Descripción y principio de la bombilla
Qué es una lámpara incandescente
Una lámpara incandescente, también conocida como bombilla de incandescencia, es una fuente de luz artificial en la que la luz se produce calentando un delgado filamento de metal hasta alcanzar la temperatura de brillo de un metal incandescente. Se hace pasar una corriente eléctrica por el filamento para calentarlo. Las primeras lámparas tenían un filamento hecho de material orgánico carbonizado, como el bambú, en forma de fibra.
Para evitar que el filamento se queme rápidamente, se evacuó el aire de la bombilla y se selló. O el matraz se llenó con una composición de gas que no tenía oxidante: el oxígeno. Estos gases se denominan gases inertes: argón, neón, helio, nitrógeno, etc. Se llaman así porque no reaccionan con los metales, es decir, son inertes.
Las primeras lámparas de filamento de carbono Las bombillas de filamento de carbono tenían una vida útil de menos de una docena de horas. Esto se incrementó significativamente al sustituir el filamento de carbono por un fino hilo metálico.
Esta luz se llamaba luz resplandeciente, es decir, la luz del metal resplandeciente. Y el filamento se llamaba luz incandescente. Por ejemplo, el acero calentado a 1.200 °C brilla de color blanco amarillento y a 1.300 °C es casi blanco.
A finales del siglo XIX, el filamento de carbono, que se quemaba rápidamente, fue sustituido por metales refractarios -tungsteno, molibdeno, osmio- u óxidos metálicos -circonio, magnesio, itrio y otros-.
El llenado de un matraz con gases inertes redujo la velocidad de evaporación del metal de un filamento incandescente y, por tanto, aumentó su duración de funcionamiento.
Para una alta potencia, los filamentos se fabrican de forma "ramificada". Las fuentes de luz de proyección tienen un filamento de configuración compleja para crear un flujo direccional, formando una estructura plana perpendicular al eje de radiación. En el interior de la bombilla hay un reflector de luz, por ejemplo, una fina capa de metal pulverizado, como plata o aluminio.
Se necesitaba un filamento metálico largo y delgado para alimentar la lámpara directamente desde la fuente de alimentación de 110 V CC que existía entonces. Esto proporcionó una mayor resistencia y, por lo tanto, se necesitó menos corriente para el calentamiento.
Para "empaquetar" firmemente en un pequeño volumen de frasco de vidrio transparente, el filamento se dobló repetidamente y se colocó en soportes de alambre.
Esta curvatura del filamento complicaba el diseño de las primeras fuentes de luz, que duraban bastante más que las de carbono. Un gran avance en el diseño de las bombillas incandescentes fue la propuesta de retorcer el filamento en forma de espiral. Esto redujo su tamaño muchas veces.
Se obtuvo un cuerpo brillante aún más pequeño enrollando una bobina fina en una segunda bobina, pero de mayor diámetro. La doble hélice se llama bi-hélice.
La siguiente etapa en el desarrollo de las fuentes de luz fue el cambio a la red eléctrica y el uso de un transformador para reducir la tensión de alimentación de las lámparas.
Las partes principales de una lámpara incandescente
Los componentes básicos de una lámpara incandescente son:
- el filamento o el cuerpo del filamento;
- un accesorio para sujetar el filamento;
- bombilla para proteger el filamento de la combustión rápida y de las influencias externas
- zócalo para encajar en la toma de corriente y conectarlo a la misma
- Contactos de la toma de corriente: carcasa de tipo tornillo y un contacto central en la base de la toma de corriente.
El accesorio está diseñado para fijar el filamento y crear la configuración y la directividad necesarias de la salida de luz.
La base es necesaria para fijarla en el zócalo de montaje y para conectarla a la bombilla. En las lámparas retrofíticas, el equivalente a las lámparas incandescentes, el casquillo alberga parte de la fuente de alimentación.
La base
En Bombillas halógenasLas bombillas halógenas, en función de la tensión de alimentación, la potencia y el diseño de la bombilla, tienen diferentes casquillos: de rosca, de espiga, de bayoneta, de poste, etc.
El sistema de contactos de la toma de corriente es necesario para la conexión a la red de alimentación o a la fuente de alimentación.
La bombilla
Las bombillas LN transparentes se utilizan para:
- Proteger el filamento de la atmósfera exterior que contiene el oxidante - oxígeno;
- Generación y retención de vacío o composición de gases;
- Colocación de fósforo y/o recubrimientos que convierten los diferentes tipos de energía electromagnética en radiación visible, retorno del calor al filamento, conversión de la radiación invisible UV e IR en luz, corrección del tono de la lámpara - rojo, verde, azul.
Filamento
El filamento es un filamento enrollado en una bobina o bucle, o una fina tira de metal.
Medio de gas
Los gases inertes con los que se llena la bombilla, por ejemplo, nitrógeno, argón, neón, helio. Las sustancias halógenas se añaden a las mezclas de gases nobles.
Cómo se fabrica una bombilla y cómo funciona
La construcción de una bombilla incandescente no cambió mucho durante el tiempo de su desarrollo. El elemento básico que funciona según el principio de la incandescencia de una sustancia incandescente es el filamento o cuerpo de filamento. Se trata de un fino hilo de tungsteno con un diámetro de 30-40, máximo 50 micras o micrómetros (millonésimas de metro).
Los colores del cuerpo incandescente empiezan por el rojo y pasan por el naranja, el amarillo y el blanco a medida que aumenta la temperatura. A medida que la temperatura aumenta, el metal incandescente primero se funde y luego, en presencia de oxígeno, se quema.
Lección de vídeo: Cómo funcionan las bombillas modernas
Un filamento de tungsteno frío tiene una baja resistividad. El tungsteno, como la mayoría de los metales, tiene un coeficiente de temperatura de resistencia positivo TKS. Esto significa que cuando el filamento es calentado por una corriente eléctrica, su resistencia aumenta.
Antes de encender la lámpara, el filamento está frío y tiene poca resistencia. Por lo tanto, se aplica una corriente de 10 a 15 veces la corriente nominal en el momento en que se enciende. Este aumento de corriente se denomina corriente de entrada. Y a menudo es la causa... a menudo la causa del agotamiento del filamento.
El filamento tarda una fracción de segundo en calentarse. Durante este tiempo, su resistencia aumenta. La corriente inicialmente elevada que circula por la lámpara se reduce a la corriente nominal a medida que el gas, la bombilla y todos los componentes se calientan. Así, la fuente luminosa alcanza el modo de funcionamiento nominal y produce el flujo luminoso nominal. El color luminoso también pasa a ser nominal, es decir, corresponde a una temperatura de color de 2000 a 3500 K. Se denomina blanco cálido y tiene varias gradaciones de temperatura de color dentro de la gama especificada con nombres y abreviaturas originales. Por ejemplo:
- blanco supercálido - 2200-2400 K, denominado S-Caliente o S-W, también conocido como blanco muy cálido o Cálido 2400;
- Cálido - 2600-2800 K o Cálido 2700;
- blanco cálido - 2700-3500 K o Warm White (WW);
- otro blanco cálido - 2900-3100 K o cálido 3000 (W).
La temperatura de los elementos individuales de la lámpara
La superficie exterior de una bombilla LON depende de la potencia de la lámpara y puede calentarse hasta 250-300℃ o más.
El filamento se calienta hasta 2000-2800℃, con un punto de fusión del tungsteno de 3410°C.
En algunos diseños, el filamento está hecho de osmio con un punto de fusión de 3045℃ o de renio con un punto de fusión de 2174. Esto desplaza el espectro luminoso del LN a la zona roja del espectro visible.
Qué gas hay en la bombilla
En las primeras lámparas, el aire era bombeado fuera de la bombilla. Ahora sólo se aspiran (evacuan) las bombillas de baja potencia (máx. 25 W).
Cuando un hilo de tungsteno calentado a 2-3 mil grados Celsius está en funcionamiento, el metal se vaporiza intensamente desde su superficie. Este vapor se deposita en el interior de la bombilla y reduce su transmisión de luz.
Las investigaciones realizadas a principios del siglo pasado demostraron que si el matraz se llena con un gas inerte, se reduce la evaporación y aumenta el rendimiento lumínico. Por lo tanto, los matraces se llenaron con uno de los gases inertes o sus mezclas. Los gases más comunes son el argón, el nitrógeno, el xenón, el criptón, el helio, etc. El helio se utiliza para la refrigeración pasiva eficaz de los elementos internos de los nuevos tipos de lámparas LED retrofit.
Este experimento está categóricamente desaconsejado para uso doméstico
Su principal elemento emisor de luz es una fina varilla de zafiro artificial o de vidrio sobre la que se sitúan los cristales de los LED. Este tipo de emisor se llama filamento. Algunos "expertos" han confundido la esencia de lámparas de filamento y las llamó "lámparas de diodos luminosos de zafiro". Aunque el zafiro artificial en estas lámparas se utiliza sólo como base de montaje y disipador de calor pasivo para los cristales LED.
El fallo de los LN en la mayoría de los casos no se debe a la evaporación del metal de la superficie del filamento, sino a la aceleración de este proceso en las zonas de alteración del espesor del filamento. Esto ocurre en la zona de una curva pronunciada del alambre o de su fractura. En este punto su resistencia aumenta localmente, el voltaje, la disipación de energía y la temperatura del metal aumentan. La evaporación se acelera, se convierte en una avalancha, el filamento reduce rápidamente su grosor y se quema.
Este problema se resolvió a finales de los años 50 y principios de los 60, con la producción en masa de bombillas halógenas.
Los halógenos -cloro, bromo, flúor o yodo- se añadían a un gas o mezcla inerte. Como resultado, el proceso de evaporación del metal se detiene por completo o se ralentiza considerablemente. Los átomos de estos aditivos se unen a los vapores de tungsteno para formar moléculas de compuestos inestables. Estos se depositan en la superficie del cuerpo brillante. Bajo la influencia de la alta temperatura, las moléculas se descomponen y liberan átomos de halógeno y metal puro, que se depositan en la superficie caliente del filamento y regeneran parcialmente la capa vaporizada.
Este proceso se intensifica al aumentar la presión. Esto aumenta la temperatura del filamento, la vida útil, la potencia luminosa, la eficiencia y otras características. El espectro de emisión se desplaza hacia el lado blanco. En las lámparas de gas, el oscurecimiento de la superficie de la bombilla desde el interior por el vapor de tungsteno se retrasa. Estas fuentes de luz se denominan fuentes de luz halógena.
Parámetros eléctricos
Las características eléctricas de las lámparas incandescentes son:
- potencia eléctrica, medida en vatios - W, la gama de modelos disponibles va desde unos pocos vatios (una bombilla de linterna es de 1 W) hasta 500 e incluso 1000 W;
- El flujo luminoso, lm (lumen), está relacionado con la potencia - desde 20 lm a 5W hasta 2500 lm a 200W, a mayor potencia el flujo luminoso es mayor;
- Eficacia luminosa, eficiencia energética o factor de eficiencia, Lm/W: cuántos lúmenes de luz en términos de flujo luminoso dan cada vatio de potencia consumida de la red o de la fuente de alimentación;
- intensidad luminosa o luminancia, en cd (candela);
- Temperatura de color: la temperatura de un cuerpo negro convencional que emite luz con una tonalidad determinada.
Finalidad de una lámpara eléctrica
Las lámparas eléctricas pueden dividirse en varios tipos según su aplicación: para uso público, técnico y especial.
El principal uso público es proporcionar a cualquier persona, animal o pájaro luz artificial por la noche o en una habitación oscura.
Al utilizar la luz, las personas prolongan su actividad diaria durante varias horas. Puede tratarse de procesos de trabajo y estudio, o de tareas domésticas. Se mejora la seguridad vial, la capacidad de prestar asistencia médica por la tarde y la noche, etc.
Las lámparas se utilizan activamente en las explotaciones ganaderas y avícolas, para cultivar plantas en los complejos de invernaderos. Se iluminan con luz de un determinado espectro y magnitud de flujo luminoso. La piscicultura también requiere una luz con una composición espectral específica.
Aplicaciones técnicas. Los dispositivos que emiten luz visible e invisible se utilizan en la fabricación con fines tecnológicos. Ejemplos:
- Para un trabajo preciso e importante, una persona necesita un alto nivel de luz en el lugar de trabajo;
- IR - La radiación infrarroja se utiliza en la industria, por ejemplo, para calentar sin contacto las piezas de construcción o en la tecnología climática para dar calor a las personas que trabajan al aire libre; en la tecnología militar y de caza: miras nocturnas para armas, dispositivos de visión nocturna, etc;
- UV-La radiación UV se utiliza en odontología para el endurecimiento rápido de empastes, prótesis dentales, etc., en medicina y sanidad -para desinfectar desinfección de habitacionesEn medicina y sanidad, la desinfección de habitaciones, herramientas, ropa, superficies de muebles, aire, agua, medicamentos, etc.
Las lámparas para fines especiales se utilizan en la publicidad luminosa de exteriores e interiores, en la medicina forense, en la aviación y la astronáutica, en la iluminación de espectáculos, etc.
Principales tipos y características
Los principales tipos de lámparas incandescentes son:
- Lámparas de uso general. Se designan con la abreviatura LON. Por lo general, se trata de dispositivos con una potencia de 25, 40, 60, 75 y 100 vatios. El más común es el de 60 W. Pero hay LLH disponibles en el mercado con 150, 200, 500 e incluso 1000 vatios.
- Lámparas incandescentes halógenas. Disponible para aplicaciones de alta y baja tensión de 220 V o 110 V. En este caso se alimentan de un transformador reductor.
Una variedad de lámparas halógenas de bajo voltaje:
- de vidrio con diferentes bases, ya sean cápsulas GY6.35 o G4;
- Lámparas reflectoras con elemento reflectante, diámetro de 35 a 111 mm, casquillo GZ10 con opciones.
Alta tensión. La tensión básica es de 220-230 V, 50 Hz. Estas lámparas tienen más versiones:
- lineal - como un tubo de vidrio con bases R7S;
- cilíndrica - toma E27, E14 o B15D;
- con mando a distancia o bombilla adicional.
Estos últimos tienen una bombilla o tubo halógeno montado rígidamente dentro de la bombilla. Se suelda al núcleo central de la bombilla LON estándar y tiene cables flexibles conectados a un casquillo Edison E27 o E14 estándar. Con 70-100W, proporciona un 20-30% más de flujo luminoso que una bombilla incandescente convencional.
Estos modelos tienen una mayor eficiencia energética de hasta 12-25 Lm/W, mientras que las fuentes de luz LON convencionales tienen un rendimiento lumínico de 3-4 a 10-12 Lm/W.
La vida útil de los modelos halógenos es de 4-5 a 10-12 mil horas.
Clasificación de las lámparas según su uso y diseño
Bombillas decorativas
En los últimos años han aparecido lámparas retro que imitan a las antiguas bombillas Edison.
Además, tienen forma de "vela", "vela al viento", "cono", "pera", "bola", etc.
Espejo
Las lámparas reflectoras tienen un revestimiento reflectante en el interior de la bombilla. Suele ser un revestimiento de metal como la plata, el aluminio o el oro. Esta capa puede ser fina y translúcida o gruesa y opaca.
Las estructuras reflectantes se utilizan en la fabricación para el calentamiento de procesos completamente puros, por ejemplo, en la fabricación de semiconductores con materiales de alta pureza. Aquí una desventaja de las lámparas incandescentes -el alto flujo de radiación infrarroja- se convierte en una ventaja insuperable.
Estas lámparas se utilizan en luminarias con un haz de luz estrecho y orientable.
Señal
Las luces de señalización son fuentes de luz intermitentes. Generalmente en forma de balizas intermitentes, por ejemplo, en vehículos de servicio, en aviones y helicópteros, para transmitir mensajes luminosos en la marina, etc. Tienen un filamento fino que permite un rápido aumento de la luminosidad.
Transporte .
Este tipo de lámparas está destinado a ser utilizado en diferentes tipos de transporte, como: automóviles, ferrocarriles y barcos subterráneos, fluviales y marítimos. El principal requisito para ellos es la resistencia a las vibraciones y los impactos. Para ello, el filamento se hace corto y se monta sobre múltiples elementos de soporte. Los casquillos de estas bombillas son de bayoneta, de pasador o de plafón. Evitan que la unidad se desenrosque y se caiga de la toma.
Lámparas de iluminación .
El nombre implica que estas lámparas se utilizan para iluminar. Por ello, sus bombillas están hechas de diferentes colores de vidrio: azul, verde, amarillo, rojo, etc.
De doble filamento.
El diagrama de una lámpara incandescente de este tipo: dos filamentos separados en una bombilla. En un faro de coche, por ejemplo, se utiliza una lámpara de doble filamento como la siguiente:
- cuando se aplica tensión a un filamento, se enciende la luz de cruce: el haz de luz se "presiona" contra la superficie de la carretera y el haz se extiende durante varias decenas de metros;
- Al cambiar al segundo filamento, la luz aumenta y su alcance puede ser de hasta cientos de metros y el haz de luz será considerablemente mayor.
Estas lámparas también pueden estar en un faro trasero. El primer filamento es para las luces de estacionamiento, el segundo es para la luz de freno.
En los semáforos, las lámparas de doble filamento aumentan su fiabilidad. La duplicación permite que la unidad funcione con un solo filamento o que encienda el segundo después de que el primero se haya fundido. Y en los ferrocarriles, por ejemplo, una señalización fiable es una garantía de seguridad en el transporte.
General, local
Fila superior, de izquierda a derecha: casquillo E14 para lámparas de araña, lámparas de pared y lámparas pequeñas; casquillo E27 para lámparas de uso general; verde, rojo, amarillo - lámparas de iluminación.
Fila inferior: azul - fines médicos para procedimientos; espejo con reflector - para trabajos fotográficos o iluminación especial, con cristal violeta, los dos exteriores - decorativos con bombilla "vela" y casquillo E27 y E14.
Ventajas y desventajas
Ventajas de las bombillas incandescentes:
- Precio bajo: materiales sencillos y baratos, diseño y tecnología elaborados durante décadas, producción automatizada en masa;
- dimensiones relativamente pequeñas;
- Las subidas de tensión de la red no provocan un fallo inmediato;
- La puesta en marcha y el reinicio son instantáneos;
- con una alimentación de CA de 50-60 Hz, la pulsación de brillo es imperceptible;
- El brillo es regulable;
- el espectro de emisión es uniforme y familiar para el ojo, similar al del sol;
- Las características de las lámparas de diferentes fabricantes son casi exactamente las mismas;
- El índice de reproducción cromática Ra o CRI -calidad de reproducción cromática de los objetos iluminados- es igual a 100, lo que corresponde plenamente al índice del sol;
- Las pequeñas dimensiones del filamento compacto proporcionan sombras claras;
- alta fiabilidad en condiciones de frío y calor extremos;
- El diseño permite la producción en masa de modelos con tensiones de funcionamiento de fracciones a cientos de voltios;
- Alimentación de CA o CC en ausencia de arrancadores
- La naturaleza activa de la resistencia del filamento asegura un factor de potencia (coseno φ) de 1;
- indiferente a la radiación, al pulso electromagnético, a las interferencias;
- prácticamente ningún componente UV en la radiación;
- Se garantiza el funcionamiento estándar con el encendido y apagado frecuente de las luces, etc.
Las desventajas son:
- La vida útil nominal de LON es de 1.000 horas, mientras que para las lámparas incandescentes halógenas - de 3 a 5-6 mil, para fluorescente - hasta 10-50 mil horas, las lámparas LED - 30-150 mil horas o más;
- La bombilla de vidrio y el filamento fino son sensibles a los golpes; las vibraciones pueden provocar resonancias a determinadas frecuencias;
- Alta dependencia de la eficiencia energética y la vida útil de la tensión de alimentación;
- La eficacia de la conversión de la electricidad en luz visible no supera el 3-4%, pero aumenta con el incremento de la potencia;
- La temperatura de la superficie de la bombilla depende de la potencia y es la siguiente: 100W - 290°C, 200W - 330°C, 25W - 100°C;
- Cuando se enciende, el pico de corriente antes de que se caliente el filamento puede ser diez veces superior a la corriente nominal;
- Los enchufes y accesorios de las luminarias deben ser resistentes al calor.
Cómo prolongar la vida útil de las lámparas
Hay muchas formas de aumentar la vida de las lámparas. Los más utilizados son:
- Limitación de la corriente de irrupción mediante la incorporación de un termistor en serie con la lámpara, cuya alta resistencia disminuye a medida que la corriente de irrupción la calienta;
- Arranque suave con regulación manual mediante un regulador de tiristor o triac;
- Alimentación de la lámpara mediante un potente diodo rectificador, es decir, tensión rectificada de media onda sinusoidal;
- Conexión de lámparas por parejas en instalaciones de varias lámparas, por ejemplo, lámparas de araña.
La industria moderna produce un gran número de tipos de lámparas incandescentes con una amplia gama de voltajes y vatajes de funcionamiento, con diferentes tonos de luminiscencia, configuraciones de bombillas y casquillos. Esta gama le permite elegir elija lámpara necesaria para cada aplicación.