Popis a princip žárovky
Co je to žárovka
Žárovka, známá také jako žárovka, je zdroj umělého světla, ve kterém se světlo vytváří zahřátím tenkého kovového vlákna na teplotu žhavého kovu. Vláknem prochází elektrický proud, který ho zahřívá. První lampy měly vlákno vyrobené ze zuhelnatělého organického materiálu, například bambusu, ve formě vlákna.
Aby se vlákno rychle nespálilo, byl z žárovky odváděn vzduch a byla utěsněna. Nebo byla baňka naplněna plynem bez okysličovadla - kyslíku. Tyto plyny se nazývají inertní plyny - argon, neon, helium, dusík atd. Nazývají se tak proto, že nereagují s kovy, tj. jsou inertní.
První lampy s uhlíkovým vláknem Životnost žárovek s uhlíkovým vláknem byla kratší než dvanáct hodin. Tento výkon se výrazně zvýšil nahrazením uhlíkového vlákna tenkým kovovým drátem.
Toto světlo se nazývalo žhavé světlo, tj. světlo žhavého kovu. A vlákno se nazývalo žárovka. Například ocel zahřátá na 1200 °C žhne žlutobíle a při 1300 °C je téměř bílá.
Na konci 19. století bylo uhlíkové vlákno, které rychle vyhořelo, nahrazeno žáruvzdornými kovy - wolframem, molybdenem, osmiem nebo oxidy kovů - zirkoniem, hořčíkem, yttriem a dalšími.
Naplnění baňky inertními plyny snížilo rychlost odpařování kovu z rozžhaveného vlákna, a tím prodloužilo dobu jeho provozu.
Pro vysoký výkon se vlákna vyrábějí v "rozvětvené" formě. Projekční světelné zdroje mají vlákno složité konfigurace, které vytváří směrový tok a tvoří plochou strukturu kolmou k ose záření. Uvnitř žárovky se nachází světelný reflektor, např. tenká vrstva nastříkaného kovu, jako je stříbro nebo hliník.
K napájení lampy přímo z tehdejší sítě 110 V DC bylo zapotřebí dlouhé a tenké kovové vlákno. Tím se zvýšil odpor, a proto bylo k ohřevu zapotřebí méně proudu.
Aby se vlákno těsně "zabalilo" do malého objemu baňky z čirého skla, bylo opakovaně ohýbáno a umístěno na drátěné držáky.
Toto ohýbání vlákna komplikovalo konstrukci prvních světelných zdrojů, které vydržely podstatně déle než "uhlíkové". Průlomem v konstrukci žárovky byl návrh stočit vlákno do spirály. Tím se jeho velikost mnohonásobně zmenšila.
Ještě menšího žhavicího tělesa bylo dosaženo navinutím tenké cívky na druhou cívku s větším průměrem. Dvojitá šroubovice se nazývá bi-helix.
Další etapou vývoje světelných zdrojů byl přechod na střídavý proud a použití transformátoru ke snížení napájecího napětí žárovek.
Hlavní části žárovky
Základními stavebními prvky žárovky jsou:
- vlákno nebo těleso vlákna;
- kování pro upevnění vlákna;
- žárovka chrání žhavicí vlákno před rychlým vznícením a vnějšími vlivy.
- zásuvka pro zasunutí do zásuvky a připojení k napájení.
- kontakty zásuvky - šroubové pouzdro a centrální kontakt v patici zásuvky.
Šroubení je určeno k upevnění vlákna a k vytvoření požadované konfigurace a směrovosti světelného toku.
Patice je potřebná k upevnění do montážní patice a k připojení k žárovce. U retrofitových žárovek, obdoby žárovek, je v patici umístěna část napájecího zdroje.
Základna
Na adrese Halogenové žárovkyHalogenové žárovky mají v závislosti na napájecím napětí, příkonu a konstrukci žárovky řadu různých patic - šroubovací, s paticí, bajonetovou, kolíkovou atd.
Kontaktní systém na základní desce je nutný pro připojení k napájecí síti nebo napájecí jednotce.
Žárovka
Průhledné žárovky LN se používají pro:
- Chrání vlákno před vnější atmosférou obsahující oxidant - kyslík;
- Vytváření a udržování vakua nebo složení plynu;
- umístění luminoforu a/nebo povlaků, které přeměňují různé druhy elektromagnetické energie na viditelné záření, návrat tepla do vlákna, přeměna neviditelného UV a IR záření na světlo, korekce odstínu lampy - červená, zelená, modrá.
Vlákna
Vlákno je vlákno stočené do cívky nebo dvoucívky nebo tenký kovový proužek.
Plynové médium
Inertní plyny, kterými je žárovka naplněna, např. dusík, argon, neon, helium. Do směsí vzácných plynů se přidávají halogenové látky.
Jak se vyrábí žárovka a jak funguje
Konstrukce žárovky se během jejího vývoje příliš nezměnila. Základním prvkem, který funguje na principu žhavení ze žhavé látky, je vlákno nebo žhavicí těleso. Jedná se o tenký wolframový drát o průměru 30-40, maximálně 50 mikronů nebo mikrometrů (miliontin metru).
Barvy žárovkového tělesa začínají červenou a se zvyšující se teplotou přecházejí přes oranžovou, žlutou až k bílé. Při dalším zvyšování teploty se žhavý kov nejprve taví a poté za přítomnosti kyslíku hoří.
Video lekce: Jak fungují moderní žárovky
Studené wolframové vlákno má nízký odpor. Wolfram, stejně jako většina kovů, má kladný teplotní koeficient odporu TKS. To znamená, že když se vlákno zahřívá elektrickým proudem, jeho odpor se zvyšuje.
Před zapnutím žárovky je vlákno studené a má malý odpor. Proto je v okamžiku zapnutí přiváděn proud o velikosti 10 až 15násobku jmenovitého proudu. Tento proudový náraz se nazývá rozběhový proud. A často je příčinou... často příčinou vyhoření vlákna.
Zahřátí vlákna trvá zlomek sekundy. Během této doby se jeho odolnost zvyšuje. Původně vysoký proud protékající žárovkou se po zahřátí plynu, žárovky a všech součástí sníží na jmenovitý proud. Světelný zdroj tak dosáhne jmenovitého provozního režimu a produkuje jmenovitý světelný tok. Barva světla se rovněž stává nominální, tj. odpovídá barevné teplotě 2000 až 3500 K. Nazývá se teplá bílá a má několik stupňů barevné teploty v uvedeném rozsahu s originálními názvy a zkratkami. Například:
- superteplá bílá - 2200-2400 K, označovaná jako S-Warm nebo S-W, neboli velmi teplá bílá nebo teplá 2400;
- Teplá - 2600-2800 K nebo teplá 2700;
- teplá bílá - 2700-3500 K nebo teplá bílá (WW);
- další teplá bílá - 2900-3100 K nebo teplá 3000 (W).
Teplota jednotlivých prvků svítilny
Vnější povrch žárovky LON závisí na výkonu žárovky a může být zahřátý na 250-300 ℃ nebo více.
Žhavicí vlákno se zahřívá na 2000-2800 ℃ při teplotě tání wolframu 3410 °C.
V některých provedeních je vlákno vyrobeno z osmia s bodem tání 3045 ℃ nebo z rhenia s bodem tání 2174. Tím se světelné spektrum LN posune do červené oblasti viditelného spektra.
Jaký plyn je v žárovce
V prvních lampách byl z žárovky odčerpáván vzduch. Nyní se vysávají (evakuují) pouze žárovky s nízkým příkonem (max. 25 W).
Při provozu wolframového drátu zahřátého na 2-3 tisíce stupňů Celsia se z jeho povrchu intenzivně odpařuje kov. Tato pára se usazuje na vnitřní straně žárovky a snižuje její propustnost světla.
Výzkumy provedené na počátku minulého století ukázaly, že pokud je baňka naplněna inertním plynem, snižuje se odpařování a zvyšuje se výtěžek světla. Proto byly baňky naplněny jedním z inertních plynů nebo jejich směsí. Nejběžnějšími plyny jsou argon, dusík, xenon, krypton, helium atd. Helium se používá k účinnému pasivnímu chlazení vnitřních prvků nových typů LED retrofitních žárovek.
Tento experiment se kategoricky nedoporučuje pro domácí použití.
Jejich hlavním světelným prvkem je tenká tyčinka z umělého safíru nebo skla, na níž jsou umístěny krystaly LED. Tento druh zářiče se nazývá vlákno. Někteří "odborníci" zaměňují podstatu žárovek a nazval je "safírové světelné diody". Umělý safír se v těchto lampách používá pouze jako montážní základna a pasivní chladič pro krystaly LED.
K selhání LN ve většině případů nedochází v důsledku odpařování kovu z povrchu vlákna, ale v důsledku urychlení tohoto procesu v místech narušení tloušťky vlákna. K tomu dochází v oblasti ostrého ohybu drátu nebo jeho zlomu. V tomto okamžiku se jeho odpor lokálně zvýší, napětí, ztrátový výkon a teplota kovu vzrostou. Odpařování se zrychluje, stává se lavinovitým, vlákno se rychle zmenšuje a vyhoří.
Tento problém byl vyřešen na přelomu 50. a 60. let 20. století, kdy se začaly masově vyrábět halogenové žárovky.
Halogeny - chlor, brom, fluor nebo jód - byly přidány do inertního plynu nebo směsi. V důsledku toho se proces odpařování kovu zcela zastaví nebo výrazně zpomalí. Atomy těchto přísad vážou páry wolframu a vytvářejí molekuly nestabilních sloučenin. Ty se usazují na povrchu žhavého tělesa. Vlivem vysoké teploty se molekuly rozkládají a uvolňují atomy halogenu a čistého kovu, které se usazují na horkém povrchu vlákna a částečně regenerují odpařenou vrstvu.
Tento proces se zintenzivňuje zvyšováním tlaku. Tím se zvyšuje teplota vlákna, životnost, světelný výkon, účinnost a další vlastnosti. Emisní spektrum je posunuto na bílou stranu. U svítidel plněných plynem dochází ke zpožděnému ztmavnutí povrchu baňky zevnitř wolframovými parami. Tyto zdroje světla se nazývají halogenové zdroje světla.
Elektrické parametry
Elektrické vlastnosti žárovek jsou:
- elektrický výkon, měřený ve wattech - W, rozsah dostupných modelů je od několika wattů (žárovka svítilny má 1 W) až po 500 a dokonce 1000 W;
- světelný tok, lm (lumen), souvisí s příkonem - od 20 lm při 5W do 2500 lm při 200W, při vyšším příkonu je světelný tok vyšší;
- Světelná účinnost, energetická účinnost nebo faktor účinnosti, Lm/W - kolik lumenů světla v podobě světelného toku připadá na jeden watt energie spotřebované ze sítě nebo zdroje;
- intenzita světla nebo svítivost, cd (kandela);
- barevná teplota - teplota běžného černého tělesa, které vyzařuje světlo určitého odstínu.
Účel elektrické lampy
Elektrické lampy lze rozdělit do několika typů podle jejich použití - pro veřejné, technické a speciální použití.
Hlavním veřejným použitím je poskytnout jakémukoli člověku, zvířeti nebo ptákovi umělé světlo v noci nebo v tmavé místnosti.
Používáním světla si lidé prodlužují svou denní aktivitu o několik hodin. Může jít o pracovní a studijní procesy, domácí práce. Zlepšuje se bezpečnost na silnicích, schopnost poskytovat lékařskou pomoc ve večerních a nočních hodinách atd.
Lampy se aktivně používají v chovech hospodářských zvířat a drůbeže, k pěstování. rostliny ve skleníkových komplexech. Jsou osvětleny světlem určitého spektra a velikosti světelného toku. Chov ryb rovněž vyžaduje světlo se specifickým spektrálním složením.
Technické aplikace. Zařízení, která vydávají viditelné a neviditelné světlo, se používají ve výrobě pro technologické účely. Příklady:
- Pro přesnou a důležitou práci potřebuje člověk na pracovišti vysokou úroveň osvětlení;
- IR - Infračervené záření se využívá v průmyslu, například k bezdotykovému ohřevu stavebních dílů nebo v klimatizační technice k zajištění tepla pro lidi pracující pod širým nebem; ve vojenské a lovecké technice - noční zaměřovače pro zbraně, přístroje pro noční vidění atd;
- UV-UV záření se používá v zubním lékařství k rychlému vytvrzení výplní, zubních protéz atd., v medicíně a hygieně k dezinfekci. dezinfekce místnostíV lékařství a hygieně dezinfekce místností, nástrojů, oděvů, povrchů nábytku, vzduchu, vody, léků atd.
Svítidla pro speciální účely se používají ve venkovní i vnitřní světelné reklamě, v kriminalistice, letectví a kosmonautice, při osvětlování výstav apod.
Hlavní typy a vlastnosti
Hlavní druhy žárovek jsou:
- Žárovky pro všeobecné použití. Označují se zkratkou LON. Obecně se jedná o zařízení s příkonem 25, 40, 60, 75 a 100 wattů. Nejběžnější je 60 W. Na trhu jsou však k dostání zařízení LLH s výkonem 150, 200, 500 a dokonce 1000 wattů.
- Halogenové žárovky. K dispozici pro vysokonapěťové a nízkonapěťové aplikace 220 V nebo 110 V. V tomto případě jsou napájeny ze snižovacího transformátoru.
Různé nízkonapěťové halogenové žárovky:
- kapsle, které mají podobu celoskleněných trubic s různými základnami - buď GY6.35, nebo G4 s kolíkovými koncovkami;
- reflektorová světla s reflexním prvkem, průměr od 35 do 111 mm, patice GZ10 s možností volby.
Vysoké napětí. Základní napětí je 220-230 V, 50 Hz. Tyto lampy mají více verzí:
- lineární - jako skleněná trubice se základnou R7S;
- válcová - patice E27, E14 nebo B15D;
- s dálkovým ovládáním nebo přídavnou žárovkou.
Ty mají halogenovou žárovku nebo trubici pevně namontovanou v žárovce. Je přivařena ke středovému jádru standardní žárovky LON a má ohebné vodiče připojené ke standardní patici Edison E27 nebo E14. Při příkonu 70-100 W poskytuje o 20-30 % vyšší světelný tok než standardní žárovka.
Tyto modely mají vyšší energetickou účinnost až 12-25 lm/W, zatímco běžné světelné zdroje LON mají světelný výkon 3-4 až 10-12 lm/W.
Životnost halogenových modelů je 4-5 až 10-12 tisíc hodin.
Klasifikace svítilen podle účelu použití a konstrukce
Dekorativní žárovky
V posledních letech se objevily retro lampy, které napodobují historické Edisonovy žárovky.
Kromě toho mají tvar "svíčky", "svíčky ve větru", "kužele", "hrušky", "koule" atd.
Zrcadlové
Odrazky mají na vnitřní straně žárovky reflexní vrstvu. Obvykle se jedná o kovový povlak, jako je stříbro, hliník nebo zlato. Tato vrstva může být tenká a průsvitná nebo silná a neprůhledná.
Reflexní struktury se používají ve výrobě pro zcela čistý procesní ohřev, např. při výrobě polovodičů s vysoce čistými materiály. Nevýhoda žárovek - vysoký tok infračerveného záření - se zde stává nepřekonatelnou výhodou.
Takové žárovky se používají ve svítidlech s úzkým výkyvným světelným svazkem.
Signál
Signální světla jsou blikající světelné zdroje. Obvykle ve formě blikajících majáků, např. na služebních vozidlech, letadlech a vrtulnících, pro vysílání světelných zpráv v námořnictvu apod. Mají tenké vlákno, které umožňuje rychlý nárůst jasu.
Doprava .
Tento typ svítidel je určen pro použití v různých druzích dopravy, jako jsou automobily, železnice a podzemní, říční a námořní plavidla. Hlavním požadavkem na ně je odolnost proti vibracím a nárazům. Za tímto účelem je vlákno zkráceno a upevněno na více podpůrných prvcích. Základny těchto žárovek jsou bajonetové, kolíkové nebo paticové. Zabraňují odšroubování a vypadnutí jednotky ze zásuvky.
Osvětlovací lampy .
Z názvu vyplývá, že tyto lampy slouží k osvětlení. Proto jsou jejich žárovky vyrobeny z různých barev skla - modré, zelené, žluté, červené atd.
Dvojité vlákno .
Schéma takového svítidla: Dvě samostatná vlákna v jedné žárovce. Například v automobilovém světlometu se používá dvouvláknová žárovka:
- po přivedení napětí na jedno vlákno se rozsvítí potkávací světlo - světelný paprsek je "přitisknut" k povrchu vozovky a paprsek se rozšíří na několik desítek metrů;
- Po přepnutí na druhé vlákno se světlo zvýší a jeho dosah může být až stovky metrů a paprsek bude podstatně větší.
Takové svítilny mohou být i v zadním světle. První vlákno je určeno pro parkovací světla, druhé pro brzdové světlo.
U světelných signalizačních zařízení zvyšují jejich spolehlivost dvojité žárovky. Duplikace umožňuje zařízení pracovat buď s jedním vláknem, nebo zapnout druhé vlákno po vyhoření prvního. A například na železnici je spolehlivá signalizace zárukou bezpečnosti dopravy.
Obecné, místní
Horní řada zleva doprava: patice E14 pro lustry, nástěnná svítidla a malé lampy; patice E27 pro univerzální lampy; zelená, červená, žlutá - osvětlovací lampy.
Spodní řada: modrá - lékařské účely pro zákroky; zrcadlo s reflektorem - pro fotografické práce nebo speciální osvětlení, s fialovým sklem, dva konce - dekorativní s žárovkou "svíčka" a paticí E27 a E14.
Výhody a nevýhody
Výhody žárovek:
- Nízká cena - jednoduché a levné materiály, konstrukce a technologie vypracovávané po desetiletí, hromadná automatizovaná výroba;
- relativně malé rozměry;
- přepětí v síti nezpůsobí okamžitou poruchu;
- spuštění i restart je okamžitý;
- při napájení střídavým proudem 50-60 Hz je pulzování jasu neznatelné;
- jas je stmívatelný;
- emisní spektrum je rovnoměrné a okem známé - podobné slunečnímu;
- Vlastnosti svítidel různých výrobců jsou téměř stejné;
- Index podání barev Ra neboli CRI - kvalita podání barev osvětlených objektů - se rovná 100, což plně odpovídá indexu slunce;
- malé rozměry kompaktního vlákna poskytují jasné stíny;
- vysoká spolehlivost v extrémních mrazech a vedrech;
- konstrukce umožňuje hromadnou výrobu modelů s provozním napětím v řádu zlomků až stovek voltů;
- Střídavé nebo stejnosměrné napájení při absenci startérů
- aktivní charakter odporu vlákna zajišťuje účiník (kosinus φ) 1;
- lhostejný k záření, elektromagnetickému pulsu, rušení;
- prakticky bez UV složky záření;
- Je zajištěn standardní provoz s častým zapínáním a vypínáním světel atd.
Mezi nevýhody patří:
- jmenovitá životnost LON je 1 000 hodin, zatímco u halogenových žárovek 3 až 5 až 6 tisíc hodin, u halogenových žárovek 1 000 hodin. fluorescenční - až 10-50 tisíc hodin, LED žárovky 30-150 tisíc hodin a více;
- Skleněná baňka a tenké vlákno jsou citlivé na otřesy; vibrace mohou při určitých frekvencích způsobit rezonanci;
- Vysoká závislost energetické účinnosti a životnosti na napájecím napětí;
- Účinnost přeměny elektřiny na viditelné světlo nepřesahuje 3-4 %, ale zvyšuje se s rostoucím výkonem;
- Povrchová teplota žárovky závisí na výkonu a je následující: 100 W - 290 °C, 200 W - 330 °C, 25 W - 100 °C;
- Při zapnutí může být proudový náraz před zahřátím vlákna desetkrát vyšší než jmenovitý proud;
- Zásuvky a příslušenství svítidel musí být tepelně odolné.
Jak prodloužit životnost lampy
Existuje mnoho způsobů, jak prodloužit životnost lampy. Nejčastěji používané jsou:
- Omezení rozběhového proudu pomocí termistoru zapojeného do série se světelným zdrojem, jehož vysoký odpor se snižuje s tím, jak se zahřívá rozběhovým proudem;
- Pozvolný rozběh s ručním stmíváním pomocí tyristorového nebo triakového stmívače;
- Napájení lampy přes výkonnou usměrňovací diodu, tj. usměrněným napětím poloviční sinusovky;
- Připojení světelných zdrojů v párech ve vícesvítidlových svítidlech, např. lustrech.
Moderní průmysl vyrábí velké množství různých druhů žárovek s širokým rozsahem provozních napětí a příkonů, s různými odstíny svítivosti, konfigurací žárovek a paticemi. Tato řada umožňuje vybrat si vyberte si potřebnou lampu pro každou aplikaci.