Descrição e princípio de funcionamento da lâmpada
O que é uma lâmpada incandescente
Uma lâmpada incandescente, doravante denominada LN, é uma fonte de luz artificial, na qual o fluxo luminoso é obtido aquecendo um filamento de metal fino à temperatura do brilho de um metal incandescente. Para o aquecimento, uma corrente elétrica é passada através do filamento. As primeiras lâmpadas tinham um filamento de matéria orgânica carbonizada, como o bambu, em forma de fibra.
Para evitar que o fio queimasse rapidamente, o ar foi bombeado para fora do frasco e selado. Ou eles encheram o frasco com uma composição de gás na qual não há agente oxidante - oxigênio. Tais gases são chamados inertes - argônio, neônio, hélio, nitrogênio, etc. Esses gases são assim chamados porque não reagem com metais, ou seja, inerte.
Primeiras lâmpadas com um filamento de carbono tinha um recurso de trabalho de não mais que uma dúzia de horas. Foi significativamente aumentado após a substituição do filamento de carbono por fio metálico fino.
Tal luz foi chamada de luz incandescente, ou seja, luz de metal quente. E o fio foi chamado de filamento. Por exemplo, o aço aquecido a 1200°C brilha em amarelo-branco, enquanto a 1300°C brilha quase branco.
No final do século 19, o fio de carbono, que se queimou rapidamente, foi substituído por metais refratários - tungstênio, molibdênio, ósmio ou óxidos metálicos - zircônio, magnésio, ítrio, etc.
Ao encher o frasco com gases inertes, a taxa de evaporação do metal do filamento quente foi reduzida e, portanto, a duração de sua operação foi aumentada.
Em alta potência, os filamentos são feitos de forma "ramificada". As fontes de luz de projeção para a criação de um fluxo direcional possuem uma rosca de configuração complexa, formando uma estrutura plana perpendicular ao eixo de radiação. Nesse caso, um refletor de luz é colocado dentro da lâmpada, por exemplo, na forma de uma fina camada de metal pulverizado - prata ou alumínio.
Para alimentar a lâmpada diretamente da rede que existia na época, que tinha uma tensão constante de 110 V, era necessário um fio metálico longo e fino. Isso proporcionou maior resistência, o que significa que menos corrente foi necessária para o aquecimento.
Para uma “embalagem” densa em um pequeno volume de um frasco de vidro transparente, o fio foi dobrado repetidamente e colocado em suportes de arame.
Essa curvatura do fio complicou o design das primeiras fontes de luz, que funcionaram muito mais do que as de "carvão". Um avanço no desenvolvimento do design das lâmpadas incandescentes foi a proposta de torcer o fio em espiral. Isso reduziu seu tamanho várias vezes.
Um tamanho ainda menor do corpo incandescente foi obtido dobrando uma espiral fina em uma segunda espiral, mas de diâmetro maior. A dupla hélice é chamada de bi-hélice.
A próxima etapa no desenvolvimento das fontes de luz foi a transição para redes CA e o uso de um transformador para reduzir a tensão de alimentação das lâmpadas.
As partes principais de uma lâmpada incandescente
Os principais elementos estruturais de uma lâmpada incandescente incluem:
- filamento ou corpo de filamento;
- acessórios para fixação da rosca;
- um frasco para proteger o fio da combustão rápida e influências externas;
- base para instalação em cartucho e conexão à rede;
- contatos da base - um corpo rosqueado e um contato central na parte inferior da base.
A armadura é projetada para prender a rosca e criar a configuração e direção necessárias do fluxo de luz.
A base é necessária para fixação no cartucho de montagem e conexão ao frasco. Nas lâmpadas retrofit, análogas às lâmpadas incandescentes, uma parte do dispositivo de energia é colocada na base.
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No lâmpadas incandescentes halógenas, dependendo da tensão de alimentação, potência e design do frasco, vários tipos de solas são instalados - rosqueados, pinos, baionetas, pinos, etc.
O sistema de contatos nas solas é necessário para conectar à rede elétrica ou à fonte de alimentação.
Frasco
O frasco transparente LN é usado para:
- proteção do fio da atmosfera externa contendo um agente oxidante - oxigênio;
- criar e manter uma composição de vácuo ou gás;
- colocação de fósforo e/ou revestimentos que convertem diferentes tipos de energia eletromagnética em radiação visível, devolvendo calor ao filamento, convertendo radiação UV e IR invisível em luz, corrigindo a tonalidade do brilho da lâmpada - vermelho, verde, azul.
Corpo incandescente
O corpo incandescente é um fio enrolado em espiral ou bi-espiral ou uma fina fita de metal.
Meio de gás
Gases inertes que enchem o bulbo de uma lâmpada, por exemplo, nitrogênio, argônio, neônio, hélio. Em uma mistura de gases inertes, são adicionadas substâncias de halogênio.
Como o LN funciona e como funciona
O dispositivo da lâmpada incandescente mudou pouco durante seu desenvolvimento. O principal elemento que opera no princípio do brilho de uma substância incandescente é um filamento ou um corpo incandescente. Este é um fio fino de tungstênio com um diâmetro de 30-40, máximo de 50 mícrons ou micrômetros (milionésimos de metro).
As cores incandescentes começam do vermelho e, à medida que a temperatura aumenta, passam do laranja, do amarelo ao branco. Com um aumento adicional de temperatura, o metal do corpo incandescente primeiro derrete e depois, na presença de oxigênio, queima.
Tutorial em vídeo: como funcionam as lâmpadas modernas
O filamento de tungstênio frio tem baixa resistividade. O tungstênio, como a maioria dos metais, tem um coeficiente de resistência de temperatura positivo TCR.Isso significa que, no processo de aquecimento do filamento com uma corrente elétrica, sua resistência aumenta.
Antes de a lâmpada ser ligada, o filamento está frio e tem pouca resistência. Portanto, no momento da ligação, uma corrente é fornecida 10 a 15 vezes mais que a nominal. Este salto é chamado de partida. E muitas vezes ele é causa de esgotamento corpos incandescentes.
Leva uma fração de segundo para aquecer o fio. Durante este tempo, sua resistência aumenta. Inicialmente, uma grande corrente que passa pela lâmpada, à medida que o gás, a lâmpada e todos os elementos estruturais aquecem, diminui para o valor nominal. Assim, a fonte de luz entra no modo especificado e produz um fluxo luminoso de passaporte. A tonalidade do brilho também se torna nominal, ou seja, corresponde a uma temperatura de cor de 2000 a 3500 K. É chamado de branco quente e possui várias gradações de temperatura de cor com nomes originais e abreviações na faixa especificada. Por exemplo:
- branco super quente - 2200-2400 K, designado S-Warm ou S-W, também é branco muito quente ou Warm 2400;
- quente - 2600-2800 K ou quente 2700;
- branco quente - 2700-3500 K ou branco quente (WW);
- outro quente é 2900-3100 K ou quente 3000 (W).
Temperatura dos elementos individuais da lâmpada
A superfície externa da lâmpada LON depende da potência da lâmpada e pode ser aquecida até 250-300℃ ou mais.
O fio é aquecido até 2000-2800℃, no ponto de fusão do tungstênio 3410°C.
Em alguns projetos, o filamento é feito de ósmio com ponto de fusão de 3045 ℃ ou rênio - 2174. Assim, o espectro de emissão do LN é deslocado para a zona vermelha do espectro visível.
Que gás está na lâmpada
Nas primeiras lâmpadas, o ar era bombeado para fora do frasco.Agora, apenas as lâmpadas de baixa potência, não mais de 25 watts, são evacuadas (o ar é bombeado para fora).
Durante a operação de um fio de tungstênio aquecido a 2-3 mil graus, o metal evapora intensamente de sua superfície. Seus vapores se depositam no interior da lâmpada e reduzem sua transmissão de luz.
Estudos realizados no início do século passado mostraram que se o frasco for preenchido com um gás inerte, a evaporação diminuirá e a emissão de luz aumentará. Portanto, os frascos começaram a ser preenchidos com um dos gases inertes ou sua mistura. Na maioria das vezes, são argônio, nitrogênio, xenônio, criptônio, hélio, etc. O hélio é usado para resfriamento passivo efetivo dos elementos internos de um novo tipo de lâmpadas de retrofit de LED.
Este experimento não é estritamente recomendado para ser realizado em casa.
Seu principal elemento emissor de luz é uma haste fina feita de safira artificial ou vidro, na qual estão localizados os cristais de LED. Tal emissor é chamado de filamento. Alguns "especialistas" confundiram a essência lâmpadas de filamento e os chamou de "lâmpadas com emissores de luz de safira". Embora a safira artificial nessas lâmpadas seja usada apenas como base de montagem e dissipador de calor passivo para cristais de LED.
A falha do LN na maioria dos casos está associada não à evaporação do metal da superfície do corpo incandescente, mas à aceleração desse processo nas zonas de violação da espessura do filamento. Isso ocorre na zona de uma inflexão acentuada do fio ou sua fratura. Nesse local, sua resistência aumenta localmente, a tensão, a dissipação de energia e a temperatura do metal aumentam. A evaporação acelera, torna-se uma avalanche, o fio reduz rapidamente sua espessura e queima.
Este problema foi resolvido no final dos anos 1950 e início dos anos 1960, iniciando a produção em massa de lâmpadas incandescentes de halogênio.
Os halogênios - cloro, bromo, flúor ou iodo - começaram a ser introduzidos na composição de um gás ou mistura inerte. Como resultado, o processo de evaporação do metal para completamente ou diminui significativamente. Os átomos desses aditivos se ligam ao vapor de tungstênio, formando moléculas de compostos instáveis. Eles se instalam na superfície do corpo incandescente. Sob a ação da alta temperatura, as moléculas se decompõem e liberam átomos de halogênio e metal puro, que se deposita na superfície quente do fio e restaura parcialmente a camada evaporada.
Este processo é intensificado pelo aumento da pressão. Isso aumenta a temperatura do filamento, vida útil, saída de luz, eficiência e outras características. O espectro de emissão muda para o lado branco. Em lâmpadas cheias de gás, o escurecimento da superfície da lâmpada por dentro do vapor de tungstênio diminui. Essas fontes de luz são chamadas de halogênio.
Parâmetros elétricos
As características elétricas das lâmpadas incandescentes incluem:
- potência elétrica, medida em watts - W, a gama de modelos fabricados - de vários watts (lâmpada para lanterna - 1 W) a 500 e até 1000 W;
- fluxo luminoso, Lm (lúmen), está relacionado à potência - de 20 Lm a 5 W a 2500 Lm a 200 W, com maior potência, o fluxo de luz é maior;
- eficiência luminosa, eficiência energética ou eficiência, Lm / W - quantos lúmens de luz na forma de um fluxo luminoso dão a cada watt de energia consumida da rede ou de uma fonte de energia;
- intensidade luminosa ou brilho, cd (candela);
- temperatura de cor - a temperatura de um corpo negro condicional que emite luz com um certo tom.
O objetivo da lâmpada elétrica
As lâmpadas elétricas podem ser divididas em vários tipos de acordo com sua aplicação - para uso público, técnico e especial.
O principal uso público é fornecer luz artificial a qualquer pessoa, animais e pássaros à noite ou em um local escuro em uma sala.
Usando a luz, as pessoas prolongam sua atividade diária por várias horas. Podem ser processos de trabalho e estudo, tarefas domésticas. A segurança rodoviária está a melhorar, a capacidade de prestar assistência médica à noite e à noite e muitos outros.
As lâmpadas são usadas ativamente em fazendas de gado e fazendas de aves, para o cultivo plantas em complexos de estufa. Eles são iluminados com luz de um determinado espectro e a magnitude do fluxo luminoso. Para a criação de peixes, também é necessária luz com uma composição espectral especial.
finalidade técnica. Na produção, para fins tecnológicos, são utilizados dispositivos que dão luz visível e invisível. Exemplos:
- para um trabalho preciso e importante, uma pessoa precisa de um alto nível de iluminação do local de trabalho;
- RI - a radiação infravermelha é usada na indústria, por exemplo, para aquecimento sem contato de peças estruturais ou na tecnologia climática para aquecer uma pessoa que trabalha ao ar livre, em equipamentos militares e caça - miras noturnas para armas, dispositivos de visão noturna etc. ;
- UV- a radiação é usada em odontologia para endurecimento rápido de obturações, na fabricação de dentaduras, etc., em medicina e saneamento - para desinfecção de instalações, ferramentas, roupas, superfícies de móveis, ar, água, medicamentos, etc.
As lâmpadas para fins especiais são usadas em publicidade iluminada externa e interna, criminalística, aviação e astronáutica, acompanhamento de luz de apresentações de shows e muitos outros.
Principais tipos e características
Os principais tipos de lâmpadas incandescentes são:
- Lâmpadas de uso geral. Designado pela abreviatura LON. Normalmente são dispositivos com potência de 25, 40, 60, 75 e 100 watts. O mais comum - 60 watts. Mas LON produzido industrialmente com capacidade de 150, 200, 500 e até 1000 watts.
- Lâmpadas incandescentes de halogênio. Produzido para operação a partir de uma rede de alta tensão de 220 ou 110 V e de uma rede de baixa tensão. Neste caso, eles são alimentados por um transformador abaixador.
Variedades de halogênio de baixa tensão LN:
- cápsula, tem a forma de tubos de vidro com diferentes socos - pino terminal GY6.35 ou G4;
- reflex, com elemento refletor, com diâmetro de 35 a 111 mm, base GZ10 com opções.
Alta voltagem. Tensão principal 220-230 V, 50 Hz. Estas lâmpadas têm mais opções:
- linear na forma de um tubo de vidro com solas R7S;
- cilíndrico - soquetes E27, E14 ou B15D;
- com um frasco remoto ou adicional.
No modelo mais recente, uma cápsula ou tubo de lâmpada halógena de tamanho pequeno é montado rigidamente dentro da lâmpada. É soldado à haste central de uma lâmpada LON convencional, possui cabos flexíveis conectados a uma base padrão Edison E27 ou E14. Com um consumo de energia de 70-100 W, fornece um fluxo luminoso de 20 a 30% mais do que uma lâmpada incandescente convencional.
Esses modelos possuem uma maior eficiência energética, chegando a 12-25 lm/W, enquanto os LONs convencionais possuem uma saída de luz de 3-4 a 10-12 lm/W.
A vida útil dos modelos de halogênio varia de 4-5 a 10-12 mil horas.
Separação de lâmpadas por finalidade e design
lâmpadas decorativas
Nos últimos anos, surgiram lâmpadas retrô que imitam os Edison LNs antigos.
Além disso, eles imitam uma “vela”, “vela ao vento”, “bump”, “pêra”, “bola”, etc. em forma de bulbo.
Espelhado
As lâmpadas de espelho têm uma parte da lâmpada coberta por dentro com uma camada refletiva. Na maioria das vezes, este é um revestimento de metal - prata, alumínio, ouro, etc. Essa camada pode ser fina, translúcida ou espessa, opaca.
Estruturas de espelho são usadas na produção para aquecimento de processo absolutamente limpo, por exemplo, na produção de semicondutores com a mais alta pureza de materiais. Nesse caso, a desvantagem das lâmpadas incandescentes - um grande fluxo de radiação infravermelha - torna-se sua vantagem insuperável.
Essas lâmpadas são usadas em lâmpadas com um feixe de luz rotativo estreito.
Sinal
As lâmpadas de sinalização são fontes de luz intermitentes. Geralmente na forma de piscas, por exemplo, em carros oficiais, em aviões e helicópteros, para transmitir mensagens de luz na frota, etc. Possuem um filamento fino que proporciona um ajuste rápido de brilho.
Transporte
Este tipo de lâmpada é projetado para uso em diferentes tipos de transporte - carros, ferrovias e metrôs, embarcações fluviais e marítimas. O principal requisito para eles é a resistência a vibrações e choques. Para fazer isso, o filamento é encurtado e montado em uma pluralidade de elementos de suporte.As bases de tais lâmpadas são baioneta Swan, pino ou intradorso. Eles não permitem que o dispositivo saia e caia do cartucho.
Iluminações
Pelo nome fica claro que as lâmpadas são usadas para iluminação. Portanto, seus frascos são feitos de vidro de cores diferentes - azul, verde, amarelo, vermelho, etc.
fio duplo
O esquema de tal lâmpada incandescente: em uma lâmpada existem dois filamentos incandescentes separados. Por exemplo, em um farol de carro, uma lâmpada de dois filamentos é usada assim:
- quando a tensão é aplicada a um fio, o feixe de cruzamento é ligado - o fluxo de luz é "pressionado" no leito da estrada e o feixe se estende por várias dezenas de metros;
- depois de mudar para o segundo fio, a luz aumenta e seu alcance pode chegar a centenas de metros, e o fluxo será muito maior.
Essas lâmpadas podem estar na luz traseira. O primeiro segmento é para luzes laterais, o segundo é para uma luz de freio.
Nos semáforos, as lâmpadas de filamento duplo aumentam sua confiabilidade. A duplicação permite que o dispositivo funcione com um thread ou ligue um segundo após o primeiro ter queimado. E, por exemplo, nas ferrovias, a confiabilidade da sinalização é garantia de segurança no transporte.
Geral, propósito local
Fila superior, da esquerda para a direita - uma lâmpada com base E14 - para lustres, arandelas e lâmpadas de pequeno porte; com base E27 - uso geral; verde, vermelho, amarelo - iluminante.
Linha inferior: azul - finalidade médica para procedimentos; um espelho com refletor - para trabalhos fotográficos ou iluminação especial, com vidro violeta, dois exteriores - decorativo com lâmpada de “vela” e solas E27 e E14.
Prós e contras
Vantagens das lâmpadas incandescentes:
- preço baixo - materiais, design e tecnologia simples e baratos, desenvolvidos há décadas, produção automatizada em massa;
- tamanho relativamente pequeno;
- surtos de tensão na rede não causam uma falha imediata;
- inicialização, bem como reinício - instantâneo;
- quando alimentado por corrente alternada com uma frequência de 50-60 Hz, as pulsações de brilho são quase imperceptíveis;
- o brilho do brilho é regulado por dimmers;
- o espectro de radiação é contínuo e familiar aos olhos - semelhante ao sol;
- repetibilidade quase completa das características da lâmpada de diferentes fabricantes;
- índice de reprodução de cores Ra ou CRI - a qualidade da reprodução de tons de cores de objetos iluminados - é 100, o que é totalmente consistente com o indicador solar;
- as pequenas dimensões do filamento compacto dão sombras claras;
- alta confiabilidade em condições de geada e calor severos;
- o projeto permite a produção em massa de modelos com tensões de operação de frações a centenas de volts;
- alimentação de tensão alternada ou direta na ausência de dispositivos de partida;
- a natureza ativa da resistência do filamento fornece um fator de potência (cosseno φ) igual a 1;
- indiferente à radiação, impulso eletromagnético, interferência;
- praticamente não há componente UV na radiação;
- trabalho regular com ligar/desligar frequente da luz e muitos outros são fornecidos.
As desvantagens incluem:
- vida útil nominal de LON - 1000 horas, para lâmpadas incandescentes de halogênio - de 3 a 5-6 mil, para luminescente - até 10-50 mil, para LED - 30-150 mil horas ou mais;
- o vidro da lâmpada e o filamento fino são sensíveis a choques; vibrações podem causar ressonâncias em certas frequências;
- alta dependência da eficiência energética e vida útil da tensão de alimentação;
- A eficiência da conversão de eletricidade em luz visível não excede 3-4%, mas aumenta com o aumento da potência;
- a temperatura da superfície do frasco depende da potência e é: para 100 W - 290 ° C, para 200 W - 330 ° C, 25 W - 100 ° C;
- quando ligado, o pico de corrente antes do aquecimento do filamento pode ser dez vezes maior que o valor nominal;
- suportes de lâmpadas e acessórios de luminárias devem ser resistentes ao calor.
Como aumentar a vida útil da lâmpada
Há muitas maneiras de aumentar a vida útil. Mais usado:
- limitar a corrente de partida ligando um termistor em série com a lâmpada, cuja alta resistência diminui à medida que é aquecida pela corrente de partida;
- partida suave com controle manual de brilho por tiristor ou dimmer triac;
- energia da lâmpada através de um poderoso diodo retificador, ou seja, metades de voltagem retificadas da senóide;
- conexão em série de lâmpadas em pares em luminárias multi-lâmpadas, por exemplo, em lustres.
A indústria moderna produz um grande número de diferentes tipos de lâmpadas incandescentes com uma ampla faixa de tensões e potências de operação, com diferentes tonalidades de brilho, configurações de lâmpadas e soquetes. Este intervalo permite escolher a lâmpada certa para qualquer uso.