چراغ رشته‌ای اصول و ساختار چراغ رشته‌ای

چهارجعی که بر اساس پدیده تابش عمل می‌کند، به آن لامپ تابشی گفته می‌شود. به عبارت دیگر، لامپی که به دلیل تابیدن فیلمانت ناشی از جریان الکتریکی کار می‌کند، به آن لامپ تابشی گفته می‌شود.

لامپ‌های تابشی چگونه کار می‌کنند؟

وقتی یک شیء داغ می‌شود، اتوم‌ها در داخل آن حرارتی تحریک می‌شوند. اگر شیء ذوب نشود، الکترون‌های مدار خارجی اتوم‌ها به سطح انرژی بالاتر می‌روند به دلیل انرژی تأمین شده. الکترون‌های در سطوح انرژی بالا پایدار نیستند و دوباره به سطوح انرژی پایین‌تر بازمی‌گردند. در حین بازگشت از سطوح انرژی بالاتر به پایین‌تر، الکترون‌ها انرژی اضافی خود را به صورت فوتون‌ها آزاد می‌کنند. این فوتون‌ها سپس از سطح شیء به صورت تابش الکترومغناطیسی آزاد می‌شوند.

این تابش دارای طول‌موج‌های مختلف است. بخشی از این طول‌موج‌ها در محدوده قابل مشاهده قرار دارد و بخش قابل توجهی از طول‌موج‌ها در محدوده فروسرخ هستند. موج الکترومغناطیسی با طول‌موج در محدوده فروسرخ انرژی گرما و موج الکترومغناطیسی با طول‌موج در محدوده قابل مشاهده انرژی نور است.

تابشی به معنای تولید نور قابل مشاهده با گرم کردن یک شیء است. یک لامپ تابشی بر اساس همین اصل کار می‌کند. ساده‌ترین شکل منبع مصنوعی نور با استفاده از برق یک لامپ تابشی است. در اینجا ما از جریان الکتریکی برای جریان از طریق یک فیلمانت ریز و نازک برای تولید نور قابل مشاهده استفاده می‌کنیم. جریان دمای فیلمانت را به حدی افزایش می‌دهد که آن را تابیده می‌کند.

تاریخچه لامپ تابشی

معمولاً فکر می‌شود که توماس ادیسون مخترع لامپ تابشی بوده است، اما تاریخ واقعی اینطور نبوده است. تعداد زیادی از دانشمندان قبل از ادیسون روی طراحی پروتوتایپ لامپ تابشی کار کرده‌اند. یکی از آنها فیزیک‌دان بریتانیایی جوزف ویلسون سوان بود. از رکورد‌ها مشخص شده است که او اولین پتنت لامپ تابشی را دریافت کرده است. سپس ادیسون و سوان برای تولید لامپ‌های تابشی در مقیاس تجاری با هم ادغام شدند.

ساختار لامپ تابشی

فیلمانت به دو سیم پیوند متصل شده است. یک سیم پیوند به تماس پایین و دیگری به قاعده فلزی لامپ متصل می‌شود. هر دو سیم پیوند از طریق پشتیبانی شیشه‌ای که در وسط پایین لامپ نصب شده است عبور می‌کنند. دو سیم پشتیبان نیز به پشتیبانی شیشه‌ای متصل شده‌اند و برای پشتیبانی از فیلمانت در بخش میانی آن استفاده می‌شوند. تماس پایین از قاعده فلزی با مواد عایق‌بندی جدا شده است. کل سیستم توسط یک لمپ شیشه‌ای رنگی یا پوششی یا شفاف محاط شده است. لمپ شیشه‌ای ممکن است با گازهای غیرفعال پر شده باشد یا خلاء باشد، بسته به رتبه لامپ تابشی.

فیلمانت لامپ‌های تابشی با لمپ شیشه‌ای با شکل و اندازه مناسب به صورت محکم خلاء می‌شود. این لمپ شیشه‌ای برای جداسازی فیلمانت از هوا اطراف برای جلوگیری از اکسیداسیون فیلمانت و کاهش جریان متعادل اطراف فیلمانت و نگهداری دمای فیلمانت در حد بالا استفاده می‌شود.

لمپ شیشه‌ای یا خلاء است یا با گازهای غیرفعال مانند آرگون با درصد کمی نیتروژن تحت فشار کم پر شده است. گازهای غیرفعال برای کاهش تبخیر فیلمانت در طول استفاده از لامپ‌ها استفاده می‌شوند. اما به دلیل جریان متعادل گاز غیرفعال در داخل لمپ، احتمال از دست دادن گرما از فیلمانت در طول عملکرد بیشتر است.

دوباره خلاء یک عایق گرما عالی است، اما تبخیر فیلمانت را در طول عملکرد تسریع می‌کند. در مورد لامپ‌های تابشی پر از گاز، ۸۵٪ آرگون با ۱۵٪ نیتروژن استفاده می‌شود. گاهی اوقات کریپتون می‌تواند برای کاهش تبخیر فیلمانت استفاده شود زیرا وزن مولکولی گاز کریپتون بسیار بالاتر است.

اما این کار هزینه بیشتری دارد. در حدود ۸۰٪ فشار جو، گازها به لمپ پر می‌شوند. گاز به لمپ‌های با رتبه بیش از ۴۰ وات پر می‌شود. اما برای لمپ‌های کمتر از ۴۰ وات، از گاز استفاده نمی‌شود.

اجزای مختلف یک لامپ تابشی در زیر نشان داده شده است.

فیلمانت لامپ تابشی

در روزهای کنونی، لامپ‌های تابشی در رتبه‌های مختلف واتی مانند ۲۵، ۴۰، ۶۰، ۷۵، ۱۰۰ و ۲۰۰ وات و غیره موجود هستند. شکل‌های مختلفی از لمپ‌ها وجود دارد، اما عموماً همه آنها دایره‌ای شکل هستند. سه ماده اصلی برای تولید فیلمانت لامپ‌های تابشی استفاده می‌شود که شامل کربن، تنالیوم و تنگستن هستند. کربن قبلاً برای ماده فیلمانت استفاده می‌شد، اما در حال حاضر تنگستن بیشترین استفاده را دارد.

نقطه ذوب فیلمانت کربن حدود ۳۵۰۰ درجه سانتیگراد است و دمای عملیاتی این فیلمانت حدود ۱۸۰۰ درجه سانتیگراد است، بنابراین احتمال تبخیر کم است. به دلیل اینکه فیلمانت کربن لامپ‌های تابشی از تیره شدن به دلیل تبخیر فیلمانت آزاد است. تیره شدن فیلمانت وقتی رخ می‌دهد که مولکول‌های ماده فیلمانت به دلیل تبخیر فیلمانت در طول عملکرد روی دیواره داخلی لمپ شیشه‌ای جمع می‌شوند.

این تیره شدن بعد از طول عمر بلند لامپ برجسته می‌شود. کارایی لامپ فیلمانت کربن خوب نیست، حدود ۴.۵ لومن بر وات است. تنالیوم به عنوان فیلمانت استفاده شده است، اما کارایی آن بسیار ضعیف است، حدود ۲ لومن بر وات است. این به دلیل این است که تنالیوم به ندرت به عنوان عنصر فیلمانت استفاده می‌شود.

ماده فیلمانت بیشتر استفاده شده در روزهای کنونی تنگستن است به دلیل کارایی تابشی بالای آن. آن می‌تواند ۱۸ لومن بر وات تولید کند وقتی در دمای ۲۰۰۰ درجه سانتیگراد عمل می‌کند. این کارایی می‌تواند تا ۳۰ لومن بر وات افزایش یابد وقتی در دمای ۲۵۰۰ درجه سانتیگراد عمل می‌کند. نقطه ذوب بالا معیار اصلی برای ماده فیلمانت است زیرا باید در دمای بسیار بالا بدون تبخیر کار کند.

اگرچه تنگستن دارای نقطه ذوب کمتری نسبت به کربن است، اما همچنان تنگستن بیشتر مطلوب است به عنوان ماده فیلمانت. این به دلیل دمای عملیاتی بالا است که تنگستن را بسیار کارآمد تابشی می‌کند. قدرت مکانیکی فیلمانت تنگستن بسیار بالا است تا از ارتعاشات مکانیکی تحمل کند.

طول عمر لامپ‌های تابشی

هر نوع تکنولوژی تولید، هر نوع لامپ تابشی دارای طول عمر تقریبی است. این به دلیل پدیده تبخیر فیلمانت است که می‌تواند کاهش یابد اما نمی‌تواند به طور کامل اجتناب شود.

به دلیل تبخیر فیلمانت، لمپ شیشه‌ای در طول زمان تیره می‌شود. به دلیل تبخیر فیلمانت، فیلمانت رقیق‌تر می‌شود که فیلمانت را کمتر کارآمد تابشی می‌کند و در نهایت فیلمانت شکسته می‌شود. چون لامپ‌های تابشی مستقیماً به خط تغذیه متصل هستند، نوسانات ولتاژ در خط، عملکرد لمپ را تحت تأثیر قرار می‌دهند.

پیدا شده است که کارایی تابشی یک لامپ تابشی مستقیماً با مربع ولتاژ تغذیه متناسب است اما در عین حال، طول عمر لامپ با ۱۳ تا ۱۴امین توان ولتاژ تغذیه متناسب