電球の説明と動作原理

公開日：2020年8月12日

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白熱灯とは

白熱灯（以下、LN）は、人工光源であり、細い金属フィラメントを赤熱した金属の輝きの温度まで加熱することによって光束が得られます。加熱のために、電流がフィラメントを通過します。最初のランプは、竹のような焦げた有機物のフィラメントを繊維の形で持っていました。

糸がすぐに燃え尽きるのを防ぐために、空気がフラスコから汲み出されて密封されました。または、酸化剤（酸素）が含まれていないガス組成物でフラスコを満たしました。このようなガスは不活性と呼ばれます-アルゴン、ネオン、ヘリウム、窒素など。これらのガスは、金属と反応しないため、そのように名付けられています。不活性。

カーボンフィラメントランプ

最初のランプカーボンフィラメントを使用すると、12時間以内の作業リソースがありました。カーボンフィラメントを細い金属線に置き換えた後、大幅に増加しました。

このような光は白熱灯と呼ばれていました。ホットメタルライト。そして、糸はフィラメントと呼ばれていました。たとえば、1200°Cに加熱された鋼は黄白色に光りますが、1300°Cではほぼ白く光ります。

19世紀の終わりに、すぐに燃え尽きた炭素糸は、耐火金属（タングステン、モリブデン、オスミウム、または金属酸化物）、ジルコニウム、マグネシウム、イットリウムなどに置き換えられました。

フラスコに不活性ガスを充填することにより、高温フィラメントからの金属の蒸発速度が低下し、したがって、その操作の持続時間が増加した。

ハイパワーでは、フィラメントは「分岐」した形で作られます。指向性フローを作成するための投影光源は、複雑な構成のスレッドを持ち、放射軸に垂直なフラット構造を形成します。この場合、光反射板は、たとえば、スプレーされた金属（銀またはアルミニウム）の薄層の形で電球の内側に配置されます。

汎用白熱灯-「洋ナシ」フラスコに入ったLON。らせん状の真っ直ぐな短い糸は、動作電圧が小さく、12、24、または48〜50 Vで、電力が10〜20ワット以下であることを示します。

当時存在していた110Vの定電圧の主電源から直接ランプに電力を供給するためには、長くて細い金属糸が必要でした。これにより抵抗が増加し、加熱に必要な電流が少なくなりました。

少量の透明なガラスフラスコに密集した「パッキング」を行うために、糸を繰り返し曲げてワイヤーホルダーに置きました。

現代のエジソンランプでは、長いフィラメントが数回「折りたたまれ」ています。

別の現代的なエジソンランプ。フィラメントの平行な部分がはっきりと見えます。

このような糸の曲がりは、「石炭」のものよりもはるかに長く機能する最初の光源の設計を複雑にしました。白熱電球のデザインの開発におけるブレークスルーは、糸をらせん状にねじるという提案でした。これにより、サイズが数分の1に縮小されました。

白熱体のさらに小さなサイズは、薄いスパイラルを2番目のスパイラルに折りたたむことによって得られましたが、直径は大きくなっています。二重らせんはバイヘリックスと呼ばれます。

バイヘリックスは10〜20倍に拡大されています。ワイヤー補強のループに導入されて圧着され、細いピンでフィラメントが伸びていることがわかります。

光源開発の次の段階は、ACネットワークへの移行と、ランプの供給電圧を下げるための変圧器の使用でした。

白熱灯の主要部分

白熱灯の主な構造要素は次のとおりです。

フィラメントまたはフィラメント本体;
糸を固定するための付属品;
急速な燃焼や外部の影響から糸を保護するためのフラスコ。
カートリッジへの取り付けと主電源への接続のためのベース。
ソクルコンタクト-ねじ山ボディとソクルの底の中央コンタクト。

構成要素

アーマチュアは、スレッドを固定し、必要な構成と光束の方向を作成するように設計されています。

ベースは、取り付けカートリッジに固定し、フラスコに接続するために必要です。白熱灯の類似物であるレトロフィットランプでは、パワーデバイスの一部がベースに配置されます。

台座

にハロゲン白熱灯、供給電圧、電力、フラスコの設計に応じて、ネジ山、ピン、バヨネット、ピンなど、いくつかのタイプのソケットが取り付けられます。

主電源または電源に接続するには、ソケットの接点システムが必要です。

台座の種類。

フラスコ

透明フラスコLNは次の目的で使用されます。

酸化剤-酸素を含む外部雰囲気からの糸の保護;
真空またはガス組成の作成と維持。
さまざまな種類の電磁エネルギーを可視放射に変換する蛍光体および/またはコーティングを配置し、熱をフィラメントに戻し、不可視のUVおよびIR放射を光に変換し、ランプの輝きの色合い（赤、緑、青）を修正します。

白熱体

白熱体は、スパイラルまたはバイスパイラルまたは薄い金属リボンに巻かれた糸です。

フィラメントの構造図

ガス媒体

ランプの電球を満たす不活性ガス（窒素、アルゴン、ネオン、ヘリウムなど）。不活性ガスの混合物には、ハロゲン物質が添加されています。

LNの仕組みと仕組み

白熱電球のデバイスは、その開発中にほとんど変更されていません。白熱物質の輝きの原理に基づいて動作する主な要素は、フィラメントまたは白熱体です。これは、直径30〜40、最大50ミクロンまたはマイクロメートル（100万分の1メートル）の細いタングステン線です。

白熱色は赤から始まり、温度が上がるとオレンジ、黄色から白に変化します。温度がさらに上昇すると、白熱体の金属が最初に溶け、次に酸素の存在下で燃焼します。

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コールドタングステンフィラメントは抵抗率が低くなります。タングステンは、ほとんどの金属と同様に、正の抵抗温度係数TCRを持っています。これは、フィラメントを電流で加熱する過程で、その抵抗が増加することを意味します。

ランプが点灯する前は、フィラメントは冷たく、抵抗はほとんどありません。したがって、スイッチを入れた瞬間に、公称電流の10〜15倍の電流が供給されます。このジャンプは開始と呼ばれます。そしてしばしば彼は燃え尽き症候群の原因白熱体。

スレッドをウォームアップするのにほんの一瞬かかります。この間、その抵抗は増加します。最初に、ガス、電球、およびすべての構造要素がウォームアップするときに、ランプを流れる大電流が公称値まで減少します。そのため、光源は指定されたモードに入り、パスポートの光束を生成します。グローの色相も公称値になります。 2000〜3500 Kの色温度に対応します。これはウォームホワイトと呼ばれ、指定された範囲の元の名前と略語を持ついくつかの色温度グラデーションがあります。例えば：

超暖かい白-2200-2400K、S-WarmまたはS-Wと呼ばれ、非常に暖かい白またはWarm2400でもあります。
ウォーム-2600-2800Kまたはウォーム2700;
ウォームホワイト-2700-3500Kまたはウォームホワイト（WW）;
もう1つの暖かいものは2900-3100Kまたは暖かい3000（W）です。

個々のランプ要素の温度

LON電球の外面はランプの出力に依存し、250〜300℃以上まで加熱できます。

糸はタングステン3410℃の融点で2000-2800℃まで加熱されます。

一部の設計では、フィラメントは融点が3045℃のオスミウムまたはレニウム-2174でできています。したがって、LNの発光スペクトルは可視スペクトルの赤色ゾーンにシフトします。

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電球にはどのようなガスが入っていますか

最初のランプでは、空気がフラスコから排出されました。現在、25ワット以下の低電力電球のみが排気されます（空気が排出されます）。

2〜3000度に加熱されたタングステン線の動作中に、金属はその表面から集中的に蒸発します。その蒸気は電球の内側に落ち着き、光の透過を減らします。

前世紀の初めに行われた研究では、フラスコが不活性ガスで満たされている場合、蒸発が減少し、光出力が増加することが示されました。したがって、フラスコは不活性ガスの1つまたはそれらの混合物で満たされ始めました。ほとんどの場合、これらはアルゴン、窒素、キセノン、クリプトン、ヘリウムなどです。ヘリウムは、新しいタイプのLEDレトロフィットランプの内部要素の効果的なパッシブ冷却に使用されます。

この実験を自宅で行うことは絶対にお勧めしません。

それらの主な発光要素は、人工サファイアまたはガラスで作られた細い棒であり、その上にLED結晶が配置されています。このようなエミッターはフィラメントと呼ばれます。一部の「専門家」は本質を混乱させましたフィラメントランプそしてそれらを「サファイア発光体を備えたランプ」と呼んだ。これらのランプの人工サファイアは、LEDクリスタルの取り付けベースとパッシブヒートシンクとしてのみ使用されます。

ほとんどの場合、LNの故障は、白熱体の表面からの金属の蒸発ではなく、フィラメントの太さの違反ゾーンでのこのプロセスの加速に関連しています。これは、ワイヤーの急激な屈曲またはその破壊のゾーンで発生します。この場所では、その抵抗が局所的に増加し、電圧、消費電力、および金属温度が上昇します。蒸発が加速し、雪崩になり、糸はすぐに太さを減らして燃え尽きます。

この問題は、1950年代後半から1960年代初頭にかけて、ハロゲン白熱灯の量産を開始することで解決されました。

ハロゲン（塩素、臭素、フッ素、またはヨウ素）は、不活性ガスまたは混合物の組成に導入され始めました。その結果、金属の蒸発プロセスが完全に停止するか、大幅に遅くなります。これらの添加剤の原子はタングステン蒸気に結合し、不安定な化合物の分子を形成します。彼らは白熱体の表面に落ち着きます。高温の作用下で、分子は分解してハロゲン原子と純金属を放出し、それが糸の高温表面に定着し、蒸発した層を部分的に復元します。

このプロセスは、圧力を上げることによって強化されます。これにより、フィラメントの温度、耐用年数、光出力、効率、その他の特性が向上します。発光スペクトルは白側にシフトします。ガス入りランプでは、タングステン蒸気による電球の表面の内側からの暗色化が遅くなります。このような光源はハロゲンと呼ばれます。

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電気的パラメータ

白熱灯の電気的特性は次のとおりです。

電力、ワットで測定-W、製造されたモデルの範囲-数ワット（懐中電灯用の電球-1 W）から500 W、さらには1000Wまで。
光束Lm（ルーメン）は電力に関連しています-5Wで20Lmから200Wで2500Lmまで、電力が高いほど、光束は高くなります。
発光効率、エネルギー効率または効率、Lm/W-光束の形で何ルーメンの光がネットワークまたは電源から消費される電力の各ワットを与えるか。
光度または明るさ、cd（カンデラ）;
色温度-特定の色合いで発光する条件付き黒体の温度。

条件付きの色温度とグローの色合い。

電灯の目的

電気ランプは、その用途に応じて、公共、技術、および特殊用途に応じていくつかのタイプに分けることができます。

主な公共の用途は、夜や部屋の暗い場所で、人、動物、鳥に人工照明を提供することです。

光を使って、人々は毎日の活動を数時間延長します。それは仕事と勉強のプロセス、家事である可能性があります。交通安全、夕方と夜間の医療支援、その他多くの機能が向上しています。

ランプは、家畜農場や養鶏場で成長のために積極的に使用されています植物温室複合体で。それらは、特定のスペクトルと光束の大きさの光で照らされています。魚の繁殖には、特殊なスペクトル組成の光も必要です。

ペット用の暖房を実施。

技術的な目的。生産では、技術的な目的で、可視光と不可視光を与えるデバイスが使用されます。例：

正確で重要な仕事のために、人は職場の高レベルの照明を必要とします。
IR -赤外線放射は、産業で、たとえば、構造部品の非接触加熱や、野外で働く人を加熱するための気候技術、軍事機器、狩猟に使用されます-武器、暗視装置などの夜間視界。 ;
UV-放射線は、歯科、詰め物の急速な硬化、義歯の製造など、医療や衛生に使用されます- 施設の消毒、工具、衣類、家具の表面、空気、水、薬など。

専用ランプは、屋外および屋内の照明付き広告、犯罪学、航空および宇宙工学、ショーパフォーマンスの光の伴奏などで使用されます。

主な種類と特徴

白熱灯の主な種類は次のとおりです。

汎用ランプ。略語LONによって指定されます。通常、これらは25、40、60、75、および100ワットの電力を持つデバイスです。最も一般的な-60ワット。しかし、150、200、500、さらには1000ワットの容量を持つ工業的に生産されたLON。
ハロゲン白熱灯。 220または110Vの高電圧ネットワークおよび低電圧ネットワークからの動作用に製造されています。この場合、それらは降圧トランスによって電力が供給されます。

低電圧白熱灯

低電圧ハロゲンLNの種類：

カプセル、異なるソケットを備えたオールガラス管の形をしています-エンドピンGY6.35またはG4;
反射、反射要素を持ち、直径35〜111 mm、オプション付きのGZ10ベース。

高電圧。主電圧220-230V、50Hz。これらのランプには、より多くのオプションがあります。

R7Sソケットを備えたガラス管の形の線形。
円筒形-ソクルE27、E14またはB15D;
リモートまたは追加のフラスコで。

最新モデルでは、小型のハロゲンランプカプセルまたはチューブがランプ内部にしっかりと取り付けられています。これは、従来のLON電球の中央ロッドに溶接されており、標準のエジソンE27またはE14ベースに接続された柔軟なリード線を備えています。消費電力は70〜100 Wで、従来の白熱灯よりも20〜30％高い光束を提供します。

これらのモデルはエネルギー効率が高く、12〜25 lm / Wに達しますが、従来のLONの光出力は3〜4〜10〜12 lm/Wです。

ハロゲンモデルの耐用年数は4-5から10-12千時間の範囲です。

目的とデザインによるランプの分離

白熱灯の目的別分類。

装飾ランプ

近年、ヴィンテージのエジソンLNを模倣したレトロなランプが登場しました。

また、「キャンドル」、「風のキャンドル」、「バンプ」、「ナシ」、「ボール」などを球根の形で模倣しています。

エジソンランプ-色温度2000K、さまざまな形状の白熱フィラメント、さまざまなフラスコ。

ミラーリング

ミラーランプは、電球の一部を内側から反射層で覆っています。ほとんどの場合、これは金属（銀、アルミニウム、金など）のコーティングです。この層は、薄く、半透明または厚く、不透明にすることができます。

ミラー赤外線ランプ。

ミラー構造は、完全にクリーンなプロセス加熱の製造、たとえば、最高純度の材料を使用した半導体製造で使用されます。この場合、白熱灯の欠点である赤外線の大量のフラックスが、卓越した利点になります。

このようなランプは、細い回転光線を備えたランプに使用されます。

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放電ランプの特性

信号

信号灯は光源を点滅させています。通常、たとえば、公用車、飛行機、ヘリコプター、艦隊での光メッセージの送信などのために、点滅するビーコンの形で。彼らは明るさの迅速なセットを提供する細いフィラメントを持っています。

輸送

このタイプのランプは、自動車、鉄道、地下鉄、川や海の船舶など、さまざまなタイプの輸送機関で使用するように設計されています。それらの主な要件は、振動や衝撃に対する耐性です。これを行うために、フィラメントは短くされ、複数の支持要素に取り付けられます。そのようなランプのベースは、銃剣の白鳥、ピンまたは軒裏です。それらは、デバイスがカートリッジから出たり、落下したりすることを許可しません。