Descrierea și principiul de funcționare a becului
Ce este o lampă cu incandescență
O lampă incandescentă, denumită în continuare LN, este o sursă de lumină artificială, în care fluxul luminos este obținut prin încălzirea unui filament subțire de metal la temperatura strălucirii unui metal încins la roșu. Pentru încălzire, un curent electric este trecut prin filament. Primele lămpi aveau un filament de materie organică carbonizată, precum bambusul, sub formă de fibră.
Pentru a preveni arderea rapidă a firului, aerul a fost pompat din balon și s-a sigilat. Sau au umplut balonul cu o compoziție de gaz în care nu există agent de oxidare - oxigen. Astfel de gaze sunt numite inerte - argon, neon, heliu, azot etc. Aceste gaze sunt numite astfel deoarece nu reacţionează cu metalele, adică. inert.
Primele lămpi cu un filament de carbon avea o resursă de lucru de cel mult o duzină de ore. A crescut semnificativ după înlocuirea filamentului de carbon cu sârmă subțire de metal.
O astfel de lumină a fost numită lumină incandescentă, adică. lumină metalică fierbinte. Și firul se numea filament. De exemplu, oțelul încălzit la 1200°C strălucește alb-galben, în timp ce la 1300°C strălucește aproape alb.
La sfârșitul secolului al XIX-lea, firul de carbon, care s-a ars rapid, a fost înlocuit cu metale refractare - wolfram, molibden, osmiu sau oxizi metalici - zirconiu, magneziu, ytriu etc.
Prin umplerea balonului cu gaze inerte, viteza de evaporare a metalului din filamentul fierbinte a fost redusă și, prin urmare, durata funcționării acestuia a fost mărită.
La putere mare, filamentele sunt realizate sub formă „ramificată”. Sursele de lumină de proiecție pentru crearea unui flux direcțional au un fir de configurație complexă, formând o structură plană perpendiculară pe axa radiației. În acest caz, în interiorul becului este plasat un reflector de lumină, de exemplu, sub forma unui strat subțire de metal pulverizat - argint sau aluminiu.
Pentru a alimenta lampa direct de la rețeaua existentă la acea vreme, care avea o tensiune constantă de 110 V, era nevoie de un fir metalic lung și subțire. Acest lucru a oferit o rezistență crescută, ceea ce înseamnă că a fost necesar mai puțin curent pentru încălzire.
Pentru o „împachetare” densă într-un volum mic dintr-un balon de sticlă transparentă, firul a fost îndoit în mod repetat și așezat pe suporturi de sârmă.
O astfel de îndoire a firului a complicat proiectarea primelor surse de lumină, care au funcționat mult mai mult decât cele „cărbune”. O descoperire în dezvoltarea designului becurilor cu incandescență a fost propunerea de a răsuci firul într-o spirală. Acest lucru i-a redus dimensiunea de câteva ori.
O dimensiune și mai mică a corpului incandescent a fost obținută prin plierea unei spirale subțiri într-o a doua spirală, dar cu un diametru mai mare. Helixul dublu se numește bi-helix.
Următoarea etapă în dezvoltarea surselor de lumină a fost trecerea la rețelele de curent alternativ și utilizarea unui transformator pentru a reduce tensiunea de alimentare a lămpilor.
Principalele părți ale unei lămpi cu incandescență
Principalele elemente structurale ale unei lămpi cu incandescență includ:
- filament sau corp de filament;
- fitinguri pentru fixarea firului;
- un balon pentru a proteja firul de arderea rapidă și influențele externe;
- bază pentru instalare într-un cartuș și conectare la rețea;
- contacte soclu - un corp filetat și un contact central în partea inferioară a soclului.
Armătura este proiectată pentru a fixa firul și pentru a crea configurația și direcția necesară a fluxului de lumină.
Baza este necesară pentru fixarea în cartuşul de montare şi conectarea la balon. În lămpile retrofit, analoge ale lămpilor cu incandescență, o parte a dispozitivului de alimentare este plasată în bază.
soclu
Pe lămpi cu halogen cu incandescență, în funcție de tensiunea de alimentare, puterea și designul balonului, sunt instalate mai multe tipuri de socluri - filetate, știft, baionetă, știft etc.
Sistemul de contacte de pe socluri este necesar pentru conectarea la rețea sau la sursa de alimentare.
balon
Balonul transparent LN este utilizat pentru:
- protecția firului de atmosfera exterioară care conține un agent oxidant - oxigen;
- crearea și menținerea unei compoziții de vid sau gaz;
- plasarea unui fosfor și/sau acoperiri care convertesc diferite tipuri de energie electromagnetică în radiații vizibile, returnând căldura filamentului, transformând radiațiile UV și IR invizibile în lumină, corectând nuanța strălucirii lămpii - roșu, verde, albastru.
Corp incandescent
Corpul incandescent este un fir rulat într-o spirală sau bi-spirală sau o panglică metalică subțire.
Mediu gazos
Gaze inerte care umplu becul unei lămpi, de exemplu, azot, argon, neon, heliu. Într-un amestec de gaze inerte se adaugă substanțe halogenate.
Cum funcționează LN și cum funcționează
Dispozitivul becului cu incandescență s-a schimbat puțin în timpul dezvoltării sale. Elementul principal care funcționează pe principiul strălucirii unei substanțe incandescente este un filament sau un corp incandescent. Acesta este un fir de wolfram subțire cu un diametru de 30-40, maxim 50 de microni sau micrometri (milionimi de metru).
Culorile incandescente încep de la roșu și pe măsură ce temperatura crește, trec prin portocaliu, galben spre alb. Odată cu o creștere suplimentară a temperaturii, metalul corpului incandescent se topește mai întâi și apoi, în prezența oxigenului, arde.
Tutorial video: Cum funcționează becurile moderne
Filamentul de tungsten rece are rezistivitate scăzută. Tungstenul, ca majoritatea metalelor, are un coeficient de temperatură pozitiv al rezistenței TCR.Aceasta înseamnă că în procesul de încălzire a filamentului cu un curent electric, rezistența acestuia crește.
Înainte ca lampa să fie aprinsă, filamentul este rece și are o rezistență mică. Prin urmare, în momentul pornirii, se furnizează un curent de 10-15 ori mai mult decât cel nominal. Acest salt se numește pornire. Și de multe ori este cauza epuizării corpuri incandescente.
Este nevoie de o fracțiune de secundă pentru a încălzi firul. În acest timp, rezistența acestuia crește. Inițial, un curent mare care trece prin lampă, pe măsură ce gazul, becul și toate elementele structurale se încălzesc, scade la valoarea nominală. Deci sursa de lumină intră în modul specificat și produce un flux luminos de pașaport. Nuanța strălucirii devine și ea nominală, adică. corespunzătoare unei temperaturi de culoare de la 2000 la 3500 K. Se numește alb cald și are mai multe gradații de temperatură de culoare cu denumiri și abrevieri originale în intervalul specificat. De exemplu:
- alb super-cald - 2200-2400 K, desemnat S-Warm sau S-W, este, de asemenea, alb foarte cald sau Warm 2400;
- cald - 2600-2800 K sau Warm 2700;
- alb cald - 2700-3500 K sau alb cald (WW);
- un altul cald este 2900-3100 K sau Warm 3000 (W).
Temperatura elementelor individuale ale lămpii
Suprafața exterioară a becului LON depinde de puterea lămpii și poate fi încălzită până la 250-300℃ sau mai mult.
Firul este încălzit până la 2000-2800℃, la punctul de topire al wolframului 3410°C.
În unele modele, filamentul este realizat din osmiu cu un punct de topire de 3045 ℃ sau reniu - 2174. Deci, spectrul de emisie al LN este mutat în zona roșie a spectrului vizibil.
Ce gaz este în bec
La primele lămpi, aerul era pompat din balon.Acum sunt evacuate doar becurile cu putere redusă, de cel mult 25 de wați (aerul este pompat afară).
În timpul funcționării unui fir de wolfram încălzit la 2-3 mii de grade, metalul se evaporă intens de pe suprafața sa. Vaporii săi se depun în interiorul becului și îi reduc transmisia luminii.
Studiile efectuate la începutul secolului trecut au arătat că dacă balonul este umplut cu un gaz inert, evaporarea va scădea și puterea de lumină va crește. Prin urmare, baloanele au început să fie umplute cu unul dintre gazele inerte sau amestecul acestora. Cel mai adesea, acestea sunt argon, azot, xenon, cripton, heliu etc. Heliul este utilizat pentru răcirea pasivă eficientă a elementelor interne ale unui nou tip de lămpi LED retrofit.
Acest experiment nu este strict recomandat să fie efectuat acasă.
Elementul lor principal care emite lumină este o tijă subțire din safir sau sticlă artificială, pe care sunt amplasate cristale LED. Un astfel de emițător se numește filament. Unii „experți” au confundat esența lămpi cu filament și le-a numit „lămpi cu emițători de lumină din safir”. Deși safirul artificial din aceste lămpi este folosit doar ca bază de montare și radiator pasiv pentru cristalele LED.
Defectarea LN în cele mai multe cazuri este asociată nu cu evaporarea metalului de pe suprafața corpului incandescent, ci cu accelerarea acestui proces în zonele de încălcare a grosimii filamentului. Acest lucru are loc în zona unei inflexii ascuțite a firului sau a ruperii acestuia. În acest loc, rezistența sa crește local, tensiunea, puterea disipată și temperatura metalului cresc. Evaporarea se accelerează, devine o avalanșă, firul își reduce rapid grosimea și se arde.
Această problemă a fost rezolvată la sfârșitul anilor 1950 și începutul anilor 1960 prin începerea producției în masă a lămpilor cu incandescență cu halogen.
Halogeni - clor, brom, fluor sau iod - au început să fie introduși în compoziția unui gaz inert sau amestec. Ca urmare, procesul de evaporare a metalului se oprește complet sau încetinește semnificativ. Atomii acestor aditivi leagă vaporii de wolfram, formând molecule de compuși instabili. Se așează pe suprafața corpului incandescent. Sub acțiunea temperaturii înalte, moleculele se descompun și eliberează atomi de halogen și metal pur, care se așează pe suprafața fierbinte a firului și reface parțial stratul evaporat.
Acest proces este intensificat prin creșterea presiunii. Aceasta crește temperatura filamentului, durata de viață, puterea luminoasă, eficiența și alte caracteristici. Spectrul de emisie se deplasează pe partea albă. În lămpile umplute cu gaz, întunecarea suprafeței becului din interior de la vaporii de tungsten încetinește. Astfel de surse de lumină se numesc halogen.
Parametrii electrici
Caracteristicile electrice ale lămpilor cu incandescență includ:
- puterea electrică, măsurată în wați - W, gama de modele fabricate - de la câțiva wați (bec pentru o lanternă - 1 W) la 500 și chiar 1000 W;
- fluxul luminos, Lm (lumen), este legat de putere - de la 20 Lm la 5 W la 2500 Lm la 200 W, cu putere mai mare, fluxul luminos este mai mare;
- eficiență luminoasă, eficiență sau eficiență energetică, Lm/W - câți lumeni de lumină sub formă de flux luminos oferă fiecărui watt de putere consumat din rețea sau de la o sursă de energie;
- intensitatea luminoasă sau luminozitatea, cd (candela);
- temperatura de culoare - temperatura unui corp negru condiționat care emite lumină cu o anumită nuanță.
Scopul lămpii electrice
Lămpile electrice pot fi împărțite în mai multe tipuri în funcție de aplicația lor - pentru uz public, tehnic și special.
Principala utilizare publică este de a oferi oricărei persoane, animale și păsări lumină artificială noaptea sau într-un loc întunecat dintr-o cameră.
Folosind lumina, oamenii își prelungesc activitatea zilnică timp de câteva ore. Pot fi procese de muncă și de studiu, treburi casnice. Siguranța rutieră se îmbunătățește, capacitatea de a oferi asistență medicală seara și noaptea și multe altele.
Lămpile sunt utilizate în mod activ în fermele de animale și fermele de păsări, pentru creștere plantelor în complexe de sere. Ele sunt iluminate cu lumină de un anumit spectru și mărimea fluxului luminos. Pentru reproducerea peștilor este nevoie și de lumină cu o compoziție spectrală specială.
scop tehnic. În producție, în scopuri tehnologice, se folosesc dispozitive care dau lumină vizibilă și invizibilă. Exemple:
- pentru o muncă precisă și importantă, o persoană are nevoie de un nivel ridicat de iluminare a locului de muncă;
- IR - radiația infraroșie este utilizată în industrie, de exemplu, pentru încălzirea fără contact a pieselor structurale sau în tehnologia climatică pentru încălzirea unei persoane care lucrează în aer înghețat, în echipamente militare și vânătoare - vizor de noapte pentru arme, dispozitive de vedere pe timp de noapte etc. ;
- UV- radiatiile se folosesc in stomatologie pentru intarirea rapida a obturatiilor, la fabricarea protezelor dentare etc., in medicina si salubritate - pt. dezinfectarea spațiilor, scule, îmbrăcăminte, suprafețe de mobilier, aer, apă, medicamente etc.
Lămpile cu scop special sunt utilizate în publicitatea iluminată exterioară și interioară, criminalistică, aviație și astronautică, însoțirea luminii a spectacolelor și multe altele.
Principalele tipuri și caracteristici
Principalele tipuri de lămpi cu incandescență sunt:
- Lămpi de uz general. Desemnat prin abrevierea LON. De obicei, acestea sunt dispozitive cu o putere de 25, 40, 60, 75 și 100 de wați. Cel mai comun - 60 de wați. Dar LON produs industrial cu o capacitate de 150, 200, 500 și chiar 1000 de wați.
- Lămpi cu incandescență cu halogen. Produs pentru funcționare dintr-o rețea de înaltă tensiune de 220 sau 110 V și dintr-o rețea de joasă tensiune. În acest caz, ele sunt alimentate de un transformator coborâtor.
Varietăți de halogen de joasă tensiune LN:
- capsulă, au forma unor tuburi din sticlă cu socluri diferite - știftul de capăt GY6.35 sau G4;
- reflex, având element reflectorizant, cu diametrul de la 35 la 111 mm, bază GZ10 cu opțiuni.
Tensiune înaltă. Tensiune principală 220-230 V, 50 Hz. Aceste lămpi au mai multe opțiuni:
- liniar sub forma unui tub de sticlă cu socluri R7S;
- cilindric - socluri E27, E14 sau B15D;
- cu un balon la distanță sau suplimentar.
În cel mai recent model, o lampă-capsulă sau un tub cu halogen de dimensiuni mici este montată rigid în interiorul lămpii. Este sudat pe tija centrală a unui bec LON convențional, are cabluri flexibile conectate la o bază standard Edison E27 sau E14. Cu un consum de putere de 70-100 W, oferă un flux luminos cu 20-30% mai mult decât o lampă cu incandescență convențională.
Aceste modele au o eficiență energetică mai mare, ajungând la 12-25 lm/W, în timp ce LON-urile convenționale au o putere de lumină de la 3-4 până la 10-12 lm/W.
Durata de viață a modelelor cu halogen variază de la 4-5 la 10-12 mii de ore.
Separarea lămpilor după scop și design
lămpi decorative
În ultimii ani au apărut lămpi retro care imită modelele Edison LN vintage.
În plus, ei imită o „lumânare”, „lumânare în vânt”, „cucuță”, „pare”, „minge” etc., în formă de bec.
În oglindă
Lămpile cu oglindă au o parte a becului acoperită din interior cu un strat reflectorizant. Cel mai adesea, aceasta este o acoperire de metal - argint, aluminiu, aur etc. Acest strat poate fi subțire, translucid sau gros, opac.
Structurile oglinzilor sunt utilizate în producție pentru încălzirea procesului absolut curat, de exemplu, în producția de semiconductori cu cea mai înaltă puritate a materialelor. În acest caz, dezavantajul lămpilor cu incandescență - un flux mare de radiații infraroșii - devine avantajul lor de neegalat.
Astfel de lămpi sunt utilizate în lămpi cu un fascicul de lumină rotativ îngust.
Semnal
Lămpile de semnalizare sunt surse de lumină intermitentă. De obicei sub formă de faruri intermitente, de exemplu, pe mașini oficiale, pe avioane și elicoptere, pentru transmiterea de mesaje luminoase în flotă etc. Au un filament subțire care oferă un set rapid de luminozitate.
Transport
Acest tip de lampă este conceput pentru utilizare pe diferite tipuri de transport - mașini, căi ferate și metrouri, nave fluviale și maritime. Principala cerință pentru ele este rezistența la vibrații și șocuri. Pentru a face acest lucru, filamentul este scurtat și montat pe o multitudine de elemente de susținere.Bazele unor astfel de lămpi sunt baionetă Swan, știft sau intrados. Acestea nu permit dispozitivului să iasă și să cadă din cartuş.
Iluminări
Din nume este clar că lămpile sunt folosite pentru iluminare. Prin urmare, baloanele lor sunt din sticlă de diferite culori - albastru, verde, galben, roșu etc.
dublu fir
Schema unei astfel de lămpi cu incandescență: într-un singur bec există două filamente incandescente separate. De exemplu, într-un far de mașină, o lampă cu două filamente este utilizată astfel:
- când se aplică tensiune pe un fir, faza scurtă este aprinsă - fluxul luminos este „presat” pe patul drumului, iar fasciculul se extinde pe câteva zeci de metri;
- dupa trecerea la al doilea fir, lumina se ridica si raza ei poate ajunge la sute de metri, iar fluxul va fi mult mai mare.
Astfel de lămpi pot fi în lumina din spate. Primul fir este pentru luminile laterale, al doilea este pentru o lumină de frână.
La semafoare, lămpile cu filament dublu își măresc fiabilitatea. Dublarea permite dispozitivului să funcționeze fie cu un fir, fie să pornească al doilea după ce primul s-a ars. Și, de exemplu, pe căile ferate, fiabilitatea semnalizării este o garanție a siguranței transportului.
Scop general, local
Rândul de sus, de la stânga la dreapta - o lampă cu bază E14 - pentru candelabre, aplice și lămpi de dimensiuni mici; cu baza E27 - uz general; verde, roșu, galben - iluminator.
Rândul de jos: albastru - scop medical pentru proceduri; o oglindă cu reflector - pentru lucrări fotografice sau iluminat special, cu sticlă violet, două exterioare - decorativă cu bec „lumânare” și soclu E27 și E14.
Argumente pro şi contra
Avantajele lămpilor cu incandescență:
- preț scăzut - materiale simple și ieftine, design și tehnologie au fost elaborate de zeci de ani, producție automată în masă;
- dimensiuni relativ mici;
- supratensiunile în rețea nu provoacă o defecțiune imediată;
- pornire, precum și repornire - instantanee;
- când este alimentat de curent alternativ cu o frecvență de 50-60 Hz, pulsațiile de luminozitate sunt cu greu vizibile;
- luminozitatea strălucirii este reglată de variatoare;
- spectrul de radiații este continuu și familiar ochiului - asemănător cu soarele;
- repetabilitatea aproape completă a caracteristicilor lămpii de la diferiți producători;
- indicele de redare a culorilor Ra sau CRI - calitatea reproducerii nuanțelor de culoare ale obiectelor iluminate - este 100, ceea ce este pe deplin în concordanță cu indicatorul solar;
- dimensiunile mici ale filamentului compact dau umbre clare;
- fiabilitate ridicată în condiții de îngheț și căldură severă;
- designul permite producerea în masă a modelelor cu tensiuni de funcționare de la fracțiuni la sute de volți;
- alimentare de la tensiune alternativă sau continuă în absența dispozitivelor de pornire;
- natura activă a rezistenței filamentului asigură un factor de putere (cosinus φ) egal cu 1;
- indiferent la radiații, impuls electromagnetic, interferență;
- practic nu există nicio componentă UV în radiație;
- se asigură munca regulată cu pornirea/stingerea frecventă a luminii și multe altele.
Dezavantajele includ:
- durata de viață nominală de LON - 1000 de ore, pentru lămpi cu incandescență cu halogen - de la 3 la 5-6 mii, pt. luminescent - până la 10-50 mii, pentru LED - 30-150 mii ore sau mai mult;
- sticla becului si filamentul subtire sunt sensibile la socuri, vibratiile pot provoca rezonante la anumite frecvente;
- dependență ridicată a eficienței energetice și a duratei de viață de tensiunea de alimentare;
- Eficiența conversiei energiei electrice în lumină vizibilă nu depășește 3-4%, dar crește odată cu creșterea puterii;
- temperatura de suprafață a balonului depinde de putere și este: pentru 100 W - 290 ° C, pentru 200 W - 330 ° C, 25 W - 100 ° C;
- când este pornit, creșterea curentului înainte de încălzirea filamentului poate fi de zece ori mai mare decât valoarea nominală;
- suporturile și accesoriile corpurilor de iluminat trebuie să fie rezistente la căldură.
Cum să măriți durata de viață a lămpii
Există multe modalități de a crește durata de viață. Cel mai utilizat:
- limitarea curentului de pornire prin pornirea unui termistor în serie cu lampa, a cărui rezistență mare scade pe măsură ce este încălzit de curentul de pornire;
- pornire ușoară cu control manual al luminozității prin tiristor sau dimmer triac;
- puterea lămpii printr-o diodă redresoare puternică, de ex. jumătăți de tensiune redresate ale sinusoidei;
- conectarea în serie a lămpilor în perechi în corpurile cu mai multe lămpi, de exemplu, în candelabre.
Industria modernă produce un număr mare de tipuri diferite de lămpi cu incandescență cu o gamă largă de tensiuni și puteri de funcționare, cu diferite nuanțe de strălucire, configurații de becuri și socluri. Acest interval permite alege lampa potrivită pentru orice utilizare.