آشنایی با انواع لامپ رشته ای

لامپ رشته ای، نوعی از لامپ است که در آن منبع نور، یک هادی الکتریکی ظریف است که با عبور جریان گرم می شود تا زمانی که نور ساطع کند.

هنگامی که یک ماده جامد یا گاز گرم می شود، معمولاً در اثر احتراق یا مقاومت بالا در برابر عبور جریان الکتریکی، نوری با رنگ مشخص که مشخصه ماده است را منتشر می کند.

در حقیقت، لامپ رشته ای به هر وسیله ای که با حرارت دادن یک ماده مناسب تا دمای بالا نور تولید می کند، اطلاق می شود.

در این مقاله سعی داریم تا انواع لامپ رشته ای الکتریکی را معرفی کرده و کاربردهای آنها را بیان کنیم. با ما همراه باشید.

لامپ رشته ای چیست؟

لامپ های رشته ای یکی از منابع اصلی برای روشنایی الکتریکی هستند و بیش از 100 سال است که مورد استفاده قرار می گیرند.

در حالی که توماس ادیسون به عنوان مخترع لامپ رشته ای شناخته می شود، افراد بسیاری هستند که قبل از ادیسون اجزا و نمونه های اولیه لامپ را اختراع کردند.

تاریخچه مختصر

با توسعه برق و قدرت در اوایل قرن نوزدهم، تنها توجه جدی به روشنایی از طریق جریان الکتریسیته، روشنایی قوس الکتریکی بود که در آن نور درخشانی از جرقه الکتریکی بین دو الکترود ساطع می‌ شود.

در اوایل سال 1808، نور الکتریکی حاصل از قوس کربنی معرفی شد و در سال 1858، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی، مایکل فارادی، اولین ژنراتور الکتریکی را ابداع کرد تا یک لامپ قوس کربنی بزرگ را برای فانوس دریایی راه اندازی کند.

اما این لامپ قوس کربنی آنقدر روشن بود و توان مصرفی بالایی داشت که هرگز به طور گسترده مورد استفاده عمومی قرار نگرفت و تنها محدود به تأسیسات بزرگی مانند فانوس دریایی، ایستگاه های قطار و فروشگاه های بزرگ بود.

در سال 1801، شیمیدان انگلیسی، سر همفری دیوی (Sir Humphry Davy)، مهتابی با نوارهای پلاتینی را که در هوای آزاد با جریان الکتریسیته گرم می شدند، ارائه کرده بود، اما این نوارها دوام زیادی نداشتند.

در سال 1841، Frederick de Moleyns از انگلستان، اولین گواهی ثبت اختراع مربوط به یک لامپ رشته ای را دریافت کرد، او از ذغال پودری استفاده کرده بود که بین دو سیم پلاتین گرم می شدند.

با این وجود، توسعه تجاری این لامپ رشته‌ ای به تأخیر افتاد، زیرا نیاز بود تا رشته‌ ای ساخته شود که بدون ذوب شدن تا حد تابش نور گرم شود.

در سال 1865، پمپ جیوه اختراع شد که خلأ کافی مورد نیاز در لامپ را فراهم می کرد. در سال 1878، یک لامپ فیلامنت کربنی نیز توسط فیزیکدان انگلیسی سر جوزف ویلسون سوان و مخترع آمریکایی توماس آلوا ادیسون (در سال بعد و به طور مستقل) ساخته شد.

تا سال 1880 هر دو برای اختراع لامپ های رشته ای خود درخواست ثبت اختراع کرده بودند و دعوای آن دو با تأسیس یک شرکت مشترک در سال 1883 حل شد.

با این حال، ادیسون به دلیل توسعه خطوط برق و سایر تجهیزات مورد نیاز برای استقرار لامپ رشته‌ ای در یک سیستم روشنایی عملی، همواره اعتبار اصلی این اختراع را دریافت کرده است.

لامپ رشته ای کربن در واقع بسیار ناکارآمد بود، اما دوده و خطرات آتش سوزی با زغال سنگ را از بین برد و بنابراین خیلی زود، مورد استقبال گسترده قرار گرفت. در واقع، به لطف لامپ رشته ای، روشنایی الکتریکی تا سال 1900 به بخشی پذیرفته شده از زندگی شهری تبدیل شد.

در نهایت لامپ رشته ای نوع کربنی با رشته تنگستن کارآمدتر جایگزین شد که توسط جورج کولیج (George Coolidge) از شرکت جنرال الکتریک ساخته شد و اولین بار در سال 1908 ظاهر شد.

در سال 1913 رشته‌ ها حالت پیچ‌ خورده گرفتند و لامپ‌ ها با گاز بی‌ اثر یا نجیب پر شدند (ابتدا نیتروژن به تنهایی و بعداً نیتروژن و آرگون به نسبت‌ های متناسب با وات تغییر می‌ کرد) و رفته رفته، راندمان و طول عمر این لامپ ها افزایش یافت.

در آغاز سال 1925، لامپ‌ ها از داخل با اسید هیدروفلوئوریک مات می‌ شدند تا به جای روشنایی خیره‌ کننده، رشته‌ های پنهان نوری پراکنده تر ایجاد کنند.

فیلامنت دو سیم پیچی که امروزه مورد استفاده قرار می گیرد حدود سال 1930 معرفی شد. با این پیشرفت‌ ها، لامپ رشته‌ ای به شکل اصلی لامپ الکتریکی برای مصارف خانگی تبدیل شد.

در سال 1938، اولین لامپ های تخلیه فلورسنت تجاری با استفاده از بخار جیوه و لوله های پوشش داده شده با فسفر برای افزایش خروجی نور مرئی تولید شدند. لامپ های فلورسنت تقریباً دو برابر لامپ های تنگستن بازدهی داشتند و به سرعت برای مصارف تجاری و اداری به کار رفتند.

در اوایل قرن بیست و یکم استفاده رو به رشدی در خانه ها پیدا کردند اما به دلیل نگرانی در مورد مصرف انرژی و گرم شدن کره زمین، دولت ها در سراسر جهان شروع به اجباری کردن حذف لامپ های رشته ای برای مصارف خانگی کردند.

در سال 2007 استرالیا برنامه‌ های خود را برای حذف تدریجی لامپ‌ های رشته‌ ای تا سال 2010 اعلام کرد. در اتحادیه اروپا، فروش و واردات انواع لامپ‌ رشته‌ ای با وات بالا (100 وات یا بیشتر، مات یا شفاف) ممنوع شد.

در سال 2007 کنگره ایالات متحده نیز قانونی را تصویب کرد که خواستار حذف مرحله اجباری لامپ‌ های رشته‌ ای بین سال‌ های 2012 و 2014 شد.

تعریف لامپ رشته ای

لامپ رشته ای الکتریکی

لامپ رشته ای منبعی از نور الکتریکی است که با تابش کار می کند و انتشار نور ناشی از گرم شدن رشته است. این لامپ ها در طیف بسیار گسترده ای از اندازه ها، وات مصرفی یا توان و ولتاژ ساخته می شوند.

رشته یا فیلامانت لامپ های رشته ای، به طور معمول از تنگستن ساخته شده است که اجازه می دهد تا در دماهای نسبتاً بالا از 2400 تا 2800 کلوین و حتی تا حدود 3200 کلوین در لامپ های هالوژن عمل کند.

رشته ممکن است فقط توسط دو سیم حامل جریان (الکترود یا رشته) یا به طور متناوب توسط سیم های پشتیبانی اضافی که در یک پایه شیشه ای عایق ثابت شده اند پشتیبانی شود.

به منظور جلوگیری از اکسیداسیون سریع رشته، آن را در یک حباب شیشه ای قرار می دهند که یا تخلیه می شود یا (بیشتر) با مقداری گاز بی اثر کم فشار مانند نیتروژن، آرگون یا کریپتون پر می شود تا تبخیر رشته را کند نماید.

اما ممکن است مقداری گرما از دست برود که می توان با انتخاب گازی با وزن اتمی سنگین مانند کریپتون یا زنون آن را به حداقل رساند. توجه داشته باشید که این لامپ ها نباید لامپ های کریپتون یا زنون نامیده شوند، زیرا آنها لامپ های تخلیه گاز هستند.

اندازه لامپ شیشه ای به اندازه کافی بزرگ انتخاب می شود تا از دماهای بیش از حد در حین کار جلوگیری شود و اثرات تیره شدن توسط فلز رشته ای تبخیر شده محدود شود. شیشه می تواند شفاف باشد، رشته را از بیرون قابل مشاهده می کند، یا برای کاهش تابش نور، مات شده باشد.

اکثر انواع لامپ رشته ای دارای سوکت معمولی هستند. به عنوان مثال، سوکت های E27 و E14  برای لامپ های معمولی خانگی رایج هستند و می توان به سادگی آنها را در یک فیکسچر مناسب پیچ کرد.

لامپ های رشته ای را می توان برای ولتاژهای کاری مختلف ساخت. لامپ های خانگی معمولاً با ولتاژهای شبکه مانند 220 ولت (در ایران) یا 110 ولت (امریکا) کار می کنند.

این انواع از لامپ ها، نیاز به یک رشته کاملاً نازک دارند که متأسفانه آنها را نسبت به شوک مکانیکی و همچنین به تبخیر تدریجی مواد در حین کار حساس تر می کند.

اغلب لامپ های رشته ای ولتاژ بالا دارای دو سیم پیچ شده هستند که این پیکربندی باعث بهبود راندمان و طول عمر می شود.

لامپ های ولتاژ پایین، مانند ولتاژهای 6 ولت و 12 ولت را می توان با رشته های بسیار ضخیم تری ساخت، زیرا نیاز به مقاومت الکتریکی کمتری دارند.

لامپ های رشته ای عمر نسبتاً کوتاهی داشته (معمولاً 1000 تا 2000 ساعت استفاده) و کمترین کارایی را در بین منابع نور معمولی دارند. در واقع تنها حدود 15 درصد انرژی مصرفی آنها به صورت نور و بقیه تبدیل به گرما می شود.

با این وجود، آنها همچنان در کشور ما محبوب هستند زیرا رنگ دلپذیری را تولید می کنند که شبیه نور طبیعی خورشید است و خرید آنها کم هزینه است.  رایج ترین گزینه های نور پردازی رشته ای در فضای باز متال هالید و سدیم پرفشار هستند.

لامپ رشته ای غیر الکتریکی

لامپ های رشته ای غیر الکتریکی شامل لامپ های توری گازی است. توری یک کیسه پارچه مشبک آغشته به محلولی از نیترات سریم و یک یا چند فلز دیگر است: توریم، بریلیم، آلومینیوم یا منیزیم.

توری روی دهانه ای که گاز قابل اشتعال مانند گاز طبیعی، گاز زغال سنگ، پروپان یا بنزن بخار شده یا سوخت دیگر را حمل می کند، ثابت می شود.

هنگامی که گاز مشتعل می شود، پارچه توری می سوزد و یک شبکه باقی مانده شکننده از اکسیدهای فلزی باقی می ماند. نور زمانی تولید می شود که این شبکه با احتراق گاز گرم می شود تا درخشنده شود، اگرچه خود توری نمی سوزد.

لایم لایت یک لامپ گازی بسیار درخشان است که در سال 1825 اختراع شد و تا حدود سال 1900 به طور گسترده برای نورپردازی تئاتر استفاده می شد. این لامپ از یک بلوک آهک (اکسید کلسیم) تشکیل شده است که در شعله اکسی هیدروژن گرم می شد.

اجزای یک لامپ رشته ای الکتریکی

یک لامپ رشته ای معمولاً از یک محفظه شیشه ای حاوی رشته تنگستن تشکیل شده است، به طوری که جریان الکتریکی از فیلامنت عبور می کند و آن را تا دمایی گرم می کند که نور تولید شود.

لامپ‌ های رشته‌ ای معمولاً دارای یک پایه شیشه‌ ای هستند که به انتهای لامپ متصل شده است و امکان ورود و اتصال به جریان را فراهم می کند و اجازه می دهد سیم‌ های اتصال بدون نشت گاز/هوا به داخل حباب عبور کنند.

سیم های کوچکی نیز تعبیه شده اند که از رشته و یا سیم ها پشتیبانی می کنند (یک یا چند اتصال در نوک و یک اتصال در پوسته).

محفظه شیشه ای محصور، حاوی خلأ یا گاز بی اثر است تا از تبخیر فیلامنت جلوگیری کند و یا آن را به تأخیر بیندازد. به طور خلاصه به صورت زیر است:

• لامپ یا حباب شیشه ای
• گاز بی اثر
• رشته تنگستن
• سیم های تماس
• سیم های پشتیبانی
• پایه شیشه
• رزوه های پیچ
• عایق

حباب یک لامپ رشته ای

اکثر لامپ ها شیشه ای شفاف یا روکش دار هستند. لامپ های شیشه ای روکش دار دارای خاک رس کائولن هستند که به صورت الکترواستاتیک در داخل لامپ رسوب داده شده اند.

این لایه پودری، نور حاصل از رشته داغ را پخش می کند. گاهی نیز ممکن است رنگدانه هایی به خاک رس اضافه شود تا رنگ نور ساطع شده را تنظیم کند. این لامپ های پراکنده کائولن به دلیل نور نسبتاً ملایمی که دارند، اغلب به طور گسترده در نورپردازی داخلی استفاده می شوند.

انواع دیگری از لامپ های رنگی نیز ساخته شده است، از جمله لامپ های مهمانی، چراغ های درخت کریسمس و سایر نورپردازی های تزئینی. اینها با رنگ کردن شیشه با یک ماده ناخالص ایجاد می شوند. که اغلب فلزی مانند کبالت (آبی) یا کروم (سبز) است.

لامپ هایی که برای کار با قدرت بالا در نظر گرفته می شوند یا برای اهداف گرمایشی استفاده می شوند دارای پوشش هایی از شیشه سخت یا کوارتز ذوب شده خواهند بود.

اگر حباب لامپ نشتی داشته باشد، رشته تنگستن داغ با هوا واکنش می دهد و آئروسلی از نیترید تنگستن قهوه ای، دی اکسید تنگستن قهوه ای، پنتوکسید تنگستن بنفش آبی و تری اکسید تنگستن زرد تولید می کند که بر روی سطوح مجاور یا داخل لامپ رسوب می کند.

گاز داخل لامپ رشته ای

لامپ های رشته ای اولیه، برای محافظت از فیلامنت در برابر اکسیداسیون، تنها از خلأ استفاده می کردند. خلأ تبخیر رشته را افزایش می دهد اما از اتلاف حرارت جلوگیری می کند. برخی از لامپ های کوچک مدرن نیز از خلأ استفاده می کنند.

بیشتر لامپ های مدرن با گازی بی اثر پر می شوند تا تبخیر رشته را کاهش دهند و از اکسید شدن آن جلوگیری کنند. فشار گاز در این لامپ ها، در حدود 70 کیلو پاسکال (0.7 اتمسفر) است.

گاز تبخیر رشته را کاهش می دهد، اما نوع گاز باید با دقت انتخاب شود تا از تلفات حرارتی قابل توجه جلوگیری شود. پر استفاده ترین پر کننده ها عبارتند از:

1. خلأ: که هم در لامپ های کوچک و هم در لامپ های بزرگتر که دمای سطح بیرونی لامپ باید محدود باشد، استفاده می شود.
2. آرگون (93٪) و نیتروژن (7٪): که در آن از آرگون به دلیل بی اثر بودن، هدایت حرارتی کم و هزینه کم استفاده می شود و نیتروژن برای افزایش ولتاژ شکست و جلوگیری از ایجاد قوس بین قسمت های رشته اضافه می شود.
3. کریپتون: که به دلیل وزن اتمی بالاتر و رسانایی حرارتی پایین تر از آرگون سودمند است (که امکان استفاده از لامپ های کوچکتر را نیز فراهم می کند)، اما استفاده از آن به دلیل هزینه بسیار بالاتر مانع می شود.
4. ترکیب کریپتون و زنون
5. هیدروژن: در لامپ های چشمک زن خاص که در آن خنک شدن سریع رشته مورد نیاز است.
6. گازهای هالوژن

انواع لامپ رشته ای الکتریکی

به طور کلی دو نوع اصلی از لامپ های رشته ای موجود هستند:

• معمولی
• هالوژن

تفاوت این دو نوع در گازی است که آنها را پر می کند. لامپ های هالوژن حاوی گاز خاصی هستند که به تمیز نگه داشتن لامپ کمک می کند و کارایی آن را اندکی بهبود می بخشد.

لامپ هالوژن-تنگستن

لامپ های هالوژن-تنگستن نوعی لامپ رشته ای هستند که در سال های اخیر محبوبیت فزاینده ای پیدا کرده اند. آنها نور سفیدتر و شدیدتری نسبت به لامپ های رشته ای معمولی تولید می کنند و معمولاً برای نورپردازی تزئینی، نمایشگر یا برجسته استفاده می شوند.

لامپ هالوژن-تنگستن متشکل از یک رشته تنگستن است که در یک پاکت شفاف فشرده قرار داده شده است که با مخلوطی از گاز بی اثر و مقدار کمی هالوژن پر شده است.

ترکیب گاز هالوژن و رشته تنگستن یک واکنش شیمیایی در چرخه هالوژن ایجاد می کند که تنگستن تبخیر شده را مجدداً روی رشته رسوب می دهد و عمر آن را افزایش می دهد و شفافیت پوشش را حفظ می کند.

این فرایند به رشته اجازه می دهد تا در دمای بالاتری، با توان مصرفی و عمر کاری مشابه کار کند. آنها تقریباً دو برابر کارآمدتر از لامپ های رشته ای معمولی هستند و معمولاً دو تا چهار برابر بیشتر عمر می کنند.

اندازه کوچک لامپ های هالوژن امکان استفاده از آنها را در سیستم های نوری فشرده مانند پروژکتورها و یا سیستم های اپتیکی مانند اسپکتروفتومترها و میکروسکوپ های نوری فراهم می کند.

معمولاً حباب شیشه ای کوچک، درون یک لامپ شیشه ای بیرونی بسیار بزرگتر محصور شود که دمای پایین تری دارد که لامپ داخلی را از آلودگی محافظت می کند و مقاومت مکانیکی آن را افزایش می دهد.

سخن پایانی

لامپ های رشته ای هنوز به طور گسترده برای اهداف روشنایی عمومی استفاده می شوند، اما در سال‌ های قبل، آنها برای مصارف خانگی معمولاً با لامپ‌های فلورسنت جایگزین شده‌ اند.

در برخی از کاربردها نیز جایگزینی لامپ رشته ای با سایر منابع نوری دشوار است. به عنوان مثال، عملکرد آنها در طیف بسیار گسترده ای از دماها برای محیط کوره ها بسیار مهم است. در این مقاله، انواع لامپ رشته ای را مورد بررسی قرار دادیم. امیدواریم که مفید باشد.

منابع

Wikipedia

ScienceDirect