1

2

CAPITOLUL 1 – PROBLEME GENERALE ALE SURSELOR

ELECTRICE

1.1 Evoluţia surselor electrice de lumină

Sursele electrice de lumină sunt acelea la care emisiunea luminoasă se

obţine cu ajutorul energiei electrice .

Clasificarea surselor electrice de lumină se poate face după mai multe criterii:

- mecanismul radiaţiei luminoase (surse cu incandescenţă , surse cu

descărcări electrice surse cu arc) ;

- temperatura de culoare a sursei luminoase ;

- culoarea luminii emise (surse de lumină albă, surse de lumina

colorată) ;

- puterea electrică ;

- tensiunea de alimentare ;

- natura mediului în care are loc descărcarea ( în cazul surselor cu

descărcări în gaze) ;

- destinaţie şi utilizare.

În anul 1801 Davy H. a pus în evidenţă existenţa efectului luminos al

curentului electric în gaze. În anul 1802 Petrov V. V. emite ideea folosirii

luminii radiate de către arcul electric în scop de iluminat . Un pas important în

introducerea arcului electric pentru iluminat se face în anii 1877-1878 când

Iablocikov P.N. construieşte prima lampă cu arc stabil.

Pentru a crea radiaţii luminoase, Jobart A. a emis în 1838 ideea de a folosi

incandescenţa în vid a unui baston subţire de cărbune. Prima lampă cu

incandescenţă cu filament din cărbune a fost construită de către Hebell în anul

1846, iar ulterior Lodîghin A.N. a perfecţionat-o dându-i şi primele utilizări

practice. În anul 1879 Edison Th. A. construieşte lampa cu filament de cărbune,

cu vid în interiorul balonului şi de asemenea rezolvă problema alimentării mai

multor lămpi electrice de o sursa centrală de energie electrică.

În anul 1890 Lodîghin A.N. construieşte lampa cu filament din wolfram.

Auser K . realizează lampa cu filament iar în 1905 Halece realizează filamentul

din tamtal.

În anul 1851 Hittorf J .W. şi ulterior Geiseler H. pe baza experienţelor

efectuate, au indicat posibilitatea de a obţine radiaţii luminoase folosind

descărcarea electrică în gaze. În anul 1893, Moor utilizează pentru iluminat

tuburi cu descărcare electrică în gaze.

Au apărut tuburile fluorescente cu electrozi calzi şi reci, care s-au

utilizat in anul 1938 la iluminatul oraşelor San Francisco si New York.

3

La noi în ţară în anul 1882 s-a folosit în Bucureşti iluminatul electric cu

incandescenţa, iar la 1 noiembrie 1884, în oraşul Timişoara, s-au introdus

lămpile cu arc electric în iluminatul public.

În ultimii ani s-au obtinut realizări valoroase prin care se perfecţionează

sursele electrice de lumină. De asemenea se efectuează cercetări prin creearea

de noi surse cu performanţe superioare.

În acest, sens literatura de specialitate, prezintă lămpile cu xenon, lămpile

cu incandescenţă cu halogeni, lămpile atomice, panourile electroluminescente.

Puterile unitare ale lămpilor fabricate în mod curent au atins 20 kw ceea

ce permite iluminarea în condiţii economice a obiectelor de suprafaţă mare :

aeroporturi, stadioane, pieţe, şantiere etc.

1.2 Probleme generale ale iluminatului

Fotometrie

Lumina este radiaţia electromagnetică capabilă să producă prin

intermediul organului vizual (ochiul) o senzaţie vizuală. Radiaţiile vizibile sau

luminoase aranjate în ordinea lungimilor de undă determină spectrul radiaţilor

vizibile, cuprins aproximativ între λ=0,4µm şi λ= 0,76µm(violet, albastru,

verde, galben, portocaliu, roşu).

Lumina este caracterizată prin marimi energetice şi fotometrice. Fiecărei

mărimi energetice îi corespunde o mărime fotometrică. Mărimile fotometrice

sunt mărimi fizico-fiziologice. Ochiul omenesc nu este la fel de sensibil pentru

radiaţiile din spectrul vizibil. Cosiderând radiaţii de aceleşi flux energetic, în

intervalul λ= 0,4-0,76µm exista o radiatie de o anumita lungime de unda λ =

0,556 µm faţa de care sensibilitatea ochiului este maxima in condiţiile regimului

de vedere diurn.

Pentru fiecare observator se poate trasa curba eficacităţii luminoase

relative spectrale care este diferită pentru regimul de vedere diurn. În cazul unor

situaţii intermediare vederea se numeşte mezopică, iar curbele corespunzătoare

sunt intermdiare între cele doua curbe extreme .

Determinarile efectuate pentru un număr mare de observatori, au permis

definirea observatorului fotometric de referinţă.

4

1.3 Mărimi şi unităţi fotometrice utilizate în tehnica

iluminatului

a. Fluxul luminos

Fluxul luminos reprezintă fluxul de energie radiantă evalut după senzatia

vizuală pe care o produce. Legătura dintre fluxul luminos Ф(w) şi fluxul de

energie radiantă e(w) se realizează prin curba eficacităţii luminoase relative

spectrale.

b.Intensitatea luminoasă

Intensitatea luminoasă I a unei surse punctiforme de lumină într-o direcţie

dată este raportul dintre fluxul luminos elementar dФ emis într-un unghi solid

elementar din jurul direcţiei considerate şi acel unghi solid elementar dΩ1 .

I =1

d

d

Unitatea de intensitate luminoasă este candela şi corespunzător relaţiei

avem 1 cd =sr

lm

1

1. Candela este a şasea unitate fundamentală în Sistemul

International de unităţi alături de : m, kg, s, A şi k. Mărimea fundamentală în

fotometrie este fluxul luminos. Deoarece realizarea unui etalon de flux luminos

este dificilă, s-a ales mărimea fundamentală în sistemul SI o mărime derivată,

intensitatea luminoasă, a cărei etalon s-a putut realiza experimental în condiţi

bune.

Dacă fluxul luminos emis de sursă este uniform repartizat în unghiul

solid Ω, intensitatea luminoasă a sursei respective este aceeaşi ca valoare

oricare ar fi direcţia considerată în interiorul unghiului solid Ω . Se scrie relaţia

I =

c. Luminanţa

Luminanţa L este mărimea fotometrică percepută direct de ochi şi se

referă atât la suprafeţele surselor de lumină cât şi la suprafeţele illuminate.

Unitatea de luminanţă este nitul (nt) sau candela pe metru pătrat

5

1 nt = (2m

cd).

d. Iluminarea

Iluminarea E a unei suprafeţe într-un punct al său este raportul dintre

fluxul luminos d primit de o suprafaţă elementară din jurul acelui punct şi

acea suprafaţă elementara dS2 .

E = 2dS

d

Uniatea de iluminare este luxul (lx) şi corespunzător relaţiei avem

1 lx = sr

lm

1

1

Dacă fluxul luminos Ф este uniform repartizat pe suprafaţa S2 iluminarea

suprafeţei are valoarea

E = 2S

e.Eficacietate luminoasă

Eficacietate luminoasă e1 a unei surse de lumină este raportul dintre

fluxul luminos emis şi puterea consumată de sursă.

Unitatea de măsură a eficacităţii luminoase este lumenul pe watt (w

lm),

definit ca eficacitatea luminoasă a unei surse care emite un flux luminos de un

lumen, pentru o putere consumată de un watt.

f. Fluxul luminos incident

6

Fluxul luminos incident i care cade asupra unui corp, într-un caz

general, se împarte în trei părţi : o parte este reflectată de suprafaţa corpului r ,

alta este absorbită de corp a , şi a treia este transmisa prin corp t,

r + a+ t i

1i

t

i

ar

i

ri

r

este factorul de reflexie ;

ai

a

factorul de absorbţie ;

ti

t

factorul de transmisie .

Acesti trei factori variaza cu lungimea de unda λ si cu temperatura

absoluta T a corpului. Ca urmare relatia se poate scrie :

rλ, T + aλ , T + tλ , T = 1

Pentru a caracteriza variatia factorului de reflexie, de absortie si de

transmisie cu lungimea de unda se foloseşte denumirea de factor spectral de

reflexie, de absortie si de transmisie.

Corpurile pot reflecta sau transmite o radiaţie luminoasă în mod direct

sau regulat (unei raze incidente îi corespunde o singură rază reflectata sau

refractată ) şi în mod difuz (razele sunt reflectate sau refractate în mai multe

direcţii ).

La reflexia şi transmisia mixtă factorul fotometric de reflexie are doua

componente .

7

CAPITOLUL 2 – SURSE ŞI CORPURI DE ILUMINAT

2.1 CLASIFICAREA CORPURILOR DE ILUMINAT

Energia electrică se transformă în energie luminoasă prin:

- aducerea unui corp la incandescenţă. Astfel de surse se numesc

surse incandescente;

- realizarea unei descărcări electrice într-un mediu gazos sau cu

vapori metalici. Astfel de surse se numesc surse cu descărcări în gaze

(sau vapori metalici);

- folosirea proprietăţii de fluorescenţă a unor corpuri. Aceste surse se

numesc surse fluorescente.

Prin sursă de lumină se înţelege dispozitivul care, legat la reţeaua

electrică (direct sau prin intermediul unor elemente auxiliare), produce radiaţii

luminoase. Aceste surse de lumină sunt cunoscute sub denumirea de lămpi

electrice sau tuburi luminoase. Sursele de lumină nu se folosesc ca atare

deoarece au fluxul luminos dirijat în toate direcţiile, nu au rezistenţă la lovituri,

nu sunt izolate electric, şi atinse, pot provoca accidente. Ele sunt utilizate

montate în corpuri de iluminat. Acestea sunt aparate ce au rolul:

- de a susţine sursa de lumină şi de a-i oferi protecţie la lovituri;

- de a asigura sursei o distribuţie convenabilă a fluxului luminos;

- de a asigura alimentarea cu energie electrică a sursei şi de a realiza

izolarea electrică a acesteia faţă de mediu.

2.2 SURSE DE LUMINĂ FLUORESCENTE DE JOASĂ

PRESIUNE (TUBURI LUMINOASE)

Acestea sunt sursele care folosesc fenomenul de fluorescenţă propriu

unor substanţe denumite luminofori. Acest fenomen constă în transformarea

radiaţiilor invizibile (ultraviolete) în radiaţii vizibile. Luminoforul se aplică pe

faţa interioară a unui tub în care se produc descărcări electrice în vapori de

mercur. În figura 3.1 se indică modul de legare la reţea a unei lămpi

fluorescente tubulare (presiunea vaporilor de mercur este foarte mică: 3-10 mm

Hg; de aceea se mai numesc şi lămpi fluorescente de joasă presiune). Lampa

fluorescentă T are doi electrozi E1 şi E2 executaţi sub formă de filament. De

aceea lampa are patru borne, câte două pentru fiecare dintre electrozi. În serie cu

electrozii se leagă balastul B (bobină) şi un dispozitiv numit starter ST. Tubul

luminos T, balastul B şi starterul ST se află montate în corpul de iluminat

fluorescent CI. Legarea la reţea se efectuează, în rest, ca pentru o sursă

incandescentă, utilizându-se un întrerupător I. Starterul ST şi balastul B asigură

aprinderea lămpii. După aceea, curentul trece prin tub, scurtcircuitând starterul.

8

Balastul ajută în continuare la funcţionarea stabilă a lămpii. Condensatorul C

are rolul de a îmbunătăţi factorul de putere (cos φ) al lămpii.

Stratul fluorescent se poate executa după câteva reţete care permit

obţinerea unor nuanţe diferite pentru culoarea luminii emise de lămpi. De aceea,

înlocuirea unei lămpi trebuie să se facă cu o lampă de aceeaşi “culoare”, aceasta

fiind specificată fie prin denumire, fie printr-un simbol. Aceste nuanţe de culori

sunt: alb lumina zilei corectat (simbol 1x), alb (2), alb superior (2x), alb cald

(3) şi alb cald superior (3x).

Fig.2.1 Schema de legare la reţea a unei lămpi

fluorescente de joasă presiune:

1- contactele electrodului; 2- electrod din filament; 3- lopăţică

4-tubul de sticlă; 5- luminoforul; 6- material de umplutură şi izolare

electrică; 7- izolator

9

2.3 CORPURI DE ILUMINAT PENTRU LĂMPI

FLUORESCENTE DE JOASĂ PRESIUNE

Aceste corpuri de ilumiat se execută într-o gamă largă de sortimente şi

încep să fie mult utilizate în prezent datorită avantajelor mari pe care le au

lămpile fluorescente, în comparaţie cu cele cu incandescenţă. Corpurile

fluorescente sunt indicate prin simboluri compuse din litere, fiecare cu

semnificaţia ei: F – corp de iluminat fluorescent, I – pentru interior, R – cu

reflector (din tablă), D – cu dispersor (din material plastic - stiplex), G – cu

grătar difuzant, A – pentru montaj aparent, I – pentru montaj îngropat (un al

doilea I), S – pentru montaj suspendat, SI – pentru montaj semiîngropat, P –

protejat contra umidităţii şi prafului.

Simbolurile sunt însoţite şi de două numere: primul număr indică varianta

de fabricaţie (01, 02 etc.) şi al doilea număr, format din trei cifre, indică:

- prin prima cifră numărul de lămpi din corpul de iluminat;

- prin celelate două puterea nominală a unei lămpi.

Exemplu.. FIA – 01 – 240. Corpul FIA (fluorescent pentru interior,

montaj aparent), varianta 1, este echipat cu două lămpi de 40 W.

De multe ori în notaţie se indică şi culoarea lămpilor FIA – 01 – 240/2x.

În cazul în care într-un corp se află mai multe lămpi fluorescente, fiecare

dintre acestea se va lega la reţea după modelul indicat în figura 3.1, fiecărei

lămpi corespunzându-i un balast şi un starter.

Se mai utilizează următoarele montaje de legare la reţea:

- montajul duo (fig. 3.3), unde balastul B1 este o reactanţă inductivă,

iar balastul B2 este o reactanţă capacitivă. În acest fel factorul de putere al

montajului este aproximativ 1;

- montajul tandem (fig. 3.2) pentru două lămpi de 20 W (T1 şi T2)

care utilizează în comun un balast (B) de 40 W;

- montajul fără starter (fig. 3.4) utilizat pentru lămpile de 40 W

montate în corpurile etanşe FIPA şi FIPRA.

10

Fig. 2.2 Montaj tandem

11

Fig. 2.3 Montajul duo

Fig. 2.4 Montaj fără starter (pentru aprindere rapidă)

12

CAPITOLUL 3

Lămpi electrice cu incandescenţă normale

3.1 Lămpile electrice cu incandescenţă

La lămpile electrice cu incandescenţa emisiunea luminoasă se produce prin

încălzirea cu ajutorul curentului electric, a unui filament de wolfram la o

temperatură cuprinsă între 2000-3000 grade C.

Temperatura de topire a wolframului 3665 grade K. Lampa normală cu

incandescenţă este compusă dintr-un balon de sticlă, sudat de suportul de sticlă.

În interiorul suportului de sticlă se află un tub deschis la partea superioară.

Tubul se închide la partea sa inferioară după ce s-a făcut vidul necesar în balon,

sau după ce balonul a fost umplut cu gaz inert.

Bastanaşul de sticlă este sudat la partea superioară a suportului de sticlă.

Electrozii sunt confectionaţi din cupru, dacă în balonul de sticlă este vid,

sau nichel, dacă în balon s-a introdus gaz inert. De cei doi electrozi sunt fixate

capetele filamentelor de wolfram, care este susţinut de mai multe cârlige de

molibden încastrate în discul de sticlă fixat la capătul superior al

bastonaşului.La extremitatea inferioară a balonului se fixează, cu ajutorul unui

chit special, soclul, care poate fi cu filet Edison sau baionetă.

Lămpile se fixează în dulii prin înşurubare, cele de tip Edison, cu ajutorul

a două unor ştifturi, cele de tip baionetă.

Alimentarea cu energie electrică a duliei, pentru a micşora pericolul de

electrocutare la atingerea filetului duliei, se face astfel ăncât polul de pe filet al

duliei să fie legat la conductorul de nul.

Eficacitatea luminoasă a lămpilor cu incandescenţă normale este

proportională cu puterea a cincea a temperaturii filamentului filamentului.

Ca urmare este important ca filamentul să fie încalzit la o temperatură cât

mai ridicată, aceasta fiind şi avantajul culorii care odată cu creşterea

temperaturii se modifică de la galben spre alb. Mărirea temperaturii filamentului

cauzează creşterea vitezei de volatizare a metalului din care este confecţionat

filamentul ceea ce reduce durata de funcţionare a lămpii ; în acelaşi timp prin

condensarea pe pereţii balonului a metalului evaporat, balonul se înnegreşte şi

fluxul luminos al lămpii scade.

Pentru a reduce volatizarea filamentului de wolfram încălzit la o anumită

temperatură, balonul lămpii se umple cu gaz inert amestec azot-argon sau

kripton-xenon.

Pentru a micşora înnegrirea balonului lămpilor cu v+id, se introduc în

balon, odată cu suspensia de fosfor roşu utilizată pentru a absorbi urmele de

gaze active rămase după efectuarea vidului şi halogenuri care transormă

depunerea de wolfram în substanţe mai transparente. În timpul funcţionării

13

lămpilor de putere mică temperatura filamentului de wolfram este de 2100

grade C, faţă de 2300-2500 grad C la lămpile de 40-1000 W.

Componentele unei lămpi cu incandescenţă sunt :

1 – balon de sticlă

2 – suportul de sticlă

3 – tub de sticlă

4 – bastonaşul de sticlă

5a – electrozi

5b - suportul electrozilor

5c – porţiune de cupru

6 – filament din wolfram

7 - carlige de molibden

8 – disc de sticlă

14

9 – soclu cu filet de tip Edison

10 – soclu cu filet de tip baionetă

11 – ştifturi

Pentru a mări eficacitatea luminoasă, prin reducerea pierderilor termice,

filamentul se spiralează.

Principalele caracteristici ale lămpilor cu incandescenţă sunt urmatoarele:

a. În funcţie de tipul lămpii o parte redusă din energia absorbită 7-

13% este radiată în domeniul vizibil,ceea ce determină valori mici ale

eficacităţii luminoase. Restul energiei corespunde radiaţilor invizibile 68-86% şi

pierderilor termice 7-12%

b. Durata de funcţionare pentru lămpi normale este, în medie 1000

ore. Aceasta reprezintă durata de funcţionare utilă a lămpii evaluată prin

timpul de funcţionate până în momentul în care fluxul luminos emis de lampă

scade la 80% din valoare iniţială.

Pentru unele lămpi speciale , la care temperatura filamentului este

mai ridicata-lămpi de proiectoare, durata de funcţionare este de 20-100 ore.

Lămpile electrice cu incandescenţă de uz general, caracterizate printr-o

eficacitate luminoasă mai redusă sunt fabricate pentru o durată medie de

funcionare de 2500 ore.

c. Funcţionarea lămpii nu este influenţată de temperatura mediului

ambient.

d. Balonul lămpilor cu incandescenţă poate avea diferite forme: pară,

sfera, ciupercă, picatură, lumânare etc. În timpul funcţionării lămpii ,balonul de

sticlă se încalzeşte astfel că în funcţie de puterea lămpii există zone în care

temperatura balonului atinge valori de peste 150 grade C.

e. Variaţii mici ale tensiunii de alimentare U produc variaţii mari ale

fluxului luminos ф, eficaciţatii luminoase e1 ,puterii absorbite P si mai ales ale

duratei de funcţionare .

f. Culoarea luminii emise este gălbuie şi poate fi modificată în mică

masură prin schimbarea temperaturii filamentului. Utilizându-se baloane

colorate se modifcă culoarea luminii, însă scade eficacitatea luminoasă.

15

g. Conectarea lămpilor cu incandescenţa la reţeaua de alimentare se face

direct, fară aparate auxiliare.

h. Lămpile electrice cu incandescenţă se caracterizează prin tensiune şi

putere nominală, flux luminos, dimensiuni geometrice, tipul soclului, forma şi

felul balonului, felul spiralei filamentului, destinaţia.

3.2 Lămpile electrice cu incandescenţă cu ciclu de Iod.

Pentru a micşora volatilizarea filamentului de wolfram în cazul creşterii

temperaturii de funcţionare a filamentului efectuată pentru a mării această

incandescenţa cu substanţe halogene(Fl ,Cr ,Br si mai ales Iod). Dacă se adaugă

o cantitate determinată de halogen în interiorul lămpii, în condiţii date de

temperatură, este posibil să ia naştere între substanţa halogena şi wolfram un

ciclu regenerator.

La temperatură relativ joasă a peretelui lămpii,dar peste 250grade C,

substanţa halogenă se combină cu wolfram şi dă naştere unei halogenurii de

wolfram. De exempu, în cazul lampii cu Iod se formează iodura de wolfram.

Iodura de wolfram este volatile şi umple întreg balonul lămpii, ajungând şi în

apropierea filamentului incandescent. La temperatura filamentului, în jur de

3000grade C, iodura de wolfram se descompune eliberand wolframul mertalic

ce se depune pe filament. Substantă halogenă ramane libera pentru o nouă

reacţie.

Lămpile electrice cu incandescenţa cu ciclu regenerator au o durată finite

de funcţionare, deoarece ciclu regenerator nu se desfasoare.

16

Bibliografie:

Instalatii si echipamente electrice –Manual pentru clasele a XI-a si

a XII-a licee industriale si de matematica-fizica cu profil de

electrotehnica si scoli profesionale

Niculaie Mira

Constantin Negus

Editura Didactica si Pedagogica, P.A. Bucuresti,1997

Instalatii si echipamente electrice

Paul Dinculescu

Francisc Sisak

Editura didactica si pedagogica—Bucuresti, 1981

Executarea instalatiilor de joasa tensiune

Ion Ionescu

C-tin. Munteanu

Editura tehnica, Bucuresti,1975