62 (86)

Top www) G€° www.cyfronika.com.pl3s:

Fot. 3

Rys. 1

1    - szklana bańka,

2    - gaz obojętny, 3

- żarnik (drucik) wolframowy, 4 - podpórka, 5 - drut kontaktowy, 6 - słupek

7    - drut kontaktowy,

8    - gwint kontaktowy, 9 - trzonek gwintowy, 10 - stopa kontaktu elektrycznego

z pierwowzorami: w domach korzystamy z żarówek o trzonkach gwintowych (Edisona), a w samochodach - o trzonku bagnetowym (Swana). Największą trudnością końca XIX wieku był dobór materiałów. Edison przetestował ich około 1600. Wśród listy badanych tworzyw można znaleźć włos z brody rudego Szkota! Koszt takich badań jak na owe czasy był olbrzymi - około 100 tys. dolarów.

Analizując historię żarówki, możemy się tylko dziwić, czemu Edison zgarnął wszystkie zaszczyty, podczas gdy to Swan poczynił największy krok naprzód i opatentował swój w pełni działający wynalazek na rok przed Amerykaninem.

Zasada działania żarówki

Budowę żarówki możecie zobaczyć na rysunku 1. Zasada działania jest bardzo prosta. Wewnątrz szczelnej szklanej bańki znajduje się drut wolframowy - skrętka, który bardzo silnie się nagrzewa pod wpływem przepływającego przez niego prądu. Żarnik rozgrzewa się i zaczyna emitować św iatło. W zależności od natężenia prądu przepływającego przez dmcik, inna jest jego temperatura, a więc także „siła” świecenia, toteż tradycyjne lampy żarowe bardzo łatwo ściemniać. Ponadto siła świecenia żarów ki zależy od promieniowania energii, utraty ciepła (w przypadku żarówek wypełnionych nie próżnią, a gazem) oraz rozproszenia ciepła.

Wraz ze wzrostem temperatury rośnie wartość wydzielanej energii elektromagnetycznej - światła. Jako żarnik najczęściej wykorzystywany jest wolfram, który niestety wraz ze wzrostem temperatury zaczyna pomału parować i osadzać się po wewnętrznej stronie szklanej bańki, powodując lekkie ściemnienie żarówki. Nie w tym jednak tkwi problem - wraz ze wzrostem „odparowanego” wolframu maleje jego ilość w żarniku, następuje więc zmniejszenie świecenia i osłabienie

Fot. 2

drucika, doprowadzające w efekcie do przepalenia żarówki. Aby ograniczyć to zjawisko, wnętrze bańki wypełnia się mieszaniną argonu i azotu o ciśnieniu ok. I atmosfery. Takie rozwiązanie umożliwia ponadto zwiększenie temperatury żarnika, przez co uzyskuje się bielsze światło i większą intensywność świetlną. Wynika to ze sprawniejszego odprowadzania ciepła przez gaz. Pociąga to niestety za sobą straty. Aby je zmniejszyć, skręca się żarnik, skraca go lub podwójnie skręca. Ponadto, zamiast argonu można wykorzystać krypton lub jeszcze lepszy od niego ksenon. Cena tych gazów jest jednak dość wysoka.

Zalety i wady

Mimo prostoty swej budowy lampa żarowa jest źródłem światła bliskim ideałowi, bo zbliżonego do światła słonecznego, co sprzyja pozytywnemu nastrojowi człowieka. Kolory widziane w jej świetle są rzeczywiste - cechuje ją bardzo dobry wskaźnik oddawania barw. Ponadto żarówka świeci cały czas jednakowo, nie powoduje tzw. efektu stroboskopowego cechującego np. świetlówki. Niektórzy badacze uważają, że osoby podatne na migreny i cierpiące na epilepsję z tegoż właśnie powodu nie powinny rezygnować z tradycyjnej żarówki na rzecz świetlówek.

Teoretycznie żarówka, pracująca w okolicach temperatury topnienia wolframu (3653K), bez strat osiągnęłaby skuteczność świetlną ok. 53lm/W (lumenów na wat). W praktyce temperatura barwowa światła emitowanego przez żarówkę wynosi ok. 2700K, zaś jej skuteczność wynosi ok. 12 (od 8 do 16) lm/W.

Zasadniczą wadą żarówki prócz jej długości życia (ok. 1000 h) jest jej sprawność, wynosząca od 5 do 8%. Pozostała energia to energia strat wydzielająca się głównie w postaci ciepła. Wobec rosnących zmian klimatycznych, których źródłem jest także człowiek, a w szczególności nasz brak dbałości o oszczędność energii, zaczęto promować inne źródła światła jako bardziej ekologiczne i oszczędne. W ramach dyrektywy 2005/32/WE Unia Europejska stopniowo eliminuje z rynku tradycyjne żarówki.

Żarówka halogenowa

Po pojawieniu się pierwszej żarówki halogenowej (fotografia 3) w latach 60. XX wieku szybko nastąpiła zmiana trendu w oświetleniach domowych i przemysłowych. Z uwagi na swoją większą (do 33%) skuteczność świetlną oraz 2-5 razy większą trwałość, żarówka halogenowa zaczęła wypierać swoją poprzedniczkę. Żarówka halogenowa tym różni się od tradycyjnej, że oprócz argonu i azotu, do wnętrza bańki wprowadza się śladowe ilości pierwiastków z grupy halogenów - np. jod lub brom. To powoduje powstanie tzw. halogenowego cyklu regeneracyjnego.

Podczas wzrostu temperatury żarnika dochodzi do parowania wolframu, jednak jego cząsteczki, zamiast osadzić się po wewnętrznej stronie bańki, łączą się z halogenkami. Takie cząsteczki znalazłszy się w pobliżu żarnika, rozpadają się i wolfram znów łączy się z żarnikiem. Warunkiem działania tego zjawiska jest bardzo wysoka (ponad 250°C) temperatura bańki, którą wykonuje się ze szkła kwarcowego. Szkło kwarcowe jest trwalsze i pozwala na znaczne zmniejszenie gabarytów żarówki.. Dzięki temu udaje się osiągnąć temperaturę żarnika ok. 3200K, a więc skuteczność świetlna żarówki halogenowej jest większa. Czasami, w sytuacjach w których wymagane jest uzyskanie światła bardziej zbliżonego do światła dziennego, stosuje się żarówki pracujące z wyższą temperaturą żarnika. Zaletą lamp halogenowych są niewielkie rozmiary, brak konieczności stosowania układów zapłonowych, szybki zapłon, niewielkie straty strumienia świetlnego w okresie eksploatacji oraz wysoki poziom wskaźnika oddawania barw.

Wraz z rozwojem technologii, wprowadzono powłoki interferencyjne pokrywające wnętrze bańki, które zapewniają odbijanie światła podczerwonego i „zatrzymywania” go wewnątrz żarówki. Powoduje to „zawracanie” ciepła z powrotem do żarnika, a nie jego „uciekanie” do otoczenia. Dzięki temu żarówka zużywa mniej energii na podtrzymywanie wysokiej temperatury żarnika.

Producenci energooszczędnego oświetlenia już teraz prześcigają się w ofercie. W kolejnym numerze EdW postaram się dokonać porównania najpopularniejszych energooszczędnych technologii - świetlówek i LED--ów z poczciwymi żarówkami.

Sylwia Babicz

[e-mail]

Elektronika dla Wszystkich Listopad2010 67