Το επαγωγικό ballast κατασκευάζεται από πολλές σπείρες χάλκινου αγωγού τυλιγμένου σε πυρήνα αποτελούμενου από μονωμένα φύλλα σιδήρου. Οι απώλειες του ballast οφείλονται στις ωμικές απώλειες του χαλκού αλλά και στις απώλειες του πυρήνα. α) β) Σχήμα 1-6: α) Συνδεσμολογία λαμπτήρα φθορισμού με επαγωγικό ballast και εκκινητή παράλληλα β) τυπικό επαγωγικό ballast 12

(πηγή Philips) 1.1.16 Ηλεκτρονικό Ballast Το ηλεκτρονικό ballast είναι ακριβότερο από το επαγωγικό όμως προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα συγκρινόμενο με αυτό όπως: Βελτιωμένη φωτεινή απόδοση του συστήματος, Φως χωρίς τρεμοπαίγματα (flickering), Άμεση (ακαριαία) λειτουργία του λαμπτήρα χωρίς την ανάγκη εκκινητή, Αυξημένη διάρκεια ζωής λαμπτήρα, Εξαιρετική ρύθμιση φωτεινής ροής, Δεν υπάρχει ανάγκη για διόρθωση συντελεστή ισχύος, Απλή καλωδίωση, Μικρή αύξηση της θερμοκρασίας, Απουσία θορύβου, Μικρό βάρος και Χρήση με dc Στο Σχήμα 1-7 παρουσιάζεται το σχηματικό διάγραμμα ενός ηλεκτρονικού ballast. Σύμφωνα μ αυτό η τάση εισόδου ανορθώνεται και εξομαλύνεται και μετατρέπεται σε τετραγωνικής μορφής παλμός υψηλής συχνότητας μεταξύ 20 και 100kHz. Στην ουσία πρόκειται για κύκλωμα αντιστροφέα με τροφοδότηση τάσης. Ο έλεγχος του ρεύματος του λαμπτήρα επιτυγχάνεται είτε με την προσθήκη ηλεκτρονικού κυκλώματος σταθεροποίησης είτε με την προσθήκη πηνίου το οποίο είναι πολύ μικρότερο σε τιμή, όγκο, βάρος και κόστος λόγω της υψηλής συχνότητας που χρησιμοποιείται. Σ ένα τέτοιο κύκλωμα η μείωση της φωτεινής ροής επιτυγχάνεται με την αύξηση της συχνότητας. Σχήμα 1-7: Σχηματικό διάγραμμα ηλεκτρονικού ballast με χρήση αντιστροφέα πηγής τάσης (πηγή Philips) 13

1.1.17 Διόρθωση Συντελεστή Ισχύος Η διόρθωση του συντελεστή ισχύος σε συγκρότημα λαμπτήρων φθορισμού υλοποιείται συνδέοντας τους μισούς λαμπτήρες με χωρητικά ballast (ballasts όπου ο πυκνωτής αντιστάθμισης παρουσιάζει διπλάσια αντίδραση από το πηνίο) και τους υπόλοιπους με επαγωγικά ballasts χωρίς πυκνωτή αντιστάθμισης. Στο Σχήμα 1-8 παρουσιάζονται δύο τρόποι αντιστάθμισης λαμπτήρων φθορισμού: ενός λαμπτήρα και δύο λαμπτήρων. Στην πρώτη περίπτωση τοποθετείται παράλληλα με το κύκλωμα του λαμπτήρα πυκνωτής τιμής 4,2μF (για δίκτυο 50Hz) για λαμπτήρα 36W ή 40W και 6,5μF για λαμπτήρα 58W ή 65W. Στην περίπτωση όπου υψηλής συχνότητας σήματα κυκλοφορούν στου αγωγούς τροφοδοσίας, χρησιμοποιείται πηνίο σε σειρά με το πυκνωτή για την αποκοπή τους. Στην δεύτερη περίπτωση αυτή ο πυκνωτής συνδέεται σε σειρά με ένα από τα δύο επαγωγικά ballasts (πηνία). Σχήμα 1-8: Κυκλώματα αντιστάθμισης α) ενός λαμπτήρα και β) δύο λαμπτήρων (πηγή Philips) 1.1.18 Έναυση Λαμπτήρων Φθορισμού Η εσωτερική αντίσταση ενός λαμπτήρα φθορισμού σωληνωτής μορφής είναι ιδιαιτέρως υψηλής όταν αυτός είναι κρύος οπότε δεν μπορεί να ξεκινήσει να λειτουργεί όταν η τάση τροφοδοσίας εφαρμοστεί. Επομένως, κάποιο κύκλωμα έναυσης πρέπει να χρησιμοποιηθεί. Τα κυκλώματα αυτά χωρίζονται: στα κυκλώματα με προθέρμανση και εκκινητή, κυκλώματα με προθέρμανση χωρίς εκκινητή και στα κυκλώματα χωρίς προθέρμανση άμεσης εκκίνησης (cold start). 14

1.1.19 Κυκλώματα με Προθέρμανση και Εκκινητή Στα κυκλώματα αυτά τα ηλεκτρόδια προθερμαίνονται για λίγα δευτερόλεπτα και στην συνέχεια υψηλή τάση εφαρμόζεται στα άκρα του λαμπτήρα για την επίτευξη της έναυσης του. Η διαδικασία αυτή ελέγχεται με την βοήθεια ενός αυτόματου διακόπτη, γνωστού ως εκκινητή (starter). Υπάρχουν δύο ειδών εκκινητές: εκκινητές φωτεινής εκφόρτισης (glow discharge starters) και τέτοιος παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-9 και ηλεκτρονικοί εκκινητές. Οι πρώτοι εκκινητές συνεχίζουν να λειτουργούν μέχρις ότου ο λαμπτήρας ξεκινήσει να λειτουργεί ενώ ο ηλεκτρονικός λειτουργεί με ακρίβεια μια φορά και αποφεύγονται τρεμοπαίγματα κατά την διάρκεια της εκκίνησης της λειτουργίας του λαμπτήρα. Οι ηλεκτρονικοί εκκινητές επιτυγχάνουν αξιόπιστες εκκινήσεις ακόμα και σε χαμηλές θερμοκρασίες ενώ αυξάνουν την διάρκεια ζωής των λαμπτήρων φθορισμού. Σχήμα 1-9: Εκκινητής φωτεινής εκφόρτισης (glow discharge starter) (πηγή Philips) 1.1.20 Κυκλώματα με Προθέρμανση χωρίς Εκκινητή Στα κυκλώματα αυτά δεν συμπεριλαμβάνεται ξεχωριστός εκκινητής κάτι που οδηγεί σε αυξημένη απλότητα και αξιοπιστία. Τα κυκλώματα αυτά χωρίζονται στα ημισυντονιζόμενα ballasts (άμεσης εκκίνησης, instant start) και στα μη συντονιζόμενα ballasts (ταχείας εκκίνησης, rapid start). Στο Σχήμα 1-10 παρουσιάζεται το κύκλωμα ενός ημισυντονιζόμενου ballast. Το ballast αυτό αποτελείται από ένα επαγωγικό ballast με την προσθήκη ενός τυλίγματος στον ίδιο πυρήνα με αντίθετη φορά περιέλιξης από αυτή του κύριου τυλίγματος σε σειρά με πυκνωτή. Με την εφαρμογή της τάσης τροφοδοσίας, τα ηλεκτρόδια θερμαίνονται μέσω του εν σειρά κυκλώματος που ορίζετε από τα δύο τυλίγματα τον πυκνωτή και βέβαια τα ηλεκτρόδια. Το ρεύμα του λαμπτήρα περιορίζει μόνο από το κύριο τύλιγμα του ballast. Το κύκλωμα συντονισμού δημιουργεί την υψηλή τάση που απαιτείται για την έναυση του λαμπτήρα ενώ στην μόνιμη 15

κατάσταση το ρεύμα των ηλεκτροδίων περιορίζεται λόγω της χαμηλής τάσης εκφορτίσεως στα άκρα του λαμπτήρα. Πλεονέκτημα του κυκλώματος αυτού είναι ότι δεν απαιτείται ξεχωριστό κύκλωμα διόρθωσης του συντελεστή ισχύος αφού, το χωρητικό ρεύμα του πυκνωτή παρέχει την απαραίτητη αντιστάθμιση ισχύος. Σχήμα 1-10: Κύκλωμα ημισυντονιζόμενου ballast (πηγή Philips) Στο Σχήμα 1-11 παρουσιάζονται δύο κυκλώματα μη συντονιζόμενου εκκινητή (ταχείας εκκίνησης). Στο πρώτο (α) τα ηλεκτρόδια θερμαίνονται από ξεχωριστό μετασχηματιστή μέσω κατάλληλων δευτερευόντων τυλιγμάτων ενώ στο πρώτο με σύζευξη κατάλληλων τυλιγμάτων στο κοινό επαγωγικό ballast. Οι λαμπτήρες φθορισμού οι οποίοι πρόκειται να λειτουργήσουν με ταχεία εκκίνηση διαθέτουν εξωτερική επίστρωση σιλικόνης ή εξωτερική αγώγιμη ταινία η οποία συνδέεται με ένα από τα δύο ηλεκτρόδια μέσω αντίστασης 1 ΜΩ (για λόγους προστασίας από ηλεκτροπληξία). Σχήμα 1-11: Κυκλώματα μη συντονιζόμενου εκκινητή α) με ξεχωριστό μετασχηματιστή θέρμανσης ηλεκτροδίων β) με ballast ο οποίος λειτουργεί ως μετασχηματιστής θέρμανσης ηλεκτροδίων (πηγή Philips) 16

1.1.21 Κυκλώματα Άμεσης Έκκίνησης (Cold Start) Εν γένη η έναυση των λαμπτήρων φθορισμού χωρίς προθέρμανση είναι δύσκολη και ο πιο αξιόπιστος τρόπος να εξασφαλιστεί η σωστή έναυση τους είναι χρήση συστήματος εκκίνησης στο εσωτερικό του λαμπτήρα. Σ αυτούς τους λαμπτήρες χρησιμοποιείται βοηθητικό ηλεκτρόδιο με την μορφή αγώγιμης ταινίας κατά μήκος του της εσωτερικής επιφάνειας του σωλήνα εκφορτίσεως. Το ένα άκρο της ταινίας συνδέεται με ένα από τα δύο ηλεκτρόδια ενώ το άλλο βρίσκεται κοντά στο άλλο ηλεκτρόδιο. Με την εφαρμογή της τάσης τροφοδοσίας δημιουργείται φωτεινή εκφόρτιση μεταξύ του βοηθητικού ηλεκτροδίου και ενός από τα κύρια ηλεκτρόδια. Μ αυτό τον τρόπου δημιουργείται η κύρια εκφόρτιση και καθώς η αντίσταση του δρόμου εκφόρτισης μειώνεται η φωτεινή εκφόρτιση σβήνει και ο λαμπτήρας λειτουργεί κανονικά. Επειδή οι λαμπτήρες εκκινούν χωρίς σημαντική καθυστέρηση και τρεμόπαιγμα συχνά καλούνται λαμπτήρες άμεσης εκκίνησης. Σχήμα 1-12: Κύκλωμα άμεσης εκκίνησης χωρίς προθέρμανση με χρήση βοηθητικού ηλεκτροδίου (πηγή Philips) 1.1.22 Επανέναυση Μετά την διακοπή της λειτουργίας του λαμπτήρα η πίεση των ατμών μειώνεται τόσο γρήγορα που είναι δυνατή η άμεση επαναλειτουργία του. 1.1.23 Μηχανισμός ρύθμισης έντασης φωτισμού (Dimming). Η ρύθμιση της έντασης φωτισμού στους λαμπτήρες φθορισμού μπορεί να επιτευχθεί είτε με χρησιμοποιώντας κυκλώματα «τεμαχισμού» της τάσης (choppers) είτε μεταβλητής συχνότητας μετατροπείς. Τα κυκλώματα τεμαχισμού της τάσης χρησιμοποιούν συνήθως θυρίστορς και η φωτεινή ροή μειώνει έως το 50% της ονομαστικής τιμής της. Κάτω του 50% για να επιτευχθεί θα πρέπει τα ηλεκτρόδια να θερμαίνονται από ξεχωριστό μετασχηματιστή γιατί σε διαφορετική περίπτωση δεν παράγουν τα απαραίτητα ηλεκτρόνια για την λειτουργία του λαμπτήρα. Τέτοιου είδους κυκλώματα χρησιμοποιούν υψηλή συχνότητα για την αποφυγή του τρεμοπαίγματος του φωτός που παράγουν. Στο Σχήμα 1-13 παρουσιάζεται ηλεκτρονικό κύκλωμα για την ρύθμιση της φωτεινής ροής που παράγεται από λαμπτήρα φθορισμού. Η ρύθμιση επιτυγχάνεται με την 17

αύξηση της συχνότητας του ρεύματος τροφοδοσίας κα μπορεί να φθάσει το 10% της ονομαστικής τιμής της. Σχήμα 1-13: Σχηματικό διάγραμμα κυκλώματος ρύθμισης της φωτεινής ροής λαμπτήρα φθορισμού με μεταβολή της συχνότητας λειτουργίας (πηγή Philips) 1.2 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης 1. Για τους λαμπτήρες που θα σας δοθούν στο εργαστήριο συμπληρώστε τα παρακάτω στοιχεία: Ισχύς λαμπτήρα μετρήσεως P λtest = 18 W (λαμπτήρες φθορισμού) Φωτεινή ροή λαμπτήρα μετρ. Φ λst = 1350 lm (από κατασκευαστή @ 25 ο C ± 1 ο C) Θερμοκρασία σφαίρας Θ s = o C Χρησιμοποιώντας το σύστημα λήψης & επεξεργασίας δεδομένων αλλά και την σφαίρα ολοκλήρωσης Ulbricht συμπληρώστε τον παρακάτω πίνακα: 18

Α/Α Τάση Διάταξης (V) Ρεύμα λαμπτήρα (A) Ένταση φωτισμού luxmeter Ε Test (lx) Τάση Λαμπτηρα (V) 1 200 2 210 3 220 4 230 5 240 α) Να σχεδιαστούν οι γραφικές παραστάσεις του ρεύματος του λαμπτήρα, της τάσης του λαμπτήρα, της φωτεινής ροής του λαμπτήρα (ανάλογη της E Test ) συναρτήσει της τάσης τροφοδοσίας με βάση τον πίνακα. β) Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρούμενων μεγεθών καθώς και οι γραφικές παραστάσεις τους. 2. Δίνεται λαμπτήρας φθορισμού ισχύος 18W ο οποίος συνδέεται σε δίκτυο τάσεως 220V/50Hz σε σειρά με στραγγαλιστικό πηνίο (ballast) ισχύος 10W. Η τάση λειτουργίας του λαμπτήρα είναι 59V ενώ το ρεύμα λειτουργίας του 0,515A. Να υπολογισθούν: Η ωμική αντίσταση και η επαγωγική αντίδραση λαμπτήρα και στραγγαλιστικού πηνίου. Η χωρητικότητα κατάλληλου πυκνωτή C που θα τοποθετηθεί παράλληλα στο δίκτυο έτσι ώστε ο τελικός συντελεστής ισχύος να προσεγγίζει την μονάδα. Επιλέξτε τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά που θα πρέπει να παρουσιάζει ο εν λόγω πυκνωτής και επιλέξτε υπαρκτή τιμή και τύπο του εμπορίου. 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