Lâmpada incandescente - Incandescent light bulb

Uma lâmpada incandescente de 230 volts com uma base de parafuso macho E27 (Edison 27 mm) de tamanho médio . O filamento é visível como a linha horizontal entre os fios de alimentação verticais.
Uma imagem SEM do filamento de tungstênio de uma lâmpada incandescente

Uma lâmpada incandescente , lâmpada incandescente ou globo de luz incandescente é uma luz elétrica com um filamento de arame aquecido até brilhar. O filamento é envolto em um bulbo de vidro com vácuo ou gás inerte para proteger o filamento da oxidação . A corrente é fornecida ao filamento por terminais ou fios embutidos no vidro. Um soquete de lâmpada fornece suporte mecânico e conexões elétricas.

As lâmpadas incandescentes são fabricadas em uma ampla gama de tamanhos, saída de luz e classificações de voltagem , de 1,5 volts a cerca de 300 volts. Eles não requerem nenhum equipamento regulador externo , têm baixos custos de fabricação e funcionam igualmente bem em corrente alternada ou corrente contínua . Como resultado, a lâmpada incandescente tornou-se amplamente utilizada em iluminação doméstica e comercial, para iluminação portátil, como lâmpadas de mesa, faróis de carros e lanternas , e para iluminação decorativa e publicitária.

As lâmpadas incandescentes são muito menos eficientes do que outros tipos de iluminação elétrica, convertendo menos de 5% da energia que usam em luz visível. A energia restante é perdida na forma de calor. A eficácia luminosa de uma lâmpada incandescente típica para operação de 120 V é de 16 lumens por watt, em comparação com 60 lm / W para uma lâmpada fluorescente compacta ou 150 lm / W para algumas lâmpadas LED brancas .

Algumas aplicações usam o calor gerado pelo filamento. As lâmpadas de calor são feitas para usos como incubadoras , lâmpadas de lava e o brinquedo Easy-Bake Oven . Aquecedores infravermelhos de halogênio de tubo de quartzo são usados ​​em processos industriais, como cura de tintas ou aquecimento ambiente.

Lâmpadas incandescentes normalmente têm vida útil curta em comparação com outros tipos de iluminação; em torno de 1.000 horas para lâmpadas domésticas contra tipicamente 10.000 horas para fluorescentes compactas e 20.000-30.000 horas para LEDs de iluminação. As lâmpadas incandescentes podem ser substituídas por lâmpadas fluorescentes , lâmpadas de descarga de alta intensidade e lâmpadas de diodo emissor de luz (LED). Algumas áreas implementaram a eliminação do uso de lâmpadas incandescentes para reduzir o consumo de energia.

História

Os historiadores Robert Friedel e Paul Israel listam os inventores das lâmpadas incandescentes antes de Joseph Swan e Thomas Edison . Eles concluíram que a versão de Edison foi capaz de superar as outras por causa de uma combinação de três fatores: um material incandescente eficaz , um vácuo mais alto do que os outros foram capazes de atingir (pelo uso da bomba Sprengel ) e uma alta resistência que tornou a distribuição de energia uma fonte centralizada economicamente viável.

O historiador Thomas Hughes atribuiu o sucesso de Edison ao desenvolvimento de um sistema completo e integrado de iluminação elétrica.

A lâmpada era um pequeno componente em seu sistema de iluminação elétrica e não mais crítica para seu funcionamento eficaz do que o gerador Edison Jumbo , o principal e alimentador Edison e o sistema de distribuição paralela. Outros inventores com geradores e lâmpadas incandescentes, e com engenhosidade e excelência comparáveis, há muito foram esquecidos porque seus criadores não presidiram a sua introdução em um sistema de iluminação .

-  Thomas P. Hughes, em Technology at the Turning Point , editado por WB Pickett

Pesquisa pré-comercial inicial

Lâmpada de filamento de carbono original da loja de Thomas Edison em Menlo Park

Em 1761, Ebenezer Kinnersley demonstrou o aquecimento de um fio até a incandescência.

Em 1802, Humphry Davy usou o que descreveu como "uma bateria de tamanho imenso", consistindo de 2.000 células alojadas no porão da Royal Institution da Grã-Bretanha, para criar uma luz incandescente ao passar a corrente por uma fina faixa de platina , escolhido porque o metal tinha um ponto de fusão extremamente alto . Não foi brilhante o suficiente nem durou o suficiente para ser prático, mas foi o precedente por trás dos esforços de dezenas de experimentadores ao longo dos 75 anos seguintes.

Ao longo dos primeiros três quartos do século 19, muitos experimentadores trabalharam com várias combinações de fios de platina ou irídio, hastes de carbono e invólucros evacuados ou semi-evacuados. Muitos desses dispositivos foram demonstrados e alguns foram patenteados.

Em 1835, James Bowman Lindsay demonstrou uma luz elétrica constante em uma reunião pública em Dundee, Escócia . Ele afirmou que poderia "ler um livro a uma distância de um pé e meio". No entanto, ele não desenvolveu mais a luz elétrica.

Em 1838, o litógrafo belga Marcelino Jobard inventou uma lâmpada incandescente com uma atmosfera de vácuo usando um filamento de carbono.

Em 1840, o cientista britânico Warren de la Rue encerrou um filamento de platina enrolado em um tubo de vácuo e passou uma corrente elétrica por ele. O projeto foi baseado no conceito de que o alto ponto de fusão da platina permitiria operar em altas temperaturas e que a câmara evacuada conteria menos moléculas de gás para reagir com a platina, melhorando sua longevidade. Embora fosse um projeto viável, o custo da platina o tornava impraticável para uso comercial.

Em 1841, Frederick de Moleyns da Inglaterra obteve a primeira patente para uma lâmpada incandescente, com um design usando fios de platina contidos em uma lâmpada a vácuo. Ele também usou carbono.

Em 1845, o americano John W. Starr patenteou uma lâmpada incandescente usando filamentos de carbono. Sua invenção nunca foi produzida comercialmente.

Em 1851, Jean Eugène Robert-Houdin fez uma demonstração pública de lâmpadas incandescentes em sua propriedade em Blois, França. Suas lâmpadas estão expostas no museu do Château de Blois .

Em 1859, Moses G. Farmer construiu uma lâmpada elétrica incandescente usando um filamento de platina. Mais tarde, ele patenteou uma lâmpada que foi comprada por Thomas Edison.

Alexander Lodygin no selo postal soviético de 1951

Em 1872, o russo Alexander Lodygin inventou uma lâmpada incandescente e obteve a patente russa em 1874. Usou como queimador duas hastes de carbono de seção diminuída em um receptor de vidro, hermeticamente selado e preenchido com nitrogênio, eletricamente dispostas para que a corrente pudesse ser passado para o segundo carbono quando o primeiro tiver sido consumido. Mais tarde, ele morou nos Estados Unidos, mudou seu nome para Alexander de Lodyguine e solicitou e obteve patentes para lâmpadas incandescentes com cromo , irídio , ródio , rutênio , ósmio , molibdênio e filamentos de tungstênio , e uma lâmpada usando um filamento de molibdênio foi demonstrada no feira mundial de 1900 em Paris.

Em 24 de julho de 1874, uma patente canadense foi registrada por Henry Woodward e Mathew Evans para uma lâmpada consistindo de hastes de carbono montadas em um cilindro de vidro cheio de nitrogênio. Eles não tiveram sucesso na comercialização de sua lâmpada e venderam os direitos de sua patente ( Patente dos Estados Unidos 0,181,613 ) para Thomas Edison em 1879.

Em 4 de março de 1880, apenas cinco meses após a lâmpada de Edison, Alessandro Cruto criou sua primeira lâmpada incandescente. Cruto produziu um filamento por deposição de grafite sobre finos filamentos de platina, aquecendo-o com corrente elétrica na presença de álcool etílico gasoso . O aquecimento dessa platina em altas temperaturas deixa para trás finos filamentos de platina revestidos com grafite pura. Em setembro de 1881, ele conseguiu uma versão bem-sucedida desse primeiro filamento sintético. A lâmpada inventada por Cruto durou quinhentas horas, ao contrário das quarenta da versão original de Edison. Em 1882, a Exposição Elétrica de Munique em Baveria, Alemanha, a lâmpada de Cruto era mais eficiente do que a de Edison e produzia uma luz branca melhor.

Heinrich Göbel em 1893 afirmou que projetou a primeira lâmpada incandescente em 1854, com um fino filamento de bambu carbonizado de alta resistência, fios de platina em um envelope todo de vidro e alto vácuo. Juízes de quatro tribunais levantaram dúvidas sobre a suposta antecipação de Göbel, mas nunca houve uma decisão em uma audiência final devido à data de expiração da patente de Edison. Um trabalho de pesquisa publicado em 2007 concluiu que a história das lâmpadas Göbel na década de 1850 é uma lenda.

Comercialização

Filamento de carbono e vácuo

Lâmpadas de filamento de carbono, mostrando escurecimento da lâmpada

Joseph Swan (1828–1914) foi um físico e químico britânico. Em 1850, ele começou a trabalhar com filamentos de papel carbonizado em um bulbo de vidro evacuado. Em 1860, ele foi capaz de demonstrar um dispositivo funcional, mas a falta de um bom vácuo e um fornecimento adequado de eletricidade resultou em uma vida útil curta para a lâmpada e uma fonte de luz ineficiente. Em meados da década de 1870, bombas melhores se tornaram disponíveis, e Swan voltou a seus experimentos.

Placa histórica em Underhill , a primeira casa a ser iluminada por luzes elétricas

Com a ajuda de Charles Stearn , um especialista em bombas de vácuo, em 1878, Swan desenvolveu um método de processamento que evitou o escurecimento precoce do bulbo. Este recebeu uma patente britânica em 1880. Em 18 de dezembro de 1878, uma lâmpada usando uma haste de carbono delgada foi mostrada em uma reunião da Newcastle Chemical Society , e Swan deu uma demonstração de trabalho em sua reunião em 17 de janeiro de 1879. Também foi mostrada a 700 que compareceram a uma reunião da Sociedade Literária e Filosófica de Newcastle upon Tyne em 3 de fevereiro de 1879. Essas lâmpadas usavam uma haste de carbono de uma lâmpada de arco em vez de um filamento fino. Assim, eles tinham baixa resistência e exigiam condutores muito grandes para fornecer a corrente necessária, de modo que não eram comercialmente práticos, embora fornecessem uma demonstração das possibilidades da iluminação incandescente com vácuo relativamente alto, um condutor de carbono e fios de chumbo de platina . Essa lâmpada durou cerca de 40 horas. Swan então voltou sua atenção para a produção de um filamento de carbono melhor e os meios de anexar suas extremidades. Ele planejou um método de tratamento de algodão para produzir 'fio em pergaminho' no início da década de 1880 e obteve a patente britânica 4933 no mesmo ano. A partir deste ano ele começou a instalar lâmpadas em residências e pontos turísticos da Inglaterra. Sua casa, Underhill, Low Fell, Gateshead , foi a primeira no mundo a ser iluminada por uma lâmpada. No início da década de 1880, ele iniciou sua empresa. Em 1881, o Savoy Theatre na cidade de Westminster , Londres, foi iluminado por lâmpadas incandescentes Swan, que foi o primeiro teatro e o primeiro edifício público do mundo a ser totalmente iluminado por eletricidade. A primeira rua do mundo a ser iluminada por uma lâmpada incandescente foi a Mosley Street, Newcastle upon Tyne , Reino Unido . Foi aceso pela lâmpada incandescente de Joseph Swan em 3 de fevereiro de 1879.

Comparação das lâmpadas Edison, Maxim e Swan, 1885
Lâmpadas de filamento de carbono Edison, início da década de 1880

Thomas Edison começou uma pesquisa séria para o desenvolvimento de uma lâmpada incandescente prática em 1878. Edison entrou com seu primeiro pedido de patente para "Melhoramento em Luzes Elétricas" em 14 de outubro de 1878. Depois de muitos experimentos, primeiro com carbono no início de 1880 e depois com platina e outros metais , no final Edison voltou a ser um filamento de carbono. O primeiro teste bem-sucedido foi em 22 de outubro de 1879 e durou 13,5 horas. Edison continuou a melhorar este projeto e, em 4 de novembro de 1879, entrou com pedido de patente nos Estados Unidos para uma lâmpada elétrica usando "um filamento ou tira de carbono enrolada e conectada ... a fios de contato de platina". Embora a patente descreva várias maneiras de criar o filamento de carbono, incluindo o uso de "fios de algodão e linho, talas de madeira, papéis enrolados de várias maneiras", Edison e sua equipe descobriram mais tarde que um filamento de bambu carbonizado pode durar mais de 1200 horas. Em 1880, o navio da Oregon Railroad and Navigation Company , Columbia , tornou-se a primeira aplicação para as lâmpadas elétricas incandescentes de Edison (foi também o primeiro navio a usar um dínamo ).

Albon Man , um advogado de Nova York, fundou a Electro-Dynamic Light Company em 1878 para explorar suas patentes e as de William Sawyer . Semanas depois, foi organizada a United States Electric Lighting Company. Essa empresa não fez sua primeira instalação comercial de lâmpadas incandescentes até o outono de 1880 na Mercantile Safe Deposit Company na cidade de Nova York, cerca de seis meses após as lâmpadas incandescentes Edison terem sido instaladas no Columbia . Hiram S. Maxim era o engenheiro-chefe da United States Electric Lighting Company.

Lewis Latimer , empregado na época por Edison, desenvolveu um método aprimorado de tratamento térmico dos filamentos de carbono que reduzia a quebra e permitia que fossem moldados em novas formas, como a característica forma "M" dos filamentos Maxim. Em 17 de janeiro de 1882, Latimer recebeu uma patente para o "Processo de Fabricação de Carbonos", um método aprimorado para a produção de filamentos de lâmpadas, que foi adquirido pela United States Electric Light Company. Latimer patenteou outras melhorias, como uma maneira melhor de prender filamentos em seus suportes de arame.

Na Grã-Bretanha, as empresas Edison e Swan se fundiram na Edison and Swan United Electric Company (mais tarde conhecida como Ediswan e, por fim, incorporada à Thorn Lighting Ltd ). Edison foi inicialmente contra essa combinação, mas depois que Swan o processou e ganhou, Edison foi forçado a cooperar e a fusão foi feita. Eventualmente, Edison adquiriu toda a participação de Swan na empresa. Swan vendeu seus direitos de patente nos Estados Unidos para a Brush Electric Company em junho de 1882.

Patente US 0,223,898 de Thomas Edison para uma lâmpada elétrica melhorada, 27 de janeiro de 1880

O Escritório de Patentes dos Estados Unidos deu uma decisão em 8 de outubro de 1883, que as patentes de Edison eram baseadas na técnica anterior de William Sawyer e eram inválidas. O litígio continuou por vários anos. Eventualmente, em 6 de outubro de 1889, um juiz decidiu que o pedido de melhoria de luz elétrica de Edison para "um filamento de carbono de alta resistência" era válido.

Em 1896, o inventor italiano Arturo Malignani (1865–1939) patenteou um método de evacuação para produção em massa, que permitia obter lâmpadas econômicas com duração de 800 horas. A patente foi adquirida por Edison em 1898.

Em 1897, o físico e químico alemão Walther Nernst desenvolveu a lâmpada de Nernst , uma forma de lâmpada incandescente que usava um globo de cerâmica e não exigia isolamento em vácuo ou gás inerte. Duas vezes mais eficientes que as lâmpadas de filamento de carbono, as lâmpadas Nernst foram rapidamente populares até serem ultrapassadas por lâmpadas que usam filamentos de metal.

Filamento de metal, gás inerte

Hanaman (esquerda) e Just (direita), os inventores das lâmpadas de tungstênio
Publicidade húngara da lâmpada Tungsram de 1906. Esta foi a primeira lâmpada a usar um filamento feito de tungstênio em vez de carbono. A inscrição diz: lâmpada de arame com arame trefilado - indestrutível .
Espectro de uma lâmpada incandescente a 2200 K, mostrando a maior parte de sua emissão como luz infravermelha invisível .

Em 1902, a Siemens desenvolveu um filamento de lâmpada de tântalo que era mais eficiente do que os filamentos de carbono grafitado, pois podiam operar em temperaturas mais altas. Como o metal de tântalo tem uma resistividade menor do que o carbono, o filamento da lâmpada de tântalo era bastante longo e exigia vários suportes internos. O filamento de metal encurtou gradualmente com o uso; os filamentos foram instalados com grandes laços de folga. As lâmpadas usadas por várias centenas de horas tornaram-se bastante frágeis. Os filamentos de metal têm a propriedade de quebrar e soldar novamente, embora isso geralmente diminua a resistência e encurte a vida útil do filamento. A General Electric comprou os direitos de uso de filamentos de tântalo e os produziu nos EUA até 1913.

De 1898 a cerca de 1905, o ósmio também foi usado como um filamento de lâmpada na Europa. O metal era tão caro que lâmpadas quebradas usadas podiam ser devolvidas com crédito parcial. Ele não poderia ser feito para 110 V ou 220 V, então várias lâmpadas foram conectadas em série para uso em circuitos de tensão padrão.

Em 13 de dezembro de 1904, o húngaro Sándor Just e o croata Franjo Hanaman obtiveram uma patente húngara (nº 34541) para uma lâmpada de filamento de tungstênio que durava mais e fornecia uma luz mais brilhante do que o filamento de carbono. As lâmpadas de filamento de tungstênio foram comercializadas pela primeira vez pela empresa húngara Tungsram em 1904. Esse tipo é freqüentemente chamado de lâmpadas Tungsram em muitos países europeus. Encher uma lâmpada com um gás inerte , como argônio ou nitrogênio, retarda a evaporação do filamento de tungstênio em comparação com operá-lo no vácuo. Isso permite maiores temperaturas e, portanto, maior eficácia com menos redução na vida do filamento.

Em 1906, William D. Coolidge desenvolveu um método de fabricação de "tungstênio dúctil" a partir de tungstênio sinterizado, que poderia ser transformado em filamentos enquanto trabalhava para a General Electric Company . Em 1911, a General Electric começou a vender lâmpadas incandescentes com fio de tungstênio dúctil.

Em 1913, Irving Langmuir descobriu que encher uma lâmpada com gás inerte em vez de vácuo resultava em duas vezes a eficácia luminosa e reduzia o escurecimento da lâmpada.

Em 1917, Burnie Lee Benbow obteve a patente do filamento em espiral , no qual um filamento em espiral é então envolvido em uma bobina por meio de um mandril . Em 1921, Junichi Miura criou a primeira lâmpada de bobina dupla usando um filamento de tungstênio em bobina enquanto trabalhava para a Hakunetsusha (predecessora da Toshiba ). Na época, não existia maquinário para a produção em massa de filamentos de bobinas em espiral. Hakunetsusha desenvolveu um método para produzir em massa filamentos em espiral em 1936.

Entre 1924 e a eclosão da Segunda Guerra Mundial, o cartel Phoebus tentou fixar preços e cotas de vendas para fabricantes de lâmpadas fora da América do Norte.

Em 1925, Marvin Pipkin , um químico americano, patenteou um processo para congelar o interior de lâmpadas sem enfraquecê-las. Em 1947, patenteou um processo para revestir o interior de lâmpadas com sílica .

Em 1930, o húngaro Imre Bródy encheu lâmpadas com gás criptônio em vez de argônio e desenvolveu um processo para obter o criptônio do ar. A produção de lâmpadas cheias de criptônio com base em sua invenção começou em Ajka em 1937, em uma fábrica co-projetada por Polányi e o físico húngaro Egon Orowan .

Em 1964, as melhorias na eficiência e na produção de lâmpadas incandescentes reduziram o custo de fornecer uma determinada quantidade de luz por um fator de trinta, em comparação com o custo na introdução do sistema de iluminação de Edison.

O consumo de lâmpadas incandescentes cresceu rapidamente nos EUA. Em 1885, cerca de 300.000 lâmpadas de iluminação geral foram vendidas, todas com filamentos de carbono. Quando os filamentos de tungstênio foram introduzidos, cerca de 50 milhões de soquetes de lâmpada existiam nos Estados Unidos. Em 1914, eram usadas 88,5 milhões de lâmpadas (apenas 15% com filamentos de carbono) e, em 1945, as vendas anuais de lâmpadas eram de 795 milhões (mais de 5 lâmpadas por pessoa por ano).

Eficácia e eficiência

Lâmpada halógena de xenônio com base E27, que pode substituir uma lâmpada não halógena

Mais de 95% da energia consumida por uma lâmpada incandescente típica é convertida em calor em vez de luz visível. Outras fontes de luz elétrica são mais eficazes.

Imagem térmica de uma lâmpada incandescente. 22–175 ° C = 71–347 ° F.

Para uma determinada quantidade de luz, uma lâmpada incandescente consome mais energia e emite mais calor do que uma lâmpada fluorescente . Em edifícios onde o ar condicionado é usado, a saída de calor das lâmpadas incandescentes aumenta a carga no sistema de ar condicionado. Embora o calor das luzes reduza a necessidade de ligar o sistema de aquecimento de um edifício, o último geralmente pode produzir a mesma quantidade de calor a um custo menor do que as lâmpadas incandescentes.

Em comparação com outros tipos de luz incandescente (não halógena), as lâmpadas incandescentes halógenas emitem a mesma quantidade de luz usando menos energia e uma saída mais constante ao longo do tempo, com pouco escurecimento.

A eficácia luminosa de uma fonte de luz é a relação entre a luz visível e a entrada de energia total da fonte, como uma lâmpada. A luz visível é medida em lúmens , uma unidade que é definida em parte pela sensibilidade diferente do olho humano a diferentes comprimentos de onda de luz (ver função de luminosidade ). Nem todos os comprimentos de onda são igualmente eficazes para estimular o olho humano. As unidades de eficácia luminosa são lúmens por watt (lpw). Por definição, a eficácia máxima é 683 lm / W para luz verde monocromática. Uma fonte de luz branca com todos os comprimentos de onda visíveis presentes tem uma eficácia inferior, cerca de 250 lumens por watt.

A eficiência luminosa é definida como a relação entre a eficácia luminosa e a eficácia luminosa máxima teórica de 683 lpw para luz verde.

O gráfico a seguir lista os valores de eficácia e eficiência luminosa para alguns serviços gerais, lâmpadas incandescentes de 120 volts e 1000 horas de vida útil e várias fontes de luz idealizadas. Um gráfico mais longo em eficácia luminosa compara uma gama mais ampla de fontes de luz.

Modelo Eficiência luminosa geral Eficácia luminosa geral (lm / W)
40 W incandescente de tungstênio 1,9% 12,6
60 W tungstênio incandescente 2,1% 14,5
100 W incandescente de tungstênio 2,6% 17,5
Halogênio de vidro 2,3% 16
Halogênio de quartzo 3,5% 24
Lâmpadas fotográficas e de projeção com temperaturas de filamento muito altas e vida útil curta 5,1% 35
Radiador de corpo negro ideal a 4000 K 7,0% 47,5
Radiador de corpo negro ideal a 7000 K 14% 95
Fonte monocromática ideal de 555 nm (verde) 100% 683

O espectro emitido por um radiador de corpo negro em temperaturas de lâmpadas incandescentes não corresponde às características do olho humano, com a maior parte da radiação na faixa que o olho não consegue ver. Um limite superior para a eficácia luminosa de lâmpadas incandescentes é de cerca de 52 lúmens por watt, o valor teórico emitido pelo tungstênio em seu ponto de fusão.

Renderização de cores

O espectro de luz produzido por uma lâmpada incandescente se aproxima de um radiador de corpo negro na mesma temperatura. A base para fontes de luz usadas como padrão para percepção de cores é uma lâmpada incandescente de tungstênio operando em uma temperatura definida.

Distribuição espectral de potência de uma lâmpada incandescente de 25 W.

Fontes de luz como lâmpadas fluorescentes, lâmpadas de descarga de alta intensidade e lâmpadas LED têm maior eficiência luminosa. Esses dispositivos produzem luz por luminescência . Sua luz tem bandas de comprimentos de onda característicos, sem a "cauda" de emissões infravermelhas invisíveis, em vez do espectro contínuo produzido por uma fonte térmica. Por meio da seleção cuidadosa de revestimentos de fósforo fluorescente ou filtros que modificam a distribuição espectral, o espectro emitido pode ser ajustado para imitar a aparência de fontes incandescentes ou outras temperaturas de cor diferentes da luz branca. Quando usadas para tarefas sensíveis à cor, como iluminação de cinema, essas fontes podem exigir técnicas específicas para duplicar a aparência de iluminação incandescente. O metamerismo descreve o efeito de diferentes distribuições de espectro de luz na percepção da cor.

Custo de iluminação

O custo inicial de uma lâmpada incandescente é pequeno em comparação com o custo da energia que ela usa durante sua vida útil. As lâmpadas incandescentes têm uma vida útil mais curta do que a maioria das outras lâmpadas, um fator importante se a substituição for inconveniente ou cara. Alguns tipos de lâmpadas, incluindo as incandescentes e as fluorescentes, emitem menos luz à medida que envelhecem; isso pode ser um inconveniente ou pode reduzir a vida útil devido à substituição da lâmpada antes da falha total. Uma comparação do custo operacional da lâmpada incandescente com outras fontes de luz deve incluir requisitos de iluminação, custo da lâmpada e custo de mão de obra para substituir as lâmpadas (levando em consideração a vida útil efetiva da lâmpada), custo da eletricidade usada, efeito da operação da lâmpada nos sistemas de aquecimento e ar condicionado . Quando usado para iluminação em casas e edifícios comerciais, a energia perdida para o calor pode aumentar significativamente a energia necessária para o sistema de ar condicionado de um edifício . Durante a estação de aquecimento, o calor produzido pelas lâmpadas não é desperdiçado, embora na maioria dos casos seja mais rentável obter calor a partir do sistema de aquecimento. Independentemente disso, ao longo de um ano, um sistema de iluminação mais eficiente economiza energia em quase todos os climas.

Medidas para proibir o uso

Uma vez que as lâmpadas incandescentes usam mais energia do que as alternativas, como lâmpadas fluorescentes compactas e lâmpadas LED , muitos governos introduziram medidas para proibir seu uso, estabelecendo padrões mínimos de eficácia mais elevados do que os que podem ser alcançados pelas lâmpadas incandescentes. Medidas para banir as lâmpadas têm sido implementadas na União Européia, Estados Unidos, Rússia, Brasil, Argentina, Canadá e Austrália, entre outros. Na Europa, a CE calculou que a proibição contribui de 5 a 10 bilhões de euros para a economia e economiza 40 TWh de eletricidade todos os anos, traduzindo-se em reduções de emissões de CO 2 de 15 milhões de toneladas.

As objeções à proibição do uso de lâmpadas incandescentes incluem o maior custo inicial das alternativas e a menor qualidade da luz das lâmpadas fluorescentes. Algumas pessoas se preocupam com os efeitos das lâmpadas fluorescentes na saúde .

Esforços para melhorar a eficácia

Algumas pesquisas foram realizadas para melhorar a eficácia das lâmpadas incandescentes comerciais. Em 2007, a General Electric anunciou um projeto de lâmpada incandescente de alta eficiência (HEI), que alegou ser até quatro vezes mais eficiente do que as lâmpadas incandescentes atuais, embora sua meta inicial de produção fosse ser aproximadamente duas vezes mais eficiente. O programa da IES foi encerrado em 2008 devido ao lento progresso.

A pesquisa do Departamento de Energia dos EUA no Sandia National Laboratories indicou inicialmente o potencial para uma eficiência drasticamente melhorada de um filamento de rede fotônica . No entanto, trabalhos posteriores indicaram que os resultados inicialmente promissores estavam errados.

Impulsionadas pela legislação de vários países que exige maior eficiência das lâmpadas, as lâmpadas incandescentes híbridas foram introduzidas pela Philips . As lâmpadas incandescentes Halogena Energy Saver podem produzir cerca de 23 lm / W; cerca de 30 por cento mais eficiente do que as lâmpadas incandescentes tradicionais, usando uma cápsula reflexiva para refletir a radiação infravermelha anteriormente desperdiçada de volta para o filamento, do qual parte é reemitida como luz visível. Este conceito foi lançado pela Duro-Test em 1980 com um produto comercial que produzia 29,8 lm / W. Refletores mais avançados baseados em filtros de interferência ou cristais fotônicos podem teoricamente resultar em maior eficiência, até um limite de cerca de 270 lm / W (40% da eficácia máxima possível). Experimentos de prova de conceito em laboratório produziram até 45 lm / W, se aproximando da eficácia das lâmpadas fluorescentes compactas.

Construção

As lâmpadas incandescentes consistem em um invólucro de vidro hermético (o envelope ou lâmpada) com um filamento de fio de tungstênio dentro da lâmpada, através do qual uma corrente elétrica é passada. Fios de contato e uma base com dois (ou mais) condutores fornecem conexões elétricas ao filamento. As lâmpadas incandescentes geralmente contêm uma haste ou suporte de vidro ancorado na base da lâmpada que permite que os contatos elétricos percorram o envelope sem vazamentos de ar ou gás. Pequenos fios embutidos na haste, por sua vez, sustentam o filamento e seus fios condutores.

Uma corrente elétrica aquece o filamento a tipicamente 2.000 a 3.300 K (1.730 a 3.030 ° C; 3.140 a 5.480 ° F), bem abaixo do ponto de fusão do tungstênio de 3.695 K (3.422 ° C; 6.191 ° F). As temperaturas do filamento dependem do tipo, formato, tamanho e quantidade de corrente consumida. O filamento aquecido emite luz que se aproxima de um espectro contínuo . A parte útil da energia emitida é a luz visível , mas a maior parte da energia é emitida como calor nos comprimentos de onda do infravermelho próximo .

Lâmpadas

A maioria das lâmpadas possui vidro transparente ou revestido. Lâmpadas de vidro revestidas têm argila de caulim soprada e depositada eletrostaticamente no interior da lâmpada. A camada de pó difunde a luz do filamento. Pigmentos podem ser adicionados à argila para ajustar a cor da luz emitida. Lâmpadas difusas de caulim são amplamente utilizadas na iluminação de interiores por causa de sua luz comparativamente suave. Outros tipos de lâmpadas coloridas também são feitas, incluindo as várias cores usadas para "lâmpadas de festa", luzes de árvore de Natal e outras iluminações decorativas. Eles são criados colorindo o vidro com um dopante ; que geralmente é um metal como cobalto (azul) ou cromo (verde). O vidro contendo neodímio às vezes é usado para fornecer uma luz de aparência mais natural.

Lâmpada incandescente.svg
  1. Contorno da lâmpada de vidro
  2. Gás inerte de baixa pressão ( argônio , nitrogênio , criptônio , xenônio )
  3. Filamento de tungstênio
  4. Fio de contato (sai da haste)
  5. Fio de contato (entra na haste)
  6. Fios de suporte (uma extremidade embutida na haste; não conduza corrente)
  7. Haste (suporte de vidro)
  8. Fio de contato (sai da haste)
  9. Boné (manga)
  10. Isolamento ( vitrite )
  11. Contato elétrico

O bulbo de vidro de uma lâmpada de serviço geral pode atingir temperaturas entre 200 e 260 ° C (392 e 500 ° F). As lâmpadas destinadas a operação de alta potência ou usadas para fins de aquecimento terão invólucros feitos de vidro duro ou quartzo fundido .

Se o envelope de uma lâmpada vazar, o filamento de tungstênio quente reage com o ar, gerando um aerossol de nitreto de tungstênio marrom , dióxido de tungstênio marrom , pentóxido de tungstênio azul-violeta e trióxido de tungstênio amarelo que então se deposita nas superfícies próximas ou no interior do bulbo.

Enchimento de gás

Destruição de um filamento de lâmpada devido à penetração de ar

A maioria das lâmpadas modernas é preenchida com um gás inerte para reduzir a evaporação do filamento e evitar sua oxidação . O gás está a uma pressão de cerca de 70 kPa (0,7 atm).

O gás reduz a evaporação do filamento, mas o preenchimento deve ser escolhido com cuidado para evitar a introdução de perdas de calor significativas. Para essas propriedades, é desejável inércia química e alto peso atômico ou molecular . A presença de moléculas de gás empurra os átomos de tungstênio liberados de volta para o filamento, reduzindo sua evaporação e permitindo que ele opere em temperatura mais elevada sem reduzir sua vida (ou, por operar na mesma temperatura, prolonga a vida do filamento). Por outro lado, a presença do gás leva à perda de calor do filamento - e, portanto, perda de eficiência devido à incandescência reduzida - por condução de calor e convecção de calor .

As primeiras lâmpadas e algumas pequenas lâmpadas modernas usavam apenas vácuo para proteger o filamento do oxigênio. O vácuo aumenta a evaporação do filamento, mas elimina dois modos de perda de calor.

Os preenchimentos mais comumente usados ​​são:

  • Vácuo , usado em pequenas lâmpadas. Oferece o melhor isolamento térmico do filamento, mas não protege contra sua evaporação. Usado também em lâmpadas maiores, onde a temperatura da superfície do bulbo externo deve ser limitada.
  • Argônio (93%) e nitrogênio (7%), onde o argônio é usado por sua inércia, baixa condutividade térmica e baixo custo, e o nitrogênio é adicionado para aumentar a tensão de ruptura e evitar o arco entre as partes do filamento
  • Nitrogênio, usado em algumas lâmpadas de alta potência, por exemplo, lâmpadas de projeção, e onde a tensão de ruptura mais alta é necessária devido à proximidade de peças de filamento ou fios de chumbo
  • Criptônio , que é mais vantajoso que o argônio devido ao seu maior peso atômico e menor condutividade térmica (que também permite o uso de lâmpadas menores), mas seu uso é dificultado por um custo muito maior, confinando-se principalmente a lâmpadas de menor porte.
  • Criptônio misturado com xenônio , onde o xenônio melhora ainda mais as propriedades do gás devido ao seu maior peso atômico. Seu uso é, entretanto, limitado por seu alto custo. As melhorias com o uso do xenônio são modestas em comparação ao seu custo.
  • Hidrogênio , em lâmpadas piscantes especiais onde o resfriamento rápido do filamento é necessário; sua alta condutividade térmica é explorada aqui.

O enchimento de gás deve estar livre de vestígios de água, o que acelera muito o escurecimento do bulbo (veja abaixo).

A camada de gás próxima ao filamento (chamada de camada de Langmuir) está estagnada, com transferência de calor ocorrendo apenas por condução. Apenas a alguma distância ocorre a convecção para transportar o calor para o envelope da lâmpada.

A orientação do filamento influencia a eficiência. O fluxo de gás paralelo ao filamento, por exemplo, um bulbo orientado verticalmente com filamento vertical (ou axial), reduz as perdas por convecção.

A eficiência da lâmpada aumenta com um diâmetro de filamento maior. As lâmpadas de filamento fino e baixo consumo de energia se beneficiam menos com o gás de preenchimento, portanto, geralmente são apenas evacuadas.

As primeiras lâmpadas com filamentos de carbono também usavam monóxido de carbono , nitrogênio ou vapor de mercúrio . No entanto, os filamentos de carbono operam em temperaturas mais baixas do que os de tungstênio, então o efeito do gás de enchimento não foi significativo, pois as perdas de calor compensaram quaisquer benefícios.

Manufatura

A lâmpada de filamento de tântalo de 1902 foi a primeira a ter um filamento de metal. Este é de 1908.

As primeiras lâmpadas eram laboriosamente montadas à mão. Depois que o maquinário automático foi desenvolvido, o custo das lâmpadas caiu. Até 1910, quando a máquina Westlake de Libbey entrou em produção, os bulbos eram geralmente produzidos por uma equipe de três trabalhadores (dois catadores e um mestre gaffer) soprando os bulbos em moldes de madeira ou ferro fundido, revestidos com uma pasta. Cerca de 150 lâmpadas por hora foram produzidas pelo processo de sopro manual na década de 1880 na Corning Glass Works.

A máquina Westlake, desenvolvida pela Libbey Glass , foi baseada em uma adaptação da máquina sopradora de garrafas Owens-Libbey. A Corning Glass Works logo começou a desenvolver máquinas sopradoras de bulbo automatizadas concorrentes, a primeira das quais a ser usada na produção foi a E-Machine. A Corning continuou desenvolvendo máquinas de produção de lâmpadas automatizadas, instalando a Ribbon Machine em 1926 em sua fábrica de Wellsboro , Pensilvânia. A máquina de fita superou todas as tentativas anteriores de automatizar a produção de lâmpadas e foi usada para produzir lâmpadas incandescentes até o século XXI. O inventor, William Woods, junto com seu colega da Corning Glass Works, David E. Gray, criou uma máquina que, em 1939, produzia 1.000 lâmpadas por minuto.

A máquina de fita funciona passando uma fita contínua de vidro ao longo de uma correia transportadora , aquecida em um forno e, em seguida, soprada por bicos de ar precisamente alinhados através de orifícios na correia transportadora em moldes. Assim, as lâmpadas ou envelopes de vidro são criados. Uma máquina típica desse tipo pode produzir de 50.000 a 120.000 lâmpadas por hora, dependendo do tamanho da lâmpada. Na década de 1970, 15 máquinas de fitas instaladas em fábricas em todo o mundo produziam todo o fornecimento de lâmpadas incandescentes. O filamento e seus suportes são montados em uma haste de vidro, que é então fundida ao bulbo. O ar é bombeado para fora do bulbo e o tubo de evacuação na prensa da haste é selado por uma chama. A lâmpada é então inserida na base da lâmpada e todo o conjunto é testado. O fechamento da fábrica da Osram-Sylvania em Wellsboro, Pensilvânia, em 2016, significou o fechamento de uma das últimas máquinas de fitas restantes nos Estados Unidos.

Filamento

Como um filamento de tungstênio é feito

Os primeiros filamentos de lâmpada comercialmente bem-sucedidos eram feitos de papel carbonizado ou bambu . Os filamentos de carbono têm um coeficiente de resistência de temperatura negativo - à medida que ficam mais quentes, sua resistência elétrica diminui. Isso tornava a lâmpada sensível a oscilações no fornecimento de energia, já que um pequeno aumento de tensão faria com que o filamento esquentasse, reduzindo sua resistência e fazendo com que ele consumisse ainda mais energia e esquentasse ainda mais.

Os filamentos de carbono foram "queimados" por aquecimento em um vapor de hidrocarboneto (geralmente gasolina), para melhorar sua resistência e uniformidade. Filamentos metalizados ou "grafitados" foram primeiro aquecidos a alta temperatura para transformá-los em grafite , o que fortaleceu e alisou ainda mais o filamento. Esses filamentos possuem um coeficiente de temperatura positivo, como um condutor metálico , que estabilizou as propriedades de operação das lâmpadas contra pequenas variações na tensão de alimentação.

Filamentos de metal deslocaram carbono a partir de 1904. O tungstênio tem o ponto de fusão mais alto disponível. Em 1910, um processo foi desenvolvido por William D. Coolidge na General Electric para a produção de uma forma dúctil de tungstênio. O processo exigia a compressão do pó de tungstênio em barras, depois várias etapas de sinterização, estampagem e trefilação. Verificou-se que tungstênio muito puro formava filamentos que cediam durante o uso, e que um pequeno tratamento de "dopagem" com óxidos de potássio, silício e alumínio no nível de algumas centenas de partes por milhão melhorou muito a vida e durabilidade do tungstênio filamentos.

Filamento espiralado

Para melhorar a eficiência da lâmpada, o filamento geralmente consiste em várias bobinas de fio fino enrolado, também conhecido como 'bobina em espiral'. As lâmpadas que usam filamentos de bobina em espiral são às vezes chamadas de 'lâmpadas de bobina dupla'. Para uma lâmpada de 60 watts e 120 volts, o comprimento desenrolado do filamento de tungstênio é geralmente 580 milímetros (22,8 pol.) E o diâmetro do filamento é 0,046 milímetros (0,0018 pol.). A vantagem da bobina em espiral é que a evaporação do filamento de tungstênio é a taxa de um cilindro de tungstênio com um diâmetro igual ao da bobina em espiral. O filamento em espiral evapora mais lentamente do que um filamento reto com a mesma área de superfície e poder de emissão de luz. Como resultado, o filamento pode então aquecer mais, o que resulta em uma fonte de luz mais eficiente, durando mais do que um filamento reto na mesma temperatura.

Os fabricantes designam diferentes formas de filamento de lâmpada com um código alfanumérico.

Filamento espiralado de uma lâmpada incandescente de 200 watts altamente ampliada
Filamento de lâmpada incandescente de 50 watts queimada em MEV em modo estereoscópico, apresentado como imagem anáglifo . Óculos 3D ciano vermelho são recomendados para visualizar esta imagem corretamente.Óculos 3D ciano vermelho.
Filamento de lâmpada incandescente de 50 watts em MEV em modo estereoscópico, apresentado como imagem anaglifo . Óculos 3D ciano vermelho são recomendados para visualizar esta imagem corretamente.Óculos 3D ciano vermelho.

Filamentos elétricos também são usados ​​em cátodos quentes de lâmpadas fluorescentes e tubos de vácuo como fonte de elétrons ou em tubos de vácuo para aquecer um eletrodo emissor de elétrons. Quando usados ​​como fonte de elétrons, podem ter um revestimento especial que aumenta a produção de elétrons.

Reduzindo a evaporação do filamento

Durante a operação normal, o tungstênio do filamento evapora; filamentos mais quentes e mais eficientes evaporam mais rápido. Por causa disso, a vida útil de uma lâmpada de incandescência é uma troca entre eficiência e longevidade. A compensação é normalmente definida para fornecer uma vida útil de 1.000 a 2.000 horas para lâmpadas usadas para iluminação geral. Lâmpadas teatrais, fotográficas e de projeção podem ter uma vida útil de apenas algumas horas, trocando a expectativa de vida por alto rendimento em uma forma compacta. As lâmpadas de serviço geral de longa vida têm eficiência mais baixa, mas antes do desenvolvimento das lâmpadas incandescentes e LED, elas eram úteis em aplicações onde a lâmpada era difícil de trocar.

Irving Langmuir descobriu que um gás inerte, em vez de vácuo, retardaria a evaporação. Lâmpadas incandescentes de serviço geral com mais de cerca de 25 watts de classificação agora são preenchidas com uma mistura de argônio e um pouco de nitrogênio , ou às vezes criptônio . Embora o gás inerte reduza a evaporação do filamento, ele também conduz o calor do filamento, resfriando o filamento e reduzindo a eficiência. A pressão e temperatura constantes, a condutividade térmica de um gás depende do peso molecular do gás e da área da seção transversal das moléculas do gás. Gases de peso molecular mais alto têm condutividade térmica mais baixa, porque tanto o peso molecular é maior quanto a área da seção transversal é maior. O gás xenônio melhora a eficiência devido ao seu alto peso molecular, mas também é mais caro, portanto, seu uso é limitado a lâmpadas menores.

O entalhe do filamento é devido à evaporação desigual do filamento. Pequenas variações na resistividade ao longo do filamento causam a formação de "pontos quentes" em pontos de resistividade mais alta; uma variação de diâmetro de apenas 1% causará uma redução de 25% na vida útil. Como a resistência do filamento é altamente dependente da temperatura, os pontos com temperatura mais alta terão maior resistência, fazendo com que dissipem mais energia, tornando-os mais quentes - um loop de feedback positivo . Esses pontos quentes evaporam mais rápido do que o resto do filamento, aumentando permanentemente a resistência naquele ponto. O processo termina na pequena lacuna familiar em um filamento de aparência saudável.

Lâmpadas operadas em corrente contínua desenvolvem irregularidades de degrau aleatórias na superfície do filamento que podem reduzir a vida útil pela metade em comparação com a operação CA; diferentes ligas de tungstênio e rênio podem ser usadas para neutralizar o efeito.

Uma vez que a quebra de um filamento em uma lâmpada cheia de gás pode formar um arco elétrico , que pode se espalhar entre os terminais e puxar uma corrente muito forte, fios de chumbo intencionalmente finos ou dispositivos de proteção mais elaborados são, portanto, frequentemente usados ​​como fusíveis embutidos na lâmpada . Mais nitrogênio é usado em lâmpadas de alta tensão para reduzir a possibilidade de formação de arco.

Enegrecimento do bulbo

Em uma lâmpada convencional, o tungstênio evaporado eventualmente condensa na superfície interna do envelope de vidro, escurecendo-o. Para lâmpadas que contêm vácuo, o escurecimento é uniforme em toda a superfície do envelope. Quando um enchimento de gás inerte é usado, o tungstênio evaporado é carregado nas correntes de convecção térmica do gás e é depositado preferencialmente na parte superior do envelope, enegrecendo apenas aquela parte do envelope. Uma lâmpada incandescente que fornece 93% ou menos de sua saída de luz inicial a 75% de sua vida nominal é considerada insatisfatória, quando testada de acordo com a publicação IEC 60064. A perda de luz é devido à evaporação do filamento e escurecimento da lâmpada. O estudo do problema do escurecimento do bulbo levou à descoberta do efeito Edison, emissão termiônica e invenção do tubo de vácuo .

Uma pequena quantidade de vapor d'água dentro de uma lâmpada pode aumentar significativamente o escurecimento da lâmpada. O vapor de água se dissocia em hidrogênio e oxigênio no filamento quente. O oxigênio ataca o metal de tungstênio e as partículas de óxido de tungstênio resultantes viajam para as partes mais frias da lâmpada. O hidrogênio do vapor d'água reduz o óxido, reformando o vapor d'água e dando continuidade ao ciclo da água . O equivalente a uma gota de água distribuída em 500.000 lâmpadas aumentará significativamente o escurecimento. Pequenas quantidades de substâncias, tais como zircónio, são colocados dentro da lâmpada como um absorvente para reagir com qualquer oxigénio que possa cozer para fora dos componentes da lâmpada durante a operação.

Algumas lâmpadas antigas de alta potência usadas em teatro, projeção, holofote e serviço de farol com filamentos pesados ​​e resistentes continham pó de tungstênio solto dentro do envelope. De vez em quando, o operador removia a lâmpada e a sacudia, permitindo que o pó de tungstênio esfregasse a maior parte do tungstênio que havia condensado no interior do envelope, removendo o escurecimento e iluminando a lâmpada novamente.

Lâmpadas halógenas

Close de um filamento de tungstênio dentro de uma lâmpada de halogênio . As duas estruturas em forma de anel esquerda e direita são suportes de filamento.

A lâmpada halógena reduz a evaporação desigual do filamento e elimina o escurecimento do envelope, enchendo a lâmpada com um gás halógeno a baixa pressão, junto com um gás inerte. O ciclo de halogênio aumenta a vida útil da lâmpada e evita seu escurecimento por meio da redeposição de tungstênio de dentro da lâmpada de volta para o filamento. A lâmpada de halogênio pode operar seu filamento a uma temperatura mais alta do que uma lâmpada padrão cheia de gás de potência semelhante, sem perda de vida útil. Essas lâmpadas são muito menores do que as lâmpadas incandescentes normais e são amplamente utilizadas onde a iluminação intensa é necessária em um espaço limitado. Lâmpadas de fibra óptica para microscopia óptica é uma aplicação típica.

Lâmpadas de arco incandescente

Uma variação da lâmpada incandescente não usava um filamento de arame quente, mas em vez disso usava um arco formado em um eletrodo esférico para produzir calor. O eletrodo então se tornou incandescente, com o arco contribuindo pouco para a luz produzida. Essas lâmpadas eram usadas para projeção ou iluminação de instrumentos científicos, como microscópios . Essas lâmpadas de arco funcionavam com tensões relativamente baixas e filamentos de tungstênio incorporados para iniciar a ionização dentro do envelope. Eles forneciam a luz intensa e concentrada de uma lâmpada de arco, mas eram mais fáceis de operar. Desenvolvidas por volta de 1915, essas lâmpadas foram substituídas por lâmpadas de arco de mercúrio e xenônio .

Características elétricas

Comparação de eficácia por poder
Lâmpadas de 120 volts Lâmpadas de 230 volts
Potência (W) Saída ( lm ) Eficácia (lm / W) Saída ( lm ) Eficácia (lm / W)
5 25 5
15 110 7,3
25 200 8,0 230 9,2
40 500 12,5 430 10,8
60 850 14,2 730 12,2
75 1.200 16,0
100 1.700 17,0 1.380 13,8
150 2.850 19,0 2.220 14,8
200 3.900 19,5 3.150 15,8
300 6.200 20,7 5.000 16,7
500 8.400 16,8

Poder

As lâmpadas incandescentes são cargas resistivas quase puras com um fator de potência de 1. Ao contrário das lâmpadas de descarga ou lâmpadas LED, a energia consumida é igual à energia aparente no circuito. As lâmpadas incandescentes geralmente são comercializadas de acordo com a energia elétrica consumida. Isso depende principalmente da resistência operacional do filamento. Para duas lâmpadas da mesma voltagem e tipo, a lâmpada de maior potência fornece mais luz.

A tabela mostra a saída típica aproximada, em lúmens , de lâmpadas incandescentes padrão de 120 volts em várias potências. A saída de luz de lâmpadas semelhantes de 230 V é ligeiramente menor. O filamento de corrente mais baixa (voltagem mais alta) é mais fino e precisa ser operado a uma temperatura ligeiramente mais baixa para a mesma expectativa de vida, o que reduz a eficiência energética. Os valores de lúmen para lâmpadas "brancas suaves" geralmente serão ligeiramente mais baixos do que para lâmpadas claras com a mesma potência.

Corrente e resistência

A resistência do filamento depende da temperatura. A resistência ao frio das lâmpadas de filamento de tungstênio é cerca de 1/15 da resistência durante o funcionamento. Por exemplo, uma lâmpada de 100 watts e 120 volts tem uma resistência de 144 ohms quando acesa, mas a resistência ao frio é muito menor (cerca de 9,5 ohms). Como as lâmpadas incandescentes são cargas resistivas, os dimmers TRIAC de controle de fase simples podem ser usados ​​para controlar o brilho. Os contatos elétricos podem ter um símbolo de classificação "T" indicando que eles são projetados para controlar circuitos com a característica de alta corrente de partida das lâmpadas de tungstênio. Para uma lâmpada de serviço geral de 100 watts e 120 volts, a corrente se estabiliza em cerca de 0,10 segundos e a lâmpada atinge 90% de seu brilho total após cerca de 0,13 segundos.

Características físicas

Segurança

O filamento de uma lâmpada de tungstênio não é fácil de quebrar quando a lâmpada está fria, mas os filamentos são mais vulneráveis ​​quando estão quentes porque o metal incandescente é menos rígido. Um impacto na parte externa da lâmpada pode fazer com que o filamento se quebre ou sofrer um surto de corrente elétrica que faz com que parte dele derreta ou vaporize. Na maioria das lâmpadas incandescentes modernas, parte do fio dentro da lâmpada atua como um fusível : se um filamento quebrado produzir um curto- circuito dentro da lâmpada, a seção do fio fusível derreterá e cortará a corrente para evitar danos às linhas de alimentação.

Um bulbo de vidro quente pode quebrar ao entrar em contato com objetos frios. Quando o envelope de vidro se quebra, a lâmpada implode , expondo o filamento ao ar ambiente. O ar então geralmente destrói o filamento quente por meio da oxidação .

Formas de bulbo

As lâmpadas incandescentes vêm em uma variedade de formas e tamanhos.

As designações de formato e tamanho do bulbo são fornecidas em padrões nacionais. Algumas designações são uma ou mais letras seguidas de um ou mais números, por exemplo, A55 ou PAR38, onde as letras identificam a forma e os números algum tamanho característico.

Normas nacionais como ANSI C79.1-2002, IS 14897: 2000 e JIS C 7710: 1988 cobrem uma terminologia comum para formatos de bulbo.

Exemplos
Descrição SI Polegada Detalhes
Lâmpada "padrão" A60 E26 A19 E26 Bulbo série A de 60 mm (~ ⌀19 / 8 pol.) , Parafuso Edison de ⌀26 mm
Lâmpada de chama de vela CA35 E12 CA11 E12 Formato de chama de vela de ⌀35 mm (~ ⌀11 / 8 pol.), Parafuso Edison de ⌀12 mm
Luz de inundação BR95 E26 BR30 E26 Holofote de ⌀95 mm (~ ⌀30 / 8 pol.), Parafuso Edison de ⌀26 mm
Lâmpada halógena MR50 GU5.3 MR16 GU5.3 ⌀50 mm (~ ⌀16 / 8 in) reflector multifacetado , 12 V 5.33 espaçadas mm conector de dois pinos

Códigos de formas comuns

Serviço geral
Luz emitida em (quase) todas as direções. Disponível transparente ou fosco.
Tipos: Geral (A), Cogumelo, elíptico (E), sinal (S), tubular (T)
Tamanhos 120 V: A17, 19 e 21
Tamanhos 230 V: A55 e 60
Serviço geral de alta potência
Lâmpadas com mais de 200 watts.
Tipos: em forma de pêra (PS)
Decorativo
lâmpadas usadas em lustres, etc. Lâmpadas menores do tamanho de velas podem usar um soquete menor.
Tipos: vela (B), vela torcida, vela de ponta curvada (CA & BA), chama (F), globo (G), chaminé de lanterna (H), redondo extravagante (P)
Tamanhos 230 V: P45, G95
Refletor (R)
O revestimento reflexivo dentro da lâmpada direciona a luz para a frente. Tipos de inundação (FL) espalham luz. Os tipos pontuais (SP) concentram a luz. As lâmpadas refletoras (R) colocam aproximadamente o dobro da quantidade de luz (velas) na área central frontal do Serviço Geral (A) de mesma potência.
Tipos: refletor padrão (R), refletor abaulado (BR), refletor elíptico (ER), prata-coroa
Tamanhos 120 V: R16, 20, 25 e 30
Tamanhos 230 V: R50, 63, 80 e 95
Refletor aluminizado parabólico (PAR)
Lâmpadas refletoras aluminizadas parabólicas (PAR) controlam a luz com mais precisão. Eles produzem cerca de quatro vezes a intensidade de luz concentrada do serviço geral (A) e são usados ​​em iluminação embutida e em trilhos. Estão disponíveis invólucros à prova de intempéries para spot externo e luminárias de inundação.
Tamanhos 120 V: PAR 16, 20, 30, 38, 56 e 64
Tamanhos 230 V: PAR 16, 20, 30, 38, 56 e 64
Disponível em várias extensões de feixe pontual e de inundação. Como todas as lâmpadas, o número representa o diâmetro da lâmpada em 18 de polegada. Portanto, um PAR 16 tem 51 mm (2 pol.) De diâmetro, um PAR 20 tem 64 mm (2,5 pol.) De diâmetro, PAR 30 tem 95 mm (3,75 pol.) E um PAR 38 tem 121 mm (4,75 pol.) De diâmetro .
Um pacote de quatro lâmpadas de 60 watts
Refletor multifacetado (MR)
As lâmpadas refletoras multifacetadas são geralmente menores em tamanho e funcionam com uma voltagem mais baixa, muitas vezes 12 V.
Da esquerda para a direita: MR16 com base GU10, MR16 com base GU5.3, MR11 com base GU4 ou GZ4
HIR / IRC
"HIR" é uma designação GE para uma lâmpada com um revestimento reflexivo infravermelho. Uma vez que menos calor escapa, o filamento queima de forma mais quente e mais eficiente. A designação Osram para um revestimento semelhante é "IRC".

Bases de lâmpada

Lâmpadas de 40 watts com base de parafuso E10, E14 e E27 Edison padrão
A tampa de baioneta de duplo contato em uma lâmpada incandescente

As lâmpadas grandes podem ter uma base de parafuso ou uma base de baioneta , com um ou mais contatos na base. A carcaça pode servir como contato elétrico ou apenas como suporte mecânico. Lâmpadas de baioneta são freqüentemente usadas em lâmpadas automotivas para resistir ao afrouxamento por vibração. Algumas lâmpadas tubulares têm um contato elétrico nas duas extremidades. As lâmpadas miniatura podem ter uma base em cunha e contatos de fio, e algumas lâmpadas automotivas e de uso especial têm terminais de parafuso para conexão aos fios. Lâmpadas muito pequenas podem ter os fios de suporte do filamento estendidos através da base da lâmpada para conexões. Uma base bipin é freqüentemente usada para lâmpadas halógenas ou refletoras.

No final do século 19, os fabricantes introduziram uma infinidade de bases de lâmpadas incompatíveis. General Electric ' 's Mazda ' tamanhos de base padrão foram logo adotada em todos os EUA.

As bases das lâmpadas podem ser fixadas ao bulbo com um cimento ou por cravamento mecânico em reentrâncias moldadas no bulbo de vidro.

As lâmpadas destinadas ao uso em sistemas ópticos possuem bases com recursos de alinhamento para que o filamento seja posicionado com precisão dentro do sistema óptico. Uma lâmpada com base de parafuso pode ter uma orientação aleatória do filamento quando a lâmpada é instalada no soquete.

Os contatos no soquete da lâmpada permitem que a corrente elétrica passe pela base até o filamento. O soquete fornece conexões elétricas e suporte mecânico, e permite trocar a lâmpada quando esta queimar.

Saída de luz e vida útil

As lâmpadas incandescentes são muito sensíveis a mudanças na tensão de alimentação. Essas características são de grande importância prática e econômica.

Para uma tensão de alimentação V perto da tensão nominal da lâmpada:

  • A saída de luz é aproximadamente proporcional a V 3.4
  • O consumo de energia é aproximadamente proporcional a V 1.6
  • A vida útil é aproximadamente proporcional a V −16
  • A temperatura de cor é aproximadamente proporcional a V 0,42

Uma redução de 5% na voltagem dobrará a vida útil da lâmpada, mas reduzirá sua saída de luz em cerca de 16%. As lâmpadas de longa duração aproveitam esta desvantagem em aplicações como lâmpadas de sinalização de trânsito. Como a energia elétrica que usam custa mais do que o custo da lâmpada, as lâmpadas de serviço geral enfatizam a eficiência em vez de uma longa vida útil. O objetivo é minimizar o custo da luz, não o custo das lâmpadas. As primeiras lâmpadas tinham uma vida útil de até 2.500 horas, mas em 1924 o cartel de Phoebus concordou em limitar a vida para 1.000 horas. Quando isso foi exposto em 1953, a General Electric e outros fabricantes americanos líderes foram proibidos de limitar a vida útil.

As relações acima são válidas para apenas algumas mudanças percentuais de tensão em torno das condições nominais padrão, mas indicam que uma lâmpada operada em baixa tensão pode durar muito mais do que na tensão nominal, embora com uma saída de luz bastante reduzida. A " Centennial Light " é uma lâmpada aceita pelo Guinness Book of World Records como tendo estado acesa quase continuamente em um corpo de bombeiros em Livermore, Califórnia , desde 1901. No entanto, a lâmpada emite a luz equivalente a uma lâmpada de quatro watts . Uma história semelhante pode ser contada sobre uma lâmpada de 40 watts no Texas que está iluminada desde 21 de setembro de 1908. Ela já residiu em uma casa de ópera onde celebridades notáveis ​​pararam para apreciar seu brilho e foi transferida para um museu da área em 1977.

As lâmpadas Photoflood usadas para iluminação fotográfica favorecem a saída de luz ao invés da vida, com algumas durando apenas duas horas. O limite superior de temperatura para o filamento é o ponto de fusão do metal. O tungstênio é o metal com o ponto de fusão mais alto, 3.695 K (3.422 ° C; 6.191 ° F). Uma lâmpada de projeção com vida útil de 50 horas, por exemplo, é projetada para operar apenas 50 ° C (122 ° F) abaixo desse ponto de fusão. Essa lâmpada pode atingir até 22 lúmens por watt, em comparação com 17,5 para uma lâmpada de serviço geral de 750 horas.

Lâmpadas com a mesma classificação de potência, mas projetadas para tensões diferentes, têm eficácia luminosa diferente. Por exemplo, uma lâmpada de 100 watts, 1000 horas e 120 volts produzirá cerca de 17,1 lumens por watt. Uma lâmpada semelhante projetada para 230 V produziria apenas cerca de 12,8 lumens por watt, e uma projetada para 30 volts (iluminação do trem) produziria até 19,8 lumens por watt. As lâmpadas de baixa tensão possuem um filamento mais espesso, para a mesma classificação de potência. Eles podem ficar mais quentes pelo mesmo tempo de vida antes que o filamento evapore.

Os fios usados ​​para sustentar o filamento tornam-no mecanicamente mais forte, mas removem o calor, criando outra compensação entre eficiência e longa vida. Muitas lâmpadas de 120 volts de serviço geral não usam fios de suporte adicionais, mas as lâmpadas projetadas para " serviço pesado " ou "serviço de vibração" podem ter até cinco. As lâmpadas de baixa tensão têm filamentos feitos de fios mais pesados ​​e não requerem fios de suporte adicionais.

Tensões muito baixas são ineficientes, pois os fios condutores conduziriam muito calor para longe do filamento, então o limite inferior prático para lâmpadas incandescentes é de 1,5 volts. Filamentos muito longos para altas tensões são frágeis e as bases das lâmpadas tornam-se mais difíceis de isolar, então as lâmpadas para iluminação não são feitas com tensões nominais acima de 300 volts. Alguns elementos de aquecimento infravermelho são feitos para tensões mais altas, mas usam lâmpadas tubulares com terminais amplamente separados.

Veja também

Notas explicativas

Referências

links externos