Opis in princip delovanja žarnice
Kaj je žarnica z žarilno nitko
Žarnica z žarilno nitko je vir umetne svetlobe, pri kateri nastane svetlobni tok s segrevanjem tanke kovinske nitke na temperaturo žarenja žareče kovine. Za segrevanje žarilne nitke skozi njo teče električni tok. Prve svetilke so imele žarilno nitko iz zoglenelega organskega materiala, kot je bambus, v obliki vlaken.
Da žarilna nitka ne bi hitro zgorela, je bil iz žarnice izčrpan zrak in zatesnjen. Ali pa je bila bučka napolnjena s plinsko sestavo, ki ni imela oksidanta - kisika. Te pline imenujemo inertni plini - argon, neon, helij, dušik itd. Te pline imenujemo tako, ker ne reagirajo s kovinami, torej so inertni.
Prve žarnice z ogljikovo nitko žarnice z ogljikovo nitko so imele življenjsko dobo manj kot ducat ur. Znatno se je povečal po zamenjavi ogljikovega filamenta s tanko kovinsko žico.
Takšno svetlobo so imenovali sij, to je svetloba žareče kovine. In žarilna nitka se je imenovala žarnica.Jeklo, segreto na 1200 °C, je na primer rumeno-belo žarelo, pri 1300 °C pa je bilo skoraj belo.
V poznem 19. stoletju so ogljikov filament, ki je hitro izgorel, zamenjale ognjevzdržne kovine, kot so volfram, molibden, osmij, ali kovinski oksidi, kot so cirkonij, magnezij, itrij itd.
Polnjenje bučke z inertnimi plini je zmanjšalo hitrost izhlapevanja kovine iz žareče nitke in s tem podaljšalo trajanje njenega delovanja.
Pri veliki moči so bili filamenti izdelani v "razvejanih" oblikah. Projekcijski svetlobni viri za ustvarjanje usmerjenega toka imajo filament kompleksne konfiguracije, ki tvori ravno strukturo, pravokotno na os sevanja. Znotraj žarnice je odsevnik svetlobe, kot je tanka plast razpršene kovine, kot je srebro ali aluminij.
Dolga in tanka kovinska nitka je bila potrebna za napajanje svetilke neposredno iz takrat obstoječega električnega omrežja, ki je imelo konstantno napetost 110 V. To je zagotovilo povečan upor in zato je bil potreben manjši tok za ogrevanje svetilke.
Za gosto "pakiranje" v majhni prostornini prozorne steklene bučke je bila žarilna nitka nameščena na žična držala z večkratnim upogibanjem.
To upogibanje žarilne nitke je zapletlo zasnovo prvih svetlobnih virov, ki so delovali precej dlje kot »ogljeni«. Preboj v oblikovanju žarnic z žarilno nitko je bil predlog, da se žarilna nitka zvije v spiralo. To je večkrat zmanjšalo njegovo velikost.
Še manjše žareče telo smo dobili z zvijanjem tanke spirale v drugo spiralo večjega premera. Dvojna vijačnica se je imenovala 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 deli strukture žarnice z žarilno nitko vključujejo:
- žarilna nitka ali telo žarilne nitke;
- nastavek za pritrditev žarilne nitke;
- Žarnica za zaščito žarilne nitke pred hitrim izgorevanjem in zunanjimi vplivi;
- vtičnica za montažo v vtičnico in priklop na električno omrežje
- kontakti vtičnice - telo vijaka in osrednji kontakt v dnu vtičnice.
Nastavek je zasnovan tako, da pritrdi žarilno nitko in ustvari želeno konfiguracijo in usmerjenost svetlobnega toka.
Podnožje je potrebno za pritrditev v namestitveno podnožje in povezavo z žarnico. Pri svetilkah za naknadno vgradnjo, analogih žarnic z žarilno nitko, je vtičnica del napajalne naprave.
Osnova
Vklopljeno halogenske žarniceHalogenske žarnice imajo glede na napajalno napetost, moč in zasnovo žarnice več vrst podstavkov, kot so navojni podstavki, nožički, bajonetni nosilci, nožički itd.
Sistem kontaktov na podstavkih je potreben za priključitev na električno omrežje ali napajalno enoto.
Žarnica
Transparentna LN žarnica se uporablja za:
- Zaščita filamenta pred zunanjo atmosfero, ki vsebuje oksidant, kisik;
- Ustvarjanje in zadrževanje vakuuma ali plinske sestave;
- postavitev fosforja in/ali prevlek, ki pretvarjajo različne vrste elektromagnetne energije v vidno sevanje, vračanje toplote žarilni nitki, pretvorba nevidnega UV in IR sevanja v svetlobo, korekcija senčila svetilke - rdeča, zelena, modra.
Telo z žarilno nitko
Telo filamenta je filament, zvit v vijačnico ali bi-vijačnico ali tanek kovinski trak.
Plinski medij
Inertni plini, ki polnijo žarnico žarnice, kot so dušik, argon, neon, helij.Mešanicam žlahtnih plinov dodajamo halogenske snovi.
Kako je zgrajena žarnica z žarilno nitko in kako deluje?
Zgradba žarnice z žarilno nitko se je med svojim razvojem malo spremenila. Osnovni element, ki deluje na principu sijaja žarilne snovi, je žarilna nitka ali telo žarnice. To je tanka volframova žica s premerom 30-40, največ 50 mikronov ali mikrometrov (milijonink metra).
Žareče barve se začnejo z rdečo in gredo skozi oranžno, rumeno do bele, ko se temperatura dvigne. Z nadaljnjim naraščanjem temperature se kovina žarilnega telesa najprej stopi, nato pa v prisotnosti kisika zgori.
Video lekcija: Kako delujejo sodobne žarnice
Hladna volframova žarilna nitka ima nizko upornost. Volfram, tako kot večina kovin, ima pozitiven temperaturni koeficient upora TCS. To pomeni, da ko se žarilna nitka segreje z električnim tokom, se njen upor poveča.
Preden se žarnica prižge, je žarilna nitka hladna in ima majhen upor. Zato se v trenutku vklopa uporabi tok 10-15-kratnik nazivnega toka. Ta val se imenuje zagonski val. In pogosto je vzrok pogosto vzrok za izgorelost žarilne nitke.
Traja delček sekunde, da se žarilna nitka segreje. V tem času se poveča njegova odpornost. Sprva visok tok, ki teče skozi svetilko, ko se plin, žarnica in vsi strukturni elementi segrejejo, se zmanjša na nazivni tok. Tako svetlobni vir doseže določen način in daje nazivni svetlobni tok. Odtenek luminescence postane tudi nominalen, tj. ustreza barvni temperaturi od 2000 do 3500 K. Imenuje se topla bela in ima v tem območju več gradacij barvne temperature z izvirnimi imeni in okrajšavami. Na primer:
- super topla bela - 2200-2400 K, imenovana S-Warm ali S-W, znana tudi kot zelo topla bela ali Warm 2400;
- Toplo - 2600-2800 K ali Toplo 2700;
- Toplo bela - 2700-3500 K ali topla bela (WW);
- Drugo toplo 2900-3100 K ali toplo 3000 (W).
Temperatura posameznih elementov svetilke
Zunanja površina žarnice LON je odvisna od moči sijalke in se lahko segreje na 250-300 ℃ ali več.
Žarilna nitka se segreje na 2000-2800 ℃, s tališčem volframa 3410 ℃.
V nekaterih izvedbah je žarilna nitka narejena iz osmija s tališčem 3045 ℃ ali renija s tališčem 2174. To premakne svetlobni spekter LN v rdeče območje vidnega spektra.
Kakšen plin je v žarnici
V prvih svetilkah je bil zrak črpan iz žarnice. Zdaj evakuirajte (izčrpajte zrak) samo žarnice z nizko močjo, ne več kot 25 vatov.
Ko se volframova žica segreje na 2-3 tisoč stopinj, kovina intenzivno izhlapeva z njene površine. Njegova para se usede na notranjo stran žarnice in zmanjša njeno prepustnost svetlobe.
Študije, izvedene v začetku prejšnjega stoletja, so pokazale, da če napolnite bučko z inertnim plinom, se bo izhlapevanje zmanjšalo in svetlobni donos povečal. Zato so bučke začeli 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 svetil za retrofit.
Ta poskus kategorično ni priporočljiv za domačo uporabo
Njihov glavni svetlobni element je tanka palica iz umetnega safirja ali stekla, na kateri se nahajajo kristali LED. Tak oddajnik se imenuje žarilna nitka. Nekateri "strokovnjaki" so zamešali bistvo žarnice z žarilno nitko in jih poimenovali "svetilke s safirnimi oddajniki svetlobe". Čeprav se umetni safir v teh svetilkah uporablja le kot montažna osnova in pasivni toplotni odvod za LED kristale.
Okvara LN v večini primerov ni posledica izhlapevanja kovine s površine telesa filamenta, temveč pospeševanja tega procesa na območjih motenj debeline filamenta. To se zgodi na območju ostrega upogiba žice ali njenega zloma. Na tej točki se njegov upor lokalno poveča, napetost, disipacija moči in temperatura kovine se povečajo. Izhlapevanje se pospeši, postane plazovito, filament se hitro zmanjša v debelini in izgori.
Ta problem je bil rešen v poznih petdesetih in zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja z množično proizvodnjo halogenskih žarnic.
Halogeni, kot so klor, brom, fluor ali jod, so bili dodani inertnemu plinu ali mešanici. Posledica tega je, da se proces izhlapevanja kovin popolnoma ustavi ali močno upočasni. Atomi teh dodatkov vežejo volframove pare in tvorijo molekule nestabilnih spojin. Nanesejo se na površino žarilnega telesa. Pod vplivom visoke temperature molekule razpadejo in sprostijo atome halogena in čisto kovino, ki se obori na vročo površino filamenta in delno regenerira uparjeno plast.
Ta proces se stopnjuje z naraščajočim pritiskom. To poveča temperaturo žarilne nitke, življenjsko dobo, svetlobno moč, učinkovitost in druge lastnosti. Emisijski spekter je premaknjen na belo stran. Pri žarnicah, polnjenih s plinom, se zatemnitev površine žarnice od znotraj zaradi volframovih hlapov upočasni. Takšni viri svetlobe se imenujejo halogenski viri svetlobe.
Električne specifikacije
Električne značilnosti žarnic z žarilno nitko vključujejo:
- električna moč, merjena v vatih - W, razpon razpoložljivih modelov - od nekaj vatov (žarnica svetilke - 1 W) do 500 in celo 1000 vatov;
- 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;
- Svetlobni izkoristek, energetska učinkovitost ali faktor učinkovitosti, Lm/W - koliko lumnov svetlobe v obliki svetlobnega toka daje vsak vat porabljene moči iz omrežja ali vira energije
- Svetlobna jakost ali svetilnost, cd (kandela);
- barvna temperatura - temperatura običajnega 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 uporaba je zagotoviti ljudem, živalim in pticam umetno svetlobo ponoči ali v temnem prostoru v prostoru.
Z uporabo svetlobe ljudje podaljšajo dnevno aktivnost za več ur. To so lahko delovni in študijski procesi, gospodinjska opravila. Izboljša se varnost na cestah, možnost zdravstvene oskrbe zvečer in ponoči ipd.
Svetilke se aktivno uporabljajo na živinorejskih in perutninskih farmah za gojenje rastline v rastlinjakih. Osvetljeni so s svetlobo določenega spektra in velikosti svetlobnega toka. Vzreja rib zahteva tudi svetlobo s specifično spektralno sestavo.
Tehnični namen. V proizvodnji se za tehnološke namene uporabljajo naprave, ki oddajajo vidno in nevidno svetlobo. Primeri:
- Človek za natančno in pomembno delo potrebuje visoko stopnjo osvetlitve na delovnem mestu;
- IR - Infrardeče sevanje se uporablja v industriji, na primer za brezkontaktno ogrevanje gradbenih delov ali v klimatski tehniki za ogrevanje osebe, ki dela na prostem, v zmrznjenem zraku, v vojaški in lovski tehniki - nočne namerilne naprave za orožje, naprave za nočno opazovanje itd. ;
- UV-sevanje se uporablja v zobozdravstvu za hitro utrjevanje zalivk, izdelavo zobnih protez itd., v medicini in sanitarijah - za v medicini in sanitarijah za razkuževanje prostorov, instrumentov, oblačil in površin.V medicini in sanitarijah dezinfekcija prostorov, orodja, oblačil, površin pohištva, zraka, vode, zdravil itd.
Svetila za posebne namene se uporabljajo v zunanjem in notranjem svetlobnem oglaševanju, forenziki, letalstvu in astronavtiki, svetlobni spremljavi predstav itd.
Glavne vrste in značilnosti
Glavne vrste žarnic z žarilno nitko vključujejo:
- Svetilke za splošno uporabo. Imenuje se s kratico LON. Običajno so to naprave z močjo 25, 40, 60, 75 in 100 vatov. Najpogostejša je 60 W. Toda industrijsko izdelani LON-ji so ocenjeni na 150, 200, 500 in celo 1000 vatov.
- Halogenske žarnice z žarilno nitko. Narejeni so za delovanje pri visoki in nizki napetosti 220 ali 110 V. V tem primeru jih napaja padajoči transformator.
Različice nizkonapetostnih halogenskih žarnic:
- kapsula, ima obliko popolnoma steklenih cevi z različnimi osnovami - končni zatiči GY6.35 ali G4;
- reflektor, z odsevnim elementom, s premerom od 35 do 111 mm, vtičnica GZ10 z možnostmi.
Visokonapetostni. Glavna napetost je 220-230 V, 50 Hz. Te svetilke imajo več različic:
- linearna v obliki steklene cevi z bazami R7S;
- cilindrični - vtičnica E27, E14 ali B15D;
- z odstranljivo ali dodatno žarnico.
Zadnji model ima kompaktno halogensko žarnico ali cev, ki je togo nameščena znotraj svetilke. Privarjen je na osrednje jedro običajne žarnice LON in ima gibljive vodnike, povezane s standardnim podstavkom Edison E27 ali E14. S porabo energije 70-100W zagotavlja 20-30% večji svetlobni tok kot običajna žarnica z žarilno nitko.
Ti modeli imajo višjo energijsko učinkovitost, ki doseže 12-25 Lm/W, medtem ko imajo navadni svetlobni viri LON 3-4 do 10-12 Lm/W.
Življenjska doba halogenskih modelov je od 4-5 do 10-12 tisoč ur.
Razvrstitev svetilk po funkciji in zasnovi
Okrasne žarnice
V zadnjih letih so se pojavile retro svetilke, ki posnemajo vintage Edisonove žarnice.
Poleg tega po obliki žarnice posnemajo "svečo", "svečo v vetru", "stožec", "hruško", "kroglo" itd.
Zrcalno
Zrcalne svetilke imajo del žarnice na notranji strani prekrit z odbojno plastjo. Najpogosteje je to prevleka iz kovine – srebra, aluminija, zlata itd. Ta plast je lahko tanka in prosojna ali debela in neprozorna.
Zrcalni dizajni se uporabljajo v proizvodnji za popolnoma čisto procesno ogrevanje, kot je proizvodnja polprevodnikov z najvišjo čistostjo materialov. V tem primeru postane pomanjkljivost žarnic z žarilno nitko - visok pretok infrardečega sevanja - njihova neprekosljiva prednost.
Takšne sijalke se uporabljajo v svetilkah z ozkim vrtljivim snopom svetlobe.
Signal
Signalne luči so utripajoči viri svetlobe. Običajno v obliki utripajočih svetilnikov, npr. na službenih avtomobilih, na letalih in helikopterjih, za prenos svetlobnih sporočil v mornarici itd. Imajo tanko žarilno nitko, ki omogoča hitro pridobivanje svetlosti.
Transport
Ta vrsta svetilk je zasnovana za uporabo v različnih vrstah transporta - avtomobilih, železnicah in podzemnih železnicah, rečnih in morskih plovilih. Glavna zahteva zanje je odpornost na vibracije in udarce. V ta namen je žarilna nitka kratka in nameščena na številnih nosilnih elementih. Osnove takšnih svetilk so bajonetni labod, zatič ali sofit. Preprečujejo odvijanje in padec naprave iz vtičnice.
Osvetlitev
Iz imena je jasno, da se svetilke uporabljajo za osvetlitev. Zato so njihove žarnice izdelane iz stekla različnih barv - modre, zelene, rumene, rdeče itd.
Dvostranski
Diagram takšne žarnice z žarilno nitko: v eni žarnici sta dve ločeni žarilni nitki. Na primer, v avtomobilskem žarometu se žarnica z dvojno žarilno nitko uporablja na naslednji način:
- ko je napetost na eni žarilni nitki, se prižge kratka luč - svetlobni tok je "pritisnjen" ob cestišče in žarek se razširi na več deset metrov;
- po preklopu na drugo žarilno nitko se svetloba dvigne in njen doseg lahko doseže več sto metrov, tok pa bo veliko večji.
Takšne svetilke so lahko tudi v zadnji luči. Prva žarilna nitka je za parkirne luči, druga pa za zavorno luč.
V semaforjih žarnice z dvojno žarilno nitko povečajo svojo zanesljivost. Podvajanje omogoča, da naprava deluje z eno žarilno nitko ali pa vklopi drugo, potem ko je prva pregorela. In na primer na železnicah je zanesljivost signalizacije zagotovilo varnosti prevoza.
Splošni, lokalni namen
Zgornja vrsta od leve proti desni - svetilka z grlom E14 - za lestence, stenske svetilke in manjše svetilke, z grlom E27 - splošno, zelena, rdeča, rumena - osvetlitev.
Spodnja vrsta: modra - za medicinske namene za posege, ogledalo z reflektorjem - za fotografska dela ali posebno osvetlitev, z vijoličnim steklom, dve zunanji - dekorativni z žarnico "svečo" in grlom E27 in E14.
Prednosti in slabosti
Prednosti žarnic z žarilno nitko:
- nizka cena - preprosti in poceni materiali, dizajn in tehnologija, izdelana desetletja, množična avtomatizirana proizvodnja;
- Relativno majhne dimenzije;
- Napetostni sunki v omrežju ne povzročijo takojšnje okvare;
- zagon in ponovni zagon - takojšen;
- pri napajanju z izmeničnim tokom s frekvenco 50-60 Hz so pulzacije svetlosti komaj opazne;
- svetlost luminiscence je nastavljiva z zatemnilniki;
- emisijski spekter je trden in očesu znan - podoben sončnemu spektru;
- Skoraj popolna ponovitev značilnosti svetilk različnih proizvajalcev;
- Indeks barvnega upodabljanja Ra ali CRI - kakovost reprodukcije barvnih odtenkov osvetljenih predmetov - je enak 100, kar v celoti ustreza indikatorju sonca;
- Majhna velikost kompaktnega filamenta daje jasne sence;
- visoka zanesljivost v pogojih hude zmrzali in vročine;
- zasnova omogoča množično proizvodnjo modelov z delovno napetostjo od frakcij do stotin voltov;
- AC ali DC napajanje v odsotnosti zagonskih naprav
- aktivna narava upora žarilne nitke zagotavlja faktor moči (kosinus φ), ki je enak 1;
- brezbrižen do sevanja, elektromagnetnega impulza, motenj;
- v sevanju praktično ni UV komponente;
- zagotovljeno normalno delovanje s pogostim prižiganjem/ugašanjem luči in mnogo drugih.
Slabosti vključujejo:
- nominalna življenjska doba LON - 1000 ur, v halogenskih žarnicah z žarilno nitko - od 3 do 5-6 tisoč, v fluorescenčna - do 10-50 tisoč ur, LED sijalke - 30-150 tisoč ur in več;
- Steklena žarnica 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 moči v vidno svetlobo ne presega 3-4%, vendar se povečuje z naraščajočo močjo;
- površinska temperatura žarnice je odvisna od moči in znaša: za 100W - 290°C, za 200W - 330°C, 25W - 100°C;
- pri vklopu je lahko skok toka, preden se žarilna nitka segreje, desetkrat večji od nazivnega toka;
- Vtičnice in nastavki za svetilke morajo biti odporni na vročino.
Kako podaljšati življenjsko dobo žarnice
Obstaja veliko načinov za podaljšanje življenjske dobe žarnice. Najbolj uporabljeni so:
- omejevanje zagonskega toka z vključitvijo termistorja v serijo s svetilko, katerega visoka upornost se zmanjša, ko se segreva z zagonskim tokom;
- mehak zagon z ročnim zatemnitvijo s tiristorskim ali triak zatemnitvijo;
- Napajanje sijalke preko močne usmerniške diode, t.j.popravljena napetost polsinusnega vala;
- zaporedna vezava svetilk v parih v večsijalnih svetilkah, npr. v lestencih.
Sodobna industrija proizvaja veliko število različnih vrst žarnic z žarilno nitko s širokim razponom delovnih napetosti in moči, z različnimi odtenki luminescence, konfiguracijo žarnic in baz. Takšen izbor omogoča izberite potrebna svetilka za vsako uporabo.