電球の説明と原理
白熱灯とは
白熱灯は人工光の光源であり、細い金属フィラメントを光る金属のグロー温度まで加熱することによって光束が生成されます。フィラメントを加熱するには、電流を流します。最初のランプは、繊維の形をした、竹などの炭化した有機材料のフィラメントを持っていました。
フィラメントが急速に燃焼するのを防ぐために、空気をバルブから排出して密封しました。または、フラスコは、酸化剤を含まないガス組成物、つまり酸素で満たされていました。これらのガスは、アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素などの不活性ガスと呼ばれます。これらのガスは、金属と反応しない、つまり不活性であるため、そう呼ばれています。
最初のカーボン フィラメント ランプ カーボン フィラメント ランプの動作寿命は 12 時間未満でした。カーボンフィラメントを細い金属線に交換した後、大幅に増加しました。
そのような光はグロー、つまり輝く金属の光と呼ばれていました。そしてフィラメントは白熱灯と呼ばれていました。たとえば、1200°C に加熱された鋼は黄白色に輝き、1300°C ではほとんど白くなりました。
19 世紀後半、急速に燃え尽きたカーボン フィラメントは、タングステン、モリブデン、オスミウムなどの高融点金属、またはジルコニウム、マグネシウム、イットリウムなどの金属酸化物に置き換えられました。
フラスコを不活性ガスで満たすと、光るフィラメントからの金属の蒸発速度が低下し、その結果、操作時間が長くなりました。
高出力では、フィラメントは「枝分かれした」形状に作られました。指向性フラックスを生成する投影光源は、複雑な構成のフィラメントを持ち、放射軸に垂直な平面構造を形成します。電球の内部には、銀やアルミニウムなどの溶射金属の薄い層などの光反射板があります。
当時存在していた 110 V の定電圧送電網からランプに直接電力を供給するには、長くて細い金属フィラメントが必要でした。これにより抵抗が増加し、ランプを加熱するのに必要な電流が少なくなりました。
少量の透明なガラス製フラスコに密に「詰める」ために、フィラメントをワイヤーホルダーに繰り返し曲げて配置しました。
このフィラメントの曲がりは、最初の光源の設計を複雑にし、「チャコール」光源よりもはるかに長く機能しました。白熱電球の設計におけるブレークスルーは、フィラメントをらせん状にねじるという提案でした。これにより、サイズが何倍も縮小されました。
細いらせんをより大きな直径の第 2 のらせんに巻くことによって、さらに小さなグロー体が得られました。二重らせんはバイヘリックスと呼ばれていました。
光源の開発における次の段階は、交流ネットワークへの移行と、ランプの供給電圧を下げるための変圧器の使用でした。
白熱灯の主要部品
白熱灯の構造の主要部分は次のとおりです。
- フィラメントまたはフィラメント本体。
- フィラメントを固定するためのフィッティング。
- 急激な燃焼や外部からの影響からフィラメントを保護する電球。
- ソケットに取り付けて主電源に接続するためのソケット
- ソケットコンタクト - ネジ本体とソケットのベースの中央コンタクト。
フィッティングは、フィラメントを固定し、光束の望ましい構成と方向性を作り出すように設計されています。
ソケットは、取り付けソケットに固定し、電球に接続するために必要です。白熱灯に類似したレトロフィット ランプでは、ソケットに電源装置の一部が収納されています。
本拠
の上 ハロゲン電球ハロゲン電球には、供給電圧、ワット数、および電球の設計に応じて、ネジ付きベース、ピン ベース、バヨネット ベース、ピン ベースなど、いくつかのタイプのベースがあります。
主電源または電源ユニットに接続するには、ベースの接点システムが必要です。
バルブ
透明な LN 電球は次の用途に使用されます。
- 酸化剤、酸素を含む外気からフィラメントを保護します。
- 真空またはガス組成の生成と保持;
- さまざまな種類の電磁エネルギーを可視放射に変換する蛍光体および/またはコーティングの配置、フィラメントへの熱の戻り、目に見えない UV および IR 放射の光への変換、ランプ シェードの補正 - 赤、緑、青。
白熱体
フィラメント本体は、らせんまたは二重らせんまたは薄い金属ストリップに巻かれたフィラメントです。
ガス媒体
窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウムなど、ランプのバルブを満たす不活性ガス。希ガス混合物にはハロゲン物質が添加される。
白熱灯はどのように作られ、どのように機能しますか?
白熱電球の構造は、開発中にほとんど変わっていません。輝く物質の輝きの原理に基づいて動作する基本的な要素は、白熱灯のフィラメントまたは本体です。これは、直径 30 ～ 40、最大 50 ミクロンまたはマイクロメートル (100 万分の 1 メートル) の細いタングステン ワイヤです。
白熱の色は赤から始まり、温度が上昇するにつれてオレンジ、黄色、白へと変化します。温度がさらに上昇すると、グロー体の金属が最初に溶け、次に酸素の存在下で燃焼します。
ビデオ レッスン: 現代の電球のしくみ
低温のタングステン フィラメントは抵抗率が低くなります。タングステンは、ほとんどの金属と同様に、正の抵抗温度係数 TCS を持っています。これは、フィラメントが電流で加熱されると、その抵抗が増加することを意味します。
ランプが点灯する前は、フィラメントは冷たくて抵抗がほとんどありません。したがって、スイッチを入れた瞬間に公称電流の10〜15倍の電流が流れます。このサージを起動サージと呼びます。そしてそれが原因であることが多い 多くの場合、燃え尽き症候群の原因 フィラメントの。
フィラメントがウォームアップするのに数分の一秒かかります。この間、その抵抗は増加します。ガス、電球、およびすべての構造要素が暖まると、最初はランプに大きな電流が流れ、定格電流まで減少します。したがって、光源は指定されたモードに達し、定格光束を与えます。発光の色合いも公称値になります。つまり、2000 ～ 3500 K の色温度に対応します。これはウォーム ホワイトと呼ばれ、この範囲内にいくつかの色温度グラデーションがあり、元の名前と略語があります。例えば：
- 超暖かい白 - 2200-2400 K、S-Warm または S-W と呼ばれ、非常に暖かい白または Warm 2400 とも呼ばれます。
- 暖かい - 2600-2800 K または暖かい 2700;
- ウォーム ホワイト - 2700 ～ 3500 K またはウォーム ホワイト (WW)。
- 別のウォーム 2900-3100 K またはウォーム 3000 (W)。
個々のランプ要素の温度
LON 電球の外面は、ランプのワット数に依存し、250 ～ 300℃以上に加熱することができます。
フィラメントは2000～2800℃まで加熱され、タングステンの融点は3410℃です。
一部の設計では、フィラメントは、融点が 3045℃ のオスミウムまたは融点が 2174 のレニウムでできています。これにより、LN の発光スペクトルが可視スペクトルのレッドゾーンにシフトします。
電球の中にはどのようなガスが入っていますか
最初のランプでは、電球から空気が排出されました。ここで、25 ワット以下の低電力の電球のみを避難させます (空気を排出します)。
タングステン線が2〜3千度に加熱されると、金属はその表面から集中的に気化します。蒸気が電球の内側に溜まり、光の透過率が低下します。
前世紀の初めに行われた研究では、フラスコを不活性ガスで満たすと、蒸発が減少し、光収率が増加することが示されました。したがって、フラスコは不活性ガスの1つまたはそれらの混合物で満たされ始めました。ほとんどの場合、アルゴン、窒素、キセノン、クリプトン、ヘリウムなどです。ヘリウムは、新しい種類の LED レトロフィット ランプの内部要素の効果的な受動冷却に使用されます。
この実験は、家庭での使用には絶対にお勧めできません
それらの主な発光要素 - LEDの結晶が配置されている人工サファイアまたはガラスの細い棒。このようなエミッターはフィラメントと呼ばれます。一部の「専門家」は本質を混乱させています フィラメントランプ そしてそれらを「サファイア発光体を備えたランプ」と呼びました。これらのランプの人工サファイアは、取り付けベースと LED クリスタルのパッシブ ヒートシンクとしてのみ使用されます。
ほとんどの場合、LN の故障は、フィラメント本体の表面からの金属の蒸発によるものではなく、フィラメントの厚さの乱れの領域でのこのプロセスの加速によるものです。これは、ワイヤーの急激な曲がりや破損の領域で発生します。この時点で、抵抗が局所的に増加し、電圧、消費電力、金属温度が上昇します。蒸発が加速し、なだれのようになり、フィラメントは急速に太くなり、燃え尽きます。
この問題は、1950 年代後半から 1960 年代前半にかけてのハロゲン電球の大量生産によって解決されました。
塩素、臭素、フッ素、またはヨウ素などのハロゲンを不活性ガスまたは混合物に添加しました。その結果、金属の蒸発プロセスが完全に停止するか、大幅に遅くなります。これらの添加剤の原子がタングステン蒸気と結合し、不安定な化合物の分子を形成します。それらはグロー体の表面に堆積します。高温の影響下で、分子は崩壊してハロゲン原子と純粋な金属を放出し、それがフィラメントの高温表面に沈殿し、気化層を部分的に再生します。
このプロセスは、圧力を上げることによって強化されます。これにより、フィラメントの温度、寿命、光出力、効率、およびその他の特性が向上します。発光スペクトルは白色側にシフトします。ガス入りランプでは、タングステン蒸気による内部からのバルブ表面の黒化が遅くなります。このような光源はハロゲン光源と呼ばれる。
電気仕様
白熱灯の電気的特性は次のとおりです。
- ワットで測定された電力 - W、利用可能なモデルの範囲 - 数ワット（懐中電灯の電球 - 1 W）から500ワット、さらには1000ワットまで。
- 光束 Lm (ルーメン) は電力に関連しています。
- 発光効率、エネルギー効率または効率係数、Lm/W - 光束の形の光のルーメン数は、ネットワークまたは電源から消費される電力の各ワットを与えます
- 光の強度または輝度、cd (カンデラ);
- 色温度 - 特定の色合いの光を発する従来の黒体の温度。
電灯の目的
電灯は用途によって、公共用、技術用、特殊用途など、いくつかのタイプに分けることができます。
主な公共の用途は、夜間や部屋の暗い場所で人、動物、鳥に人工光を提供することです。
光を使用して、人々は日常の活動を数時間延長します。これは、仕事や勉強のプロセス、家事などです。道路の安全性、夜間・夜間の診療力等が向上します。
ランプは、畜産農場や養鶏場で積極的に使用されています。 植物 温室複合体で。それらは、特定のスペクトルと光束の大きさの光で照らされています。魚の養殖には、特定のスペクトル組成を持つ光も必要です。
技術的な目的。製造では、可視光と不可視光を提供するデバイスが技術的な目的で使用されます。例:
- 人は、正確で重要な作業のために職場で高レベルの照明を必要とします。
- IR - 赤外線は産業で使用されます。たとえば、建設部品の非接触加熱や、屋外の凍りつくような空気で働く人を加熱するための気候工学、軍事および狩猟工学、武器の夜景、暗視装置などで使用されます。 ;
- 紫外線- 放射線は、歯科では詰め物の高速硬化、歯科補綴物製作など、医療と衛生で使用されます。 部屋、器具、衣服、表面を消毒するための医学および衛生分野。医療と衛生では、部屋、道具、衣類、家具の表面、空気、水、医薬品などの消毒。
特殊用途のランプは、屋外および屋内の照明広告、法医学、航空および宇宙飛行、ショーの光の伴奏などで使用されます。
主な種類と特徴
白熱灯の主な種類は次のとおりです。
- 汎用ランプ。略称LONで呼ばれる。通常、これらは 25、40、60、75、および 100 ワットの電力を持つデバイスです。最も一般的なのは 60 W です。しかし、工業的に生産された LON の定格は 150、200、500、さらには 1000 ワットです。
- ハロゲン白熱灯。これらは、220 または 110 V の高電圧および低電圧で動作するように作られています。この場合、降圧トランスから電力が供給されます。
低圧ハロゲンランプの種類：
- カプセル、ベースが異なる全ガラス管の形をしています - エンドピンGY6.35またはG4。
- 35 ～ 111 mm の直径の反射素子を備えたリフレクター、オプション付きの GZ10 ソケット。
高電圧。主な電圧は 220 ～ 230 V、50 Hz です。これらのランプには、より多くのバージョンがあります。
- R7Sベースのガラス管の形をした線形。
- 円筒形 - E27、E14、または B15D ソケット。
- 取り外し可能または追加の電球付き。
最後のモデルには、コンパクトなハロゲン電球またはチューブがランプ内にしっかりと取り付けられています。通常の LON 電球の中央コアに溶接され、標準の Edison E27 または E14 ベースに接続された柔軟なリードが付いています。消費電力は70～100Wで、従来の白熱電球よりも20～30%多くの光束を提供します。
これらのモデルは、通常の LON 光源が 3-4 ～ 10-12 Lm/W であるのに対し、12-25 Lm/W に達するより高いエネルギー効率を持っています。
ハロゲンモデルの耐用年数は4〜5〜10〜12千時間です。
機能とデザインによるランプの分類
装飾用電球
近年、ヴィンテージのエジソン電球を模したレトロなランプが登場しています。
また、電球の形から「ろうそく」「風になびくろうそく」「円錐」「梨」「球」などを模しています。
ミラーリング
ミラーランプは、電球の一部が反射層で内側を覆われています。ほとんどの場合、それは金属 (銀、アルミニウム、金など) のコーティングです。この層は、薄く半透明または厚く不透明にすることができます。
ミラーリングされた設計は、最高純度の材料を使用する半導体製造など、完全に純粋なプロセス加熱の製造に使用されます。この場合、白熱灯の欠点 - 赤外線放射の高フラックス - が卓越した利点になります。
このようなランプは、狭いスイベル光ビームを備えた照明器具で使用されます。
信号
信号灯は点滅光源です。通常、点滅するビーコンの形をしています。社用車、飛行機、ヘリコプター、海軍での光メッセージの送信などに使用されています。これらには、急速な明るさの増加を提供する薄い白熱フィラメントがあります。
輸送
このタイプのランプは、自動車、鉄道、地下鉄、河川、船舶など、さまざまな種類の輸送手段で使用できるように設計されています。それらの主な要件は、振動と衝撃に対する耐性です。この目的のために、フィラメントは短く作られ、多くの支持要素に取り付けられています。そのようなランプのベースは、バヨネットスワン、ピン、または軒裏です。それらは、デバイスがねじを緩めてソケットから落ちるのを防ぎます。
イルミネーション
名前からも分かるように照明はランプです。したがって、それらの電球は、青、緑、黄、赤など、さまざまな色のガラスでできています。
二本鎖
このような白熱灯の図: 1 つの電球には 2 つの別々のフィラメントがあります。たとえば、車のヘッドライトでは、デュアル フィラメント電球が次のように使用されます。
- 電圧が 1 つのフィラメントに印加されると、ディップ ライトが点灯します。光の流れが道路に「押し付けられ」、ビームが数十メートル広がります。
- 2番目のフィラメントに切り替えた後、光が上がり、その範囲が数百メートルに達する可能性があり、光束ははるかに大きくなります。
このようなランプは、リアランプにもあります。最初のフィラメントはパーキング ライト用で、2 番目のフィラメントはストップ ライト用です。
信号機では、デュアル フィラメント ランプが信頼性を高めます。複製により、デバイスは 1 つのフィラメントで動作するか、最初のフィラメントが燃え尽きた後に 2 番目のフィラメントをオンにすることができます。また、たとえば鉄道では、信号の信頼性が輸送の安全を保証します。
汎用・局所用
一番上の列、左から右へ - E14 ソケット付きランプ - シャンデリア、ウォール ランプ、小型ランプ用、E27 ソケット付き - 汎用、緑、赤、黄色 - 照明。
一番下の行: 青 - 処置のための医療目的、リフレクター付きミラー - 写真作品または特別な照明用、バイオレット ガラス付き、外側の 2 つ - 電球「キャンドル」とソケット E27 および E14 で装飾。
長所と短所
白熱電球の利点:
- 低価格 - シンプルで安価な材料、設計と技術は何十年にもわたって機能し、大量自動生産。
- 比較的小さい寸法;
- 主電源の電圧サージは、すぐに障害を引き起こすわけではありません。
- 起動と再起動 - 瞬時。
- 周波数50〜60 Hzの交流電流で駆動すると、明るさの脈動はほとんど目立ちません。
- 発光の明るさは調光器で調整可能です。
- 発光スペクトルはしっかりしていて目になじみがあり、太陽スペクトルに似ています。
- さまざまなメーカーのランプの特性をほぼ完全に繰り返します。
- 演色評価数 Ra または CRI - 照らされたオブジェクトの色合いの再現の品質 - は 100 に等しく、これは太陽の指標に完全に対応します。
- コンパクトなフィラメントの小さいサイズにより、明確な影が得られます。
- 厳しい霜と熱の条件での高い信頼性;
- 設計により、数分の1から数百ボルトの動作電圧を持つモデルの大量生産が可能になります。
- 始動装置がない場合の AC または DC 電源
- フィラメント抵抗のアクティブな性質により、1 に等しい力率 (コサイン φ) が得られます。
- 放射線、電磁パルス、干渉に無関心。
- 放射線に実質的にUV成分が含まれていません。
- ライトやその他多くの頻繁なオン/オフ切り替えで通常の操作を提供します。
欠点は次のとおりです。
- LONの公称寿命 - ハロゲン白熱灯で1000時間 - 3〜5〜6千、 蛍光 - 最大 10 ～ 50,000 時間、LED ランプ - 30 ～ 150,000 時間以上。
- ガラス球と細いフィラメントは衝撃に敏感で、振動により特定の周波数で共振が発生する場合があります。
- エネルギー効率と寿命の電源電圧への依存度が高い。
- 可視光への電力変換効率は 3 ～ 4% を超えませんが、電力の増加とともに増加します。
- 電球の表面温度は出力によって異なります。
- スイッチを入れると、フィラメントがウォームアップする前の電流ジャンプが定格電流の 10 倍になることがあります。
- 照明器具のソケットと付属品は耐熱性がなければなりません。
ランプの寿命を延ばす方法
ランプの寿命を延ばす方法はたくさんあります。最も使用されるのは次のとおりです。
- ランプと直列にサーミスタを含めることによって突入電流を制限し、突入電流によって加熱されるとその高抵抗が減少する。
- サイリスタまたはトライアック調光器による手動調光によるソフトスタート。
- 強力な整流ダイオードを介したランプの電源、つまり半正弦波の整流電圧;
- マルチランプ照明器具におけるペアのランプの直列接続。シャンデリアで。
現代の産業では、さまざまな発光の色合い、電球とベースの構成を備えた、さまざまな動作電圧とワット数を備えた多数のさまざまな種類の白熱灯が製造されています。このような品揃えにより、 選ぶ あらゆる用途に必要なランプ。