Popis a princip činnosti žárovky
Co je to žárovka
Žárovka, dále jen LN, je zdroj umělého světla, ve kterém se světelný tok získává ohřevem tenkého kovového vlákna na teplotu žhavého kovu. Pro zahřívání prochází vláknem elektrický proud. První lampy měly vlákno ze zuhelnatělé organické hmoty, jako je bambus, ve formě vlákna.
Aby nit rychle nevyhořela, byl z baňky odčerpán vzduch a uzavřena. Nebo naplnili baňku složením plynu, ve kterém není žádné oxidační činidlo - kyslík. Takové plyny se nazývají inertní - argon, neon, helium, dusík atd. Tyto plyny se tak nazývají proto, že nereagují s kovy, tzn. inertní.
První lampy s uhlíkovým vláknem měl pracovní zdroj ne více než tucet hodin. Výrazně se zvýšila po výměně uhlíkového vlákna za tenký kovový drát.
Takové světlo se nazývalo žárovkové světlo, tzn. horké kovové světlo. A nit se nazývala vlákno. Například ocel zahřátá na 1200°C žlutobíle svítí, při 1300°C svítí téměř bíle.
Koncem 19. století uhlíkové vlákno, které rychle vyhořelo, nahradily žáruvzdorné kovy - wolfram, molybden, osmium nebo oxidy kovů - zirkonium, hořčík, yttrium atd.
Naplněním baňky inertními plyny se snížila rychlost odpařování kovu z horkého vlákna, a proto se prodloužila doba jeho provozu.
Při vysokém výkonu jsou vlákna vyrobena v "rozvětvené" formě. Projekční světelné zdroje pro vytváření směrového toku mají závit složité konfigurace, tvořící plochou strukturu kolmou k ose záření. V tomto případě je uvnitř žárovky umístěn reflektor například v podobě tenké vrstvy stříkaného kovu - stříbra nebo hliníku.
Pro napájení lampy přímo z tehdy existující sítě, která měla stálé napětí 110 V, byl potřeba dlouhý a tenký kovový závit. To poskytlo zvýšený odpor, což znamená, že k ohřevu bylo potřeba méně proudu.
Pro husté „zabalení“ do malého objemu průhledné skleněné baňky byla nit opakovaně ohýbána a umístěna na drátěné držáky.
Takové ohýbání závitu komplikovalo konstrukci prvních světelných zdrojů, které fungovaly mnohem déle než ty „uhelné“. Průlomem ve vývoji designu žárovek byl návrh stočení závitu do spirály. Tím se jeho velikost několikrát zmenšila.
Ještě menší velikost žhavícího těla byla získána složením tenké spirálky do druhé spirálky, ale o větším průměru. Dvojitá šroubovice se nazývá bi-šroubovice.
Další etapou ve vývoji světelných zdrojů byl přechod na střídavé sítě a použití transformátoru pro snížení napájecího napětí výbojek.
Hlavní části žárovky
Mezi hlavní konstrukční prvky žárovky patří:
- vlákno nebo vláknité těleso;
- kování pro upevnění závitu;
- baňka na ochranu závitu před rychlým spalováním a vnějšími vlivy;
- základna pro instalaci do kartuše a připojení k elektrické síti;
- soklové kontakty - závitové tělo a centrální kontakt ve spodní části soklu.
Kotva je určena k upevnění závitu a vytvoření požadované konfigurace a směru světelného toku.
Základna je potřebná pro upevnění v montážní kazetě a připojení k baňce. U retrofitových svítidel, analogů žárovek, je část napájecího zařízení umístěna v základně.
podstavec
Na halogenové žárovkyv závislosti na napájecím napětí, výkonu a provedení baňky je instalováno několik typů podstavců - závitové, kolíkové, bajonetové, kolíkové atd.
Systém kontaktů na podnožích je nutný pro připojení k síti nebo napájení.
Baňka
Průhledná baňka LN se používá pro:
- ochrana závitu před vnější atmosférou obsahující oxidační činidlo - kyslík;
- vytváření a udržování vakua nebo složení plynu;
- umístění fosforu a/nebo povlaků, které přeměňují různé druhy elektromagnetické energie na viditelné záření, vracejí teplo do vlákna, přeměňují neviditelné UV a IR záření na světlo, korigují odstín svitu lampy - červená, zelená, modrá.
Žhavící tělo
Žhavicí těleso je závit stočený do spirály nebo dvouspirály nebo tenké kovové pásky.
Plynné médium
Inertní plyny, které vyplňují baňku lampy, například dusík, argon, neon, helium. Do směsi inertních plynů se přidávají halogenové látky.
Jak LN funguje a jak funguje
Zařízení žárovky se během svého vývoje změnilo jen málo. Hlavním prvkem fungujícím na principu žhavení žhavící látky je vlákno nebo žhavící těleso. Jedná se o tenký wolframový drát o průměru 30-40, maximálně 50 mikronů nebo mikrometrů (miliontiny metru).
Žárovkové barvy začínají od červené a s rostoucí teplotou přecházejí přes oranžovou, žlutou až bílou. Při dalším zvýšení teploty se kov žhavícího tělesa nejprve roztaví a poté v přítomnosti kyslíku shoří.
Videonávod: Jak fungují moderní žárovky
Studené wolframové vlákno má nízký měrný odpor. Wolfram, stejně jako většina kovů, má kladný teplotní koeficient odporu TCR.To znamená, že v procesu zahřívání vlákna elektrickým proudem se jeho odpor zvyšuje.
Před zapnutím lampy je vlákno studené a má malý odpor. Proto je v okamžiku zapnutí dodáván proud 10-15krát větší než jmenovitý. Tento skok se nazývá startování. A často je příčina vyhoření rozžhavená těla.
Zahřátí vlákna trvá zlomek sekundy. Během této doby se jeho odolnost zvyšuje. Zpočátku velký proud procházející lampou, když se plyn, žárovka a všechny konstrukční prvky zahřívají, klesá na jmenovitou hodnotu. Světelný zdroj tedy vstoupí do určeného režimu a vytvoří pasový světelný tok. Nominálním se stává i odstín záře, tzn. odpovídající barevné teplotě od 2000 do 3500 K. Nazývá se teplá bílá a má několik barevných gradací s originálními názvy a zkratkami ve specifikovaném rozsahu. Například:
- superteplá bílá - 2200-2400 K, označená jako S-Warm nebo S-W, je to také velmi teplá bílá nebo Warm 2400;
- teplý - 2600-2800 K nebo teplý 2700;
- teplá bílá - 2700-3500 K nebo teplá bílá (WW);
- další teplá je 2900-3100 K nebo teplá 3000 (W).
Teplota jednotlivých prvků lampy
Vnější povrch žárovky LON závisí na výkonu lampy a lze jej zahřát až na 250-300℃ nebo více.
Nit se zahřeje na 2000-2800℃, při bodu tání wolframu 3410°C.
V některých provedeních je vlákno vyrobeno z osmia s bodem tání 3045 ℃ nebo rhenia - 2174. Takže emisní spektrum LN je posunuto do červené zóny viditelného spektra.
Jaký plyn je v žárovce
V prvních lampách byl vzduch odčerpáván z baňky.Nyní jsou evakuovány pouze žárovky s nízkým výkonem, ne více než 25 wattů (vzduch je čerpán).
Během provozu wolframového drátu zahřátého na 2-3 tisíce stupňů se kov intenzivně odpařuje z jeho povrchu. Jeho páry se usazují na vnitřní straně žárovky a snižují její propustnost světla.
Studie provedené na začátku minulého století ukázaly, že pokud je baňka naplněna inertním plynem, odpařování se sníží a světelný výkon se zvýší. Baňky se proto začaly plnit některým z inertních plynů nebo jejich směsí. Nejčastěji se jedná o argon, dusík, xenon, krypton, helium atd. Helium se používá pro efektivní pasivní chlazení vnitřních prvků nového typu retrofitových LED svítidel.
Tento experiment se přísně nedoporučuje provádět doma.
Jejich hlavním světločivným prvkem je tenká tyčinka z umělého safíru nebo skla, na které jsou umístěny LED krystaly. Takový zářič se nazývá vlákno. Někteří "odborníci" popletli podstatu žárovky a nazval je „lampy se safírovými světelnými zářiči“. I když se umělý safír v těchto lampách používá pouze jako montážní základna a pasivní chladič pro LED krystaly.
Selhání LN ve většině případů není spojeno s odpařováním kovu z povrchu žhavícího tělesa, ale se zrychlením tohoto procesu v zónách porušení tloušťky vlákna. K tomu dochází v zóně prudkého ohybu drátu nebo jeho zlomu. V tomto místě se lokálně zvyšuje jeho odpor, zvyšuje se napětí, ztrátový výkon a teplota kovu. Odpařování se zrychluje, stává se lavinou, nit rychle zmenší svou tloušťku a vyhoří.
Tento problém byl vyřešen koncem 50. a začátkem 60. let zahájením hromadné výroby halogenových žárovek.
Do kompozice inertního plynu nebo směsi se začaly zavádět halogeny – chlor, brom, fluor nebo jód. V důsledku toho se proces odpařování kovu úplně zastaví nebo výrazně zpomalí. Atomy těchto přísad vážou páry wolframu a tvoří molekuly nestabilních sloučenin. Usazují se na povrchu žhavícího tělesa. Působením vysoké teploty se molekuly rozkládají a uvolňují atomy halogenu a čistý kov, který se usazuje na horkém povrchu závitu a částečně obnovuje odpařenou vrstvu.
Tento proces se zintenzivňuje zvýšením tlaku. Tím se zvyšuje teplota vlákna, životnost, světelný výkon, účinnost a další vlastnosti. Emisní spektrum se posune na bílou stranu. U plynových výbojek se tmavnutí povrchu žárovky zevnitř z wolframových výparů zpomaluje. Takové světelné zdroje se nazývají halogenové.
Elektrické parametry
Elektrické vlastnosti žárovek zahrnují:
- elektrický výkon, měřený ve wattech - W, rozsah vyráběných modelů - od několika wattů (žárovka na baterku - 1 W) do 500 a dokonce 1000 W;
- světelný tok, Lm (lumen), souvisí s výkonem - od 20 Lm při 5 W do 2500 Lm při 200 W, při vyšším výkonu je vyšší světelný tok;
- světelná účinnost, energetická účinnost nebo účinnost, Lm / W - kolik lumenů světla ve formě světelného toku dává každý watt energie spotřebované ze sítě nebo ze zdroje energie;
- svítivost nebo jas, cd (candela);
- barevná teplota - teplota podmíněného černého tělesa, které vyzařuje světlo s určitým odstínem.
Účel elektrické lampy
Elektrická svítidla lze rozdělit do několika typů podle jejich použití - pro veřejné, technické a speciální použití.
Hlavním veřejným využitím je poskytnout jakékoli osobě, zvířatům a ptákům umělé osvětlení v noci nebo na tmavém místě v místnosti.
Pomocí světla si lidé prodlužují svou denní aktivitu na několik hodin. Mohou to být pracovní a studijní procesy, domácí práce. Zlepšuje se bezpečnost silničního provozu, možnost poskytovat lékařskou pomoc ve večerních a nočních hodinách a mnoho dalších.
Lampy se aktivně používají na farmách hospodářských zvířat a drůbežích farmách pro pěstování rostliny ve skleníkových komplexech. Jsou osvětleny světlem určitého spektra a velikosti světelného toku. Pro chov ryb je potřeba i světlo se speciálním spektrálním složením.
technický účel. Ve výrobě se pro technologické účely používají zařízení, která dávají viditelné a neviditelné světlo. Příklady:
- pro přesnou a důležitou práci potřebuje člověk vysokou úroveň osvětlení pracoviště;
- IR - infračervené záření se používá v průmyslu např. k bezdotykovému ohřevu konstrukčních dílů nebo v klimatické technice k ohřevu osoby pracující na otevřeném mrazivém vzduchu, ve vojenské technice a myslivosti - noční zaměřovače zbraní, přístroje pro noční vidění atd. ;
- UV- záření se používá ve stomatologii k rychlému vytvrzení výplní, při výrobě zubních protéz atd., v lékařství a sanitaci - pro dezinfekce prostornářadí, oděvy, povrchy nábytku, vzduch, voda, léky atd.
Speciální svítidla se používají ve venkovní i vnitřní světelné reklamě, kriminalistice, letectví a kosmonautice, světelný doprovod show performance a mnoho dalších.
Hlavní typy a vlastnosti
Hlavní typy žárovek jsou:
- Univerzální žárovky. Označuje se zkratkou LON. Obvykle se jedná o zařízení s výkonem 25, 40, 60, 75 a 100 wattů. Nejběžnější - 60 wattů. Ale průmyslově vyráběný LON s kapacitou 150, 200, 500 a dokonce 1000 wattů.
- Halogenové žárovky. Vyrábí se pro provoz z vysokonapěťové sítě 220 nebo 110 V a ze sítě nízkého napětí. V tomto případě jsou napájeny snižovacím transformátorem.
Odrůdy nízkonapěťového halogenu LN:
- kapsle, mají podobu celoskleněných trubic s různými patkami - koncový čep GY6.35 nebo G4;
- reflexní, s reflexním prvkem, o průměru 35 až 111 mm, základna GZ10 s opcemi.
Vysokého napětí. Síťové napětí 220-230 V, 50 Hz. Tyto lampy mají více možností:
- lineární ve formě skleněné trubice se soklemi R7S;
- válcové - sokle E27, E14 nebo B15D;
- s dálkovou nebo přídavnou baňkou.
V nejnovějším modelu je malá halogenová žárovka-kapsle nebo trubice pevně namontována uvnitř žárovky. Je přivařena k centrální tyči klasické LON žárovky, má ohebné přívody připojené ke standardní patici Edison E27 nebo E14. S příkonem 70-100W poskytuje světelný tok o 20-30% více než klasická žárovka.
Tyto modely mají vyšší energetickou účinnost, dosahující 12-25 lm/W, zatímco běžné LON mají světelný výkon od 3-4 do 10-12 lm/W.
Životnost halogenových modelů se pohybuje od 4-5 do 10-12 tisíc hodin.
Rozdělení svítidel podle účelu a designu
dekorativní lampy
V posledních letech se objevují retro lampy, které napodobují vintage Edison LN.
Navíc napodobují „svíčku“, „svíčku ve větru“, „bouli“, „hrušku“, „kouli“ atd. ve tvaru žárovky.
Zrcadlově
Zrcadlové lampy mají část žárovky zevnitř pokrytou reflexní vrstvou. Nejčastěji se jedná o povlak kovu - stříbro, hliník, zlato atd. Tato vrstva může být tenká, průsvitná nebo tlustá, neprůhledná.
Zrcadlové struktury se používají ve výrobě pro absolutně čistý procesní ohřev, například při výrobě polovodičů s nejvyšší čistotou materiálů. V tomto případě se nevýhoda žárovek - velký tok infračerveného záření - stává jejich nepřekonatelnou výhodou.
Takové lampy se používají v lampách s úzkým rotačním paprskem světla.
Signál
Signální lampy jsou blikající světelné zdroje. Obvykle ve formě blikajících majáků, například na služebních autech, na letadlech a vrtulnících, pro přenos světelných zpráv ve flotile atd. Mají tenké vlákno, které poskytuje rychlé nastavení jasu.
Doprava
Tento typ svítidla je určen pro použití na různých typech dopravy - automobily, železnice a metro, říční a námořní plavidla. Hlavním požadavkem na ně je odolnost vůči vibracím a nárazům. K tomu je vlákno vyrobeno krátké a namontováno na množství podpěrných prvků.Základy takových lamp jsou bajonet Swan, kolík nebo podhled. Neumožňují, aby se zařízení dostalo ven a vypadlo z kazety.
Iluminace
Již z názvu je zřejmé, že lampy slouží k osvětlení. Proto jsou jejich baňky vyrobeny ze skla různých barev - modré, zelené, žluté, červené atd.
dvouvláknový
Schéma takové žárovky: v jedné žárovce jsou dvě samostatná žárovka. Například ve světlometu automobilu se dvouvláknová žárovka používá takto:
- při přivedení napětí na jedno vlákno se rozsvítí potkávací světlo - světelný tok je „přitlačen“ k vozovce a paprsek se rozprostírá na několik desítek metrů;
- po přepnutí na druhý závit světlo stoupá a jeho dosah může dosahovat stovek metrů a tok bude mnohem větší.
Takové lampy mohou být v zadním světle. První závit je pro obrysová světla, druhý pro brzdové světlo.
V semaforech zvyšují jejich spolehlivost dvouvláknové žárovky. Duplikace umožňuje zařízení pracovat buď s jedním vláknem, nebo zapnout druhé po vyhoření prvního. A například na železnici je spolehlivost signalizace zárukou bezpečnosti přepravy.
Obecný, místní účel
Horní řada zleva doprava - lampa s paticí E14 - pro lustry, svítidla a lampy malých rozměrů; se základnou E27 - všeobecné použití; zelená, červená, žlutá - svítící.
Spodní řada: modrá - lékařské účely pro procedury; zrcadlo s reflektorem - pro fotografické práce nebo speciální osvětlení, s fialovým sklem, dvě vnější - ozdobná se „svíčkovou“ žárovkou a patkami E27 a E14.
Výhody a nevýhody
Výhody žárovek:
- nízká cena - jednoduché a levné materiály, design a technologie jsou vypracovány desítky let, hromadná automatizovaná výroba;
- relativně malá velikost;
- přepětí v síti nezpůsobí okamžitý výpadek;
- spuštění, stejně jako restart - okamžité;
- při napájení střídavým proudem o frekvenci 50-60 Hz jsou pulzace jasu sotva patrné;
- jas záře je regulován stmívači;
- spektrum záření je spojité a oku známé – podobně jako u slunce;
- téměř úplná opakovatelnost charakteristik lamp od různých výrobců;
- index podání barev Ra nebo CRI - kvalita reprodukce barevných odstínů osvětlených objektů - je 100, což je plně v souladu s indikátorem slunce;
- malé rozměry kompaktního vlákna poskytují jasné stíny;
- vysoká spolehlivost v podmínkách silného mrazu a tepla;
- konstrukce umožňuje hromadnou výrobu modelů s provozním napětím od zlomků až po stovky voltů;
- napájení ze střídavého nebo stejnosměrného napětí při absenci spouštěcích zařízení;
- aktivní povaha odporu vlákna poskytuje účiník (kosinus φ) rovný 1;
- lhostejný k záření, elektromagnetickému impulsu, rušení;
- v záření není prakticky žádná UV složka;
- je zajištěna pravidelná práce s častým zapínáním/vypínáním světla a mnoho dalších.
Mezi nevýhody patří:
- jmenovitá životnost LON - 1000 hodin, pro halogenové žárovky - od 3 do 5-6 tisíc, pro světélkující - až 10-50 tisíc, pro LED - 30-150 tisíc hodin nebo více;
- sklo baňky a tenké vlákno jsou citlivé na otřesy, vibrace mohou způsobit rezonance na určitých frekvencích;
- vysoká závislost energetické účinnosti a životnosti na napájecím napětí;
- Účinnost přeměny elektřiny na viditelné světlo nepřesahuje 3-4 %, ale zvyšuje se s rostoucím výkonem;
- povrchová teplota baňky závisí na výkonu a je: pro 100 W - 290 °C, pro 200 W - 330 °C, 25 W - 100 °C;
- při zapnutí může být proudový ráz před zahřátím vlákna desetkrát vyšší než jmenovitá hodnota;
- objímky a armatury svítidel musí být tepelně odolné.
Jak prodloužit životnost lampy
Existuje mnoho způsobů, jak zvýšit životnost. Nejvíc používaný:
- omezení startovacího proudu zapnutím termistoru v sérii s lampou, jejíž vysoký odpor klesá, jak je ohřívána startovacím proudem;
- měkký start s manuální regulací jasu tyristorovým nebo triakovým stmívačem;
- napájení lampy přes výkonnou usměrňovací diodu, tzn. usměrněné napěťové poloviny sinusoidy;
- sériové zapojení svítidel v párech ve svítidlech s více svítidly, například v lustrech.
Moderní průmysl vyrábí velké množství různých typů žárovek se širokým rozsahem provozních napětí a výkonů, s různými odstíny záře, konfiguracemi žárovek a soklů. Tento rozsah umožňuje Vybrat správná lampa pro každé použití.