Popis a princíp činnosti žiarovky
Čo je to žiarovka
Žiarovka, ďalej označovaná ako LN, je zdrojom umelého svetla, v ktorom sa svetelný tok získava zahrievaním tenkého kovového vlákna na teplotu žiaru rozžeraveného kovu. Na ohrev prechádza vláknom elektrický prúd. Prvé lampy mali vlákno zo zuhoľnatenej organickej hmoty, napríklad bambusu, vo forme vlákna.
Aby niť rýchlo nevyhorela, z banky sa odčerpal vzduch a uzatvorila sa. Alebo naplnili banku zložením plynu, v ktorom nie je žiadne oxidačné činidlo - kyslík. Takéto plyny sa nazývajú inertné - argón, neón, hélium, dusík atď. Tieto plyny sa tak nazývajú, pretože nereagujú s kovmi, t.j. inertný.
Prvé lampy s uhlíkovým vláknom mal pracovný zdroj nie viac ako tucet hodín. Výrazne sa zvýšila po nahradení uhlíkového vlákna tenkým kovovým drôtom.
Takéto svetlo sa nazývalo žiarovkové svetlo, t.j. horúce kovové svetlo. A vlákno sa nazývalo vlákno. Napríklad oceľ zahriata na 1200°C svieti žltobielo, pri 1300°C takmer bielo.
Koncom 19. storočia uhlíkovú niť, ktorá rýchlo vyhorela, nahradili žiaruvzdorné kovy – volfrám, molybdén, osmium alebo oxidy kovov – zirkónium, horčík, ytrium atď.
Naplnením banky inertnými plynmi sa rýchlosť vyparovania kovu z horúceho vlákna znížila, a preto sa predĺžila doba jeho prevádzky.
Pri vysokom výkone sa vlákna vyrábajú v "rozvetvenej" forme. Projekčné svetelné zdroje na vytváranie smerového toku majú závit komplexnej konfigurácie, tvoriaci plochú štruktúru kolmú na os žiarenia. V tomto prípade je vo vnútri žiarovky umiestnený reflektor, napríklad vo forme tenkej vrstvy striekaného kovu - striebra alebo hliníka.
Na napájanie svietidla priamo z vtedy existujúcej siete, ktorá mala konštantné napätie 110 V, bol potrebný dlhý a tenký kovový závit. To poskytlo zvýšený odpor, čo znamená, že na ohrev bol potrebný menší prúd.
Pre husté „balenie“ v malom objeme priehľadnej sklenenej banky bola niť opakovane ohýbaná a umiestnená na držiaky drôtu.
Takéto ohýbanie závitu komplikovalo konštrukciu prvých svetelných zdrojov, ktoré fungovali oveľa dlhšie ako tie „uhoľné“. Prelomom vo vývoji dizajnu klasických žiaroviek bol návrh stočiť závit do špirály. Tým sa jeho veľkosť niekoľkonásobne zmenšila.
Ešte menší rozmer telesa žiarovky sa získal zložením tenkej špirály do druhej špirály, ale s väčším priemerom. Dvojitá špirála sa nazýva bi-helix.
Ďalšou etapou vývoja svetelných zdrojov bol prechod na striedavé siete a použitie transformátora na zníženie napájacieho napätia svietidiel.
Hlavné časti žiarovky
Medzi hlavné konštrukčné prvky žiarovky patria:
- vlákno alebo vláknité teleso;
- armatúry na upevnenie závitu;
- banka na ochranu nite pred rýchlym spaľovaním a vonkajšími vplyvmi;
- základňa pre inštaláciu do kazety a pripojenie k elektrickej sieti;
- soklové kontakty - závitové telo a centrálny kontakt v spodnej časti soklu.
Kotva je určená na upevnenie závitu a vytvorenie požadovanej konfigurácie a smeru svetelného toku.
Základňa je potrebná na upevnenie v montážnej kazete a pripojenie k banke. V retrofitových svietidlách, analógoch žiaroviek, je časť výkonového zariadenia umiestnená v základni.
podstavec
Na halogénové žiarovky, v závislosti od napájacieho napätia, výkonu a konštrukcie banky sa inštaluje niekoľko typov podstavcov - závitové, kolíkové, bajonetové, kolíkové atď.
Systém kontaktov na podnožiach je potrebný na pripojenie k sieti alebo napájaniu.
Banka
Priehľadná banka LN sa používa na:
- ochrana nite pred vonkajšou atmosférou obsahujúcou oxidačné činidlo - kyslík;
- vytváranie a udržiavanie vákua alebo zloženia plynu;
- umiestnenie fosforu a/alebo povlakov, ktoré premieňajú rôzne druhy elektromagnetickej energie na viditeľné žiarenie, vracanie tepla do vlákna, premena neviditeľného UV a IR žiarenia na svetlo, korekcia odtieňa žiary lampy - červená, zelená, modrá.
Žhaviace telo
Žhaviace teleso je niť zvinutá do špirály alebo dvojšpirály alebo tenkej kovovej stuhy.
Plynné médium
Inertné plyny, ktoré napĺňajú žiarovku lampy, napríklad dusík, argón, neón, hélium. V zmesi inertných plynov sa pridávajú halogénové látky.
Ako LN funguje a ako funguje
Zariadenie žiarovky sa počas svojho vývoja zmenilo len málo. Hlavným prvkom fungujúcim na princípe žiary žeraviacej látky je vlákno alebo žeraviace teleso. Jedná sa o tenký volfrámový drôt s priemerom 30-40, maximálne 50 mikrónov alebo mikrometrov (milióntiny metra).
Farby žiaroviek začínajú od červenej a so zvyšujúcou sa teplotou prechádzajú cez oranžovú, žltú až bielu. Pri ďalšom zvyšovaní teploty sa kov žeravého telesa najskôr roztaví a potom v prítomnosti kyslíka horí.
Videonávod: Ako fungujú moderné žiarovky
Studené volfrámové vlákno má nízky odpor. Volfrám, ako väčšina kovov, má kladný teplotný koeficient odporu TCR.To znamená, že v procese zahrievania vlákna elektrickým prúdom sa jeho odpor zvyšuje.
Pred zapnutím lampy je vlákno studené a má malý odpor. Preto sa v okamihu zapnutia dodáva prúd 10-15 krát väčší ako nominálny. Tento skok sa nazýva štartovanie. A často ním aj je príčina vyhorenia žeravé telesá.
Zahriatie vlákna trvá zlomok sekundy. Počas tejto doby sa jeho odolnosť zvyšuje. Spočiatku veľký prúd prechádzajúci lampou, keď sa plyn, žiarovka a všetky konštrukčné prvky zahrievajú, klesá na nominálnu hodnotu. Svetelný zdroj teda vstúpi do určeného režimu a vytvára pasový svetelný tok. Odtieň žiary sa tiež stáva nominálnym, t.j. zodpovedajúca farebnej teplote od 2000 do 3500 K. Nazýva sa teplá biela a má niekoľko stupňov farebnej teploty s originálnymi názvami a skratkami v uvedenom rozsahu. Napríklad:
- super-teplá biela - 2200-2400 K, označená ako S-Warm alebo S-W, je tiež veľmi teplá biela alebo Warm 2400;
- teplý - 2600-2800 K alebo teplý 2700;
- teplá biela - 2700-3500 K alebo teplá biela (WW);
- ďalšia teplá je 2900-3100 K alebo teplá 3000 (W).
Teplota jednotlivých prvkov svietidla
Vonkajší povrch LON žiarovky závisí od výkonu lampy a môže sa zahriať až na 250-300 ℃ alebo viac.
Niť sa zahrieva na 2000-2800 ℃, pri teplote topenia volfrámu 3410°C.
V niektorých konštrukciách je vlákno vyrobené z osmia s teplotou topenia 3045 ℃ alebo rénia - 2174. Takže emisné spektrum LN je posunuté do červenej zóny viditeľného spektra.
Aký plyn je v žiarovke
V prvých lampách sa vzduch odčerpával z banky.Teraz sa evakuujú iba žiarovky s nízkym výkonom, nie viac ako 25 wattov (vzduch sa odčerpá).
Počas prevádzky volfrámového drôtu zahriateho na 2-3 tisíc stupňov sa kov intenzívne odparuje z jeho povrchu. Jeho výpary sa usadzujú na vnútornej strane žiarovky a znižujú jej priepustnosť svetla.
Štúdie uskutočnené na začiatku minulého storočia ukázali, že ak je banka naplnená inertným plynom, odparovanie sa zníži a svetelný výkon sa zvýši. Preto sa banky začali plniť niektorým z inertných plynov alebo ich zmesou. Najčastejšie sú to argón, dusík, xenón, kryptón, hélium a pod. Hélium sa používa na efektívne pasívne chladenie vnútorných prvkov nového typu retrofitových LED svietidiel.
Tento experiment sa prísne neodporúča vykonávať doma.
Ich hlavným svetlo vyžarujúcim prvkom je tenká tyčinka z umelého zafíru alebo skla, na ktorej sú umiestnené LED kryštály. Takýto žiarič sa nazýva vlákno. Niektorí „odborníci“ si poplietli podstatu vláknové žiarovky a nazval ich „lampy so zafírovými svetelnými žiaričmi“. Aj keď sa umelý zafír v týchto svietidlách používa iba ako montážna základňa a pasívny chladič pre LED kryštály.
Porucha LN vo väčšine prípadov nie je spojená s odparovaním kovu z povrchu žeraviaceho telesa, ale so zrýchlením tohto procesu v zónach narušenia hrúbky vlákna. K tomu dochádza v zóne ostrého prehnutia drôtu alebo jeho zlomu. V tomto mieste sa lokálne zvyšuje jeho odpor, zvyšuje sa napätie, stratový výkon a teplota kovu. Odparovanie sa zrýchľuje, stáva sa lavínou, niť rýchlo zmenšuje svoju hrúbku a vyhorí.
Tento problém bol vyriešený koncom 50. a začiatkom 60. rokov 20. storočia spustením sériovej výroby halogénových žiaroviek.
Do zloženia inertného plynu alebo zmesi sa začali zavádzať halogény - chlór, bróm, fluór alebo jód. V dôsledku toho sa proces odparovania kovu úplne zastaví alebo výrazne spomalí. Atómy týchto prísad viažu volfrámové pary a vytvárajú molekuly nestabilných zlúčenín. Usádzajú sa na povrchu žhaviaceho telesa. Pôsobením vysokej teploty sa molekuly rozkladajú a uvoľňujú atómy halogénov a čistý kov, ktorý sa usadzuje na horúcom povrchu závitu a čiastočne obnovuje odparenú vrstvu.
Tento proces sa zintenzívňuje zvýšením tlaku. Tým sa zvyšuje teplota vlákna, životnosť, svetelný výkon, účinnosť a ďalšie vlastnosti. Emisné spektrum sa posúva na bielu stranu. V plynových lampách sa stmavnutie povrchu žiarovky zvnútra od volfrámových pár spomaľuje. Takéto svetelné zdroje sa nazývajú halogény.
Elektrické parametre
Elektrické vlastnosti žiaroviek zahŕňajú:
- elektrický výkon, meraný vo wattoch - W, rozsah vyrábaných modelov - od niekoľkých wattov (žiarovka na baterku - 1 W) do 500 a dokonca 1 000 W;
- svetelný tok, Lm (lumen), súvisí s výkonom - od 20 Lm pri 5 W do 2500 Lm pri 200 W, pri vyššom výkone je svetelný tok vyšší;
- svetelná účinnosť, energetická účinnosť alebo účinnosť, Lm / W - koľko lúmenov svetla vo forme svetelného toku dáva každý watt energie spotrebovanej zo siete alebo zo zdroja energie;
- svietivosť alebo jas, cd (candela);
- teplota farby - teplota podmieneného čierneho telesa, ktoré vyžaruje svetlo s určitým odtieňom.
Účel elektrickej lampy
Elektrické svietidlá možno rozdeliť do niekoľkých typov podľa ich použitia – na verejné, technické a špeciálne použitie.
Hlavným verejným využitím je poskytnúť akejkoľvek osobe, zvieratám a vtákom umelé svetlo v noci alebo na tmavom mieste v miestnosti.
Pomocou svetla si ľudia predĺžia dennú aktivitu na niekoľko hodín. Môžu to byť pracovné a študijné procesy, domáce práce. Zlepšuje sa bezpečnosť na cestách, možnosť poskytnúť lekársku pomoc vo večerných a nočných hodinách a mnohé ďalšie.
Svietidlá sa aktívne používajú na chovoch hospodárskych zvierat a hydinových farmách na pestovanie rastliny v skleníkových komplexoch. Sú osvetlené svetlom určitého spektra a veľkosti svetelného toku. Pre chov rýb je potrebné aj svetlo so špeciálnym spektrálnym zložením.
technický účel. Vo výrobe sa na technologické účely používajú zariadenia, ktoré dávajú viditeľné a neviditeľné svetlo. Príklady:
- pre presnú a dôležitú prácu potrebuje človek vysokú úroveň osvetlenia pracoviska;
- IR - infračervené žiarenie sa používa v priemysle napríklad na bezkontaktné vyhrievanie konštrukčných dielov alebo v klimatickej technike na vyhrievanie osoby pracujúcej na otvorenom mrazivom vzduchu, vo vojenskej technike a poľovníctve - nočné zameriavače zbraní, prístroje nočného videnia a pod. ;
- UV- žiarenie sa používa v zubnom lekárstve na rýchle vytvrdnutie výplní, pri výrobe zubných protéz a pod., v medicíne a sanitácii - pre dezinfekcia priestorov, náradie, odevy, povrchy nábytku, vzduch, voda, lieky atď.
Špeciálne svietidlá sa používajú vo vonkajšej a interiérovej svetelnej reklame, kriminalistike, letectve a kozmonautike, svetelný doprovod show vystúpení a mnohé iné.
Hlavné typy a vlastnosti
Hlavné typy žiaroviek sú:
- Svietidlá na všeobecné použitie. Označuje sa skratkou LON. Zvyčajne ide o zariadenia s výkonom 25, 40, 60, 75 a 100 wattov. Najbežnejšie - 60 wattov. Ale priemyselne vyrábaný LON s kapacitou 150, 200, 500 a dokonca 1000 wattov.
- Halogénové žiarovky. Vyrába sa pre prevádzku z vysokonapäťovej siete 220 alebo 110 V a zo siete nízkeho napätia. V tomto prípade sú napájané znižovacím transformátorom.
Odrody nízkonapäťového halogénu LN:
- kapsula, majú formu celosklenených trubíc s rôznymi sokelami - koncový čap GY6.35 alebo G4;
- reflexná, s reflexným prvkom, s priemerom 35 až 111 mm, základňa GZ10 s možnosťou voľby.
Vysoké napätie. Hlavné napätie 220-230 V, 50 Hz. Tieto lampy majú viac možností:
- lineárny vo forme sklenenej trubice s R7S sokelami;
- cylindrické - sokle E27, E14 alebo B15D;
- s diaľkovou alebo prídavnou bankou.
V najnovšom modeli je malá halogénová žiarovka - kapsula alebo trubica pevne namontovaná vo vnútri žiarovky. Je privarená k centrálnej tyči klasickej LON žiarovky, má flexibilné prívody pripojené k štandardnej pätici Edison E27 alebo E14. S príkonom 70-100W poskytuje svetelný tok o 20-30% viac ako bežná žiarovka.
Tieto modely majú vyššiu energetickú účinnosť, dosahujúcu 12-25 lm/W, zatiaľ čo bežné LON majú svetelný výkon od 3-4 do 10-12 lm/W.
Životnosť halogénových modelov sa pohybuje od 4-5 do 10-12 tisíc hodín.
Rozdelenie lámp podľa účelu a dizajnu
dekoratívne lampy
V posledných rokoch sa objavili retro lampy, ktoré imitujú vintage Edison LN.
Okrem toho v tvare žiarovky napodobňujú „sviečku“, „sviečku vo vetre“, „hrčku“, „hrušku“, „guľu“ atď.
Zrkadlené
Zrkadlové svietidlá majú časť žiarovky zvnútra pokrytú reflexnou vrstvou. Najčastejšie sa jedná o povlak z kovu - striebra, hliníka, zlata atď. Táto vrstva môže byť tenká, priesvitná alebo hrubá, nepriehľadná.
Zrkadlové konštrukcie sa používajú vo výrobe na absolútne čistý procesný ohrev, napríklad pri výrobe polovodičov s najvyššou čistotou materiálov. V tomto prípade sa nevýhoda žiaroviek - veľký tok infračerveného žiarenia - stáva ich neprekonateľnou výhodou.
Takéto svietidlá sa používajú v svietidlách s úzkym rotačným lúčom svetla.
Signál
Signálne svetlá sú blikajúce svetelné zdroje. Zvyčajne vo forme blikajúcich majákov, napríklad na služobných autách, na lietadlách a vrtuľníkoch, na prenos svetelných správ vo flotile atď. Majú tenké vlákno, ktoré poskytuje rýchle nastavenie jasu.
Doprava
Tento typ svietidla je určený na použitie v rôznych druhoch dopravy - autá, železnice a metro, riečne a námorné plavidlá. Hlavnou požiadavkou na ne je odolnosť voči vibráciám a nárazom. Na tento účel sa vlákno skráti a namontuje na množstvo nosných prvkov.Základy takýchto svietidiel sú bajonet Swan, kolík alebo podhľad. Neumožňujú, aby sa zariadenie dostalo von a vypadlo z kazety.
Iluminácie
Už z názvu je zrejmé, že svietidlá slúžia na osvetlenie. Preto sú ich banky vyrobené zo skla rôznych farieb - modrej, zelenej, žltej, červenej atď.
dvojvlákno
Schéma takejto žiarovky: v jednej žiarovke sú dve samostatné žiarovky. Napríklad v svetlomete auta sa dvojvláknová žiarovka používa takto:
- pri privedení napätia na jeden závit sa zapne stretávacie svetlo - svetelný tok sa „pritlačí“ na vozovku a lúč sa roztiahne na niekoľko desiatok metrov;
- po prepnutí na druhý závit svetlo stúpa a jeho dosah môže dosiahnuť stovky metrov a tok bude oveľa väčší.
Takéto svietidlá môžu byť v zadnom svetle. Prvý závit je pre obrysové svetlá, druhý pre brzdové svetlo.
V semaforoch zvyšujú ich spoľahlivosť dvojvláknové žiarovky. Duplikácia umožňuje zariadeniu pracovať buď s jedným vláknom, alebo zapnúť druhé po vyhorení prvého. A napríklad na železnici je spoľahlivosť signalizácie zárukou bezpečnosti dopravy.
Všeobecný, miestny účel
Horný rad zľava doprava - lampa s päticou E14 - pre lustre, svietniky a lampy malých rozmerov; so základňou E27 - všeobecné použitie; zelená, červená, žltá - svietiace.
Spodný riadok: modrá - lekárske účely na procedúry; zrkadlo s reflektorom - pre fotografické práce alebo špeciálne osvetlenie, s fialovým sklom, dve vonkajšie - dekoratívne so „sviečkovou“ žiarovkou a sokelmi E27 a E14.
Klady a zápory
Výhody žiaroviek:
- nízka cena - jednoduché a lacné materiály, dizajn a technológia boli vypracované desaťročia, hromadná automatizovaná výroba;
- relatívne malá veľkosť;
- prepätia v sieti nespôsobujú okamžitú poruchu;
- spustenie, ako aj reštart - okamžité;
- pri napájaní striedavým prúdom s frekvenciou 50-60 Hz sú pulzácie jasu sotva viditeľné;
- jas žiary je regulovaný stmievačmi;
- spektrum žiarenia je spojité a oku známe – podobne ako slnko;
- takmer úplná opakovateľnosť charakteristík svietidiel od rôznych výrobcov;
- index podania farieb Ra alebo CRI - kvalita reprodukcie farebných odtieňov osvetlených predmetov - je 100, čo je plne v súlade s indikátorom slnka;
- malé rozmery kompaktného vlákna poskytujú jasné tiene;
- vysoká spoľahlivosť v podmienkach silného mrazu a tepla;
- konštrukcia umožňuje hromadnú výrobu modelov s prevádzkovým napätím od zlomkov po stovky voltov;
- napájanie zo striedavého alebo jednosmerného napätia pri absencii spúšťacích zariadení;
- aktívny charakter odporu vlákna poskytuje účinník (kosínus φ) rovný 1;
- ľahostajný k žiareniu, elektromagnetickému impulzu, rušeniu;
- v žiarení nie je prakticky žiadna UV zložka;
- je zabezpečená pravidelná práca s častým zapínaním/vypínaním svetla a mnohé ďalšie.
Medzi nevýhody patrí:
- nominálna životnosť LON - 1000 hodín, pre halogénové žiarovky - od 3 do 5-6 tisíc, pre luminiscenčné - až 10-50 tisíc, pre LED - 30-150 tisíc hodín alebo viac;
- sklo žiarovky a tenké vlákno sú citlivé na otrasy, vibrácie môžu spôsobiť rezonancie pri určitých frekvenciách;
- vysoká závislosť energetickej účinnosti a životnosti od napájacieho napätia;
- Účinnosť premeny elektriny na viditeľné svetlo nepresahuje 3-4%, ale zvyšuje sa so zvyšujúcim sa výkonom;
- povrchová teplota banky závisí od výkonu a je: pre 100 W - 290 ° C, pre 200 W - 330 ° C, 25 W - 100 ° C;
- pri zapnutí môže byť prúdový ráz pred zahriatím vlákna desaťkrát vyšší ako nominálna hodnota;
- objímky žiaroviek a armatúry svietidiel musia byť odolné voči teplu.
Ako zvýšiť životnosť lampy
Existuje mnoho spôsobov, ako zvýšiť životnosť. Najpoužívanejšie:
- obmedzenie štartovacieho prúdu zapnutím termistora v sérii s lampou, ktorej vysoký odpor klesá, keď sa zahrieva štartovacím prúdom;
- mäkký štart s manuálnym ovládaním jasu tyristorovým alebo triakovým stmievačom;
- výkon lampy cez výkonnú usmerňovaciu diódu, t.j. rektifikované napäťové polovice sínusoidy;
- sériové zapojenie lámp v pároch v svietidlách s viacerými žiarovkami, napríklad v lustroch.
Moderný priemysel vyrába veľké množstvo rôznych typov žiaroviek so širokým rozsahom prevádzkových napätí a výkonov, s rôznymi odtieňmi žiary, konfiguráciami žiaroviek a podstavcov. Tento rozsah umožňuje vyberte si správna lampa na akékoľvek použitie.