Descrição e princípio da lâmpada
O que é uma lâmpada incandescente
Uma lâmpada incandescente, também conhecida como lâmpada incandescente, é uma fonte de luz artificial na qual a luz é produzida aquecendo um filamento fino de metal à temperatura de brilho de um metal incandescente. Uma corrente eléctrica é passada através do filamento para o aquecer. As primeiras lâmpadas tinham um filamento feito de material orgânico carbonizado, como o bambu, sob a forma de uma fibra.
Para evitar que o filamento ardesse rapidamente, o ar foi evacuado do bulbo e selado. Ou o frasco foi enchido com uma composição de gás que não tinha oxidante - oxigénio. Estes gases são chamados gases inertes - argónio, néon, hélio, nitrogénio, etc. São assim chamados porque não reagem com metais, ou seja, são inertes.
As primeiras lâmpadas de filamento de carbono As lâmpadas de filamentos de carbono tiveram uma vida operacional inferior a uma dúzia de horas. Isto foi significativamente aumentado através da substituição do filamento de carbono por um fino fio metálico.
Esta luz chamava-se luz incandescente, ou seja, a luz do metal incandescente. E o filamento foi chamado de luz incandescente. Por exemplo, o aço aquecido a 1200°C brilha a branco-amarelado e a 1300°C é quase branco.
No final do século XIX, o filamento de carbono, que se queimava rapidamente, foi substituído por metais refractários - tungsténio, molibdénio, ósmio ou óxidos metálicos - zircónio, magnésio, ítrio e outros.
O enchimento de um frasco com gases inertes reduziu a taxa de evaporação do metal de um filamento incandescente e, por conseguinte, aumentou a sua duração de funcionamento.
Para uma potência elevada, os filamentos são feitos numa forma "ramificada". As fontes de luz de projecção têm um filamento de configuração complexa para criar um fluxo direccional, formando uma estrutura plana perpendicular ao eixo de radiação. Dentro da lâmpada existe um reflector de luz, por exemplo uma fina camada de metal pulverizado como prata ou alumínio.
Foi necessário um longo e fino filamento de metal para alimentar a lâmpada directamente da rede eléctrica de 110 V DC então existente. Isto proporcionou uma maior resistência e, portanto, menos corrente foi necessária para o aquecimento.
Para 'embalar' firmemente num pequeno volume de frasco de vidro transparente, o filamento foi dobrado repetidamente e colocado em suportes de arame.
Esta dobragem do filamento complicou o desenho das primeiras fontes de luz, que duraram consideravelmente mais tempo do que as "de carbono". Um avanço no desenho da lâmpada incandescente foi a proposta de torcer o filamento numa espiral. Isto reduziu o seu tamanho muitas vezes.
Um corpo ainda mais pequeno foi obtido por enrolamento de uma bobina fina numa bobina de segundo, mas de maior diâmetro. A dupla hélice é chamada uma bi-helix.
A fase seguinte no desenvolvimento das fontes de luz foi a mudança para a rede CA e a utilização de um transformador para reduzir a tensão de alimentação das lâmpadas.
As partes principais de uma lâmpada incandescente
Os blocos de construção básicos de uma lâmpada incandescente são:
- o filamento ou corpo do filamento;
- um encaixe para prender o filamento;
- bulbo para proteger o filamento de combustão rápida e influências externas
- tomada para encaixe na tomada e ligação à fonte de alimentação
- contactos da tomada - caixa tipo parafuso e um contacto central na base da tomada.
O encaixe é concebido para fixar o filamento e criar a configuração necessária e a directividade da saída de luz.
A base é necessária para a fixar na tomada de montagem e para a ligar ao bulbo. Em lâmpadas retrofitas, o equivalente às lâmpadas incandescentes, a tomada aloja parte da unidade de fornecimento de energia.
A base
Em Lâmpadas de halogéneoAs lâmpadas de halogéneo, dependendo da tensão de alimentação, potência e desenho da lâmpada, têm uma série de bases diferentes - de rosca, macho, baioneta, pino, etc.
O sistema de contacto na tomada é necessário para a ligação à rede de alimentação ou unidade de alimentação.
O bulbo
As lâmpadas transparentes de LN são utilizadas para:
- Proteger o filamento da atmosfera exterior que contém o oxidante - oxigénio;
- Geração e retenção de vácuo ou composição de gás;
- colocação de fósforo e/ou revestimentos que convertem diferentes tipos de energia electromagnética em radiação visível, retorno de calor ao filamento, conversão de radiação UV e IR invisível em luz, correcção da tonalidade da lâmpada - vermelho, verde, azul.
Filamento
O filamento é um filamento enroscado numa bobina ou bi-bobina, ou uma fina tira de metal.
Meio de gás
Os gases inertes com que a lâmpada é enchida, por exemplo, nitrogénio, árgon, néon, hélio. As substâncias halógenas são adicionadas às misturas de gases nobres.
Como é feita uma lâmpada eléctrica e como funciona
A construção de uma lâmpada incandescente não mudou muito durante o tempo do seu desenvolvimento. O elemento básico que funciona com base no princípio do brilho de uma substância incandescente é o filamento ou corpo do filamento. É um fio fino de tungsténio com um diâmetro de 30-40, máximo de 50 microns ou micrómetros (milionésimos de metro).
As cores do corpo incandescente começam a partir do vermelho e passam pelo laranja, amarelo a branco à medida que a temperatura aumenta. À medida que a temperatura aumenta ainda mais, o metal incandescente primeiro derrete e depois, na presença de oxigénio, queima.
Vídeo aula: Como funcionam as lâmpadas modernas
Um filamento de tungsténio frio tem uma baixa resistividade. O tungsténio, como a maioria dos metais, tem um coeficiente de temperatura positiva de resistência TKS. Isto significa que quando o filamento é aquecido por uma corrente eléctrica, a sua resistência aumenta.
Antes de a lâmpada ser ligada, o filamento é frio e tem pouca resistência. Portanto, uma corrente de 10 a 15 vezes a corrente nominal é aplicada no momento em que é ligada. Este pico de corrente é chamado de corrente de arranque. E é muitas vezes a razão... frequentemente a causa do esgotamento do filamento.
É necessária uma fracção de segundo para que o filamento aqueça. Durante este tempo, a sua resistência aumenta. A corrente inicialmente elevada que flui através da lâmpada é reduzida à corrente nominal à medida que o gás, a lâmpada e todos os componentes aquecem. Assim, a fonte de luz atinge o modo de funcionamento nominal e produz o fluxo luminoso nominal. A cor luminosa também se torna nominal, ou seja, corresponde a uma temperatura de cor de 2000 a 3500 K. Chama-se branco quente e tem várias gradações de temperatura de cor dentro da gama especificada com nomes e abreviaturas originais. Por exemplo:
- branco super quente - 2200-2400 K, designado S-Warm ou S-W, também conhecido como branco muito quente ou Warm 2400;
- Quente - 2600-2800 K ou Warm 2700;
- branco quente - 2700-3500 K ou Branco Quente (WW);
- outro branco quente - 2900-3100 K ou Warm 3000 (W).
Temperaturas dos elementos individuais da lâmpada
A superfície exterior de uma lâmpada LON depende da potência da lâmpada e pode ser aquecida a 250-300℃ ou mais.
O filamento aquece até 2000-2800℃, a um ponto de fusão de tungsténio de 3410°C.
Em alguns desenhos, o filamento é feito de ósmio com um ponto de fusão de 3045℃ ou de rénio com um ponto de fusão de 2174. Isto desloca o espectro luminoso do LN para a zona vermelha do espectro visível.
Que gás está no bulbo
Nas primeiras lâmpadas, o ar foi bombeado para fora da lâmpada. Agora só as lâmpadas de baixa potência (máx. 25 W) são aspiradas (evacuadas).
Quando um fio de tungsténio aquecido a 2-3 mil graus Celsius está em funcionamento, o metal é vaporizado intensivamente a partir da sua superfície. Este vapor é depositado no interior da lâmpada e reduz a sua transmissão de luz.
Pesquisas realizadas no início do século passado mostraram que se o frasco for cheio com um gás inerte, a evaporação é reduzida e o rendimento da luz aumenta. Portanto, os frascos foram enchidos com um dos gases inertes ou as suas misturas. Os gases mais comuns são o árgon, azoto, xenon, krypton, hélio, etc. O hélio é utilizado para o arrefecimento passivo efectivo do interior de novos tipos de lâmpadas LED de retroajuste.
Esta experiência não é categoricamente recomendada para uso doméstico
O seu principal elemento emissor de luz é uma haste fina de safira artificial ou vidro sobre o qual se encontram os cristais de LED. Este tipo de emissor é chamado de filamento. Alguns "peritos" confundiram a essência de lâmpadas de filamento e chamou-lhes "lâmpadas de díodos emissores de luz de safira". Embora a safira artificial nestas lâmpadas seja utilizada apenas como base de montagem e dissipador de calor passivo para os cristais LED.
A falha dos LNs na maioria dos casos não se deve à evaporação do metal da superfície do filamento, mas à aceleração deste processo em áreas de perturbação da espessura do filamento. Isto ocorre na área de uma curva acentuada no arame ou da sua fractura. Nesta altura, a sua resistência aumenta localmente, a tensão, a dissipação de energia e o aumento da temperatura do metal. A evaporação acelera, torna-se em forma de avalanche, o filamento reduz rapidamente a espessura e queima-se.
Este problema foi resolvido no final dos anos 50 e início dos anos 60, com a produção em massa de lâmpadas de halogéneo.
Halogéneos - cloro, bromo, flúor ou iodo - foram adicionados a um gás inerte ou mistura. Como resultado, o processo de evaporação do metal pára por completo ou abranda significativamente. Os átomos destes aditivos ligam os vapores de tungsténio para formar moléculas de compostos instáveis. Estes são depositados na superfície do corpo incandescente. Sob a influência de altas temperaturas, as moléculas decompõem-se e libertam átomos de halogéneo e metal puro, que se depositam na superfície quente do filamento e regeneram parcialmente a camada vaporizada.
Este processo é intensificado através do aumento da pressão. Isto aumenta a temperatura do filamento, a vida útil, a saída de luz, a eficiência e outras características. O espectro das emissões é deslocado para o lado branco. Nas lâmpadas cheias de gás, o escurecimento da superfície da lâmpada a partir do interior por vapor de tungsténio é retardado. Estas fontes de luz são chamadas fontes de luz de halogéneo.
Parâmetros eléctricos
As características eléctricas das lâmpadas incandescentes são:
- potência eléctrica, medida em watts - W, a gama de modelos disponíveis é de alguns watts (uma lâmpada de tocha é de 1 W) a 500 e até 1000 W;
- o fluxo luminoso, lm (lúmen), está relacionado com a potência - de 20 lm a 5W a 2500 lm a 200W, a uma potência superior o fluxo luminoso é mais elevado;
- Eficácia luminosa, eficiência energética ou factor de eficiência, Lm/W - quantos lúmenes de luz em termos de fluxo luminoso dão a cada watt de potência consumida da rede ou da fonte de alimentação;
- intensidade luminosa ou luminância, cd (candela);
- temperatura de cor - a temperatura de um corpo preto convencional que emite luz com uma tonalidade específica.
Finalidade de uma lâmpada eléctrica
As lâmpadas eléctricas podem ser divididas em vários tipos de acordo com a sua aplicação - para uso público, técnico e especial.
O principal uso público é fornecer a qualquer humano, animal ou ave luz artificial à noite ou numa sala escura.
Ao utilizar a luz, as pessoas prolongam a sua actividade diária por várias horas. Isto pode ser processos de trabalho e estudo, tarefas domésticas. A segurança rodoviária é melhorada, podem ser prestados cuidados médicos à noite e à noite, e assim por diante.
As lâmpadas são activamente utilizadas em explorações pecuárias e avícolas, para cultivo plantas em complexos de estufas. São iluminados com luz de um certo espectro e magnitude de fluxo luminoso. A piscicultura também requer luz com uma composição espectral específica.
Aplicações técnicas. Os dispositivos que dão luz visível e invisível são utilizados no fabrico para fins tecnológicos. Exemplos:
- Para um trabalho preciso e importante, uma pessoa precisa de um elevado nível de luz no local de trabalho;
- RI - A radiação infravermelha é utilizada na indústria, por exemplo, para aquecimento sem contacto de peças de construção ou na tecnologia climática para fornecer calor às pessoas que trabalham ao ar livre; na tecnologia militar e de caça - miras nocturnas para armas, dispositivos de visão nocturna, etc;
- UV-A radiação UV é utilizada na odontologia para endurecimento rápido de obturações, próteses dentárias, etc., em medicina e saneamento - para desinfecção desinfecção dos quartosNa medicina e saneamento a desinfecção de quartos, ferramentas, vestuário, superfícies de mobiliário, ar, água, medicamentos, etc.
As lâmpadas para fins especiais são utilizadas em publicidade de luz exterior e interior, forense, aeronáutica e astronáutica, iluminação de espectáculos, etc.
Principais tipos e características
Os principais tipos de lâmpadas incandescentes são:
- Lâmpadas de uso geral. São designados pela abreviatura LON. Geralmente são dispositivos com uma potência de 25, 40, 60, 75 e 100 watts. O mais comum é de 60 W. Mas LLH comercialmente disponível com 150, 200, 500 e até 1000 watts.
- Lâmpadas incandescentes de halogéneo. Disponível para aplicações de alta tensão e baixa tensão de 220 V ou 110 V. Neste caso, são alimentados a partir de um transformador de passo descendente.
Uma variedade de lâmpadas de halogéneo de baixa tensão:
- cápsula, tendo uma forma de tubos totalmente de vidro com bases diferentes - quer cápsulas GY6.35 ou G4 de pinos de extremidade;
- reflectores com um elemento reflector, diâmetro de 35 a 111 mm, tomada GZ10 com opções.
Alta voltagem. A voltagem básica é de 220-230 V, 50 Hz. Estas lâmpadas têm mais versões:
- linear - como um tubo feito de vidro com bases R7S;
- cilíndrico - tomada E27, E14 ou B15D;
- com lâmpada remota ou adicional.
Estes últimos têm uma lâmpada de halogéneo ou um tubo montado rigidamente dentro da lâmpada. É soldada ao núcleo central da lâmpada LON padrão e tem cabos flexíveis ligados a uma base Edison E27 ou E14 padrão. A 70-100W, fornece 20-30% mais fluxo luminoso do que uma lâmpada incandescente padrão.
Estes modelos têm uma maior eficiência energética de até 12-25 Lm/W enquanto a produção das fontes de luz convencionais LON varia de 3-4 a 10-12 Lm/W.
A vida útil dos modelos de halogéneo é de 4-5 a 10-12 mil horas.
Classificação das lâmpadas de acordo com o uso e design previstos
Lâmpadas decorativas
Nos últimos anos, apareceram lâmpadas retro que imitam as lâmpadas Edison vintage.
Além disso, têm a forma de "vela", "vela ao vento", "cone", "pêra", "bola", etc.
Espelhado
As lâmpadas reflectoras têm um revestimento reflector no interior da lâmpada. É normalmente um revestimento de metal como prata, alumínio ou ouro. Esta camada pode ser fina e translúcida ou espessa e opaca.
As estruturas reflectoras são utilizadas no fabrico de aquecimento de processo completamente puro, por exemplo, no fabrico de semicondutores com materiais de elevada pureza. Aqui, uma desvantagem das lâmpadas incandescentes - o elevado fluxo de radiação infravermelha - torna-se uma vantagem imbatível.
Tais lâmpadas são utilizadas em luminárias com um feixe de luz estreito e giratório.
Sinal
As lâmpadas de sinalização estão a piscar fontes de luz. Normalmente sob a forma de faróis intermitentes, por exemplo em veículos de serviço, em aviões e helicópteros, para a transmissão de mensagens leves na marinha, etc. Têm um filamento fino que permite um rápido aumento da luminosidade.
Transporte .
Este tipo de lâmpadas destina-se à utilização em diferentes tipos de transporte, tais como: automóveis, caminhos-de-ferro e metropolitano, embarcações fluviais e marítimas. O principal requisito para eles é a resistência a vibrações e impactos. Para o conseguir, o filamento é feito curto e montado em múltiplos elementos de suporte. As bases de tais lâmpadas são baioneta, alfinete ou soffit. Evitam que a unidade se desenrosque e caia da tomada.
Lâmpadas de iluminação .
O nome implica que estas lâmpadas são utilizadas para iluminação. Por conseguinte, os seus bulbos são feitos de diferentes cores de vidro - azul, verde, amarelo, vermelho, etc.
Duplo encalhamento .
O diagrama de tal lâmpada incandescente: Dois filamentos separados numa só lâmpada. Num farol de carro, por exemplo, uma lâmpada de filamento duplo é utilizada como se segue:
- quando a tensão é aplicada a um filamento, o feixe de cruzamento é ligado - o feixe de luz é "pressionado" contra a superfície da estrada e o feixe estende-se por várias dezenas de metros;
- Depois de mudar para o segundo filamento, a luz sobe e o seu alcance pode atingir as centenas de metros e o feixe será consideravelmente maior.
Tais lâmpadas podem também estar numa luz de retaguarda. O primeiro filamento é para as luzes de estacionamento, o segundo é para a luz de travagem.
Nos semáforos, as lâmpadas de duplo filamento aumentam a sua fiabilidade. A duplicação permite que a unidade funcione com um filamento ou ligue o segundo depois de o primeiro ter rebentado. E nos caminhos-de-ferro, por exemplo, a sinalização fiável é uma garantia de segurança no transporte.
Geral, local
Fila superior, da esquerda para a direita: tomada E14 para lustres, candeeiros de parede e pequenos candeeiros; tomada E27 para candeeiros de uso geral; verde, vermelho, amarelo - candeeiros de iluminação.
Fila inferior: azul - para fins médicos para procedimentos; espelho com reflector - para trabalhos fotográficos ou iluminação especial, com vidro violeta, os dois exteriores - decorativos com uma lâmpada "vela" e tomada E27 e E14.
Prós e contras
Vantagens das lâmpadas incandescentes:
- Baixo preço - materiais simples e baratos, design e tecnologia trabalhados ao longo de décadas, produção automatizada em massa;
- dimensões relativamente pequenas;
- os picos de tensão da rede não causam falhas imediatas;
- O arranque, bem como o reinício, é instantâneo;
- com alimentação 50-60 Hz AC, a pulsação de brilho é imperceptível;
- a luminância é regulável;
- o espectro de emissão é uniforme e familiar ao olho - semelhante ao do sol;
- As características das lâmpadas de diferentes fabricantes são quase exactamente as mesmas;
- Índice de restituição de cor Ra ou CRI - qualidade de restituição de cor dos objectos iluminados - igual a 100, o que corresponde totalmente ao índice do sol;
- as pequenas dimensões do filamento compacto dão sombras claras;
- alta fiabilidade em frio e calor extremos;
- O desenho permite a produção em massa de modelos com tensões de funcionamento de fracções até centenas de volts;
- Fornecimento de energia CA ou CC na ausência de arrancadores
- A natureza activa da resistência do filamento garante um factor de potência (coseno φ) de 1;
- indiferente à radiação, pulso electromagnético, interferência;
- praticamente nenhum componente UV na radiação;
- O funcionamento padrão com o acendimento e apagamento frequente das luzes é assegurado, etc.
As desvantagens incluem:
- a vida nominal de LON é de 1.000 horas, enquanto que para lâmpadas incandescentes de halogéneo - de 3 a 5-6 mil, para fluorescente - até 10-50 mil horas, lâmpadas LED - 30-150 mil horas ou mais;
- O bulbo de vidro e o filamento fino são sensíveis a choques; a vibração pode causar ressonância a certas frequências;
- Elevada dependência da eficiência energética e do tempo de vida útil da tensão de alimentação;
- A eficiência de conversão da electricidade em luz visível não excede 3-4%, mas aumenta com o aumento da potência;
- A temperatura da superfície da lâmpada é dependente da potência e é a seguinte: 100W - 290°C, 200W - 330°C, 25W - 100°C;
- Ao ligar, o pico de corrente antes do filamento aquecer pode ser dez vezes maior do que a corrente nominal;
- As tomadas e acessórios da luminária devem ser resistentes ao calor.
Como prolongar a vida útil da lâmpada
Há muitas maneiras de aumentar a vida útil da lâmpada. As mais usadas são as mais comuns:
- Limitação da corrente de irrupção ao incorporar um termistor em série com a lâmpada, cuja alta resistência diminui à medida que a corrente de irrupção a aquece;
- Arranque suave com escurecimento manual por um tiristor ou dimmer triac;
- Alimentação eléctrica da lâmpada através de um poderoso díodo rectificador, ou seja, tensão rectificada de meia onda sinusoidal;
- Ligação de lâmpadas em pares em luminárias multi-lâmpadas, por exemplo, lustres.
A indústria moderna produz um grande número de diferentes tipos de lâmpadas incandescentes com uma vasta gama de tensões de funcionamento e potências, com diferentes tonalidades de luminescência, configurações de lâmpadas e bases. Esta gama permite-lhe escolher escolha lâmpada necessária para cada aplicação.