Расчет сопротивления электрической лампочки. важные параметры оценки. светотехника и цвет свечения

Оглавление

Мощность излучения по отношению к окружающему фону

Оценим мощность излучения лампы, соответствующую температуре окружающего фона.

Известно, что постоянная Стефана-Больцмана σ = 5,670373·10-8 , тогда мощность излучения с квадратного метра

Р = σ SТ4

В качестве произвольного оценочного значения примем диаметр спирали 40 микрон, а длину 50 см. Температура нормальных условий 293К (20С). Подставив эти данные в формулу Стефана-Больцмана, получим мощность излучения при температуре 0,026258 Ватт.

Для интереса вычислим мощность при некоторых различных температурах окружающей среды:

Минус 40 (233К) 0,0105 Ватт

Минус 20 (253К) 0,0146 Ватт

Нуль (273К) 0,0198 Ватт

Плюс 20 (293К) 0,026258 Ватт (норм.условия)

Плюс 40 (313К) 0,0342 Ватт

Для курьеза можно привести расчет излучения лампы, когда температура окружающей среды равна 2300К:

Р = 99,7 Ватт.

Что вобщем неплохо согласуется с реальным положением вещей – лампа, расчитанная на 100 ватт нагревается до температуры 2300К.

Можно с высокой долей уверенности заявить, что данная геометрия спирали соответствует «стоваттной» лампочке, рассчитанной на 220 вольт.

А теперь пересчитаем эти величины мощностей к «приведенному» напряжению. Как если бы температура окружающей среды соответствовала Абсолютному Нулю, а к лампе было приложено некоторое напряжение, нагревающее спираль.

Для пересчета используем полученное соотношение что напряжения и мощности соответствуют степеням «три» и «два».

темпер, К напряжение, В
233 0,489665457
253 0,609918399
273 0,747109176
293 0,902119352
313 1,075809178

Из таблицы видно, что “токовая” мощность лампочки при напряжении на ней 0,902…Вольт нагревает спираль до температуры 293К. Аналогично, “токовая” мощность при напряжении 1,0758 Вольт нагреет спираль до температуры 313К (на 20 градусов выше).

Повторю еще раз, это при условии, что температура окружающей среды равна Абсолютному Нулю.

Вывод. Весьма малое изменение напряжения оказывает значительное влияние на температуру нити. Изменили напряжение на каких то семнадцать сотых Вольта (1,0758 – 0,902 = 0,1738) а температура возросла на 20 градусов.

Эти расчеты весьма условны, но в качестве ОЦЕНОЧНЫХ величин их можно использовать.

Оценка естественно очень грубая, ибо закон Стефана-Больцмана описывает излучение «идеального» излучателя – абсолютно черного тела (АЧТ), а спираль весьма отличается от АЧТ, но, тем не менее, получили «цифирь» весьма правдоподобную…

Из экселовской таблички видно, что уже при напряжении на лампе 1 вольт, температура спирали будет 40 градусов по Цельсию. Приложим больше, будет больше.

Напрашивается естественный вывод, что при напржении 10-15 вольт нить будет достаточно горячая, хотя визуально это не будет видно.

На глаз нить будет казаться «ЧЕРНОЙ» (холодной) вплоть до температур 600 градусов (начало излучения в видимом диапазоне).

Желающие «погонять цифирь» могут это сделать самостоятельно, используя формулу Стефана- Больцмана.

Результаты будут условными, ввиду того что (как было сказано выше) спираль имеет некоторое альбедо и не соответствует излучателю АЧТ, НО(!) оценка температур будет вполне достоверной…

Повторю – именно ОЦЕНКА. Нить начинает светиться примерно с 20 вольт.

Дополнительно хотел бы обратить внимание на разброс параметров лампочек. На фотографии с тестером, маленькие лампочки (гирляндные) были мной отобраны и откалиброваны весьма тщательно

Для разных измерительных целей и опытов. Потому то они и показывают одинаковое сопротивление, что называется «пуля в пулю»

На фотографии с тестером, маленькие лампочки (гирляндные) были мной отобраны и откалиброваны весьма тщательно. Для разных измерительных целей и опытов. Потому то они и показывают одинаковое сопротивление, что называется «пуля в пулю».

А вот большие лампочки, я их просто принес из магазина, не отбирая по параметрам и хорошо видно, что разброс магазинных лампочек наблюдается в весьма широком диапазоне. Вплоть до 10%.

Это обстоятельство дополнительно указывает, что погрешности расчета оказываются МЕНЬШЕ чем реальный разброс лампочек.

Немножко «алгебраической схоластики»

Теперь, когда с “теорией” покончено (улыбнулся), приведу алгебраические выкладки для вывода «главной» формулы.

Каноническая запись закона Ома выглядит:

I * R = U


Для приведения в соответствие количественных значений, необходимо ввести соответствующие коэффициенты пропорциональности, для токовой компоненты – Кт и для резистивной компоненты – Кр:

Самые общие соображения подвигают к мысли, что эти коэффициенты должны быть взаимно обратными величинами, а значит:

В этом случае, попарно перемножая правые и левые части (в системе уравнений), мы возвращаемся к исходной записи закона Ома:

I * R = U

Простейший способ

Самый простой способ диагностики подходит как для лампочек накаливания, так и для люминесцентных и светодиодных ламп. Он предполагает вкрутить подозрительную лампочку в другой светильник и включить его. К сожалению, это не всегда возможно. Иногда резьбовая часть цоколя изготовлена с отклонением от стандартного размера и при вкручивании в патрон не замыкает оба электрических контакта. Или в доме больше нет светильников с точно таким же патроном.

Покупая лампочку в магазине электротоваров, многие обращали внимание на то, как продавец проверяет её с помощью тестера. В корпусе тестера есть несколько разъёмов, предназначенных для диагностики лампочек разного типа: накаливания, люминесцентных и галогенных

Его задача – проверить целостность проводников внутри лампы, о чём свидетельствует звуковой сигнал. Эту же самую операцию можно проделать в домашних условиях, воспользовавшись мультиметром или многофункциональной индикаторной отвёрткой.

Как проверить лампочку мультиметром?

Не всегда визуальный осмотр лампы позволяет сделать вывод о её пригодности или непригодности. Бывают случаи, когда вольфрамовая нить не имеет повреждений, но лампочка в светильнике не светится. Еще сложнее дела обстоят со светодиодными или люминесцентными лампами. Установить причину и тем самым подтвердить или опровергнуть неисправность лампы можно несколькими способами. О том, как это сделать, можно узнать из этой статьи.

Простейший способ

Самый простой способ диагностики подходит как для лампочек накаливания, так и для люминесцентных и светодиодных ламп. Он предполагает вкрутить подозрительную лампочку в другой светильник и включить его. К сожалению, это не всегда возможно. Иногда резьбовая часть цоколя изготовлена с отклонением от стандартного размера и при вкручивании в патрон не замыкает оба электрических контакта. Или в доме больше нет светильников с точно таким же патроном.

Покупая лампочку в магазине электротоваров, многие обращали внимание на то, как продавец проверяет её с помощью тестера. В корпусе тестера есть несколько разъёмов, предназначенных для диагностики лампочек разного типа: накаливания, люминесцентных и галогенных

Его задача – проверить целостность проводников внутри лампы, о чём свидетельствует звуковой сигнал. Эту же самую операцию можно проделать в домашних условиях, воспользовавшись мультиметром или многофункциональной индикаторной отвёрткой.

В режиме прозвонки

Каждый мультиметр имеет режим прозвонки, с помощью которого можно проверить целостность электрического соединения. На панели прибора данный режим обозначается специальным символом. Чтобы проверить работоспособность лампочки нужно:

  • установить переключатель в режим прозвонки (проверки на обрыв);
  • коснуться одним щупом центрального контакта, а другим – бокового (для ламп накаливания с резьбовым цоколем).

Если осветительный прибор исправен, то тестер издаёт звук, а на ЖК-дисплее появляется число в пределах 3-200 Ом.

Перед каждым измерением следует кратковременно замыкать щупы между собой, чтобы убедиться в исправности измерительной цепи тестера.

Компактную люминесцентную (КЛЛ) и светодиодную лампу таким способом не протестируешь, из-за наличия внутри электронной схемы. Отдельно можно проверить пригодность только стеклянную спираль КЛЛ. Для этого её нужно аккуратно отделить от цокольной части и прозвонить две пары проволочных выводов, идущих на плату электронного балласта.

В режиме проверки сопротивления

Существует ещё один, более точный, метод диагностики спиральных ламп с помощью мультиметра. Им можно не только определить пригодность лампочки, но и узнать её сопротивление. Зачем это нужно? Например, заводской отпечаток на колбе лампы накаливания стёрт. Следовательно, её мощность неизвестна. Данный способ поможет решить эту проблему.

Теперь о том, как проверить лампочку мультиметром в режиме сопротивления. Для этого нужно перевести переключатель на позицию с пределом 200 Ом, а затем коснуться щупами электрических контактов лампы точно так же, как в режиме прозвонки. В этом случае звуковой сигнал отсутствует, а на ЖК-дисплее появится значение сопротивления в Омах. Если на табло осталась «1», то внутри осветительного прибора обрыв.

По измеренному сопротивлению спирали в холодном состоянии можно сделать вывод о её мощности. В нами составленной таблице приведены данные об основных типах ламп, применяемых в быту.

Во время замера следует помнить, что за счёт плохого контакта щупов с тестером полученный результат может отличаться от табличного в большую сторону на несколько Ом.

Проверка индикаторной отверткой

Чтобы в домашних условиях проверить на исправность лампочку, необязательно иметь под рукой мультиметр. Гораздо быстрее это сделать с помощью многофункциональной индикаторной отвёртки. Её отличие от обычного индикатора заключается в наличии батарейки-таблетки внутри корпуса. Работоспособность такой отвертки проверяется касанием пальцев её металлических контактов с торцов. При этом индикаторный светодиод внутри неё должен светиться.

Последовательность действий по проверке лампы накаливания следующая:

  1. В одну руку берут лампочку, касаясь резьбы (боковой контакт).
  2. В другую руку берут индикаторную отвёртку и металлическим стержнем касаются центрального контакта лампы, а большим пальцем – торца отвёртки. Таким образом, цепь замыкается через отвёртку, лампу и тело человека. Весь тест занимает всего пару секунд.

Виды ламп накаливания, область применения и электрические характеристики.

Классификация данных осветительных приборов.

  1. Общего назначения. Предназначены для общего, местного и декоративного освещения в домах и офисах.
  2. Местного освещения. Подобны предыдущей группе, но с низким напряжением (12, 24, 36 В). Применяются для подсветки рабочих мест, в том числе и на специальных станках.
  3. Декоративные модели. Изготавливаются со специальными фигурными колбами (в виде свечей, шаров и др.). Применяются для украшения интерьера в квартирах и общественных зданиях.
  4. Иллюминационные. Выпускаются с ярко окрашенными колбами. Имеют малую мощность. Применяются в иллюминационных установках.
  5. Сигнальные. Прибор малой мощности, но долгого срока службы. Используются в светосигнальных устройствах.
  6. Зеркальные. Изготавливаются с колбой специальной формы, покрытой отражающим слоем из алюминия. Применяются для локализации местного освещения в определенную точку.
  7. Транспортные. Предназначены для различных видов транспорта. Выпускаются с высокой механической и вибрационной стойкостью. Имеют специальный цоколь.
  8. Лампы для оптических приборов (измерительных, медицинских и др.).
  9. Прожекторные лампы. Имеют большую мощность (до 10кВт) и световую отдачу.
  10. Специальные:
  • коммутаторные (миниатюрные, маломощные);
  • фотолампы (сейчас практически не используются);
  • проекционные (для кинопроекторов);
  • двухнитевые и лампы-фары для автомобилей, самолетов и железнодорожных светофоров;
  • нагревательные и лампы специального спектра излучения для различной техники (принтеры, сушильные камеры и др.).

 Номенклатура осветительных приборов определяет их характеристики.

Диапазон мощности составляет от 0,1 Вт до 23 кВт. Для бытовых лампочек интервал значительно уже: от 15 до 150 Вт. Цветовая температура находится в интервале от 2100 до 3000 К, что весьма близко к естественному солнечному спектру. Коэффициент полезного действия у ламп накаливания довольно низкий: примерно 5%. Это обусловлено тем, что большая часть электроэнергии расходуется на тепловой нагрев нити накаливания и невидимое глазу инфракрасное излучение. При работе осветительный прибор не требует дополнительных устройств для ограничения тока. Он подключается напрямую к электрической сети. Это связано со свойствами вольфрама. Он имеет положительный коэффициент температурного расширения. Значит, с ростом температуры увеличивается электрическое удельное сопротивление: стабилизация потребляемой мощности осветительного пробора достигается автоматически. Световой поток или яркость свечения у лампы накаливания зависит от мощности. Для бытовых приборов он находится в рамках 90−2200 лм. Световая отдача при этом составляет 9−15 лм/Вт. Индекс цветопередачи Rа 100

Следовательно, цвета предметов не искажаются

Важной для потребителя характеристикой является размер и тип цоколя лампы. Чаще всего у бытовых осветительных приборов встречается резьбовой цоколь

Кроме него выпускают лампы со штифтовым одно- или двухконтактным цоколем. В зависимости от размера в Европе выпускают цоколи Е14, Е27 и Е40. Цифра соответствует диаметру цоколя в миллиметрах. В странах с меньшим напряжением сети (110В) лампы меньше. Цоколи для них имеют размеры Е12, Е17, Е26 и Е39.

Выявление неполадок и их устранение

Неисправность лампы дневного света выражается в:

  1. Полном отсутствии включения.
  2. Кратковременных мерцаниях лампы с дальнейшим включением.
  3. Продолжительном мерцании без дальнейшего включения.
  4. Гудении.
  5. Мерцании в режиме горения.

Это может неблаготворно сказаться на зрении человека, поэтому следует незамедлительно диагностировать поломку и приступить к ремонту светильника. Для этой цели понадобится мультиметр или тестер сопротивления.

Часто ЛЛ не горит из-за плохого контакта между штырьками лампы и контактами патрона. Держатели со временем изнашиваются и окисляются. Следует почистить их спиртосодержащей жидкостью, ластиком, мелкой шкуркой, а при необходимости подогнуть или заменить пластинки контактов для лучшего соприкосновения со штырьками. Следует помнить, что ЛДС не работает при температуре ниже –50 ˚С и при скачках напряжения более 7 %.

Целостность спиралей-электродов

Лампа не загорается. Проверяется при помощи мультиметра или индикатора на наличие сопротивления с мини-лампочкой. Переключатель устанавливают на измерение сопротивления – минимальный диапазон, щупами прикасаются к штырькам сначала с одной, потом с другой стороны. Неисправная спираль покажет нулевое сопротивление (нить порвалась). Целая нить покажет незначительное сопротивление – от 3 до 16 Ом. Если даже одна из спиралей покажет обрыв, лампа подлежит замене. Восстановить работоспособность с такой поломкой не получится.

Проверка целостности спиралей-электродов

Неисправности в электронном балласте

В лампах нового поколения используется электронная пускорегулирующая аппаратура (ЭПРА). Чтобы понять, исправен ли балласт, заменяют его на заведомо рабочий. Если светильник включился, это означает, что поломка была в нем. Старый балласт можно починить в домашних условиях. Сначала можно попробовать заменить предохранитель на аналогичный с таким же диаметром и плавкой вставкой. Если спиральные нити слабо светятся – пробит конденсатор между ними. Его нужно заменить на аналогичный, но с рабочим напряжением 2 кВ. В дешевых балластах ставят конденсаторы на 250–400 В, которые часто сгорают.

Устройство электронного балласта

Транзисторы могут перегореть из-за скачков напряжения. При работе сварочного агрегата или любой мощной техники ЛДС желательно выключать. Транзисторы можно взять из списанных балластов или подобрать по таблице. После замены любого элемента нужно проверить исправность светильника, вставив в него лампу мощностью 40 Вт.

Как проверить дроссель люминесцентного светильника

Признаки неисправности дросселя:

  • гудение светильника из-за дребезжания пластин;
  • лампа зажигается нормально, потом темнеет по краям и гаснет;
  • перегрев ЛДС;
  • после включения внутри колбы бегают змейки;
  • сильное мерцание.

Проверка дросселя

Для проверки дросселя на исправность из светильника вынимают стартер и замыкают накоротко контакты в его патроне. Вынимают лампу и закорачивают контакты в патронах с обеих сторон. Мультиметр устанавливается в режим измерения сопротивления, щупы присоединяются к контактам в патроне лампы. Обрыв обмотки покажет бесконечное сопротивление, а межвитковое замыкание – значение (стрелка) около нуля.

Как проверить стартер

Если при включении ЛДС мерцает, но не загорается, – неисправен стартер. Отдельно от светильника прозвонить стартер мультиметром не удастся, так как без напряжения его контакты разомкнуты. Схема проверки данного элемента включает в себя лампочку 60 Вт и стартер, подключенные последовательно к сети 220 В.

Схема проверки стартера

Как проверить емкость конденсатора тестером

Неисправный конденсатор, находящийся между проводами сети питания, снижает КПД светильника до 40%. В рабочем состоянии КПД составляет 90%, что более экономично. Для ЛЛ до 40 Вт подойдет конденсатор емкостью 4,5 мкФ. Слишком низкая емкость снижает КПД, высокая – вызовет мерцание. Исправность конденсатора проверяют мультиметром с соответствующей функцией.

Удельное сопротивление

Физический смысл удельного сопротивления в таблице имеет такую формулировку: величина «р» эквивалентна отношению сопротивления проводника из заданного материала в 1 Ом площадью поперечного сечения 1 мм 2 к длине 1 м. Математическая форма записи: p=/1м.

На основании общего соотношения можно вывести формулу удельного сопротивления: p=(RS)/L. Однако к этому физики пришли не сразу. После открытия закона Ома для полной цепи и ее участка применялись только три составляющих, а именно: сила тока, напряжение и сопротивление.

На протяжении определенного времени физики не могли понять различные измерения параметров (отклонения) в электрических схемах при постоянном напряжении и токе, которые фиксировались приборами. Оказалось, что причиной стала температура окружающей среды. Для обыкновенных металлов (золота, стали и никелина) величина сопротивления при высоком температурном коэффициенте увеличивалась, а при низком — уменьшалась.

Опытным путем был открыт новый параметр, зависящий не только от типа материала, но и от температуры. Его назвали удельным сопротивлением.

Проведение опыта

Опыт позволяет определить зависимость сопротивления от температуры. Для этого подойдет проволока из любого проводника (рекомендуется использовать никелин). Кроме того, понадобится источник питания, напряжение которого составляет примерно от 12 до 24 В постоянного тока. Далее необходимо собрать схему, дополнив ее лампой накаливания и выключателем. Элементы необходимо соединить последовательно.

После сборки схемы выключатель должен быть в положении «отключено». Если его включить, то лампочка будет гореть сначала ярко. Однако это будет длиться недолго — до нагрева спирали. Специалисты рекомендуют следить за техникой безопасности. Схему необходимо собирать, используя негорючие монтажные элементы.

Температурный коэффициент

Формула, связывающая сопротивление и температурный коэффициент выглядит таким образом: (R-R0)/R=at. Она состоит из следующий параметров:

  1. R0 — величины среднего значения сопротивления (при температуре по Цельсию 0 градусов).
  2. а — температурного коэффициента.
  3. t — температуры проводника.

Чтобы рассчитать температурный коэффициент, нужно найти опытным путем величину электросопротивления при нулевом значении температуры. Она измеряется при помощи прибора, который называется омметром. Далее требуется посчитать p через формулу «p=p0+aT».

Нахождение неизвестной величины р0 осуществляется по специальным таблицам, в которых ученые уже позаботились и измерили опытным путем параметр при температуре 20 градусов по Цельсию.

Таким образом, расчет сопротивления проводника производится не только по его геометрическим параметрам и веществу, из какого он состоит, а также по величине температуры.

Тестирование автомобильной лампочки

Автолюбителей часто интересует вопрос о том, как проверить лампу, вышедшую из строя. В чем причина неисправности? Проблема может заключаться не только в автомобильной лампочке, но и в электропроводке или патроне. Проверка мультиметром проводится так же, как и при тестировании обычных лампочек с нитью накаливания. Рекомендуется следующий порядок действий:

  • после остывания электронной системы автомобиля демонтировать неработающие лампочки;
  • установить тестер в положение проверки минимального сопротивления;
  • приложить щупы к контактам, чтобы проверить лампочки с помощью мультиметра.

Выбор метода расчета

Имея представление, каким образом производится расчет, давайте рассмотрим, какой из способов выбрать конкретно для вашего случая. Ведь различные методы расчета предназначены для различных помещений и условий.

Итак:

Начнем с метода коэффициента использования светового потока. Данный способ нашел достаточно широкое применение. Преимущественно его применяют для расчета общего освещения в помещениях, не имеющих перепадов высот по горизонтали. Кроме того, данный способ не сможет выявить затененные участки, и произвести расчет для них.


Выбираем метод расчета освещенности

  • Для этих целей существует точечный метод. Он применяется для расчета местного освещения, затененных участков и помещений с перепадом высот, а также наклонных поверхностей. Но вот общее равномерное освещение таким методом посчитать достаточно сложно — ведь он не учитывает отраженные и некоторые другие составляющие.
  • А вот способ удельной мощности, является одним из наиболее простых. Но в то же время он не дает точных значений, и преимущественно используется в качестве приближенного. С его помощью определяют приближенное количество светильников и их мощность.

Кроме того, данный расчет позволяет определить, какова приближенная цена монтажа и эксплуатации данной осветительной системы.

Принцип работы указателя напряжения

Рассмотрим два варианта: двухполюсный/однополюсный индикаторы напряжения.

Проверка сети двухполюсным индикатором

Такой указатель состоит из двух заизолированных проводов со щупами и корпуса со встроенным светодиодом или неоновым индикатором. Щупами проверяется состояние электрической сети: если есть обрыв, то индикатор не загорится. 

Схема протекания тока при проверке двухполюсным измерителем

Принцип действия, схема протекания электричества аналогична контрольной лампе за одним принципиальным исключением: внутри корпуса индикатора добавлено сопротивление. Резистор сводит к минимуму силу тока, которая протекает через двухполюсный указатель.

Однополюсный указатель или индикаторная отвертка работает по другому принципу.

Внешний вид индикаторной отвертки

Электрическая схема индикаторной отвертки

В ней за счет встроенного токоограничивающего резистора на выходе создается минимальная сила тока. Она безопасна для человека. Путь протекания электричества выглядит так:

Схема протекания тока при проверке индикаторной отверткой

Цепь электрического тока при проверке индикаторной отверткой: источник тока – провод –отвертка — тело человека – земля. Наличие или отсутствие свечения индикатора подскажет об имеющемся обрыве.

Расчёт мощности по току и напряжению

Посчитать потребление P можно, зная эти два параметра I и U сети. До того, как подобрать кабели или провода для проводки в квартире, нужно определиться с P потребителей, которые можно к ним подключить. Расчёт производят после того, как измерительными приборами фиксируют действующие показания силы тока I (А), а также напряжения U (В).

Однофазная сеть напряжением 220 вольт

При включении в цепь активной нагрузки пользуются формулой: P = U*I. В случае присутствия сдвига фаз между U и I пользуются формулой: P = U*I* cosφ.

Трёхфазная сеть напряжением 380 В

В трёхфазной сети переменного тока со сдвигом фаз результат последней формулы умножают на √3. Значение угла cosφ можно уточнить в справочнике.

Таблица cosφ для бытовых устройств

При выборе сечения проводов обычно известны суммарная мощность будущих потребителей и напряжение сети.

Нужна только сила тока формула через мощность и напряжение которой имеет вид:

I = P / (U *cosφ).

У формулы для расчёта тока, используя мощность и напряжение, следующие составляющие:

  • P – известная мощность прибора, (Вт);
  • U – напряжение питания, (220/380 В);
  • cosφ – угол сдвига фаз.

Расчет тока можно выполнить с помощью онлайн-калькулятора.

Онлайн-калькулятор – общий вид интерфейса