Surse de lumină. Lămpi cu incandescență clasice și cu halogen

Sursele moderne de lumină sunt dispozitive de utilizare ce convertesc energia electrică în radiații electromagnetice caracterizate prin lungimi de undă de 380-760 nm. Conversia energetică se realizează prin fenomenele de incandescență şi luminiscență. Incandescența constă în emisia de radiații vizibile ca urmare a creșterii temperaturii unui corp numit radiator termic. Luminescența este capacitatea materiei de a emite lumină atunci când particulele componente sunt excitate prin alte procedee decât cele termice şi substanțele ce prezintă această proprietate se numesc luminofori. În funcție de natura energiei primare, de excitație, distingem:

• Fotoluminescenţa – excitarea atomilor şi moleculelor este provocată de radiaţiile electromagnetice de energie înaltă (ultraviolete, raze X) şi după durata postluminescenţei tp distingem substanţe fluorescente (tp ≈ 10^-9 sec) şi fosforescente (tp = sec, min);
• catodoluminescenţa – agentul excitator este constituit dintr-un flux de electroni rapizi, cum ar fi cei din tuburile catodice;
• roentgenoluminescenţa – factorul excitator este radiaţia X ce acţionează asupra unui luminofor cu o anumită sensibilitate spectrală;
• chemiluminescenţa – emisia de lumină are loc pe baza energiei degajate de reacţiile chimice.

Lumina emisă prin procedeele prezentate nu respectă legile radiaţiilor termice şi, din această cauză, sursele luminescente sunt denumite şi izvoare de lumină rece, indiferent de temperatura lor reală de lucru. Menţionăm că, din punct de vedere psihosenzitiv, în funcţie de compoziţia spectrală, lumina emisă de o sursă poate fi rece (bogată în radiaţii violete, albastre, verzi) sau caldă (bogată în radiaţii galbene, portocalii, roşii). Diferenţa dintre cele două fenomene constă în modul de excitare al substanţei şi, implicit, în distribuţia spectrală a fluxului energetic.

Astfel, corpurile solide incandescente – categorie în care se includ şi lămpile incandescente – au spectru de radiații continuu, în timp ce substanțele fluorescente prezintă un spectru de linii sau de benzi. Sub aspect energetic, sursele de lumină se caracterizează prin durata de funcţionare, definită ca timpul după care fluxul luminos scade la 80% din valoarea iniţială. După depășirea acestui timp, funcționarea lămpii devine neeconomică din punct de vedere energetic.

Lumina este acea parte din radiația electromagnetică ce impresionează retina ochiului omenesc, producând senzații luminoase. Fluxul luminos reprezintă cantitatea totală de lumină emisă de o sursă de iluminat. Se măsoară în lumeni [lm]. Eficacitatea luminoasă indică eficiența cu care puterea electrică consumată de lampă este transformată în lumină. Reprezintă raportul dintre fluxul luminos și puterea electrică a sursei de lumină. Se măsoară în [lm/W].

Clasificarea lămpilor electrice după modul de transformare a energiei electrice:

• lămpi electrice cu incandescență clasice;
• lămpi electrice cu incandescență cu halogen;
• lămpi electrice cu descărcări în gaze sau vapori metalici;
• lămpi electrice cu LED-uri.

Lămpi cu incandescenţă. Lampa cu incandescenţă este un transformator de energie electrică în energie luminoasă. Conversia energetică se realizează pe baza efectului Joule-Lenz al curentului electric, ce aduce la incandescenţă un filament metalic ce va emite atât căldură, cât şi lumină. Lămpile cu incandescenţă, deși prezintă o mare varietate de tipuri constructive, pot fi grupate în: lămpi cu incandescenţă clasice şi lămpi cu incandescenţă cu halogeni. Becurile incandescente sunt sursa de lumină a umanității încă de la începuturile folosirii becurilor pentru iluminatul artificial. Principiul lor de funcționare este unul simplu: produc lumină prin încălzirea până la incandescență a unui filament metalic. Acesta este un simplu transistor prin care trece curentul electric și îl face să strălucească datorită temperaturii foarte înalte la care ajunge. În prezent, pentru becurile incandescente se folosește un filament din tungsten, capabil să ajungă la temperaturi de 2000 °C. Filamentul este închis în interiorul unui glob de sticlă vidat sau umplut cu o serie de gaze.

Becul cu filament incandescent a fost teoretizat încă de la începutul secolului XIX, dar abia în 1879 Thomas Edison a reușit să îl şi pună în practică. Inițial, globul de sticlă era vidat, dar ulterior s-a descoperit că umplerea sa cu un gaz inert îi sporește mult performanțele şi durata de viață.

Așa că s-a trecut pe rând la argon sau argon şi nitrogen. E drept că şi în prezent se folosesc becuri incandescente vidate, deoarece cele umplute cu gaz degajă mai multă căldură şi nu pot fi utilizate peste tot. În plus, gazele inerte sunt scumpe şi utilizarea lor pentru becurile de larg consum nu este viabilă din punct de vedere economic.

Surse și corpuri de iluminat cu incandescență clasice

Sursa de lumină este dispozitivul care transformă energia electrică în radiații luminoase. Aceasta mai poartă denumirea de lampă electrică. Becul cu incandescență este o lampă electrică care produce lumină prin încălzirea unui filament metalic la temperaturi înalte într-un spațiu vidat sau umplut cu gaz inert.

Principiul de funcționare. Filamentul becului cu incandescență este construit din wolfram, deoarece acest metal are temperatura de topire foarte mare (3422 °C). Când filamentul din wolfram este parcurs de curent, acesta se încălzește la temperaturi foarte mari (peste 2700 °C), iar atomii filamentului eliberează fotoni. Deoarece spațiul în care se află filamentul este vidat sau umplut cu un gaz inert (în care nu se produc reacții chimice, cum ar fi argonul), fotonii produc radiații luminoase în spectrul vizibil și căldură. Dacă în spațiul în care se află filamentul pătrunde aer, filamentul se aprinde și arde.

Deoarece filamentul este supus la temperaturi foarte mari, în timp, datorită desprinderii atomilor din filament, acesta se subțiază și se rupe, ceea ce înseamnă arderea becului.

Parametrii:

• tensiunea de alimentare – în funcție de tipul constructiv al becului, poate fi cuprinsă între 1,5 V și 500 V;
• puterea electrică – becurile cu incandescență se construiesc pentru puteri electrice cuprinse între 0,5 W și 1000 W;
• eficacitatea luminoasă (randamentul) este cuprinsă între 8 și 17 lm/W (lumen/watt);
• durata de funcționare – până la 1000 de ore.

Corpul de iluminat este un aparat electric în care se fixează lampa electrică și care are rolul de a conecta lampa electrică la o sursă de energie electrică. Într-un corp de iluminat, lampa se plasează într-un soclu numit și dulie, care poate fi de mai multe tipuri:

• soclu filetat tip ”Edison” (E27) – cel mai cunoscut și mai utilizat tip de soclu;
• soclu filetat tip ”minion” (E14) – soclu cu diametrul mic utilizat la lămpile de puteri mici de la veioze, frigidere etc.;
• soclu baionetă (E10) – are forma unui cilindru neted cu două proeminențe opuse, iar în capătul duliei este un arc de contact. Sursa de lumină se introduce în dulie cu presiune împotriva arcului și se asigură prin rotire.

Lămpi cu incandescenţă. Lampa cu incandescenţă este un transformator de energie electrică în energie luminoasă. Conversia energetică se realizează pe baza efectului Joule-Lenz al curentului electric, ce aduce la incandescenţă un filament metalic ce va emite atât căldură, cât şi lumină. Lămpile cu incandescenţă, deși prezintă o mare varietate de tipuri constructive, pot fi grupate în: lămpi cu incandescenţă clasice şi lămpi cu incandescenţă cu halogeni.

Lămpi cu incandescenţă clasice. Principalele elemente constructive sunt balonul din sticlă, filamentul metalic și soclul. Balonul sau anvelopa lămpii are rolul de a evita contactul dintre aerul atmosferic şi filament. El are forme diferite (standard, sferic, lumânare, pătrat) în funcție de destinația izvorului de lumină, dar în toate situațiile corespunde unei suprafețe izoterme de cel mult 150 °C a filamentului lămpii. Baloanele din sticlă clară transmit în totalitate lumina, dar prezintă o luminozitate ridicată, jenantă şi de aceea se preferă baloanele mate. Sticlele mate, lăptoase, opaline și opalizate sunt destinate confecționării lămpilor cu lumină difuză, ce asigură un microclimat luminos confortabil. Filamentul lămpii se realizează din wolfram, caracterizat prin temperatură de topire ridicată (3665 K), rezistență mecanică bună şi volatilizare redusă la temperaturi înalte. Pentru a evita oxidarea wolframului, baloanele lămpilor de mică putere – până la 25 W inclusiv – se videază, iar la puteri mai mari balonul este umplut cu gaze inerte. În prezent, datorită eficienței lor mai scăzute, politica Uniunii Europene este de a interzice comercializarea lămpilor cu incandescenţă cu puteri mai mari de 75 W.

Surse de iluminat cu incandescență cu halogen. Performanțele lămpilor cu incandescenţă clasice sunt limitate de volatilizarea intensă a filamentului la temperaturi ridicate. În vederea diminuării acestui proces, concomitent cu mărirea duratei de funcționare şi a puterii unitare, au fost concepute şi realizate lămpile cu incandescenţă cu halogeni. Lămpile cu halogen diferă constructiv de lămpile cu incandescență clasice astfel:

• balonul în care este plasat filamentul este construit din cuarț, are formă cilindrică și dimensiuni mici;
• în interiorul tubului, pe lângă gazul inert (argon, krypton sau xenon) este introdus și un halogen (brom sau iod).

Principiul de funcționare. La încălzirea filamentului, atomii de wolfram care se evaporă se combină cu atomii de halogen și formează un compus numit iodură de wolfram sau bromură de wolfram. Acest compus, care este tot sub formă de vapori, când ajunge în apropierea filamentului fierbinte, se descompune, lăsând metalul pe filament și eliberând halogenul înapoi în interiorul tubului. Astfel, halogenul care este introdus în interiorul tubului împiedică subțierea filamentului lămpii, prelungind astfel durata de funcționare a lămpii cu halogen.

Parametrii:

• tensiunea de alimentare – în funcție de tipul constructiv al becului, poate fi de 6 V, 12 V, 24 V, 120 V sau 220 V;
• puterea electrică – becurile cu incandescență se construiesc pentru puteri electrice cuprinse între 1 W și 20.000 W;
• randamentul este cuprins între 20 și 30 lm/W (lumen/watt);
• durata de funcționare – până la 4000 de ore.

Domeniul de utilizare:

• iluminare generală, spoturi;
• iluminare auto;
• iluminare platouri de filmare, studiouri de televiziune;
• iluminare stadioane și aerodromuri.