ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Εργαστήριο Φωτοτεχνίας Ενότητα: Μελέτη Χαρακτηριστικών των Λαμπτήρων Μεταλλικών Αλογόνων 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.
1. Σκοπός... 1-4 1.1 Βασικά Μέρη Λαμπτήρα... 1-4 1.1.1 Σωλήνας Εκφορτίσεως... 1-5 1.1.2 Ηλεκτρόδια... 1-5 1.1.3 Θερμικός Διακόπτης... 1-5 1.1.4 Εξωτερικός Κώδωνας... 1-5 1.1.5 Επίστρωση Κώδωνα... 1-5 1.1.6 Αέριο Πληρώσεως... 1-5 1.1.7 Κάλυκας Βάσεως... 1-6 1.1.8 Ισοζύγιο Ενέργειας... 1-6 1.1.9 Φωτεινή Απόδοση... 1-6 1.1.10 Θερμοκρασία Χρώματος και Δείκτης Χρωματικής Απόδοσης... 1-7 1.1.11 Εξωτερικές Επιδράσεις... 1-8 1.1.12 Επανέναυση... 1-8 1.1.13 Κυκλώματα Περιορισμού Ρεύματος (Ballast)... 1-8 1.2 Ερωτήσεις - Θέματα Μελέτης... 1-8 1.2 Βιβλιογραφία:... 10
1. Σκοπός Οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογόνων είναι στην ουσία ειδική κατηγορία λαμπτήρων Hg υψηλής πιέσεως. Η βασική τους διαφορά έγκειται στο γεγονός ότι περιέχουν άλατα αλογόνων συνήθως ιωδιδίου. Τα αλογονίδια αυτά μερικώς εξατμίζονται όταν ο λαμπτήρας φθάσει την ονομαστική θερμοκρασία λειτουργίας του. Στην συνέχεια διασπώνται σε αλογόνο και μέταλλο το οποίο εξατμιζόμενο εμπλουτίζει το εκπεμπόμενο φάσμα του λαμπτήρα. 1.1 Βασικά Μέρη Λαμπτήρα α) β) Σχήμα 1-1: Κατασκευή λαμπτήρα μεταλλικών αλογόνων α) με επίστρωση φωσφόρου και β)καθαρού κώδωνα αυτοεκκινούμενου (πηγή Philis) Τα βασικά μέρη ενός λαμπτήρα μεταλλικών αλογόνων φαίνονται στο Σχήμα 1-1 και είναι: Ο σωλήνας εκφορτίσεως, Τα ηλεκτρόδια, Θερμικός διακόπτης Ο εξωτερικός κώδωνας,
Η επίστρωση του κώδωνα, Το αέριο πληρώσεως και Ο κάλυκας βάσεως 1.1.1 Σωλήνας Εκφορτίσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως είναι κατασκευασμένος από καθαρό χαλαζία. Συχνά, η εξωτερική του επιφάνεια του θαλάμου των ηλεκτροδίων επιστρώνεται με οξείδιο του ζιρκονίου με σκοπό την αύξηση της θερμοκρασίας του τοιχώματος σ αυτό το σημείο. 1.1.2 Ηλεκτρόδια Τα ηλεκτρόδια είναι παρόμοια με εκείνα των λαμπτήρων Hg υψηλής πιέσεως. 1.1.3 Θερμικός Διακόπτης Σε κάποιες περιπτώσεις λαμπτήρων μεταλλικών αλογόνων σε σειρά με ένα από τα δύο κύρια ηλεκτρόδια υπάρχει θερμικός διακόπτης ο οποίος κλείνει όταν η θερμοκρασία αυξηθεί στο εσωτερικό του λαμπτήρα και η εκφόρτιση λαμβάνει χώρα μεταξύ των κύριων ηλεκτροδίων. 1.1.4 Εξωτερικός Κώδωνας Ο εξωτερικός κώδωνας κατασκευάζεται από σκληρό γυαλί είτε σωληνωτής μορφής και διαυγές είτε οβάλ μορφής και επιστρωμένο με φθορίζουσα ουσία. Επίσης σε κάποιες περιπτώσεις (χαμηλής ισχύος) δεν υπάρχει εξωτερικός κώδωνας ενώ σε κάποιες άλλες κατασκευάζεται από χαλαζία. 1.1.5 Επίστρωση Κώδωνα Η εσωτερική επιφάνεια των οβάλ λαμπτήρων επιστρώνεται με φώσφορο για την μετατροπή της υπεριώδης ακτινοβολίας σε ορατή. Στην πράξη, τα αλογονίδια παράγουν μόνο ένα μικρό κομμάτι της ακτινοβολούμενης ενέργειας τους στην υπεριώδη περιοχή. 1.1.6 Αέριο Πληρώσεως Ο σωλήνας εκφορτίσεως πληρώνεται με μίγμα αδρανών αερίων (νέο και αργό ή κρυπτό και αργό), με μια συγκεκριμένη ποσότητα καθαρού υδραργύρου και την απαραίτητη ποσότητα μεταλλικού αλογόνου. Ο εξωτερικός κώδωνας του λαμπτήρα του οποίου ο σωλήνας εκφορτίσεως πληρώνεται με νέον και αργό, πρέπει να πληρωθεί με νέον έτσι ώστε η πίεση του νέον μέσα και έξω από το κώδωνα να είναι ίδια. Εάν χρησιμοποιηθεί μίγμα κρυπτού και αργού τότε θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί άζωτο στον εξωτερικό κώδωνα ή αυτός θα πρέπει να εκκενωθεί.
1.1.7 Κάλυκας Βάσεως Συνήθως χρησιμοποιούνται κάλυκες τύπου Edison Ε40. Σε κάποιες ειδικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ειδικού τύπου κάλυκες που επιτρέπουν την ορθή τοποθέτηση του λαμπτήρα εντός του φωτιστικού. 1.1.8 Ισοζύγιο Ενέργειας Το ισοζύγιο ενέργειας σε λαμπτήρες μεταλλικών αλογόνων διαφανούς κώδωνα παρουσιάζεται στο Σχήμα 1-2. Σχήμα 1-2: Ενεργειακό ισοζύγιο λαμπτήρα μεταλλικών αλογόνων 400W διαφανούς κώδωνα (πηγή Philis) Ισχύς στον σωλήνα εκφόρτισης 364W Θερμικές απώλειες στα ηλεκτρόδια-36w Ορατή ακτινοβολία-97w UV ακτινοβολία από τον σωλήνα εκφόρτισης-15w IR ακτινοβολία από τον σωλήνα εκφόρτισης-98w Θερμικές απώλειες του σωλήνα εκφόρτισης-154w UV ακτινοβολία-5w IR ακτινοβολία-10w Συνολική IR ακτινοβολία-237w Απώλειες αγωγής και μεταφοράς 1.1.9 Φωτεινή Απόδοση Οι φωτεινές αποδόσεις των λαμπτήρων μεταλλικών αλογόνων βρίσκονται στην περιοχή των 70 90 lm/w.
1.1.10 Θερμοκρασία Χρώματος και Δείκτης Χρωματικής Απόδοσης Σχήμα 1-3: Καμπύλες σχετικής φασματικής κατανομής ισχύος λαμπτήρων μεταλλικών αλογόνων (πηγή Philis) Η θερμοκρασία χρώματος σ αυτούς τους λαμπτήρες κυμαίνεται από 3000 0 Κ έως 5600 0 Κ και ο δείκτης χρωματικής απόδοσης βρίσκεται μεταξύ των τιμών 65 και 85.
1.1.11 Εξωτερικές Επιδράσεις Οι λαμπτήρες μεταλλικών αλογόνων είναι περισσότερο ευαίσθητοι στις διακυμάνσεις της τάσης τροφοδοσίας συγκριτικά με τους κλασικούς λαμπτήρες Hg υψηλής πιέσεως. Μείωση ή αύξηση κατά 10% της τάσης τροφοδοσίας οδηγεί σε αισθητή μεταβλητού χρώματος του λαμπτήρα. Επίσης, αύξηση της τάσης τροφοδοσίας οδηγεί σε μείωση του χρόνου ζωής τους. 1.1.12 Επανέναυση Στην περίπτωση που ο λαμπτήρας αυτός σβήσει (μετά από πρόβλημα στην τάση τροφοδοσίας) τότε λόγω της υψηλής πίεσης του σωλήνα εκφόρτισης δεν επιτυγχάνεται επανέναυση του λαμπτήρα. Θα πρέπει να περάσουν 5 με 20 λεπτά ώστε να κρυώσει ο λαμπτήρας και να μειωθεί η πίεση του. 1.1.13 Κυκλώματα Περιορισμού Ρεύματος (Ballast) Τα κυκλώματα ballast που χρησιμοποιούνται στους λαμπτήρες μεταλλικών αλογόνων είναι ίδια με αυτά που χρησιμοποιούνται για τους λαμπτήρες Ηg υψηλής πιέσεως. Η υπέρταση που παρέχεται από τα επαγωγικά ballast δεν είναι επαρκής για την έναυση ενός λαμπτήρα μεταλλικών αλογόνων και για αυτό το λόγο εξωτερικά κυκλώματα έναυσης χρησιμοποιούνται. 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 υδραργύρου HPI lus 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 I Lam (A) V Lam (V) E Lux (klux ) P Lam (W)
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 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 μεταλλικών αλογόνων HPI lus 400W. V in (V) 215 220 225 230 235 240 245 250 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 προηγούμενο πίνακα. β) Να σχολιαστούν οι τιμές των μετρούμενων 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.
1.2 Βιβλιογραφία: 1. Α. Τσακίρης, Φωτοτεχνία, Αθήνα 2004 2. Φ.Ι. Δημόπουλος, Φωτοτεχνία, Ηλεκτρικές συσκευές, εκδόσεις Φ.Δημόπουλου 3. Philis, 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 Philis 8. J. Favie, C. Damen, G. Hietbrink, N. Quaedfield, Lighting 9. C.I.E., Guide and calculations for interior lighting 10. www.oscram.gr 10