лабы / лаб3 / 3

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра ЭПУ

отчет

по лабораторно-практической работе №3

по дисциплине «Светотехника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ДУГОВОЙ КСЕНОНОВОЙ ШАРОВОЙ ЛАМПЫ СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Студент гр. 2202		Михеев Д. А.	.
		Николаев А. В.
Преподаватель		Киселев А. С.

Санкт-Петербург

2024 г.

Цель работы – исследование временных, электрических и световых характеристик высокоинтенсивной дуговой ксеноновой шаровой лампы (ДКсШ) сверхвысокого давления (СВД).

Общие положения

Высокоинтенсивные источники оптического излучения предназначены для использования в кинопроекционных и прожекторных установках, светолучевых регистраторах, технологии, для оптической накачки мощных лазеров, полиграфии и т. п. Лампы, используемые в этих случаях, должны обладать высокой мощностью излучения при малых размерах светящегося тела и спектром излучения, приходящимся на видимую область.

Такие источники удобно характеризовать яркостью [кд/м²] и светоотдачей, определяемыми, соответственно, формулами:

L = I_v / S; K = F_v / P_эл,

где I_v – сила света источника, кд; S – площадь поперечного сечения светящегося тела источника, м²; F_v – световой поток, лм (1 Вт = 683 лм); P_эл – электрическая мощность, потребляемая источником, Вт.

Обычно световой поток измеряют с помощью специального фотометрического шара. Приближенно (F_v) можно рассчитать, измерив предварительно освещенность (Е), создаваемую в плоскости светочувствительного элемента приемника люксметра на расстоянии d от лампы:

F_v = 4 π I_v = 4 π Е d ².

На практике наибольшее распространение получили шаровые СВД- лампы, использующие излучение положительного столба (ПС) дугового разряда в тяжелых инертных газах, чаще всего в ксеноне. Для повышения эффективности ламп СВД необходимо уменьшать долю мощности, отводимую от разряда за счет теплопроводности наполняющего газа. Поскольку теплопроводность убывает с ростом атомной массы, отвод теплоты будет возрастать при переходе от ртути к ксенону, от ксенона к криптону и т. п. Кроме того, вследствие увеличения эффективного сечения взаимодействия атомов с электронами с ростом атомной массы уменьшается потенциал ионизации и возрастает градиент потенциала в ПС. Эти обстоятельства приведут к повышению относительного энерговклада в положительный столб разряда, который можно характеризовать электрическим КПД: η_эл = U_пс / U, где U_пс = Е_псL_пс – падение напряжения на ПС (Е_пс – градиент потенциала в ПС, В / м^­­; L_пс – протяженность ПС, равная в условиях разряда СВД межэлектродному расстоянию); U = U_k + U_пс – полное падение напряжения на лампе (U_k – прикатодное падение потенциала: для условий разряда сверхвысокого давления прикатодное падение потенциала примерно равно потенциалу ионизации наполняющего газа U_k ≈ U_i). Тогда, зная из эксперимента U и L_пс, можно рассчитать градиент потенциала в ПС:

Е_пс = (U – U_k) / L_пс.

Для ксеноновых шаровых ламп СВД существует эмпирическая расчетная формула [В / м],

Е_пс ≈ (3I + 2.3·10²)р,

где I – разрядный ток, А; р – давление ксенона в «холодной» лампе в атмосферах.

При работе шаровых ламп разряд стабилизируется электродами, расположенными в нескольких миллиметрах друг от друга. Для уменьшения влияния конвекционных потоков газа на стабильность положения дуги лампы работают в вертикальном положении. Оболочка ламп изготавливается из термостойкого механически прочного плавленого кварца, прозрачного для видимого и ультрафиолетового излучения.

В силу малой протяженности в зоне прикатодного падения потенциала возникают высокие градиенты электрического поля. Электроны, ускоренные в этом поле, эффективно возбуждают атомы газа на начальном участке ПС. В результате при работе лампы на постоянном токе в прикатодной части положительного столба возникает светящееся пятно с высокой яркостью. Для ДКсШ постоянного тока распределение яркости свечения по оси межэлектродного промежутка может быть аппроксимировано выражением

L(z) / L₀ ≈ 0.38 (z /L_пс)^–0.8, (3.1)

где L(z) – яркость на расстоянии z от катода; L₀ – яркость в точке с координатой z = 0.3 L_пс; z – координата, отсчитываемая от катода.

Лампы типа ДКсШ заполняются ксеноном при давлении 1…15 атмосфер и поэтому даже в нерабочем состоянии являются взрывоопасными. Спектр излучения ламп близок к солнечному, что является достоинством в тех случаях применения, когда требуется обеспечить правильную цветопередачу освещаемого объекта. По сравнению с дуговыми ртутными шаровыми лампами при прочих равных условиях лампы ДКсШ имеют большие разрядные токи в силу меньших значений Е_пс. Типичный режим работы ДКсШ – режим постоянного тока. Анод, интенсивно нагреваемый электронной бомбардировкой, изготовляется массивным, из мало распыляемого вольфрама. Тепловой режим катода менее напряженный, так как катод охлаждается за счет термоэмиссии.

Описание лабораторной установки

Установка состоит из блока питания ламп и оптической скамьи. На скамье установлены линзы, экран с точечным фотоприемником и многопредельный люксметр. С помощью линз на экран проецируется изображение светящегося межэлектродного промежутка ламп. Посредством перемещения точечного фотоприемника можно снять распределение яркости – в относительных единицах – вдоль оси разряда. Перемещение фотоприемника осуществляется вместе с экраном. По экрану можно определить также межэлектродное расстояние и площадь светящейся части разряда. При этом истинные размеры находятся с учетом коэффициента увеличения линзы, который определяется как отношение диаметра электрода на проекции к реальному. Реальный диаметр анода ДКсШ – 10 мм. Площадь светящейся части разряда лампы ДКсШ S = 5 мм².

Питание лампы ДКсШ осуществляется от низковольтного источника постоянного тока (рис. 3.1).

Рис. 1. Схема включения лампы ДКсШ

Обработка результатов

Таблица 1. U, I ксеноновой лампы U_cp=21 В

U, В	I, А
21	12
20	14
20	16
20	18
21	20
21	22
22	24
22	10
22	25

Рис. 2. Вольтамперная характеристика ксеноновой лампы

Истинное расстояние анод-катод L_пс=3.1мм

Приведем пример расчета для Iн=16А, L₀=1170, z анод-катод=0.22мм:

Таблица 2. Экспериментальные и расчетные значения L(z)

z, мм анод-катод (эксперимент)	Iн=16А	Iн=20А	Расстояние от катода z, мм	L0 дляI н=16А при z=2.22	L0 дляI н=20А при z=2.22
	L	L
0.00	320	420		1170	1360
0.22	500	780
0.44	660	830	3.33	3661	4256
0.67	700	900	3.11	2103	2444
0.89	770	960	2.89	1520	1767
1.11	820	1030	2.67	1208	1404
1.33	910	1090	2.44	1010	1174
1.56	981	1150	2.22	873	1015
1.78	1050	1220	2.00	772	897
2.00	1115	1270	1.78	694	806
2.22	1170	1360	1.56	631	734
2.44	1180	1450	1.33	580	674
2.67	1280	1540	1.11	538	625
2.89	1300	1650	0.89	502	583
3.11	900	1470	0.67	470	547
3.33	430	850	0.44	443	515
3.56		400	0.22	420	488

Рис. 3. Распределение яркости в отн. ед. от положения оси z

Таблица 2. Освещенность от тока

Iн, А	E, лк
10	130
12	160
14	200
15	230
16	240
18	270
20	310
22	330
24	360
25	370

Рис. 4. Зависимость освещенности от тока накала в лампе

Рис. 5. Спектр ксеноновой лампы

Возьмем среднее значение U из Табл. 1. U_cp=21В. Расстояние l = 0.65 м, S = 6.9мм²

р ≈ (3I + 2.3·10²)/Е_пс

Приведем пример расчета для I_н=10А

Е_пс = (U – U_k) / L_пс = (21-12) / (3.1*10^-3) = 2903

р ≈ (3*10 + 2.3·10²)/2903=11.17

Таблица 3. Параметры ксеноновой лампы

Iн, А	E, лк	Iv, кд	L, кд/м2	F, лм	P0, Вт	K, лм/Вт	Eпс, В/м	p, атм
10	130	54.925	7944509	690	210	3.29	2903	11.17
12	160	67.6	9777857	849	252	3.37		10.91
14	200	84.5	12222321	1062	294	3.61		10.67
15	230	97.175	14055670	1221	315	3.88		10.56
16	240	101.4	14666786	1274	336	3.79		10.44
18	270	114.075	16500134	1434	378	3.79		10.22
20	310	130.975	18944598	1646	420	3.92		10.01
22	330	139.425	20166830	1752	462	3.79		9.81
24	360	152.1	22000179	1911	504	3.79		9.61
25	370	156.325	22611295	1964	525	3.74		9.52

Вывод:

ВАХ лампы имеет нелинейный характер, при увеличении тока, напряжение сначала уменьшается, а потом увеличивается, что может быть связано с тем, что сопротивление ионизированного газа уменьшается с ростом температуры после зажигания лампы.

Яркость лампы увеличивалась при приближении к катоду в экспериментальном наблюдении и расчетном случае.

При увеличении тока накала в лампе это дает пропорциональный прирост освещенности, зависимость близка к линейной.

Спектр ксеноновой лампы действительно содержит эмиссионные линии атома Xe.

Лампа выдает всего 3лм/Вт, что является крайне неэффективным способом получения освещении. .