Descripció i principi de funcionament de la bombeta
Què és una làmpada incandescent
Una làmpada incandescent, d'ara endavant denominada LN, és una font de llum artificial, en la qual el flux lluminós s'obté escalfant un filament metàl·lic prim a la temperatura de la resplendor d'un metall roent. Per a la calefacció, un corrent elèctric es fa passar pel filament. Els primers llums tenien un filament de matèria orgànica carbonitzada, com el bambú, en forma de fibra.
Per evitar que el fil es cremés ràpidament, es va bombejar aire del matràs i es va tancar. O van omplir el matràs amb una composició de gas en què no hi ha agent oxidant: oxigen. Aquests gasos s'anomenen inerts: argó, neó, heli, nitrogen, etc. Aquests gasos s'anomenen així perquè no reaccionen amb els metalls, és a dir. inert.
Primers llums amb un filament de carboni tenia un recurs de treball de no més d'una dotzena d'hores. Es va augmentar significativament després de la substitució del filament de carboni per un fil metàl·lic prim.
Aquesta llum es deia llum incandescent, és a dir. llum metàl·lica calenta. I el fil s'anomenava filament. Per exemple, l'acer escalfat a 1200 °C brilla de color groc-blanc, mentre que a 1300 °C brilla gairebé blanc.
A finals del segle XIX, el fil de carboni, que es va cremar ràpidament, va ser substituït per metalls refractaris -tungstè, molibdè, osmi o òxids metàl·lics- zirconi, magnesi, ittri, etc.
En omplir el matràs amb gasos inerts, es va reduir la velocitat d'evaporació del metall del filament calent i, per tant, es va augmentar la durada del seu funcionament.
A gran potència, els filaments es fabriquen en forma "ramificada". Les fonts de llum de projecció per crear un flux direccional tenen un fil de configuració complexa, formant una estructura plana perpendicular a l'eix de radiació. En aquest cas, es col·loca un reflector de llum dins de la bombeta, per exemple, en forma d'una fina capa de metall ruixat: plata o alumini.
Per alimentar la làmpada directament des de la xarxa elèctrica existent en aquella època, que tenia una tensió constant de 110 V, calia un fil metàl·lic llarg i prim. Això va proporcionar una major resistència, la qual cosa significa que es necessitava menys corrent per a la calefacció.
Per a un "embalatge" dens en un petit volum d'un matràs de vidre transparent, el fil es va doblegar repetidament i es va col·locar en suports de filferro.
Aquesta flexió del fil va complicar el disseny de les primeres fonts de llum, que van funcionar molt més temps que les de "carbó". Un avenç en el desenvolupament del disseny de bombetes incandescents va ser la proposta de torçar el fil en espiral. Això va reduir la seva mida en diverses vegades.
Una mida encara més petita del cos incandescent es va obtenir plegant una espiral prima en una segona espiral, però d'un diàmetre més gran. La doble hèlix s'anomena bihèlix.
La següent etapa en el desenvolupament de les fonts de llum va ser la transició a xarxes de CA i l'ús d'un transformador per reduir la tensió d'alimentació de les làmpades.
Les parts principals d'una làmpada incandescent
Els principals elements estructurals d'una làmpada incandescent inclouen:
- filament o cos de filament;
- accessoris per subjectar el fil;
- un matràs per protegir el fil de la combustió ràpida i les influències externes;
- base per a la instal·lació en un cartutx i connexió a la xarxa elèctrica;
- contactes del sòcol: un cos roscat i un contacte central a la part inferior del sòcol.
L'armadura està dissenyada per subjectar el fil i crear la configuració i direcció requerides del flux de llum.
La base es necessita per fixar-se al cartutx de muntatge i connectar-se al matràs. A les làmpades d'adaptació, anàlegs de les làmpades incandescents, una part del dispositiu d'alimentació es col·loca a la base.
sòcol
A la làmpades incandescents halògenes, depenent de la tensió d'alimentació, la potència i el disseny del matràs, s'instal·len diversos tipus de sòcols: roscat, pin, baioneta, pin, etc.
El sistema de contactes dels sòcols és necessari per connectar-se a la xarxa o font d'alimentació.
Flascó
El matràs transparent LN s'utilitza per:
- protecció del fil de l'atmosfera externa que conté un agent oxidant - oxigen;
- crear i mantenir una composició de buit o gas;
- col·locant un fòsfor i/o recobriments que converteixen diferents tipus d'energia electromagnètica en radiació visible, retornant la calor al filament, convertint la radiació UV i IR invisible en llum, corregint l'ombra de la resplendor de la làmpada: vermell, verd, blau.
Cos incandescent
El cos incandescent és un fil enrotllat en una espiral o biespiral o una fina cinta metàl·lica.
Mitjà de gas
Gasos inerts que omplen la bombeta d'una làmpada, per exemple, nitrogen, argó, neó, heli. En una mescla de gasos inerts, s'afegeixen substàncies halògenes.
Com funciona LN i com funciona
El dispositiu de la bombeta incandescent ha canviat poc durant el seu desenvolupament. L'element principal que funciona segons el principi de la resplendor d'una substància incandescent és un filament o un cos incandescent. Es tracta d'un fil de tungstè prim amb un diàmetre de 30-40, màxim 50 micres o micròmetres (milionèsimes de metre).
Els colors incandescents parteixen del vermell i, a mesura que augmenta la temperatura, passen pel taronja, del groc al blanc. Amb un nou augment de la temperatura, el metall del cos incandescent es fon primer i després, en presència d'oxigen, es crema.
Vídeo tutorial: Com funcionen les bombetes modernes
El filament de tungstè fred té una baixa resistivitat. El tungstè, com la majoria dels metalls, té un coeficient de temperatura positiu de resistència TCR.Això vol dir que en el procés d'escalfament del filament amb un corrent elèctric, la seva resistència augmenta.
Abans d'encendre el llum, el filament està fred i té poca resistència. Per tant, en el moment de l'encesa, es subministra un corrent de 10 a 15 vegades més que el nominal. Aquest salt s'anomena arrencada. I sovint ho és causa d'esgotament cossos incandescents.
Es necessita una fracció de segon per escalfar el fil. Durant aquest temps, la seva resistència augmenta. Inicialment, un gran corrent que passa per la làmpada, a mesura que el gas, la bombeta i tots els elements estructurals s'escalfen, disminueix fins al valor nominal. Així, la font de llum entra en el mode especificat i produeix un flux lluminós de passaport. La tonalitat de la resplendor també esdevé nominal, és a dir. corresponent a una temperatura de color de 2000 a 3500 K. S'anomena blanc càlid i té diverses gradacions de temperatura de color amb noms i abreviatures originals en el rang especificat. Per exemple:
- blanc súper càlid - 2200-2400 K, designat S-Warm o S-W, també és un blanc molt càlid o Warm 2400;
- càlid - 2600-2800 K o càlid 2700;
- blanc càlid - 2700-3500 K o blanc càlid (WW);
- un altre càlid és 2900-3100 K o Warm 3000 (W).
Temperatura dels elements de la llum individuals
La superfície exterior de la bombeta LON depèn de la potència del llum i es pot escalfar fins a 250-300 ℃ o més.
El fil s'escalfa fins a 2000-2800 ℃, al punt de fusió del tungstè 3410 ° C.
En alguns dissenys, el filament està fet d'osmi amb un punt de fusió de 3045 ℃ o reni - 2174. Així, l'espectre d'emissió del LN es desplaça a la zona vermella de l'espectre visible.
Quin gas hi ha a la bombeta
A les primeres làmpades, l'aire es bombejava fora del matràs.Ara només s'evacuen les bombetes de poca potència, de no més de 25 watts (es bombeja l'aire).
Durant el funcionament d'un cable de tungstè escalfat a 2-3 mil graus, el metall s'evapora intensament de la seva superfície. Els seus vapors s'instal·len a l'interior de la bombeta i redueixen la seva transmissió de llum.
Els estudis realitzats a principis del segle passat van demostrar que si el matràs s'omple amb un gas inert, l'evaporació disminuirà i augmentarà la sortida de llum. Per tant, els matrassos es van començar a omplir amb un dels gasos inerts o la seva mescla. Molt sovint, aquests són argó, nitrogen, xenó, criptó, heli, etc. L'heli s'utilitza per a un refredament passiu eficaç dels elements interns d'un nou tipus de làmpades LED.
Aquest experiment no es recomana dur a terme a casa.
El seu principal element emissor de llum és una vareta fina feta de safir o vidre artificial, sobre la qual es troben els cristalls LED. Aquest emissor s'anomena filament. Alguns "experts" van confondre l'essència làmpades de filament i els va anomenar "làmpades amb emissors de llum de safir". Tot i que el safir artificial en aquestes làmpades només s'utilitza com a base de muntatge i dissipador de calor passiu per a cristalls LED.
La fallada del LN en la majoria dels casos no s'associa amb l'evaporació del metall de la superfície del cos incandescent, sinó amb l'acceleració d'aquest procés a les zones de violació del gruix del filament. Això passa a la zona d'una flexió pronunciada del cable o la seva fractura. En aquest lloc, la seva resistència augmenta localment, augmenta la tensió, la dissipació de potència i la temperatura del metall. L'evaporació s'accelera, es converteix en una allau, el fil redueix ràpidament el seu gruix i es crema.
Aquest problema es va resoldre a finals de la dècada de 1950 i principis de la dècada de 1960 iniciant la producció massiva de làmpades incandescents halògenes.
Els halògens -clor, brom, fluor o iode- es van començar a introduir en la composició d'un gas o mescla inert. Com a resultat, el procés d'evaporació del metall s'atura completament o s'alenteix significativament. Els àtoms d'aquests additius s'uneixen al vapor de tungstè, formant molècules de compostos inestables. S'instal·len a la superfície del cos incandescent. Sota l'acció de l'alta temperatura, les molècules es descomponen i alliberen àtoms d'halogen i metall pur, que s'assenta a la superfície calenta del fil i restaura parcialment la capa evaporada.
Aquest procés s'intensifica augmentant la pressió. Això augmenta la temperatura del filament, la vida útil, la sortida de llum, l'eficiència i altres característiques. L'espectre d'emissió es desplaça cap al costat blanc. A les làmpades plenes de gas, l'enfosquiment de la superfície de la bombeta des de l'interior del vapor de tungstè s'alenteix. Aquestes fonts de llum s'anomenen halògens.
Paràmetres elèctrics
Les característiques elèctriques de les làmpades incandescents inclouen:
- potència elèctrica, mesurada en watts - W, la gamma de models fabricats - des de diversos watts (bombeta per a una llanterna - 1 W) fins a 500 i fins i tot 1000 W;
- el flux lluminós, Lm (lumen), està relacionat amb la potència: des de 20 Lm a 5 W fins a 2500 Lm a 200 W, amb una potència més alta, el flux de llum és més alt;
- eficiència lluminosa, eficiència o eficiència energètica, Lm / W - quants lúmens de llum en forma de flux lluminós ofereix cada watt d'energia consumida de la xarxa o d'una font d'alimentació;
- intensitat lluminosa o brillantor, cd (candela);
- temperatura de color: la temperatura d'un cos negre condicional que emet llum amb una determinada ombra.
La finalitat del llum elèctric
Les làmpades elèctriques es poden dividir en diversos tipus segons la seva aplicació: per a ús públic, tècnic i especial.
L'ús públic principal és proporcionar llum artificial a qualsevol persona, animals i ocells de nit o en un lloc fosc d'una habitació.
Utilitzant la llum, la gent allarga la seva activitat diària durant diverses hores. Pot ser processos de treball i estudi, tasques domèstiques. La seguretat viària està millorant, la capacitat de prestar assistència mèdica al vespre i a la nit, i moltes altres.
Les làmpades s'utilitzen activament en granges ramaderes i granges avícoles, per al cultiu plantes en complexos d'hivernacle. S'il·luminen amb llum d'un determinat espectre i la magnitud del flux lluminós. Per a la cria de peixos, també es necessita llum amb una composició espectral especial.
finalitat tècnica. A la producció, amb finalitats tecnològiques, s'utilitzen aparells que donen llum visible i invisible. Exemples:
- per a un treball precís i important, una persona necessita un alt nivell d'il·luminació del lloc de treball;
- IR - La radiació infraroja s'utilitza a la indústria, per exemple, per a l'escalfament sense contacte de peces estructurals o en tecnologia climàtica per escalfar una persona que treballa a l'aire gebrat, en equipament militar i caça - visors nocturns per a armes, dispositius de visió nocturna, etc. ;
- UV- la radiació s'utilitza en odontologia per a l'enduriment ràpid de les obturacions, en la fabricació de pròtesis, etc., en medicina i sanejament - per desinfecció de locals, eines, roba, superfícies de mobles, aire, aigua, medicaments, etc.
Les làmpades d'ús especial s'utilitzen en publicitat il·luminada exterior i interior, criminalística, aviació i astronàutica, acompanyament lleuger d'espectacles i molts altres.
Tipus i característiques principals
Els principals tipus de làmpades incandescents són:
- Làmpades d'ús general. Designat per l'abreviatura LON. Normalment es tracta d'aparells amb una potència de 25, 40, 60, 75 i 100 watts. El més comú - 60 watts. Però LON produït industrialment amb una capacitat de 150, 200, 500 i fins i tot 1000 watts.
- Làmpades incandescents halògenes. Produït per funcionar des d'una xarxa d'alta tensió de 220 o 110 V i des d'una xarxa de baixa tensió. En aquest cas, s'alimenten amb un transformador reductor.
Varietats d'halògens de baixa tensió LN:
- càpsula, tenen la forma de tubs de vidre amb diferents sòcols - pin final GY6.35 o G4;
- reflex, amb un element reflectant, amb un diàmetre de 35 a 111 mm, base GZ10 amb opcions.
Alt voltatge. Tensió principal 220-230 V, 50 Hz. Aquestes làmpades tenen més opcions:
- lineal en forma de tub de vidre amb sòcols R7S;
- cilíndric - sòcols E27, E14 o B15D;
- amb un matràs remot o addicional.
En l'últim model, una làmpada-càpsula o tub halògens de mida petita està muntada rígidament dins del llum. Està soldat a la vareta central d'una bombeta LON convencional, té cables flexibles connectats a una base estàndard Edison E27 o E14. Amb un consum d'energia de 70-100 W, proporciona un flux lluminós d'un 20-30% més que una làmpada incandescent convencional.
Aquests models tenen una major eficiència energètica, arribant als 12-25 lm/W, mentre que els LON convencionals tenen una sortida de llum de 3-4 a 10-12 lm/W.
La vida útil dels models halògens oscil·la entre 4-5 i 10-12 mil hores.
Separació de llums per finalitat i disseny
llums decoratives
En els darrers anys han aparegut làmpades retro que imiten els Edison LN vintage.
A més, imiten una “espelma”, “espelma al vent”, “bump”, “pera”, “bola”, etc. en forma de bombeta.
Mirall
Els llums de mirall tenen una part de la bombeta coberta des de l'interior amb una capa reflectant. Molt sovint, es tracta d'un recobriment de metall: plata, alumini, or, etc. Aquesta capa pot ser prima, translúcida o gruixuda, opaca.
Les estructures de mirall s'utilitzen en la producció per a un procés de calefacció absolutament net, per exemple, en la producció de semiconductors amb la màxima puresa de materials. En aquest cas, el desavantatge de les làmpades incandescents, un gran flux de radiació infraroja, es converteix en el seu avantatge insuperable.
Aquestes làmpades s'utilitzen en làmpades amb un feix de llum giratori estret.
Senyal
Els llums de senyal són fonts de llum intermitent. Normalment en forma de balises intermitents, per exemple, en cotxes oficials, en avions i helicòpters, per transmetre missatges de llum a la flota, etc. Tenen un filament prim que proporciona una brillantor ràpida.
Transport
Aquest tipus de llum està dissenyat per utilitzar-se en diferents tipus de transport: cotxes, ferrocarrils i metro, vaixells fluvials i marítims. El principal requisit per a ells és la resistència a vibracions i cops. Per fer-ho, el filament es fa curt i es munta sobre una pluralitat d'elements de suport.Les bases d'aquestes làmpades són cigne de baioneta, passador o intradós. No permeten que el dispositiu surti i caigui del cartutx.
Il·luminació
Pel nom es desprèn que les làmpades s'utilitzen per a il·luminació. Per tant, els seus flascons estan fets de vidre de diferents colors: blau, verd, groc, vermell, etc.
doble fil
L'esquema d'aquesta làmpada incandescent: en una bombeta hi ha dos filaments incandescents separats. Per exemple, al far d'un cotxe, s'utilitza una làmpada de dos filaments així:
- quan s'aplica tensió a un fil, el feix de creuament s'encén: el flux de llum es "premeix" al llit de la carretera i el feix s'estén per diverses desenes de metres;
- després de canviar al segon fil, la llum augmenta i el seu abast pot arribar a centenars de metres, i el flux serà molt més gran.
Aquests llums poden estar a la llum del darrere. El primer fil és per a llums laterals, el segon és per a llum de fre.
En els semàfors, les làmpades de doble filament augmenten la seva fiabilitat. La duplicació permet que el dispositiu funcioni amb un fil o en activar un segon després que el primer s'hagi esgotat. I, per exemple, al ferrocarril, la fiabilitat de la senyalització és una garantia de seguretat en el transport.
Propòsit general, local
Fila superior, d'esquerra a dreta, un llum amb base E14, per a canelobres, aplics i llums de mida petita; amb base E27 - propòsit general; verd, vermell, groc - il·luminador.
Fila inferior: blau - finalitat mèdica per a procediments; un mirall amb reflector -per a treballs fotogràfics o il·luminació especial, amb vidre violeta, dos exteriors- decoratiu amb bombeta “espelma” i sòcols E27 i E14.
Pros i contres
Avantatges de les làmpades incandescents:
- preu baix: durant dècades s'han elaborat materials, disseny i tecnologia senzills i econòmics, producció massiva automatitzada;
- mida relativament petita;
- les pujades de tensió a la xarxa no causen una fallada immediata;
- posada en marxa, així com reinici - instantània;
- quan s'alimenta amb corrent altern amb una freqüència de 50-60 Hz, les pulsacions de brillantor gairebé no es noten;
- la brillantor de la resplendor està regulada per reguladors;
- l'espectre de radiació és continu i familiar a l'ull, semblant al sol;
- repetibilitat gairebé completa de les característiques de la làmpada de diferents fabricants;
- L'índex de reproducció del color Ra o CRI - la qualitat de reproducció de les tons de color dels objectes il·luminats - és de 100, que és totalment coherent amb l'indicador solar;
- les petites dimensions del filament compacte donen ombres clares;
- alta fiabilitat en condicions de gelades severes i calor;
- el disseny permet la producció massiva de models amb tensions de funcionament des de fraccions fins a centenars de volts;
- subministrament d'alimentació des de tensió alterna o continua en absència de dispositius d'arrencada;
- la naturalesa activa de la resistència del filament proporciona un factor de potència (cosinus φ) igual a 1;
- indiferent a la radiació, impuls electromagnètic, interferències;
- pràcticament no hi ha cap component UV a la radiació;
- S'ofereix un treball regular amb encendre/apagar la llum i molts altres.
Els desavantatges inclouen:
- vida útil nominal de LON - 1000 hores, per a làmpades incandescents halògenes - de 3 a 5-6 mil, per luminiscent - fins a 10-50 mil, per LED - 30-150 mil hores o més;
- el vidre de la bombeta i el filament prim són sensibles als cops, les vibracions poden provocar ressonàncies a determinades freqüències;
- alta dependència de l'eficiència energètica i la vida útil de la tensió de subministrament;
- L'eficiència de convertir l'electricitat en llum visible no supera el 3-4%, però augmenta amb l'augment de la potència;
- la temperatura superficial del matràs depèn de la potència i és: per a 100 W - 290 ° C, per a 200 W - 330 ° C, 25 W - 100 ° C;
- quan està encès, la pujada de corrent abans que el filament s'escalfi pot ser deu vegades superior al valor nominal;
- els portalàmpades i els accessoris dels accessoris han de ser resistents a la calor.
Com augmentar la vida útil del llum
Hi ha moltes maneres d'augmentar la vida útil. Més utilitzats:
- limitar el corrent d'arrencada engegant un termistor en sèrie amb la làmpada, l'alta resistència del qual disminueix a mesura que s'escalfa pel corrent d'arrencada;
- arrencada suau amb control manual de la brillantor mitjançant tiristor o regulador triac;
- potència de la llum a través d'un potent díode rectificador, és a dir. meitats de voltatge rectificades de la sinusoide;
- Connexió en sèrie de llums per parelles en accessoris de llums múltiples, per exemple, en canelobres.
La indústria moderna produeix un gran nombre de diferents tipus de làmpades incandescents amb una àmplia gamma de tensions i potències de funcionament, amb diferents tons de resplendor, configuracions de bombetes i sòcols. Aquest rang permet triar el llum adequat per a qualsevol ús.