Cum functioneaza lumina electrica? Tipuri si aplicatii

O lumina electrica este un dispozitiv care produce lumina vizibila din energie electrica. Este cea mai obisnuita forma de iluminat artificial si este esentiala pentru societatea moderna, oferind iluminare interioara pentru cladiri si lumina exterioara pentru activitatile de seara si de noapte. In utilizarea tehnica, o componenta inlocuibila care produce lumina din electricitate se numeste lampa.

Lampile sunt denumite in mod obisnuit becuri; de exemplu, becul cu incandescenta. Lampile au de obicei o baza din ceramica, metal, sticla sau plastic, care fixeaza lampa in soclul unui corp de iluminat. Conexiunea electrica la priza se poate face cu o baza filetata, doua capace metalice sau un capac de tip baioneta.

Cele trei categorii principale de lumini electrice sunt lampile cu incandescenta, care produc lumina printr-un filament incalzit alb-incins prin curent electric, lampile cu descarcare in gaz, care produc lumina prin intermediul unui arc electric ce trece printr-un gaz, cum ar fi lampile fluorescente, si LED-urile.

Inainte ca iluminatul electric sa devina comun la inceputul secolului al XX-lea, oamenii foloseau lumanari, lumini cu gaz sau lampi cu ulei. Chimistul englez Humphry Davy a dezvoltat prima lumina incandescenta in 1802, urmata de prima lumina cu arc electric practic, in 1806.

Pana in anii 1870, lampa cu arc a lui Davy a fost comercializata cu succes si a fost folosita pentru a ilumina multe spatii publice. Eforturile depuse de Joseph Swan si Thomas Edison au condus la becurile comerciale cu incandescenta care au devenit disponibile pe scara larga in anii 1880, iar la inceputul secolului al XX-lea acestea au inlocuit complet lampile cu arc.

Eficienta energetica a iluminatului electric a crescut radical de la prima demonstratie a lampilor cu arc si a becului cu incandescenta din secolul al XIX-lea. Sursele de lumina electrica moderne vin intr-o abundenta de tipuri si dimensiuni adaptate multor aplicatii.

Majoritatea iluminatului electric modern este alimentat de energie electrica generata central, dar iluminatul poate fi alimentat si de generatoare electrice mobile sau de rezerva sau sisteme de baterii. Lumina alimentata cu baterii este adesea rezervata pentru cand si unde luminile stationare se defecteaza, adesea sub forma de lanterne sau felinare electrice, precum si in vehicule.

Tipuri

Tipurile de iluminat electric includ:

• Lampile cu halogen sunt lampi cu incandescenta care folosesc un plic de cuart topit umplut cu gaz cu halogen
• Lampa LED, o lampa cu stare solida care utilizeaza diode emitatoare de lumina (LED-uri) ca sursa de lumina
• Lampa cu arc
• Lampa cu arc de carbon
• Lampa cu arc cu xenon, utilizata in multe blituri de camera, stroboscoape si proiectoare de cinema digital
• Lampa cu arc mercur-xenon
• Lampa de performanta ultra-inalta, o lampa cu arc cu vapori de mercur de ultra-inalta presiune utilizata in multe videoproiectoare
• Lampa cu descarcare in gaz, o sursa care genereaza lumina prin trimiterea unei descarcari electrice printr-un gaz ionizat
• Lampa fluorescenta
• Lampa fluorescenta compacta, o lampa fluorescenta conceputa pentru a inlocui o lampa incandescenta
• Lampa cu neon
• Lampa cu vapori de mercur
• Lampa cu vapori de sodiu
• Lampa cu sulf
• Lampa cu halogenuri metalice
• Lampa cu descarcare de mare intensitate
• Lampa fara electrod, o lampa cu descarcare in gaz in care puterea este transferata in lampa prin campuri electromagnetice sau unde radio
• Lampa cu plasma

Cea mai eficienta sursa de lumina electrica este lampa cu sodiu de joasa presiune. Produce, pentru toate scopurile practice, o lumina monocromatica de culoare portocalie-galbena, care ofera o perceptie la fel de monocromatica a oricarei scene iluminate. Din acest motiv, este in general rezervata aplicatiilor de iluminat public exterior. Luminile cu sodiu de joasa presiune sunt preferate pentru iluminatul public de catre astronomi, deoarece poluarea luminoasa pe care o genereaza poate fi usor filtrata, spre deosebire de spectrele de banda larga sau continue.

Bec cu incandescenta

Becul modern cu incandescenta, cu un filament spiralat de tungsten si comercializat in anii 1920, s-a dezvoltat din lampa cu filament de carbon introdusa in jurul anului 1880.

Mai putin de 3% din energia de intrare este convertita in lumina utilizabila. Aproape toata energia de intrare se termina sub forma de caldura care, in clima calda, trebuie apoi indepartata din cladire prin ventilatie sau aer conditionat, ducand adesea la un consum mai mare de energie. In climatele mai reci, unde este necesara incalzirea si iluminatul in lunile reci si intunecate de iarna, produsul secundar de caldura are o anumita valoare. Becurile cu incandescenta sunt eliminate treptat in multe tari din cauza eficientei lor energetice scazute.

Pe langa becurile pentru iluminare normala, exista o gama foarte larga, inclusiv tipuri de joasa tensiune, cu putere redusa, adesea folosite ca si componente in echipamente, dar acum inlocuite in mare masura de LED-uri.

Lampa cu halogen

Lampile cu halogen sunt de obicei mult mai mici decat lampile incandescente standard, deoarece pentru o functionare cu succes este necesara in general o temperatura a becului de peste 200 °C. Din acest motiv, majoritatea au un bec de cuart sau sticla aluminosilicat.

Acesta este adesea sigilat in interiorul unui strat suplimentar de sticla. Sticla exterioara este o masura de siguranta, pentru a reduce emisia de ultraviolete si pentru a contine cioburile de sticla fierbinte in cazul in care plicul interior va exploda in timpul functionarii. Reziduurile uleioase de la amprentele digitale pot provoca spargerea unui plic de cuart fierbinte din cauza acumularii excesive de caldura la locul de contaminare.

Riscul de arsuri sau incendiu este, de asemenea, mai mare la becurile goale, ceea ce duce la interzicerea acestora in unele locuri, cu exceptia cazului in care sunt inchise in corpul de iluminat.

Cele proiectate pentru functionare la 12 sau 24 de volti au filamente compacte, utile pentru un bun control optic. De asemenea, au eficiente mai mari (lumeni per watt) si o viata mai buna decat tipurile fara halogen. Iesirea luminii ramane aproape constanta pe tot parcursul vietii.

Lampa fluorescenta

Lampile fluorescente constau dintr-un tub de sticla care contine vapori de mercur sau argon la presiune scazuta. Electricitatea care curge prin tub face ca gazele sa emita energie ultravioleta. Interiorul tuburilor este acoperit cu fosfori care emana lumina vizibila atunci cand sunt loviti de fotonii ultravioleti.

Au o eficienta mult mai mare decat lampile cu incandescenta. Pentru aceeasi cantitate de lumina generata, aceste lampi folosesc de obicei aproximativ un sfert pana la o treime din puterea unei lampi incandescente. Eficacitatea luminoasa tipica a sistemelor de iluminat fluorescent este de 50–100 de lumeni per watt, de cateva ori mai mare decat eficacitatea becurilor cu incandescenta cu putere de lumina comparabila.

Corpurile lampilor fluorescente sunt mai costisitoare decat lampile incandescente, deoarece necesita un balast pentru a regla curentul prin lampa, dar costul mai mic al energiei compenseaza de obicei costul initial mai mare. Lampile fluorescente compacte sunt disponibile in aceleasi dimensiuni populare ca si lampile cu incandescenta si sunt folosite ca o alternativa de economisire a energiei in case. Deoarece contin mercur, multe lampi fluorescente sunt clasificate drept deseuri periculoase.

Agentia pentru Protectia Mediului din Statele Unite recomanda ca lampile fluorescente sa fie separate de deseurile generale pentru reciclare sau eliminare in siguranta, iar unele jurisdictii impun reciclarea acestora.

Lampa cu LED

Dioda emitatoare de lumina (LED) cu stare solida a fost populara ca indicator luminos in electronicele de larg consum si echipamentele audio profesionale inca din anii 1970. In anii 2000, eficacitatea si productia au crescut pana la punctul in care LED-urile sunt acum utilizate in aplicatii de iluminat, cum ar fi farurile auto si luminile de frana, lanternele si luminile pentru biciclete, precum si in aplicatii decorative, cum ar fi iluminatul de sarbatori.

LED-urile indicatoare sunt cunoscute pentru durata de viata extrem de lunga, de pana la 100.000 de ore, dar LED-urile de iluminat sunt folosite mult mai putin conservator si, in consecinta, au o durata de viata mai scurta.

Tehnologia LED este utila pentru proiectantii de iluminat, datorita consumului redus de energie, generarii scazute de caldura, controlului instantaneu de pornire/oprire si, in cazul LED-urilor cu o singura culoare, continuitatii culorii pe toata durata de viata a diodei si costul relativ scazut de fabricatie. Durata de viata a LED-ului depinde in mare masura de temperatura diodei. Operarea unei lampi LED in conditii care cresc temperatura interna poate scurta foarte mult durata de viata a lampii.

Lampa cu arc de carbon

Lampile cu arc de carbon constau din doi electrozi cu tija de carbon in aer liber, alimentati de un balast de limitare a curentului. Arcul electric este lovit prin atingerea varfurilor tijei pe care le separa dupa acest proces.

Arcul care rezulta produce o plasma incinsa alb intre varfurile tijei. Aceste lampi au o eficienta mai mare decat lampile cu filament, dar tijele de carbon sunt de scurta durata si necesita o ajustare constanta in utilizare, deoarece caldura intensa a arcului le erodeaza. Lampile produc ultraviolete semnificative, necesita ventilatie atunci cand sunt folosite in interior si, datorita intensitatii lor, au nevoie de protectie impotriva vederii directe.

Inventat de Humphry Davy in jurul anului 1805, arcul de carbon a fost prima lumina electrica practica. A fost folosit comercial incepand cu anii 1870 pentru cladirile mari si iluminatul stradal, pana cand a fost inlocuit la inceputul secolului al XX-lea de lumina incandescenta.

Lampile cu arc de carbon functioneaza la putere mare si produc lumina alba de intensitate mare. Ele sunt, de asemenea, o sursa punctuala de lumina. Se folosesc in continuare in aplicatii limitate care necesita aceste proprietati, cum ar fi proiectoarele de film, iluminarea scenei si reflectoarele, etc.

Lampa cu descarcare

O lampa cu descarcare are un invelis de sticla care contine doi electrozi metalici separati de un gaz. Gazele utilizate includ neon, argon, xenon, sodiu, halogenuri metalice si mercur. Principiul de functionare de baza este aproape acelasi cu cel al lampii cu arc de carbon, dar termenul „lampa cu arc” se refera in mod normal la lampile cu arc de carbon, iar tipuri mai moderne de lampi cu descarcare in gaz sunt numite in mod normal lampi cu descarcare.

La unele lampi cu descarcare, se foloseste o tensiune foarte mare pentru a declansa arcul. Acest lucru necesita un circuit electric numit aprindere, care face parte din circuitul balastului electric. Dupa ce arcul este lovit, rezistenta interna a lampii scade la un nivel scazut, iar balastul limiteaza curentul la curentul de functionare. Fara balast, curentul in exces ar curge, provocand distrugerea rapida a lampii.

Unele tipuri de lampi contin putin neon, care permite lovirea la tensiune normala de functionare, fara circuite de aprindere externe. Lampile cu sodiu de joasa presiune functioneaza astfel. Cele mai simple balasturi sunt doar un inductor si sunt alese acolo unde costul este factorul decisiv, cum ar fi iluminatul stradal. Balasturile electronice mai avansate pot fi proiectate pentru a mentine puterea de lumina constanta pe toata durata de viata a lampii.

Factori de forma

Multe unitati de lampi sau becuri sunt specificate in coduri de forma standardizate si nume de soclu. Becurile cu incandescenta si inlocuitorii acestora sunt adesea specificate ca „A19/A60 E26/E27”, o dimensiune comuna pentru acest tip de becuri. In acest exemplu, parametrii „A” descriu dimensiunea si forma becului, in timp ce parametrii „E” descriu dimensiunea surubului Edison si caracteristicile filetului.

Speranta de viata a lampii

Speranta de viata pentru multe tipuri de lampi este definita ca numarul de ore de functionare la care 50% dintre ele esueaza, adica durata medie de viata a lampilor. Tolerante de productie de pana la 1% pot crea o variatie de 25% in durata de viata a lampii, astfel incat, in general, unele lampi se vor defecta cu mult inainte de durata de viata nominala, iar unele vor dura mult mai mult. Pentru LED-uri, durata de viata a lampii este definita ca timpul de functionare la care 50% dintre lampi au inregistrat o scadere cu 70% a puterii luminii emise.

Unele tipuri de lampi sunt, de asemenea, sensibile la ciclurile de comutare. Camerele cu comutare frecventa, cum ar fi baile, se pot astepta la o durata de viata a lampii mult mai scurta decat cea imprimata pe cutie. Lampile fluorescente compacte sunt deosebit de sensibile la ciclurile de comutare.