Beskrivning och funktionsprincip för glödlampan
Vad är en glödlampa
En glödlampa, i fortsättningen kallad LN, är en källa för artificiellt ljus, i vilken ljusflödet erhålls genom att värma en tunn metallglödtråd till glödtemperaturen hos en glödhet metall. För uppvärmning leds en elektrisk ström genom glödtråden. De första lamporna hade en glödtråd av förkolnat organiskt material, såsom bambu, i form av en fiber.
För att förhindra att tråden bränns ut snabbt pumpades luft ut ur kolven och förseglades. Eller så fyllde de kolven med en gassammansättning där det inte finns något oxidationsmedel - syre. Sådana gaser kallas inerta - argon, neon, helium, kväve, etc. Dessa gaser kallas så eftersom de inte reagerar med metaller, d.v.s. inert.
Första lamporna med en kolfilament hade en arbetsresurs på inte mer än ett dussin timmar. Den ökades avsevärt efter att kolfilamenten ersattes med tunn metalltråd.
Ett sådant ljus kallades glödljus, d.v.s. het metall ljus. Och tråden kallades filamentet. Till exempel lyser stål uppvärmt till 1200°C gulvitt, medan det vid 1300°C lyser nästan vitt.
I slutet av 1800-talet ersattes koltråden, som snabbt brann ut, av eldfasta metaller - volfram, molybden, osmium eller metalloxider - zirkonium, magnesium, yttrium, etc.
Genom att fylla kolven med inerta gaser reducerades förångningshastigheten för metallen från det varma glödtråden, och därför ökades varaktigheten av dess drift.
Vid hög effekt görs filamenten i en "grenad" form. Projektionsljuskällor för att skapa ett riktat flöde har en tråd av komplex konfiguration, som bildar en platt struktur vinkelrätt mot strålningsaxeln. I det här fallet placeras en ljusreflektor inuti glödlampan, till exempel i form av ett tunt lager av sprayad metall - silver eller aluminium.
För att driva lampan direkt från elnätet som fanns på den tiden, som hade en konstant spänning på 110 V, behövdes en lång och tunn metalltråd. Detta gav ökat motstånd vilket gjorde att mindre ström krävdes för uppvärmning.
För en tät "packning" i en liten volym av en genomskinlig glaskolv böjdes tråden upprepade gånger och placerades på trådhållare.
Sådan böjning av tråden komplicerade designen av de första ljuskällorna, som fungerade mycket längre än de "kol". Ett genombrott i utvecklingen av designen av glödlampor var förslaget att vrida tråden till en spiral. Detta minskade dess storlek flera gånger.
En ännu mindre storlek av glödlampskroppen erhölls genom att vika en tunn spiral till en andra spiral, men med en större diameter. Dubbelhelixen kallas bi-helix.
Nästa steg i utvecklingen av ljuskällor var övergången till AC-nätverk och användningen av en transformator för att minska lampornas matningsspänning.
Huvuddelarna av en glödlampa
De viktigaste strukturella delarna av en glödlampa inkluderar:
- filament eller filamentkropp;
- beslag för att fästa tråden;
- en kolv för att skydda tråden från snabb förbränning och yttre påverkan;
- bas för installation i en patron och anslutning till elnätet;
- socle-kontakter - en gängad kropp och en central kontakt i botten av socle.
Armaturen är utformad för att fästa tråden och skapa den erforderliga konfigurationen och riktningen för ljusflödet.
Basen behövs för fixering i monteringspatronen och anslutning till kolven. I eftermonterade lampor, analoger av glödlampor, är en del av kraftenheten placerad i basen.
plint
På halogen glödlampor, beroende på försörjningsspänning, effekt och design av kolven, installeras flera typer av sokler - gängade, stift, bajonett, stift etc.
Kontaktsystemet på soklerna behövs för att ansluta till elnätet eller strömförsörjningen.
Flaska
Transparent kolv LN används för:
- skydd av tråden från den yttre atmosfären som innehåller ett oxidationsmedel - syre;
- skapa och upprätthålla ett vakuum eller gassammansättning;
- placera en fosfor och/eller beläggningar som omvandlar olika typer av elektromagnetisk energi till synlig strålning, återför värme till glödtråden, omvandlar osynlig UV- och IR-strålning till ljus, korrigerar lampans nyans - röd, grön, blå.
Glödande kropp
Glödlampskroppen är en tråd rullad till en spiral eller bi-spiral eller ett tunt metallband.
Gasmedium
Inerta gaser som fyller glödlampan i en lampa, till exempel kväve, argon, neon, helium. I en blandning av inerta gaser tillsätts halogenämnen.
Hur LN fungerar och hur det fungerar
Enheten för glödlampan har förändrats lite under dess utveckling. Huvudelementet som fungerar på principen om glöden hos ett glödande ämne är en glödtråd eller en glödkropp. Detta är en tunn volframtråd med en diameter på 30-40, max 50 mikron eller mikrometer (miljondelar av en meter).
Glödande färger börjar från rött och när temperaturen ökar passerar de genom orange, gult till vitt. Med en ytterligare ökning av temperaturen smälter glödlampans metall först och bränns sedan i närvaro av syre.
Videohandledning: Hur moderna glödlampor fungerar
Kall volframfilament har låg resistivitet. Volfram, som de flesta metaller, har en positiv temperaturkoefficient för motstånd TCR.Detta innebär att i processen att värma glödtråden med en elektrisk ström ökar dess motstånd.
Innan lampan tänds är glödtråden kall och har lite motstånd. Därför tillförs en ström 10-15 gånger mer än den nominella i ögonblicket för påslagning. Detta hopp kallas för start. Och ofta är han det orsak till utbrändhet glödande kroppar.
Det tar en bråkdel av en sekund att värma upp tråden. Under denna tid ökar dess motstånd. Inledningsvis minskar en stor ström som passerar genom lampan, när gasen, glödlampan och alla strukturella element värms upp, till det nominella värdet. Så ljuskällan går in i det angivna läget och producerar ett passljusflöde. Glödens nyans blir också nominell, d.v.s. motsvarande en färgtemperatur från 2000 till 3500 K. Den kallas varmvit och har flera färgtemperaturgraderingar med originalnamn och förkortningar inom det angivna intervallet. Till exempel:
- supervarm vit - 2200-2400 K, betecknad S-Warm eller S-W, den är också mycket varm vit eller Warm 2400;
- varm - 2600-2800 K eller Varm 2700;
- varmvit - 2700-3500 K eller varmvit (WW);
- en annan varm är 2900-3100 K eller Warm 3000 (W).
Temperatur på enskilda lampelement
Den yttre ytan på LON-lampan beror på lampans effekt och kan värmas upp till 250-300 ℃ eller mer.
Tråden värms upp till 2000-2800℃, vid smältpunkten för volfram 3410°C.
I vissa konstruktioner är glödtråden gjord av osmium med en smältpunkt på 3045 ℃ eller rhenium - 2174. Så emissionsspektrumet för LN skiftas till den röda zonen i det synliga spektrumet.
Vilken gas är det i glödlampan
I de första lamporna pumpades luften ut ur kolven.Nu evakueras endast lågeffektslampor, högst 25 watt (luft pumpas ut).
Under driften av en volframtråd uppvärmd till 2-3 tusen grader avdunstar metall intensivt från dess yta. Dess ångor lägger sig på insidan av glödlampan och minskar dess ljustransmission.
Studier som gjordes i början av förra seklet visade att om kolven är fylld med en inert gas kommer förångningen att minska och ljusutbytet att öka. Därför började kolvarna fyllas med en av de inerta gaserna eller deras blandning. Oftast är dessa argon, kväve, xenon, krypton, helium, etc. Helium används för effektiv passiv kylning av de inre elementen i en ny typ av LED-retrofit-lampor.
Detta experiment rekommenderas strängt inte att utföras hemma.
Deras huvudsakliga ljusemitterande element är en tunn stav gjord av konstgjord safir eller glas, på vilken LED-kristaller är placerade. En sådan emitter kallas en filament. Vissa "experter" förvirrade essensen glödlampor och kallade dem "lampor med safirljussändare". Även om konstgjord safir i dessa lampor endast används som en monteringsbas och passiv kylfläns för LED-kristaller.
LN-felet är i de flesta fall inte förknippat med avdunstning av metallen från ytan av glödkroppen, utan med accelerationen av denna process i zonerna med kränkning av glödtrådens tjocklek. Detta inträffar i området för en skarp böjning av tråden eller dess brott. På denna plats ökar dess motstånd lokalt, spänningen, effektförlusten och metalltemperaturen ökar. Avdunstning accelererar, blir en lavin, tråden minskar snabbt sin tjocklek och brinner ut.
Detta problem löstes i slutet av 1950-talet och början av 1960-talet genom att starta massproduktion av halogenglödlampor.
Halogener - klor, brom, fluor eller jod - började införas i sammansättningen av en inert gas eller blandning. Som ett resultat avbryts processen med metallavdunstning helt eller saktar ner avsevärt. Atomerna i dessa tillsatser binder volframånga och bildar molekyler av instabila föreningar. De sätter sig på ytan av glödkroppen. Under inverkan av hög temperatur sönderdelas molekylerna och frigör halogenatomer och ren metall, som lägger sig på den varma ytan av tråden och delvis återställer det förångade lagret.
Denna process intensifieras genom att öka trycket. Detta ökar glödtrådens temperatur, livslängd, ljuseffekt, effektivitet och andra egenskaper. Emissionsspektrumet skiftar till den vita sidan. I gasfyllda lampor saktar mörkningen av glödlampans yta från insidan från volframånga ner. Sådana ljuskällor kallas halogen.
Elektriska parametrar
De elektriska egenskaperna hos glödlampor inkluderar:
- elektrisk effekt, mätt i watt - W, utbudet av tillverkade modeller - från flera watt (glödlampa för en ficklampa - 1 W) till 500 och till och med 1000 W;
- ljusflöde, Lm (lumen), är relaterat till effekt - från 20 Lm vid 5 W till 2500 Lm vid 200 W, med högre effekt är ljusflödet högre;
- ljuseffektivitet, energieffektivitet eller effektivitet, Lm / W - hur många lumen ljus i form av ett ljusflöde ger varje watt effekt som förbrukas från nätverket eller från en strömkälla;
- ljusstyrka eller ljusstyrka, cd (candela);
- färgtemperatur - temperaturen på en villkorad svart kropp som avger ljus med en viss nyans.
Syftet med den elektriska lampan
Elektriska lampor kan delas in i flera typer enligt deras tillämpning - för offentlig, teknisk och speciell användning.
Den huvudsakliga allmänna användningen är att förse alla personer, djur och fåglar med konstgjort ljus på natten eller på en mörk plats i ett rum.
Med hjälp av ljus förlänger människor sin dagliga aktivitet i flera timmar. Det kan vara arbets- och studieprocesser, hushållssysslor. Trafiksäkerheten förbättras, möjligheten att ge medicinsk hjälp på kvällen och natten, och många andra.
Lampor används aktivt på djurgårdar och fjäderfägårdar för odling växter i växthuskomplex. De är upplysta med ljus av ett visst spektrum och storleken på ljusflödet. För uppfödning av fisk behövs också ljus med en speciell spektral sammansättning.
tekniskt syfte. I produktionen, för tekniska ändamål, används enheter som ger synligt och osynligt ljus. Exempel:
- för korrekt och viktigt arbete behöver en person en hög nivå av belysning av arbetsplatsen;
- IR - infraröd strålning används i industrin, till exempel för beröringsfri uppvärmning av konstruktionsdelar eller i klimatteknik för uppvärmning av en person som arbetar i öppen frostig luft, i militär utrustning och jakt - nattsikte för vapen, mörkerseende, etc. ;
- UV- strålning används inom tandvården för snabb härdning av fyllningar, vid tillverkning av proteser etc., inom medicin och sanitet - för desinfektion av lokaler, verktyg, kläder, möbelytor, luft, vatten, mediciner osv.
Speciallampor används i upplyst reklam utomhus och inomhus, kriminalistik, flyg och astronautik, ljusackompanjemang av showframträdanden och många andra.
Huvudtyper och egenskaper
De viktigaste typerna av glödlampor är:
- Allmänna lampor. Betecknas med förkortningen LON. Vanligtvis är dessa enheter med en effekt på 25, 40, 60, 75 och 100 watt. Den vanligaste - 60 watt. Men industriellt producerad LON med en kapacitet på 150, 200, 500 och till och med 1000 watt.
- Halogen glödlampor. Tillverkad för drift från ett högspänningsnät på 220 eller 110 V och från ett lågspänningsnät. I det här fallet drivs de av en nedtrappningstransformator.
Varianter av lågspänningshalogen LN:
- kapsel, har formen av helt glasrör med olika sokler - ändstift GY6.35 eller G4;
- reflex, med ett reflekterande element, med en diameter på 35 till 111 mm, GZ10 bas med tillval.
Högspänning. Nätspänning 220-230 V, 50 Hz. Dessa lampor har fler alternativ:
- linjär i form av ett glasrör med R7S-socklar;
- cylindriska - sokler E27, E14 eller B15D;
- med en fjärrkontroll eller extra kolv.
I den senaste modellen är en liten halogenlampkapsel eller -rör stelt monterad inuti lampan. Den är svetsad till den centrala stången på en konventionell LON-lampa, har flexibla ledningar anslutna till en standard Edison E27 eller E14 bas. Med en strömförbrukning på 70-100 W ger den ett ljusflöde på 20-30% mer än en konventionell glödlampa.
Dessa modeller har en högre energieffektivitet och når 12-25 lm / W, medan konventionella LON har en ljuseffekt från 3-4 till 10-12 lm / W.
Livslängden för halogenmodeller sträcker sig från 4-5 till 10-12 tusen timmar.
Separering av lampor efter syfte och design
dekorativa lampor
På senare år har det dykt upp retrolampor som imiterar vintage Edison LNs.
Dessutom imiterar de ett "ljus", "ljus i vinden", "bump", "päron", "boll" etc. i form av en glödlampa.
Speglad
Spegellampor har en del av glödlampan täckt från insidan med ett reflekterande lager. Oftast är detta en beläggning av metall - silver, aluminium, guld, etc. Detta lager kan vara tunt, genomskinligt eller tjockt, ogenomskinligt.
Spegelstrukturer används i produktionen för absolut ren processuppvärmning, till exempel vid halvledarproduktion med högsta renhet av material. I det här fallet blir nackdelen med glödlampor - ett stort flöde av infraröd strålning - deras oöverträffade fördel.
Sådana lampor används i lampor med en smal roterande ljusstråle.
Signal
Signallampor blinkar ljuskällor. Vanligtvis i form av blinkande beacons, till exempel på tjänstebilar, på flygplan och helikoptrar, för att sända ljusmeddelanden i flottan etc. De har en tunn filament som ger en snabb uppsättning av ljusstyrka.
Transport
Denna typ av lampa är designad för användning på olika typer av transporter - bilar, järnvägar och tunnelbanor, flod- och sjöfartyg. Huvudkravet för dem är motstånd mot vibrationer och stötar. För att göra detta görs filamentet kort och monteras på ett flertal stödelement.Baserna för sådana lampor är bajonett Swan, stift eller soffit. De tillåter inte enheten att komma ut och falla ut ur patronen.
Illumination
Av namnet framgår att lamporna används för belysning. Därför är deras flaskor gjorda av glas i olika färger - blå, grön, gul, röd, etc.
dubbelsträng
Schemat för en sådan glödlampa: i en glödlampa finns två separata glödtrådar. Till exempel, i en bilstrålkastare, används en tvåglödtrådslampa så här:
- när spänning läggs på en tråd slås halvljuset på - ljusflödet "pressas" till vägbädden och strålen sträcker sig över flera tiotals meter;
- efter att ha bytt till den andra tråden stiger ljuset och dess räckvidd kan nå hundratals meter, och flödet blir mycket större.
Sådana lampor kan vara i bakljuset. Den första gängan är för sidoljus, den andra är för bromsljus.
I trafikljus ökar dubbla glödlampor sin tillförlitlighet. Duplicering gör att enheten kan arbeta antingen med en tråd eller slå på en andra efter att den första har brunnit ut. Och, till exempel på järnvägar, är tillförlitligheten hos signalering en garanti för transportsäkerhet.
Allmänt, lokalt syfte
Översta raden, från vänster till höger - en lampa med en E14 bas - för ljuskronor, lampetter och små lampor; med E27 bas - allmänt ändamål; grön, röd, gul - lysande.
Nedre raden: blå - medicinskt syfte för procedurer; en spegel med en reflektor - för fotografiska verk eller speciell belysning, med violett glas, två yttre - dekorativ med en "ljus" glödlampa och E27 och E14 sokler.
Fördelar och nackdelar
Fördelar med glödlampor:
- lågt pris - enkla och billiga material, design och teknik har utarbetats i årtionden, massautomatiserad produktion;
- relativt liten storlek;
- spänningsstötar i nätverket orsakar inte ett omedelbart fel;
- uppstart, såväl som omstart - omedelbar;
- när den drivs av växelström med en frekvens på 50-60 Hz är ljusstyrkans pulseringar knappast märkbara;
- ljusstyrkan på glöden regleras av dimmers;
- strålningsspektrumet är kontinuerligt och bekant för ögat - liknande solen;
- nästan fullständig repeterbarhet av lampegenskaper från olika tillverkare;
- färgåtergivningsindex Ra eller CRI - kvaliteten på reproduktionen av färgnyanser av upplysta objekt - är 100, vilket är helt överensstämmande med solindikatorn;
- det kompakta glödtrådens små dimensioner ger tydliga skuggor;
- hög tillförlitlighet under förhållanden med svår frost och värme;
- designen tillåter massproduktion av modeller med driftspänningar från fraktioner till hundratals volt;
- strömförsörjning från växelspänning eller likspänning i frånvaro av startanordningar;
- den aktiva naturen hos resistansen hos glödtråden ger en effektfaktor (cosinus φ) lika med 1;
- likgiltig för strålning, elektromagnetisk impuls, interferens;
- det finns praktiskt taget ingen UV-komponent i strålningen;
- regelbundet arbete med frekvent tändning/avstängning av ljus och många andra tillhandahålls.
Nackdelarna inkluderar:
- nominell livslängd på LON - 1000 timmar, för halogenglödlampor - från 3 till 5-6 tusen, för självlysande - upp till 10-50 tusen, för LED - 30-150 tusen timmar eller mer;
- glödlampans glas och den tunna glödtråden är känsliga för stötar, vibrationer kan orsaka resonanser vid vissa frekvenser;
- högt beroende av energieffektivitet och livslängd på matningsspänningen;
- Effektiviteten för att omvandla elektricitet till synligt ljus överstiger inte 3-4%, men ökar med ökande effekt;
- yttemperaturen på kolven beror på effekten och är: för 100 W - 290 ° C, för 200 W - 330 ° C, 25 W - 100 ° C;
- när den är påslagen kan strömökningen innan glödtråden värms upp vara tio gånger högre än det nominella värdet;
- lamphållare och armaturer måste vara värmebeständiga.
Hur man ökar lampans livslängd
Det finns många sätt att öka livslängden. Mest använda:
- begränsning av startströmmen genom att slå på en termistor i serie med lampan, vars höga motstånd minskar när den värms upp av startströmmen;
- mjukstart med manuell ljusstyrkakontroll med tyristor eller triac-dimmer;
- lampeffekt genom en kraftfull likriktardiod, dvs. likriktade spänningshalvor av sinusoiden;
- seriekoppling av lampor i par i flerlampsarmaturer, till exempel i ljuskronor.
Modern industri producerar ett stort antal olika typer av glödlampor med ett brett utbud av driftspänningar och effekt, med olika nyanser av glöd, konfigurationer av glödlampor och sokler. Detta intervall tillåter välja rätt lampa för alla användningsområden.