Strom-Spannungs-Kennlinien elektrischer Lampen

Die Eigenschaften einer elektrischen Lampe als Element eines Stromkreises lassen sich vollständig durch ihre Strom-Spannungs-Kennlinie, also durch die Abhängigkeit des Spannungsabfalls an ihr vom Wert des fließenden Stroms, darstellen.

Strom-Spannungs-Kennlinie von Gasentladungslampen

Der Betrieb von Gasentladungsstrahlungsquellen basiert auf einer elektrischen Entladung in einer Atmosphäre aus Inertgas (meistens Argon) und Quecksilberdampf. Die Strahlung entsteht durch den Übergang der Elektronen der Quecksilberatome von einer Umlaufbahn mit hohem Energiegehalt in eine Umlaufbahn mit niedrigerer Energie. Von allen elektrischen Entladungen (still, glühend usw.) zeichnen sich künstliche Quellen durch eine Bogenentladung aus, die durch eine hohe Stromdichte im Entladungskanal gekennzeichnet ist. Die Eigenschaften der Bogenentladung als Element des Stromkreises bestimmen und Merkmale der Systeme zur Einbeziehung von Gasentladungsquellen.

Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Bogenentladung ist in Abb. dargestellt. 1 (Kurve 1).Außerdem ist die Strom-Spannungs-Kennlinie des konstanten Widerstands dargestellt (Kurve 2). Bei konstantem Widerstand ist das Verhältnis an jedem Punkt der Kennlinie gleich. Es bestimmt in kleinen Schritten Größe und Vorzeichen des dynamischen Widerstands sowie die Linearität der Kennlinie.

Für die Bogenentladungseigenschaften ist dieses Verhältnis erstens für verschiedene Punkte numerisch variabel und zweitens negativ im Vorzeichen. Die erste Kennlinie bestimmt die Nichtlinearität der Kennlinie und die zweite den sogenannten „fallenden“ Charakter der Kurve. Somit weist die Bogenentladung eine nichtlinear abfallende Strom-Spannungs-Kennlinie auf.

Berechnet man den statischen Lichtbogenwiderstand an mehreren Punkten der Kurve (R = U/I), erkennt man, dass mit steigendem Strom der Lichtbogenwiderstand abnimmt.

Reis. 1. Strom-Spannungs-Kennlinien einer Bogenentladung (1), eines konstanten Widerstands (2) und einer Glühlampe (3)

Wenn die Lichtbogenentladung direkt an ein Gleichstromnetz angeschlossen ist, ist die Entladung instabil und geht mit einem unendlichen Stromanstieg einher. Daher müssen in diesem Fall Maßnahmen zur Stabilisierung der Entladung ergriffen werden. Die Stabilisierung kann entweder durch die Verwendung einer Spannungsquelle mit fallender äußerer Kennlinie (eine solche Kennlinie ist beispielsweise speziell für einen Schweißgenerator zur Stabilisierung des Schweißlichtbogens ausgelegt) oder durch einen zusätzlichen Ballastwiderstand in Reihe mit einer Gasentladungsstrecke erfolgen . Bei Gasentladungsstrahlungsquellen wird die zweite Methode zur Stabilisierung der Entladung verwendet.

Betrachten wir den Fall, dass eine Gasstrecke mit einem aktiven Widerstand in Reihe geschaltet wird. In Abb.In Abb. 2 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie (Kurve 1) der Gasentladungsstrecke und die Differenz zwischen der Netzspannung und dem Spannungsabfall im Vorschaltgerät in Abhängigkeit vom Strom (Gerade 2).

Reis. 2. Schema zum Einschalten der Gasentladungsstrecke in Reihe mit dem Ballastwiderstand (a) und den Strom-Spannungs-Kennlinien der Elemente (b)

Alle stationären Stromflussmodi in einem solchen Stromkreis müssen den Anforderungen entsprechen Kirchhoffs GesetzUc = Ub +Ul. Diese Bedingung ist an den Schnittpunkten einer Geraden 2 (Uc-Ub = f(I)) mit der Strom-Spannungs-Kennlinie I der Gasentladungsstrecke erfüllt. Bei abnehmenden Eigenschaften ist jedoch ein Übergang an mehreren Punkten möglich, von denen nicht alle einem stabilen Modus entsprechen. Der stabile Modus liegt an den Punkten vor, an denen mit zunehmendem Strom die Summe des Spannungsabfalls an der Lampe und dem Vorschaltgerät abnimmt Der Widerstand übersteigt die Quellenspannung, d. h. Ub +Ulb +Ul

Diese Ungleichheit ist ein Kriterium für Nachhaltigkeit. Das Stabilitätskriterium in Abb. 2 erfüllt Punkt B. In Modi links von Punkt B tritt eine positive Überspannung ΔU auf, die zu einem Stromanstieg führt, und in einem Modus rechts von Punkt B tritt eine negative Überspannung ΔU auf, was dazu führt eine Abnahme des Stroms. Daher ist das Regime am Punkt B stabil oder stabilisiert.

Es ist zu beachten, dass weder Spannung noch Strom durch Einschalten des Ballastwiderstands stabilisiert werden, sondern nur der Lichtbogenbrennmodus. Wenn die Netzspannung auf Uc1 ansteigt, bleibt der Verbrennungsmodus tatsächlich stabil und geht zum Punkt B1 über, bei dem Strom und Spannung von den entsprechenden Werten am Punkt B abweichen.Auch am stabilen Punkt B2 bei reduzierter Spannung Uc2 unterscheiden sich Lichtbogenstrom und Spannung.

Diese Überlegungen lassen den Schluss zu, dass die Stabilität der Entladung nicht durch eine Stabilisierung der Spannung in der Gasentladungslampe gewährleistet werden kann. Die oben genannten Gleichspannungsableitungen und -beziehungen sind uneingeschränkt auf Wechselspannungskreise anwendbar. Um die Entladung bei Wechselstrom zu stabilisieren, werden induktive und kapazitive Vorschaltgeräte verwendet, da die Verluste bei ihnen geringer sind als bei aktiven.

Strom-Spannungs-Kennlinie von Glühlampen

Die Strom-Spannungs-Kennlinie von Glühlampen ist nichtlinear und hat einen ansteigenden Charakter. Die Nichtlinearität ist auf die Abhängigkeit des Widerstands des Glühfadens von der Temperatur und damit vom Strom zurückzuführen: Je größer der Strom, desto größer der Widerstand des Glühfadens. Der ansteigende Charakter der Kurve erklärt sich durch den positiven Wert des dynamischen Widerstands: An jedem Punkt der Kurve entspricht ein positiver Anstieg des Stroms einem positiven Anstieg des Spannungsabfalls. Es entsteht automatisch ein stabiler Modus, d. h. der Strom bei konstanter Spannung kann sich aus internen Gründen nicht ändern. Dies ermöglicht den direkten Anschluss der Glühlampe an Spannung.