Oświetlenie elektryczne

Ze względu na wykorzystywane zjawiska fizyczne przy wytwarzaniu światła w lampach elektrycznych można wyróżnić:
 Lampy żarowe (żarówki), w których wykorzystuje się świecenie nagrzanego drutu wolframowego;
 Lampy fluorescencyjne (świetlówki), w których wykorzystuje się zjawisko fluorescencji, tj. świecenie pewnych substancji chemicznych pod działaniem promieni ultrafioletowych i elektronów;
 Lampy wyładowcze (rtęciowe, sodowe, neonowe, ksenonowe), w których wykorzystuje się świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych (przepływu prądu elektrycznego przez gaz);
 Lampy o świetle mieszanym, w których wykorzystuje się do otrzymania światła dwa zjawiska fizyczne, zwykle świecenie gazu pod wpływem wyładowań elektrycznych i świecenia ciał stałych pod wpływem wysokiej temperatury (lampy rtęciowo-żarowe, lampy łukowe).

Właściwości eksploatacyjne źródła światła określa się podając:
 Skuteczność świetlną źródła światła, tj. stosunek strumienia świetlnego źródła (w lm) do pobieranej mocy elektrycznej (w W)

 Trwałość źródła światła określoną czasem (w h), w jakim źródła może pracować.

Żarówki

Elementem świecącym w żarówce jest żarnik wykonany w postaci skrętki jedno- lub dwuskrętnej z drutu wolframowego. Wolfram jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, wynoszącej ok. 3380C. Żarnik umieszczony jest w bańce szklanej, z której zostało wypompowane powietrze. Żarówki o małej mocy (do 25 W) wykonuje się zwykle jako próżniowe, a o mocach większych – jako gazowe. Bańka żarówki jest wtedy wypełniona gazem – argonem lub kryptonem. Zastosowanie gazu w bańce zmniejsza intensywność rozpylania wolframu żarnika. Poprawia to trwałość żarówki i umożliwia zastosowanie wyższej temperatury żarnika. Wolfram rozpylony osiada na bańce powodując jej czernienie i zwiększając pochłanianie światła przez bańkę.
Trwałość żarówek do ogólnych celów oświetleniowych (tzw. żarówek głównego szeregu) wynosi ok. 1000 h. Jest to czas, po którym żarnik ulega przepaleniu, lub po którym strumień świetlny żarówki zmaleje do 80% strumienia początkowego.
Doprowadzenie energii elektrycznej do żarówek odbywa się za pośrednictwem trzonków. Stosowane są głównie dwa rodzaje trzonków.
 Trzonki gwintowe (edisonowskie) z gwintem E27 dla żarówek głównego szeregu o mocy do 200 W oraz E40 dla żarówek 300, 500 i 1000 W;
 Trzonki bagnetowe są stosowane w żarówkach narażonych na drgania (np. w wagonach kolejowych).

Bańki żarówek mogą być przezroczyste, matowe, opalizowane lub mleczne. Zastosowanie bańki matowej, opalizowanej lub mlecznej zmniejsza znacznie luminację żarówki.
Oprócz żarówek do ogólnych celów oświetleniowych produkuje się cały szereg żarówek specjalnych, jak: sygnalizacyjne, iluminacyjne, samochodowe, górnicze i inne.
Praca żarówki zależy szczególnie od napięcia sieci. Podwyższenie napięcia bardzo znacznie zmniejsza trwałość żarówki, zwiększa się jednak jej strumień świetlny. Przy obniżeniu napięcia zmniejsza się znacznie strumień świetlny, ale wzrasta trwałość żarówki.
Można w przybliżeniu przyjąć, że wzrost napięcia o 5% powyżej napięcia znamionowego powoduje obniżenie trwałości żarówek do połowy i zwiększenia strumienia świetlnego o ok. 20%. Obniżenie napięcia o 5% poniżej znamionowego zwiększa trwałość żarówek dwukrotnie i zmniejsza strumień świetlny o ok. 20%.

Wprowadzenie do bańki żarówki jodu lub bromu (żarówki halogenowe) zmniejsza zużywanie się żarnika i umożliwia znaczne zwiększenie wydajności świetnej żarówek (żarówki samochodowe i projektorowe).

Świetlówki

Świetlówka składa się z rury szklanej, w której następują wyładowania elektryczne pomiędzy dwiema elektrodami pokrytymi warstwą aktywną. Wnętrze wypełnia argon i pary rtęci pod niskim ciśnieniem.
Przy wyładowanie elektrycznym (tj. przepływie prądu elektrycznego) powstaje w rurze słabe promieniowanie widzialne i silne promieniowanie ultrafioletowe, niewidzialne. Powierzchnia wewnętrzna rury pokryta jest mieszaniną odpowiednio dobranych substancji chemicznych wykazujących właściwości fluorescencyjne, tworzące warstewkę zwaną luminoforem. Pod wpływem padającego na luminofor niewidzialnego promieniowania ultrafioletowego następuje świecenie luminoforu. Barwa światła zależy od składu chemicznego luminoforu.
Świetlówki wymagają współdziałania dodatkowych urządzeń przy pracy. W obwodzie świetlówki musi być umieszczony stabilizator prądu. Rolę stabilizatora prądu dla świetlówek zasilanych napięciem przemiennym pełni zwykle dławik, tj. cewka nawinięta na rdzeniu z blach ze stali krzemowej. Zadaniem dławika jest ograniczenie prądu płynącego przez świetlówkę i chwilowe podwyższenie napięcia pomiędzy elektrodami świetlówki dla ułatwienia zapłonu.
Świetlówki z podgrzewanymi katodami przy zaświeceniu współpracują ponadto z zapłonnikiem. Jest to urządzenie, które zamyka obwód na krótką chwilę i ponownie go otwiera.

Zapłonniki współpracują z świetlówką w układzie przedstawionym na rysunku powyżej. Działanie tego układu jest następujące: po włączeniu napięcia przez obwód złożony z dławika D, katody K1 , zapłonnika oraz katody K2 płynie bardzo mały prąd, gdyż zapłonnik przedstawia bardzo duży opór. Następuje jarzenie (świecenie) neonu zawartego w zapłonniku i jego nagrzewanie. Podgrzana blaszka bimetalowa wygina się i dotyka styku. Opór zapłonnika maleje praktycznie do zera. Przez obwód płynie duży prąd, ograniczony przez dławik i rezystancję skrętek katod K1 i K2, wywołując nagrzanie katod. Od momentu zamknięcia styku zapłonnika następuje chłodzenie blaszki bimetalowej, która po chwili powraca w położenie wyjściowe, przerywając przepływ prądu w obwodzie. Nagła zmiana prądu płynącego przez dławik powoduje powstanie w nim samoindukcji o znacznej wartości (kilkaset woltów). Siła elektromotoryczna samoindukcji dodaje się do napięcia sieci i powoduje, że między katodami K1 i K2 panuje przez moment wysokie napięcia, które może wywołać wyładowania elektryczne w rurze.

Rys. Schemat układu zasilania świetlówki zapłonnikiem lampowym D - dławik stabilizujący, Ck – kondensator do kompresji mocy biernej, S – świetlówka, K1, K2 – katody, Z – zapłonniki, L – przewód fazowy, N – przewód zerowy








Jeśli nie nastąpi zapłon świetlówki, cały proces przebiega ponownie tak samo, aż do zapalenia świetlówki. Po zapaleniu świetlówki między katodami utrzymuje się napięcie, które jest niższe od napięcia zapłonu zapłonnika. Gaz w zapłonniku nie jarzy się, blaszka bimetalowa pozostaje w położeniu wyjściowym i prąd płynie przez gaz w rurze.
W układzie zasilania świetlówki napięciem przemiennym umieszcza się zwykle kondensator Ck służący do kompresji mocy biernej pobieranej przez dławik. Dzięki temu następuje zwiększenie współczynnika mocy cos φ i zmniejszenie prądu płynącego z sieci do układu świetlówki.
Skuteczność świetlna świetlówek jest znacznie wyższa niż żarówek. Korzystną cechą świetlówek jest mała luminacja, co umożliwia ich stosowanie bez kloszy rozpraszających światło. Trwałość świetlówek wynosi 3000 … 6000 h, zależnie od liczby włączeń.

Świetlówka zasilana napięciem przemiennym o częstotliwości 50 Hz gaśnie i zapala się 100 razy w ciągu sekundy. Oko ludzkie nie reaguje na tak szybkie zmiany strumienia świetlnego. Części wirujące maszyn mogą jednak wydawać się przy oświetleniu takim światłem nieruchome lub też można odnieś wrażenie, że obracają się ze znacznie mniejszą prędkością kątową. Jest to tzw. zjawisko stroboskopowe. Dla zmniejszenia niepożądanego zjawiska stroboskopowego stosuje się współprace dwóch lub więcej świetlówek w takich układach, aby w momencie gaśnięcia jednej świetlówki, druga świeciła, dając możliwie duży strumień świetlny. W rezultacie zmniejszają się znacznie wahania strumienia świetlnego w czasie i zjawisko stroboskopowe staje się praktycznie nie zauważalne. Rezultat ten uzyskuje się, dzięki zasilaniu co najmniej dwóch świetlówek napięciem przesuniętym w fazie. W układzie zasilanym napięciem jednofazowym przesunięcie fazowe prądu uzyskuje się dzięki zastosowaniu w układzie jednej ze świetlówek dławika podwójnego współpracującego z kondensatorem.

Lampy rtęciowe

Źródłem światła w lampach rtęciowych są wyładowania elektryczne w parach rtęci. Elementem głównym lampy jest jarznik wykonany jako bańka ze szkła kwarcowego, przepuszczającego promienie ultrafioletowe z dwiema elektrodami głównymi i jedną lub dwiema elektrodami zapłonowymi. W bańce wypełnionej argonem lub neonem znajduje się kropla rtęci. Neon lub argon wraz z parami rtęci silnie świecą przy przepływie prądu elektrycznego, światłem zawierającym w dużej części promieniowanie ultrafioletowe .
Jarznik otacza bańkę zewnętrzną pokryta luminoforem, z której wypompowano powietrze. Luminofor przetwarza promieniowanie ultrafioletowe wytworzone w jarzniku na światło widzialne.
Rtęciówka może być przyłączone do sieci jedynie w układzie zawierającym dławik, który spełnia rolę stabilizatora prądu. Bezpośrednie przyłączenie rtęciówki do sieci grozi zniszczeniem jarznika.
Po przyłączeniu lampy do sieci rozpoczyna się wyładowanie miedzy elektrodą zapłonową i główną, a po pewnym czasie między elektrodami głównymi. Czas rozświetlania rtęciówek jest długi, wynosi kilka minut.
Rtęciówka wyłączona i ponownie włączona do sieci, zacznie rozświecać się dopiero po częściowym ostygnięciu jarznika, praktycznie po kilku minutach od włączenia. Właściwość ta stanowi wadę rtęciówek.
Skuteczność świetlna rtęciówek jest znacznie większa niż żarówek. Rtęciówki są mniej wrażliwe na zmiany napięcia niż żarówki. Odchylenie napięcia o 5% od napięcia znamionowego zmienia strumień świetlny ok. 8%, a trwałość lampy nie ulega praktycznie zmianie.

Lampy rtęciowo – żarowe

W bańce zewnętrznej lampy rtęciowo – żarowej znajduje się bańka ze szkła kwarcowego z elektrodami głównymi i zapłonowymi (jarznik), analogicznie jak w lampie rtęciowej oraz żarnik wolframowy podobny do używanych w żarówkach. Żarnik połączony szeregowo z jarznikiem rtęciowym spełnia role stabilizatora, a ponadto koryguje barwę światła dodając barwę żółtą i czerwoną. Lampa może być bezpośrednio włączona do sieci. Skuteczność świetlna tych lamp jest niższa niż rtęciówek.