Lampi cu descarcare in vapori metalici

Lampi cu descarcare in vapori metalici

In cazul lampilor cu descarcare electrica sunt utilizate radiatiile electromagnetice care apar in procesele de schimb de energie ce rezulta la ionizarile prin ciocnire.

Intr-un tub care cuprinde vapori metalici (in general un gaz) figura 2.15 sub influenta unui camp electric exterior rezulta, la bornele tubului, o relatie specifica intre curentul electric din tub si tensiunea la bornele tubului. Principial, gazele sunt materiale izolante. In lipsa purtatorilor de sarcina nu poate sa apara curent electric la aplicarea tensiunii la borne. In realitate, in spatiu exista totdeauna o anumita cantitate de purtatori de sarcina, determinata de slaba ionizare datorata unor surse exterioare, de exemplu radiatia cosmica.

Sub influenta unui camp electric, determinat de tensiunea U_T la bornele tubului, purtatorii de sarcina se deplaseaza spre electrozi. Pentru un camp electric redus (pana in punctul A) rezulta o relatie liniara intre tensiunea aplicata si curentul electric din tub.

Incepand din punctul A aproape toti purtatorii de sarcina, produsi in fiecare moment, sunt transportati la electrozi. Pana in punctul B, curentul electric ramane constant la o valoare de saturatie. O crestere a tensiunii aplicate (a intensitatii campului electric) determina o crestere a vitezei purtatorilor de sarcina. Atunci cand energia cinetica a acestora este mai mare ca energia de ionizare, datorita ionizarilor prin ciocnire apare un surplus de purtatori de sarcina si deci curentul electric prezinta o crestere a valorii sale.

Cresterea intensitatii curentului electric are loc dupa o curba exponentiala (pana in punctul C). Acestei descarcari intunecoase ii corespunde o densitate relativ redusa de curent electric.

La o crestere in continuare a densitatii de curent electric, in spatiul de descarcare rezulta o intensificare a proceselor de aparitie a electronilor prin termoionizare si fotoionizare. Incepe etapa de descarcare autonoma. In prima parte are loc un proces de trecere (CD) si apoi rezulta o descarcare in arc electric.

Canalul descarcarii electrice determina o intensa emisie electromagnetica, de obicei, in domeniul radiatiilor ultraviolete. Pentru a obtine o radiatie luminoasa este necesara o conversie in spectrul vizibil. In acest scop este folosita substanta fluorescenta plasata pe partea interioara a tubului de descarcare.

In cazul lampilor cu descarcare in vapori metalici curentul electric trebuie limitat in domeniul EF (fig. 2.15). In acest scop sunt folosite elemente pentru limitarea curentului (stabilizarea descarcarii electrice intr-un anumit domeniu al caracteristicii tensiune-curent electric), numite balast. De cele mai multe ori, pentru limitarea curentului electric sunt utilizate bobine (balast inductiv). Uneori sunt folosite si condensatoare (foarte rar rezistoare).

1. Lampi fluorescente

Lampile fluorescente sunt lampi cu descarcare in vapori de mercur de joasa presiune. In interiorul tubului este un amestec gazos de argon si krypton impreuna cu un miligram de mercur (presiunea gazului 150 160 Pa; presiunea vaporilor de mercur 0,15 15 Pa). Pe partea interioara a tubului din sticla este plasat un strat subtire pulverulent dintr-un material fluorescent. Canalul descarcarii electrice determina o intensa raditie in domeniul ultraviolet (in principal linia spectrala de 253 nm, asa numita linie rezonanta a mercurului) care este convertita in domeniul vizibil cu ajutorul stratului din material fluorescent. Materialul fluorescent determina calitatea luminii si eficienta sursei de lumina.

In cazul surselor liniare (tuburi fluorescente), descarcarea electrica se dezvolta in interiorul unui tub din sticla (16 38 mm diametru) prevazut, pe partea interioara, cu un strat fluorescent, iar la capete tubului sunt plasati doi electrozi. In mod obisnuit electrozii constau din filamente din wolfram, acoperite cu un strat activ din pamanturi rare. Filamentele trebuie sa fie preincalzite.

Lungimea tubului este determinata de fluxul luminos nominal al lampii.

Descarcarea electrica este amorsata initial in mediul gazos din tub, iar apoi are loc vaporizarea mercurului si dezvoltarea descarcarii in vapori metalici.

Tensiunea relativ ridicata (pana la 2,5 kV) necesara amorsarii descarcarii este obtinuta in multe dintre lampile fluorescente actuale cu ajutorul unui starter St (fig. 2.16). Starterul consta dintr-un tub de descarcare G, de dimensiuni reduce, avand in paralel conectat un condensator C_s pentru limitarea perturbatiilor de inalta frecventa. Tubul de descarcare G este umplut cu neon si are doi electrozi E_a (de forma liniara) si E_b (element bimetalic).

Daca la bornele de alimentare se aplica tensiune alternativa de 230 V, intre electrozii E_a si E_b se initiaza o descarcare luminiscenta. Caldura dezvoltata in tubul G conduce la deformarea elementului bimetalic E_b pana la atingerea celor doi electrozi. Curentul de scurtcircuit rezultat (de circa 1,5 mai mare decat curentul nominal) determina incalzirea rapida a celor doi electrozi (filamente) E₁ si E₂ pana la circa 800 C. In tubul G, atingerea celor doi electrozi E_a si E_b ai starterului (circa 0,3 s) conduce la disparitia descarcarii electrice, racirea elementului bimetalic si revenirea sa la forma initiala. La intreruperea circuitului intre electrozii E_a si E_b ai starterului, la bornele bobinei B apare un impuls de tensiune (circa 2,5 kV) care determina strapungerea spatiului intre electrozii E₁ si E₂ . In cazul in care in tubul T nu a avut loc initierea descar­carii, intregul proces de aprindere se reia. Descarcarea se initiaza in amestecul gazos de baza apoi are loc vaporizarea mercurului si continuarea descarcarii in vapori de mercur.

Radiatia luminoasa emisa este foarte redusa, avand in vedere ca emisia unei descarcari in vapori de mercur are loc practic numai in domeniul ultraviotet. Stratul fluorescent plasat pe partea interioara a tubului de descarcare converteste circa o treime din radiatiile invizibile UV in radiatii vizibile a caror culoare depinde de materialul fluorescent utilizat.

Tensiunea la bornele tubului U_T , dupa amorsarea acestuia, este mai mica decat tensiunea de aprindere a starterului [U_T = (0,3 0,6) U_r], incat starterul nu mai are in continuare niciun rol.

Starterul are urmatoarele functiuni:

asigurarea preincalzirii filamentelor tubului principal;

realizarea unei deschideri bruste a circuitului electric inductiv astfel incat la bornele bobinei B sa se obtina o tensiunea ridicata;

limitarea perturbatiilor de inalta frecventa in perioada initiala de aprindere a lampii.

Bobina B trebuie sa asigure aprinderea lampii, dar are si rolul de a limita curentul electric de preincalzire in perioada de aprindere a lampii precum si de a stabiliza descarcarea electrica in zona impusa EF a caracteristicii tensiune-curent electric a lampii (limitarea curentului prin tubul principal in regimul normal de functionare).

Tubul de descarcare T este conectat in circuit prin intermediul soclurilor S₁ si S₂ , cu doi electrozi.

Condensatorul C_R are rolul de a asigura imbunatatirea factorului de putere al lampii (in functionare normala factorul de putere natural l nu depaseste 0,6).

Prin alegerea corespunzatoare a stratului fluorescent, lampile fluorescente pot fi realizate in principal cu urmatoarele culori:

alb culoare (temperatura de culoare circa 4400 K) care permite obtinerea unei eficiente luminoase ridicate si o utilizare generala; aceste lampi sunt larg utilizate pentru iluminare in industrie, birouri, incaperi comerciale, in exterior;

lumina zilei culoare alb-albastruie (temperatura de culoare circa 6400K) care este asemanatoare luminii zilei; aceste lampi sunt utilizate in locurile in care este importanta distingerea reala a culorilor (tipografii, ateliere foto, industrie textila s.a.);

alb cald culoare calda (temperatura de culoare 3300 K), cu o pondere importanta a domeniului rosu, este adecvata iluminarii spatiilor de odihna (incaperi de locuit, spatii culturale, restaurante etc.).

O durata ridicata de viata, o eficienta luminoasa relativ mare si o buna redare a culorilor au condus la o larga utilizare a acestor lampi.

Principalele caracteristici ale lampilor fluorescente sunt:

eficienta luminoasa ridicata   75 110 lm/W;

o mare varietate de modele (cele mai des sunt utilizate lampile cu puterea nominala de 20 W si 40 W);

o redare a culorilor de la buna pana la foarte buna;

o durata ridicata de viata (16 000 ore);

posibilitate de reglare continua a fluxului luminos pana la 1% , in cazul utilizarii balastului electronic;

REFERAT: Ce sa faceti inainte de inundatie? REFERAT: Executarea si receptionarea ancorajelor metalice tip inel-con si dorn

mai putin sensibile decat lampile cu incandescenta la variatii de tensiune (fig. 2.17); micile variatii pana la 5% influenteaza relativ putin puterea absorbita si durata de viata a lampii;

luminanta redusa (0,4 1,7 cd/cm²)

Bilantul energetic al unei lampi fluorescente este indicat in fig. 2.18.

Principalele dezavantaje ale lampii sunt urmatoarele:

fluxul luminos al lampii este puternic dependent de temperatura; valorile optimale ale temperaturii mediului ambiant sunt de la 25 C (la tuburile T26* ) pana la 35 C (la tuburile T16).

datorita bobinei de limitate B rezulta un factor de putere natural de circa 0,6; pentru imbunatatirea factorului de putere este prevazut un condensator de o anumita valoare (daca nu se iau alte masuri);

dimensiuni mari;

costuri relativ mari;

durata de viata este sensibila la frecventa conectarilor (in cazul unei frecvente reduse a conectarilor creste durata de viata);

lampa fluorescenta este un receptor puternic neliniar; datorita caracteristicii neliniare a lampii curentul electric absorbit are o forma distorsionata in raport cu o sinusoida; curentul electric cuprinde armonici de valoare ridicata (fig. 2.19);

daca la bornele lampii se aplica o tensiune alternativa u (fig. 2.20) rezulta un efect stroboscopic, deoarece fluxul luminos emis urmareaste forma curentului electric i din tub (fluxul luminos F variaza cu o frecventa dubla fata de a curentului electric); in mod normal aceasta variatie de 100 Hz nu este sesizata, insa obiectele care de misca sau se rotesc repede (de exemplu, piesele intr-un strung) pot fi percepute in mod incorect, ceea poate genera accidente.

Calitatea luminii emise poate fi evaluata prin factorul de neuniformitate (F_min F_max) care, in cazul lampilor fluorescente clasice are valoare de circa 0,4. Valoarea minima diferita de zero este determinata de remanenta stratului fluorescent.

Efectul stroboscopic poate fi limitat sau eliminat prin utilizarea montajulul duo (fig. 2.21), conectarea trifazata a lampilor sau prin utilizarea balastului electronic (fig. 2.22). Balastul electronic asigura alimentarea tubului de descarcare cu o tensiune alternativa la o frecventa de 20 40 kHz.

Datorita frecventelor inalte, canalul descarcarii electrice arde continuu si fara variatii, ceea ce conduce la cresterea gradului de confort vizual.

2. Lampile fluorescente compacte

Lampile fluorescente compacte functioneaza dupa acelasi principiu ca si lampile fluorescente liniare. Sunt utilizate in aparate de iluminat de dimensiuni reduse. Asa numitele lampi economice sunt lampi fluorescente compacte avand in soclu inclus balastul electronic (fig. 2.23). Aceste lampi sunt utilizate in mod
obisnuit pentru inlocuirea lampilor cu incandescenta.

Aprinderea descarcarii se realizeaza, de cele mai multe ori, cu ajutorul unui circuit rezonant L-C (fig. 2.24); aceasta solutie este utilizata din ce in ce mai des si in cazul lampilor liniare.

Inainte de aprinderea lampii trece un curent electric prin circuitul serie compus din bobina B, filamentele lampii si condensatorul C. In regim rezonant rezulta o tensiune ridicata U_C (fig. 2.24 a)), ceea ce conduce la amorsarea descarcarii in tub. In functionare normala (fig. 2.24 b)), condensatorul este scurtcircuitat de catre canalul descarcarii electrice in lampa.

Principalele avantaje ale lampilor compacte sunt:

dimensiuni reduse, o forma compacta;

o varietate mare de puteri nominale;

eficienta luminoasa ridicata 55 88 lm/W;

redare foarte buna a culorilor;

durata mare de viata (peste 10000 ore);

posibilitate de a regla continuu fluxul luminos pana la 3% , la utilizarea balastului electronic;

balastul electronic poate fi completat cu un circuit PFC (Power faktor corrector) astfel incat curentul absorbit din reteaua electrica este caracterizat de un factor de putere unitar si o forma practic sinusoidala.

Principalele dezavantaje ale lampilor compacte sunt:

o intensa disipare de caldura intr-un volum redus;

datorita caracteristicii neliniare, in lipsa circuitului de corectie, curentul absorbit din retea prezinta un spectru important de armonici.

3. Lampi cu descarcare in vapori de mercur de inalta presiune

Lampile cu descarcare in vapori de mercur de inalta presiune au fost primele lampi pentru iluminat general, alimentate la 230 V si prevazute cu balast inductiv. Constau dintr-un tub de descarcare T din cuart (fig.2.25), in care se dezvolta o descarcare electrica intre electrozii principali E₁ si E₂ . Dupa conectarea lampii in circuit, intre electrodul principal E₂ si electrodul auxiliar E_a se dezvolta o descarcare electrica auxiliara, in mediul gazos din interiorul tubului (gaz inert), pentru a asigura o cantitate suficienta de purtatori de sarcina. Limitarea curentului in aceasta descarcare secundara este realizata de rezistorul R. Dupa un anumit timp (3 5 minute) mercurul din interiorul tubului vaporizeaza si descarcarea electrica continua, intre electrozii principali, in vapori metalici. Limitarea curentului electric in descarcarea principala si stabilizarea descarcarii electrice se realizeaza cu ajutorul unui element conectat in serie si numit balast. In mod obisnuit drept balast se foloseste o bobina (balast inductiv) avand in vedere pierderile active reduse.

Descarcarea electrica in vapori de mercur de inalta presiune (circa 0,15 MPa) este insotita de o intensa linie spectrala in domeniul vizibil al spectrului (Galben 577 nm pana la violet 404,7 nm). De asemenea, rezulta o intensa radiatie ultravioleta (linie spectrala in principal 365,5 nm), utilizata pentru excitarea stratului fluorescent cu nuanta rosiatica. Materialul fluorescent este plasat pe partea interioara a balonului exterior K.

Balonul exterior K din sticla asigura protectia tubului de descarcare T contra actiunilor exterioare (limitarea influentei temperaturii exterioare) si absoarbe o parte dintre radiatiile ultraviolete.

Lampa este echipata in mod uzual cu soclu S de tipul E 27* sau E 40 si cu un element de contact E.

Utilizarea balastului inductiv drept limitator de curent electric determina un defazaj al curbei curentului electric fata de tensiunea aplicata si rezulta un factor de putere de circa 0,6. Apare necesitatea utilizarii unui condensator C pentru compensarea puterii reactive.

Acest tip de lampa este utilizat pentru iluminatul halelor industriale si in iluminatul stradal.

Principalele avantaje ale acestor lampi sunt:

un cost relativ redus;

nu necesita elemente suplimentare pentru amorsare;

o eficienta luminoasa medie 32 60 lm/W;

durata de viata ridicata (peste 20 000 ore).

Principalele dezavantaje ale lampii sunt:

caracteristici reduse de redare a culorilor;

durata mare de lansare si relansare (circa 5 minute); dupa deconectarea lampii, relansarea are loc numai dupa racirea si astfel reducerea presiunii din interiorul tubului de descarcare;

datorita caracte­risti­cii neliniare a descarcarii electrice curentul electric din circuitul lampii prezinta o importanta componenta spectrala (fig. 2.26).

Dezavantajele lampii deter­mina ca in prezent sa mai fie putin utilizata. Acest tip de lampa sta insa la baza realizarii lampilor moderne.

4. Lampi cu descarcare in vapori de sodiu cu inalta presiune

In cazul acestor lampi, arcul electric se dezvolta intr-o atmosfera de vapori de sodiu. Lampa consta, in principiu, dintr-un tub T (fig. 2.27) si doi electrozi E₁ si E₂ intre care se dezvolta descarcarea electrica. Tubul T este umplut cu un gaz inert (Xe, Ar, Ne) si este introdus putin sodiu in stare solida. La conectarea lampii la reteaua electrica, blocul de amorsare A genereaza impulsuri de tensiune cu amplitudine de circa 4 kV, deter­minand amorsarea descarcarii in gazul inert. Dupa timpul de lansare (pana la 8 minute) natriul vaporizeaza si descarcarea electrica continua in vapori metalici. In functionare normala, tensiunea la bornele tubului T este de circa 170 V si blocul de amorsare iese din functiune.

Rezulta in principal o intensa radiatie monocromatica (galben intens) cu o lungime de unda de 589 nm, in apropiere de valoarea corespunzatoare sensibilitatii spectrale maxime a ochiului uman. Pentru a obtine o imbunatatire a spectrului luminii emise, pe partea interioara a balonul K este plasat un strat fluorescent.

Eficienta luminoasa a lampii creste odata cu nivelul de izolare termica. Pentru limitarea pierderilor de caldura datorate convectiei, in interiorul balonului K este necesar a avea un vid inaintat.

Avand in vedere atmosfera agresiva datorata vaporilor de sodiu, tubul T este realizat dintr-o sticla speciala.

Principalele avantaje ale lampilor cu descarcare in vapori de sodiu cu inalta presiune sunt urmatoarele:

durata mare de viata (peste 20 000 ore);

o eficienta luminoasa ridicata (pana la 130 lm/W);

forma compacta.

Principalele dezavantaje ale lampii sunt:

o slaba redare a culorilor (R_a < 20);

necesita utilizarea unui balast si a unui bloc de amorsare;

durata mare a timpului de lansare si relansare (pana la 8 minute);

costuri ridicate;

datorita caracteristicii neliniare a descarcarii electrice, curentul electric absorbit din reteaua de alimnetare prezinta un important spectru armonic.

Avand in vedere forma compacta, durata mare de viata, o eficienta luminoara ridicata insa o slaba redare a culorilor, lampile cu descarcare in vapori de sodiu cu inalta presiune sunt utilizate practic numai pentru iluminatul stradal si al tunelurilor.

In prezent sunt realizate si lampi cu descarcare in vapori de sodiu cu inalta presiune, cu eficienta luminoasa mai redusa, insa cu o buna redare a culorilor, care pot fi utilizate si in iluminatul interior.

5. Lampi cu halogenuri metalice

Lampile cu halogenuri metalice sunt realizate pe baza lampilor cu descarcare in vapori de mercur de inalta presiune. Redarea culorilor si eficienta luminoasa pot fi imbunatatite prin introducerea in tubul de descarcare de ioduri de Na, In si Tl precum si mercur.

Descarcare in interiorul tubului, in functionare normala, are loc in vaporii iodurilor metalice si nu apar liniile spectrale ale mercurului.

Principiul lampii consta in faptul ca cele mai multe dintre halogenurile metalice vaporizeaza la temperaturi mult mai mici decat metalul cu care sunt aliate. In tubul de descarcare este argon, putin mercur si diferite halogenuri metalice (I, Br, Cl).

Initial se amorseaza o descarcare in argon care trece in vapori de mercur, iar apoi halogenura este vaporizata in canalul de plasma (temperatura peste 3000K) si disociata. In continuare are loc descarcarea in vaporii metalelor care au fost in componenta halogenurilor si rezulta un spectru de emisie corespunzator acestora. In prezent sunt utilizate iodura de sodiu, iodura de thaliu, iodura de indiu, iodura de scandiu, iodura de thoriu, iodura de dysposiu, bromura de dysposiu, bromura de holmiu, bromura de tuliu.

La temperaturi reduse metalul se aliaza din nou cu halogenul respectiv.

Principalele avantaje ale lampilor cu halogenuri metalice sunt:

o buna pana la foarte buna redare a culorilor (R_a  > 60);

durata mare de viata (peste 15 000 ore);

o buna pana la foarte buna eficienta luminoasa (60 110 lm/W);

dimensiuni reduse;

o ridicata stabilitate a culorilor in cazul utilizarii tubului de descarcare din material ceramic.

Principalele dezavantaje ale lampii cu halogenuri metalice sunt:

necesita blast inductiv si bloc de amorsare;

durata mare de lansare si relansare (cateva minute);

costuri ridicate;

datorita caracteristicii neliniare a descarcarii electrice, curentul electric absorbit din reteaua de alimentare prezinta un important spectru armonic.

Lampa cu halogenuri metalice este utilizata pentru iluminatul halelor industriale, a spatiilor comerciale etc.

2.3.3. Alegerea lampilor

Alegerea adecvata a lampilor se face in functie de conditiile impuse sistemelor de iluminat.

Principalele caracteristici ale lampilor electrice utilizate in prezent sunt indicate in fig. 2.28 si in tabelul 2.8.