Вольт амперная характеристика лампы накаливания

Вольт амперная характеристика лампы накаливания

Из-за высоких рабочих температур, вольт-амперная характеристика лампы накаливания имеет нелинейный характер. Давайте экспериментально определим зависимость I(U) для лампы с вольфрамовой нитью!

Для резистора зависимость силы тока от приложенного к нему напряжения имеет линейный характер:

Для лампочки с вольфрамовой нитью накаливания характер такой зависимости гораздо более сложный:

Почему так происходит?

Рабочие температуры для ламп накаливания достаточно высоки и оказывают существенное влияние на удельное сопротивление нити. Для металлов и их сплавов зависимость удельного сопротивления от температуры определяется по формуле: $$\rho \left(t \right)=\rho \left(t_ \right)\left(1+\alpha \Delta t \right)$$

В данном проектном задании предлагается экспериментально построить график зависимости силы тока I, протекающего через лампочку, от приложенного к ней напряжения U.

Лабораторная работа: «Вольтамперная характеристика лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода»

Цель работы: исследовать вольтамперные характеристики лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода.

Оборудование : персональный компьютер, методические указания, рабочая тетрадь, электронное пособие « Electron » — https://cloud.mail.ru/public/KsSt/3rPNmQ3Zh .

Методические указания:

1. Краткое теоретическое описание

Вольтамперной характеристикой (ВАХ) элемента называется зависимость силы тока через элемент от напряжения между его концами.

Резистор является линейным элементом, потому что при постоянной температуре его вольтамперная характеристика – прямая линия (Рисунок 1), угол наклона которой зависит от сопротивления резистора.

Рисунок 1 – ВАХ резистора

У нелинейных элементов сопротивление не является постоянной величиной. Вольтамперная характеристика таких элементов — нелинейная.

Примерами нелинейных элементов являются лампы накаливания, полупроводники и др.

ВАХ является основной характеристикой нелинейного элемента, необходимой для описания его работы в электрических цепях.

Измерения ВАХ можно проводить как на постоянном токе, так и на переменном, т.е. в динамическом режиме.

Рассмотрим ВАХ некоторых нелинейных элементов. Как известно, основным элементом лампы накаливания является вольфрамовая нить.

При пропускании через неё тока она нагревается до высоких температур и излучает свет. При этом с повышением температуры сопротивление нити возрастает.

Поэтому ВАХ лампы накаливания оказывается нелинейной (Рисунок 2).

Рисунок 2 – ВАХ лампы накаливания

Другим примером нелинейного элемента является полупроводниковый диод, который обладает различной проводимостью в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.

Типичная ВАХ полупроводникового элемента с одним p-n переходом представлена на Рисунке 3.

Рисунок 3 – ВАХ полупроводникового диода

Полупроводниковые выпрямительные диоды работают на прямой и обратной ветвях ВАХ до пробоя: пропускают ток только в одном направлении. Пробой может вызывать необратимые разрушения.

Светодиоды (диоды, излучающие свет) работают на прямой ветви ВАХ. Напряжение пробоя у них небольшое (единицы вольт). При кратковременном включении светодиода в обратном направлении и небольшом напряжении его свойства после пробоя могут восстановиться, но могут привести и к необратимым разрушениям. Поэтому необходимо соблюдать полярность подключения светодиода.

При работе с переменным током во избежание пробоя светодиода параллельно ему подключают другой диод с противоположным направлением пропускания тока, чтобы ограничить обратное напряжения на светодиоде.

На Рисунке 4 представлены вольтамперные характеристики светодиодов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов.

Видно, что при прямом включении ток в светодиодах начинает течь (светодиод «открывается» – начинает светиться) при больших напряжениях, чем в кремниевых диодах.

Рисунок 4 – ВАХ кремниевого диода и светодиодов различного цвета

Различие прямых ветвей вольтамперных характеристик для разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучаемого света, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают только при прямом включении.

2. Порядок выполнения работы

Эксперимент 1:

1. Собрать цепь по схеме, изображенной на Рисунке 5.

Рисунок 5 – Экспериментальная схема с резистором

2. Включить источник питания. Замкнуть выключатель (ключ).

3. Увеличивать напряжение источника питания ( ε , B ) с 0 В до 10В каждый раз на 2 В, измерить при этом силу тока и напряжение на резисторе.

4. Записать результаты в Таблицу 1.

5. Вычислить отношение измеренного на резисторе напряжения к измеренному значению силы тока и полученные значения сопротивления записать в Таблицу1.

Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений для снятия ВАХ резистора

Вольт амперная характеристика лампы накаливания

Задание 31. Вольт-амперная характеристика лампы накаливания изображена на графике. При потребляемой мощности 24 Вт температура нити лампы равна 4200 К. Сопротивление нити прямо пропорционально её температуре. Чему равна температура нити накала, если на лампу подать напряжение 6 В?

1. Потребляемая лампой мощность пропорциональна напряжению на ней и силе тока через нить накала в соответствии с законом Джоуля-Ленца: P = I∙U.

2. Как следует из графика, при напряжении U1 = 12. В силе тока, протекающая через лампу I1 = 2 А.

3. Сопротивление лампы при этих параметрах определяется законом Ома для участка цепи: Ом.

4. Как следует из графика, при напряжении U2 = 6 В через лампу будет протекать ток силой I2 =1,4 А, а сопротивление нити накала при этом напряжении Ом.

5. Так как сопротивление нити пропорционально температуре: , то , откуда

Ответ: 3000 К.

Технические характеристики ламп накаливания

Благодаря своей дешевизне и простоте использования лампы накаливания пока продолжают оставаться распространенными источниками освещения. Но у них малое КПД, невысокая надежность, поэтому все чаще их стремятся заменить на более эффективные люминесцентные или светодиодные модели. Чтобы правильно сделать замену, не потеряв в качестве освещения, важно проанализировать технические характеристики ламп накаливания.

• световой поток;
• мощность потребления;
• светоотдача;
• коэффициент цветопередачи и цветовая температура;
• срок службы;
• коэффициент пульсации;
• диапазон рабочих температур.

Кроме того, важны дополнительные конструктивные характеристики ламп, такие как тип цоколя, степень защиты, размеры.

Рассмотрим все эти показатели в отношении ламп накаливания.

Эффективность

Лампа накаливания использует явление испускания света нагретым материалом (вольфрамовой спиралью). Если нагреть тело до 570 °С (красный цвет), то будет исходить свет в видимом диапазоне электромагнитных волн. Чтобы спектр излучения заполнял весь диапазон видимого света (от красного до фиолетового) температура излучателя должна быть много выше. Выбор вольфрама как раз связан с тем, что он имеет наибольшую температуру плавления (3410 °С) среди металлов. Он может выдержать 2000-2800 °С, не разрушаясь.

С учетом кривой относительной спектральной чувствительности зрения человека наиболее подходящим для освещения является солнечный свет, который характеризуется температурой верхнего слоя Солнца в 5770 К.

Поскольку температура нити в лампочке ниже, то максимум излучения сдвинут в сторону фиолетового цвета. Поэтому большая часть светового потока такой лампы лежит в области УФ излучения, а в видимой части диапазона излучается не более 5 %. Поэтому величина светоотдачи, которая характеризует эффективность преобразования подводимой к лампе мощности в свет, невелика и составляет 10-15 лм/Bт.

Качество света

Качество света лампочки определяется цветовой температурой и коэффициентом передачи цвета.

Цветовая температура показывает температуру черного тела, которое имеет одинаковый цвет с излучением данного нагретого предмета. Этот показатель характеризует оттенки света. Для лампы накаливания цветовая температура обычно равна 2200-2900К. Такая лампочка излучает желтоватый свет, отличающийся от дневного света. Как было доказано, такой свет вечером меньше подавляет выделение у человека регулятора суточных биоритмов мелатонина, что делает такой свет более комфортным.

Коэффициент цветопередачи характеризует близость цвета, освещаемого данной лампочкой предмета к истинному его цвету при освещении стандартным источником. Для лампы накаливания величина этого коэффициента равно максимальной величине 100, поскольку она является стандартом для сравнения этого показателя.

Срок службы

Если сравнивать с аналогами, то лампы накаливания имеют небольшой срок службы. Т.е. перегорают они чаще и быстрее. Это связано с испарением слоя вольфрама в процессе работы (нагрева) лампочки. Нить утончается и обрывается.

Помимо этого, при включении лампы сопротивление вольфрамовой нити оказывается меньше сопротивления работающей лампочки, что приводит к образованию скачка тока. А это ухудшает качество нити.

Срок службы такой лампы равен 1000 часов. После работы в течение 750 часов ее светоотдача уменьшается на 15 %. Даже небольшое увеличение питающего напряжения может сильно уменьшить срок службы.

Для оценки этого влияния можно использовать эмпирическую формулу:

где: U₀ — рабочее напряжение, В;

U — напряжение сети, В;

T₀ — паспортный срок службы, час;

T — срок службы при напряжении сети U.

Если U₀ = 220 В, а U= 230 В, то срок службы лампы уменьшится почти в два раза и будет равен всего 0,56 от номинального.

Подтверждением этого служит частое перегорание лампочек в подъездах и на лестницах. Это связано с тем, что такие лампочки горят ночью, когда нагрузка на сеть уменьшается, а напряжение в сети повышается.

Для увеличения надежности таких ламп в нежилых помещениях или на лестницах можно их использовать на пониженном напряжении или с последовательно включенным диодом. Более дорогой вариант – это включение устройства плавного включения. Такое устройство постепенно повышает напряжение и исключает возникновение скачков тока.

Коэффициент пульсации и рабочая температура

Лампы накаливания питаются от сети с частотой в 50 Гц. При работе лампы ее нить то накаляется, то остывает. Соответственно яркость то увеличивается, то снижается. Поскольку эти колебания происходят с большой частотой, то глаз человека не замечает этих колебаний. Однако эти пульсации влияют на утомляемость человека. Поэтому в стандартах по освещению рабочих мест имеются требования по пульсациям света. Для мелкой работы эти пульсации не должны превышать 10 %, а для мало ответственных работ -25%.

Проведенные исследования показали, что пульсация ламп зависит от их мощности и лежит в пределах от 1 до 4 %. Наибольшая пульсация оказалась у ламп мощностью в 40 Вт.

Так как эффективность ламп накаливания небольшая, то они выделяют много тепла. Проведенные эксперименты показали, что через 15 минут непрерывной работы колбы лампочки сильно нагреваются. Температура лампы мощностью 40 Вт достигает +120 °С, а 95 Вт – до +210°С.

Вольтамперная характеристика

Вольтамперная характеристика лампы накаливания — нелинейна. Обусловлено это увеличением сопротивления вольфрамовой нити при увеличении протекающего через него тока и температуры. Благодаря этому происходит автоматическая стабилизация рабочей точки лампы. Поэтому же она не требует каких-либо дополнительных балластных устройств.

Конструкция

Лампа накаливания состоит из 11 конструктивных элементов.

Для подсоединения к сети питания используются цоколи различного вида. Существует несколько стандартов типов цоколей, в нашем регионе используются европейские. Наиболее распространены резьбовые цоколи Эдисона – Е14 (миньон), Е27, Е40. Имеются также цоколи, состоящие из 2 штырьков, и байонетные цоколи.

Колба лампы накаливания может быть разного размера, на что влияет мощности лампочки. По цвету она может быть прозрачной, матовой, зеркальной, окрашенной.

Некоторые характеристики ламп накаливания заложены в их обозначениях:

• В — вакуумная;
• Б — биспиральная;
• ЗК — зеркальная;
• Ш — шаровая;
• С — свечевидная.

Новое поколение

Главные задачи при проектировании ламп накаливания нового поколения:

• увеличение кпд;
• улучшение надежности;
• повышение безопасности.

Для уменьшения испарения вольфрама лампу наполняют газом. Например, в галогенной лампе используются пары йода. Это позволяет увеличить надежность и светоотдачу. Также применяют смесь аргона с азотом, криптон, ксенон. Эти модели более дорогие, так как их газ имеет низкую теплопроводность, за счет чего увеличивается яркость.

Качество света также увеличивают конструктивно. Колбу делают из стекла с добавлением неодима.

Минусы

• Малая эффективность. Светоотдача составляет всего 10 лм/Вт. Для люминесцентных ламп этот параметр равен 50 лм/Вт, а для светодиодных — 80 лм/Вт.
• Низкая надежность. Срок службы составляет 1000 часов. Для люминесцентных ламп этот параметр равен 8000 часов, а для светодиодных – 50000 часов.
• Высокая рабочая температура. Для мощных ламп температура может достигать +210°С. Для люминесцентных и светодиодных эта величина равна +60°С…+70°С.
• По сравнению со светодиодными лампами лампы накаливания имеют хрупкую конструкцию и плохо переносят вибрацию.

Плюсы

• Относительная дешевизна. Стоимость лампы накаливания составляет 30-40 руб. Стоимость люминесцентной – 150 руб. Стоимость светодиодной – 500 руб.
• Высокий уровень цветопередачи. Коэффициент цветопередачи составляет 100. Для люминесцентной и обычной светодиодной ламп этот коэффициент значительно меньше. Лампа излучает комфортный свет, который не нарушает биоритмы человека.
• Нет необходимости подключать пускорегулирующую аппаратуру. Для пуска люминесцентной лампы необходимы дроссель и стартер, а для стабильной работы светодиодной лампы необходим блок питания.