Opis i zasada działania żarówki
Co to jest lampa żarowa
Żarówka, zwana też lampą żarową, to źródło światła sztucznego, w którym światło jest wytwarzane przez podgrzanie cienkiego żarnika metalowego do temperatury żarzenia metalu. Przez żarnik przepływa prąd elektryczny, który go nagrzewa. Pierwsze lampy miały żarnik wykonany ze zwęglonego materiału organicznego, takiego jak bambus, w formie włókna.
Aby zapobiec szybkiemu spalaniu się żarnika, z bańki usunięto powietrze i uszczelniono ją. Albo kolba była wypełniona gazem, który nie zawierał utleniacza - tlenu. Gazy te nazywane są gazami obojętnymi - argon, neon, hel, azot itp. Są one tak nazywane, ponieważ nie reagują z metalami, czyli są obojętne.
Pierwsze lampy z żarnikiem węglowym Żarówki z żarnikiem węglowym miały trwałość poniżej kilkunastu godzin. Wartość tę znacznie zwiększono, zastępując włókno węglowe cienkim drutem metalowym.
Światło to nazywano światłem jarzeniowym, tzn. światłem świecącego metalu. A żarnik nazwano światłem żarowym. Na przykład, stal podgrzana do temperatury 1200°C świeci na żółto-biało, a w temperaturze 1300°C jest prawie biała.
Pod koniec XIX wieku żarnik węglowy, który szybko się wypalał, został zastąpiony metalami ogniotrwałymi - wolframem, molibdenem, osmem lub tlenkami metali - cyrkonem, magnezem, itrem i innymi.
Wypełnienie kolby gazami obojętnymi zmniejszyło szybkość parowania metalu z żarnika, a tym samym wydłużyło czas jego działania.
W celu uzyskania dużej mocy włókna są produkowane w postaci "rozgałęzionej". Źródła światła projekcyjnego mają żarnik o złożonej konfiguracji w celu wytworzenia strumienia kierunkowego, tworzącego płaską strukturę prostopadłą do osi promieniowania. Wewnątrz żarówki znajduje się odbłyśnik światła, np. cienka warstwa napylonego metalu, takiego jak srebro lub aluminium.
Do zasilania lampy bezpośrednio z istniejącego wówczas źródła prądu stałego o napięciu 110 V potrzebny był długi i cienki żarnik metalowy. Zapewniało to zwiększony opór, a zatem do ogrzewania potrzebne było mniejsze natężenie prądu.
W celu ścisłego upakowania w małej objętości kolby ze szkła bezbarwnego, włókno zostało wielokrotnie zgięte i umieszczone na drucianych uchwytach.
To wyginanie się żarnika skomplikowało konstrukcję pierwszych źródeł światła, które działały znacznie dłużej niż "węglowe". Przełomem w konstrukcji żarówek była propozycja skręcenia żarnika w spiralę. To wielokrotnie zmniejszyło jego rozmiary.
Jeszcze mniejszy korpus żarzenia uzyskano, nawijając cienką cewkę na drugą, ale o większej średnicy. Podwójna helisa nazywana jest bi-helisą.
Kolejnym etapem w rozwoju źródeł światła było przejście na zasilanie prądem zmiennym i zastosowanie transformatora w celu obniżenia napięcia zasilania lamp.
Główne części lampy żarowej
Podstawowymi elementami składowymi żarówki są:
- włókno lub korpus włóknisty;
- okucie do zamocowania żarnika;
- bańka chroniąca żarnik przed szybkim spalaniem i wpływami zewnętrznymi
- gniazdo do montażu w gnieździe i podłączenia do zasilania
- styki gniazdowe - obudowa typu śrubowego i styk centralny w podstawie gniazda.
Oprawa jest przeznaczona do mocowania żarnika i tworzenia wymaganej konfiguracji i kierunkowości strumienia świetlnego.
Podstawa jest potrzebna do zamocowania w gnieździe montażowym i do połączenia z żarówką. W lampach retrofitowych, odpowiednikach lamp żarowych, w oprawce znajduje się część zasilacza.
Podstawa
Na stronie Żarówki halogenoweŻarówki halogenowe, w zależności od napięcia zasilania, mocy i konstrukcji bańki, mają różne trzonki - gwintowe, męskie, bagnetowe, trzpieniowe itp.
Układ styków na gnieździe jest wymagany do połączenia z siecią zasilającą lub zasilaczem.
Żarówka
Przezroczyste żarówki LN są używane do:
- Ochrona żarnika przed atmosferą zewnętrzną zawierającą utleniacz - tlen;
- Wytwarzanie i utrzymywanie próżni lub składu gazu;
- umieszczenie luminoforu i/lub powłok przekształcających różne rodzaje energii elektromagnetycznej w promieniowanie widzialne, oddawanie ciepła do żarnika, przekształcanie niewidzialnego promieniowania UV i IR w światło, korekcja odcienia lampy - czerwonego, zielonego, niebieskiego.
Filament
Włóknem jest żarnik zwinięty w cewkę lub podwójną cewkę albo cienki pasek metalu.
Gaz medium
Gazy obojętne, którymi wypełniona jest bańka lampy, np. azot, argon, neon, hel. Do mieszanin gazów szlachetnych dodaje się substancje halogenowe.
Jak powstaje i jak działa żarówka?
Konstrukcja żarówki nie zmieniła się zbytnio w czasie jej rozwoju. Podstawowym elementem, który działa na zasadzie świecenia od substancji żarzącej, jest żarnik lub korpus żarnika. Jest to cienki drut wolframowy o średnicy 30-40, maksymalnie 50 mikronów lub mikrometrów (milionowych części metra).
Kolory ciała żarowego zaczynają się od czerwonego, a wraz ze wzrostem temperatury przechodzą przez pomarańczowy, żółty i biały. W miarę dalszego wzrostu temperatury metal żarzący się najpierw topi się, a następnie, w obecności tlenu, spala.
Lekcja wideo: Jak działają nowoczesne żarówki
Zimny żarnik wolframowy ma niską rezystywność. Wolfram, podobnie jak większość metali, ma dodatni temperaturowy współczynnik oporu TKS. Oznacza to, że gdy żarnik jest podgrzewany przez prąd elektryczny, jego opór wzrasta.
Przed włączeniem lampy żarnik jest zimny i ma niewielki opór. W związku z tym w momencie włączania urządzenia płynie prąd o wartości 10-15 razy większej od prądu znamionowego. Ten skok prądu nazywany jest prądem rozruchowym. I często jest to powód... często przyczyną wypalenia się włókna.
Nagrzanie żarnika trwa ułamek sekundy. W tym czasie wzrasta jego odporność. Początkowo wysoki prąd płynący przez lampę zmniejsza się do wartości prądu znamionowego w miarę rozgrzewania się gazu, bańki i wszystkich elementów. W ten sposób źródło światła osiąga znamionowy tryb pracy i wytwarza znamionowy strumień świetlny. Barwa światła również staje się nominalna, tzn. odpowiada temperaturze barwowej od 2000 do 3500 K. Jest ona nazywana ciepłą bielą i ma kilka stopni temperatury barwowej w określonym zakresie, z oryginalnymi nazwami i skrótami. Na przykład:
- superciepła biel - 2200-2400 K, oznaczana jako S-Warm lub S-W, czyli bardzo ciepła biel lub Warm 2400;
- Ciepła - 2600-2800 K lub Ciepła 2700;
- ciepła biel - 2700-3500 K lub ciepła biel (WW);
- inna ciepła biel - 2900-3100 K lub ciepła 3000 (W).
Temperatury poszczególnych elementów lampy
Zewnętrzna powierzchnia żarówki LON zależy od mocy lampy i może być rozgrzana do 250-300 ℃ lub więcej.
Żarnik nagrzewa się do temperatury 2000-2800℃, a temperatura topnienia wolframu wynosi 3410°C.
W niektórych konstrukcjach włókno jest wykonane z osmu o temperaturze topnienia 3045 ℃ lub z renu o temperaturze topnienia 2174. Powoduje to przesunięcie widma świetlnego LN do czerwonej strefy widma widzialnego.
Jaki gaz znajduje się w bańce
W pierwszych lampach powietrze było wypompowywane z bańki. Obecnie odkurzane (ewakuowane) są tylko żarówki o małej mocy (maks. 25 W).
Podczas pracy drutu wolframowego rozgrzanego do temperatury 2-3 tys. stopni Celsjusza z jego powierzchni intensywnie odparowuje metal. Para ta osadza się we wnętrzu żarówki i zmniejsza jej przepuszczalność światła.
Badania przeprowadzone na początku ubiegłego wieku wykazały, że jeśli kolba jest wypełniona gazem obojętnym, parowanie ulega zmniejszeniu, a wydajność świetlna wzrasta. Dlatego kolby wypełniano jednym z gazów obojętnych lub ich mieszaninami. Najczęściej spotykane gazy to argon, azot, ksenon, krypton, hel itp. Hel jest wykorzystywany do efektywnego pasywnego chłodzenia wewnętrznych elementów nowych rodzajów lamp LED typu retrofit.
Ten eksperyment jest kategorycznie niezalecany do użytku domowego
Ich głównym elementem emitującym światło jest cienki pręt ze sztucznego szafiru lub szkła, na którym znajdują się kryształy diod LED. Ten rodzaj emitera nazywany jest żarnikiem. Niektórzy "eksperci" pomylili istotę żarówek i nazwał je "lampami z szafirowymi diodami elektroluminescencyjnymi". Chociaż sztuczny szafir w tych lampach jest używany tylko jako podstawa montażowa i pasywny radiator dla kryształów LED.
Uszkodzenie LN w większości przypadków nie jest spowodowane odparowaniem metalu z powierzchni włókna, lecz przyspieszeniem tego procesu w miejscach, w których występuje zaburzenie grubości włókna. Występuje to w miejscu ostrego zagięcia drutu lub jego złamania. W tym momencie lokalnie wzrasta jego rezystancja, napięcie, rozpraszanie mocy i temperatura metalu. Parowanie przyspiesza, przybiera charakter lawinowy, żarnik gwałtownie zmniejsza swoją grubość i wypala się.
Problem ten został rozwiązany na przełomie lat 50. i 60. ubiegłego wieku dzięki masowej produkcji żarówek halogenowych.
Halogeny - chlor, brom, fluor lub jod - dodawano do obojętnego gazu lub mieszaniny. W rezultacie proces odparowywania metalu zostaje całkowicie zatrzymany lub ulega znacznemu spowolnieniu. Atomy tych dodatków wiążą się z parami wolframu, tworząc cząsteczki niestabilnych związków. Odkładają się one na powierzchni ciała szklistego. Pod wpływem wysokiej temperatury cząsteczki rozpadają się i uwalniają atomy halogenu i czystego metalu, które osadzają się na gorącej powierzchni żarnika i częściowo regenerują odparowaną warstwę.
Proces ten jest intensyfikowany poprzez zwiększenie ciśnienia. Dzięki temu wzrasta temperatura żarnika, jego trwałość, strumień świetlny, sprawność i inne parametry. Widmo emisji jest przesunięte w stronę bieli. W lampach gazowych opóźnione jest zaciemnienie powierzchni bańki od wewnątrz przez opary wolframu. Takie źródła światła nazywane są halogenowymi źródłami światła.
Parametry elektryczne
Charakterystyki elektryczne lamp żarowych są następujące:
- moc elektryczna, mierzona w watach (W). Zakres dostępnych modeli obejmuje modele o mocy od kilku watów (żarówka latarki ma moc 1 W) do 500, a nawet 1000 W;
- Strumień świetlny, lm (lumen), jest związany z mocą - od 20 lm przy 5W do 2500 lm przy 200W, przy wyższej mocy strumień świetlny jest wyższy;
- Skuteczność świetlna, efektywność energetyczna lub współczynnik efektywności, Lm/W - ile lumenów światła w przeliczeniu na strumień świetlny przypada na każdy wat mocy pobranej z sieci lub źródła zasilania;
- natężenie światła lub luminancja, cd (kandela);
- temperatura barwowa - temperatura umownego ciała czarnego, które emituje światło o określonym odcieniu.
Przeznaczenie 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 ludziom, zwierzętom lub ptakom sztucznego światła w nocy lub w ciemnym pomieszczeniu.
Dzięki wykorzystaniu światła ludzie przedłużają swoją codzienną aktywność o kilka godzin. Mogą to być procesy związane z pracą i nauką, obowiązki domowe. Poprawia się bezpieczeństwo na drogach, możliwe jest udzielanie pomocy medycznej wieczorem i w nocy itp.
Lampy są aktywnie wykorzystywane w gospodarstwach hodowlanych i fermach drobiu, do uprawy rośliny w kompleksach szklarniowych. Są one oświetlane światłem o określonym spektrum i wielkości strumienia świetlnego. Hodowla ryb wymaga również światła o określonym składzie spektralnym.
Zastosowania techniczne. Urządzenia emitujące światło widzialne i niewidzialne są wykorzystywane w produkcji do celów technologicznych. Przykłady:
- Do precyzyjnej i ważnej pracy potrzebny jest wysoki poziom oświetlenia w miejscu pracy;
- IR - Promieniowanie podczerwone jest stosowane w przemyśle, np. do bezdotykowego ogrzewania elementów konstrukcyjnych lub w technice klimatycznej do ogrzewania osób pracujących na otwartej przestrzeni; w technice wojskowej i myśliwskiej - do noktowizorów w broni, urządzeń noktowizyjnych itp;
- UV-Promieniowanie UV jest stosowane w stomatologii do szybkiego utwardzania wypełnień, protez dentystycznych itp., w medycynie i higienie - do dezynfekcji. dezynfekcja pomieszczeńW medycynie i sanitariatach - dezynfekcja pomieszczeń, narzędzi, odzieży, powierzchni mebli, powietrza, wody, leków itp.
Lampy do zastosowań specjalnych są używane w reklamie świetlnej zewnętrznej i wewnętrznej, kryminalistyce, lotnictwie i kosmonautyce, oświetleniu pokazów itp.
Główne typy i charakterystyka
Główne rodzaje lamp żarowych to:
- Lampy ogólnego zastosowania. Są one oznaczane skrótem LON. Zazwyczaj są to urządzenia o mocy 25, 40, 60, 75 i 100 W. Najczęściej spotykana jest moc 60 W. Jednak w sprzedaży dostępne są LLH o mocy 150, 200, 500, a nawet 1000 W.
- Halogenowe lampy żarowe. Dostępne do zastosowań wysokonapięciowych i niskonapięciowych 220 V lub 110 V. W tym przypadku są one zasilane z transformatora step-down.
Różnorodne niskonapięciowe lampy halogenowe:
- kapsuły, mające postać całoszklanych tub o różnych podstawach - kapsuły z końcówką szpilkową GY6,35 lub G4;
- Lampy odblaskowe z elementem odblaskowym, średnica od 35 do 111 mm, gniazdo GZ10 z opcjami.
Wysokie napięcie. Napięcie podstawowe wynosi 220-230 V, 50 Hz. Lampy te mają więcej wersji:
- liniowe - jako rurka ze szkła z podstawą R7S;
- cylindryczne - gniazdo E27, E14 lub B15D;
- z pilotem lub dodatkową żarówką.
Te ostatnie mają żarówkę halogenową lub rurkę zamontowaną na sztywno w bańce. Jest ona przyspawana do centralnego rdzenia standardowej żarówki LON i posiada elastyczne przewody podłączone do standardowej trzonka Edisona E27 lub E14. Przy mocy 70-100 W zapewnia o 20-30% więcej strumienia świetlnego niż standardowa żarówka.
Modele te charakteryzują się wyższą sprawnością energetyczną - do 12-25 Lm/W, podczas gdy konwencjonalne źródła światła LON mają strumień świetlny od 3-4 do 10-12 Lm/W.
Żywotność modeli halogenowych wynosi od 4-5 do 10-12 tys. godzin.
Klasyfikacja świateł zgodnie z ich przeznaczeniem i konstrukcją
Żarówki dekoracyjne
W ostatnich latach pojawiły się lampy retro, które naśladują zabytkowe żarówki Edisona.
Ponadto mają one kształt "świecy", "świecy na wietrze", "stożka", "gruszki", "piłki" itp.
Lustrzana strona
Lampy odblaskowe mają powłokę odblaskową po wewnętrznej stronie żarówki. Jest to zazwyczaj powłoka metalowa, taka jak srebro, aluminium lub złoto. Warstwa ta może być cienka i półprzezroczysta lub gruba i nieprzezroczysta.
Struktury odbijające światło są stosowane w produkcji do ogrzewania całkowicie czystych procesów, np. w produkcji półprzewodników z materiałów o wysokiej czystości. W tym przypadku wada lamp żarowych - wysoki strumień promieniowania podczerwonego - staje się bezkonkurencyjną zaletą.
Takie lampy są stosowane w oprawach oświetleniowych o wąskiej, odchylanej wiązce światła.
Sygnał
Lampy sygnalizacyjne to migające źródła światła. Zazwyczaj w postaci migających sygnalizatorów, np. na pojazdach służbowych, samolotach i helikopterach, do nadawania komunikatów świetlnych w marynarce wojennej itp. Mają one cienki żarnik, który umożliwia szybki wzrost jasności.
Transport .
Lampy tego typu są przeznaczone do stosowania w różnych rodzajach transportu, takich jak: samochodowy, kolejowy, metro, statki rzeczne i morskie. Głównym wymogiem stawianym przed nimi jest odporność na wibracje i uderzenia. Aby to osiągnąć, włókno jest skracane i mocowane na wielu elementach nośnych. Trzonki takich żarówek są bagnetowe, trzpieniowe lub podsufitowe. Zapobiegają one odkręceniu się i wypadnięciu urządzenia z gniazda.
Lampy oświetleniowe .
Nazwa wskazuje, że lampy te są używane do oświetlania. Dlatego ich żarówki są wykonane z różnych kolorów szkła - niebieskiego, zielonego, żółtego, czerwonego itd.
Dwuniciowy .
Schemat takiej lampy oświetleniowej: dwa oddzielne żarniki w jednej żarówce. Na przykład w reflektorze samochodowym żarówka dwużarnikowa jest stosowana w następujący sposób:
- Po podłączeniu napięcia do jednego z żarników następuje włączenie świateł mijania - wiązka światła jest "dociskana" do nawierzchni drogi, a wiązka rozciąga się na kilkadziesiąt metrów;
- Po przełączeniu na drugi żarnik światło wzrasta i jego zasięg może wynosić nawet kilkaset metrów, a wiązka światła będzie znacznie większa.
Światła takie mogą znajdować się również w świetle tylnym. Pierwszy żarnik jest przeznaczony do świateł postojowych, drugi do świateł hamowania.
W sygnalizatorach świetlnych żarówki dwużarnikowe zwiększają ich niezawodność. Duplikacja umożliwia działanie urządzenia z jednym żarnikiem lub włączenie drugiego po przepaleniu się pierwszego. A na przykład na kolei niezawodna sygnalizacja jest gwarancją bezpieczeństwa transportu.
Ogólne, lokalne
Górny rząd, od lewej do prawej: gniazdo E14 do żyrandoli, kinkietów i małych lamp; gniazdo E27 do lamp ogólnego zastosowania; zielony, czerwony, żółty - lampy oświetleniowe.
Rząd dolny: niebieski - do celów medycznych przy zabiegach; lustro z odbłyśnikiem - do prac fotograficznych lub specjalnego oświetlenia, z fioletowym szkłem, dwa zewnętrzne - dekoracyjne z żarówką "świeczką" i oprawką E27 i E14.
Plusy i minusy
Zalety żarówek żarowych:
- Niska cena - proste i niedrogie materiały, konstrukcja i technologia dopracowywane przez dziesięciolecia, masowa, zautomatyzowana produkcja;
- stosunkowo niewielkie wymiary;
- skoki napięcia w sieci nie powodują natychmiastowej awarii;
- rozruch i ponowny rozruch jest natychmiastowy;
- przy zasilaniu prądem zmiennym o częstotliwości 50-60 Hz pulsowanie jasności jest niezauważalne;
- luminancję można ściemniać;
- Widmo emisji jest jednolite i znane dla oka - podobne do widma słonecznego;
- Właściwości lamp różnych producentów są niemal identyczne;
- Wskaźnik oddawania barw Ra lub CRI - jakość oddawania barw oświetlanych obiektów - wynosi 100, co w pełni odpowiada wskaźnikowi słonecznemu;
- Niewielkie wymiary kompaktowego żarnika dają wyraźne cienie;
- wysoka niezawodność w ekstremalnie niskich i wysokich temperaturach;
- Konstrukcja umożliwia masową produkcję modeli o napięciu roboczym od ułamków do setek woltów;
- Zasilanie prądem zmiennym lub stałym w przypadku braku rozruszników
- Aktywny charakter rezystancji żarnika zapewnia współczynnik mocy (cosinus φ) równy 1;
- obojętny na promieniowanie, impulsy elektromagnetyczne, zakłócenia;
- praktycznie bez składowej UV w promieniowaniu;
- Zapewnione jest standardowe działanie z częstym włączaniem i wyłączaniem świateł itp.
Do wad należą:
- nominalna trwałość LON wynosi 1 000 godzin, podczas gdy dla żarówek halogenowych - od 3 do 5-6 tysięcy, dla fluorescencyjny - do 10-50 tys. godzin, lampy LED - 30-150 tys. godzin lub więcej;
- Szklana bańka i cienki żarnik są wrażliwe na wstrząsy; wibracje mogą powodować rezonans przy pewnych częstotliwościach;
- Duża zależność sprawności energetycznej i czasu eksploatacji od napięcia zasilania;
- Sprawność konwersji energii elektrycznej na światło widzialne nie przekracza 3-4%, ale rośnie wraz ze wzrostem mocy;
- Temperatura powierzchni żarówki jest zależna od mocy i wynosi: 100W - 290°C, 200W - 330°C, 25W - 100°C;
- Przy włączaniu, skok prądu zanim żarnik się rozgrzeje może być dziesięciokrotnie większy niż prąd znamionowy;
- Gniazda i łączniki opraw muszą być odporne na wysoką temperaturę.
Jak przedłużyć żywotność lampy
Istnieje wiele sposobów na wydłużenie żywotności lampy. Do najczęściej używanych należą:
- Ograniczenie prądu rozruchowego przez zastosowanie szeregowo z lampą termistora, którego wysoka rezystancja maleje w miarę nagrzewania przez prąd rozruchowy;
- Miękki start z ręcznym ściemnianiem za pomocą ściemniacza tyrystorowego lub triakowego;
- Zasilanie lampy za pomocą wydajnej diody prostowniczej, tj. napięcia wyprostowanego o kształcie połowy sinusoidy;
- Łączenie lamp parami w oprawach wielolampowych, np. żyrandolach.
Współczesny przemysł produkuje wiele różnych rodzajów lamp żarowych o szerokim zakresie napięć roboczych i mocy, o różnych odcieniach luminescencji, konfiguracjach baniek i trzonkach. Ten zakres umożliwia wybór wybierz niezbędną lampę do każdego zastosowania.