Description et principe de fonctionnement de l'ampoule
Qu'est-ce qu'une lampe à incandescence
Une lampe à incandescence, ci-après dénommée LN, est une source de lumière artificielle, dans laquelle le flux lumineux est obtenu en chauffant un mince filament métallique à la température de la lueur d'un métal incandescent. Pour le chauffage, un courant électrique traverse le filament. Les premières lampes avaient un filament de matière organique carbonisée, comme le bambou, sous la forme d'une fibre.
Pour éviter que le fil ne brûle rapidement, l'air a été pompé hors du flacon et scellé. Ou ils ont rempli le ballon avec une composition gazeuse dans laquelle il n'y a pas d'agent oxydant - l'oxygène. Ces gaz sont appelés inertes - argon, néon, hélium, azote, etc. Ces gaz sont nommés ainsi car ils ne réagissent pas avec les métaux, c'est-à-dire inerte.
Premières lampes avec un filament de carbone avait une ressource de travail ne dépassant pas une douzaine d'heures. Il a été considérablement augmenté après le remplacement du filament de carbone par un fil métallique fin.
Une telle lumière était appelée lumière incandescente, c'est-à-dire lumière en métal chaud. Et le fil s'appelait le filament. Par exemple, l'acier chauffé à 1200°C brille en jaune-blanc, alors qu'à 1300°C il brille presque en blanc.
A la fin du XIXe siècle, le fil de carbone, rapidement brûlé, est remplacé par des métaux réfractaires - tungstène, molybdène, osmium ou oxydes métalliques - zirconium, magnésium, yttrium, etc.
En remplissant le ballon de gaz inertes, la vitesse d'évaporation du métal du filament chaud a été réduite et, par conséquent, la durée de son fonctionnement a été augmentée.
A haute puissance, les filaments sont réalisés sous une forme "ramifiée". Les sources lumineuses à projection pour créer un flux directionnel ont un fil de configuration complexe, formant une structure plate perpendiculaire à l'axe de rayonnement. Dans ce cas, un réflecteur de lumière est placé à l'intérieur de l'ampoule, par exemple sous la forme d'une fine couche de métal pulvérisé - argent ou aluminium.
Pour alimenter la lampe directement à partir du secteur qui existait à l'époque, qui avait une tension constante de 110 V, un fil métallique long et fin était nécessaire. Cela a fourni une résistance accrue, ce qui signifie que moins de courant était nécessaire pour le chauffage.
Pour un «emballage» dense dans un petit volume d'un flacon en verre transparent, le fil a été plié à plusieurs reprises et placé sur des supports de fil.
Une telle courbure du fil a compliqué la conception des premières sources lumineuses, qui ont fonctionné beaucoup plus longtemps que celles "au charbon". Une percée dans le développement de la conception des ampoules à incandescence a été la proposition de tordre le fil en spirale. Cela a réduit sa taille de plusieurs fois.
Une taille encore plus petite du corps incandescent a été obtenue en repliant une fine spirale en une seconde spirale, mais de plus grand diamètre. La double hélice s'appelle la bi-hélice.
L'étape suivante dans le développement des sources lumineuses a été la transition vers les réseaux à courant alternatif et l'utilisation d'un transformateur pour réduire la tension d'alimentation des lampes.
Les principales parties d'une lampe à incandescence
Les principaux éléments structurels d'une lampe à incandescence comprennent :
- filament ou corps de filament ;
- raccords pour fixer le fil;
- un flacon pour protéger le fil de la combustion rapide et des influences extérieures;
- base pour installation dans une cartouche et connexion au secteur ;
- contacts de socle - un corps fileté et un contact central au bas du socle.
L'armature est conçue pour fixer le filetage et créer la configuration et la direction requises du flux lumineux.
La base est nécessaire pour la fixation dans la cartouche de montage et la connexion au flacon. Dans les lampes de rénovation, analogues des lampes à incandescence, une partie du dispositif d'alimentation est placée dans la base.
socle
Sur le lampes à incandescence halogènes, en fonction de la tension d'alimentation, de la puissance et de la conception du flacon, plusieurs types de socles sont installés - filetés, à broche, à baïonnette, à broche, etc.
Le système de contacts sur les socles est nécessaire pour se connecter au secteur ou à l'alimentation.
Ballon
Le flacon transparent LN est utilisé pour :
- protection du fil de l'atmosphère extérieure contenant un agent oxydant - oxygène;
- créer et maintenir un vide ou une composition gazeuse ;
- placer un luminophore et/ou des revêtements qui convertissent différents types d'énergie électromagnétique en rayonnement visible, renvoyant la chaleur au filament, convertissant le rayonnement UV et IR invisible en lumière, corrigeant l'ombre de la lueur de la lampe - rouge, vert, bleu.
Corps incandescent
Le corps incandescent est un fil enroulé en spirale ou bi-spirale ou un mince ruban métallique.
Milieu gazeux
Gaz inertes qui remplissent l'ampoule d'une lampe, par exemple, l'azote, l'argon, le néon, l'hélium. Dans un mélange de gaz inertes, des substances halogénées sont ajoutées.
Comment fonctionne LN et comment il fonctionne
Le dispositif de l'ampoule à incandescence a peu évolué au cours de son développement. L'élément principal fonctionnant sur le principe de la lueur d'une substance incandescente est un filament ou un corps incandescent. Il s'agit d'un fin fil de tungstène d'un diamètre de 30 à 40, maximum 50 microns ou micromètres (millionièmes de mètre).
Les couleurs incandescentes partent du rouge et à mesure que la température augmente, elles passent par l'orange, le jaune jusqu'au blanc. Avec une nouvelle augmentation de la température, le métal du corps incandescent fond d'abord, puis, en présence d'oxygène, brûle.
Tutoriel vidéo : Comment fonctionnent les ampoules modernes
Le filament de tungstène froid a une faible résistivité. Le tungstène, comme la plupart des métaux, a un coefficient de température positif de résistance TCR.Cela signifie qu'en chauffant le filament avec un courant électrique, sa résistance augmente.
Avant que la lampe ne soit allumée, le filament est froid et a peu de résistance. Par conséquent, au moment de la mise sous tension, un courant est fourni 10 à 15 fois plus que le courant nominal. Ce saut est appelé départ. Et souvent il est cause d'épuisement professionnel corps incandescents.
Il faut une fraction de seconde pour réchauffer le fil. Pendant ce temps, sa résistance augmente. Initialement, un courant important traversant la lampe, à mesure que le gaz, l'ampoule et tous les éléments structurels se réchauffent, diminue jusqu'à la valeur nominale. Ainsi, la source lumineuse entre dans le mode spécifié et produit un flux lumineux de passeport. La teinte de la lueur devient également nominale, c'est-à-dire correspondant à une température de couleur de 2000 à 3500 K. Il est appelé blanc chaud et possède plusieurs gradations de température de couleur avec des noms et abréviations originaux dans la plage spécifiée. Par exemple:
- blanc super chaud - 2200-2400 K, désigné S-Warm ou S-W, c'est aussi un blanc très chaud ou Warm 2400;
- chaud - 2600-2800 K ou chaud 2700 ;
- blanc chaud - 2700-3500 K ou blanc chaud (WW);
- un autre chaud est 2900-3100 K ou Warm 3000 (W).
Température des éléments individuels de la lampe
La surface extérieure de l'ampoule LON dépend de la puissance de la lampe et peut être chauffée jusqu'à 250-300℃ ou plus.
Le fil est chauffé jusqu'à 2000-2800℃, au point de fusion du tungstène 3410°C.
Dans certaines conceptions, le filament est en osmium avec un point de fusion de 3045 ℃ ou de rhénium - 2174. Ainsi, le spectre d'émission du LN est décalé vers la zone rouge du spectre visible.
Quel gaz est dans l'ampoule
Dans les premières lampes, l'air était pompé hors du ballon.Désormais, seules les ampoules de faible puissance, pas plus de 25 watts, sont évacuées (l'air est pompé).
Pendant le fonctionnement d'un fil de tungstène chauffé à 2-3 mille degrés, le métal s'évapore intensément de sa surface. Ses vapeurs se déposent à l'intérieur de l'ampoule et réduisent sa transmission lumineuse.
Des études menées au début du siècle dernier ont montré que si le ballon est rempli d'un gaz inerte, l'évaporation va diminuer et le rendement lumineux va augmenter. Par conséquent, les flacons ont commencé à être remplis avec l'un des gaz inertes ou leur mélange. Il s'agit le plus souvent d'argon, d'azote, de xénon, de krypton, d'hélium, etc. L'hélium est utilisé pour un refroidissement passif efficace des éléments internes d'un nouveau type de lampes LED retrofit.
Il est strictement déconseillé de réaliser cette expérience à la maison.
Leur principal élément émetteur de lumière est une fine tige en saphir artificiel ou en verre, sur laquelle se trouvent des cristaux LED. Un tel émetteur s'appelle un filament. Certains "experts" ont confondu l'essence lampes à incandescence et les appelait "lampes à émetteurs de lumière saphir". Bien que le saphir artificiel dans ces lampes ne soit utilisé que comme base de montage et dissipateur thermique passif pour les cristaux LED.
La défaillance du LN dans la plupart des cas n'est pas associée à l'évaporation du métal de la surface du corps incandescent, mais à l'accélération de ce processus dans les zones de violation de l'épaisseur du filament. Cela se produit dans la zone d'une forte inflexion du fil ou de sa fracture. A cet endroit, sa résistance augmente localement, la tension, la dissipation de puissance et la température du métal augmentent. L'évaporation s'accélère, devient une avalanche, le fil réduit rapidement son épaisseur et brûle.
Ce problème a été résolu à la fin des années 1950 et au début des années 1960 en lançant la production de masse de lampes à incandescence halogènes.
Les halogènes - chlore, brome, fluor ou iode - ont commencé à être introduits dans la composition d'un gaz ou d'un mélange inerte. En conséquence, le processus d'évaporation du métal s'arrête complètement ou ralentit considérablement. Les atomes de ces additifs se lient à la vapeur de tungstène, formant des molécules de composés instables. Ils se déposent à la surface du corps incandescent. Sous l'action d'une température élevée, les molécules se décomposent et libèrent des atomes d'halogène et du métal pur, qui se déposent sur la surface chaude du fil et restituent partiellement la couche évaporée.
Ce processus est intensifié en augmentant la pression. Cela augmente la température du filament, la durée de vie, le rendement lumineux, l'efficacité et d'autres caractéristiques. Le spectre d'émission se décale vers le côté blanc. Dans les lampes à gaz, l'obscurcissement de la surface de l'ampoule de l'intérieur par la vapeur de tungstène ralentit. Ces sources lumineuses sont appelées halogènes.
Paramètres électriques
Les caractéristiques électriques des lampes à incandescence comprennent :
- puissance électrique, mesurée en watts - W, la gamme des modèles fabriqués - de plusieurs watts (ampoule pour lampe de poche - 1 W) à 500 et même 1000 W ;
- le flux lumineux, Lm (lumen), est lié à la puissance - de 20 Lm à 5 W à 2500 Lm à 200 W, avec une puissance plus élevée, le flux lumineux est plus élevé ;
- efficacité lumineuse, efficacité énergétique ou efficacité, Lm / W - combien de lumens de lumière sous forme de flux lumineux donne chaque watt d'énergie consommée du réseau ou d'une source d'alimentation;
- intensité ou luminosité lumineuse, cd (candela);
- température de couleur - la température d'un corps noir conditionnel qui émet de la lumière avec une certaine teinte.
Le but de la lampe électrique
Les lampes électriques peuvent être divisées en plusieurs types en fonction de leur application - à usage public, technique et spécial.
L'utilisation publique principale est de fournir à toute personne, animaux et oiseaux une lumière artificielle la nuit ou dans un endroit sombre d'une pièce.
Grâce à la lumière, les gens prolongent leur activité quotidienne pendant plusieurs heures. Il peut s'agir de processus de travail et d'études, de tâches ménagères. La sécurité routière s'améliore, la capacité à fournir une assistance médicale le soir et la nuit, et bien d'autres.
Les lampes sont activement utilisées dans les élevages et les élevages de volailles, pour la croissance végétaux dans les complexes de serres. Ils sont éclairés par une lumière d'un certain spectre et de l'amplitude du flux lumineux. Pour l'élevage de poissons, une lumière avec une composition spectrale spéciale est également nécessaire.
finalité technique. En production, à des fins technologiques, des appareils sont utilisés qui donnent de la lumière visible et invisible. Exemples:
- pour un travail précis et important, une personne a besoin d'un niveau élevé d'éclairage du lieu de travail;
- IR - le rayonnement infrarouge est utilisé dans l'industrie, par exemple, pour le chauffage sans contact de pièces structurelles ou dans la technologie climatique pour chauffer une personne travaillant en plein air glacial, dans l'équipement militaire et la chasse - viseurs nocturnes pour armes, appareils de vision nocturne, etc. ;
- UV- le rayonnement est utilisé en dentisterie pour le durcissement rapide des obturations, dans la fabrication de prothèses dentaires, etc., en médecine et dans l'assainissement - pour désinfection des locaux, outils, vêtements, surfaces de meubles, air, eau, médicaments, etc.
Les lampes à usage spécial sont utilisées dans la publicité lumineuse extérieure et intérieure, la criminalistique, l'aviation et l'astronautique, l'accompagnement léger de spectacles et bien d'autres.
Principaux types et caractéristiques
Les principaux types de lampes à incandescence sont :
- Lampes à usage général. Désigné par l'abréviation LON. Ce sont généralement des appareils d'une puissance de 25, 40, 60, 75 et 100 watts. Le plus courant - 60 watts. Mais LON produit industriellement avec une capacité de 150, 200, 500 et même 1000 watts.
- Lampes à incandescence halogènes. Réalisé pour fonctionner à partir d'un réseau haute tension de 220 ou 110 V et d'un réseau basse tension. Dans ce cas, ils sont alimentés par un transformateur abaisseur.
Variétés de LN halogène basse tension :
- capsule, ont la forme de tubes tout en verre avec différents socles - goupille d'extrémité GY6.35 ou G4;
- reflex, ayant un élément réfléchissant, d'un diamètre de 35 à 111 mm, culot GZ10 avec options.
Haute tension. Tension principale 220-230 V, 50 Hz. Ces lampes ont plus d'options :
- linéaire en forme de tube de verre avec socles R7S ;
- cylindrique - socles E27, E14 ou B15D;
- avec un flacon déporté ou supplémentaire.
Dans le dernier modèle, une capsule ou un tube de lampe halogène de petite taille est monté de manière rigide à l'intérieur de la lampe. Il est soudé à la tige centrale d'une ampoule LON classique, possède des cordons souples reliés à un culot standard Edison E27 ou E14. Avec une consommation électrique de 70 à 100 W, elle fournit un flux lumineux de 20 à 30 % supérieur à celui d'une lampe à incandescence conventionnelle.
Ces modèles ont une efficacité énergétique plus élevée, atteignant 12-25 lm/W, tandis que les LON conventionnels ont un rendement lumineux de 3-4 à 10-12 lm/W.
La durée de vie des modèles halogènes varie de 4-5 à 10-12 mille heures.
Séparation des lampes par objectif et design
lampes décoratives
Ces dernières années, des lampes rétro sont apparues qui imitent les LN vintage d'Edison.
De plus, ils imitent une "bougie", "bougie dans le vent", "bosse", "poire", "boule", etc. en forme d'ampoule.
En miroir
Les lampes à miroir ont une partie de l'ampoule recouverte de l'intérieur d'une couche réfléchissante. Le plus souvent, il s'agit d'un revêtement de métal - argent, aluminium, or, etc. Cette couche peut être mince, translucide ou épaisse, opaque.
Les structures de miroir sont utilisées dans la production pour un chauffage de processus absolument propre, par exemple dans la production de semi-conducteurs avec la plus grande pureté des matériaux. Dans ce cas, l'inconvénient des lampes à incandescence - un flux important de rayonnement infrarouge - devient leur avantage inégalé.
De telles lampes sont utilisées dans des lampes à faisceau lumineux rotatif étroit.
Signal
Les lampes de signalisation sont des sources lumineuses clignotantes. Habituellement sous forme de balises clignotantes, par exemple, sur les voitures officielles, sur les avions et les hélicoptères, pour transmettre des messages lumineux dans la flotte, etc. Ils ont un filament fin qui fournit un réglage rapide de la luminosité.
Le transport
Ce type de lampe est conçu pour être utilisé sur différents types de transport - voitures, chemins de fer et métros, navires fluviaux et maritimes. La principale exigence pour eux est la résistance aux vibrations et aux chocs. Pour ce faire, le filament est réalisé court et monté sur une pluralité d'éléments de support.Les bases de ces lampes sont à baïonnette Swan, goupille ou soffite. Ils ne permettent pas à l'appareil de sortir et de tomber de la cartouche.
Enluminures
D'après le nom, il est clair que les lampes sont utilisées pour l'éclairage. Par conséquent, leurs flacons sont en verre de différentes couleurs - bleu, vert, jaune, rouge, etc.
double brin
Le schéma d'une telle lampe à incandescence: dans une ampoule, il y a deux filaments incandescents séparés. Par exemple, dans un phare de voiture, une lampe à deux filaments est utilisée comme ceci :
- lorsqu'une tension est appliquée à un fil, le faisceau de croisement est allumé - le flux lumineux est «pressé» sur la plate-forme et le faisceau s'étend sur plusieurs dizaines de mètres;
- après le passage au deuxième fil, la lumière monte et sa portée peut atteindre des centaines de mètres, et le flux sera beaucoup plus important.
De telles lampes peuvent être dans le feu arrière. Le premier fil est pour les feux de position, le second pour un feu stop.
Dans les feux de circulation, les lampes à double filament augmentent leur fiabilité. La duplication permet à l'appareil de fonctionner soit avec un thread, soit d'en activer un second après que le premier a brûlé. Et, par exemple, sur les chemins de fer, la fiabilité de la signalisation est un gage de sécurité des transports.
Usage général et local
Rangée supérieure, de gauche à droite - une lampe à culot E14 - pour lustres, appliques et lampes de petite taille ; avec culot E27 - usage général ; vert, rouge, jaune - éclairant.
Rangée du bas : bleu - usage médical pour les procédures ; un miroir avec réflecteur - pour travaux photographiques ou éclairage spécial, avec verre violet, deux extérieurs - décoratif avec une ampoule "bougie" et des socles E27 et E14.
Avantages et inconvénients
Avantages des lampes à incandescence :
- prix bas - des matériaux, une conception et une technologie simples et peu coûteux ont été élaborés pendant des décennies, production automatisée de masse;
- taille relativement petite;
- les surtensions sur le réseau ne provoquent pas de panne immédiate ;
- démarrage, ainsi que redémarrage - instantané ;
- lorsqu'il est alimenté en courant alternatif avec une fréquence de 50-60 Hz, les pulsations de luminosité sont à peine perceptibles;
- la luminosité de la lueur est régulée par des gradateurs;
- le spectre de rayonnement est continu et familier à l'œil - semblable au soleil ;
- répétabilité presque complète des caractéristiques des lampes de différents fabricants ;
- l'indice de rendu des couleurs Ra ou CRI - la qualité de reproduction des nuances de couleur des objets éclairés - est de 100, ce qui est parfaitement cohérent avec l'indicateur solaire;
- les petites dimensions du filament compact donnent des ombres claires ;
- haute fiabilité dans des conditions de gel et de chaleur sévères;
- la conception permet la production en série de modèles avec des tensions de fonctionnement allant de fractions à des centaines de volts ;
- alimentation à partir de tension alternative ou continue en l'absence de dispositifs de démarrage;
- le caractère actif de la résistance du filament fournit un facteur de puissance (cosinus φ) égal à 1 ;
- indifférent au rayonnement, aux impulsions électromagnétiques, aux interférences ;
- il n'y a pratiquement pas de composante UV dans le rayonnement ;
- un travail régulier avec des allumages/extinctions fréquents de la lumière et bien d'autres est assuré.
Les inconvénients incluent:
- durée de vie nominale de LON - 1000 heures, pour les lampes à incandescence halogènes - de 3 à 5-6 mille, pour luminescent - jusqu'à 10-50 mille, pour LED - 30-150 mille heures ou plus ;
- le verre de l'ampoule et le filament fin sont sensibles aux chocs, les vibrations peuvent provoquer des résonances à certaines fréquences ;
- forte dépendance de l'efficacité énergétique et de la durée de vie à la tension d'alimentation ;
- L'efficacité de la conversion de l'électricité en lumière visible ne dépasse pas 3 à 4%, mais augmente avec l'augmentation de la puissance;
- la température de surface du ballon dépend de la puissance et est de : pour 100 W - 290°C, pour 200 W - 330°C, 25 W - 100°C ;
- lorsqu'il est allumé, la surtension avant que le filament ne se réchauffe peut être dix fois supérieure à la valeur nominale ;
- les douilles et les armatures des luminaires doivent être résistantes à la chaleur.
Comment augmenter la durée de vie de la lampe
Il existe de nombreuses façons d'augmenter la durée de vie. Plus utilisé:
- limiter le courant d'amorçage en allumant une thermistance en série avec la lampe, dont la haute résistance diminue à mesure qu'elle est chauffée par le courant d'amorçage ;
- démarrage progressif avec contrôle manuel de la luminosité par gradateur à thyristor ou triac ;
- puissance de la lampe à travers une puissante diode redresseuse, c'est-à-dire moitiés de tension redressées de la sinusoïde ;
- connexion en série de lampes par paires dans des luminaires à plusieurs lampes, par exemple dans des lustres.
L'industrie moderne produit un grand nombre de types différents de lampes à incandescence avec une large gamme de tensions et de puissances de fonctionnement, avec différentes nuances de lueur, configurations d'ampoules et de socles. Cette gamme permet choisir la bonne lampe pour chaque utilisation.