Descrizione e principio della lampadina
Cos'è una lampada a incandescenza
Una lampada ad incandescenza, nota anche come lampada ad incandescenza, è una fonte di luce artificiale in cui la luce è prodotta riscaldando un sottile filamento di metallo alla temperatura di incandescenza di un metallo incandescente. Una corrente elettrica passa attraverso il filamento per riscaldarlo. Le prime lampade avevano un filamento fatto di materiale organico carbonizzato, come il bambù, sotto forma di fibra.
Per evitare che il filamento si bruciasse rapidamente, l'aria è stata evacuata dal bulbo e sigillata. Oppure il pallone è stato riempito con una composizione di gas che non aveva un ossidante - l'ossigeno. Questi gas sono chiamati gas inerti - argon, neon, elio, azoto, ecc. Si chiamano così perché non reagiscono con i metalli, cioè sono inerti.
Le prime lampade a filamento di carbonio Le lampadine a filamento di carbonio avevano una vita operativa di meno di una dozzina di ore. Questo è stato notevolmente aumentato sostituendo il filamento di carbonio con un sottile filo di metallo.
Questa luce era chiamata luce incandescente, cioè la luce del metallo incandescente. E il filamento si chiamava luce incandescente. Per esempio, l'acciaio riscaldato a 1200°C brilla di giallo-bianco e a 1300°C è quasi bianco.
Alla fine del XIX secolo, il filamento di carbonio, che si bruciava rapidamente, fu sostituito da metalli refrattari - tungsteno, molibdeno, osmio o ossidi di metallo - zirconio, magnesio, ittrio e altri.
Riempire un pallone con gas inerti riduceva il tasso di evaporazione del metallo da un filamento incandescente e, quindi, aumentava la sua durata di funzionamento.
Per l'alta potenza, i filamenti sono fatti in forma "ramificata". Le fonti di luce a proiezione hanno un filamento di configurazione complessa per creare un flusso direzionale, formando una struttura piatta perpendicolare all'asse della radiazione. All'interno della lampadina c'è un riflettore di luce, per esempio un sottile strato di metallo spruzzato come argento o alluminio.
Un filamento metallico lungo e sottile era necessario per alimentare la lampada direttamente dall'allora esistente alimentazione a 110 V DC. Questo ha fornito una maggiore resistenza e quindi è stata richiesta meno corrente per il riscaldamento.
Per "impacchettare" strettamente in un piccolo volume di pallone di vetro trasparente, il filamento è stato ripetutamente piegato e posto su supporti di filo.
Questa piegatura del filamento ha complicato la progettazione delle prime sorgenti luminose, che duravano molto più a lungo di quelle "al carbonio". Una svolta nel design della lampadina a incandescenza è stata la proposta di torcere il filamento in una spirale. Questo ha ridotto le sue dimensioni di molte volte.
Un corpo incandescente ancora più piccolo è stato ottenuto avvolgendo una bobina sottile in una seconda bobina, ma di diametro maggiore. La doppia elica è chiamata bi-elica.
La fase successiva nello sviluppo delle sorgenti luminose fu il passaggio alla rete AC e l'uso di un trasformatore per ridurre la tensione di alimentazione delle lampade.
Le parti principali di una lampada a incandescenza
Gli elementi di base di una lampada a incandescenza sono:
- il filamento o il corpo del filamento;
- un raccordo per fissare il filamento;
- lampadina per proteggere il filamento dalla combustione rapida e dalle influenze esterne
- presa per l'inserimento nella presa e il collegamento all'alimentazione
- contatti della presa - alloggiamento a vite e un contatto centrale nella base della presa.
Il raccordo è progettato per fissare il filamento e creare la configurazione richiesta e la direttività dell'emissione luminosa.
La base è necessaria per fissarla nella presa di montaggio e per collegarla alla lampadina. Nelle lampade retrofit, l'equivalente delle lampade a incandescenza, la presa ospita parte dell'unità di alimentazione.
La base
Su Lampadine alogeneLe lampadine alogene, a seconda della tensione di alimentazione, della potenza e del design della lampadina, hanno un certo numero di basi diverse - a vite, maschio, a baionetta, a perno ecc.
Il sistema di contatti sulla presa è necessario per il collegamento alla rete di alimentazione o all'alimentatore.
La lampadina
Le lampadine LN trasparenti sono utilizzate per:
- Proteggere il filamento dall'atmosfera esterna che contiene l'ossidante - l'ossigeno;
- Generazione e mantenimento del vuoto o della composizione del gas;
- posizionamento del fosforo e/o dei rivestimenti che convertono diversi tipi di energia elettromagnetica in radiazione visibile, ritorno del calore al filamento, conversione della radiazione invisibile UV e IR in luce, correzione della tonalità della lampada - rosso, verde, blu.
Filamento
Il filamento è un filamento arrotolato in una bobina o bi-bobina, o una sottile striscia di metallo.
Mezzo del gas
I gas inerti con cui è riempito il bulbo della lampada, ad esempio azoto, argon, neon, elio. Alle miscele di gas nobili si aggiungono sostanze alogene.
Come è fatta una lampadina e come funziona
La costruzione di una lampadina a incandescenza non è cambiata molto durante il suo sviluppo. L'elemento di base che funziona sul principio dell'incandescenza di una sostanza incandescente è il filamento o corpo del filamento. È un filo di tungsteno sottile con un diametro di 30-40, massimo 50 micron o micrometri (milionesimi di metro).
I colori del corpo incandescente partono dal rosso e passano per l'arancione, il giallo e il bianco man mano che la temperatura aumenta. Quando la temperatura aumenta ulteriormente, il metallo incandescente prima si fonde e poi, in presenza di ossigeno, brucia.
Video lezione: come funzionano le lampadine moderne
Un filamento di tungsteno freddo ha una bassa resistività. Il tungsteno, come la maggior parte dei metalli, ha un coefficiente di temperatura positivo della resistenza TKS. Ciò significa che quando il filamento viene riscaldato da una corrente elettrica, la sua resistenza aumenta.
Prima che la lampada sia accesa, il filamento è freddo e ha poca resistenza. Pertanto, una corrente da 10 a 15 volte la corrente nominale viene applicata al momento dell'accensione. Questo picco di corrente è chiamato corrente di spunto. Ed è spesso la ragione... spesso la causa del burnout del filamento.
Ci vuole una frazione di secondo perché il filamento si riscaldi. Durante questo periodo, la sua resistenza aumenta. La corrente inizialmente elevata che attraversa la lampada si riduce alla corrente nominale man mano che il gas, il bulbo e tutti i componenti si riscaldano. Quindi la sorgente luminosa raggiunge il modo di funzionamento nominale e produce il flusso luminoso nominale. Anche il colore luminoso diventa nominale, cioè corrispondente a una temperatura di colore da 2000 a 3500 K. Si chiama bianco caldo e ha diverse gradazioni di temperatura di colore all'interno della gamma specificata con nomi e abbreviazioni originali. Per esempio:
- bianco super-caldo - 2200-2400 K, designato S-Warm o S-W, ovvero bianco molto caldo o Warm 2400;
- Caldo - 2600-2800 K o caldo 2700;
- bianco caldo - 2700-3500 K o Warm White (WW);
- un altro bianco caldo - 2900-3100 K o Warm 3000 (W).
La temperatura dei singoli elementi della lampada
La superficie esterna di una lampadina LON dipende dalla potenza della lampada e può essere riscaldata a 250-300℃ o più.
Il filamento si riscalda fino a 2000-2800℃, con un punto di fusione del tungsteno di 3410°C.
In alcuni disegni, il filamento è fatto di osmio con un punto di fusione di 3045℃ o di renio con un punto di fusione di 2174. Questo sposta lo spettro luminoso della LN verso la zona rossa dello spettro visibile.
Che gas c'è nella lampadina
Nelle prime lampade, l'aria veniva pompata fuori dal bulbo. Ora solo le lampadine a bassa potenza (max. 25 W) vengono aspirate (evacuate).
Quando un filo di tungsteno riscaldato a 2-3 mila gradi Celsius è in funzione, il metallo viene vaporizzato intensamente dalla sua superficie. Questo vapore si deposita all'interno della lampadina e riduce la sua trasmissione luminosa.
Una ricerca effettuata all'inizio del secolo scorso ha dimostrato che se il pallone viene riempito con un gas inerte, l'evaporazione si riduce e la resa luminosa aumenta. Pertanto, i palloni sono stati riempiti con uno dei gas inerti o con le loro miscele. I gas più comuni sono argon, azoto, xeno, krypton, elio, ecc. L'elio è utilizzato per un efficace raffreddamento passivo degli interni dei nuovi tipi di lampade retrofit a LED.
Questo esperimento non è categoricamente raccomandato per uso domestico
Il loro principale elemento di emissione della luce è una sottile barra di zaffiro artificiale o di vetro su cui si trovano i cristalli del LED. Questo tipo di emettitore è chiamato filamento. Alcuni "esperti" hanno confuso l'essenza di lampade a filamento e li chiamò "lampade a diodi luminosi in zaffiro". Anche se lo zaffiro artificiale in queste lampade è usato solo come una base di montaggio e un dissipatore di calore passivo per i cristalli LED.
Il fallimento degli LN nella maggior parte dei casi non è dovuto all'evaporazione del metallo dalla superficie del filamento, ma all'accelerazione di questo processo nelle zone di interruzione dello spessore del filamento. Questo si verifica nella zona di una curva a gomito del filo o della sua frattura. A questo punto la sua resistenza aumenta localmente, la tensione, la dissipazione di potenza e la temperatura del metallo aumentano. L'evaporazione accelera, diventa a valanga, il filamento si riduce rapidamente di spessore e si brucia.
Questo problema è stato risolto alla fine degli anni '50 e all'inizio degli anni '60, con la produzione di massa di lampadine alogene.
Gli alogeni - cloro, bromo, fluoro o iodio - venivano aggiunti a un gas o a una miscela inerte. Di conseguenza, il processo di evaporazione del metallo si ferma del tutto o rallenta notevolmente. Gli atomi di questi additivi legano i vapori di tungsteno per formare molecole di composti instabili. Questi si depositano sulla superficie del corpo incandescente. Sotto l'influenza dell'alta temperatura, le molecole si decompongono e rilasciano atomi di alogeno e metallo puro, che si depositano sulla superficie calda del filamento e rigenerano parzialmente lo strato vaporizzato.
Questo processo si intensifica aumentando la pressione. Questo aumenta la temperatura del filamento, la durata di vita, la resa luminosa, l'efficienza e altre caratteristiche. Lo spettro di emissione è spostato verso il lato bianco. Nelle lampade a gas, l'oscuramento della superficie del bulbo dall'interno da parte del vapore di tungsteno è ritardato. Queste fonti di luce sono chiamate fonti di luce alogene.
Parametri elettrici
Le caratteristiche elettriche delle lampade a incandescenza sono:
- potenza elettrica, misurata in watt - W, la gamma di modelli disponibili è da pochi watt (una lampadina a torcia è 1 W) a 500 e anche 1000 W;
- il flusso luminoso, lm (lumen), è legato al wattaggio - da 20 lm a 5W a 2500 lm a 200W, a wattaggi più alti il flusso luminoso è più alto;
- Efficacia luminosa, efficienza energetica o fattore di efficienza, Lm/W - quanti lumen di luce in termini di flusso luminoso danno ogni watt di potenza consumata dalla rete o dall'alimentazione;
- intensità della luce o luminanza, cd (candela);
- temperatura di colore - la temperatura di un corpo nero convenzionale che emette luce con una tonalità specifica.
Scopo di una lampada elettrica
Le lampade elettriche possono essere divise in diversi tipi secondo la loro applicazione - per uso pubblico, tecnico e speciale.
L'uso pubblico principale è quello di fornire a qualsiasi uomo, animale o uccello una luce artificiale di notte o in una stanza buia.
Usando la luce, le persone prolungano la loro attività quotidiana di diverse ore. Possono essere processi di lavoro e di studio, faccende domestiche. La sicurezza stradale, la capacità di fornire assistenza medica di sera e di notte, ecc.
Le lampade sono utilizzate attivamente negli allevamenti di bestiame e di pollame, per la coltivazione piante in complessi di serre. Sono illuminati con luce di un certo spettro e grandezza di flusso luminoso. L'allevamento dei pesci richiede anche una luce con una composizione spettrale specifica.
Applicazioni tecniche. I dispositivi che danno luce visibile e invisibile sono utilizzati nella produzione per scopi tecnologici. Esempi:
- Per un lavoro preciso e importante, una persona ha bisogno di un alto livello di luce sul posto di lavoro;
- IR - La radiazione infrarossa è usata nell'industria, per esempio, per il riscaldamento senza contatto di parti di costruzione o nella tecnologia climatica per fornire calore alle persone che lavorano all'aria aperta; nella tecnologia militare e di caccia - mirini notturni per armi, dispositivi di visione notturna, ecc;
- UV-Le radiazioni UV sono utilizzate in odontoiatria per l'indurimento rapido di otturazioni, protesi dentarie, ecc., in medicina e sanità - per disinfettare disinfezione dei localiIn medicina e sanità la disinfezione di stanze, strumenti, vestiti, superfici di mobili, aria, acqua, medicine, ecc.
Le lampade per scopi speciali sono utilizzate nella pubblicità luminosa esterna e interna, nella medicina legale, nell'aviazione e nell'astronautica, nell'illuminazione di spettacoli, ecc.
Principali tipi e caratteristiche
I principali tipi di lampade a incandescenza sono:
- Lampade per uso generale. Sono designati dall'abbreviazione LON. Di solito sono 25, 40, 60, 75 e 100 Watt. Il più comune è 60 W. Ma sono disponibili in commercio LLH con 150, 200, 500 e anche 1000 watt.
- Lampade alogene a incandescenza. Disponibile per applicazioni ad alta e bassa tensione 220 V o 110 V. In questo caso sono alimentati da un trasformatore step-down.
Una varietà di lampade alogene a bassa tensione:
- capsula, avendo la forma di tubi di vetro con basi diverse - sia GY6.35 o G4 capsule pin-end;
- riflettori con un elemento riflettente, diametro da 35 a 111 mm, presa GZ10 con opzioni.
Alta tensione. La tensione di base è 220-230 V, 50 Hz. Queste lampade hanno più versioni:
- lineare - come un tubo di vetro con basi R7S;
- cilindrico - presa E27, E14 o B15D;
- con telecomando o lampadina aggiuntiva.
Quest'ultimo ha una lampadina alogena o un tubo montato rigidamente all'interno della lampadina. È saldato al nucleo centrale della lampadina LON standard e ha cavi flessibili collegati a una base Edison E27 o E14 standard. A 70-100W, fornisce il 20-30% in più di flusso luminoso rispetto a una lampadina a incandescenza convenzionale.
Questi modelli hanno un'efficienza energetica più alta, fino a 12-25 Lm/W, mentre le fonti di luce LON convenzionali hanno un rendimento luminoso da 3-4 a 10-12 Lm/W.
La durata di vita dei modelli alogeni è da 4-5 a 10-12 mila ore.
Classificazione delle lampade secondo l'uso previsto e il design
Lampadine decorative
Negli ultimi anni, sono apparse lampade retrò che imitano le lampadine Edison d'epoca.
Inoltre, hanno la forma di "candela", "candela nel vento", "cono", "pera", "palla", ecc.
a specchio
Le lampade con riflettore hanno un rivestimento riflettente all'interno della lampadina. Di solito è un rivestimento di metallo come argento, alluminio o oro. Questo strato può essere sottile e traslucido o spesso e opaco.
Le strutture riflettenti sono utilizzate nella produzione per il riscaldamento di processi completamente puri, per esempio nella produzione di semiconduttori con materiali ad alta purezza. Qui uno svantaggio delle lampade a incandescenza - l'alto flusso di radiazione infrarossa - diventa un vantaggio imbattibile.
Tali lampade sono utilizzate in apparecchi con un fascio di luce stretto e orientabile.
Segnale
Le lampade di segnalazione sono fonti di luce lampeggiante. Di solito sotto forma di lampeggianti, ad esempio sui veicoli di servizio, su aerei ed elicotteri, per inviare messaggi luminosi in marina, ecc. Hanno un filamento sottile che permette un rapido aumento della luminosità.
Trasporto .
Questo tipo di lampade è destinato all'uso in diversi tipi di trasporto, come: automobili, ferrovie e navi sotterranee, fluviali e marittime. Il requisito principale per loro è la resistenza alle vibrazioni e agli urti. Per ottenere questo, il filamento è reso corto e montato su più elementi di supporto. Le basi di tali lampadine sono a baionetta, a perno o a soffietto. Impediscono che l'unità si sviti e cada dalla presa.
Lampade d'illuminazione .
Il nome implica che queste lampade sono utilizzate per l'illuminazione. Perciò le loro lampadine sono fatte di diversi colori di vetro - blu, verde, giallo, rosso, ecc.
A doppio filamento.
Lo schema di una tale lampada a incandescenza: due filamenti separati in una lampadina. In un faro d'auto, per esempio, una lampada a doppio filamento è usata come segue:
- quando la tensione è applicata a un filamento, il fascio di luce anabbagliante si accende - il fascio di luce è "premuto" contro la superficie stradale e il fascio si estende per diverse decine di metri;
- Dopo il passaggio al secondo filamento, la luce aumenta e la sua portata può arrivare fino a centinaia di metri e il fascio sarà notevolmente maggiore.
Tali lampade possono anche essere in una lampada posteriore. Il primo filamento è per le luci di parcheggio, il secondo è per la luce dei freni.
Nei semafori, le lampade a doppio filamento aumentano la loro affidabilità. La duplicazione permette all'unità di funzionare sia con un filamento sia di accendere il secondo dopo che il primo si è spento. E nelle ferrovie, per esempio, un segnalamento affidabile è una garanzia della sicurezza dei trasporti.
Generale, locale
Riga in alto, da sinistra a destra: presa E14 per lampadari, applique e piccole lampade; presa E27 per lampade di uso generale; verde, rosso, giallo - lampade di illuminazione.
Riga inferiore: blu - scopi medici per le procedure; specchio con un riflettore - per lavori fotografici o illuminazione speciale, con vetro viola, le due estremità - decorative con una lampadina "candela" e presa E27 e E14.
Pro e contro
Vantaggi delle lampadine a incandescenza:
- Prezzo basso - materiali semplici e poco costosi, design e tecnologia elaborati per decenni, produzione automatizzata di massa;
- dimensioni relativamente piccole;
- gli sbalzi di tensione di rete non causano un guasto immediato;
- L'avvio e il riavvio sono istantanei;
- con alimentazione AC 50-60Hz, la pulsazione della luminosità è impercettibile;
- la luminanza è dimmerabile;
- lo spettro di emissione è uniforme e familiare all'occhio - simile a quello del sole;
- Le caratteristiche delle lampade di diversi produttori sono quasi esattamente le stesse;
- L'indice di resa dei colori Ra o CRI - qualità di resa dei colori degli oggetti illuminati - è uguale a 100, che corrisponde pienamente all'indice del sole;
- le piccole dimensioni del filamento compatto danno ombre chiare;
- alta affidabilità al freddo e al caldo estremo;
- Il design permette la produzione di massa di modelli con tensioni di funzionamento da frazioni a centinaia di volt;
- Alimentazione AC o DC in assenza di starter
- La natura attiva della resistenza del filamento assicura un fattore di potenza (coseno φ) di 1;
- indifferente alle radiazioni, agli impulsi elettromagnetici, alle interferenze;
- praticamente nessuna componente UV nella radiazione;
- Il funzionamento standard con frequenti accensioni e spegnimenti delle luci è assicurato, ecc.
Gli svantaggi includono:
- durata nominale di LON è di 1.000 ore, mentre per le lampade alogene a incandescenza - da 3 a 5-6 mila, per fluorescente - fino a 10-50 mila ore, lampade a LED - 30-150 mila ore o più;
- La lampadina di vetro e il filamento sottile sono sensibili agli urti; le vibrazioni possono causare risonanza a certe frequenze;
- Elevata dipendenza dell'efficienza energetica e della durata di vita dalla tensione di alimentazione;
- L'efficienza di conversione dell'elettricità in luce visibile non supera il 3-4%, ma aumenta con l'aumentare della potenza;
- La temperatura superficiale della lampadina dipende dalla potenza ed è la seguente: 100W - 290°C, 200W - 330°C, 25W - 100°C;
- All'accensione, il picco di corrente prima che il filamento si riscaldi può essere dieci volte superiore alla corrente nominale;
- Le prese e i raccordi degli apparecchi devono essere resistenti al calore.
Come prolungare la vita della lampada
Ci sono molti modi per aumentare la durata della lampada. I più usati sono:
- Limitazione della corrente di spunto incorporando un termistore in serie con la lampada, la cui alta resistenza diminuisce quando la corrente di spunto la riscalda;
- Soft-start con dimmerazione manuale tramite un dimmer a tiristori o triac;
- Alimentazione della lampada tramite un potente diodo raddrizzatore, cioè tensione rettificata di mezza onda sinusoidale;
- Collegare le lampade a coppie in apparecchi multi-lampada, ad esempio lampadari.
L'industria moderna produce un gran numero di tipi diversi di lampade a incandescenza con una vasta gamma di tensioni e potenze operative, con diverse tonalità di luminescenza, configurazioni di lampadine e basi. Questa gamma vi permette di scegliere scegliere lampada necessaria per ogni applicazione.