SURSE DE ILUMINAT
SURSE DE ILUMINAT
Generalitati
Sursele moderne de lumin sunt dispozitive de utilizare ce
convertesc energia electric n radiaii electromagnetice cu diverse
lungimi de und. Conversia energetic se realizeaz prin fenomenele de
incandescen i luminiscen.
Incandescena const n emisia de radiaii vizibile ca urmare a
creterii temperaturii unui corp numit radiator termic.
Luminiscena este proprietatea materiei de a emite lumin atunci
cnd particulele componente, atomi sau molecule, sunt excitate prin
alte procedee dect cele termice. n ambele situaii radiaiile
luminoase, caracterizate prin (([380, 760]nm, sunt generate ca
urmare a trecerii electronilor din stri energetice superioare n
stri energetice sczute.
Sub aspect energetic, sursele de lumin se caracterizeaz prin
durata de funcionare D definit ca timpul dup care fluxul luminos
scade la 80% din valoarea iniial. Dup depirea acestui timp,
funcionarea lmpii devine neeconomic din punct de vedere
energetic.
1. Lmpi electrice cu incandescenLampa cu incandescen este un
transformator de energie electric n energie luminoas. Conversia
energetic se realizeaz pe baza efectului Joule-Lenz al curentului
electric ce aduce la incandescen un filament metalic ce va emite
att cldur ct i lumin. Ca element de circuit, lampa cu incandescen
este un rezistor neliniar, inerial, cu o caracteristic volt-amper
simetric (fig.1).
Lmpile cu incandescen, dei prezint o mare varietate de tipuri
constructive, pot fi grupate n:
lmpi cu incandescen clasice
lmpi cu incandescen cu halogeni
1.1. Lmpile cu incandescen clasice Principalele elemente
constructive sunt:
- balonul din sticl,
- filamentul metalic i
- soclul (fig.1.1)Balonul sau anvelopa lmpii are rolul de a
evita contactul dintre aerul atmosferic i filament. El are forme
diferite (standard, sferic, lumnare, ptrat) n funcie de destinaia
izvorului de lumin. Se poate realiza din diverse tipuri de
sticla.
Baloanele din sticl clar transmit n totalitate lumina, dar
prezint o luminozitate ridicat, jenant. Din acest motiv se prefer
baloanele din:
sticl mat cu asperiti obinut pe cale chimic sau mecanic;
sticl lptoas ce are n compoziie oxizi de thoriu sau fosfor;
sticl opal (opalin) obinut prin acoperirea sticlei clare cu un
strat de sili-cai, sau prin includerea n masa sticlei a unor
suspensii de ipsos, talc, oxizi de plumb etc.
sticl opalizat prin procedee electrostatice sau prin depunerea
unui strat subire de oxid de titan;
sticl colorat i sticl de tip solar cu spectru corectat.
Sticlele mate, lptoase, opaline i opalizate sunt destinate
confecionrii lmpilor cu lumin difuz ce asigur un microclimat
luminos confortabil.
Soclul lmpii prezint diverse variante constructive (cu filet tip
Edison, baionet tip Swan, neted tip sofit cu contacte la ambele
capete ale lmpii de form cilindric) i asigur legtura mecanic i
electric la dulia corpului de iluminat. n funcie de domeniul de
utilizare i tipul constructiv al sursei de lumin, soclurile se
confec-ioneaz din aluminiu, alam sau alam nichelat.
Filamentul lmpii se poate realiza din diverse metale greu
fuzibile (tantal, rheniu, molibden, wolfram), dar se prefer
wolframul sau tungstenul caracterizat prin temperatur de topire
ridicat (3665 K), rezisten mecanic bun, volatilizare redus la
temperaturi nalte i ductibilitate apreciabil, fapt care permite
obinerea prin trefilare a unor fire cu un nalt grad de
uniformitate.
Lmpile cu incandescen de utilizare curent se construiesc pentru
tensiuni de 125/130, 220 i 230 V, au puteri de 15 .. 1000W,
eficacitate luminoas de 10 .. 18 lm/W i o durat de funcionare de
1000 ore.
1.2. Lmpi cu incandescen cu halogeniPerformanele lmpilor cu
incandescen clasice sunt limitate de volatilizarea intens a
filamentului la temperaturi ridicate. n vederea diminurii acestui
proces, concomitent cu mrirea duratei de funcionare i a puterii
unitare, au fost concepute i realizate lmpile cu incandescen cu
halogeni.
Constructiv, lmpile cu halogeni sunt constituite dintr-un tub
cilindric de cuar (material care rezist la temperaturi ridicate),
un filament axial din wolfram dublu spiralat i un gaz de umplere
(Ar+N, Kr+N, n ultimul timp Kr+Xe) ce conine o cantitate bine
determinat de halogen (fig.1.2)
Comparativ cu lmpile cu incandescen clasice, lmpile cu ciclu
regenerativ de iod se caracterizeaz prin:
flux luminos constant pe ntreaga durat de funcionare, care este
de 2000 de ore;
absena nnegririi balonului;
dimensiuni de gabarit reduse la puteri mari, ceea ce conduce la
noi aspecte estetice ale instalaiilor de iluminat interior, n
special;
contactele au temperaturi de lucru de 200..300(C i implic
socluri de porelan sau calit;
la manevrarea lmpii se interzice contactul balonului cu
epiderma, altfel acizii grai ce rmn pe balon conduc la
devitrificarea cuarului n timpul funcionrii i la distrugerea
lmpii;
2. Lmpi fluorescente cu vapori de mercur de joas presiune
Lmpile fluorescente sunt surse de lumin moderne ce utilizeaz
fenomenele de electro- i fotoluminescen, ca urmare a descrcrilor
electrice n gaze inerte i vapori de mercur la joas presiune.
2.1. Construcia lmpilor fluorescente
O astfel de surs de lumin se compune (fig. 2.1) dintr-un
cilindru de sticl de forme diferite (liniar, circular, U etc.) a
crui lungime (L100...2400mm) i diametru (=10...58mm) depinde de
puterea izvorului de lumin (Pl=4...200 W). Pereii exteriori sunt
acoperii cu pudr fluorescent, la capete se prevd doi electrozi, iar
tubul este umplut cu gaz inert la joas presiune i cteva miligrame
de mercur lichid i n stare de vapori.
Electrozii de tip preactivat sunt filamente de wolfram dublu
spiralate acoperite cu oxizi alcalino-pmntoi ce au o puternic
emisiune termoelectronic la temperatura de regim (900C) a
catozilor.
Gazul de umplere, argon la o presiune de 3...4 mmHg , are rolul
de a uura amorsarea descrcrii, fiind uor ionizabil.
Pudra fluorescent are n structur o substan de baz (luminoforul
propriu-zis), un activator metalic i o substan auxiliar. Aceste
materiale, bine omogenizate, se topesc la temperaturi ridicate,
apoi se macin i rezult un amestec pulverulent a crui cristale sunt
de ordinul micronilor (2...4m). Pudra fluorescent, mpreun cu un
liant (nitroceluloz) formeaz o past fluid ce se depune pe peretele
interior al lmpii.
n calitate de luminofori se utilizeaz diveri silicai, wolframai
sau borai ce au fluorescene diverse (galben-verzui, albastru,
roietic etc).
2.2. Dispozitive de pornire reglare
Punerea n funciune a lmpilor fluorescente se face la o tensiune
mai mare dect cea de regim (tensiunea de aprindere), iar dup
amorsarea descrcrii n arc se impune limitarea curentului prin lamp.
Aceste condiii de amorsare i stabilizare a descrcrii se realizeaz
cu ajutorul unor elemente auxiliare de circuit, numite generic
dispozitive de pornire-reglare i constituite din starter i
balast.
Starterul are rolul de a asigura prenclzirea filamentelor i de a
ntrerupe, dup un anumit timp, curentul acestora. El se prezint sub
diverse forme constructive i una din variantele larg utilizate este
starterul cu licrire. Acesta (fig. 2.2) se compune dintr-un tub de
sticl umplut cu gaz inert (Ne, Ar) la joas presiune i prevzut cu
doi electrozi, unul fix -din nichel i cellalt mobil din bimetal.
Dup principiul de funcionare, starterul descris este o lamp cu
electrozi reci ce lucreaz n regim de licrire normal, iar dup funcia
de circuit ndeplinit este un contact normal deschis cu temporizare
la nchidere.
Pentru corecta funcionare a montajelor cu starter este necesar
ca ntre tensiunile : Us de amorsare a starterului, Ul de regim a
lmpii i Ur a reelei de alimentare s existe relaia :
Ul < Us < Ur
Balastul sau aparatul de preconectare are rolul de a asigura
supratensiunea de amorsare a lmpii la ntreruperea circuitului de
filamente de ctre starter i de a menine stabil punctul de
funcionare al descrcrii n arc.
2.3. Funcionarea lmpilor fluorescente n montaje cu starter cu
licrire
S considerm (fig. 2.3) un balast inductiv BI nseriat cu o lamp
fluorescent LF ale crei filamente F sunt interconectate prin
starterul S.
La conectarea montajului la reea, tensiunea de alimentare ur se
regsete la bornele starterului i n acesta se amorseaz o descrcare
normal n licrire ce va nclzi gazul inert. De la acesta se nclzete
bimetalul, care se dilat i, n final, nchide contactul normal
deschis. Curentul din circuitul + us, F, S, F, BI, - us nclzete
puternic filamentele i pregtete lampa fluorescent pentru amorsare
(se ionizeaz gazul inert i se vaporizeaz mercurul).
ntre timp, gazul din starter se rcete, bimetalul revine n poziia
iniial i ntrerupe brusc circuitul de filamente.
2.4. Montaje cu lampi fluorescente
2.4.1. Montaje cu aprindere cu starter
Starterul are rolul de a nchide circuitul format din balast
(drosel) i electrozii lmpii, iar dup prenclzirea filamentelor s-l
ntrerup brusc. Variaia rapid a curentului prin balast genereaz,
prin autoinducie, un impuls de tensiune care va amorsa lampa.
Montajul cu balast inductiv (fig.2.4-a) se obine prin nserierea
lmpii fluorescente cu o bobin D cu miez de fier i ntrefier.
Montajul cu balast capacitiv (fig.2.4-b) are elementul de
limitare stabilizare a descrcrii format din ansamblul serie drosel
normal D - capacitor C, astfel ales nct lampa s funcioneze la
curentul nominal.
Montajul duo (fig.2.5) rezult prin conectarea n paralel, n
acelai corp de iluminat, a unui montaj inductiv cu unul capacitiv.
n acest caz efectul stroboscopic este practic nlturat datorit
defazajului de circa 120 electrice ntre curenii lmpilor, deci i
ntre fluxurile luminoase emise.
Montajul tandem (fig. 2.6-a) permite alimentarea n serie a dou
lmpi de 20 W prin intermediul unui balast inductiv sau capacitiv,
destinat lmpilor de 40W. Montajul lucreaz la un factor de putere km
0,4...0,5 i este frecvent ntlnit la corpurile de iluminat echipate
cu dou lmpi LFA 20.
Montajul dublu tandem ( fig. 2.6-b ) rezult din conectarea n
paralel, pe acelai corp de iluminat, a dou montaje tandem, unul cu
balast inductiv i cellalt cu balast capacitiv. Ansamblul are
avantajele prezentate la montajele duo i lucreaz la km 0,95.
3. Lmpi cu descrcri n vapori de mercur3.1. Lmpi cu vapori de
mercur la joas presiune
Structura de principiu a unei astfel de lmpi are urmtoarele
elemente:
un tub de descrcare din sticl sau ceramic, prevzut la capete cu
electrozi din wolfram i n care se gsete un gaz inert i o anumit
cantitate de mercur sau sodiu;
structur metalic pentru centrarea-fixarea tubului de descrcare i
alimentarea cu energie electric a electrozilor;
un balon protector din sticl ce poate fi vidat sau umplut cu un
amestec de gaze inerte din punct de vedere electric;
un soclu metalic (filetat, baionet sau alt variant
constructiv).
Clasificarea acestor izvoare de lumin se face dup natura
vaporilor metalici i presiunea lor din timpul funcionrii. Conform
acestui principiu deosebim:
- lmpi cu vapori de mercur la joas sau nalt presiune;
- lmpi cu vapori de sodiu la joas sau nalt presiune.Lampa
(fig.3.1) se compune dintr-o incint cilindric de sticl 1, n care se
introduce un gaz inert (argon, neon) la joas presiune i cteva
miligrame de mercur. La capetele acestui tub de descrcare se
plaseaz electrozii principali E1 i E2 (filamente dublu spiralate
din tungsten) acoperite cu materiale termoemisive (oxizi de bariu,
stroniu, calciu). n vecintatea unuia din electrozii principali, E1,
se dispune electrodul auxiliar E3, conectat prin rezistena de
limitare R=25 k( la cellalt electrod principal. Ansamblul descris,
inclusiv cile de curent 2 i elementele de susinere 3, se protejeaz
de aciunea distructiv a mediului prin balonul cilindric 4, din
sticl clar. Spaiul dintre cele dou incinte se umple cu gaz inert
(argon, azot) ce are rolul de a uniformiza temperatura tubului de
descrcare n regim normal de funcionare i de a evita apariia arcului
electric ntre intrrile de curent. Balonul de sticl are la unul din
capete soclul filetat 5.
Lmpile cu descrcri n vapori de mercur la joas presiune au puteri
cuprinse n gama P=801000 W, eficaciti luminoase de =3040 lm/W,
durate de funcionare D=3000 ore i se recomand numai pentru
iluminatul exterior deoarece au un indice de redare a culorilor IRC
de valoare sczut.3.2. Lmpi cu vapori de mercur la inalta
presiune
Lampa cu vapori de mercur la nalt presiune (fig.3.2) are ca
principal element constructiv un tub de descrcare 1 din sticl de
cuar transparent la radiaii ultraviolete i rezistent la temperatura
de regim a arcului electric. n tub se introduce un gaz inert
(argon) i mercur (10..300 mg n funcie de puterea lmpii), iar la
capete se prevd electrozii principali E1, E2 i electrodul secundar
E3. Electrodul principal este constituit dintr-o baghet metalic pe
care se nfoar un filament de wolfram dublu spiralat i acoperit cu
material termoemisiv. Electrodul secundar este o srm de wolfram sau
molibden plasat n vecintatea unui electrod principal i conectat
galvanic la cellalt electrod principal prin rezistena de limitare
R=25 k.
Tubul de descrcare, elementele de susinere 2, cile de curent 3 i
rezistenele de limitare se introduc ntr-un balon ovoidal de sticl 4
a crui form corespunde cu una din izotermele (~350oC) cilindrului
de cuar. Balonul 4 este umplut cu gaz inert (argon, argon+azot) ce
ajunge la presiunea atmosferic n timpul funcionrii lmpii.
Anvelopa de sticl 4 are funciuni multiple i anume: protejeaz
elementele componente ale sursei de aciunea distructiv a factorilor
de mediu; asigur echilibrul termic al descrcrii n arc prin
uniformizarea pierderilor convective, deci independena funcionrii
de temperatura mediului ambiant; absoarbe radiaiile ultraviolete i
permite modificarea caracteristicilor fotometrice ale descrcrii;
diminueaz, prin mtuirea suprafeei interioare, luminana ridicat a
tubului de descrcare.
Lampa este prevzut cu un soclu metalic 6 cu filet E27 sau E40
(la puteri mari) a crui temperatur este de maximum 200 oC,
respectiv 250 oC.
Racordarea la reea se face prin intermediul unui balast inductiv
B, iar aprinderea lmpii are loc n dou etape, ca i n cazul lmpilor
de joas presiune.Descrierea intrerupatoarelor
utilizate1.Intrerupator simplu (uniploar)Intrerupatorul simplu
inchide si deschide o conexiune electrica (pe un singur fir)
2.Intrerupator cap scara
Intrerupatoarele cap scara nu sunt doar simple aparate care
inchid si deschid circuitul ca in cazul unui simplu intrerupator.
Ele joaca rolul unui comutator, avand in permanenta un contact
inchis (indiferent de pozitia lui pornit/oprit)
3.Intrerupator cruce
Spre deosebire de intrerupatoarele cap scara care comuta intre
doua pozitii respectiv 0-1 sau 0-2 (dupa cum am vazut) la
instalatiile cap scara, intrerupatorul cruce comuta doua conexiuni
respectiv A-B si C-D in A-D si B-C
Pe scurt acesta inverseaza cele doua ramuri(conductori care se
leaga intre aparatele cap scara) ale intrerupatoarelor
cap-scara.
4.Variator (dimmer) Variatorii de lumin sunt dispozitive care
regleaza nivelul de lumina. Principiul lor de funcionare este acela
c permit trecerea curentului electric numai pentru o mai mic sau
mai mare poriune dintr-o alternan (a tensiunii de alimentare cu
frecvena de 50Hz). Pentru o sarcin rezistiv cum sunt becurile cu
incandescen acest lucru se traduce n emisia unei lumini de o
intensitate mai mic. Variatoarele nu se pot folosi la becuri
economice sau lampi cu LEDuri.Lucrri practice
Lucrarea NR.1
-s se realizeze circuitul de aprindere cu bec
incandescent/economic i ntreruptor
Lucrarea NR.2
-s se realizeze circuitul de aprindere lamp de nalt presiune cu
vapori de mercur, cu drosel i ntreruptor.
Lucrarea NR.3
-s se realizeze circuitul de aprindere lamp cu vapori de mercur
cu autoaprindere i ntreruptor
Lucrarea NR.4
-s se realizeze circuitul de aprindere lamp fluorescent 18 W cu
starter, drosel i ntreruptor
Lucrarea NR.5
-s se realizeze circuitul de aprindere lamp fluorescent cu
drosel electronic i ntreruptor.
Lucrarea NR.6
-s se realizeze circuitul de aprindere a 2 lamp fluorescente 18
W cu startere, drosel i ntreruptor.
Lucrarea NR.7
-s se realizeze circuitul de aprindere bec cu incandescen cu
variator de intensitate luminoas
Lucrarea NR.8
-s se realizeze circuitul de aprindere iluminat incint cu 2
intreruptoare cap-scar
Desfasurarea lucrarii
Obiectivul lucrarii este familiarizarea cu diversele tipuri de
surse de iluminat, modul de conectare a acestora, precum si
modalitatea de comanda.
Standul experimental are o structura modulara.
Este compus din 6 parti.
1. reprezinta o schema de alimentare cu automentinere.
2. modulul de masurare a tensiunii, curentului si puterii din
circuit
3. actionarea prin intermediul unui comutator bipolar a unei
lampi cu filament si a unei lampi cu halogen.
4. actionarea unei lampi cu vapori de mercur de joasa presiune
prin intermediul unui dispozitiv de comutatoare cap scara.
5. conectarea si actionarea unei lampi fluorescente
6. actionarea unei lampi economice cu balast electronic prin
intermediul unui denzor de miscare.
Dupa efectuarea conexiunilor, conform instructiunilor
conducatorului lucrarii, se va trece la alimentarea cu energie
electrica a standului experimental.
Se va actiona butonul de pornire. (punerea in evidenta a schemei
cu automentinere)
Se vor introduce pe rand in circuit modulele 3, 4, 5 si 6,
masurandu-se de fiecare data curentul si tensiunea.
Se va calcula puterea absorbitita.
Se va conecta apoi in circuit watmetrul, pentru fiecare din
modulele 3, 4, 5 si 6 si se va citi indicatia acestuia.
Toate valorile se vor trece in tabelul de mai jos.
Se vor compara marimile citite cu valorile obtinute prin
calcul.
Se vor trage concluzii referitoare la consumul de putere pentru
fiecare categorie de lampi.
Module
3456
U
I
P(calculata)
P(citita)
Fig.1.1 Lamp cu incandescen clasic
1 - filament, 2 - crlig molibden, 3 - lentil, 4 - bastona,
5 - disc sticl, 6 - balon, 7 - tub evacuare, 8 electrozi
nichel,
9 - soclu Edison, 10 - soclu Swan
Fig.1.2 Lamp cu ciclu regenerativ de iod
1 intrare curent, 2 tub cuar, 3 filament de wolfram,
4 suport filament, 5 amestec gaz umplere i iod
Fig. 2.1 Lamp fluorescent liniar
1 soclu, 2 argon, 3 perete de sticl, 4 pudr fluorescent, 5
filament, 6 mercur
mercur
L
(
1
2
3
4
5
6
7
6
5
4
3
2
1
Fig. 2.2 Starter cu licrire
1 tub sticl, 2 electrod mobil, 3 electrod fix, 4 caset PVC, 5
born, 6 plac borne, 7-condensator
Fig. 2.3 Montaj cu balast inductiv
S
F
F
LF
BI
e
+
+
ur
i
S
S
LF
LF
D
D
BC
BI
US
US
C
b)
a)
Fig. 2.4 Montaje cu balast inductiv (a) i capacitiv (b)
i - curentul din circuit, ul tensiunea pe lamp, ub tensiunea pe
balast, S starter cu licrire, LF lamp fluorescent, D drosel, C
capacitor, BI balast inductiv, BC balast capacitiv
S
S
US
BC
BI
Fig. 2.5 Montaj duo
Fig.2.6 Montaje tandem (a) i dublu tandem (b)
a
BI
Us
S
S
b
BI
BC
Us
S
S
S
S
3
E2
1
E1
2
3
6
~
E3
4
2
5
R
B
C
Fig. 3.2 Lamp cu vapori de mercur la nalt presiune
4
E2
3
2
1
E1
E3
R
5
~
B
C
Fig. 3.1 Lamp cu vapori de sodiu la joas presiune
PAGE 3