Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení 27

Transkript

1 Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení Měření světelného toku a měrného výkonu světelných zdrojů Cíl: Hlavním cílem úlohy je měření světelného toku a měrného výkonu různých světelných zdrojů a následné vyhodnocení naměřených a vypočtených údajů z energetického a ekonomického hlediska Úvod Měrný výkon světelného zdroje, je podíl vyzařovaného světelného toku ku elektrickému příkonu. Je základním ukazatelem účinnosti světelného zdroje a reálně se pohybuje v rozmezí lm/w. Jednotlivé světelné zdroje však při této účinnosti poskytují různé světelné vlastnosti, co se týče spektrálního sloţení, barvy světla atd. Zatímco ţárovky poskytují při velmi malé účinnosti spojité spektrum teplotního záření s prakticky nejlepším barevným podáním, nízkotlaké sodíkové výbojky při svém nejvyšším měrném výkonu ze všech zdrojů mají barevné podání nejhorší. Kompromisem se tak stávají především kompaktní a lineární zářivky s velmi dobrým barevným podáním i měrným výkonem a halogenidové výbojky s rovněţ velkým měrným výkonem, ale i absolutním výkonem a dobrým barevným podáním. V současnosti se stávají perspektivními i svítivé diody na bázi near UV LED čipů s fosforovým lumnoforem, které se vyznačují především v případě výkonových modulů dobrým měrným výkonem i při zachování dobrého spektra a barevného podání. Současnou nevýhodou je u zdrojů pro přímou náhradu za ţárovky, relativně nízký jednotkový výkon Rozbor úlohy Tato laboratorní úloha má názorně ukázat, jaké měřicí postupy se uplatňují při měření světelného toku a následně měření měrného výkonu světelných zdrojů. Světelné zdroje přeměňují dle svého principu elektrickou energii na světlo, které je následně distribuováno podle geometrie světelného zdroje do prostoru. Účinnost přeměny můţeme vyjádřit výkonovými poměry na vstupu a výstupu světelného zdroje, kdy dodaná elektrická energie do světelného zdroje za jednotku času vyprodukuje určité mnoţství světla. Úhrnné mnoţství světla distribuovaného do prostoru za jednotku času vyjadřuje světelný výkon, nebo-li zářivý tok e (W). Lidské oko jako detektor viditelného záření, které nese informaci, však dokáţe vyuţít pouze část záření generovaného světelným zdrojem. Je to dáno jeho fyziologií, která činí oko citlivým pouze na část spektra, navíc se specifickou spektrální citlivostí, která je pro kaţdého jedince odlišná. ro účely vyjádření té části zářivého toku, která se můţe podílet na zrakové vjemu, byla stanovena spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele vyjádřená křivkou V(). Zohledněním uvedené spektrální citlivosti dostaneme ze zářivého toku světelný tok, který je fotometrickou veličinou definovanou vztahem: K e v d ( 3.14 ) kde e () je spektrum zářivého toku světelného zdroje, v() poměrná spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele (Obr. 3.7) a K je konstanta definující normalizovanou maximální citlivost oka na vlnové délce 555 nm, kde K=683 lm/w. U měření světelného toku nás nebude zajímat jeho prostorové rozloţení, ale pouze jeho Obr. 3.7: oměrná spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele

2 28 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně úhrnné mnoţství. bychom toto mnoţství mohli souhrnně určit, musíme prakticky měřit světelný výkon (svítivost) ve všech směrech vyzařování. Svítivost v elementárním prostorovém úhlu pak vytváří elementární světelný tok. Sumací všech elementů světelného toku přes všechny směry vyzařování pak získáme úhrnný světelný tok. Matematicky jde prakticky o integrál s fotometrické plochy svítivosti přes prostorový úhel celého prostoru, tedy: 4, d ( 3.15 ) Měření fotometrické plochy svítivosti je poměrně zdlouhavá záleţitost a integraci fotometrické plochy lze elegantně obejít pouţitím speciální měřicí aparatury, tzv. kulového integrátoru. rincipiálně nám toto zařízení provádí integraci světelného toku za pomocí mnohonásobných rozptylných odrazů, jejichţ výsledkem je vytvoření rovnoměrného rozloţení osvětlenosti (i jasu) vnitřní stěny kulového integrátoru (K) bez ohledu na prostorové rozloţení světelného toku ze zdroje světla. Tento předpoklad je však splnitelný pouze za předpokladu dostatečné odraznosti vnitřního povrchu K a kvalitního difúzního rozptylu, blíţícího se k ideálnímu Lambertovu zářiči. S dostatečnou přesností je pak moţné říci, ţe intenzita osvětlení E (lx) (mnoţství světelného toku dopadajícího na vymezenou plochu) v kterémkoliv bodě na vnitřním povrchu K je stejná a je přímo úměrná celkovému světelnému toku světelného zařízení umístěném v K, tedy: E 1 K K c (lx; lm/lx, lm) ( 3.16 ) kde c je celkový tok v prostorovém úhlu 4, tj. celém prostoru obklopujícím zdroj světla a K K (lm/lx) je konstanta kulového integrátoru pro přepočtení změřené intenzity osvětlení na světelný tok zdroje světla v K. ro měření fotometrických veličin vyuţíváme detektoru na bázi křemíkové fotodiody jejíţ spektrální citlivost je vhodná pro měření v oblasti viditelného světla, nicméně musí být korigována filtrem, tak aby výsledná poměrná spektrální citlivost odpovídala v() křivce na Obr Kdyţ je foto-dioda vystavena světlu generuje fotoproud, který je úměrný zářivému toku dopadajícímu na aktivní plochu detektoru a jeho spektrální citlivosti: e d ( 3.17 ) kde () je spektrální citlivost jejíţ relativní průběh musí odpovídat v() křivce (Obr. 3.7). okud uvaţujeme s běţnou aktivní plochou do 1 cm 2, je velikost foto-proudu v řádu n aţ, coţ je hodnota pro měření velice malá. Navíc, závislost foto-proudu na dopadajícím světelném toku je lineární pouze v případě zatíţení foto-detektoru nulovou impedancí. ouţití běţných měřících soustav, tady znamená rozsahové omezení. S výhodou se proto pro měření foto-proudu vyuţívají měřící operační zesilovače v transimpedanční konfiguraci na jejichţ výstupu je napětí úměrné foto-proudu, které lze jiţ měřit běţnými prostředky. Schéma zapojení foto-detektoru ve foto-voltaickém módu s trans-impedančním zesilovačem, včetně parazitních parametrů obvodu, je na Obr Zesílení zesi- Fotodetector C J R S R Sh C C F R F - + +Ucc Op-amp -Ucc Obr. 3.8: Schéma foto-detektoru s operačním zesilovačem U

3 Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení 29 lovače je dáno zpětno-vazebním rezistorem R F, potom: U R F ( 3.18 ) konečně, výsledný foto-článek je detektorem intenzity osvětlení, jelikoţ snímá světelný tok dopadající na plochu detektoru. Výslednou intenzitu osvětlení dostaneme jako: E K U H (lx; lx/v, V) ( 3.19 ) kde K H je kalibrační konstanta fotočlánku. ro měření světelného toku v K můţeme tedy pouţít luxmetr, kdy výslednou hodnotu světelného toku vypočteme z konstanty K K, nebo můţeme pouţít fotočlánek dle Obr. 3.8 s voltmetrem, kdy pro přepočet na výslednou hodnotu světelného toku pouţijeme konstantu celého systému K MS (lm/v), která je součinem K K a K H. odělením světelného toku činným příkonem dostaneme měrný výkon světelného zdroje, který je základní charakteristickou vlastností všech elektrických světelných zdrojů, vyjadřující efektivnost přeměny: Mz (lm/w;lm,w) ( 3.20 ) Měrný výkon není bezrozměrnou veličinou a to v důsledku zahrnutí spektrální citlivosti pozorovatele. Měrný výkon vţdy uvádíme pro nominální parametry světelných zdrojů, tzn., změřených při nominálním na pájecím napětí a v ustáleném stavu po uplynutí tzv. zahřívací periody, která je typicky 5 min pro ţárovky a 20 min pro výbojky a LED zdroje. říkon je moţné měřit wattmetrem nebo pouţít údaj výrobce. okud bychom chtěli vyjádřit účinnost přeměny elektrické energie na viditelné světlo zpracovatelné lidským zrakem, vyjdeme z maximální teoretické velikosti měrného výkonu světelného zdroje, který by musel být rovem maximální spektrální citlivosti normalizovaného pozorovatele K=683 lm/w. otom je účinnost přeměny světelného zdroje na světelný tok v procentech: Z 100 K (%; lm, W, lm/w) ( 3.21 ) Na druhou stranu světelný zdroj s účinností 100% by vyzařoval monochromatické světlo na vlnové délce 555 nm, tj. s barevným podáním rovným 0. říklady měrných výkonů světelných zdrojů jsou uvedeny na Obr Obr. 3.9: Měrné výkony typických zdrojů světla v součastné době

4 30 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Schéma zapojení měřícího pracoviště je na Obr Nominální napětí je udrţováno auto-transformátorem. říkon světelného zdroje je měřen digitálním wattmetrem, který měří i napětí, proud, celkový účiník odběru atd. Zobrazení jednotlivých veličin je prováděno přepínačem na panelu wattmetru. ouţitý fotočlánek je na Obr Jeho maximální výstupní napětí je 10V a jeho poměrná spektrální citlivost je na Obr Hodnotu měřeného napětí ne nutné udrţovat ve vhodném rozsahu přepínáním zesílení fotočlánku. Stejnosměrná hodnota napětí fotočlánku odpovídající velikosti světelnému toku je měřena digitálním voltmetrem. řevodní konstantu měřícího systému v lm/v zjistíte na místě. utotransformátor L Wattmetr ~230 V N B C N U B C Voltmetr V řepínač měřené veličiny Světelný zdroj Kulový integrátor Foto-článek Clonka proti přímému osvitu Obr Schéma měřícího pracoviště Obr Fotočlánek Úkol měření Změřte světelný tok, příkon a případně další parametry předloţených světelných zdrojů a dopočítejte měrný výkon. Získané výsledky vyhodnoťte a porovnejte s teoretickými hodnotami. Všechny měřené parametry porovnejte s údaji výrobce, pokud jsou dostupné ostup měření 1. Zapojte měřící pracoviště podle schématu. okud je úloha zapojená, zapojení překontrolujte a zaznamenejte skutečné zapojení. Silový obvod k napájecí síti nepřipojujte! 2. řipojte wattmetr síťovou šňůrou a seznamte se s jeho funkcí. Ţádné obvody nezapojujte k napájecí síti! 3. řipojte zdroj (adaptér) fotočlánku (zesilovače) k napájecí síti a jeho výstup na voltmetr, na kterém nastavte správný měřící rozsah. 4. Vyčkejte příchodu cvičícího, který zkontroluje zapojení a provede připojení silového obvodu na napájecí síť! 5. Vloţte světelný zdroj do objímky v kulovém integrátoru zavřete jej. ři manipulaci se světelným zdrojem vţdy odpojte napájení silového obvodu! ři manipulaci v kulovém integrátoru si počínejte maximálně opatrně, neboť hrozí jeho zničení! 6. Zapněte napájení a při udrţování nominálního napětí na zdroji vyčkejte do ustálení výstupního světelného toku a příkonu sv. zdroje. okud není výstup zesilovače fotočlánku v patřičném rozsahu, proveďte v koordinaci se cvičícím změnu jeho zesílení.

5 Uţití elektrické energie. Laboratorní cvičení Odečtěte příslušnou výchylku na voltmetru, reprezentující světelný tok zdroje. Na wattmetru odečtěte příkon světelného zdroje a případně další měřené veličiny dle pokynu cvičícího. Hodnoty zapište do tabulky. 8. Světelný zdroj odpojte od napájení a vyjměte jej z kulového integrátoru. ozor na teplotu světelného zdrje! 9. ostup v bodech 5 aţ 8 opakujte pro celou mnoţinu světelných zdrojů zadanou cvičícím. 10. ro vybraný světelný zdroj je moţné provést měření závislosti parametrů světelného zdroje na napětí. 11. Ke kaţdému zdroji dopočtete měrný výkon a jeho účinnost a vyhodnoťte Zpracování výsledků Zaznamenané, naměřené a vypočtené hodnoty zpracujte do přehledné tabulky a vyhodnoťte. V případě měření závislosti na napájecím napětí doplňte o vhodné grafické výstupy Závěr Výsledky měření vyhodnoťte a porovnejte s teoretickým předpokladem a hodnotami udanými výrobci. Zhodnoťte taky barevné podaní konkrétního zdroje. Shrnutí: Hodnota měrného výkonu patří mezi základní ukazatele o účinnosti světelného zdroje a tedy určuje i výslednou energetickou efektivnost jejich pouţití v rámci osvětlovacích soustav.