Popis a princíp žiarovky
Čo je to žiarovka
Žiarovka, známa aj ako žiarovka, je zdroj umelého svetla, v ktorom sa svetlo vytvára zahrievaním tenkého kovového vlákna na teplotu žeravého kovu. Vláknom prechádza elektrický prúd, ktorý ho zahrieva. Prvé lampy mali vlákno vyrobené zo zuhoľnateného organického materiálu, napríklad z bambusu, v podobe vlákna.
Aby sa vlákno rýchlo nespálilo, zo žiarovky sa odčerpal vzduch a utesnila sa. Alebo bola banka naplnená plynom, ktorý nemal okysličovadlo - kyslík. Tieto plyny sa nazývajú inertné plyny - argón, neón, hélium, dusík atď. Nazývajú sa tak preto, lebo nereagujú s kovmi, t. j. sú inertné.
Prvé žiarovky s uhlíkovým vláknom Žiarovky s uhlíkovým vláknom mali životnosť menej ako desať hodín. Výrazne sa zvýšil nahradením uhlíkového vlákna tenkým kovovým drôtom.
Toto svetlo sa nazývalo žeravé svetlo, t. j. svetlo žeravého kovu. A vlákno sa nazývalo žiarovka. Napríklad oceľ zahriata na 1200 °C žiari žltobielo a pri 1300 °C je takmer biela.
Koncom 19. storočia sa uhlíkové vlákno, ktoré sa rýchlo vypaľovalo, nahradilo žiaruvzdornými kovmi - volfrámom, molybdénom, osmijom alebo oxidmi kovov - zirkóniom, horčíkom, ytriom a inými.
Naplnenie banky inertnými plynmi znížilo rýchlosť odparovania kovu zo žeraviaceho vlákna, a tým predĺžilo dobu jeho prevádzky.
Pre vysoký výkon sa vlákna vyrábajú v "rozvetvenej" forme. Projekčné svetelné zdroje majú vlákno zložitej konfigurácie, ktoré vytvára smerový tok a tvorí plochú štruktúru kolmú na os vyžarovania. Vo vnútri žiarovky sa nachádza svetelný reflektor, napr. tenká vrstva striekaného kovu, ako je striebro alebo hliník.
Na napájanie lampy priamo z vtedajšieho 110 V jednosmerného napájania bolo potrebné dlhé a tenké kovové vlákno. Tým sa zvýšil odpor, a preto bol na ohrev potrebný menší prúd.
Aby sa vlákno tesne "zabalila" do malého objemu banky z číreho skla, opakovane sa ohýbala a umiestňovala na drôtené držiaky.
Toto ohýbanie vlákna skomplikovalo konštrukciu prvých svetelných zdrojov, ktoré vydržali podstatne dlhšie ako "uhlíkové". Prelomom v konštrukcii žiarovky bol návrh stočiť vlákno do špirály. Tým sa jeho veľkosť mnohonásobne zmenšila.
Ešte menšie žeravé teleso sa získalo navinutím tenkej cievky do druhej cievky s väčším priemerom. Dvojitá špirála sa nazýva bi-helix.
Ďalšou etapou vo vývoji svetelných zdrojov bol prechod na striedavý prúd a použitie transformátora na zníženie napájacieho napätia žiaroviek.
Hlavné časti žiarovky
Základné stavebné prvky žiarovky sú:
- vlákno alebo telo vlákna;
- kovanie na upevnenie vlákna;
- žiarovka na ochranu vlákna pred rýchlym vznietením a vonkajšími vplyvmi
- zásuvka na montáž do zásuvky a pripojenie k napájaniu
- kontakty zásuvky - skrutkové puzdro a centrálny kontakt v základni zásuvky.
Kovanie je navrhnuté tak, aby upevnilo vlákno a vytvorilo požadovanú konfiguráciu a smerovosť svetelného výstupu.
Pätica je potrebná na upevnenie v montážnej objímke a na pripojenie k žiarovke. V retrofitových žiarovkách, ktoré sú ekvivalentom žiaroviek, sa v objímke nachádza časť napájacej jednotky.
Základňa
Na stránke Halogénové žiarovkyHalogénové žiarovky majú v závislosti od napájacieho napätia, výkonu a konštrukcie žiarovky niekoľko rôznych pätíc - skrutkovacie, s päticou, bajonetové, kolíkové atď.
Kontaktný systém na základnej doske je potrebný na pripojenie k napájacej sieti alebo napájacej jednotke.
Žiarovka
Priehľadné LN žiarovky sa používajú na:
- Chráni vlákno pred vonkajšou atmosférou obsahujúcou oxidant - kyslík;
- Vytváranie a udržiavanie vákua alebo zloženia plynu;
- umiestnenie luminoforu a/alebo povlakov, ktoré premieňajú rôzne typy elektromagnetickej energie na viditeľné žiarenie, návrat tepla do vlákna, premena neviditeľného UV a IR žiarenia na svetlo, korekcia odtieňa lampy - červená, zelená, modrá.
Vlákno
Vlákno je vlákno stočené do cievky alebo dvojcievky alebo tenký pásik kovu.
Plynové médium
Inertné plyny, ktorými je žiarovka naplnená, napr. dusík, argón, neón, hélium. Do zmesí vzácnych plynov sa pridávajú halogénové látky.
Ako sa vyrába žiarovka a ako funguje
Konštrukcia žiarovky sa počas jej vývoja veľmi nezmenila. Základným prvkom, ktorý funguje na princípe žeravenia zo žeravej látky, je vlákno alebo vláknové teleso. Je to tenký volfrámový drôt s priemerom 30-40, maximálne 50 mikrónov alebo mikrometrov (milióntina metra).
Farby žiarovky začínajú od červenej a so zvyšujúcou sa teplotou prechádzajú cez oranžovú, žltú až po bielu. Pri ďalšom zvyšovaní teploty sa žeravý kov najprv roztaví a potom v prítomnosti kyslíka horí.
Video lekcia: Ako fungujú moderné žiarovky
Studené volfrámové vlákno má nízky odpor. Volfrám, podobne ako väčšina kovov, má kladný teplotný koeficient odporu TKS. To znamená, že keď sa vlákno zahrieva elektrickým prúdom, jeho odpor sa zvyšuje.
Pred zapnutím žiarovky je vlákno studené a má malý odpor. Preto sa v okamihu zapnutia aplikuje prúd 10 až 15-násobku menovitého prúdu. Tento prúdový náraz sa nazýva nábehový prúd. A často je to dôvod, prečo... často príčinou vyhorenia vlákna.
Zahriatie vlákna trvá zlomok sekundy. Počas tohto obdobia sa jeho odolnosť zvyšuje. Pôvodne vysoký prúd pretekajúci žiarovkou sa po zahriatí plynu, žiarovky a všetkých komponentov zníži na menovitý prúd. Svetelný zdroj tak dosiahne menovitý prevádzkový režim a produkuje menovitý svetelný tok. Aj farba svetla sa stáva nominálnou, t. j. zodpovedá farebnej teplote 2000 až 3500 K. Nazýva sa teplá biela a má niekoľko stupňov farebnej teploty v uvedenom rozsahu s originálnymi názvami a skratkami. Napríklad:
- superteplá biela - 2200-2400 K, označovaná ako S-Warm alebo S-W, alias veľmi teplá biela alebo teplá 2400;
- Teplá - 2600-2800 K alebo teplá 2700;
- teplá biela - 2700-3500 K alebo teplá biela (WW);
- ďalšia teplá biela - 2900-3100 K alebo teplá 3000 (W).
Teploty jednotlivých prvkov svietidla
Vonkajší povrch žiarovky LON závisí od výkonu žiarovky a môže byť zahriaty na 250-300 ℃ alebo viac.
Žiarovka sa zahrieva na 2000-2800 °C, pričom teplota tavenia volfrámu je 3410 °C.
V niektorých prevedeniach je vlákno vyrobené z osmia s teplotou topenia 3045 ℃ alebo z rénia s teplotou topenia 2174. To posúva svetelné spektrum LN do červenej oblasti viditeľného spektra.
Aký plyn je v žiarovke
V prvých lampách sa zo žiarovky odčerpával vzduch. Teraz sa vysávajú (evakuujú) len žiarovky s nízkym výkonom (max. 25 W).
Keď je volfrámový drôt zahriaty na 2 až 3 tisíc stupňov Celzia v prevádzke, kov sa z jeho povrchu intenzívne odparuje. Táto para sa usadzuje na vnútornej strane žiarovky a znižuje jej priepustnosť svetla.
Výskum uskutočnený začiatkom minulého storočia ukázal, že ak sa banka naplní inertným plynom, zníži sa odparovanie a zvýši sa výťažok svetla. Preto boli banky naplnené jedným z inertných plynov alebo ich zmesami. Najbežnejšie plyny sú argón, dusík, xenón, kryptón, hélium atď. Hélium sa používa na účinné pasívne chladenie vnútorných prvkov nových druhov LED retrofitných svietidiel.
Tento experiment sa kategoricky neodporúča na domáce použitie
Ich hlavným svetelným prvkom je tenká tyčinka z umelého zafíru alebo skla, na ktorej sú umiestnené kryštály LED. Tento druh žiariča sa nazýva vlákno. Niektorí "odborníci" si pomýlili podstatu žiaroviek a nazval ich "zafírové svetelné diódy". Hoci sa umelý zafír v týchto lampách používa len ako montážna základňa a pasívny chladič pre kryštály LED.
Zlyhanie LN vo väčšine prípadov nie je spôsobené odparovaním kovu z povrchu vlákna, ale urýchlením tohto procesu v oblastiach narušenia hrúbky vlákna. K tomu dochádza v oblasti ostrého ohybu drôtu alebo jeho zlomu. V tomto bode sa jeho odpor lokálne zvyšuje, napätie, rozptýlený výkon a teplota kovu stúpajú. Odparovanie sa zrýchľuje, stáva sa lavínovitým, vlákno sa rýchlo zmenšuje a vyhorí.
Tento problém sa vyriešil na prelome 50. a 60. rokov 20. storočia, keď sa začali masovo vyrábať halogénové žiarovky.
Halogény - chlór, bróm, fluór alebo jód - sa pridávali do inertného plynu alebo zmesi. V dôsledku toho sa proces odparovania kovu úplne zastaví alebo výrazne spomalí. Atómy týchto prísad viažu volfrámové pary a vytvárajú molekuly nestabilných zlúčenín. Tie sa usadzujú na povrchu žeravého telesa. Vplyvom vysokej teploty sa molekuly rozkladajú a uvoľňujú atómy halogénov a čistého kovu, ktoré sa usadzujú na horúcom povrchu vlákna a čiastočne regenerujú odparenú vrstvu.
Tento proces sa zintenzívňuje zvyšovaním tlaku. Tým sa zvyšuje teplota vlákna, životnosť, svetelný výkon, účinnosť a ďalšie vlastnosti. Emisné spektrum je posunuté na bielu stranu. V lampách plnených plynom sa stmavnutie povrchu žiarovky zvnútra volfrámovými parami oneskoruje. Tieto zdroje svetla sa nazývajú halogénové zdroje svetla.
Elektrické parametre
Elektrické charakteristiky žiaroviek sú:
- elektrický výkon, meraný vo wattoch - W, rozsah dostupných modelov je od niekoľkých wattov (žiarovka je 1 W) do 500 a dokonca 1000 W;
- svetelný tok, lm (lumen), súvisí s výkonom - od 20 lm pri 5 W do 2500 lm pri 200 W, pri vyššom výkone je svetelný tok vyšší;
- Svetelná účinnosť, energetická účinnosť alebo faktor účinnosti, Lm/W - koľko lúmenov svetla v zmysle svetelného toku pripadá na každý watt energie spotrebovanej zo siete alebo zdroja napájania;
- intenzita svetla alebo jas, cd (kandela);
- farebná teplota - teplota bežného čierneho telesa, ktoré vyžaruje svetlo s určitým odtieňom.
Účel elektrickej lampy
Elektrické lampy možno rozdeliť na niekoľko typov podľa ich použitia - na verejné, technické a špeciálne použitie.
Hlavným verejným účelom je poskytovať umelé svetlo ľuďom, zvieratám alebo vtákom v noci alebo v tmavej miestnosti.
Používaním svetla si ľudia predlžujú svoju dennú aktivitu o niekoľko hodín. Môže ísť o pracovné a študijné procesy, domáce práce. Zvyšuje sa bezpečnosť na cestách, zdravotná starostlivosť sa môže poskytovať večer a v noci atď.
Lampy sa aktívne používajú na farmách hospodárskych zvierat a hydiny, na pestovanie rastliny v skleníkových komplexoch. Sú osvetlené svetlom určitého spektra a veľkosti svetelného toku. Chov rýb si tiež vyžaduje svetlo so špecifickým spektrálnym zložením.
Technické aplikácie. Zariadenia, ktoré vydávajú viditeľné a neviditeľné svetlo, sa používajú vo výrobe na technologické účely. Príklady:
- Na presnú a dôležitú prácu potrebuje človek na pracovisku vysokú úroveň osvetlenia;
- IR - Infračervené žiarenie sa využíva v priemysle, napríklad na bezdotykové ohrievanie stavebných dielov alebo v klimatizačnej technike na zabezpečenie tepla pre ľudí pracujúcich pod holým nebom; vo vojenskej a poľovníckej technike - nočné zameriavače zbraní, prístroje na nočné videnie atď;
- UV-UV žiarenie sa používa v zubnom lekárstve na rýchle vytvrdzovanie výplní, zubných protéz atď., v medicíne a sanitácii - na dezinfekciu dezinfekcia miestnostíV medicíne a sanitácii dezinfekcia miestností, nástrojov, odevov, povrchov nábytku, vzduchu, vody, liekov atď.
Špeciálne svietidlá sa používajú vo vonkajšej a vnútornej svetelnej reklame, v súdnom lekárstve, letectve a kozmonautike, pri osvetľovaní výstav atď.
Hlavné typy a vlastnosti
Hlavné druhy žiaroviek sú:
- Žiarovky na všeobecné použitie. Označujú sa skratkou LON. Všeobecne ide o zariadenia s príkonom 25, 40, 60, 75 a 100 wattov. Najbežnejšia hodnota je 60 W. Ale komerčne dostupné LLH s výkonom 150, 200, 500 a dokonca 1000 W.
- Halogénové žiarovky. K dispozícii pre vysokonapäťové a nízkonapäťové aplikácie 220 V alebo 110 V. V tomto prípade sú napájané zo znižujúceho transformátora.
Rôzne nízkonapäťové halogénové žiarovky:
- kapsule, ktoré majú podobu celosklenených trubíc s rôznymi základňami - buď GY6.35, alebo G4 s kolíkovými koncovkami;
- reflektorové svetlá s reflexným prvkom, priemer od 35 do 111 mm, objímka GZ10 s možnosťou výberu.
Vysoké napätie. Základné napätie je 220-230 V, 50 Hz. Tieto lampy majú viac verzií:
- lineárne - ako rúrka zo skla so základňou R7S;
- valcová - objímka E27, E14 alebo B15D;
- s diaľkovým ovládaním alebo prídavnou žiarovkou.
Tie majú halogénovú žiarovku alebo trubicu pevne namontovanú v žiarovke. Je privarená k centrálnemu jadru štandardnej žiarovky LON a má flexibilné vodiče pripojené k štandardnej pätici Edison E27 alebo E14. Pri výkone 70-100 W poskytuje o 20-30 % vyšší svetelný tok ako štandardná žiarovka.
Tieto modely majú vyššiu energetickú účinnosť až 12-25 lm/W, zatiaľ čo bežné svetelné zdroje LON majú svetelný výkon 3-4 až 10-12 lm/W.
Životnosť halogénových modelov je 4-5 až 10-12 tisíc hodín.
Klasifikácia svietidiel podľa účelu použitia a konštrukcie
Dekoratívne žiarovky
V posledných rokoch sa objavili retro žiarovky, ktoré napodobňujú historické Edisonove žiarovky.
Okrem toho majú tvar "sviečky", "sviečky vo vetre", "kužeľa", "hrušky", "gule" atď.
Zrkadlové
Reflektorové žiarovky majú na vnútornej strane žiarovky reflexnú vrstvu. Zvyčajne ide o kovovú vrstvu, ako je striebro, hliník alebo zlato. Táto vrstva môže byť tenká a priesvitná alebo hrubá a nepriehľadná.
Reflexné štruktúry sa používajú vo výrobe na úplne čistý procesný ohrev, napr. pri výrobe polovodičov s vysoko čistými materiálmi. Nevýhoda žiaroviek - vysoký tok infračerveného žiarenia - sa tu stáva neprekonateľnou výhodou.
Takéto svietidlá sa používajú v svietidlách s úzkym otočným svetelným lúčom.
Signál
Signálne svetlá sú blikajúce svetelné zdroje. Zvyčajne vo forme blikajúcich majákov, napr. na služobných vozidlách, lietadlách a vrtuľníkoch, na vysielanie svetelných správ v námorníctve atď. Majú tenké vlákno, ktoré umožňuje rýchle zvýšenie jasu.
Doprava .
Tento typ svietidiel je určený na použitie v rôznych druhoch dopravy, ako sú: automobily, železnice a podzemné, riečne a námorné lode. Ich hlavnou požiadavkou je odolnosť voči vibráciám a nárazom. Na tento účel sa vlákno skráti a upevní na viacero nosných prvkov. Základne týchto žiaroviek sú bajonetové, kolíkové alebo podhlavňové. Zabraňujú odskrutkovaniu jednotky a jej vypadnutiu zo zásuvky.
Osvetľovacie lampy .
Z názvu vyplýva, že tieto lampy sa používajú na osvetlenie. Preto sú ich žiarovky vyrobené z rôznych farieb skla - modrej, zelenej, žltej, červenej atď.
Dvojité vlákno .
Schéma takejto žiarovky: Dve samostatné vlákna v jednej žiarovke. V automobilovom svetlomete sa napríklad používa dvojvláknové svietidlo:
- keď sa na jedno vlákno privedie napätie, zapne sa stretávacie svetlo - svetelný lúč sa "pritlačí" na povrch vozovky a lúč sa rozšíri na niekoľko desiatok metrov;
- Po prepnutí na druhé vlákno sa svetlo zvýši a jeho dosah môže byť až stovky metrov a lúč bude podstatne väčší.
Takéto svietidlá môžu byť aj v zadnom svetle. Prvé vlákno je určené pre parkovacie svetlá, druhé pre brzdové svetlo.
V semaforoch zvyšujú spoľahlivosť dvojžiaroviek. Duplikácia umožňuje, aby jednotka pracovala buď s jedným vláknom, alebo aby sa druhé vlákno zaplo po tom, ako prvé vyhorí. A napríklad na železnici je spoľahlivá signalizácia zárukou bezpečnosti dopravy.
Všeobecné, miestne
Horný rad zľava doprava: pätica E14 pre lustre, nástenné svietidlá a malé lampy; pätica E27 pre univerzálne lampy; zelená, červená, žltá - osvetľovacie lampy.
Spodný rad: modré - lekárske účely na procedúry; zrkadlo s reflektorom - na fotografické práce alebo špeciálne osvetlenie, s fialovým sklom, dva konce - dekoratívne so žiarovkou "sviečka" a päticou E27 a E14.
Výhody a nevýhody
Výhody žiaroviek:
- Nízka cena - jednoduché a lacné materiály, konštrukcia a technológia vypracovaná za desaťročia, masová automatizovaná výroba;
- relatívne malé rozmery;
- prepätie v sieti nespôsobí okamžitú poruchu;
- spustenie aj reštart je okamžitý;
- pri napájaní striedavým prúdom 50-60 Hz je pulzovanie jasu nepostrehnuteľné;
- jas je stmievateľný;
- emisné spektrum je rovnomerné a oku známe - podobné slnečnému;
- Vlastnosti svietidiel od rôznych výrobcov sú takmer rovnaké;
- Index podania farieb Ra alebo CRI - kvalita podania farieb osvetlených objektov - sa rovná 100, čo plne zodpovedá indexu slnka;
- malé rozmery kompaktného vlákna poskytujú jasné tiene;
- vysoká spoľahlivosť v extrémnom chlade a teple;
- konštrukcia umožňuje hromadnú výrobu modelov s prevádzkovým napätím od zlomkov do stoviek voltov;
- napájanie striedavým alebo jednosmerným prúdom pri absencii štartérov
- aktívny charakter odporu vlákna zabezpečuje účinník (kosínus φ) 1;
- ľahostajný k žiareniu, elektromagnetickému impulzu, rušeniu;
- prakticky bez UV zložky v žiarení;
- Je zabezpečená štandardná prevádzka s častým zapínaním a vypínaním svetiel atď.
Medzi nevýhody patria:
- menovitá životnosť LON je 1 000 hodín, zatiaľ čo pri halogénových žiarovkách 3 až 5 až 6 tisíc hodín, pri fluorescenčné - až 10-50 tisíc hodín, LED žiarovky 30-150 tisíc hodín alebo viac;
- Sklenená žiarovka a tenké vlákno sú citlivé na otrasy; vibrácie môžu pri určitých frekvenciách spôsobovať rezonanciu;
- Vysoká závislosť energetickej účinnosti a životnosti od napájacieho napätia;
- Účinnosť premeny elektrickej energie na viditeľné svetlo nepresahuje 3 - 4 %, ale zvyšuje sa so zvyšujúcim sa výkonom;
- Povrchová teplota žiarovky závisí od výkonu a je nasledovná: 100 W - 290 °C, 200 W - 330 °C, 25 W - 100 °C;
- Pri zapnutí môže byť prúdový náraz pred zahriatím vlákna desaťkrát vyšší ako menovitý prúd;
- Zásuvky a príslušenstvo svietidiel musia byť odolné voči teplu.
Ako predĺžiť životnosť lampy
Existuje mnoho spôsobov, ako zvýšiť životnosť lampy. Najčastejšie používané sú:
- Obmedzenie nábehového prúdu pomocou termistora v sérii so svietidlom, ktorého vysoký odpor sa znižuje, keď ho nábehový prúd zahrieva;
- Mäkký štart s ručným stmievaním pomocou tyristorového alebo triakového stmievača;
- Napájanie lampy cez výkonnú usmerňovaciu diódu, t. j. usmernené napätie polovičnej sínusoidy;
- Spájanie svetelných zdrojov v pároch vo viacsvetelných svietidlách, napr. v lustroch.
Moderný priemysel vyrába veľké množstvo rôznych druhov žiaroviek so širokým rozsahom prevádzkových napätí a výkonov, s rôznymi odtieňmi svietivosti, konfiguráciami žiaroviek a päticami. Tento sortiment vám umožňuje vybrať si vyberte si potrebné svietidlo pre každú aplikáciu.