Студенты, которыЕ ВЫПОЛНИЛИ И отчитаЛИ все лабораторные работы, получают доПУСК к сдаче экзамена.
ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Приступая к работе, внимательно ознакомьтесь с заданием, правилами безопасности работ, оборудованием, проверьте исправность ограждений и предохранительных устройств.
2. Не загромождайте свое рабочее место оборудованием и аппаратурой, не относящимися к выполняемой работе, так как это может явиться причиной несчастного случая.
3. При работе в лаборатории выполняйте только то задание, которое Вам поручено.
4. Запрещается находиться в лаборатории в верхней одежде.
5. Студентам запрещается без разрешения преподавателя отлучаться из лаборатории при проведении работ.
6. По окончании работы приведите в порядок свое рабочее место. После уборки заявите ответственному по лаборатории об окончании работы, и только после его разрешения можете оставить лабораторию.
7. Студенты, нарушающие дисциплину, правила работы в лаборатории и правила техники безопасности, отстраняются от работы.
Строго воспрещается!
Включать и выключать силовые и осветительные рубильники без разрешения руководителя.
Включать схему под напряжение без предварительной проверки и разрешения руководителя.
Оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением.
При возникновении аварийных режимов лабораторная установка должна быть немедленно отключена.
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫВ СХЕМАХ С РАЗЛИЧНЫМИ БАЛЛАСТНЫМИ СОПРОТИВЛЕНИЯМИ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Изучить процесс зажигания и работы газоразрядной лампы низкого давления в схемах с различными балластными сопротивлениями.
|
|
1.2. Определить кривые мгновенных значений (осциллограммы) напряжения питающей сети, падения напряжения на работающих газоразрядной лампе и балластном сопротивлении.
 |
1.3. Исследовать вольтамперную характеристику газоразрядной лампы низкого давления.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ
Газоразрядным источником лучистой энергии называется устройство, в котором оптическое излучение возникает в результате электрического разряда в среде инертных газов, паров металлов и их смесей.
Газоразрядные лампы работают в режиме дугового разряда, падающая вольтамперная характеристика (ВАХ) которого указывает на его неустойчивость. Для стабилизации дугового разряда последовательно с газоразрядной лампой включается балластное сопротивление, значение которого должно быть больше абсолютной величины динамического сопротивления газоразрядного промежутка в режиме стабилизации.
|
Uс=Uл+Uб; (1)
Rd > Rд, (2)
где Uс - падение напряжения сети. В;
Uл, Uб - падение напряжения на лампе и балластном сопротивлении, В;
Rd - сопротивление стабилизирующего устройства, Ом;
Rд - сопротивление разряда, Ом.
Условие равенства напряжений выполняется в точках пересечения прямой (2) с ВАХ газоразрядной лампы (1). Однако лишь в точке В выполняется условие неравенства сопротивлений, т.к. возрастанию разрядного тока в этой точке ничто не препятствует, а сумма падений напряжений на газоразрядной лампе и балластном сопротивлении превысит напряжение сети. Следует отметить, что ни напряжение, ни ток не стабилизируются балластным сопротивлением. Стабилизируется только режим горения дуги.
|
|
Изменяя напряжение питающей сети и (или) значение балластного сопротивления можно определить зависимость падения напряжения от тока дугового разряда и построить ВАХ лампы.
При питании газоразрядных ламп от сети переменного тока для стабилизации дугового разряда может применяться активное, индуктивное и емкостное сопротивления.
Рассмотрим осциллограммы мгновенных значений напряжения, тока и светового потока лампы при стабилизации разряда с помощью активного балластного сопротивления (рис. 2,а).
|
 |
По достижению сетевым напряжением Uс значения, равного напряжению зажигания Uз, в лампе возникает электрический разряд и появляется ток i. Сетевое напряжение перераспределяется между падением напряжения на балластном сопротивлении и на газоразрядной лампе. Ток через лампу протекает только в момент разряда. Форма мгновенных значений тока отличается от синусоиды. Перезажигание разряда в каждый полупериод сопровождается темновыми паузами тока: начальной jн и конечной jк. Общая пауза jн+jк может достигать 1/3 полупериода. Величина потока излучения Ф примерно пропорциональна величине тока i.
Наличие темновых пауз и временного несинусоидального изменения тока является причиной пульсации и снижения среднего значения светового потока. Недостатком схемы является большой расход электроэнергии в активном балластном сопротивлении (до 80% от расхода энергии в источнике излучения).
|
|
Стабилизация разряда при помощи индуктивного сопротивления имеет преимущества перед стабилизацией при помощи активного сопротивления. Благодаря сдвигу по фазе напряжения и тока сети значительно облегчается процесс перезажигания разряда лампы в каждый полупериод. При индуктивном балласте ток отстает от напряжения. В момент перехода тока через нулевое значение, к зажимам лампы оказывается приложенным значительное мгновенное напряжение сети Uc (рис. 2,б). Перезажигание разряда происходит без заметной темновой паузы. Форма кривой тока приближается к синусоиде. Потери мощности в индуктивном балластном сопротивлении составляют 10-30% от мощности источника излучения.
Недостатками схемы являются: большой расход материалов, низкий коэффициент мощности, высокая стоимость.
Емкостные балластные сопротивления для стабилизации газового разряда в сетях переменного тока промышленной частоты применяются редко. Емкостное балластное сопротивление используется в электрических сетях с повышенной частотой тока. Соответствующие этому случаю кривые мгновенных значений напряжения, тока и светового потока показаны на рис. 2,в. Большие паузы и всплески тока i приводят к значительному увеличению амплитуды светового потока и снижение срока службы газоразрядной лампы.
|
Стартер (рис.3)представляет собой миниатюрную газоразрядную лампу с биметаллическим (одним или двумя) электродами, заполненную смесью 60% аргона, 28,8 % неона, 11,2% гелия. Стеклянная колба лампы стартера помещена в металлический корпус цилиндрической формы. Напряжение зажигания лампы стартера 200-127 не менее 70В, 130В для стартера 800-220 и 140 В для стартера 650-220. Обозначение стартера включает: С - стартер; 20 и 80 - предельные значения мощности зажигаемых люминесцентных ламп, Вт, 127 и 220 номинальное напряжение стартера, В.
Рис. 3. Стартер
|
Схемы включения люминесцентных ламп (рис. 4).
а) б)
в)
Рис. 4. Стартерные схемы включения люминесцентных ламп: а) одной лампы; б), в) двух ламп
За 1...2 с электроды люминесцентной лампы разогреваются до 700°, 900 °С, вследствие чего увеличивается электронная эмиссия и облегчаются условия пробоя газового промежутка. После прекращения газового разряда в стартере его электроды охлаждаются (вследствие прекращения разряда между ними) и, возвращаясь в исходное положение, разрывают цепь накала электродов люминесцентной лампы. В момент разрыва сети возникает электродвижущая сила самоиндукции в дросселе, величина которой пропорциональна индукции дросселя и скорости изменения тока в момент разрыва. Образовавшийся за счет ЭДС самоиндукции импульс повышенного напряжения (700...1000 В) прикладывается к электродам лампы. Происходит пробой и лампа начинает светиться. К стартеру, включенному параллельно лампе, подключается приблизительно половина напряжения сети, которого недостаточно для повторного пробоя его газового промежутка, и поэтому он больше не зажигается. Если люминесцентная лампа по какой-то причине не зажглась, весь процесс зажигания автоматически повторяется.
Конденсатор C предназначен для повышения соsj схемы, также служит для снижения радиопомех, некоторого увеличения длительности импульса зажигания лампы и уменьшения вероятности дугообразования между контактами стартера в момент их размыкания.
Балластное сопротивление предназначено для стабилизации режима дугового разряда в лампе.
В распространенных стартерных схемах самым ненадежным элементом схемы является стартер с подвижными, биметаллическими электродами. Существуют и безстартерные схемы включения люминесцентных ламп.
Электроды лампы разогреваются током вторичных обмоток накального трансформатора TV, что позволяет снизить напряжение зажигания лампы и, когда оно становится равным приложенному к лампе напряжению, возникает разряд. В рабочем режиме напряжение, подводимое к автотрансформатору снижается из-за падения напряжения в дросселе, однако некоторый подогрев электродов.
Альтернативой стартерной схеме зажигания ЛЛ является электронное ПРА.
Электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) — электронное устройство, осуществляющее пуск и поддержание рабочего режима газоразрядных осветительных ламп.
|
Типичное ЭПРА состоит из следующих блоков.:
1. Фильтр электромагнитных помех — отфильтровывает как входящие в ЭПРА из сети помехи, так и проникающие из ЭПРА с электросети.
2. Выпрямитель.
3. Схема коррекции коэффициента мощности (опционально).
4. Фильтр постоянного тока.
5. Инвертор.
6. Балласт (дроссель).
Рис. 5. Мостовая схема инвертора
Рис. 6. Полумостовая схема инвертора
Инвертор может оснащаться устройством плавного регулирования яркости, требующим использования внешнего светорегулятора, специально предназначенного для управления электронным балластом.
Схема ЭПРА может быть мостовой (рис. 5) и полумостовой (рис. 6). Первая имеет вдвое большее количество ключевых элементов (как правило, это мощные полевые транзисторы) и используется при больших мощностях ламп (сотни Ватт). Вторая схема применяется намного чаще и, хотя она имеет более низкий КПД по сравнению с мостовой, использование специальных микросхем-драйверов, управляющих ключевыми элементами ЭПРА (например, марки ICB1FL02G) в значительной степени компенсирует этот недостаток. Нужно отметить, что указанные микросхемы применяются и в мощных ЭПРА.
Качественные ЭПРА, помимо перечисленных выше элементов, содержат встроенную защиту от перепадов напряжения сети, импульсных помех и запуска в отсутствие лампы.
Работа ЭПРА делится на три фазы:
Предварительный разогрев электродов лампы. Делает запуск лампы мгновенным, мягким (продлевает срок службы лампы) и возможным при низких температурах окружающей среды.
Поджиг — ЭПРА генерирует импульс высокого (до 1,6 кВ) напряжения, вызывающего пробой газа, наполняющего колбу лампы.
Горение — на электродах лампы поддерживается небольшое напряжение, достаточное для поддержания ее горения.
3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
3.1. Ознакомление с лабораторным стендом.
|
Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с используемым оборудованием.
3.2. Определение электрических и светотехнических параметров газоразрядной лампы.
Для изучения режимов работы газоразрядной лампы ее подключают с помощью переключателя П1 поочередно к активному (1), емкостному (2), индуктивному (3), индуктивно-емкостному (4) балластному сопротивлению.
Изменяя напряжение питания определите напряжения при которых происходит зажигание и погасание лампы в каждом случае. При номинальном напряжении (220 В) произвести измерения электрических и светотехнических параметров, результаты измерений записываются в табл. 1.
Примечание. Освещенность определяется по разности показаний люксметра при включенной и выключенной лампе.
Таблица 1
Результаты измерений и расчетов светотехнических и электрических папраметров
| Тип ПРА | Данные опыта | Данные расчета | |||||||||||||
| Uс, В | Uз, В | Uп, В | Uб, В | Uл, В | I, A | PS, Вт | Pл, Вт | E, лк | Pб, Вт | S, ВА | Q, вар | сosj | Фс, лм | hс, лм/Вт | |
| 1. Дросель-стартер 2. ЭПРА |
В таблице приняты следующие обозначения:
Uс - напряжение сети, подаваемое на схему. В;
Uз,Uп - напряжение на входе схемы, при котором происходит зажигание и гашение лампы. В;
I - ток в цепи. А;
PS - активная мощность, потребляемая электрической схемой, Вт;
Pб, Рл - активная мощность, потребляемая балластным сопротивлением и газоразрядной лампой, Вт;
Е -освещенность, создаваемая люминесцентной лампой на условной поверхности, лк;
S - полная мощность, потребляемая электрической схемой, ВА;
Q - реактивная мощность в электрической цепи, Вар;
соsj - коэффициент мощности в электрической цепи;
Фс - световой поток, излучаемый люминесцентной лампой, лм;
hс = Фс / РS:, лм / Вт - световая отдача люминесцентной лампы с учетом мощности, потребляемой балластным сопротивлением.
, (3)
 |
где L -длина люминесцентной лампы, м;
Нр - ближайшее расстояние от люминесцентной лампы до условной поверхности, на которой измеряется освещенность, м; (a, g - углы, которые определяются из рис. 7).
3.4. Используя осциллограф, снять осциллограммы мгновенных значений напряжения (канал YII) и тока (канал YI) в схемах с различными балластными сопротивлениями. Определить амплитудные значения тока и напряжения, длительность световой и темновой фазы.
3.3. Определение вольт-амперной характеристики.
Изменяя напряжение питания Uc, снять зависимость Uл=f(Iл) и Uб=f(Iл) для каждого типа балластного сопротивления. Результаты измерений занести в табл. 2.
Таблица 2
Результаты исследования вольт-амперной характеристики
газоразрядной лампы низкого давления
| Uл,В | |||||||
| Uб,В | |||||||
| Iл,А |
|
В заключении отчета необходимо сформулировать выводы в виде ответов на следующие вопросы:
1. Как влияет вид балластного сопротивления на величину светового потока люминесцентной лампы и его пульсацию?
2.Чем объяснить неустойчивый характер (падающую вольт-амперную характеристику) дугового разряда в лампе?
4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
|
4.2. Сформулируйте условия стабилизации режима дугового разряда в газоразрядных лампах низкого давления.
4.3. Каков порядок зажигания и работы газоразрядной лампы в цепи с индуктивным, активным и емкостным балластными сопротивлениями?
4.4. Перечислите преимущества и недостатки стабилизации дугового разряда газоразрядной лампы с помощью балластных сопротивлений.
4.5. Каковы преимущества и недостатки газоразрядных ламп низкого давления по сравнению с другими источниками оптического излучения?
Лабораторная работа № 4