12 12.1 Zadání úlohy a) změřte dynamickou charakteristiku svítivosti zářivky při studeném startu b) změřte proud procházející obvodem zářivky, činný výkon a účiník zářivky a napětí na jednotlivých částech obvodu zářivky c) změřte hysterezi mezi rozsvícením a zhasnutím zářivky d) změřte voltampérovou charakteristiku přípravku se zářivkou e) změřte závislost svítivosti zářivky na napájecím napětí f) změřte závislost svítivosti žárovky na změně napájecího napětí (podpětí a přepětí) g) analyzujte závislost svítivosti zářivky a žárovky na napětí a tyto parametry svítidel porovnejte. 12.2 Teoretický rozbor 12.2.1 Popis principu rozsvícení zářivky Rozsvícení zářivky sestává z několika kroků: a) ze začátku prochází proud pouze tlumivkou a startérem, který je sepnut a zatížen celým proudem b) elektrody uvnitř trubice se začínají zahřívat a dochází u nich k tepelné ionizaci plynu uvnitř trubice; tato ionizace způsobí, že mezi elektrodami začíná procházet malý proud; je to poměrně malý proud, vlivem malého napětí mezi elektrodami nemůže dojít k zapálení stabilně hořícího oblouku c) elektrody se po chvilce zahření natolik, že mezi nimi začne procházet větší proud, tím se odlehčí startér, který se rozepne d) rozepnutí startéru způsobí odpojení RL obvodu o zdroje napětí, toto odpojení způsobí indukční špičku o velikosti okolo 1000V. e) indukční špička na elektrodách způsobí zapálení stabilního oblouku. 12.2.2 Popis činnosti zářivky Zářivkové trubice pracují na principu elektrického výboje v plynných směsích. Pro dosažení výboje potřebujeme 2 elektrody (2 dráty), mezi kterými je dostatečně veliké napětí, které způsobí... Sama zářivka je nizkotlaká výbojka, která využívá jeden z druhů výboje obloukový. Obloukový výboj má obvykle termoemisní katodu, což je zařízení kus drátu, který je schopen při vysokých teplotách (>900 C) emitovat (generovat, produkovat) dostatečné množství elektronů. Jde o tzv. povrchovou ionizaci (nazývána též povrchová emise), která nastává při dostatečně vysokých teplotách za současného bombardování povrchu katody kladnými ionty, které tak odevzdávají katodě svou kinetickou energii, což se projevuje zahříváním katody. Tyto jevy jsou tedy provázané. Tyto volné elektrony jsou následně urychleny elektrickým polem mezi dvěma elektrodami. Takto urychlené elektrony se srazí s atomy plynné náplně výbojky (u zářivek nejčastěji rtuť), ionizují je uvolní z atomu další elektrony z valenční vrstvy, tyto elektrony se opět urychlují atd.tento jev se nazývá ionizace plynu vzniká nízkoteplotní plasma. Ovšem srážka elektronu a atomu nemusí vždy vyvolat ionizaci na tu je potřeba více energie a když se srazí elektron s nižší energií s atomem, atom přijme jeho energii a samovolně ji vyzáří v podobě světla (případně UV záření). Zářivky mají jako aktivní látku výboje směs argonu a rtuti, rtuť vyzařuje UV záření a to se transformuje pomocí luminoforu (vnitřní vrstva na trubici) do oblasti viditelného záření světla. Vlnová délka (barva) tohoto světla závisí na materiálu luminoforu. Zářivka se skládá z těchto základních částí: trubice, tlumivka a startér. Jako doplňkovou část používáme kondenzátor kvůli zmírnění rušení a kompenzaci účiníku. Právě již zmíněné rušení je jedním z hlavních problémů při používání především tzv.kompaktních zářivek (zářivka s klasickým žárovkovým závitem) s induktivním předřadníkem i s elektronickým obvodem, který předřadník nahrazuje, neboť toto rušení ve formě vyšších harmonických ovlivňuje průběh napětí ve spotřebitelské síti. Rozsvícení zářivky tedy probíhá v několika krocích. My však zaregistrujeme tři základní stavy rozsvícení. Po připojení zářivky na síťové napětí trvá asi 1 2 sekundy, než dojde uvnitř trubice k zapálení oblouku. Po tuto dobu dochází k předehřívání elektrod, ze kterých budou později uvolňovány elektrony potřebné k přenosu náboje (vedení proudu). Po zapálení oblouku je nutno asi 1 3 minuty počkat, než - 1 -
zářivka dosáhne plné svítivosti. Tento přechodový jev lze připsat ustálení hoření oblouku a ustálení chování luminiscenční vrstvy na vnitřním povrchu trubice. 12.2.3 Vzorce pro výpočet výkonů Početní vztahy pro výpočty výkonů střídavého proudu vycházejí z fázorového diagramu. Při odvození se užívají základní trigonometrické poučky. Činný výkon P měříme wattmetrem. Zdánlivý výkon S dopočítáváme podle vztahu: Jalový výkon počítáme podle sinovy věty: S = U * I [12.1] Q = U * I *sin ϕ [12.2] Vztah pro výpočet činného výkonu P vychází z kosinové věty: P = U * I * cos ϕ [12.3] Vzorec pro výpočet účiníku cosφ je odvozen z [12.3]: cos ϕ = P U * I [12.4] 12.3 Schéma zapojení 12.4 Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot 12.4.1 Tabulka pro měření proudu, výkonů, účiníku a napětí na jednotlivých částech zářivky U [V] U t [V] U z [V] I [ma] P [W] S [VA] Q [VAr] cosφ [-] 230 12.4.2 Vysvětlivky k tabulce proudu, napětí, výkonů a účiníku U napětí v síti (měříme voltmetrem) U t napětí na tlumivce (měříme voltmetrem) U z...napětí na zářivce (měříme voltmetrem) I odebíraný proud (měříme ampérmetrem) P...činný výkon soustavy (měř. wattmetrem) S zdánlivý výkon soustavy (vypočítáme S=U*I) cosϕ účiník (vypočítáme cosϕ=p/s) Q jalový výkon soustavy (Q=U*I*sinϕ) 12.4.3 Tabulka pro měření dynamické charakteristiky svítivosti při studeném startu - 2 -
t [s] E [Lux] t [s] E [Lux] 0 100 10 110 20 120 30 130 40 140 50 150 60 160 70 170 80 180 90 190 12.4.4 Vysvětlivky k tabulce pro měření dynamické charakteristiky t čas měřený od zapálení oblouku zářivky E intenzita osvětlení v dané vzdálenosti od trubice 12.4.5 Tabulka pro měření hystereze zapálení a zhasnutí oblouku zářivky U Zap [V] U Zh [V] 12.4.6 Tabulka pro měření voltampérové charakteristiky zářivky U[V] I[mA] P[W] S[VA] cosϕ[-] Q[VAr] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150-3 -
160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 12.4.7 Vysvětlivky k tabulce pro měření voltampérové charakteristiky U napětí na výstupu regulačního autotransformátoru I proud odebíraný soustavou P činný výkon soustavy (měříme wattmetrem) S zdánlivý výkon soustavy (S=U*I) cosϕ účiník zátěže (cosϕ=p/s) Q jalový výkon zátěže (Q=U*I*sinϕ) 12.4.8 Tabulky pro měření změny svítivosti zářivky a žárovky v závislosti na změnách napětí (podpětí, přepětí) ZÁŘIVKA U [%] U [V] E [lx] E [%] 90 207 95 218,5 100 230 100 105 241,5 110 253 12.4.9 Vysvětlivky k tabulkám 12.4.8 12.5 Postup měření ŽÁROVKA U [%] U [V] E [lx] E [%] 90 207 95 218,5 100 230 100 105 241,5 110 253 U [%] napájecí napětí v procentech vztaženo k napětí U N = 230 V U [V] napájecí napětí ve voltech (U[V] = U N * U [%]) E [lx] naměřená hodnota osvětlenosti pod zářivkou E [%] procentuelní osvětlenost osvětlenost při 230 V bereme jako 100 % a značíme E N a) Zapojíme obvod podle schématu a na regulačním autotransformátoru nastavíme 230V. Pod zářivkovou trubici položíme senzor luxmetru. Ve chvíli, kdy se v trubici zářivky zapálí obloukový výboj, odečteme z displeje luxmetru hodnotu osvětlení v čase 0s a tuto hodnotu zapíšeme do tabulky. Dále do tabulky zapisujeme hodnoty osvětlení každých 10 sekund. Měří se po dobu 190 sekund; po uplynutí této doby by měla trubice dosáhnout plné svítivosti. Tuto úlohu je třeba měřit s vychladnutou trubicí, abychom zachytili celý přechodový děj. Z naměřených hodnot sestrojíme dynamickou charakteristiku. S ohledem na naměřené hodnoty je třeba ocejchovat stupnici osy y. b) Vycházíme ze zapojení z bodu a). Z měřících přístrojů odečteme hodnoty napětí, činného výkonu a proudu. Při měření proudu je třeba brát v zřetel, že ampérmetr měří nejen spotřebu zářivkového systému, ale také spotřebu měřících přístrojů, která není vždy zanedbatelná. Pokud pro měření používáme digitální multimetr (vnitřní odpor 10 až 20 MΩ), jeho spotřeba je řádově v desítkách - 4 -
12.6 Grafy mikroampér a lze ji zanedbat. Odpor napěťové cívky wattmetru je však nedostatečný (jednotky až desítky kω) a zanedbáním proudového odběru této cívky by vedlo ke značné chybě metody. Proto při odečítání hodnoty proudu odpojujeme napěťovou cívku wattmetru a tuto metodickou chybu tím zcela odstraníme. Z naměřených hodnot dopočítáme hodnoty zdánlivého a jalového výkonu a účiníku. c) Abychom zjistili hysterezi mezi zapálením a zhasnutím oblouku zářivky, musíme zvyšovat napětí na soustavě pomocí regulačního autotransformátoru od nuly až do napětí, při kterém se zářivka rozsvítí. Jakmile začne zářivka problikávat, přestaňte se zvyšování napětí a vyčkejte, jestli během několika vteřin nedojde k zapálení oblouku. Pokud ne, zvyšte napětí o několik voltů a vyčkejte, k zapálení pravděpodobně již dojde. Hodnotu tohoto napětí napište do tabulky 12.4.5 (U ZAP ). Dále budeme napětí snižovat, a to až do napětí, při kterém zářivka zhasne (U ZH ). Tuto hodnotu opět zapíšeme do tabulky 12.4.5. Tato napětí zakreslete spolu s hysterezí smyčkou do grafu 12.6.2. d) Autotransformátorem zvyšujeme napětí na soustavě od 10V do 250V po 10V krocích. Při každém napětí odečteme hodnotu proudu, výkonu, dopočítáme hodnotu účiníku, zdánlivého a jalového výkonu. Hodnoty proudu a činného výkonu vyneseme do grafu. Při odečítání hodnot proudu opět rozpojujeme obvod napěťové cívky wattmetru. e) Zářivkovou soustavu připojíme na jmenovité napětí (U N =230 V) a změříme ustálenou osvětlenost luxmetrem umístěným pod zářivkou. Poté snížíme napájecí napětí o 5 % a opět měříme osvětlenost. Stejně postupujeme i pro podpětí 10 % a přepětí 5 a 10 %. 12.6.1 Dynamická charakteristika svítivosti při studeném startu E [lux] 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 t [s] 12.6.2 Hysterezní smyčka zapálení a zhasnutí oblouku zářivky Stav zářivky 1 - svítí 0 - nesvítí 1 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 U [V] - 5 -
12.6.3 Grafická závislost odebíraného proudu na napětí (při postupném zvyšování napětí) I [A] 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 U [V] 12.6.4 Grafická závislost odebíraného činného výkonu na napětí (při postupném zvyšování napětí) P[W] 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 U [V] - 6 -
12.6.5 Graf závislosti svítivosti zářivky a žárovky (osvětlenosti pod zářivkou a žárovkou) na kolísání napájecího napětí E [%] E[%] procentuelní změna osvětlenosti vzhledem k E N (při 230V) U [%] -10-5 0 5 10 U[%] procentuelní změna napětí vzhledem k U N =230V (simulování kolísání napětí) Poznámka k grafu 12.6.5: Charakteristiku zářivky sestrojte jinou barvou, než charakteristiku žárovky 12.7 Zhodnocení a závěr měření Datum vypracování: Připomínky k protokolu: Podpis studenta: Hodnocení - LABORATOŘ: CELKOVÉ HODNOCENÍ: - 7 -