Teorie
Voltampérová charakteristika
Voltampérová charakteristika je jedna za základních charakteristik uváděných u elektrických a elektronických prvků. Voltampérová charakteristika je graf závislosti proudu procházejícím spotřebičem na elektrickém napětí, které je na spotřebiči připojeno. Právě základní tvar charakteristiky a celkový průběh závislosti proudu a napětí mnohé vypovídá o daném elektrickém prvku. Tvar charakteristiky může být ovlivněn vlivem mnoha parametrů. Díky tomu se pod pojmem „voltampérová charakteristika“ může jednat i o celý systém grafů závislostí proudu na napětí, jejichž tvar je ovlivněn nějakou další veličinou jako parametrem - např. voltampérové charakteristiky při různé teplotě, tlaku, magnetické indukci… apod.
Většina součástek nebo spotřebičů má lineární voltampérovou charakteristiku. V některých případech není voltampérovou charakteristika úplně lineární, ale z důvodu zjednodušení se malé nelinearity zanedbávají a součástky se považují za lineární. Za považovat např. rezistor. Naopak nelineární součástky mají voltampérovou charakteristiku ve tvaru nelineární křivky např. exponenciály ale i jiné křivky (dioda, termistor, stabilizátory, usměrňovače…).
Elektrický statický a dynamický odpor
Statický odpor:
U běžných spotřebičů, jako je rezistor, udává vzájemný vztah elektrického napětí a proudu tzv. elektrický (statický) odpor spotřebiče. Je-li odpor spotřebiče konstantní, platí pro závislost mezi napětím a proudem Ohmův zákon a grafem závislosti proudu na napětí je přímka. Elektrický odpor je dán vztahem:
kde U je napětí na spotřebiči a I je příslušný proud, který při daném napětí spotřebičem protéká.
Jelikož je grafem přímka, je odpor stále stejný, lze jej vztahem (1) počítat z kterékoliv dvojice odpovídajících hodnot. Hodnota odporu R též odpovídá směrnici lineární voltampérové charakteristiky.
Diferenciální (dynamický) odpor:
Obr. č. 1 – příklad nelineární
V-A charakteristiky
Není-li odpor spotřebiče při průchodu proudu konstantní, je grafem křivka obecné funkční závislosti I = f (U). Za takové situace lze také počítat statický odpor, ale už není konstantou jednoznačně popisující daný prvek. Velikost statického odporu se mění v závislosti na zvolené dvojici napětí a proudu (záleží na poloze bodu P). Na obr. 1 vidíme dva body na příkladu nelineární závislosti. V bodě P1 vychází statický elektrický odpor R1 = 3 V/25 mA = 120 Ω, zatímco v bodě P2 je hodnota podílu napětí a proudu R2 = 1 V/5 mA = 200 Ω. Tyto odpory mají svůj význam např. při řešení energetických poměrů v obvodu či při stanovení zatížení prvku. Naopak statický odpor je nevhodný, chceme-li popisovat chování prvku při určité malé změně podmínek (což popisuje směrnice křivky). K tomuto účelu se zavádí tzv. elektrický diferenciální (dynamický) odpor.
Jeho význam si můžeme ukázat takto: Dochází-li okolo daného bodu P k malým změnám napětí ΔU okolo hodnoty U, bude se výsledný proud měnit o změnu ΔI tak, jako by se pohyboval po přímce, upevněné v bodě P (viz obr. 1). Hodnota směrnice této přímky určuje velikost diferenciálního dynamického odporu. Jeho hodnota je opět závislá na poloze bodu P (srovnej sklon tečen v bodě P1 a P2 na obr. 1) a určí se z nelineární závislosti prvku měřením diferencí ΔU a ΔI nebo teoreticky výpočtem derivace:
Křivka diferenciálního odporu nám udává tendenci růstu nebo klesání odporu daného prvku. Konkrétně u žárovky je důležitá závislost elektrického odporu (statického i dynamického) vlákna žárovky na teplotě (míře „rozžhavení“). Žárovka má kovové vlákno, které se průchodem proudu silně zahřívá a jeho odpor je při provozu větší než za studena – viz Teplotní závislost odporu kovu.
Žárovka
Teplotní zdroj světla
Největší a nejstarší skupinu umělých zdrojů světla tvoří zdroje teplotní, tzv. inkandescentní. Inkandescence je jev vyzařování světla způsobeného tepelným buzením. V těchto zdrojích vzniká světlo jako jedna ze složek elektromagnetického záření vyvolaného vysokou teplotou povrchu nějakého tělesa (hoření parafínu svíčky; průchod elektrického proudu vláknem… apod.).
Klasické žárovky se žhaveným vláknem pracují na principu tzv. elektroinkandescence – vyvolání vysoké teploty průchodem elektrického proudu pevnou vodivou látkou s vysokou teplotou tání např. uhlík nebo wolfram. Pevná látka se rozžhaví na požadovanou teplotu, při které dochází k emisi viditelného záření. V žárovkách svítí rozžhavené wolframové (u prvních žárovek uhlíkové) vlákno.
Společnou vlastností teplotních zdrojů je:
velmi nízká účinnost přeměny elektrické energie na světlo (účinnost ovšem roste s příkonem),
velký podíl energie vyzářené v podobě tepla (převážná část) oproti viditelnému světlu,
spojité rozložení světla ve spektru,
subjektivně příjemné vnímání světla lidským okem.
Měrný výkon zdroje
Měrný výkon světelného zdroje udává účinnost přeměny elektrické energie na světelnou. Je roven poměru vyzařovaného světelného toku (lm) světelného zdroje a jeho elektrického příkonu (W). Měrný výkon se používá pro vzájemné porovnání účinnosti světelných zdrojů. Označuje se η [éta] a udává se v lumenech na watt (lm/W). Kdyby bylo možné zabránit tomu, aby zdroj vyzařoval na jiných vlnových délkách než viditelných, dostali bychom světelnou účinnost 251 lm/W. Tato hodnota představuje teoretické maximum, ke kterému se mohou blížit umělé zdroje bílého světla. S bílou barvou lze tedy dosáhnout jen 37 % maximální účinnosti monochromatického zdroje 683 lm/W.
Tabulka č. 1: Orientační hodnoty některých běžných zdrojů světla.
| zdroj |
typ |
měrný výkon zdroje
(lm/W) |
příkon zdroje
(W) |
| žárovka |
klasická |
6–16 |
15–200 |
halogenová
(síťové napětí) |
24–30 |
60–2000 |
halogenová
(napětí 12 V) |
11–19 |
5–75 |
| kompaktní zářivka |
„úsporná žárovka“ |
50–87 |
5–55 |
| LED bílá |
|
20–150 |
0.04–180 |
vysokotlaká sodíková
výbojka |
běžné pouliční
osvětlení |
70–130 |
50–250 |
zdroj: Měrný výkon světelných zdrojů aneb účinnost podruhé. ARIGA S.R.O. FotonMag.cz:
aneb nejenom LED, svítilny, baterky a baterie v jiném světle [online]. 28. 12. 2007 [cit. 2015-08-14].
Dostupné z: http://www.fotonmag.cz/osvetleni/merny-vykon-svetelnych-zdroju-aneb-ucinnost-podruhe/
Žárovka jako zdroj světla
Žárovky jsou nejobvyklejšími představiteli teplotních zdrojů světla. Pro svůj široký sortiment, malé nároky na instalaci a údržbu jsou i dnes rozšířenými zdroji světla. Klasické žárovky mají měrný výkon jen 6 – 16 lm/W. U halogenových žárovek dosahuje vlivem halogenového regeneračního cyklu měrný výkon hodnot až 30 lm/W. Značnou nevýhodou žárovek je spínací proud, který je vlivem nízkého odporu studeného vlákna, až desetinásobný oproti jmenovitému proudu (viz dále).
Teplota vlákna obyčejných žárovek v rozmezí výkonů 40 – 200 W pohybuje od 2000 °C do 2640 °C. U žárovek nižších výkonů je teplota nižší. Namáhání vlákna takto vysokými teplotami způsobuje postupnou erozi vlákna, kdy se odpařený wolfram usazuje na vnitřní stěně baňky. Tím dochází ke snižování průřezu vlákna a tím změně parametrů celé žárovky. Aby vlákno ihned neshořelo, je umístěno v baňce z obyčejného skla, ze které je vyčerpán vzduch. U standardních žárovek do příkonu 15 W je obvykle baňka vakuovaná (vzduchoprázdná), u silnějších žárovek je plněná směsí dusíku a argonu, ale také (méně často) kryptonem, nebo dokonce xenonem. Tyto náplně umožňují vyšší provozní teploty vlákna a omezují jeho stárnutí vlivem rozprašování nebo odpařování. U standardních a velkých žárovek je náplň volena tak, aby se za provozu tlak v baňce přibližně srovnal s tlakem atmosférickým. Statistická životnost běžných žárovek je asi 1000 hodin svícení.
- skleněná baňka
- wolframové vlákno
- nosné háčky
- přívody
- čerpací (evakuační) trubička
- patice
- středový kontakt
Obr. č. 2 – Hlavní části žárovky
Obr. č. 3 – Vliv napětí na základní parametry žárovky.
zdroj: HABEL, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování.
FCC Public, Praha, 1995, ISBN 80-901-9850-3
Svítivost žárovky je závislá na proudu, který zahřívá vlákno. Každý tepelný zdroj by měl být provozován při jmenovitých parametrech (nejčastěji jmenovité napětí). Při snížení napájecího napětí o 5 % se sníží světelný tok žárovky zhruba o 18 %. Při zvýšení napětí o proti jmenovitému o 5 %, světelný tok se sice zvýší asi o 24 %, avšak životnost žárovky se snižuje o 50 %! (viz obr. 3) Přetěžování žárovek má tedy za následek značné snížení životnosti.
Živostnost žárovky výrazně ovlivňuje i její časté zapínání. Pro žárovku je nejhorší proudová „špička“ při zapnutí, kdy je vlákno studené a proudový náraz velmi silný (proud je až desetinásobkem nominální hodnoty). Halogenové žárovky jsou na tento start ještě citlivější. Proudový náraz při zapnutí lze omezit např. použitím tzv. soft-start obvodu, který pozvolna (1 – 3 s) rozsvěcí žárovku a tím zvyšuje její životnost (až 5×). Nebo například ve směrových světlech automobilů je kvůli zvýšení životnosti žárovek nastavena frekvence blikání taková, aby díky tepelné setrvačnosti vlákna nedošlo k jeho úplnému vychladnutí – všimněte si, že žárovka při správné funkčnosti přerušovače směrových světel úplně nedohasíná.
