Żarówka żarowa - Incandescent light bulb

Żarówka 230 V ze średnią śrubą męską E27 (Edison 27 mm) . Żarnik jest widoczny jako w większości pozioma linia pomiędzy pionowymi przewodami zasilającymi.
SEM obraz wolframu żarnik żarówki żarowej

Żarowe żarówki , lampy żarowe lub żarowe kula światło jest elektryczne światło z drutu włókna ogrzewano aż do jarzenia. Włókno jest zamknięte w szklanej bańce z próżnią lub gazem obojętnym, aby chronić włókno przed utlenianiem . Prąd dostarczany jest do żarnika przez zaciski lub przewody osadzone w szkle. Gniazdo żarówki zapewnia wsparcie mechaniczne i połączenia elektryczne.

Żarówki żarowe są produkowane w szerokiej gamie rozmiarów, mocy światła i napięć znamionowych, od 1,5 V do około 300 V. Nie wymagają zewnętrznych urządzeń regulujących , mają niskie koszty produkcji i działają równie dobrze zarówno na prąd zmienny, jak i stały . W rezultacie żarówka stała się szeroko stosowana w oświetleniu domowym i komercyjnym, do oświetlenia przenośnego, takiego jak lampy stołowe, reflektory samochodowe i latarki , oraz do oświetlenia dekoracyjnego i reklamowego.

Żarówki żarowe są znacznie mniej wydajne niż inne rodzaje oświetlenia elektrycznego, zamieniając mniej niż 5% zużywanej energii na światło widzialne. Pozostała energia jest tracona w postaci ciepła. Skuteczność świetlna typowego żarówki do pracy 120 V wynosi 16 lumenów wata, w porównaniu z 60 lm / W o o kompaktowej fluorescencyjnej żarówki lub 150 lm / W niektórych białe lampy LED .

Niektóre aplikacje wykorzystują ciepło wytwarzane przez żarnik. Lampy grzewcze są przeznaczone do zastosowań takich jak inkubatory , lampy lawowe i zabawki Easy-Bake Oven . Promienniki halogenowe na podczerwień z rurką kwarcową są stosowane w procesach przemysłowych, takich jak utwardzanie farby lub ogrzewanie pomieszczeń.

Żarówki żarowe mają zazwyczaj krótką żywotność w porównaniu z innymi rodzajami oświetlenia; około 1000 godzin w przypadku żarówek domowych w porównaniu do 10 000 godzin w przypadku świetlówek kompaktowych i 20 000–30 000 godzin w przypadku oświetlenia diodami LED. Żarówek mogą być zastąpione przez lamp fluorescencyjnych , lamp wyładowczych dużej intensywności i emitujących światło lampy diody (LED). Niektóre obszary wdrożyły stopniowe wycofywanie żarówek żarowych w celu zmniejszenia zużycia energii.

Historia

Historycy Robert Friedel i Paul Israel wymieniają wynalazców żarówek przed Josephem Swanem i Thomasem Edisonem . Doszli do wniosku, że wersja Edisona była w stanie prześcignąć inne dzięki połączeniu trzech czynników: efektywnego materiału żarowego , wyższej próżni niż inne, którą były w stanie osiągnąć (przy użyciu pompy Sprengla ) oraz wysokiej rezystancji, która powodowała dystrybucję mocy z scentralizowane źródło opłacalne ekonomicznie.

Historyk Thomas Hughes przypisał sukces Edisona opracowaniu całego, zintegrowanego systemu oświetlenia elektrycznego.

Lampa była małym elementem w jego systemie oświetlenia elektrycznego i nie miała większego znaczenia dla jej efektywnego funkcjonowania niż generator Edison Jumbo , główny i zasilający Edisona oraz system dystrybucji równoległej. Inni wynalazcy z generatorami i żarówkami, o porównywalnej pomysłowości i doskonałości, już dawno zostali zapomniani, ponieważ ich twórcy nie kierowali ich wprowadzeniem do systemu oświetlenia .

—  Thomas P. Hughes, w Technology at the Turning Point , pod redakcją WB Pickett

Wczesne badania przedkomercyjne

Oryginalna żarówka z włókna węglowego ze sklepu Thomasa Edisona w Menlo Park

W 1761 Ebenezer Kinnersley zademonstrował podgrzewanie drutu do żarzenia.

W 1802 Humphry Davy używane co opisał jako „ baterii z ogromnych rozmiarów”, składający się z 2000 komórek znajdujących się w piwnicach Royal Institution of Great Britain, aby utworzyć żarowe światła poprzez przepuszczanie prądu przez cienki pas platyny , wybrany, ponieważ metal miał wyjątkowo wysoką temperaturę topnienia . Nie był wystarczająco jasny ani nie przetrwał wystarczająco długo, aby być praktycznym, ale był precedensem za wysiłkami wielu eksperymentatorów w ciągu następnych 75 lat.

W ciągu pierwszych trzech czwartych XIX wieku wielu eksperymentatorów pracowało z różnymi kombinacjami drutów platynowych lub irydowych, prętów węglowych oraz zamkniętych lub częściowo opróżnionych obudów. Wiele z tych urządzeń zostało zademonstrowanych, a niektóre zostały opatentowane.

W 1835 James Bowman Lindsay zademonstrował stałe światło elektryczne na publicznym spotkaniu w Dundee w Szkocji . Stwierdził, że potrafi "czytać książkę z odległości półtora stopy". Jednak nie rozwijał dalej światła elektrycznego.

W 1838 roku belgijski litograf Marcellin Jobard wynalazł żarową żarówkę z atmosferą próżni przy użyciu włókna węglowego.

W 1840 roku brytyjski naukowiec Warren de la Rue zamknął zwinięte włókno platynowe w lampie próżniowej i przepuścił przez nią prąd elektryczny. Projekt opierał się na założeniu, że wysoka temperatura topnienia platyny umożliwi jej działanie w wysokich temperaturach, a komora próżniowa będzie zawierać mniej cząsteczek gazu wchodzących w reakcję z platyną, co wydłuży jej żywotność. Chociaż projekt był wykonalny, koszt platyny sprawił, że była niepraktyczna do użytku komercyjnego.

W 1841 roku Frederick de Moleyns z Anglii otrzymał pierwszy patent na żarówkę o konstrukcji wykorzystującej platynowe druty zawarte w żarówce próżniowej. Używał również węgla.

W 1845 r. Amerykanin John W. Starr opatentował żarówkę wykorzystującą włókna węglowe. Jego wynalazek nigdy nie został wyprodukowany komercyjnie.

W 1851 r. Jean Eugène Robert-Houdin publicznie zademonstrował żarówki żarowe w swojej posiadłości w Blois we Francji. Jego żarówki są wystawione w muzeum Château de Blois .

W 1859 roku Moses G. Farmer zbudował elektryczną żarówkę żarową wykorzystującą żarnik platynowy. Później opatentował żarówkę, która została zakupiona przez Thomasa Edisona.

Aleksander Łodygin na sowieckim znaczku pocztowym 1951

W 1872 r. Rosjanin Aleksander Łodygin wynalazł żarówkę i uzyskał rosyjski patent w 1874 r. Jako palnik użył dwóch węglowych prętów o zmniejszonych przekrojach w szklanym odbiorniku, hermetycznie zamkniętych i wypełnionych azotem, ułożonych elektrycznie tak, aby prąd mógł przechodzić do drugiego węgla, gdy pierwszy został zużyty. Później mieszkał w USA, zmienił nazwisko na Alexander de Lodyguine i złożył i uzyskał patenty na żarówki z chromem , irydem , rodem , rutenem , osmem , molibdenem i wolframem , a żarówkę z żarnikiem molibdenowym zademonstrowano na światowe targi 1900 w Paryżu.

24 lipca 1874 roku Henry Woodward i Mathew Evans złożyli kanadyjski patent na lampę składającą się z prętów węglowych zamontowanych w wypełnionym azotem szklanym cylindrze. Nie udało im się skomercjalizować swojej lampy i sprzedali prawa do swojego patentu (patent USA 0,181,613 ) Thomasowi Edisonowi w 1879 roku.

4 marca 1880 roku, zaledwie pięć miesięcy po żarówce Edisona, Alessandro Cruto stworzył swoją pierwszą żarówkę. Cruto wyprodukował włókno przez osadzanie grafitu na cienkich włóknach platynowych, ogrzewając je prądem elektrycznym w obecności gazowego alkoholu etylowego . Ogrzewanie tej platyny w wysokich temperaturach pozostawia cienkie włókna platyny pokryte czystym grafitem. We wrześniu 1881 osiągnął udaną wersję tego pierwszego syntetycznego włókna. Żarówka wynaleziona przez Cruto przetrwała pięćset godzin w przeciwieństwie do czterdziestu oryginalnych wersji Edisona. W 1882 roku w Monachium na Wystawie Elektrycznej w Bawarii, lampa Cruto była bardziej wydajna niż Edisona i dawała lepsze, białe światło.

Heinrich Göbel w 1893 r. twierdził, że zaprojektował pierwszą żarówkę w 1854 r., z cienkim karbonizowanym włóknem bambusowym o wysokiej wytrzymałości, platynowymi przewodami ołowianymi w całkowicie szklanej powłoce i wysoką próżnią. Sędziowie czterech sądów mieli wątpliwości co do rzekomego przewidywania Göbla, ale ostatecznej rozprawy nigdy nie zapadła decyzja ze względu na termin wygaśnięcia patentu Edisona. W pracy badawczej opublikowanej w 2007 roku stwierdzono, że historia lamp Göbel w latach 50. XIX wieku jest legendą.

Komercjalizacja

Włókno węglowe i próżnia

Żarówki z żarnikiem węglowym, pokazujące ciemnienie żarówki

Joseph Swan (1828–1914) był brytyjskim fizykiem i chemikiem. W 1850 roku zaczął pracować z włóknami papieru zwęglonego w próżniowej bańce szklanej. Już w 1860 roku był w stanie zademonstrować działające urządzenie, ale brak dobrej próżni i odpowiedniego dopływu prądu skutkował krótką żywotnością żarówki i niewydajnym źródłem światła. W połowie lat 70. XIX wieku pojawiły się lepsze pompy i Swan powrócił do swoich eksperymentów.

Tablica historyczna w Underhill , pierwszy dom oświetlony lampami elektrycznymi

Z pomocą Charlesa Stearna , eksperta od pomp próżniowych, w 1878 Swan opracował metodę przetwarzania, która pozwoliła uniknąć wczesnego czernienia żarówki. W 1880 r. otrzymało to brytyjski patent. 18 grudnia 1878 r. na spotkaniu Towarzystwa Chemicznego w Newcastle pokazano lampę z cienkim prętem węglowym , a 17 stycznia 1879 r. Swan dał pokaz roboczy. 700, którzy uczestniczyli w spotkaniu Towarzystwa Literacko-Filozoficznego Newcastle upon Tyne w dniu 3 lutego 1879 roku. Lampy te wykorzystywały pręt węglowy z lampy łukowej zamiast cienkiego żarnika. W związku z tym miały niską rezystancję i wymagały bardzo dużych przewodników do dostarczenia niezbędnego prądu, więc nie były praktyczne, chociaż dawały demonstrację możliwości oświetlenia żarówkowego przy stosunkowo wysokiej próżni, przewodnika węglowego i przewodów platynowych. . Ta żarówka trwała około 40 godzin. Łabędź następnie skupił się na produkcji lepszego włókna węglowego i sposobach mocowania jego końców. Opracował metodę obróbki bawełny w celu wytworzenia „spergamentowanej nici” na początku lat 80. XIX wieku iw tym samym roku uzyskał patent brytyjski 4933. Od tego roku zaczął instalować żarówki w domach i zabytkach w Anglii. Jego dom, Underhill, Low Fell, Gateshead , był pierwszym na świecie oświetlonym żarówką. Na początku lat 80. założył swoją firmę. W 1881 roku Savoy Theatre w City of Westminster w Londynie został oświetlony żarówkami Swan, który był pierwszym teatrem i pierwszym budynkiem publicznym na świecie, który był oświetlony całkowicie elektrycznie. Pierwszą ulicą na świecie oświetloną żarówką była Mosley Street w Newcastle upon Tyne w Wielkiej Brytanii . Został oświetlony przez żarówkę Josepha Swana w dniu 3 lutego 1879 roku.

Porównanie żarówek Edisona, Maxima i Swan, 1885
Żarówki Edisona z żarnikiem węglowym, wczesne lata 80. XIX wieku

Thomas Edison rozpoczął poważne badania nad opracowaniem praktycznej lampy żarowej w 1878 r. Edison złożył swój pierwszy wniosek patentowy na „Poprawa oświetlenia elektrycznego” 14 października 1878 r. Po wielu eksperymentach, najpierw z węglem we wczesnych latach 80. XIX wieku, a następnie z platyną i innymi metalami , w końcu Edison wrócił do włókna węglowego. Pierwsza udana próba odbyła się 22 października 1879 roku i trwała 13,5 godziny. Edison kontynuował ulepszanie tego projektu i do 4 listopada 1879 r. złożył wniosek o patent w USA na lampę elektryczną wykorzystującą „włókno węglowe lub pasek zwinięty i połączony ... z platynowymi przewodami kontaktowymi”. Chociaż w patencie opisano kilka sposobów tworzenia włókna węglowego, w tym użycie „nitek bawełnianych i lnianych, drewnianych szyn, papieru zwijanego na różne sposoby”, Edison i jego zespół odkryli później, że karbonizowane włókno bambusowe może wytrzymać ponad 1200 godzin. W 1880 roku parowiec Oregon Railroad and Navigation Company Columbia stał się pierwszym zastosowaniem żarówek Edisona (był to również pierwszy statek, w którym zastosowano dynamo ).

Albon Man , prawnik z Nowego Jorku, założył Electro-Dynamic Light Company w 1878 roku, aby wykorzystać swoje patenty i patenty Williama Sawyera . Kilka tygodni później zorganizowano United States Electric Lighting Company. Firma ta wykonała swoją pierwszą komercyjną instalację żarówek dopiero jesienią 1880 roku w Mercantile Safe Deposit Company w Nowym Jorku, około sześć miesięcy po zainstalowaniu żarówek Edisona na Columbii . Hiram S. Maxim był głównym inżynierem w United States Electric Lighting Company.

Lewis Latimer , zatrudniony w tym czasie przez Edisona, opracował ulepszoną metodę obróbki cieplnej włókien węglowych, która zmniejszyła pękanie i umożliwiła formowanie ich w nowe kształty, takie jak charakterystyczny kształt „M” włókien Maxim. W dniu 17 stycznia 1882 roku Latimer otrzymał patent na „Process of Manufacturing Carbons”, ulepszoną metodę produkcji żarówek, która została zakupiona przez United States Electric Light Company. Firma Latimer opatentowała inne ulepszenia, takie jak lepszy sposób mocowania włókien do podpór drucianych.

W Wielkiej Brytanii firmy Edison i Swan połączyły się w Edison and Swan United Electric Company (później znane jako Ediswan i ostatecznie włączone do Thorn Lighting Ltd ). Edison początkowo był przeciwny tej kombinacji, ale po tym, jak Swan pozwał go i wygrał, Edison został ostatecznie zmuszony do współpracy i doszło do fuzji. Ostatecznie Edison przejął wszystkie udziały Swana w firmie. Swan sprzedał swoje amerykańskie prawa patentowe firmie Brush Electric Company w czerwcu 1882 roku.

US Patent 0223898 przez Thomasa Edisona do ulepszonej lampy elektrycznej, 27 stycznia 1880

Urząd Patentowy Stanów Zjednoczonych wydał orzeczenie 8 października 1883 roku, że patenty Edisona były oparte na wcześniejszej sztuce Williama Sawyera i były nieważne. Spory sądowe trwały przez kilka lat. Ostatecznie 6 października 1889 roku sędzia orzekł, że twierdzenie Edisona o ulepszeniu oświetlenia elektrycznego dla „włókna węglowego o wysokiej odporności” jest uzasadnione.

W 1896 r. włoski wynalazca Arturo Malignani (1865–1939) opatentował metodę ewakuacji do masowej produkcji, która pozwoliła na uzyskanie ekonomicznych żarówek na 800 godzin. Patent został nabyty przez Edisona w 1898 roku.

W 1897 roku niemiecki fizyk i chemik Walther Nernst opracował lampę Nernst , formę żarówki, która wykorzystuje kulę ceramiczną i nie wymaga obudowy w próżni ani w gazie obojętnym. Lampy Nernst były dwa razy wydajniejsze od żarników węglowych i przez krótki czas cieszyły się popularnością, dopóki nie zostały wyparte przez lampy z żarnikiem metalowym.

Włókno metalowe, gaz obojętny

Hanaman (po lewej) i Just (po prawej), wynalazcy żarówek wolframowych
Węgierska reklama żarówki Tungsram z 1906 roku. Była to pierwsza żarówka, w której zastosowano żarnik wykonany z wolframu zamiast węgla. Napis głosi: lampa druciana z drutem ciągnionym – niezniszczalna .
Widmo żarówki o temperaturze 2200 K, pokazujące większość swojej emisji jako niewidzialne światło podczerwone .

W 1902 Siemens opracował żarnik tantalowy , który był bardziej wydajny niż nawet grafitowane żarniki węglowe, ponieważ mogły działać w wyższej temperaturze. Ponieważ metal tantalowy ma niższą rezystywność niż węgiel, żarnik lampy tantalowej był dość długi i wymagał wielu wewnętrznych podpór. Metalowe włókno stopniowo skracało się w trakcie użytkowania; filamenty zostały zainstalowane z dużymi luźnymi pętlami. Lampy używane przez kilkaset godzin stały się dość kruche. Włókna metalowe miały właściwość łamania i ponownego spawania, chociaż zwykle zmniejszałoby to opór i skracało żywotność włókna. General Electric kupił prawa do używania włókien tantalowych i produkował je w USA do 1913 roku.

Od 1898 do około 1905 osm był również używany jako żarnik w Europie. Metal był tak drogi, że zużyte zepsute lampy można było zwrócić za częściowe uznanie. Nie można go było wykonać na 110 V lub 220 V, więc kilka lamp zostało połączonych szeregowo do użytku w standardowych obwodach napięcia.

13 grudnia 1904 Węgier Sándor Just i Chorwat Franjo Hanaman otrzymali węgierski patent (nr 34541) na lampę z żarnikiem wolframowym , która trwała dłużej i dawała jaśniejsze światło niż żarnik węglowy. Żarówki z żarnikiem wolframowym zostały po raz pierwszy wprowadzone na rynek przez węgierską firmę Tungsram w 1904 roku. Ten typ jest często nazywany żarówkami Tungsram w wielu krajach europejskich. Napełnianie bańki gazem obojętnym, takim jak argon lub azot, spowalnia parowanie żarnika wolframowego w porównaniu do pracy w próżni. Pozwala to na wyższe temperatury, a tym samym większą skuteczność przy mniejszym skróceniu żywotności żarnika.

W 1906 roku William D. Coolidge opracował metodę wytwarzania „ciągliwego wolframu” ze spiekanego wolframu, z którego można było wytwarzać włókna podczas pracy dla General Electric Company . W 1911 General Electric zaczął sprzedawać żarówki żarowe z ciągliwym drutem wolframowym.

W 1913 roku Irving Langmuir odkrył, że napełnianie lampy gazem obojętnym zamiast próżnią skutkowało dwukrotnie większą skutecznością świetlną i zmniejszeniem czernienia żarówki.

W 1917 roku Burnie Lee Benbow otrzymał patent na włókno zwijane , w którym włókno zwijane jest następnie zwijane w cewkę za pomocą trzpienia . W 1921 roku Junichi Miura , pracując dla Hakunetsusha (poprzednika Toshiby ) , stworzył pierwszą żarówkę z podwójną cewką, wykorzystującą żarnik wolframowy . W tamtym czasie nie istniały maszyny do masowej produkcji żarników zwijanych. Hakunetsusha opracował metodę masowej produkcji żarników zwijanych w 1936 roku.

Między 1924 a wybuchem II wojny światowej kartel Phoebus próbował ustalać ceny i limity sprzedaży dla producentów żarówek poza Ameryką Północną.

W 1925 roku Marvin Pipkin , amerykański chemik, opatentował proces oszronienia wnętrza żarówek lamp bez ich osłabiania. W 1947 opatentował proces powlekania krzemionką wnętrza lamp .

W 1930 roku węgierski Imre Bródy wypełnił lampy gazem kryptonowym zamiast argonem i zaprojektował proces pozyskiwania kryptonu z powietrza. Produkcja lamp wypełnionych kryptonem na podstawie jego wynalazku rozpoczęła się w Ajce w 1937 roku, w fabryce współprojektowanej przez Polányiego i urodzonego na Węgrzech fizyka Egona Orowana .

Do 1964 r. poprawa wydajności i produkcji żarówek zredukowała koszt dostarczania określonej ilości światła trzydziestokrotnie w porównaniu z kosztami wprowadzenia systemu oświetleniowego Edisona.

Zużycie żarówek w Stanach Zjednoczonych gwałtownie rosło. W 1885 r. sprzedano około 300 000 lamp do oświetlenia ogólnego, wszystkie z włóknami węglowymi. Kiedy wprowadzono żarniki wolframowe, w USA istniało około 50 milionów gniazd lamp. W 1914 roku użyto 88,5 miliona lamp (tylko 15% z włóknami węglowymi), a do 1945 roku roczna sprzedaż lamp wyniosła 795 milionów (ponad 5 lamp na osobę rocznie).

Skuteczność i wydajność

Lampa halogenowa ksenonowa z trzonkiem E27, która może zastąpić żarówkę bezhalogenową

Ponad 95% energii zużywanej przez typową żarówkę jest zamieniane na ciepło, a nie na światło widzialne. Inne elektryczne źródła światła są bardziej efektywne.

Obraz termiczny żarówki żarowej. 22–175°C = 71–347°F.

Przy danej ilości światła żarówka zużywa więcej energii i emituje więcej ciepła niż świetlówka . W budynkach, w których stosowana jest klimatyzacja , moc cieplna żarówek zwiększa obciążenie systemu klimatyzacji. Podczas gdy ciepło ze światła zmniejszy potrzebę uruchomienia systemu grzewczego budynku, ten ostatni może zwykle wytwarzać taką samą ilość ciepła przy niższych kosztach niż żarówki żarowe.

W porównaniu do innych żarowych (niehalogenowych) rodzajów światła, żarowe żarówki halogenowe będą emitować taką samą ilość światła, zużywając mniej energii i bardziej stałą moc w czasie, przy niewielkim ściemnianiu.

Świetlny skuteczność źródła światła jest stosunek światła widzialnego do całkowitej mocy wejściowej do źródła, takiego jak lampka. Światło widzialne jest mierzone w lumenach , jednostce, która jest częściowo definiowana przez różną wrażliwość ludzkiego oka na różne długości fal światła (patrz funkcja jasności ). Nie wszystkie długości fal są równie skuteczne w stymulowaniu ludzkiego oka. Jednostkami skuteczności świetlnej są lumeny na wat (lpw). Z definicji maksymalna skuteczność wynosi 683 lm/W dla monochromatycznego zielonego światła. Źródło światła białego ze wszystkimi widocznymi długościami fal ma niższą skuteczność, około 250 lumenów na wat.

Świetlny skuteczność definiuje się jako stosunek skuteczności świetlnej do teoretycznego maksimum skuteczność świetlną 683 LPW dla światła zielonego.

Poniższa tabela przedstawia wartości skuteczności świetlnej i wydajności dla niektórych ogólnych usług, 120-woltowej żarówki o żywotności 1000 godzin i kilku wyidealizowanych źródeł światła. Dłuższy wykres skuteczności świetlnej porównuje szerszą gamę źródeł światła.

Rodzaj Ogólna skuteczność świetlna Całkowita skuteczność świetlna (lm/W)
Żarówka wolframowa 40 W 1,9% 12,6
Żarówka wolframowa 60 W 2,1% 14,5
Żarówka wolframowa 100 W 2,6% 17,5
Szklany halogen 2,3% 16
Kwarc halogenowy 3,5% 24
Lampy fotograficzne i projekcyjne o bardzo wysokich temperaturach żarnika i krótkiej żywotności 5,1% 35
Idealny grzejnik czarnego ciała przy 4000 K 7,0% 47,5
Idealny grzejnik czarnego ciała przy 7000 K 14% 95
Idealne monochromatyczne źródło 555 nm (zielone) 100% 683

Widmo emitowane przez promiennik ciała doskonale czarnego w temperaturze żarówek nie odpowiada właściwościom ludzkiego oka, przy czym większość promieniowania mieści się w zakresie, którego oko nie widzi. Górna granica skuteczności świetlnej żarówek wynosi około 52 lumenów na wat, teoretyczna wartość emitowana przez wolfram w jego temperaturze topnienia.

Renderowanie kolorów

Widmo światła wytwarzanego przez żarówkę jest zbliżone do widma promiennika ciała doskonale czarnego o tej samej temperaturze. Podstawą źródeł światła stosowanych jako standard postrzegania barw jest żarówka wolframowa działająca w określonej temperaturze.

Spektralny rozkład mocy żarówki 25 W.

Źródła światła takie jak świetlówki, lampy wyładowcze dużej intensywności i lampy LED mają wyższą skuteczność świetlną. Urządzenia te wytwarzają światło przez luminescencję . Ich światło ma pasma o charakterystycznych długościach fal, bez „ogona” niewidzialnych emisji podczerwieni, zamiast ciągłego widma wytwarzanego przez źródło termiczne. Dzięki starannemu doborowi fluorescencyjnych powłok luminoforowych lub filtrów, które modyfikują rozkład widmowy, emitowane widmo można dostroić, aby naśladować wygląd źródeł żarowych lub innych różnych temperatur barwowych światła białego. W przypadku zadań wrażliwych na kolory, takich jak oświetlenie filmów, źródła te mogą wymagać specjalnych technik, aby powielić wygląd oświetlenia żarowego. Metameryzm opisuje wpływ różnych rozkładów widma światła na postrzeganie koloru.

Koszt oświetlenia

Początkowy koszt żarówki jest niewielki w porównaniu z kosztem energii zużywanej przez cały okres jej eksploatacji. Żarówki mają krótszą żywotność niż większość innych rodzajów oświetlenia, co jest ważnym czynnikiem, jeśli wymiana jest niewygodna lub kosztowna. Niektóre rodzaje lamp, w tym żarowe i fluorescencyjne, emitują mniej światła w miarę starzenia się; może to stanowić niedogodność lub może skrócić efektywny okres użytkowania z powodu wymiany lampy przed całkowitą awarią. Porównanie kosztów eksploatacji żarówek z innymi źródłami światła musi uwzględniać wymagania dotyczące oświetlenia, koszt lampy i koszt robocizny do wymiany lampy (z uwzględnieniem efektywnej żywotności lampy), koszt zużytej energii elektrycznej, wpływ pracy lampy na systemy ogrzewania i klimatyzacji . W przypadku oświetlenia domów i budynków komercyjnych energia tracona na ciepło może znacznie zwiększyć energię wymaganą przez system klimatyzacji budynku. W sezonie grzewczym ciepło wytwarzane przez żarówki nie jest marnowane, choć w większości przypadków bardziej opłacalne jest pozyskiwanie ciepła z systemu grzewczego. Niezależnie od tego, w ciągu roku bardziej wydajny system oświetleniowy oszczędza energię w prawie wszystkich klimatach.

Środki zakazujące używania

Ponieważ żarówki żarowe zużywają więcej energii niż alternatywy, takie jak świetlówki kompaktowe i lampy LED , wiele rządów wprowadziło środki zakazujące ich używania, ustalając minimalne standardy skuteczności wyższe niż te, które można osiągnąć w przypadku żarówek. Środki zakazujące używania żarówek wdrożono m.in. w Unii Europejskiej, Stanach Zjednoczonych, Rosji, Brazylii, Argentynie, Kanadzie i Australii. W Europie KE obliczyła, że ​​zakaz przynosi gospodarce od 5 do 10 miliardów euro i pozwala zaoszczędzić 40 TWh energii elektrycznej rocznie, co przekłada się na redukcję emisji CO 2 o 15 milionów ton.

Zastrzeżenia do zakazu używania żarówek obejmują wyższy początkowy koszt alternatyw i niższą jakość światła świetlówek. Niektórzy ludzie mają obawy związane ze skutkami zdrowotnymi lamp fluorescencyjnych.

Wysiłki na rzecz poprawy skuteczności

Przeprowadzono pewne badania w celu poprawy skuteczności komercyjnych żarówek. W 2007 roku firma General Electric ogłosiła projekt wysokowydajnej lampy żarowej (HEI), która, jak twierdzili, miałaby ostatecznie być aż czterokrotnie bardziej wydajna niż obecne żarówki, chociaż ich początkowym celem produkcyjnym było osiągnięcie około dwukrotnie większej wydajności. Program HEI został zakończony w 2008 r. z powodu powolnego postępu.

Badania Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych w Sandia National Laboratories początkowo wskazywały na potencjał radykalnie zwiększonej wydajności włókien sieci fotonicznej . Jednak późniejsze prace wykazały, że początkowo obiecujące wyniki były błędne.

Zainspirowane przepisami prawa w różnych krajach nakazujących zwiększoną wydajność żarówek, firma Philips wprowadziła żarówki hybrydowe . W Halogena oszczędzania energii Żarówki mogą produkować około 23 lm / W; o około 30 procent bardziej wydajne niż tradycyjne żarówki, dzięki zastosowaniu kapsuły odblaskowej, która odbija wcześniej zmarnowane promieniowanie podczerwone z powrotem do włókna, z którego część jest ponownie emitowana jako światło widzialne. Ta koncepcja została zapoczątkowana przez Duro-Test w 1980 r. z produktem komercyjnym, który wytwarzał 29,8 lm/W. Bardziej zaawansowane reflektory oparte na filtrach interferencyjnych lub kryształach fotonicznych mogą teoretycznie skutkować wyższą wydajnością, do granicy około 270 lm/W (40% maksymalnej możliwej skuteczności). Doświadczenia laboratoryjne weryfikujące koncepcję przyniosły aż 45 lm/W, zbliżając się do skuteczności kompaktowych żarówek fluorescencyjnych.

Budowa

Żarówki żarowe składają się z hermetycznej szklanej obudowy (koperty lub żarówki) z żarnikiem z drutu wolframowego wewnątrz żarówki, przez który przepływa prąd elektryczny . Przewody jezdne i podstawa z dwoma (lub więcej) przewodami zapewniają połączenia elektryczne z żarnikiem. Żarówki żarowe zwykle zawierają trzonek lub szklaną oprawę zakotwiczoną do podstawy żarówki, która umożliwia przechodzenie styków elektrycznych przez osłonę bez wycieków powietrza lub gazu. Z kolei małe druciki osadzone w trzpieniu podtrzymują żarnik i jego przewody prowadzące.

Prąd elektryczny podgrzewa włókno do temperatury zwykle 2000 do 3300 K (1730 do 3030 °C; 3140 do 5480 °F), znacznie poniżej temperatury topnienia wolframu 3695 K (3422 °C; 6191 °F). Temperatury żarnika zależą od typu żarnika, kształtu, rozmiaru i ilości pobieranego prądu. Podgrzany żarnik emituje światło o widmie zbliżonym do ciągłego . Użyteczną częścią emitowanej energii jest światło widzialne , ale większość energii jest wydzielana w postaci ciepła w zakresie bliskiej podczerwieni .

Żarówki

Większość żarówek ma przezroczyste lub powlekane szkło. Powlekane bańki szklane mają wdmuchiwaną glinkę kaolinową i osadzają się elektrostatycznie we wnętrzu bańki. Warstwa proszku rozprasza światło z żarnika. Do gliny można dodać pigmenty, aby dostosować kolor emitowanego światła. Żarówki rozproszone Kaolin są szeroko stosowane w oświetleniu wnętrz ze względu na ich stosunkowo łagodne światło. Produkowane są również inne rodzaje kolorowych żarówek, w tym różne kolory używane do „żarówek imprezowych”, lampek choinkowych i innego oświetlenia dekoracyjnego. Są one utworzone przez barwienia szkła z domieszki ; który często jest metalem takim jak kobalt (niebieski) lub chrom (zielony). Szkło zawierające neodym jest czasami używane, aby zapewnić bardziej naturalnie wyglądające światło.

Żarówka żarowa.svg
  1. Zarys szklanej żarówki
  2. Gaz obojętny niskociśnieniowy ( argon , azot , krypton , ksenon )
  3. wolframu żarnik
  4. Przewód jezdny (wychodzi z trzpienia)
  5. Przewód jezdny (wchodzi w trzpień)
  6. Przewody podtrzymujące (jeden koniec osadzony w trzpieniu; nie przewodzą prądu)
  7. Mostek (mocowanie do szkła)
  8. Przewód jezdny (wychodzi z trzpienia)
  9. Czapka (rękaw)
  10. Izolacja ( witryt )
  11. Kontakt elektryczny

Szklana bańka ogólnej lampy serwisowej może osiągać temperaturę od 200 do 260 °C (392 do 500 °F). Lampy przeznaczone do pracy z dużą mocą lub używane do celów grzewczych będą miały osłony wykonane z twardego szkła lub topionego kwarcu .

Jeśli żarówka przecieka, gorący żarnik wolframowy reaguje z powietrzem, tworząc aerozol brązowego azotku wolframu , brązowego dwutlenku wolframu , fioletowo-niebieskiego pięciotlenku wolframu i żółtego trójtlenku wolframu, który następnie osadza się na pobliskich powierzchniach lub we wnętrzu żarówki.

Napełnianie gazem

Zniszczenie żarnika lampy z powodu penetracji powietrza

Większość nowoczesnych żarówek jest wypełniona gazem obojętnym w celu ograniczenia parowania żarnika i zapobiegania jego utlenianiu . Gaz ma ciśnienie około 70 kPa (0,7 atm).

Gaz zmniejsza parowanie włókna, ale wypełnienie należy dobierać ostrożnie, aby uniknąć wprowadzania znacznych strat ciepła. Dla tych właściwości pożądana jest obojętność chemiczna i wysoka masa atomowa lub cząsteczkowa . Obecność cząsteczek gazu odpycha uwolnione atomy wolframu z powrotem do żarnika, zmniejszając jego parowanie i umożliwiając pracę w wyższej temperaturze bez skracania jego żywotności (lub, w przypadku pracy w tej samej temperaturze, przedłuża żywotność żarnika). Z drugiej strony obecność gazu prowadzi do utraty ciepła z żarnika – a tym samym utraty wydajności z powodu zmniejszonej żarzenia – przez przewodzenie ciepła i konwekcję ciepła .

Wczesne lampy i niektóre małe nowoczesne lampy wykorzystywały jedynie próżnię do ochrony żarnika przed tlenem. Próżnia zwiększa parowanie żarnika, ale eliminuje dwa tryby utraty ciepła.

Najczęściej używane wypełnienia to:

  • Odkurzacz stosowany w małych lampach. Zapewnia najlepszą izolację termiczną filamentu, ale nie chroni przed jego parowaniem. Stosowany również w większych lampach, gdzie temperatura powierzchni zewnętrznej bańki musi być ograniczona.
  • Argon (93%) i azot (7%), gdzie argon jest używany ze względu na jego obojętność, niską przewodność cieplną i niski koszt, a azot jest dodawany w celu zwiększenia napięcia przebicia i zapobieżenia iskrzeniu między częściami żarnika
  • Azot, stosowany w niektórych lampach o większej mocy, np. lampach projekcyjnych, oraz tam, gdzie wymagane jest wyższe napięcie przebicia ze względu na bliskość części żarnika lub przewodów doprowadzających
  • Krypton , który jest korzystniejszy od argonu ze względu na wyższą masę atomową i niższą przewodność cieplną (co pozwala również na stosowanie mniejszych żarówek), ale jego stosowanie jest utrudnione przez znacznie wyższy koszt, ograniczający go głównie do żarówek o mniejszych rozmiarach.
  • Krypton zmieszany z ksenonem , gdzie ksenon dodatkowo poprawia właściwości gazu dzięki wyższej masie atomowej. Jego zastosowanie jest jednak ograniczone przez bardzo wysoki koszt. Ulepszenia wynikające z zastosowania ksenonu są skromne w porównaniu z jego kosztami.
  • Wodór , w specjalnych lampach błyskowych, gdzie wymagane jest szybkie chłodzenie żarnika; wykorzystuje się tutaj jego wysoką przewodność cieplną.

Wypełnienie gazem musi być pozbawione śladów wody, co znacznie przyspiesza czernienie cebulek (patrz niżej).

Warstwa gazowa w pobliżu włókna (zwana warstwą Langmuira) jest w stanie stagnacji, a przenoszenie ciepła odbywa się tylko przez przewodzenie. Tylko w pewnej odległości zachodzi konwekcja, która przenosi ciepło do otoczki żarówki.

Orientacja żarnika wpływa na wydajność. Przepływ gazu równoległy do ​​żarnika, np. pionowo zorientowana bańka z pionowym (lub osiowym) żarnikiem, zmniejsza straty konwekcyjne.

Wydajność lampy wzrasta wraz ze wzrostem średnicy żarnika. Żarówki o małej mocy z cienkim włóknem w mniejszym stopniu korzystają z gazu wypełniającego, dlatego często są tylko opróżniane.

Wczesne żarówki z włóknami węglowymi również wykorzystywały tlenek węgla , azot lub pary rtęci . Jednak włókna węglowe działają w niższych temperaturach niż wolframowe, więc efekt gazu wypełniającego nie był znaczący, ponieważ straty ciepła zrównoważyły ​​wszelkie korzyści.

Produkcja

Żarówka z włókna tantalowego z 1902 r. była pierwszą, która miała żarnik metalowy. Ten pochodzi z 1908 roku.

Wczesne żarówki były mozolnie montowane ręcznie. Po opracowaniu maszyn automatycznych koszt żarówek spadł. Do 1910 roku, kiedy weszła do produkcji maszyna Libbey's Westlake, żarówki były na ogół produkowane przez zespół trzech pracowników (dwóch zbieraczy i mistrz gaffer) wydmuchujących żarówki do drewnianych lub żeliwnych form, pokrytych pastą. W latach 80. XIX wieku w Corning Glass Works w procesie ręcznego dmuchania produkowano około 150 żarówek na godzinę.

Maszyna Westlake, opracowana przez Libbey Glass , została oparta na adaptacji maszyny do rozdmuchiwania butelek Owens-Libbey. Firma Corning Glass Works wkrótce zaczęła opracowywać konkurencyjne zautomatyzowane maszyny do wydmuchiwania bulw, z których pierwszym, który został użyty w produkcji, był E-Machine. Corning kontynuował rozwój zautomatyzowanych maszyn do produkcji bulw, instalując wstążkę w 1926 w swojej fabryce w Wellsboro w Pensylwanii. Maszyna do taśm przewyższała wszelkie wcześniejsze próby automatyzacji produkcji żarówek i była używana do produkcji żarówek w XXI wieku. Wynalazca, William Woods, wraz ze swoim kolegą z Corning Glass Works, Davidem E. Grayem, stworzyli maszynę, która do 1939 roku wytwarzała 1000 żarówek na minutę.

Maszyna Wstęgowa działa na zasadzie przepuszczania ciągłej wstęgi szkła wzdłuż przenośnika taśmowego , nagrzanej w piecu, a następnie wdmuchiwanej precyzyjnie ustawionymi dyszami powietrza przez otwory w przenośniku taśmowym do form. W ten sposób powstają szklane bańki lub koperty. Typowa maszyna tego typu może wyprodukować od 50 000 do 120 000 żarówek na godzinę, w zależności od wielkości żarówki. Do lat 70. 15 maszyn taśmowych zainstalowanych w fabrykach na całym świecie wyprodukowało całą dostawę żarówek. Włókno i jego wsporniki są montowane na szklanej nóżce, która jest następnie wtapiana w żarówkę. Powietrze jest wypompowywane z bańki, a rura odprowadzająca w prasie do trzpieni jest uszczelniana płomieniem. Następnie żarówkę wkłada się do podstawy lampy i testuje cały zespół. Zamknięcie w 2016 roku zakładu Osram-Sylvania w Wellsboro w Pensylwanii oznaczało, że jedna z ostatnich maszyn taśmowych pozostałych w Stanach Zjednoczonych została zamknięta.

Włókno

Jak powstaje żarnik wolframowy

Pierwsze żarniki, które odniosły komercyjny sukces, zostały wykonane z papieru karbonizowanego lub bambusa . Włókna węglowe mają ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji — im bardziej się nagrzewają, ich opór elektryczny maleje. To sprawiło, że lampa była wrażliwa na wahania napięcia zasilania, ponieważ niewielki wzrost napięcia powodował nagrzewanie się żarnika, zmniejszając jego rezystancję i powodując, że pobierał jeszcze więcej energii i jeszcze bardziej ciepła.

Włókna węglowe były „błyskane” przez ogrzewanie w oparach węglowodorów (zwykle benzyny), aby poprawić ich wytrzymałość i jednorodność. Metalizowane lub „grafityzowane” włókna były najpierw podgrzewane do wysokiej temperatury w celu przekształcenia ich w grafit , co dodatkowo wzmacniało i wygładzało włókno. Włókna te mają dodatni współczynnik temperaturowy, podobnie jak przewodnik metaliczny , który stabilizuje właściwości eksploatacyjne lamp przy niewielkich wahaniach napięcia zasilania.

Włókna metalowe wypierały węgiel począwszy od około 1904 roku. Wolfram ma najwyższą dostępną temperaturę topnienia. W 1910 roku William D. Coolidge w General Electric opracował proces produkcji plastycznej formy wolframu. Proces wymagał sprasowania proszku wolframu w pręty, a następnie kilku etapów spiekania, kształtowania, a następnie ciągnienia drutu. Stwierdzono, że bardzo czyste włókna wolframowe, które zwisały podczas użytkowania, oraz że bardzo małe „domieszkowanie” tlenkami potasu, krzemu i glinu na poziomie kilkuset części na milion znacznie poprawiło żywotność i trwałość wolframu włókna.

Zwinięte włókno cewki

Aby poprawić wydajność lampy, żarnik zwykle składa się z wielu zwojów zwiniętego cienkiego drutu, znanego również jako „zwój zwinięty”. Żarówki wykorzystujące żarniki zwojowe są czasami nazywane „żarówkami z podwójną cewką”. W przypadku 60-watowej lampy 120-woltowej długość rozwiniętego żarnika wolframowego wynosi zwykle 580 milimetrów (22,8 cala), a średnica żarnika wynosi 0,046 milimetra (0,0018 cala). Zaletą zwiniętej cewki jest to, że żarnik wolframowy paruje z szybkością cylindra wolframowego o średnicy równej średnicy cewki zwijanej. Włókno zwojowe odparowuje wolniej niż włókno proste o tej samej powierzchni i mocy emitującej światło. W rezultacie żarnik może być wtedy gorętszy, co skutkuje bardziej wydajnym źródłem światła, a jednocześnie trwa dłużej niż proste włókno w tej samej temperaturze.

Producenci oznaczają różne formy żarnika lampowego kodem alfanumerycznym.

Spiralny żarnik z 200-watową żarówką o dużym powiększeniu
Włókno spalonej 50-watowej żarówki w SEM w trybie stereoskopowym, przedstawione jako obraz anaglifowy . Aby prawidłowo wyświetlić ten obraz, zalecane są okulary 3D w kolorze czerwono-cyjan .Okulary 3D czerwony cyan.svg
Żarnik 50-watowej żarówki żarowej w SEM w trybie stereoskopowym, przedstawiony jako obraz anaglifowy . Aby prawidłowo wyświetlić ten obraz, zalecane są okulary 3D w kolorze czerwono-cyjan .Okulary 3D czerwony cyan.svg

Włókna elektryczne są wykorzystywane w gorących katod z lamp fluorescencyjnych i rurek próżniowych jako źródła elektronów lub rurek próżniowych do ogrzania elektrod emitujących elektrony. Gdy są używane jako źródło elektronów, mogą mieć specjalną powłokę, która zwiększa produkcję elektronów.

Zmniejszenie parowania filamentu

Podczas normalnej pracy wolfram z żarnika odparowuje; cieplejsze, bardziej wydajne włókna parują szybciej. Z tego powodu żywotność żarówki jest kompromisem między wydajnością a długowiecznością. Kompromis jest zwykle ustalany tak, aby zapewnić żywotność od 1000 do 2000 godzin w przypadku lamp używanych do ogólnego oświetlenia. Lampy teatralne, fotograficzne i projekcyjne mogą mieć żywotność zaledwie kilku godzin, zamieniając oczekiwaną żywotność na wysoką wydajność w kompaktowej formie. Lampy ogólnego użytku o długiej żywotności mają niższą wydajność, ale przed opracowaniem żarówek i lamp LED były przydatne w zastosowaniach, w których żarówka była trudna do wymiany.

Irving Langmuir odkrył, że gaz obojętny zamiast próżni opóźniłby parowanie. Żarówki ogólnego użytku o mocy powyżej około 25 watów są obecnie wypełnione mieszaniną głównie argonu i niewielkiej ilości azotu , a czasem kryptonu . Chociaż gaz obojętny zmniejsza parowanie włókna, przewodzi również ciepło z włókna, w ten sposób schładzając je i zmniejszając wydajność. Przy stałym ciśnieniu i temperaturze przewodność cieplna gazu zależy od masy cząsteczkowej gazu i pola przekroju cząsteczek gazu. Gazy o wyższej masie cząsteczkowej mają niższą przewodność cieplną, ponieważ zarówno masa cząsteczkowa jest wyższa, jak i pole przekroju poprzecznego jest większe. Gaz ksenonowy poprawia wydajność ze względu na dużą masę cząsteczkową, ale jest też droższy, dlatego jego zastosowanie ogranicza się do mniejszych lamp.

Nacinanie żarnika jest spowodowane nierównomiernym parowaniem żarnika. Małe zmiany rezystywności wzdłuż żarnika powodują powstawanie „gorących punktów” w punktach o wyższej rezystywności; zmiana średnicy o zaledwie 1% spowoduje skrócenie żywotności o 25%. Ponieważ rezystancja żarnika jest silnie zależna od temperatury, plamy o wyższej temperaturze będą miały większą rezystancję, powodując, że rozpraszają więcej energii, czyniąc je gorętszymi – pętla dodatniego sprzężenia zwrotnego. Te gorące punkty odparowują szybciej niż reszta włókna, stale zwiększając opór w tym punkcie. Proces kończy się znajomą maleńką szczeliną w skądinąd zdrowo wyglądającym włóknie.

W przypadku lamp zasilanych prądem stałym na powierzchni żarnika powstają przypadkowe nieregularności schodków, które mogą skrócić żywotność o połowę w porównaniu z działaniem prądu przemiennego; w celu przeciwdziałania temu efektowi można stosować różne stopy wolframu i renu .

Ponieważ żarnik pękający w żarówce wypełnionej gazem może utworzyć łuk elektryczny , który może rozprzestrzeniać się między zaciskami i pobierać bardzo duży prąd, celowo cienkie przewody lub bardziej skomplikowane urządzenia zabezpieczające są często używane jako bezpieczniki wbudowane w żarówkę. . W lampach o wyższym napięciu stosuje się więcej azotu, aby zmniejszyć możliwość wyładowania łukowego.

Czernienie żarówki

W konwencjonalnej lampie odparowany wolfram ostatecznie kondensuje na wewnętrznej powierzchni szklanej bańki, zaciemniając ją. W przypadku żarówek zawierających próżnię ciemnienie jest jednolite na całej powierzchni koperty. Gdy stosuje się wypełnienie gazem obojętnym, odparowany wolfram jest przenoszony w prądach konwekcyjnych gazu i osadza się korzystnie na najwyższej części bańki, zaczerniając tylko tę część bańki. Żarówka, która daje 93% lub mniej początkowego strumienia świetlnego przy 75% swojej znamionowej żywotności, jest uważana za niezadowalającą, gdy jest testowana zgodnie z publikacją IEC 60064. Utrata światła jest spowodowana parowaniem żarnika i czernieniem żarówki. Badanie problemu czernienia żarówki doprowadziło do odkrycia efektu Edisona, emisji termionowej i wynalezienia lampy próżniowej .

Bardzo mała ilość pary wodnej wewnątrz żarówki może znacznie zwiększyć przyciemnienie lampy. Para wodna dysocjuje na wodór i tlen w gorącym włóknie. Tlen atakuje metal wolframowy, a powstałe cząsteczki tlenku wolframu wędrują do chłodniejszych części lampy. Wodór z pary wodnej redukuje tlenek, przekształcając parę wodną i kontynuując ten obieg wody . Równoważnik kropli wody rozprowadzony na 500 000 lamp znacznie zwiększy zaciemnienie. Niewielkie ilości substancji, takich jak cyrkon, są umieszczane w lampie jako getter, który reaguje z tlenem, który może wypiec elementy lampy podczas pracy.

Niektóre stare lampy o dużej mocy używane w teatrach, projekcjach, reflektorach i latarniach morskich z ciężkimi, wytrzymałymi włóknami zawierały w kopercie luźny proszek wolframowy. Od czasu do czasu operator wyjmował żarówkę i potrząsał nią, pozwalając proszkowi wolframowemu zetrzeć większość wolframu, który skondensował się we wnętrzu koperty, usuwając zaczernienie i ponownie rozjaśniając lampę.

Lampy halogenowe

Zbliżenie żarnika wolframowego wewnątrz lampy halogenowej . Dwie struktury w kształcie pierścienia po lewej i prawej stronie są podporami włókien.

Lampa halogenowa zmniejsza nierównomierne odparowanie włókna i eliminuje ciemnienie kopercie wypełnienia lampy z halogenu gazu pod niskim ciśnieniem, razem z gazem obojętnym. Cykl chlorowca zwiększa żywotność główki i zapobiega jego ciemnienie przez redepositing wolfram od wewnątrz tylnej żarówki na włókna. Żarówka halogenowa może pracować ze swoim żarnikiem w wyższej temperaturze niż standardowa lampa wypełniona gazem o podobnej mocy bez utraty żywotności. Takie żarówki są znacznie mniejsze niż zwykłe żarówki i są szeroko stosowane tam, gdzie potrzebne jest intensywne oświetlenie na ograniczonej przestrzeni. Jednym z typowych zastosowań są lampy światłowodowe do mikroskopii optycznej .

Żarowe lampy łukowe

Odmiana lampy żarowej nie wykorzystywała żarnika z gorącym drutem, ale zamiast tego wykorzystywała łuk zajarzony na elektrodzie kulistej w celu wytworzenia ciepła. Elektroda następnie żarzyła się, a łuk w niewielkim stopniu przyczyniał się do wytwarzanego światła. Takie lampy były używane do projekcji lub oświetlenia instrumentów naukowych, takich jak mikroskopy . Te lampy łukowe działały przy stosunkowo niskim napięciu i zawierały włókna wolframowe, aby rozpocząć jonizację w powłoce. Zapewniały intensywne, skoncentrowane światło lampy łukowej, ale były łatwiejsze w obsłudze. Opracowane około 1915 roku, lampy te zostały zastąpione przez lampy rtęciowe i ksenonowe .

Parametry elektryczne

Porównanie skuteczności według mocy
Lampy 120-woltowe Lampy 230 V
Moc (W) Moc ( lm ) Skuteczność (lm/W) Moc ( lm ) Skuteczność (lm/W)
5 25 5
15 110 7,3
25 200 8,0 230 9,2
40 500 12,5 430 10,8
60 850 14,2 730 12.2
75 1200 16,0
100 1700 17,0 1380 13,8
150 2850 19,0 2220 14,8
200 3900 19,5 3150 15,8
300 6200 20,7 5000 16,7
500 8400 16,8

Moc

Lampy żarowe są prawie czystymi obciążeniami rezystancyjnymi o współczynniku mocy 1. W przeciwieństwie do lamp wyładowczych lub lamp LED, pobierana moc jest równa mocy pozornej w obwodzie. Żarówki żarowe są zwykle sprzedawane w zależności od zużycia energii elektrycznej . Zależy to głównie od rezystancji eksploatacyjnej żarnika. W przypadku dwóch żarówek o tym samym napięciu i typie żarówka o większej mocy daje więcej światła.

Tabela pokazuje przybliżoną typową moc wyrażoną w lumenach standardowych żarówek 120 V o różnych mocach. Moc świetlna podobnych żarówek 230 V jest nieco mniejsza. Włókno o niższym natężeniu (o wyższym napięciu) jest cieńsze i musi być eksploatowane w nieco niższej temperaturze, aby uzyskać taką samą oczekiwaną żywotność, co zmniejsza wydajność energetyczną. Wartości lumenów dla żarówek „miękkich białych” będą generalnie nieco niższe niż dla żarówek przezroczystych o tej samej mocy.

Prąd i rezystancja

Rezystancja żarnika jest zależna od temperatury. Odporność na zimno lamp z żarnikiem wolframowym wynosi około 1/15 oporu podczas pracy. Na przykład 100-watowa, 120-woltowa lampa ma rezystancję 144 omów, gdy jest zapalona, ​​ale rezystancja na zimno jest znacznie niższa (około 9,5 omów). Ponieważ lampy żarowe są obciążeniami rezystancyjnymi, proste ściemniacze TRIAC ze sterowaniem fazowym mogą być używane do sterowania jasnością. Styki elektryczne mogą być oznaczone symbolem „T” wskazującym, że są przeznaczone do sterowania obwodami o wysokim prądzie rozruchowym charakterystycznym dla lamp wolframowych. Dla 100-watowej, 120-woltowej lampy ogólnego zastosowania prąd stabilizuje się po około 0,10 sekundy, a lampa osiąga 90% swojej pełnej jasności po około 0,13 sekundy.

Charakterystyka fizyczna

Bezpieczeństwo

Włókno w żarówce wolframowej nie jest łatwe do złamania, gdy żarówka jest zimna, ale żarniki są bardziej podatne na uszkodzenia, gdy są gorące, ponieważ rozżarzony metal jest mniej sztywny. Uderzenie w zewnętrzną część żarówki może spowodować pęknięcie żarnika lub skok prądu elektrycznego, który spowoduje stopienie lub odparowanie jego części. W większości nowoczesnych żarówek część drutu wewnątrz żarówki działa jak bezpiecznik : jeśli pęknięty żarnik spowoduje zwarcie elektryczne wewnątrz żarówki, topialny odcinek drutu stopi się i odetnie prąd, aby zapobiec uszkodzeniu przewodów zasilających.

Gorąca szklana bańka może pęknąć w kontakcie z zimnymi przedmiotami. Kiedy bańka szklana pęka, żarówka imploduje , wystawiając żarnik na działanie otaczającego powietrza. Powietrze zwykle niszczy wtedy gorące włókno poprzez utlenianie .

Kształty żarówek

Żarówki żarowe są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach.

Oznaczenia kształtu i rozmiaru żarówki podane są w normach krajowych. Niektóre oznaczenia to jedna lub więcej liter, po których następuje jedna lub więcej cyfr, np. A55 lub PAR38, gdzie litery określają kształt, a cyfry pewien charakterystyczny rozmiar.

Normy krajowe, takie jak ANSI C79.1-2002, IS 14897:2000 i JIS C 7710:1988 obejmują wspólną terminologię dotyczącą kształtów żarówek.

Przykłady
Opis SI Cal Detale
Żarówka „standardowa” A60 E26 A19 E26 60 mm (~⌀19/8 cala) żarówka serii A , ⌀26 mm śruba Edisona
Żarówka z płomieniem świecy CA35 E12 CA11 E12 ⌀35 mm (~⌀11/8 cala) kształt płomienia świecy, ⌀śruba Edisona 12 mm
Światło powodziowe BR95 E26 BR30 E26 ⌀Reflektor powodziowy 95 mm (~⌀30/8 cala), ⌀śruba Edisona 26 mm
Żarówka halogenowa do szynoprzewodów MR50 GU5.3 MR16 GU5.3 ⌀50 mm (~ ⌀16 / 8 cala) różnorodny reflektor , 5,33 mm, rozmieszczonych 12V złącze dwa stykowe

Wspólne kody kształtów

Usługi ogólne
Światło emitowane we (prawie) wszystkich kierunkach. Dostępne w wersji przezroczystej lub matowej.
Rodzaje: ogólne (A), grzybowe, eliptyczne (E), znakowe (S), rurowe (T)
Rozmiary 120 V: A17, 19 i 21
Rozmiary 230 V: A55 i 60
Usługi ogólne o wysokiej mocy
Lampy większe niż 200 watów.
Rodzaje: W kształcie gruszki (PS)
Dekoracyjny
lampy stosowane w żyrandolach itp. Mniejsze żarówki wielkości świecy mogą mieć mniejszą oprawkę.
Rodzaje: świeca (B), skręcana świeca, zginana świeca (CA i BA), płomień (F), kula (G), latarnia kominowa (H), fantazyjna kula (P)
Rozmiary 230 V: P45, G95
Odbłyśnik (R)
Odblaskowa powłoka wewnątrz żarówki kieruje światło do przodu. Typy powodziowe (FL) rozprzestrzeniają światło. Typy punktowe (SP) skupiają światło. Żarówki reflektorowe (R) emitują w przybliżeniu dwa razy więcej światła (stopoświece) na przednim środkowym obszarze niż w przypadku usług ogólnych (A) o tej samej mocy.
Typy: odbłyśnik standardowy (R), odbłyśnik wypukły (BR), odbłyśnik eliptyczny (ER), posrebrzany koronowo
Rozmiary 120 V: R16, 20, 25 i 30
Rozmiary 230 V: R50, 63, 80 i 95
Aluminiowy odbłyśnik paraboliczny (PAR)
Aluminiowe żarówki reflektorowe paraboliczne (PAR) precyzyjniej kontrolują światło. Wytwarzają około czterokrotnie większe natężenie światła skoncentrowanego w porównaniu z usługami ogólnymi (A) i są stosowane w oświetleniu wpuszczanym i szynowym. Obudowy odporne na warunki atmosferyczne są dostępne dla opraw zewnętrznych i przeciwpowodziowych.
Rozmiary 120 V: PAR 16, 20, 30, 38, 56 i 64
Wielkości 230 V: PAR 16, 20, 30, 38, 56 i 64
Dostępny w wielu rozstawach wiązek punktowych i przeciwpowodziowych. Jak wszystkie żarówki, liczba reprezentuje średnicę żarówki w 18 cala. Dlatego PAR 16 ma średnicę 51 mm (2 cale), PAR 20 ma średnicę 64 mm (2,5 cala), PAR 30 ma 95 mm (3,75 cala), a PAR 38 ma średnicę 121 mm (4,75 cala) .
Pakiet czterech 60-watowych żarówek
Odbłyśnik wielopłaszczyznowy (MR)
Wielopłaszczyznowe żarówki reflektorowe są zwykle mniejsze i działają przy niższym napięciu, często 12 V.
Od lewej do prawej: MR16 z podstawą GU10, MR16 z podstawą GU5.3, MR11 z podstawą GU4 lub GZ4
HIR/IRC
„HIR” to oznaczenie GE dla lampy z powłoką odbijającą podczerwień. Ponieważ ucieka mniej ciepła, żarnik pali się goręcej i wydajniej. Oznaczenie Osram dla podobnej powłoki to „IRC”.

Podstawy lamp

40-watowe żarówki ze standardową podstawą śrubową E10, E14 i E27 Edisona
Dwustykowa nasadka bagnetowa na żarówce żarowej

Duże lampy mogą mieć podstawę śrubową lub podstawę bagnetową , z jednym lub kilkoma stykami na podstawie. Powłoka może służyć jako styk elektryczny lub tylko jako podpora mechaniczna. Lampy z podstawą bagnetową są często stosowane w lampach samochodowych, aby przeciwdziałać luzowaniu się pod wpływem wibracji. Niektóre lampy rurowe mają na obu końcach styk elektryczny. Lampy miniaturowe mogą mieć podstawę klinową i styki przewodowe, a niektóre lampy samochodowe i specjalne mają zaciski śrubowe do podłączenia przewodów. Bardzo małe lampy mogą mieć przewody podtrzymujące żarnik wyprowadzone przez podstawę lampy w celu podłączenia. Bipin podstawa jest często stosowany dla fluorowców i reflektorowych lamp.

Pod koniec XIX wieku producenci wprowadzili wiele niekompatybilnych podstaw lamp. Standardowe rozmiary bazowe General ElectricMazda ” zostały wkrótce przyjęte w Stanach Zjednoczonych.

Podstawy lamp mogą być mocowane do bańki za pomocą cementu lub poprzez mechaniczne zaciskanie do nacięć wytłoczonych w bańce szklanej.

Lampy przeznaczone do stosowania w układach optycznych mają podstawy z funkcjami wyrównania, dzięki czemu żarnik jest dokładnie umieszczony w układzie optycznym. Lampa z podstawą śrubową może mieć losową orientację żarnika, gdy lampa jest zainstalowana w gnieździe.

Styki w gnieździe żarówki umożliwiają przepływ prądu elektrycznego przez podstawę do żarnika. Gniazdo zapewnia połączenia elektryczne i wsparcie mechaniczne oraz umożliwia wymianę lampy po jej przepaleniu.

Moc światła i żywotność

Lampy żarowe są bardzo wrażliwe na zmiany napięcia zasilania. Te cechy mają duże znaczenie praktyczne i ekonomiczne.

Dla napięcia zasilania V zbliżonego do napięcia znamionowego lampy:

  • Moc światła jest w przybliżeniu proporcjonalna do V 3,4
  • Pobór mocy jest w przybliżeniu proporcjonalny do V 1,6
  • Żywotność jest w przybliżeniu proporcjonalna do V -16
  • Temperatura barwowa jest w przybliżeniu proporcjonalna do V 0,42

Zmniejszenie napięcia o 5% podwoi żywotność żarówki, ale zmniejszy jej moc świetlną o około 16%. Żarówki o długiej żywotności wykorzystują ten kompromis w zastosowaniach takich jak lampy sygnalizacyjne. Ponieważ zużywają energię elektryczną, kosztują więcej niż koszt żarówki, ogólne lampy serwisowe podkreślają wydajność w długim okresie eksploatacji. Celem jest zminimalizowanie kosztu światła, a nie kosztu lamp. Wczesne żarówki miały żywotność do 2500 godzin, ale w 1924 roku kartel Phoebus zgodził się ograniczyć żywotność do 1000 godzin. Kiedy ujawniono to w 1953 roku, General Electric i innym czołowym amerykańskim producentom zabroniono ograniczania życia.

Powyższe zależności są ważne tylko dla kilku procentowych zmian napięcia w standardowych warunkach znamionowych, ale wskazują, że lampa pracująca przy niskim napięciu może działać znacznie dłużej niż przy napięciu znamionowym, aczkolwiek ze znacznie zmniejszoną mocą świetlną. „ Światło Stulecia ” to żarówka, która została uznana w Księdze Rekordów Guinnessa jako paląca się prawie nieprzerwanie w remizie strażackiej w Livermore w Kalifornii od 1901 roku. Jednak żarówka emituje światło odpowiadające czterowatowej żarówce . Podobną historię można opowiedzieć o 40-watowej żarówce w Teksasie, która została oświetlona od 21 września 1908 roku. Kiedyś znajdowała się w operze, gdzie sławne osobistości przestały napawać się jej blaskiem, a w 1977 roku zostały przeniesione do muzeum.

Lampy Photoflood stosowane w oświetleniu fotograficznym faworyzują strumień świetlny przez całe życie, a niektóre trwają tylko dwie godziny. Górna granica temperatury dla żarnika to temperatura topnienia metalu. Wolfram jest metalem o najwyższej temperaturze topnienia, 3695 K (3422 ° C; 6191 ° F). Na przykład żarówka projekcyjna o żywotności 50 godzin jest zaprojektowana do pracy tylko o 50°C (122°F) poniżej tej temperatury topnienia. Taka lampa może osiągnąć do 22 lumenów na wat, w porównaniu z 17,5 lumenów dla 750-godzinnej lampy ogólnego użytku.

Lampy o tej samej mocy, ale zaprojektowane na różne napięcia, mają różną skuteczność świetlną. Na przykład lampa 100-watowa, 1000 godzin, 120-woltowa wytworzy około 17,1 lumenów na wat. Podobna lampa zaprojektowana na 230 V dałaby tylko około 12,8 lumenów na wat, a zaprojektowana na 30 woltów (oświetlenie pociągu) aż 19,8 lumenów na wat. Lampy o niższym napięciu mają grubszy żarnik, przy tej samej mocy znamionowej. Mogą być cieplejsze przez taki sam czas życia, zanim żarnik wyparuje.

Przewody użyte do podparcia filamentu wzmacniają go mechanicznie, ale usuwają ciepło, tworząc kolejny kompromis między wydajnością a długą żywotnością. Wiele 120-woltowych lamp ogólnego użytku nie używa dodatkowych przewodów podtrzymujących, ale lampy przeznaczone do „ szorstkiej obsługi ” lub „serwisu wibracyjnego” mogą mieć nawet pięć. Lampy niskonapięciowe mają żarniki wykonane z cięższego drutu i nie wymagają dodatkowych przewodów podtrzymujących.

Bardzo niskie napięcia są nieefektywne, ponieważ przewody ołowiowe odprowadzałyby zbyt dużo ciepła z żarnika, więc praktyczna dolna granica dla żarówek wynosi 1,5 wolta. Bardzo długie żarniki do wysokich napięć są kruche, a podstawy lamp stają się trudniejsze do zaizolowania, dlatego lampy do oświetlenia nie są produkowane z napięciem znamionowym powyżej 300 woltów. Niektóre elementy grzejne na podczerwień są przystosowane do wyższych napięć, ale wykorzystują żarówki rurkowe z szeroko odseparowanymi końcówkami.

Zobacz też

Notatki wyjaśniające

Bibliografia

Zewnętrzne linki