Opis i zasada działania żarówki
Co to jest lampa żarowa
Żarówka, zwana dalej LN, jest źródłem sztucznego światła, w którym strumień świetlny uzyskuje się przez podgrzanie cienkiego metalowego żarnika do temperatury żaru rozgrzanego do czerwoności metalu. W celu ogrzewania przez żarnik przepływa prąd elektryczny. Pierwsze lampy miały włókno zwęglonej materii organicznej, takiej jak bambus, w postaci włókna.
Aby zapobiec szybkiemu wypalaniu się nici, z kolby wypompowano i uszczelniono powietrze. Lub wypełnili kolbę kompozycją gazową, w której nie ma środka utleniającego - tlenu. Takie gazy nazywane są obojętnymi - argon, neon, hel, azot itp. Gazy te nazywane są tak, ponieważ nie reagują z metalami, tj. obojętny.
Pierwsze lampy z włóknem węglowym miał zasoby robocze nie dłuższe niż kilkanaście godzin. Znacznie wzrosła po wymianie włókna węglowego na cienki drut metalowy.
Takie światło nazwano światłem żarowym, tj. gorące metalowe światło. A nić nazywała się włóknem. Na przykład stal podgrzana do 1200°C świeci na żółto-biało, podczas gdy przy 1300°C świeci prawie na biało.
Pod koniec XIX wieku szybko wypaloną nitkę węglową zastąpiły metale ogniotrwałe - wolfram, molibden, osm lub tlenki metali - cyrkon, magnez, itr itp.
Napełniając kolbę gazami obojętnymi, zmniejszono szybkość parowania metalu z gorącego włókna, a tym samym zwiększono czas jego działania.
Przy dużej mocy żarniki powstają w formie „rozgałęzionej”. Źródła światła projekcyjnego do tworzenia kierunkowego przepływu mają nić o złożonej konfiguracji, tworząc płaską strukturę prostopadłą do osi promieniowania. W tym przypadku wewnątrz żarówki umieszcza się odbłyśnik światła, na przykład w postaci cienkiej warstwy natryskiwanego metalu - srebra lub aluminium.
Aby zasilić lampę bezpośrednio z istniejącej wówczas sieci, która miała stałe napięcie 110 V, potrzebna była długa i cienka metalowa nić. Zapewniało to zwiększoną rezystancję, co oznacza, że do ogrzewania potrzeba było mniej prądu.
Aby uzyskać gęste „upakowanie” w niewielkiej objętości przezroczystej szklanej kolby, nić była wielokrotnie zginana i umieszczana na drucianych uchwytach.
Takie wygięcie nici skomplikowało konstrukcję pierwszych źródeł światła, które działały znacznie dłużej niż „węglowe”. Przełomem w rozwoju konstrukcji żarówek była propozycja skręcania nici w spiralę. To kilkakrotnie zmniejszyło jego rozmiar.
Jeszcze mniejszy rozmiar rozżarzonego korpusu uzyskano przez złożenie cienkiej spirali w drugą spiralę, ale o większej średnicy. Podwójna helisa nazywana jest bi-helix.
Kolejnym etapem rozwoju źródeł światła było przejście na sieci prądu przemiennego i zastosowanie transformatora do obniżenia napięcia zasilania lamp.
Główne części lampy żarowej
Główne elementy konstrukcyjne żarówki to:
- żarnik lub korpus żarnika;
- okucia do mocowania nici;
- kolba chroniąca nitkę przed szybkim spalaniem i wpływami zewnętrznymi;
- podstawa do montażu we wkładzie i podłączenia do sieci;
- kontakty cokołowe - gwintowany korpus i centralny kontakt w dolnej części cokołu.
Armatura jest przeznaczona do mocowania gwintu i tworzenia wymaganej konfiguracji i kierunku strumienia świetlnego.
Podstawa jest potrzebna do zamocowania w kasecie montażowej i podłączenia do puszki. W lampach retrofitowych, analogach żarówek, część urządzenia zasilającego jest umieszczona w podstawie.
cokół
Na żarówki halogenowe, w zależności od napięcia zasilania, mocy i konstrukcji kolby, montuje się kilka rodzajów cokołów - gwintowane, szpilkowe, bagnetowe, szpilkowe itp.
System styków na cokołach jest potrzebny do podłączenia do sieci lub zasilania.
Kolba
Kolba przezroczysta LN służy do:
- ochrona nici przed atmosferą zewnętrzną zawierającą środek utleniający - tlen;
- tworzenie i utrzymywanie składu próżni lub gazu;
- nałożenie luminoforu i/lub powłok zamieniających różne rodzaje energii elektromagnetycznej na promieniowanie widzialne, oddanie ciepła do żarnika, zamiana niewidzialnego promieniowania UV i IR na światło, korekta odcienia poświaty lampy - czerwonej, zielonej, niebieskiej.
Żarowe ciało
Korpus żarowy to nić zwinięta w spiralę lub bi-spiralę lub cienką metalową wstążkę.
Medium gazowe
Gazy obojętne wypełniające bańkę lampy, na przykład azot, argon, neon, hel. W mieszaninie gazów obojętnych dodaje się substancje halogenowe.
Jak działa i jak działa LN
Urządzenie żarówki żarowej niewiele się zmieniło podczas jej rozwoju. Głównym elementem działającym na zasadzie blasku żarzącej się substancji jest żarnik lub żarowe ciało. Jest to cienki drut wolframowy o średnicy 30-40, maksymalnie 50 mikronów lub mikrometrów (milionowych części metra).
Kolory żarowe zaczynają się od czerwieni i wraz ze wzrostem temperatury przechodzą przez kolor pomarańczowy, żółty do białego. Wraz z dalszym wzrostem temperatury metal rozżarzonego korpusu najpierw topi się, a następnie, w obecności tlenu, pali się.
Samouczek wideo: Jak działają nowoczesne żarówki
Zimne włókno wolframowe ma niską rezystywność. Wolfram, podobnie jak większość metali, ma dodatni współczynnik temperaturowy oporu TCR.Oznacza to, że w procesie nagrzewania żarnika prądem elektrycznym wzrasta jego rezystancja.
Przed włączeniem lampy żarnik jest zimny i ma niewielki opór. Dlatego w momencie włączenia prąd jest dostarczany 10-15 razy większy niż nominalny. Ten skok nazywa się startem. I często jest przyczyna wypalenia żarowe ciała.
Rozgrzanie nici zajmuje ułamek sekundy. W tym czasie wzrasta jego odporność. Początkowo przepływający przez lampę duży prąd, w miarę nagrzewania się gazu, żarówki i wszystkich elementów konstrukcyjnych, spada do wartości nominalnej. Tak więc źródło światła wchodzi w określony tryb i wytwarza paszportowy strumień świetlny. Odcień blasku również staje się nominalny, tj. odpowiada temperaturze barwowej od 2000 do 3500 K. Nazywana jest ciepłą bielą i posiada kilka gradacji temperatury barwowej z oryginalnymi nazwami i skrótami w określonym zakresie. Na przykład:
- super ciepła biel - 2200-2400 K, oznaczona jako S-Warm lub S-W, jest też bardzo ciepła biel lub Warm 2400;
- ciepły - 2600-2800 K lub ciepły 2700;
- ciepła biel - 2700-3500 K lub ciepła biel (WW);
- inny ciepły to 2900-3100 K lub Warm 3000 (W).
Temperatura poszczególnych elementów lampy
Zewnętrzna powierzchnia żarówki LON zależy od mocy lampy i może być podgrzewana do 250-300℃ lub więcej.
Nić jest podgrzewana do 2000-2800℃, w temperaturze topnienia wolframu 3410°C.
W niektórych konstrukcjach żarnik wykonany jest z osmu o temperaturze topnienia 3045℃ lub renu - 2174. Widmo emisyjne LN jest więc przesunięte do czerwonej strefy widma widzialnego.
Jaki gaz jest w żarówce
W pierwszych lampach powietrze było wypompowywane z kolby.Teraz ewakuowane są tylko żarówki o małej mocy, nie więcej niż 25 watów (powietrze jest wypompowywane).
Podczas pracy drutu wolframowego nagrzanego do 2-3 tysięcy stopni metal intensywnie odparowuje z jego powierzchni. Jego opary osadzają się na wewnętrznej stronie żarówki i zmniejszają przepuszczalność światła.
Badania przeprowadzone na początku ubiegłego wieku wykazały, że jeśli kolbę wypełni się gazem obojętnym, to parowanie zmniejszy się, a moc światła wzrośnie. Dlatego kolby zaczęto napełniać jednym z gazów obojętnych lub ich mieszaniną. Najczęściej są to argon, azot, ksenon, krypton, hel itp. Hel służy do efektywnego pasywnego chłodzenia elementów wewnętrznych nowego typu lamp LED typu retrofit.
Nie zaleca się przeprowadzania tego eksperymentu w domu.
Ich głównym elementem emitującym światło jest cienki pręt wykonany ze sztucznego szafiru lub szkła, na którym znajdują się kryształy LED. Taki emiter nazywa się żarnikiem. Niektórzy „eksperci” pomylili istotę żarówki żarowe i nazwał je „lampami z szafirowymi emiterami światła”. Chociaż sztuczny szafir w tych lampach służy jedynie jako podstawa montażowa i pasywny radiator dla kryształów LED.
Awaria LN w większości przypadków wiąże się nie z odparowaniem metalu z powierzchni żarzącego się korpusu, ale z przyspieszeniem tego procesu w strefach naruszenia grubości żarnika. Dzieje się tak w strefie ostrego przegięcia drutu lub jego pęknięcia. W tym miejscu lokalnie wzrasta jego rezystancja, wzrasta napięcie, rozpraszanie mocy i temperatura metalu. Parowanie przyspiesza, przechodzi w lawinę, nić szybko zmniejsza swoją grubość i wypala się.
Problem ten rozwiązano na przełomie lat pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, rozpoczynając masową produkcję żarówek halogenowych.
Halogeny - chlor, brom, fluor lub jod - zaczęto wprowadzać do składu gazu obojętnego lub mieszaniny. W efekcie proces parowania metalu zostaje całkowicie zatrzymany lub znacznie spowolniony. Atomy tych dodatków wiążą pary wolframu, tworząc cząsteczki niestabilnych związków. Osadzają się na powierzchni rozżarzonego ciała. Pod wpływem wysokiej temperatury cząsteczki rozkładają się i uwalniają atomy halogenu oraz czysty metal, który osadza się na gorącej powierzchni nici i częściowo odnawia odparowaną warstwę.
Proces ten jest intensyfikowany przez zwiększenie ciśnienia. Zwiększa to temperaturę żarnika, żywotność, moc świetlną, wydajność i inne cechy. Widmo emisyjne przesuwa się na stronę białą. W lampach wypełnionych gazem ciemnienie powierzchni bańki od wewnątrz przez opary wolframu ulega spowolnieniu. Takie źródła światła nazywane są halogenami.
Parametry elektryczne
Charakterystyki elektryczne żarówek obejmują:
- moc elektryczna mierzona w watach - W, zakres produkowanych modeli - od kilku watów (żarówka na latarkę - 1 W) do 500, a nawet 1000 W;
- strumień świetlny, Lm (lumen), jest związany z mocą - od 20 Lm przy 5 W do 2500 Lm przy 200 W, przy większej mocy strumień świetlny jest wyższy;
- skuteczność świetlna, energooszczędność lub sprawność, Lm/W - ile lumenów światła w postaci strumienia świetlnego daje każdy wat mocy pobieranej z sieci lub ze źródła zasilania;
- światłość lub jasność, cd (kandela);
- temperatura barwowa - temperatura warunkowego ciała czarnego, które emituje światło o określonym odcieniu.
Cel lampy elektrycznej
Lampy elektryczne można podzielić na kilka typów w zależności od ich zastosowania - do użytku publicznego, technicznego i specjalnego.
Głównym zastosowaniem publicznym jest zapewnienie dowolnej osobie, zwierzętom i ptakom sztucznego światła w nocy lub w ciemnym miejscu w pomieszczeniu.
Używając światła, ludzie przedłużają swoją codzienną aktywność o kilka godzin. Mogą to być procesy pracy i nauki, prace domowe. Poprawia się bezpieczeństwo na drodze, możliwość udzielenia pomocy medycznej w godzinach wieczornych i nocnych oraz wiele innych.
Lampy są aktywnie wykorzystywane w gospodarstwach hodowlanych i fermach drobiu, do uprawy rośliny w kompleksach szklarniowych. Oświetlane są światłem o określonym spektrum i wielkości strumienia świetlnego. Do hodowli ryb potrzebne jest również światło o specjalnym składzie spektralnym.
cel techniczny. W produkcji do celów technologicznych wykorzystywane są urządzenia dające światło widzialne i niewidzialne. Przykłady:
- do dokładnej i ważnej pracy osoba potrzebuje wysokiego poziomu oświetlenia miejsca pracy;
- IR - promieniowanie podczerwone wykorzystywane jest w przemyśle np. do bezdotykowego ogrzewania elementów konstrukcyjnych lub w technice klimatycznej do ogrzewania osoby pracującej na świeżym powietrzu, w mroźnym powietrzu, w sprzęcie wojskowym i myśliwskim - celowniki noktowizyjne do broni, noktowizory itp. ;
- UV- promieniowanie stosowane jest w stomatologii do szybkiego utwardzania wypełnień, przy produkcji protez itp., w medycynie i sanitacji - dla dezynfekcja pomieszczeń, narzędzia, odzież, powierzchnie mebli, powietrze, woda, leki itp.
Lampy specjalistyczne znajdują zastosowanie w reklamie świetlnej zewnętrznej i wewnętrznej, kryminalistyce, lotnictwie i kosmonautyce, świetlnym towarzyszeniu widowisk i wielu innych.
Główne typy i cechy
Główne typy lamp żarowych to:
- Lampy ogólnego przeznaczenia. Oznaczony skrótem LON. Zwykle są to urządzenia o mocy 25, 40, 60, 75 i 100 watów. Najczęstszy - 60 watów. Ale przemysłowo produkowany LON o mocy 150, 200, 500, a nawet 1000 watów.
- Żarówki halogenowe. Produkowane do pracy z sieci wysokiego napięcia 220 lub 110 V oraz z sieci niskiego napięcia. W tym przypadku zasilane są z transformatora obniżającego napięcie.
Odmiany halogenów niskonapięciowych LN:
- kapsuła, mają formę rurek całoszklanych z różnymi cokołami - trzpień końcowy GY6.35 lub G4;
- odblask, posiadający element odblaskowy, o średnicy od 35 do 111 mm, podstawa GZ10 z opcjami.
Wysokie napięcie. Napięcie główne 220-230 V, 50 Hz. Te lampy mają więcej opcji:
- liniowy w postaci szklanej rurki z cokołami R7S;
- cylindryczne - cokoły E27, E14 lub B15D;
- z pilotem lub dodatkową kolbą.
W najnowszym modelu wewnątrz lampy jest sztywno zamontowana niewielka kapsuła lub rurka halogenowa. Jest przyspawany do centralnego pręta konwencjonalnej żarówki LON, posiada elastyczne przewody podłączone do standardowej podstawy E27 lub E14. Przy poborze mocy 70-100 W zapewnia strumień świetlny o 20-30% większy niż konwencjonalna żarówka.
Modele te mają wyższą efektywność energetyczną, sięgającą 12-25 lm/W, podczas gdy konwencjonalne LON mają strumień świetlny od 3-4 do 10-12 lm/W.
Żywotność modeli halogenowych waha się od 4-5 do 10-12 tysięcy godzin.
Separacja lamp według przeznaczenia i konstrukcji
lampy dekoracyjne
W ostatnich latach pojawiły się lampy retro, które imitują klasyczne LN Edisona.
Ponadto imitują „świecę”, „świecę na wietrze”, „garb”, „gruszkę”, „piłkę” itp. w kształcie żarówki.
Lustrzane
Lampy lustrzane mają część żarówki pokrytą od wewnątrz warstwą odblaskową. Najczęściej jest to powłoka z metalu - srebra, aluminium, złota itp. Ta warstwa może być cienka, półprzezroczysta lub gruba, nieprzezroczysta.
Struktury lustrzane są wykorzystywane w produkcji do absolutnie czystego ogrzewania procesu, na przykład przy produkcji półprzewodników o najwyższej czystości materiałów. W tym przypadku wada lamp żarowych - duży strumień promieniowania podczerwonego - staje się ich niezrównaną zaletą.
Takie lampy są stosowane w lampach z wąską obrotową wiązką światła.
Sygnał
Lampki sygnalizacyjne to migające źródła światła. Zwykle w postaci migających lamp ostrzegawczych, na przykład w samochodach służbowych, samolotach i helikopterach, do przesyłania komunikatów świetlnych we flocie itp. Mają cienkie włókno, które zapewnia szybki zestaw jasności.
Transport
Ten typ lampy jest przeznaczony do użytku w różnych rodzajach transportu - samochodach, kolejach i metrze, statkach rzecznych i morskich. Głównym wymaganiem dla nich jest odporność na wibracje i wstrząsy. Aby to zrobić, żarnik jest krótki i mocowany na wielu elementach nośnych.Podstawy takich lamp to bagnet Swan, szpilka lub podsufitka. Nie pozwalają na wydostanie się urządzenia i wypadnięcie z wkładu.
Iluminacje
Z nazwy jasno wynika, że lampy służą do oświetlenia. Dlatego ich kolby są wykonane ze szkła o różnych kolorach - niebieskim, zielonym, żółtym, czerwonym itp.
podwójna nić
Schemat takiej żarówki: w jednej żarówce znajdują się dwa oddzielne żarniki. Na przykład w reflektorze samochodowym używana jest lampa z dwoma żarnikami:
- po przyłożeniu napięcia do jednego wątku włącza się światło mijania - strumień świetlny jest „dociskany” do koryta drogi, a wiązka rozciąga się na kilkadziesiąt metrów;
- po przełączeniu na drugi wątek światło wznosi się i jego zasięg może sięgać setek metrów, a strumień będzie znacznie większy.
Takie lampy mogą znajdować się w tylnym świetle. Pierwszy wątek dotyczy świateł pozycyjnych, drugi dotyczy światła hamowania.
W sygnalizacji świetlnej lampy dwuwłóknowe zwiększają ich niezawodność. Duplikacja umożliwia pracę urządzenia z jednym wątkiem lub włączenie drugiego po wypaleniu pierwszego. I np. na kolei niezawodność sygnalizacji jest gwarancją bezpieczeństwa transportu.
Ogólny, lokalny cel
Górny rząd, od lewej do prawej - lampa z trzonkiem E14 - do żyrandoli, kinkietów i lamp małogabarytowych; z podstawą E27 - ogólnego przeznaczenia; zielony, czerwony, żółty - rozświetlający.
Dolny rząd: niebieski - przeznaczenie medyczne do zabiegów; lustro z odbłyśnikiem - do prac fotograficznych lub oświetlenia specjalnego, ze szkłem fioletowym, dwa zewnętrzne - ozdobne z żarówką „świecową” i cokołami E27 i E14.
Plusy i minusy
Zalety lamp żarowych:
- niska cena - proste i niedrogie materiały, konstrukcja i technologia opracowane przez dziesięciolecia, masowa zautomatyzowana produkcja;
- stosunkowo mały rozmiar;
- przepięcia w sieci nie powodują natychmiastowej awarii;
- uruchomienie, a także ponowne uruchomienie - natychmiastowe;
- przy zasilaniu prądem przemiennym o częstotliwości 50-60 Hz pulsacje jasności są ledwo zauważalne;
- jasność blasku regulują ściemniacze;
- widmo promieniowania jest ciągłe i znajome dla oka - podobne do słońca;
- prawie pełna powtarzalność charakterystyk lamp różnych producentów;
- wskaźnik oddawania barw Ra lub CRI - jakość odwzorowania odcieni barw oświetlanych obiektów - wynosi 100, co jest w pełni zgodne ze wskaźnikiem słońca;
- małe wymiary kompaktowego żarnika dają wyraźne cienie;
- wysoka niezawodność w warunkach silnych mrozów i upałów;
- konstrukcja umożliwia masową produkcję modeli o napięciach roboczych od ułamków do setek woltów;
- zasilanie z napięcia przemiennego lub stałego w przypadku braku urządzeń rozruchowych;
- aktywny charakter rezystancji żarnika zapewnia współczynnik mocy (cosinus φ) równy 1;
- obojętny na promieniowanie, impuls elektromagnetyczny, zakłócenia;
- w promieniowaniu praktycznie nie ma składnika UV;
- zapewniona jest regularna praca z częstym włączaniem/wyłączaniem światła i wiele innych.
Wady obejmują:
- nominalna żywotność LON - 1000 godzin, dla żarówek halogenowych - od 3 do 5-6 tys., dla świecący - do 10-50 tysięcy, dla LED - 30-150 tysięcy godzin lub więcej;
- szkło żarówki i cienki żarnik są wrażliwe na wstrząsy, drgania mogą wywołać rezonans przy określonych częstotliwościach;
- duża zależność efektywności energetycznej i żywotności od napięcia zasilania;
- Sprawność przetwarzania energii elektrycznej na światło widzialne nie przekracza 3-4%, ale rośnie wraz ze wzrostem mocy;
- temperatura powierzchni kolby uzależniona jest od mocy i wynosi: dla 100 W - 290°C, dla 200 W - 330°C, 25 W - 100°C;
- po włączeniu prąd udarowy przed rozgrzaniem żarnika może być dziesięciokrotnie wyższy niż wartość nominalna;
- oprawki i mocowania opraw muszą być żaroodporne.
Jak wydłużyć żywotność lampy?
Istnieje wiele sposobów na wydłużenie żywotności. Najbardziej używane:
- ograniczenie prądu rozruchowego poprzez włączenie termistora szeregowo z lampą, której wysoka rezystancja maleje w miarę nagrzewania się przez prąd rozruchowy;
- łagodny start z ręczną regulacją jasności za pomocą ściemniacza tyrystorowego lub triakowego;
- zasilanie lamp poprzez mocną diodę prostowniczą tj. wyprostowane połówki napięcia sinusoidy;
- szeregowe połączenie lamp parami w oprawach wielolampowych, na przykład w żyrandolach.
Współczesny przemysł produkuje dużą liczbę różnych typów żarówek o szerokim zakresie napięć roboczych i mocy, o różnych odcieniach świecenia, konfiguracjach żarówek i cokołów. Ten zakres pozwala wybierać odpowiednia lampa do każdego zastosowania.