Descrizione e principio di funzionamento della lampadina
Cos'è una lampada a incandescenza
Una lampada a incandescenza, di seguito denominata LN, è una sorgente di luce artificiale, in cui il flusso luminoso è ottenuto riscaldando un sottile filamento metallico alla temperatura del bagliore di un metallo rovente. Per il riscaldamento, una corrente elettrica viene fatta passare attraverso il filamento. Le prime lampade avevano un filamento di materia organica carbonizzata, come il bambù, sotto forma di fibra.
Per evitare che il filo si bruci rapidamente, l'aria è stata pompata fuori dal pallone e sigillata. Oppure hanno riempito il pallone con una composizione di gas in cui non c'è agente ossidante: l'ossigeno. Tali gas sono chiamati inerti: argon, neon, elio, azoto, ecc. Questi gas sono chiamati così perché non reagiscono con i metalli, ad es. inerte.
Prime lampade con un filamento di carbonio aveva una risorsa lavorativa non superiore a una dozzina di ore. È stato notevolmente aumentato dopo la sostituzione del filamento di carbonio con filo metallico sottile.
Tale luce era chiamata luce a incandescenza, cioè luce di metallo caldo. E il filo si chiamava filamento. Ad esempio, l'acciaio riscaldato a 1200°C diventa giallo-bianco, mentre a 1300°C diventa quasi bianco.
Alla fine del 19° secolo, il filo di carbonio, che si bruciò rapidamente, fu sostituito da metalli refrattari - tungsteno, molibdeno, osmio o ossidi di metallo - zirconio, magnesio, ittrio, ecc.
Riempiendo il pallone con gas inerti, si riduceva la velocità di evaporazione del metallo dal filamento caldo e, quindi, si aumentava la durata del suo funzionamento.
Ad alta potenza, i filamenti sono realizzati in una forma "ramificata". Le sorgenti luminose di proiezione per creare un flusso direzionale hanno un filo di configurazione complessa, formando una struttura piatta perpendicolare all'asse di radiazione. In questo caso, all'interno della lampadina viene posizionato un riflettore di luce, ad esempio sotto forma di un sottile strato di metallo spruzzato: argento o alluminio.
Per alimentare la lampada direttamente dalla rete allora esistente, che aveva una tensione costante di 110 V, era necessario un filo metallico lungo e sottile. Ciò ha fornito una maggiore resistenza, il che significa che è stata richiesta meno corrente per il riscaldamento.
Per un denso "imballaggio" in un piccolo volume di una fiaschetta di vetro trasparente, il filo è stato ripetutamente piegato e posizionato su fermacavi.
Tale piegatura del filo complicò la progettazione delle prime sorgenti luminose, che funzionavano molto più a lungo di quelle "a carbone". Una svolta nello sviluppo del design delle lampadine a incandescenza è stata la proposta di avvolgere il filo in una spirale. Ciò ha ridotto le sue dimensioni di diverse volte.
Una dimensione ancora più piccola del corpo incandescente è stata ottenuta piegando una spirale sottile in una seconda spirale, ma di diametro maggiore. La doppia elica è chiamata bielica.
La fase successiva nello sviluppo delle sorgenti luminose è stata il passaggio alle reti CA e l'uso di un trasformatore per ridurre la tensione di alimentazione delle lampade.
Le parti principali di una lampada a incandescenza
I principali elementi strutturali di una lampada a incandescenza includono:
- filamento o corpo del filamento;
- raccordi per il fissaggio della filettatura;
- un pallone per proteggere il filo dalla combustione rapida e dalle influenze esterne;
- base per installazione in cartuccia e collegamento alla rete;
- contatti dello zoccolo: un corpo filettato e un contatto centrale nella parte inferiore dello zoccolo.
L'armatura è progettata per fissare il filo e creare la configurazione e la direzione richieste del flusso luminoso.
La base è necessaria per il fissaggio nella cartuccia di montaggio e il collegamento al pallone. Nelle lampade retrofit, analoghi delle lampade a incandescenza, una parte del dispositivo di alimentazione è posizionata nella base.
zoccolo
Sul lampade alogene a incandescenza, a seconda della tensione di alimentazione, della potenza e del design del pallone, vengono installati diversi tipi di zoccoli: filettati, a perno, a baionetta, a perno, ecc.
Il sistema di contatti sugli zoccoli è necessario per il collegamento alla rete o all'alimentazione.
Borraccia
Il pallone trasparente LN viene utilizzato per:
- protezione del filo dall'atmosfera esterna contenente un agente ossidante - ossigeno;
- creare e mantenere un vuoto o una composizione di gas;
- posizionando un fosforo e/o rivestimenti che convertono diversi tipi di energia elettromagnetica in radiazione visibile, restituendo calore al filamento, convertendo la radiazione UV e IR invisibile in luce, correggendo la tonalità del bagliore della lampada: rosso, verde, blu.
Corpo incandescente
Il corpo incandescente è un filo arrotolato a spirale o bi-spirale o un sottile nastro metallico.
Mezzo gassoso
Gas inerti che riempiono il bulbo di una lampada, ad esempio azoto, argon, neon, elio. In una miscela di gas inerti vengono aggiunte sostanze alogene.
Come funziona LN e come funziona
Il dispositivo della lampadina a incandescenza è cambiato poco durante il suo sviluppo. L'elemento principale che opera secondo il principio del bagliore di una sostanza incandescente è un filamento o un corpo incandescente. Questo è un filo sottile di tungsteno con un diametro di 30-40, massimo 50 micron o micrometri (milionesimo di metro).
I colori incandescenti partono dal rosso e all'aumentare della temperatura passano dall'arancione, dal giallo al bianco. Con un ulteriore aumento della temperatura, il metallo del corpo incandescente prima si scioglie e poi, in presenza di ossigeno, brucia.
Tutorial video: come funzionano le lampadine moderne
Il filamento di tungsteno freddo ha una bassa resistività. Il tungsteno, come la maggior parte dei metalli, ha un coefficiente di resistenza termica positivo TCR.Ciò significa che nel processo di riscaldamento del filamento con una corrente elettrica, la sua resistenza aumenta.
Prima che la lampada si accenda, il filamento è freddo e ha poca resistenza. Pertanto, al momento dell'accensione viene fornita una corrente 10-15 volte superiore a quella nominale. Questo salto si chiama partenza. E spesso lo è causa di burnout corpi incandescenti.
Ci vuole una frazione di secondo per scaldare il filo. Durante questo periodo, la sua resistenza aumenta. Inizialmente, una grande corrente che passa attraverso la lampada, mentre il gas, la lampadina e tutti gli elementi strutturali si riscaldano, diminuisce al valore nominale. Quindi la sorgente luminosa entra nella modalità specificata e produce un flusso luminoso passaporto. Anche la tonalità del bagliore diventa nominale, ad es. corrispondente a una temperatura di colore da 2000 a 3500 K. Si chiama bianco caldo e presenta diverse gradazioni di temperatura di colore con nomi originali e abbreviazioni nell'intervallo specificato. Per esempio:
- bianco super caldo - 2200-2400 K, designato S-Warm o S-W, è anche bianco molto caldo o Warm 2400;
- caldo - 2600-2800 K o caldo 2700;
- bianco caldo - 2700-3500 K o bianco caldo (WW);
- un altro caldo è 2900-3100 K o Warm 3000 (W).
Temperatura dei singoli elementi della lampada
La superficie esterna della lampadina LON dipende dalla potenza della lampada e può essere riscaldata fino a 250-300 ℃ o più.
Il filo viene riscaldato fino a 2000-2800 ℃, al punto di fusione del tungsteno 3410 ° C.
In alcuni modelli, il filamento è costituito da osmio con un punto di fusione di 3045 ℃ o renio - 2174. Quindi lo spettro di emissione dell'LN viene spostato nella zona rossa dello spettro visibile.
Che gas c'è nel bulbo
Nelle prime lampade, l'aria veniva pompata fuori dal pallone.Ora vengono evacuate solo le lampadine a bassa potenza, non più di 25 watt (l'aria viene espulsa).
Durante il funzionamento di un filo di tungsteno riscaldato a 2-3 mila gradi, il metallo evapora intensamente dalla sua superficie. I suoi vapori si depositano all'interno della lampadina e ne riducono la trasmissione della luce.
Studi condotti all'inizio del secolo scorso hanno dimostrato che se il pallone viene riempito con un gas inerte, l'evaporazione diminuirà e la resa luminosa aumenterà. Pertanto, i flaconi iniziarono a essere riempiti con uno dei gas inerti o la loro miscela. Molto spesso si tratta di argon, azoto, xeno, krypton, elio, ecc. L'elio viene utilizzato per un efficace raffreddamento passivo degli elementi interni di un nuovo tipo di lampade a LED retrofit.
È assolutamente sconsigliato eseguire questo esperimento a casa.
Il loro principale elemento emettitore di luce è una sottile asta in zaffiro artificiale o vetro, su cui si trovano cristalli LED. Un tale emettitore è chiamato filamento. Alcuni "esperti" hanno confuso l'essenza lampade a incandescenza e le chiamò "lampade con emettitori di luce in zaffiro". Sebbene lo zaffiro artificiale in queste lampade sia utilizzato solo come base di montaggio e dissipatore di calore passivo per i cristalli LED.
Il fallimento della LN nella maggior parte dei casi è associato non all'evaporazione del metallo dalla superficie del corpo incandescente, ma all'accelerazione di questo processo nelle zone di violazione dello spessore del filamento. Ciò si verifica nella zona di una forte flessione del filo o della sua frattura. In questo luogo, la sua resistenza aumenta localmente, la tensione, la dissipazione di potenza e la temperatura del metallo aumentano. L'evaporazione accelera, diventa una valanga, il filo si riduce rapidamente di spessore e si brucia.
Questo problema è stato risolto alla fine degli anni '50 e all'inizio degli anni '60 avviando la produzione in serie di lampade alogene a incandescenza.
Gli alogeni - cloro, bromo, fluoro o iodio - iniziarono ad essere introdotti nella composizione di un gas o miscela inerte. Di conseguenza, il processo di evaporazione del metallo si interrompe completamente o rallenta notevolmente. Gli atomi di questi additivi legano il vapore di tungsteno, formando molecole di composti instabili. Si depositano sulla superficie del corpo incandescente. Sotto l'azione dell'alta temperatura, le molecole si decompongono e rilasciano atomi di alogeno e metallo puro, che si deposita sulla superficie calda del filo e ripristina parzialmente lo strato evaporato.
Questo processo viene intensificato aumentando la pressione. Ciò aumenta la temperatura del filamento, la durata, l'emissione luminosa, l'efficienza e altre caratteristiche. Lo spettro di emissione si sposta sul lato bianco. Nelle lampade a gas, l'oscuramento della superficie del bulbo dall'interno dal vapore di tungsteno rallenta. Tali sorgenti luminose sono chiamate alogene.
Parametri elettrici
Le caratteristiche elettriche delle lampade ad incandescenza includono:
- potenza elettrica, misurata in watt - W, la gamma di modelli prodotti - da diversi watt (lampadina per una torcia - 1 W) a 500 e persino 1000 W;
- il flusso luminoso, Lm (lumen), è correlato alla potenza - da 20 Lm a 5 W a 2500 Lm a 200 W, con una potenza maggiore, il flusso luminoso è maggiore;
- efficienza luminosa, efficienza energetica o efficienza, Lm / W - quanti lumen di luce sotto forma di flusso luminoso danno ogni watt di potenza consumata dalla rete o da una fonte di alimentazione;
- intensità luminosa o luminosità, cd (candela);
- temperatura di colore - la temperatura di un corpo nero condizionale che emette luce con una certa tonalità.
Lo scopo della lampada elettrica
Le lampade elettriche possono essere suddivise in diversi tipi in base alla loro applicazione: per uso pubblico, tecnico e speciale.
L'uso pubblico principale è quello di fornire a qualsiasi persona, animali e uccelli la luce artificiale di notte o in un luogo buio in una stanza.
Usando la luce, le persone prolungano la loro attività quotidiana per diverse ore. Possono essere processi di lavoro e di studio, faccende domestiche. Migliorano la sicurezza stradale, la capacità di fornire assistenza medica serale e notturna e molti altri.
Le lampade vengono utilizzate attivamente negli allevamenti di bestiame e negli allevamenti di pollame, per la coltivazione impianti nei complessi di serre. Sono illuminati con luce di un certo spettro e dell'entità del flusso luminoso. Per l'allevamento di pesci è necessaria anche una luce con una speciale composizione spettrale.
scopo tecnico. Nella produzione, per scopi tecnologici, vengono utilizzati dispositivi che danno luce visibile e invisibile. Esempi:
- per un lavoro accurato e importante, una persona ha bisogno di un alto livello di illuminazione del posto di lavoro;
- IR - la radiazione infrarossa viene utilizzata nell'industria, ad esempio, per il riscaldamento senza contatto di parti strutturali o nella tecnologia climatica per riscaldare una persona che lavora all'aria aperta e gelida, nell'equipaggiamento militare e nella caccia - mirini notturni per armi, dispositivi per la visione notturna, ecc. ;
- UV- le radiazioni sono utilizzate in odontoiatria per il rapido indurimento delle otturazioni, nella produzione di protesi dentarie, ecc., in medicina e servizi igienico-sanitari - per disinfezione dei locali, strumenti, vestiti, superfici di mobili, aria, acqua, medicinali, ecc.
Le lampade per scopi speciali sono utilizzate nella pubblicità illuminata per esterni e interni, nella criminalistica, nell'aviazione e nell'astronautica, nell'accompagnamento luminoso di spettacoli e molti altri.
Principali tipologie e caratteristiche
I principali tipi di lampade a incandescenza sono:
- Lampade per uso generale. Designato con la sigla LON. Di solito si tratta di dispositivi con una potenza di 25, 40, 60, 75 e 100 watt. Il più comune - 60 watt. Ma LON prodotto industrialmente con una capacità di 150, 200, 500 e persino 1000 watt.
- Lampade ad incandescenza alogene. Prodotto per il funzionamento da una rete ad alta tensione di 220 o 110 V e da una rete a bassa tensione. In questo caso, sono alimentati da un trasformatore step-down.
Varietà di LN alogeni a bassa tensione:
- capsula, hanno la forma di tubi interamente in vetro con zoccoli diversi - pin di estremità GY6.35 o G4;
- reflex, avente un elemento riflettente, con un diametro da 35 a 111 mm, base GZ10 con opzioni.
Alta tensione. Tensione principale 220-230 V, 50 Hz. Queste lampade hanno più opzioni:
- lineare a forma di tubo di vetro con zoccoli R7S;
- cilindrico - zoccoli E27, E14 o B15D;
- con un pallone remoto o aggiuntivo.
Nell'ultimo modello, una capsula o un tubo della lampada alogena di piccole dimensioni è montata rigidamente all'interno della lampada. È saldato all'asta centrale di una lampadina LON convenzionale, ha cavi flessibili collegati a una base Edison E27 o E14 standard. Con un consumo energetico di 70-100 W, fornisce un flusso luminoso del 20-30% in più rispetto a una lampada a incandescenza convenzionale.
Questi modelli hanno una maggiore efficienza energetica, arrivando a 12-25 lm/W, mentre i LON convenzionali hanno una resa luminosa da 3-4 a 10-12 lm/W.
La durata dei modelli alogeni varia da 4-5 a 10-12 mila ore.
Separazione delle lampade per scopo e design
lampade decorative
Negli ultimi anni sono apparse lampade retrò che imitano le Edison LN vintage.
Inoltre, imitano una "candela", "candela al vento", "urto", "pera", "palla", ecc. A forma di bulbo.
Rispecchiato
Le lampade a specchio hanno una parte del bulbo ricoperta dall'interno da uno strato riflettente. Molto spesso, questo è un rivestimento di metallo: argento, alluminio, oro, ecc. Questo strato può essere sottile, traslucido o spesso, opaco.
Le strutture a specchio vengono utilizzate nella produzione per un riscaldamento di processo assolutamente pulito, ad esempio nella produzione di semiconduttori con la massima purezza dei materiali. In questo caso, lo svantaggio delle lampade a incandescenza - un grande flusso di radiazioni infrarosse - diventa il loro vantaggio insuperabile.
Tali lampade sono utilizzate in lampade con uno stretto fascio di luce rotante.
Segnale
Le lampade di segnalazione sono sorgenti luminose lampeggianti. Solitamente sotto forma di fari lampeggianti, ad esempio su auto ufficiali, su aeroplani ed elicotteri, per trasmettere messaggi luminosi nella flotta, ecc. Hanno un filamento sottile che fornisce una rapida serie di luminosità.
Trasporto
Questo tipo di lampada è progettata per l'uso su diversi tipi di trasporto: automobili, ferrovie e metropolitane, navi fluviali e marittime. Il loro requisito principale è la resistenza alle vibrazioni e agli urti. Per fare ciò, il filamento viene accorciato e montato su una pluralità di elementi di supporto.Le basi di tali lampade sono a baionetta Swan, pin o intradosso. Non consentono al dispositivo di uscire e cadere dalla cartuccia.
Illuminazioni
Dal nome è chiaro che le lampade servono per l'illuminazione. Pertanto, le loro boccette sono fatte di vetro di diversi colori: blu, verde, giallo, rosso, ecc.
doppio filo
Lo schema di una tale lampada a incandescenza: in una lampadina ci sono due filamenti a incandescenza separati. Ad esempio, in un faro di un'auto, una lampada a due filamenti viene utilizzata in questo modo:
- quando viene applicata la tensione a un filo, il fascio anabbagliante si accende: il flusso luminoso viene "premuto" sul fondo stradale e il raggio si estende per diverse decine di metri;
- dopo il passaggio al secondo thread, la luce si alza e la sua portata può raggiungere centinaia di metri e il flusso sarà molto maggiore.
Tali lampade possono essere nella luce posteriore. Il primo thread è per le luci laterali, il secondo è per una luce di stop.
Nei semafori, le lampade a doppio filamento ne aumentano l'affidabilità. La duplicazione consente al dispositivo di funzionare con un thread o di accenderne un secondo dopo che il primo si è esaurito. E, ad esempio, sulle ferrovie, l'affidabilità del segnalamento è garanzia di sicurezza del trasporto.
Scopo generale, locale
Fila in alto, da sinistra a destra - una lampada con base E14 - per lampadari, applique e lampade di piccole dimensioni; con attacco E27 - uso generale; verde, rosso, giallo - illuminante.
Riga inferiore: blu - scopo medico per le procedure; uno specchio con riflettore - per lavori fotografici o illuminazione speciale, con vetri viola, due esterni - decorativo con lampadina a “candela” e zoccoli E27 ed E14.
Pro e contro
Vantaggi delle lampade a incandescenza:
- prezzo basso: materiali semplici ed economici, design e tecnologia elaborati da decenni, produzione automatizzata di massa;
- dimensioni relativamente piccole;
- i picchi di tensione nella rete non provocano un guasto immediato;
- avvio, nonché riavvio - istantaneo;
- alimentato da corrente alternata con frequenza 50-60 Hz, le pulsazioni di luminosità sono appena percettibili;
- la luminosità del bagliore è regolata da dimmer;
- lo spettro di radiazione è continuo e familiare all'occhio - simile al sole;
- ripetibilità quasi completa delle caratteristiche delle lampade di diversi produttori;
- l'indice di resa cromatica Ra o CRI - la qualità di riproduzione delle sfumature di colore degli oggetti illuminati - è 100, che è pienamente coerente con l'indicatore solare;
- le piccole dimensioni del filamento compatto danno ombre nitide;
- alta affidabilità in condizioni di forte gelo e caldo;
- il design consente la produzione in serie di modelli con tensioni di esercizio da frazioni a centinaia di volt;
- alimentazione da tensione alternata o continua in assenza di dispositivi di avviamento;
- la natura attiva della resistenza del filamento fornisce un fattore di potenza (coseno φ) pari a 1;
- indifferente a radiazioni, impulsi elettromagnetici, interferenze;
- non c'è praticamente alcuna componente UV nella radiazione;
- è previsto un lavoro regolare con frequenti accensioni/spegnimenti della luce e molti altri.
Gli svantaggi includono:
- vita utile nominale di LON - 1000 ore, per lampade alogene a incandescenza - da 3 a 5-6 mila, per luminescente - fino a 10-50 mila, per LED - 30-150 mila ore o più;
- il vetro della lampadina e il filamento sottile sono sensibili agli urti, le vibrazioni possono provocare risonanze a determinate frequenze;
- elevata dipendenza dell'efficienza energetica e della vita utile 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 del pallone dipende dalla potenza ed è: per 100 W - 290 °C, per 200 W - 330 °C, 25 W - 100 °C;
- quando acceso, il picco di corrente prima che il filamento si riscaldi può essere dieci volte superiore al valore nominale;
- i portalampade e gli accessori degli infissi devono essere resistenti al calore.
Come aumentare la durata della lampada
Ci sono molti modi per aumentare la durata. Più usato:
- limitare la corrente di spunto accendendo un termistore in serie alla lampada, la cui elevata resistenza diminuisce man mano che viene riscaldata dalla corrente di spunto;
- soft start con controllo manuale della luminosità tramite tiristore o triac dimmer;
- potenza della lampada attraverso un potente diodo raddrizzatore, ad es. metà di tensione rettificata della sinusoide;
- collegamento in serie di lampade a coppie in apparecchi multilampada, ad esempio nei lampadari.
L'industria moderna produce un gran numero di diversi tipi di lampade a incandescenza con un'ampia gamma di tensioni e potenze operative, con diverse tonalità di bagliore, configurazioni di lampadine e zoccoli. Questa gamma consente scegliere la lampada giusta per ogni utilizzo.