Opis in načelo delovanja žarnice
Kaj je žarnica z žarilno nitko
Žarnica z žarilno nitko, v nadaljnjem besedilu LN, je vir umetne svetlobe, pri kateri se svetlobni tok pridobi s segrevanjem tanke kovinske žarilne nitke na temperaturo sijaja rdeče vroče kovine. Za ogrevanje se skozi žarilno nitko spelje električni tok. Prve svetilke so imele žarilno nitko iz zoglenelih organskih snovi, kot je bambus, v obliki vlakna.
Da nit ne bi hitro izgorela, smo iz bučke izčrpali zrak in ga zapečatili. Ali pa so bučko napolnili s plinsko sestavo, v kateri ni oksidanta - kisika. Takšne pline imenujemo inertni - argon, neon, helij, dušik itd. Ti plini so tako imenovani, ker ne reagirajo s kovinami, t.j. inerten.
Prve svetilke z ogljikovo nitko je imel delovni vir največ ducat ur. Bistveno se je povečala po zamenjavi ogljikove nitke s tanko kovinsko žico.
Takšna luč se je imenovala žarilna luč, t.j. vroča kovinska luč. In nit se je imenovala filament. Na primer, jeklo, segreto na 1200°C, sveti rumeno-belo, pri 1300°C pa skoraj belo.
Konec 19. stoletja so ogljikovo nit, ki je hitro pregorela, nadomestile ognjevzdržne kovine - volfram, molibden, osmij ali kovinski oksidi - cirkonij, magnezij, itrij itd.
S polnjenjem bučke z inertnimi plini se je zmanjšala hitrost izhlapevanja kovine iz vroče žarilne nitke in s tem se je podaljšalo trajanje njenega delovanja.
Pri visoki moči so filamenti izdelani v "razvejani" obliki. Projekcijski svetlobni viri za ustvarjanje usmerjenega toka imajo nit kompleksne konfiguracije, ki tvori ravno strukturo, pravokotno na os sevanja. V tem primeru je v notranjost žarnice nameščen reflektor svetlobe, na primer v obliki tanke plasti brizgane kovine - srebra ali aluminija.
Za napajanje svetilke neposredno iz takrat obstoječega omrežja, ki je imelo stalno napetost 110 V, je bila potrebna dolga in tanka kovinska nit. To je zagotovilo povečano upornost, kar pomeni, da je bilo za ogrevanje potrebno manj toka.
Za gosto "pakiranje" v majhnem volumnu prozorne steklene bučke smo nit večkrat upognili in položili na držala za žice.
Takšno upogibanje niti je zapletlo zasnovo prvih svetlobnih virov, ki so delovali veliko dlje kot "premogovi". Preboj v razvoju zasnove žarnic z žarilno nitko je bil predlog, da se nit zavije v spiralo. S tem se je njegova velikost večkrat zmanjšala.
Še manjšo velikost žarečega telesa smo dobili z zlaganjem tanke spirale v drugo spiralo, vendar večjega premera. Dvojna vijačnica se imenuje bi-vijačnica.
Naslednja faza v razvoju svetlobnih virov je bil prehod na omrežja izmeničnega toka in uporaba transformatorja za zmanjšanje napajalne napetosti svetilk.
Glavni deli žarnice z žarilno nitko
Glavni strukturni elementi žarnice z žarilno nitko vključujejo:
- filament ali telo žarilne nitke;
- pribor za pritrditev navoja;
- bučka za zaščito navoja pred hitrim zgorevanjem in zunanjimi vplivi;
- podstavek za vgradnjo v kartušo in priključitev na električno omrežje;
- podnožni kontakti - navojno telo in osrednji kontakt na dnu podnožja.
Armatura je zasnovana tako, da pritrdi navoj in ustvari zahtevano konfiguracijo in smer svetlobnega toka.
Podstavek je potreben za pritrditev v montažno kartušo in povezavo z bučko. Pri naknadnih svetilkah, analogih žarnic z žarilno nitko, je del napajalne naprave nameščen v podnožju.
podstavek
Na halogenske žarnice z žarilno nitko, odvisno od napajalne napetosti, moči in zasnove bučke je nameščenih več vrst podstavkov - navojne, zatične, bajonetne, zatične itd.
Sistem kontaktov na podnožju je potreben za priključitev na električno omrežje ali napajanje.
Bučka
Prozorna bučka LN se uporablja za:
- zaščita niti pred zunanjo atmosfero, ki vsebuje oksidant - kisik;
- ustvarjanje in vzdrževanje vakuumske ali plinske sestave;
- polaganje fosforja in/ali premazov, ki pretvarjajo različne vrste elektromagnetne energije v vidno sevanje, vračajo toploto žarilni nitki, pretvarjajo nevidno UV in IR sevanje v svetlobo, popravljajo odtenek sijaja svetilke – rdeče, zelene, modre.
Telo z žarilno nitko
Telo z žarilno nitko je nit, zvita v spiralo ali dvospiralo ali tanek kovinski trak.
Plinski medij
Inertni plini, ki napolnijo žarnico svetilke, na primer dušik, argon, neon, helij. V mešanici inertnih plinov se dodajo halogene snovi.
Kako deluje LN in kako deluje
Naprava žarnice z žarilno nitko se je med razvojem malo spremenila. Glavni element, ki deluje na principu sijaja žareče snovi, je žarilna nitka ali telo z žarilno nitko. To je tanka volframova žica s premerom 30-40, največ 50 mikronov ali mikrometrov (milijonin metra).
Žareče barve se začnejo od rdeče in ko temperatura narašča, prehajajo skozi oranžno, rumeno do belo. Z nadaljnjim dvigom temperature se kovina žarečega telesa najprej stopi, nato pa v prisotnosti kisika gori.
Video vadnica: Kako delujejo sodobne žarnice
Hladna volframova filament ima nizko upornost. Volfram ima, tako kot večina kovin, pozitiven temperaturni koeficient odpornosti TCR.To pomeni, da se med segrevanjem žarilne nitke z električnim tokom poveča njen upor.
Pred vklopom žarnice je žarilna nitka hladna in ima majhen upor. Zato se v trenutku vklopa dovaja tok 10-15-krat večji od nazivnega. Ta skok se imenuje start. In pogosto je vzrok izgorelosti žareča telesa.
Potreben je delček sekunde, da se nit segreje. V tem času se njegova odpornost poveča. Na začetku se velik tok, ki teče skozi žarnico, ko se plin, žarnica in vsi strukturni elementi segrejejo, zmanjša na nazivno vrednost. Tako svetlobni vir vstopi v določen način in ustvari svetlobni tok potnega lista. Odtenek sijaja postane tudi nominalni, t.j. ki ustreza barvni temperaturi od 2000 do 3500 K. Imenuje se toplo bela in ima več stopenj barvne temperature z izvirnimi imeni in okrajšavami v določenem območju. Na primer:
- super topla bela - 2200-2400 K, označena s S-Warm ali S-W, je tudi zelo topla bela ali Warm 2400;
- toplo - 2600-2800 K ali toplo 2700;
- toplo bela - 2700-3500 K ali Topla bela (WW);
- druga topla je 2900-3100 K ali Warm 3000 (W).
Temperatura posameznih elementov svetilke
Zunanja površina žarnice LON je odvisna od moči žarnice in se lahko segreje na 250-300 ℃ ali več.
Nit se segreje na 2000-2800℃, pri tališču volframa 3410°C.
V nekaterih izvedbah je filament izdelan iz osmija s tališčem 3045 ℃ ali iz renija - 2174. Tako je emisijski spekter LN premaknjen v rdečo cono vidnega spektra.
Kakšen plin je v žarnici
Pri prvih svetilkah je bil zrak izčrpan iz bučke.Zdaj se evakuirajo samo žarnice z nizko močjo, največ 25 vatov (zrak se izčrpa).
Med delovanjem volframove žice, segrete na 2-3 tisoč stopinj, kovina intenzivno izhlapi z njene površine. Njegovi hlapi se usedejo na notranjost žarnice in zmanjšajo njen prenos svetlobe.
Študije, opravljene v začetku prejšnjega stoletja, so pokazale, da če je bučka napolnjena z inertnim plinom, se bo izhlapevanje zmanjšalo in svetlobna moč se bo povečala. Zato so bučke začele polniti z enim od inertnih plinov ali njihovo mešanico. Najpogosteje so to argon, dušik, ksenon, kripton, helij itd. Helij se uporablja za učinkovito pasivno hlajenje notranjih elementov nove vrste LED naknadnih svetilk.
Tega poskusa strogo ni priporočljivo izvajati doma.
Njihov glavni svetlobni element je tanka palica iz umetnega safirja ali stekla, na kateri se nahajajo LED kristali. Takšen oddajnik se imenuje filament. Nekateri "strokovnjaki" so zmedli bistvo žarnice z žarilno nitko in jih imenovali "svetilke s safirnimi svetlobnimi oddajniki". Čeprav se umetni safir v teh svetilkah uporablja le kot montažna podlaga in pasivno hladilno telo za LED kristale.
Odpoved LN v večini primerov ni povezana z izhlapevanjem kovine s površine žarilnega telesa, temveč s pospeševanjem tega procesa v območjih kršitve debeline žarilne nitke. To se zgodi v območju ostrega prepona žice ali njenega zloma. Na tem mestu se njegov upor lokalno poveča, povečajo se napetost, odvajanje moči in temperatura kovine. Izhlapevanje se pospeši, postane plaz, nit hitro zmanjša svojo debelino in izgori.
Ta problem je bil rešen v poznih 1950-ih in zgodnjih 1960-ih z začetkom množične proizvodnje halogenskih žarnic.
Halogeni - klor, brom, fluor ali jod - so se začeli uvajati v sestavo inertnega plina ali mešanice. Posledično se proces izhlapevanja kovin popolnoma ustavi ali pa se znatno upočasni. Atomi teh dodatkov vežejo volframove pare in tvorijo molekule nestabilnih spojin. Naselijo se na površini žarečega telesa. Pod delovanjem visoke temperature se molekule razgradijo in sprostijo atome halogena in čisto kovino, ki se usede na vročo površino niti in delno obnovi izhlapeno plast.
Ta proces se okrepi s povečanjem pritiska. To poveča temperaturo žarilne nitke, življenjsko dobo, svetlobno moč, učinkovitost in druge značilnosti. Emisijski spekter se premakne na belo stran. Pri svetilkah, napolnjenih s plinom, se zatemnitev površine žarnice od znotraj zaradi volframovih hlapov upočasni. Takšni svetlobni viri se imenujejo halogenski.
Električni parametri
Električne lastnosti žarnic z žarilno nitko vključujejo:
- električna moč, merjena v vatih - W, obseg proizvedenih modelov - od nekaj vatov (žarnica za svetilko - 1 W) do 500 in celo 1000 W;
- svetlobni tok, Lm (lumen), je povezan z močjo - od 20 Lm pri 5 W do 2500 Lm pri 200 W, pri večji moči je svetlobni tok večji;
- svetlobna učinkovitost, energetska učinkovitost ali učinkovitost, Lm / W - koliko lumnov svetlobe v obliki svetlobnega toka daje vsak vat energije, porabljene iz omrežja ali iz vira energije;
- svetlobna jakost ali svetlost, cd (kandela);
- barvna temperatura - temperatura pogojnega črnega telesa, ki oddaja svetlobo z določenim odtenkom.
Namen električne svetilke
Električne sijalke lahko glede na uporabo razdelimo na več vrst – za javno, tehnično in posebno uporabo.
Glavna javna raba je zagotoviti vsako osebo, živali in ptice z umetno svetlobo ponoči ali v temnem prostoru v prostoru.
Z uporabo svetlobe ljudje podaljšajo svojo dnevno aktivnost za nekaj ur. Lahko so delovni in študijski procesi, gospodinjska opravila. Izboljša se varnost v cestnem prometu, zmožnost zagotavljanja medicinske pomoči zvečer in ponoči ter mnogi drugi.
Svetilke se aktivno uporabljajo na živinorejskih in perutninskih farmah, za gojenje rastline v rastlinjakih. Osvetljeni so s svetlobo določenega spektra in velikosti svetlobnega toka. Za vzrejo rib je potrebna tudi svetloba s posebno spektralno sestavo.
tehnični namen. V proizvodnji se za tehnološke namene uporabljajo naprave, ki dajejo vidno in nevidno svetlobo. Primeri:
- za natančno in pomembno delo potrebuje oseba visoko stopnjo osvetlitve delovnega mesta;
- IR - infrardeče sevanje se uporablja v industriji, na primer za brezkontaktno ogrevanje konstrukcijskih delov ali v klimatski tehnologiji za ogrevanje osebe, ki dela na odprtem zmrzljivem zraku, v vojaški opremi in lovu - nočni nameri za orožje, naprave za nočno opazovanje itd. ;
- UV- sevanje se uporablja v zobozdravstvu za hitro strjevanje plomb, pri izdelavi protez ipd., v medicini in sanitariji - za dezinfekcija prostorov, orodja, oblačila, pohištvene površine, zrak, voda, zdravila itd.
Posebne svetilke se uporabljajo v zunanjem in notranjem svetlobnem oglaševanju, kriminalistiki, letalstvu in astronavtiki, svetlobni spremljavi predstav in mnogih drugih.
Glavne vrste in značilnosti
Glavne vrste žarnic z žarilno nitko so:
- Svetilke za splošne namene. Označeno z okrajšavo LON. Običajno so to naprave z močjo 25, 40, 60, 75 in 100 vatov. Najpogostejši - 60 vatov. Toda industrijsko proizveden LON z zmogljivostjo 150, 200, 500 in celo 1000 vatov.
- Halogenske žarnice z žarilno nitko. Proizvedeno za delovanje iz visokonapetostnega omrežja 220 ali 110 V in iz nizkonapetostnega omrežja. V tem primeru jih napaja padajoči transformator.
Sorte nizkonapetostnih halogenskih LN:
- kapsula, ima obliko popolnoma steklenih cevi z različnimi podnožji - končni zatič GY6.35 ali G4;
- Reflex, z odsevnim elementom, s premerom od 35 do 111 mm, podnožje GZ10 z možnostmi.
Visokonapetostni. Glavna napetost 220-230 V, 50 Hz. Te svetilke imajo več možnosti:
- linearna v obliki steklene cevi s podstavki R7S;
- cilindrični - podnožje E27, E14 ali B15D;
- z daljinsko ali dodatno bučko.
V najnovejšem modelu je v notranjost svetilke togo nameščena majhna halogenska sijalka-kapsula ali cev. Privarjena je na osrednjo palico običajne LON žarnice, ima fleksibilne kable, povezane s standardnim Edisonovim podnožjem E27 ali E14. S porabo energije 70-100 W zagotavlja svetlobni tok 20-30% več kot običajna žarnica.
Ti modeli imajo višjo energijsko učinkovitost, ki doseže 12-25 lm / W, medtem ko imajo običajni LON svetlobno moč od 3-4 do 10-12 lm / W.
Življenjska doba halogenskih modelov se giblje od 4-5 do 10-12 tisoč ur.
Ločitev svetilk glede na namen in obliko
okrasne svetilke
V zadnjih letih so se pojavile retro svetilke, ki posnemajo vintage Edison LN.
Poleg tega v obliki žarnice posnemajo »svečo«, »svečo v vetru«, »bump«, »hruško«, »kroglico« itd.
Zrcalno
Zrcalne svetilke imajo del žarnice, ki je od znotraj prekrit z odsevno plastjo. Najpogosteje je to prevleka iz kovine - srebra, aluminija, zlata itd. Ta plast je lahko tanka, prosojna ali debela, neprozorna.
Zrcalne strukture se uporabljajo v proizvodnji za popolnoma čisto procesno ogrevanje, na primer v proizvodnji polprevodnikov z najvišjo čistostjo materialov. V tem primeru pomanjkljivost žarnic z žarilno nitko - velik pretok infrardečega sevanja - postane njihova neprekosljiva prednost.
Takšne svetilke se uporabljajo v svetilkah z ozkim vrtljivim snopom svetlobe.
Signal
Signalne luči so utripajoči svetlobni viri. Običajno v obliki utripajočih svetilnikov, na primer na službenih avtomobilih, na letalih in helikopterjih, za prenos svetlobnih sporočil v floti itd. Imajo tanko žarilno nitko, ki zagotavlja hiter nabor svetlosti.
Prevoz
Ta vrsta svetilke je zasnovana za uporabo na različnih vrstah prevoza - avtomobilih, železnicah in podzemnih železnicah, rečnih in morskih plovilih. Glavna zahteva zanje je odpornost na vibracije in udarce. Da bi to naredili, je filament kratka in nameščena na več podpornih elementov.Osnove takšnih svetilk so bajonetni labod, zatič ali sofit. Ne dovolijo, da bi naprava izstopila in padla iz kartuše.
Osvetlitve
Iz imena je razvidno, da se svetilke uporabljajo za osvetlitev. Zato so njihove bučke iz stekla različnih barv - modre, zelene, rumene, rdeče itd.
dvojni pramen
Shema takšne žarnice: v eni žarnici sta dve ločeni žarilni nitki. Na primer, v avtomobilskem žarometu se žarnica z dvema nitkama uporablja tako:
- ko se napetost nanese na eno nit, se vklopi kratki svetlobni pramen - svetlobni tok se "pritisne" na cesto in žarek sega na več deset metrov;
- po prehodu na drugo nit se svetloba dvigne in njen doseg lahko doseže stotine metrov, tok pa bo veliko večji.
Takšne svetilke so lahko v zadnji luči. Prvi navoj je za bočne luči, drugi za zavorne luči.
V semaforjih sijalke z dvojno nitko povečajo njihovo zanesljivost. Podvajanje omogoča, da naprava deluje bodisi z eno nitjo bodisi vklopi drugo, potem ko je prva izgorela. In na primer na železnici je zanesljivost signalizacije zagotovilo varnosti prevoza.
Splošni, lokalni namen
Zgornja vrstica, od leve proti desni - svetilka s podstavkom E14 - za lestence, svetilke in svetilke majhne velikosti; z bazo E27 - splošne namene; zelena, rdeča, rumena - svetleča.
Spodnja vrstica: modra - medicinski namen za postopke; ogledalo z reflektorjem - za fotografska dela ali posebno osvetlitev, z vijoličastim steklom, dve zunanji - okrasno z žarnico "sveče" in podnožjem E27 in E14.
Prednosti in slabosti
Prednosti žarnic z žarilno nitko:
- nizka cena - preprosti in poceni materiali, dizajn in tehnologija so bili izdelani desetletja, množična avtomatizirana proizvodnja;
- relativno majhna velikost;
- napetostni sunki v omrežju ne povzročijo takojšnje okvare;
- zagon, pa tudi ponovni zagon - takojšen;
- pri napajanju z izmeničnim tokom s frekvenco 50-60 Hz so pulzacije svetlosti komaj opazne;
- svetlost sijaja uravnavajo zatemnilniki;
- spekter sevanja je neprekinjen in očem znan – podobno kot sonce;
- skoraj popolna ponovljivost značilnosti svetilk različnih proizvajalcev;
- indeks barvnega upodabljanja Ra ali CRI - kakovost reprodukcije barvnih odtenkov osvetljenih predmetov - je 100, kar je v celoti skladno z indikatorjem sonca;
- majhne dimenzije kompaktne žarilne nitke dajejo jasne sence;
- visoka zanesljivost v pogojih hude zmrzali in vročine;
- zasnova omogoča množično proizvodnjo modelov z delovnimi napetostmi od frakcij do sto voltov;
- napajanje iz izmenične ali enosmerne napetosti v odsotnosti zagonskih naprav;
- aktivna narava upora žarilne nitke zagotavlja faktor moči (kosinus φ), enak 1;
- indiferenten do sevanja, elektromagnetnih impulzov, motenj;
- v sevanju praktično ni UV-komponente;
- zagotovljeno je redno delo s pogostim prižiganjem/izklapljanjem luči in številnimi drugimi.
Slabosti vključujejo:
- nazivna življenjska doba LON - 1000 ur, za halogenske žarnice - od 3 do 5-6 tisoč, za luminiscentno - do 10-50 tisoč, za LED - 30-150 tisoč ur ali več;
- steklo žarnice in tanka žarilna nitka sta občutljiva na udarce, vibracije lahko povzročijo resonanco pri določenih frekvencah;
- visoka odvisnost energetske učinkovitosti in življenjske dobe od napajalne napetosti;
- Učinkovitost pretvorbe električne energije v vidno svetlobo ne presega 3-4%, vendar se povečuje z naraščajočo močjo;
- temperatura površine bučke je odvisna od moči in je: za 100 W - 290 ° C, za 200 W - 330 ° C, 25 W - 100 ° C;
- ko je vklopljen, je trenutni val, preden se žarilna nitka segreje, lahko desetkrat višji od nazivne vrednosti;
- nosilci žarnic in pribor napeljave morajo biti toplotno odporni.
Kako podaljšati življenjsko dobo žarnice
Obstaja veliko načinov za podaljšanje življenjske dobe. Najpogosteje uporabljeni:
- omejevanje zagonskega toka z vklopom termistorja zaporedno s svetilko, katerega visoka upornost se zmanjša, ko se segreje zagonski tok;
- mehak zagon z ročnim nadzorom svetlosti s tiristorskim ali triačnim zatemnilnikom;
- moč svetilke preko močne usmerniške diode, t.j. popravljene napetostne polovice sinusoida;
- serijska povezava svetilk v parih v napeljavah z več sijalkami, na primer v lestencih.
Sodobna industrija proizvaja veliko število različnih vrst žarnic z žarilno nitko s širokim razponom delovnih napetosti in moči, z različnimi odtenki sijaja, konfiguracijami žarnic in podnožja. Ta razpon omogoča izberite prava svetilka za vsako uporabo.