Opis i princip rada žarulje
Što je žarulja sa žarnom niti
Žarulja sa žarnom niti, u daljnjem tekstu LN, izvor je umjetne svjetlosti, u kojoj se svjetlosni tok dobiva zagrijavanjem tanke metalne niti na temperaturu sjaja užarenog metala. Za zagrijavanje, električna struja prolazi kroz nit. Prve svjetiljke imale su nit od ugljenisane organske tvari, poput bambusa, u obliku vlakna.
Kako bi se spriječilo da konac brzo izgori, iz tikvice je ispumpan zrak i zatvoren. Ili su tikvicu napunili plinskim sastavom u kojem nema oksidansa - kisika. Takvi plinovi nazivaju se inertni - argon, neon, helij, dušik itd. Ovi plinovi su tako nazvani jer ne reagiraju s metalima, t.j. inertan.
Prve lampe s karbonskom niti imao radni resurs ne više od desetak sati. Značajno je povećan nakon zamjene ugljične niti tankom metalnom žicom.
Takvo svjetlo nazvano je žarnom niti, t.j. vruće metalno svjetlo. A nit se zvala filament. Primjerice, čelik zagrijan na 1200°C svijetli žuto-bijelo, dok na 1300°C svijetli gotovo bijelo.
Krajem 19. stoljeća ugljičnu nit, koja je brzo izgorjela, zamijenili su vatrostalni metali - volfram, molibden, osmij ili metalni oksidi - cirkonij, magnezij, itrij itd.
Punjenje tikvice inertnim plinovima smanjena je brzina isparavanja metala iz vruće niti, a samim tim i produženo trajanje njezina rada.
Pri velikoj snazi, filamenti se izrađuju u "razgranatom" obliku. Projekcijski izvori svjetlosti za stvaranje usmjerenog toka imaju nit složene konfiguracije, tvoreći ravnu strukturu okomitu na os zračenja. U tom se slučaju unutar žarulje postavlja reflektor svjetlosti, na primjer, u obliku tankog sloja prskanog metala - srebra ili aluminija.
Za napajanje svjetiljke izravno iz mreže koja je tada postojala, a koja je imala konstantan napon od 110 V, bila je potrebna duga i tanka metalna nit. To je osiguralo povećan otpor, što znači da je za grijanje bilo potrebno manje struje.
Za gusto "pakiranje" u malom volumenu prozirne staklene tikvice, nit je više puta savijana i stavljena na držače žice.
Takvo savijanje niti zakompliciralo je dizajn prvih izvora svjetlosti, koji su radili mnogo dulje od onih "ugljen". Proboj u razvoju dizajna žarulja sa žarnom niti bio je prijedlog da se nit uvije u spiralu. To je smanjilo njegovu veličinu za nekoliko puta.
Još manja veličina užarenog tijela dobivena je presavijanjem tanke spirale u drugu spiralu, ali većeg promjera. Dvostruka spirala se naziva bi-helix.
Sljedeća faza u razvoju izvora svjetlosti bio je prijelaz na AC mreže i korištenje transformatora za smanjenje napona napajanja svjetiljki.
Glavni dijelovi žarulje sa žarnom niti
Glavni strukturni elementi žarulje sa žarnom niti uključuju:
- filament ili tijelo niti;
- okovi za pričvršćivanje navoja;
- tikvica za zaštitu niti od brzog izgaranja i vanjskih utjecaja;
- baza za ugradnju u uložak i priključak na mrežu;
- socle kontakti - tijelo s navojem i središnji kontakt u dnu socle.
Armatura je dizajnirana za pričvršćivanje navoja i stvaranje potrebne konfiguracije i smjera svjetlosnog toka.
Baza je potrebna za pričvršćivanje u montažni uložak i spajanje na tikvicu. U retrofitnim svjetiljkama, analozima žarulja sa žarnom niti, dio uređaja za napajanje postavljen je u bazu.
postolje
Na halogene žarulje sa žarnom niti, ovisno o naponu napajanja, snazi i dizajnu tikvice, ugrađuje se nekoliko vrsta soclea - s navojem, igla, bajunet, igla itd.
Sustav kontakata na podnožju potreban je za spajanje na mrežu ili napajanje.
Tikvica
Prozirna tikvica LN koristi se za:
- zaštita niti od vanjske atmosfere koja sadrži oksidacijsko sredstvo - kisik;
- stvaranje i održavanje vakuumskog ili plinskog sastava;
- postavljanje fosfora i/ili premaza koji pretvaraju različite vrste elektromagnetske energije u vidljivo zračenje, vraćaju toplinu u niti, pretvaraju nevidljivo UV i IR zračenje u svjetlo, ispravljaju nijansu sjaja lampe - crvena, zelena, plava.
Tijelo sa žarnom niti
Tijelo sa žarnom niti je nit smotana u spiralu ili dvospiralu ili tanku metalnu vrpcu.
Plinski medij
Inertni plinovi koji ispunjavaju žarulju svjetiljke, na primjer, dušik, argon, neon, helij. U smjesu inertnih plinova dodaju se halogene tvari.
Kako LN radi i kako radi
Uređaj žarulje sa žarnom niti malo se promijenio tijekom svog razvoja. Glavni element koji djeluje na principu sjaja užarene tvari je nit ili tijelo sa žarnom niti. To je tanka volframova žica promjera 30-40, maksimalno 50 mikrona ili mikrometara (milijunti dio metra).
Užarene boje počinju od crvene i kako temperatura raste, prolaze kroz narančastu, žutu do bijele. S daljnjim povećanjem temperature, metal užarenog tijela najprije se topi, a zatim, u prisutnosti kisika, gori.
Video tutorial: Kako rade moderne žarulje
Hladna volframova nit ima nisku otpornost. Volfram, kao i većina metala, ima pozitivan temperaturni koeficijent otpora TCR.To znači da se u procesu zagrijavanja niti električnom strujom njegov otpor povećava.
Prije nego što se lampa uključi, žarna nit je hladna i ima mali otpor. Stoga se u trenutku uključivanja isporučuje struja 10-15 puta veća od nominalne. Ovaj skok se zove start. A često i jest uzrok izgaranja tijela sa žarnom niti.
Za zagrijavanje konca potrebno je djelić sekunde. Za to vrijeme raste njegov otpor. U početku, velika struja koja prolazi kroz svjetiljku, kako se plin, žarulja i svi strukturni elementi zagrijavaju, smanjuje se na nominalnu vrijednost. Dakle, izvor svjetlosti ulazi u navedeni način rada i proizvodi svjetlosni tok putovnice. Nijansa sjaja također postaje nominalna, t.j. što odgovara temperaturi boje od 2000 do 3500 K. Zove se toplo bijela i ima nekoliko gradacija temperature boje s izvornim nazivima i kraticama u navedenom rasponu. Na primjer:
- super-topla bijela - 2200-2400 K, označena kao S-Warm ili S-W, također je vrlo topla bijela ili Warm 2400;
- toplo - 2600-2800 K ili Toplo 2700;
- topla bijela - 2700-3500 K ili Topla bijela (WW);
- drugi topli je 2900-3100 K ili Warm 3000 (W).
Temperatura pojedinih elemenata svjetiljke
Vanjska površina LON žarulje ovisi o snazi žarulje i može se zagrijati do 250-300℃ ili više.
Nit se zagrijava do 2000-2800℃, na talištu volframa 3410°C.
U nekim izvedbama, filament je izrađen od osmija s talištem od 3045 ℃ ili renija - 2174. Tako je emisijski spektar LN-a pomaknut u crvenu zonu vidljivog spektra.
Koji je plin u žarulji
U prvim svjetiljkama zrak se ispumpao iz tikvice.Sada se evakuiraju samo žarulje male snage, ne više od 25 vata (ispumpava se zrak).
Tijekom rada volframove žice zagrijane na 2-3 tisuće stupnjeva, metal intenzivno isparava s njegove površine. Njegove pare se talože na unutarnjoj strani žarulje i smanjuju prijenos svjetlosti.
Istraživanja provedena početkom prošlog stoljeća pokazala su da ako se tikvica napuni inertnim plinom, isparavanje će se smanjiti, a svjetlosni učinak će se povećati. Stoga su se tikvice počele puniti jednim od inertnih plinova ili njihovom mješavinom. Najčešće su to argon, dušik, ksenon, kripton, helij itd. Helij se koristi za učinkovito pasivno hlađenje unutarnjih elemenata nove vrste LED retrofit svjetiljki.
Ovaj eksperiment se strogo ne preporuča provoditi kod kuće.
Njihov glavni svjetlosni element je tanka šipka od umjetnog safira ili stakla, na kojoj se nalaze LED kristali. Takav emiter naziva se filament. Neki "stručnjaci" su pobrkali suštinu žarulje sa žarnom niti i nazvao ih "svjetiljke sa safirnim svjetlosnim emiterima". Iako se umjetni safir u ovim svjetiljkama koristi samo kao montažna baza i pasivni hladnjak za LED kristale.
Neuspjeh LN-a u većini slučajeva nije povezan s isparavanjem metala s površine užarenog tijela, već s ubrzanjem ovog procesa u zonama kršenja debljine niti. To se događa u zoni oštrog savijanja žice ili njezinog loma. Na tom mjestu lokalno raste njegov otpor, raste napon, rasipanje snage i temperatura metala. Isparavanje se ubrzava, postaje lavina, nit brzo smanjuje svoju debljinu i izgara.
Taj je problem riješen krajem 1950-ih i početkom 1960-ih pokretanjem masovne proizvodnje halogenih žarulja sa žarnom niti.
Halogeni - klor, brom, fluor ili jod - počeli su se uvoditi u sastav inertnog plina ili smjese. Zbog toga se proces isparavanja metala potpuno zaustavlja ili se značajno usporava. Atomi ovih aditiva vežu pare volframa, tvoreći molekule nestabilnih spojeva. Talože se na površini užarenog tijela. Pod djelovanjem visoke temperature, molekule se razgrađuju i oslobađaju atome halogena i čisti metal, koji se taloži na vrućoj površini niti i djelomično obnavlja ispareni sloj.
Taj se proces pojačava povećanjem pritiska. To povećava temperaturu niti, vijek trajanja, svjetlosni učinak, učinkovitost i druge karakteristike. Emisioni spektar se pomiče na bijelu stranu. U svjetiljkama punjenim plinom usporava se tamnjenje površine žarulje iznutra od para volframa. Takvi izvori svjetlosti nazivaju se halogeni.
Električni parametri
Električne karakteristike žarulja sa žarnom niti uključuju:
- električna snaga, mjerena u vatima - W, raspon proizvedenih modela - od nekoliko vata (žarulja za svjetiljku - 1 W) do 500, pa čak i 1000 W;
- svjetlosni tok, Lm (lumen), povezan je sa snagom - od 20 Lm pri 5 W do 2500 Lm pri 200 W, s većom snagom svjetlosni tok je veći;
- svjetlosna učinkovitost, energetska učinkovitost ili učinkovitost, Lm / W - koliko lumena svjetlosti u obliku svjetlosnog toka daje svaki vat snage koji se troši iz mreže ili iz izvora napajanja;
- jačina ili svjetlina, cd (kandela);
- temperatura boje - temperatura uvjetnog crnog tijela koje emitira svjetlost s određenom nijansom.
Svrha električne svjetiljke
Električne svjetiljke se prema primjeni mogu podijeliti u nekoliko tipova – za javnu, tehničku i specijalnu namjenu.
Glavna javna upotreba je osigurati bilo kojoj osobi, životinjama i pticama umjetno svjetlo noću ili na tamnom mjestu u prostoriji.
Koristeći svjetlo, ljudi produljuju dnevnu aktivnost na nekoliko sati. To mogu biti procesi rada i učenja, kućanski poslovi. Poboljšava se sigurnost na cestama, mogućnost pružanja medicinske pomoći u večernjim i noćnim satima i mnoge druge.
Svjetiljke se aktivno koriste na farmama stoke i peradi, za uzgoj bilje u stakleničkim kompleksima. Osvijetljeni su svjetlošću određenog spektra i veličine svjetlosnog toka. Za uzgoj riba potrebna je i svjetlost s posebnim spektralnim sastavom.
tehnička svrha. U proizvodnji se u tehnološke svrhe koriste uređaji koji daju vidljivo i nevidljivo svjetlo. primjeri:
- za točan i važan rad, osobi je potrebna visoka razina osvjetljenja radnog mjesta;
- IR - infracrveno zračenje se koristi u industriji, na primjer, za beskontaktno zagrijavanje konstrukcijskih dijelova ili u klimatskoj tehnologiji za grijanje osobe koja radi na otvorenom, hladnom zraku, u vojnoj opremi i lovu - noćni nišani za oružje, uređaji za noćno gledanje itd. ;
- UV- zračenje se koristi u stomatologiji za brzo stvrdnjavanje plombi, u proizvodnji proteza i sl., u medicini i sanitaciji - za dezinfekcija prostorija, alati, odjeća, površine namještaja, zrak, voda, lijekovi itd.
Lampe posebne namjene koriste se u vanjskom i unutarnjem svjetlećem oglašavanju, kriminalistici, zrakoplovstvu i astronautici, svjetlosnoj pratnji revijalnih nastupa i mnogim drugim.
Glavne vrste i karakteristike
Glavne vrste žarulja sa žarnom niti su:
- Svjetiljke opće namjene. Označeno kraticom LON. Obično su to uređaji snage 25, 40, 60, 75 i 100 vata. Najčešći - 60 vata. Ali industrijski proizveden LON s kapacitetom od 150, 200, 500, pa čak i 1000 vata.
- Halogene žarulje sa žarnom niti. Proizveden za rad iz visokonaponske mreže od 220 ili 110 V i iz niskonaponske mreže. U ovom slučaju napaja ih silazni transformator.
Vrste niskonaponskih halogena LN:
- kapsula, imaju oblik potpuno staklenih cijevi s različitim socleima - krajnji pin GY6.35 ili G4;
- reflex, s reflektirajućim elementom, promjera od 35 do 111 mm, baza GZ10 s opcijama.
Visoki napon. Glavni napon 220-230 V, 50 Hz. Ove lampe imaju više opcija:
- linearni u obliku staklene cijevi s R7S socleima;
- cilindrični - socles E27, E14 ili B15D;
- daljinskom ili dodatnom tikvicom.
U najnovijem modelu, mala halogena lampa-kapsula ili cijev je čvrsto montirana unutar svjetiljke. Zavaren je na središnju šipku konvencionalne LON žarulje, ima fleksibilne vodove spojene na standardnu Edison E27 ili E14 bazu. Uz potrošnju energije od 70-100 W, osigurava svjetlosni tok od 20-30% veći od konvencionalne žarulje sa žarnom niti.
Ovi modeli imaju veću energetsku učinkovitost, dostižući 12-25 lm/W, dok konvencionalni LON imaju svjetlosnu snagu od 3-4 do 10-12 lm/W.
Vijek trajanja halogenih modela kreće se od 4-5 do 10-12 tisuća sati.
Razdvajanje svjetiljki prema namjeni i dizajnu
ukrasne svjetiljke
Posljednjih godina pojavile su se retro lampe koje oponašaju vintage Edison LN.
Osim toga, imitiraju "svijeću", "svijeću na vjetru", "kvrgu", "krušku", "kuglu" itd. u obliku žarulje.
Zrcaljeno
Zrcalne svjetiljke imaju dio žarulje prekriven s unutarnje strane reflektirajućim slojem. Najčešće je to premaz od metala - srebra, aluminija, zlata itd. Ovaj sloj može biti tanak, proziran ili debeo, neproziran.
Zrcalne strukture se koriste u proizvodnji za apsolutno čisto procesno zagrijavanje, na primjer, u proizvodnji poluvodiča s najvećom čistoćom materijala. U ovom slučaju, nedostatak žarulja sa žarnom niti - veliki tok infracrvenog zračenja - postaje njihova nenadmašna prednost.
Takve se svjetiljke koriste u svjetiljkama s uskim rotirajućim snopom svjetlosti.
Signal
Signalne svjetiljke su trepćući izvori svjetlosti. Obično u obliku bljeskajućih svjetionika, na primjer, na službenim automobilima, na zrakoplovima i helikopterima, za prijenos svjetlosnih poruka u floti itd. Imaju tanku nit koja osigurava brzi set svjetline.
Prijevoz
Ova vrsta svjetiljke je dizajnirana za korištenje na različitim vrstama prijevoza - automobilima, željeznicama i podzemnim željeznicama, riječnim i morskim plovilima. Glavni zahtjev za njih je otpornost na vibracije i udarce. Da bi se to postiglo, filament je kratka i montirana na više potpornih elemenata.Osnove takvih svjetiljki su bajunetni Swan, pin ili sofit. Ne dopuštaju da uređaj izađe i ispadne iz uloška.
Iluminacija
Iz naziva je jasno da se lampe koriste za osvjetljenje. Stoga su njihove tikvice izrađene od stakla različitih boja - plave, zelene, žute, crvene itd.
dvostruki pramen
Shema takve žarulje sa žarnom niti: u jednoj žarulji postoje dvije odvojene žarulje sa žarnom niti. Na primjer, u automobilskom svjetlu, lampa s dvije niti koristi se ovako:
- kada se napon primjenjuje na jednu nit, uključuje se kratko svjetlo - svjetlosni tok se "pritisne" na podlogu i snop se proteže na nekoliko desetaka metara;
- nakon prelaska na drugu nit, svjetlo se diže i njegov domet može doseći stotine metara, a tok će biti mnogo veći.
Takve svjetiljke mogu biti u stražnjem svjetlu. Prva nit je za bočna svjetla, druga je za stop svjetlo.
U semaforima, svjetiljke s dvostrukom niti povećavaju njihovu pouzdanost. Umnožavanje omogućuje uređaju da radi ili s jednom niti, ili uključi drugu nakon što je prva izgorjela. I, na primjer, na željeznici, pouzdanost signalizacije jamstvo je sigurnosti prijevoza.
Opće, lokalne namjene
Gornji red, s lijeva na desno - svjetiljka s bazom E14 - za lustere, svjetiljke i male svjetiljke; s bazom E27 - opće namjene; zelena, crvena, žuta - osvjetljavaju.
Donji red: plava - medicinska svrha za postupke; zrcalo s reflektorom - za fotografske radove ili posebnu rasvjetu, s ljubičastim staklom, dva vanjska - ukrasna sa žaruljom "svijeće" i E27 i E14 potplatima.
Za i protiv
Prednosti žarulja sa žarnom niti:
- niska cijena - jednostavni i jeftini materijali, dizajn i tehnologija razrađeni su desetljećima, masovna automatizirana proizvodnja;
- relativno mala veličina;
- skokovi napona u mreži ne uzrokuju trenutni kvar;
- pokretanje, kao i ponovno pokretanje - trenutno;
- kada se napaja izmjeničnom strujom frekvencije od 50-60 Hz, pulsiranje svjetline je jedva primjetno;
- svjetlina sjaja regulirana je dimerima;
- spektar zračenja je kontinuiran i poznat oku – sličan suncu;
- gotovo potpuna ponovljivost karakteristika svjetiljki različitih proizvođača;
- indeks prikazivanja boja Ra ili CRI - kvaliteta reprodukcije nijansi boja osvijetljenih objekata - je 100, što je u potpunosti u skladu s indikatorom sunca;
- male dimenzije kompaktne niti daju jasne sjene;
- visoka pouzdanost u uvjetima jakog mraza i vrućine;
- dizajn omogućuje masovnu proizvodnju modela s radnim naponima od frakcija do stotina volti;
- napajanje iz izmjeničnog ili istosmjernog napona u nedostatku uređaja za pokretanje;
- aktivna priroda otpora niti osigurava faktor snage (kosinus φ) jednak 1;
- ravnodušan na zračenje, elektromagnetski impuls, smetnje;
- u zračenju praktički nema UV komponente;
- osiguran je redoviti rad uz često paljenje/gašenje svjetla i mnoge druge.
Nedostaci uključuju:
- nominalni vijek trajanja LON-a - 1000 sati, za halogene žarulje sa žarnom niti - od 3 do 5-6 tisuća, za luminiscentna - do 10-50 tisuća, za LED - 30-150 tisuća sati ili više;
- staklo žarulje i tanka niti osjetljivi su na udarce; vibracije mogu uzrokovati rezonancije na određenim frekvencijama;
- visoka ovisnost energetske učinkovitosti i vijeka trajanja o naponu napajanja;
- Učinkovitost pretvaranja električne energije u vidljivu svjetlost ne prelazi 3-4%, ali se povećava s povećanjem snage;
- temperatura površine tikvice ovisi o snazi i iznosi: za 100 W - 290 °C, za 200 W - 330 °C, 25 W - 100 °C;
- kada je uključen, strujni udar prije zagrijavanja žarne niti može biti deset puta veći od nazivne vrijednosti;
- grla za svjetiljke i armature rasvjetnih tijela moraju biti otporni na toplinu.
Kako produžiti vijek trajanja lampe
Postoji mnogo načina da se produži vijek trajanja. Najviše korišten:
- ograničavanje početne struje uključivanjem termistora u seriji sa žaruljom, čiji se visoki otpor smanjuje kako se zagrijava startnom strujom;
- meki start s ručnim upravljanjem svjetline pomoću tiristora ili triac dimera;
- snaga žarulje kroz snažnu ispravljačku diodu, t.j. ispravljene naponske polovice sinusoida;
- serijski spoj svjetiljki u parovima u rasvjetnim tijelima s više svjetiljki, na primjer, u lusterima.
Suvremena industrija proizvodi veliki broj različitih tipova žarulja sa žarnom niti sa širokim rasponom radnih napona i snaga, s različitim nijansama sjaja, konfiguracijama žarulja i sokla. Ovaj raspon dopušta birati prava lampa za svaku upotrebu.