Descripción y principio de funcionamiento de la bombilla.
¿Qué es una lámpara incandescente?
Una lámpara incandescente, en lo sucesivo denominada LN, es una fuente de luz artificial, en la que el flujo luminoso se obtiene calentando un delgado filamento metálico a la temperatura de la incandescencia de un metal al rojo vivo. Para calentar, se hace pasar una corriente eléctrica a través del filamento. Las primeras lámparas tenían un filamento de materia orgánica carbonizada, como el bambú, en forma de fibra.
Para evitar que el hilo se quemara rápidamente, se extrajo aire del matraz y se selló. O llenaron el matraz con una composición de gas en la que no hay agente oxidante: oxígeno. Dichos gases se denominan inertes: argón, neón, helio, nitrógeno, etc. Estos gases se denominan así porque no reaccionan con los metales, es decir. inerte.
Primeras lámparas con un filamento de carbono tenía un recurso de trabajo de no más de una docena de horas. Se incrementó significativamente después de la sustitución del filamento de carbono por alambre de metal delgado.
Tal luz se llamó luz incandescente, es decir, luz de metal caliente. Y el hilo se llamaba filamento. Por ejemplo, el acero calentado a 1200 °C brilla de color blanco amarillento, mientras que a 1300 °C brilla casi de color blanco.
A fines del siglo XIX, el hilo de carbono, que se quemaba rápidamente, fue reemplazado por metales refractarios: tungsteno, molibdeno, osmio u óxidos metálicos: circonio, magnesio, itrio, etc.
Al llenar el matraz con gases inertes, se redujo la velocidad de evaporación del metal del filamento caliente y, por lo tanto, se aumentó la duración de su operación.
A alta potencia, los filamentos se fabrican en forma "ramificada". Las fuentes de luz de proyección para crear un flujo direccional tienen un hilo de configuración compleja, formando una estructura plana perpendicular al eje de radiación. En este caso, se coloca un reflector de luz dentro de la bombilla, por ejemplo, en forma de una capa delgada de metal rociado: plata o aluminio.
Para alimentar la lámpara directamente de la red eléctrica que existía en ese momento, que tenía un voltaje constante de 110 V, se necesitaba un hilo de metal largo y delgado. Esto proporcionó una mayor resistencia, lo que significa que se requirió menos corriente para calentar.
Para un "empaque" denso en un pequeño volumen de un matraz de vidrio transparente, el hilo se dobló repetidamente y se colocó en soportes de alambre.
Tal flexión del hilo complicó el diseño de las primeras fuentes de luz, que funcionaron mucho más tiempo que las de "carbón". Un gran avance en el desarrollo del diseño de bombillas incandescentes fue la propuesta de torcer el hilo en espiral. Esto redujo su tamaño varias veces.
Se obtuvo un tamaño aún más pequeño del cuerpo incandescente doblando una espiral delgada en una segunda espiral, pero de mayor diámetro. La doble hélice se llama bi-hélice.
La siguiente etapa en el desarrollo de fuentes de luz fue la transición a redes de CA y el uso de un transformador para reducir el voltaje de suministro de las lámparas.
Las partes principales de una lámpara incandescente.
Los principales elementos estructurales de una lámpara incandescente incluyen:
- filamento o cuerpo de filamento;
- accesorios para sujetar el hilo;
- un matraz para proteger el hilo de la combustión rápida y las influencias externas;
- base para instalación en cartucho y conexión a red;
- contactos de zócalo: un cuerpo roscado y un contacto central en la parte inferior del zócalo.
La armadura está diseñada para sujetar el hilo y crear la configuración y dirección requeridas del flujo de luz.
La base es necesaria para la fijación en el cartucho de montaje y la conexión al matraz. En lámparas retrofit, análogos de lámparas incandescentes, una parte del dispositivo de alimentación se coloca en la base.
pedestal
Sobre el lámparas incandescentes halógenas, según la tensión de alimentación, la potencia y el diseño del matraz, se instalan varios tipos de zócalos: roscados, pin, bayoneta, pin, etc.
El sistema de contactos de los zócalos es necesario para la conexión a la red o fuente de alimentación.
Matraz
El matraz transparente LN se utiliza para:
- protección del hilo de la atmósfera externa que contiene un agente oxidante: oxígeno;
- crear y mantener una composición de vacío o gas;
- colocando fósforo y/o revestimientos que convierten diferentes tipos de energía electromagnética en radiación visible, devolviendo calor al filamento, convirtiendo la radiación UV e IR invisible en luz, corrigiendo el tono del brillo de la lámpara: rojo, verde, azul.
cuerpo incandescente
El cuerpo incandescente es un hilo enrollado en espiral o bi-espiral o una delgada cinta de metal.
Medio gaseoso
Gases inertes que llenan el bulbo de una lámpara, por ejemplo, nitrógeno, argón, neón, helio. En una mezcla de gases inertes, se agregan sustancias halógenas.
Cómo funciona LN y cómo funciona
El dispositivo de la bombilla incandescente ha cambiado poco durante su desarrollo. El elemento principal que opera según el principio del brillo de una sustancia incandescente es un filamento o un cuerpo incandescente. Este es un alambre delgado de tungsteno con un diámetro de 30-40, máximo 50 micrones o micrómetros (millonésimas de metro).
Los colores incandescentes parten del rojo y conforme aumenta la temperatura pasan del naranja, amarillo al blanco. Con un aumento adicional de la temperatura, el metal del cuerpo incandescente primero se derrite y luego, en presencia de oxígeno, se quema.
Video Tutorial: Cómo Funcionan las Bombillas Modernas
El filamento de tungsteno frío tiene baja resistividad. El tungsteno, como la mayoría de los metales, tiene un coeficiente de temperatura positivo de resistencia TCR.Esto significa que en el proceso de calentamiento del filamento con corriente eléctrica, su resistencia aumenta.
Antes de encender la lámpara, el filamento está frío y tiene poca resistencia. Por tanto, en el momento del encendido se suministra una corriente 10-15 veces superior a la nominal. Este salto se llama partida. Y a menudo él es causa de agotamiento cuerpos incandescentes.
Se tarda una fracción de segundo en calentar el hilo. Durante este tiempo, su resistencia aumenta. Inicialmente, una gran corriente que pasa a través de la lámpara, a medida que el gas, la bombilla y todos los elementos estructurales se calientan, disminuye al valor nominal. Entonces, la fuente de luz ingresa al modo especificado y produce un flujo luminoso de pasaporte. El tono del brillo también se vuelve nominal, es decir, correspondiente a una temperatura de color de 2000 a 3500 K. Se denomina blanco cálido y tiene varias gradaciones de temperatura de color con nombres originales y abreviaturas en el rango especificado. Por ejemplo:
- blanco súper cálido - 2200-2400 K, designado S-Warm o S-W, también es blanco muy cálido o Warm 2400;
- cálido - 2600-2800 K o cálido 2700;
- blanco cálido - 2700-3500 K o blanco cálido (WW);
- otro tibio es 2900-3100 K o Tibio 3000 (W).
Temperatura de los elementos individuales de la lámpara
La superficie exterior de la bombilla LON depende de la potencia de la lámpara y se puede calentar hasta 250-300 ℃ o más.
El hilo se calienta hasta 2000-2800 ℃, en el punto de fusión del tungsteno 3410 °C.
En algunos diseños, el filamento está hecho de osmio con un punto de fusión de 3045 ℃ o renio - 2174. Por lo tanto, el espectro de emisión del LN se desplaza a la zona roja del espectro visible.
¿Qué gas hay en la bombilla?
En las primeras lámparas, el aire se bombeaba fuera del matraz.Ahora solo se evacuan las bombillas de bajo consumo, no más de 25 vatios (se bombea el aire).
Durante la operación de un alambre de tungsteno calentado a 2-3 mil grados, el metal se evapora intensamente de su superficie. Sus vapores se depositan en el interior de la bombilla y reducen su transmisión de luz.
Estudios realizados a principios del siglo pasado demostraron que si el matraz se llena con un gas inerte, la evaporación disminuirá y la salida de luz aumentará. Por lo tanto, los matraces comenzaron a llenarse con uno de los gases inertes o su mezcla. En la mayoría de los casos, estos son argón, nitrógeno, xenón, criptón, helio, etc. El helio se usa para el enfriamiento pasivo efectivo de los elementos internos de un nuevo tipo de lámparas LED retrofit.
Este experimento no se recomienda estrictamente para llevar a cabo en casa.
Su principal elemento emisor de luz es una varilla delgada hecha de zafiro o vidrio artificial, en la que se encuentran los cristales LED. Tal emisor se llama filamento. Algunos "expertos" confundieron la esencia lámparas de filamento y las llamó "lámparas con emisores de luz de zafiro". Aunque el zafiro artificial en estas lámparas se usa solo como base de montaje y disipador de calor pasivo para cristales LED.
La falla del LN en la mayoría de los casos no está asociada con la evaporación del metal de la superficie del cuerpo incandescente, sino con la aceleración de este proceso en las zonas de violación del espesor del filamento. Esto ocurre en la zona de una fuerte inflexión del alambre o su fractura. En este lugar aumenta localmente su resistencia, aumenta el voltaje, la disipación de potencia y la temperatura del metal. La evaporación se acelera, se convierte en una avalancha, el hilo reduce rápidamente su espesor y se quema.
Este problema se resolvió a fines de la década de 1950 y principios de la de 1960 al comenzar la producción en masa de lámparas incandescentes halógenas.
Los halógenos (cloro, bromo, flúor o yodo) comenzaron a introducirse en la composición de un gas o mezcla inerte. Como resultado, el proceso de evaporación del metal se detiene por completo o se ralentiza significativamente. Los átomos de estos aditivos se unen al vapor de tungsteno, formando moléculas de compuestos inestables. Se asientan en la superficie del cuerpo incandescente. Bajo la acción de altas temperaturas, las moléculas se descomponen y liberan átomos de halógeno y metal puro, que se deposita en la superficie caliente del hilo y restaura parcialmente la capa evaporada.
Este proceso se intensifica al aumentar la presión. Esto aumenta la temperatura del filamento, la vida útil, la salida de luz, la eficiencia y otras características. El espectro de emisión se desplaza hacia el lado blanco. En las lámparas llenas de gas, el oscurecimiento de la superficie de la bombilla desde el interior por el vapor de tungsteno se ralentiza. Tales fuentes de luz se llaman halógeno.
Parámetros eléctricos
Las características eléctricas de las lámparas incandescentes incluyen:
- potencia eléctrica, medida en vatios - W, la gama de modelos fabricados - desde varios vatios (bombilla para una linterna - 1 W) hasta 500 e incluso 1000 W;
- el flujo luminoso, Lm (lumen), está relacionado con la potencia: de 20 Lm a 5 W a 2500 Lm a 200 W, a mayor potencia, el flujo de luz es mayor;
- eficiencia luminosa, eficiencia energética o eficiencia, Lm / W: cuántos lúmenes de luz en forma de flujo luminoso da cada vatio de energía consumido de la red o de una fuente de energía;
- intensidad luminosa o brillo, cd (candela);
- temperatura de color: la temperatura de un cuerpo negro condicional que emite luz con un cierto tono.
El propósito de la lámpara eléctrica.
Las lámparas eléctricas se pueden dividir en varios tipos según su aplicación: para uso público, técnico y especial.
El principal uso público es proporcionar a cualquier persona, animales y pájaros luz artificial por la noche o en un lugar oscuro de una habitación.
Usando la luz, las personas prolongan su actividad diaria durante varias horas. Pueden ser procesos de trabajo y estudio, tareas del hogar. Está mejorando la seguridad vial, la capacidad de brindar asistencia médica por la tarde y por la noche, y muchos otros.
Las lámparas se utilizan activamente en granjas ganaderas y avícolas, para el cultivo plantas en complejos de invernaderos. Se iluminan con luz de un determinado espectro y la magnitud del flujo luminoso. Para la cría de peces, también se necesita luz con una composición espectral especial.
propósito técnico. En la producción, con fines tecnológicos, se utilizan dispositivos que dan luz visible e invisible. Ejemplos:
- para un trabajo preciso e importante, una persona necesita un alto nivel de iluminación del lugar de trabajo;
- infrarrojos - la radiación infrarroja se utiliza en la industria, por ejemplo, para el calentamiento sin contacto de piezas estructurales o en tecnología climática para calentar a una persona que trabaja al aire libre con heladas, en equipos militares y de caza - visores nocturnos para armas, dispositivos de visión nocturna, etc. ;
- ultravioleta- la radiación se utiliza en odontología para el endurecimiento rápido de empastes, en la fabricación de dentaduras postizas, etc., en medicina y saneamiento - para desinfección de locales, herramientas, ropa, superficies de muebles, aire, agua, medicinas, etc.
Las lámparas para propósitos especiales se utilizan en publicidad iluminada en exteriores e interiores, criminalística, aviación y astronáutica, acompañamiento de luces en espectáculos y muchos otros.
Principales tipos y características
Los principales tipos de lámparas incandescentes son:
- Lámparas de uso general. Designado por la abreviatura LON. Por lo general, estos son dispositivos con una potencia de 25, 40, 60, 75 y 100 vatios. El más común - 60 vatios. Pero LON producido industrialmente con una capacidad de 150, 200, 500 e incluso 1000 vatios.
- Lámparas incandescentes halógenas. Producido para operar desde una red de alto voltaje de 220 o 110 V y desde una red de bajo voltaje. En este caso, son alimentados por un transformador reductor.
Variedades de halógeno de bajo voltaje LN:
- cápsula, tienen la forma de tubos de vidrio con diferentes zócalos - pasador final GY6.35 o G4;
- reflex, que tiene un elemento reflectante, con un diámetro de 35 a 111 mm, base GZ10 con opciones.
Alto voltaje. Tensión principal 220-230 V, 50 Hz. Estas lámparas tienen más opciones:
- lineal en forma de tubo de vidrio con zócalos R7S;
- cilíndrico - zócalos E27, E14 o B15D;
- con un matraz remoto o adicional.
En el último modelo, una cápsula o tubo de lámpara halógena de pequeño tamaño está rígidamente montada dentro de la lámpara. Está soldado a la varilla central de una bombilla LON convencional, tiene cables flexibles conectados a una base estándar Edison E27 o E14. Con un consumo de energía de 70-100 W, proporciona un flujo luminoso de 20-30% más que una lámpara incandescente convencional.
Estos modelos tienen una mayor eficiencia energética, alcanzando los 12-25 lm/W, mientras que los LON convencionales tienen un rendimiento lumínico de 3-4 a 10-12 lm/W.
La vida útil de los modelos halógenos varía de 4-5 a 10-12 mil horas.
Separación de lámparas por propósito y diseño.
lamparas decorativas
En los últimos años han aparecido lámparas retro que imitan a las Edison LN antiguas.
Además, imitan una "vela", "vela en el viento", "golpe", "pera", "bola", etc. en forma de bombilla.
reflejado
Las lámparas de espejo tienen una parte de la bombilla cubierta desde el interior con una capa reflectante. En la mayoría de los casos, se trata de una capa de metal: plata, aluminio, oro, etc. Esta capa puede ser delgada, translúcida o gruesa, opaca.
Las estructuras de espejo se utilizan en la producción para un calentamiento de procesos absolutamente limpio, por ejemplo, en la producción de semiconductores con la mayor pureza de materiales. En este caso, la desventaja de las lámparas incandescentes, un gran flujo de radiación infrarroja, se convierte en su ventaja insuperable.
Tales lámparas se utilizan en lámparas con un haz de luz giratorio estrecho.
Señal
Las lámparas de señales son fuentes de luz intermitente. Por lo general, en forma de balizas intermitentes, por ejemplo, en automóviles oficiales, aviones y helicópteros, para transmitir mensajes de luz en la flota, etc. Tienen un filamento delgado que proporciona un conjunto rápido de brillo.
Transporte
Este tipo de lámpara está diseñada para su uso en diferentes tipos de transporte: automóviles, ferrocarriles y subterráneos, embarcaciones fluviales y marítimas. El principal requisito para ellos es la resistencia a las vibraciones y los golpes. Para ello, el filamento se acorta y se monta sobre una pluralidad de elementos de soporte.Las bases de este tipo de lámparas son de bayoneta Swan, pin o sofito. No permiten que el dispositivo se salga y se caiga del cartucho.
Luces
Por el nombre, está claro que las lámparas se utilizan para la iluminación. Por lo tanto, sus frascos están hechos de vidrio de diferentes colores: azul, verde, amarillo, rojo, etc.
doble cadena
El esquema de una lámpara incandescente de este tipo: en una bombilla hay dos filamentos incandescentes separados. Por ejemplo, en un faro de automóvil, una lámpara de dos filamentos se usa así:
- cuando se aplica voltaje a un hilo, se enciende la luz de cruce: el flujo de luz se "presiona" contra el lecho de la carretera y el haz se extiende varias decenas de metros;
- después de cambiar al segundo hilo, la luz se eleva y su alcance puede alcanzar cientos de metros, y el flujo será mucho mayor.
Tales lámparas pueden estar en la luz trasera. El primer hilo es para luces laterales, el segundo es para una luz de freno.
En los semáforos, las lámparas de doble filamento aumentan su fiabilidad. La duplicación permite que el dispositivo funcione con un hilo o encienda un segundo después de que el primero se haya quemado. Y, por ejemplo, en los ferrocarriles, la fiabilidad de la señalización es garantía de seguridad en el transporte.
Propósito general, local
Fila superior, de izquierda a derecha, una lámpara con una base E14, para candelabros, apliques y lámparas de tamaño pequeño; con base E27 - propósito general; verde, rojo, amarillo - esclarecedor.
Fila inferior: azul - propósito médico para procedimientos; un espejo con reflector - para trabajos fotográficos o iluminación especial, con cristal violeta, dos exteriores - decorativos con bombilla “vela” y casquillos E27 y E14.
Pros y contras
Ventajas de las lámparas incandescentes:
- bajo precio: los materiales, el diseño y la tecnología simples y económicos se han elaborado durante décadas, producción automatizada en masa;
- tamaño relativamente pequeño;
- las sobretensiones en la red no provocan una falla inmediata;
- puesta en marcha, así como reinicio - instantáneo;
- cuando se alimenta con corriente alterna con una frecuencia de 50-60 Hz, las pulsaciones de brillo apenas se notan;
- el brillo del resplandor está regulado por atenuadores;
- el espectro de radiación es continuo y familiar para el ojo, similar al sol;
- repetibilidad casi completa de las características de las lámparas de diferentes fabricantes;
- el índice de reproducción cromática Ra o CRI, la calidad de reproducción de los tonos de color de los objetos iluminados, es 100, que es totalmente consistente con el indicador solar;
- las pequeñas dimensiones del filamento compacto dan sombras claras;
- alta confiabilidad en condiciones de heladas severas y calor;
- el diseño permite la producción en masa de modelos con voltajes de operación desde fracciones hasta cientos de voltios;
- fuente de alimentación de tensión alterna o continua en ausencia de dispositivos de arranque;
- el carácter activo de la resistencia del filamento proporciona un factor de potencia (coseno φ) igual a 1;
- indiferente a la radiación, impulso electromagnético, interferencia;
- prácticamente no hay componente UV en la radiación;
- se proporciona trabajo regular con encendido/apagado frecuente de la luz y muchos otros.
Las desventajas incluyen:
- vida útil nominal de LON - 1000 horas, para lámparas incandescentes halógenas - de 3 a 5-6 mil, para luminiscente - hasta 10-50 mil, para LED - 30-150 mil horas o más;
- el cristal de la bombilla y el fino filamento son sensibles a los golpes, las vibraciones pueden provocar resonancias a determinadas frecuencias;
- alta dependencia de la eficiencia energética y la vida útil de la tensión de alimentación;
- La eficiencia de convertir la electricidad en luz visible no supera el 3-4%, pero aumenta con el aumento de la potencia;
- la temperatura superficial del matraz depende de la potencia y es: para 100 W - 290 °C, para 200 W - 330 °C, 25 W - 100 °C;
- cuando se enciende, el aumento de corriente antes de que el filamento se caliente puede ser diez veces mayor que el valor nominal;
- Los portalámparas y los accesorios de los artefactos deben ser resistentes al calor.
Cómo aumentar la vida útil de la lámpara
Hay muchas maneras de aumentar la vida útil. Más usado:
- limitar la corriente de arranque activando un termistor en serie con la lámpara, cuya alta resistencia disminuye a medida que es calentada por la corriente de arranque;
- arranque suave con control de brillo manual por tiristor o dimmer triac;
- potencia de la lámpara a través de un potente diodo rectificador, es decir mitades de voltaje rectificado de la sinusoide;
- conexión en serie de lámparas en pares en luminarias de lámparas múltiples, por ejemplo, en candelabros.
La industria moderna produce una gran cantidad de diferentes tipos de lámparas incandescentes con una amplia gama de voltajes y potencias de funcionamiento, con diferentes tonos de brillo, configuraciones de bombillas y casquillos. Este rango permite elegir la lámpara adecuada para cualquier uso.