Hehkulamppu

Hehkulamppu on sähkölaite, joka tuottaa valoa sähkövirrasta hehkulangan avulla. Hehkulamppu kehitettiin 1800-luvun lopulla kaupalliseksi tuotteeksi, ja 2000-luvun alkuun se oli laajasti käytössä valaisimissa. Halogeenilamppu on hehkulamppu, jossa on pieni määrä halogeenikaasuja reagoimassa hehkulampusta irtoavan volframin kanssa, mikä pidentää käyttöikää ja pitää lasin kirkkaana. Verrattain alhaisen hyötysuhteen (noin 3–5 %) vuoksi hehkulamppujen myyntiä on rajoitettu Euroopan unionin alueella.

Historia

Humphry Davy esitteli hehkulampun toimintaperiaatteen 1802. Tämän jälkeen 1800-luvulla sähköllä hehkuvaa lankaa esitteli useampikin henkilö, esimerkiksi William Grove 1840 ja Joseph Swan. Saksalaisen Heinrich Göbelin väitetään myös esitelleen hehkulamppua. Ongelmana oli hehkulankojen lyhytikäisyys materiaalin hapettuessa ilmassa tai metallin sulaminen. Ratkaiseva keksintö toimivan hehkulampun valmistuksessa oli Hermann Sprengelin 1870-luvun alussa esittelemä elohopeapumppu, jolla pystyttiin kehittämään riittävän hyvä tyhjiö. Yleisesti kunnia hehkulampun keksimisestä annetaan Thomas Alva Edisonille, koska hän järjestelmällisesti etsi sopivaa lankamateriaalia, aloitti lamppujen valmistuksen ja luodakseen lampulleen markkinoita kehitti koko sähköntuotantojärjestelmän. Edisonin lampussa oli tyhjiössä hiililanka, jonka käyttöikä oli kuitenkin rajallinen. Unkarilainen yritys Tungsram esitteli 1904 wolframi-hehkulangan, jolla saavutettiin pitkä käyttöikä, ja se viimeisteli hehkulampun menestyksen valaisimissa.
Ensimmäiset hehkulamput olivat kookkaita ja paksulasisia ja siksi kalliita. Hinnan vuoksi muun muassa Suomessa hehkulamppuja korjattiin.
Pisimpään palanut hehkulamppu on palanut vuodesta 1901 asti. Lampun paksu hehkulanka selittää pitkän kestoiän.
Ensimmäinen hehkulamppu Pohjoismaissa otettiin käyttöön Finlaysonin tehtaalla Tampereella vuonna 1882. Airam aloitti hehkulamppujen tuotannon vuonna 1925. Hehkulamppu oli pitkään ainoa koti- ja toimistokäyttöön sopiva sähköinen valonlähde.
Verrattain alhaisen hyötysuhteen (n. 3–5 %) vuoksi hehkulampun ovat toisen maailmansodan jälkeen monin paikoin syrjäyttäneet sitä monta kertaa tehokkaammat loistelamput (hyötysuhde noin 10 %), joita myös energiansäästölamput ovat, sekä purkauslamput, joita käytetään ulkovaloissa, autojen ajovaloissa ja somistusvaloissa. Nämä korvikkeet eivät tosin pääse lähellekään hehkulampun tuottamaa luonnollista ”mustan kappaleen säteilyn” spektrijakaumaa. 1990-luvulta lähtien myös loistediodit eli ledit ovat kehittyneet yleisiksi valonlähteiksi valaisinkäyttöön, ja ne ovat syrjäyttäneet hehkulamppujen käytön, myös sähkölaitteiden merkkivalolamppuina.

Rakenne

Hehkulamppu koostuu ilmatiiviistä, yleisimmin päärynänmuotoisesta, lasisesta kuvusta, joka sulkee sisäänsä hehkulangan sekä johtimet, joiden väliin hehkulanka on ripustettu päistään. Kupu on joko kirkasta lasia tai pintakäsiteltyä. Yleisin pintakäsittelymenetelmä on syövyttää kuvun sisäpinta hapolla epätasaiseksi, jolloin hehkulanka ei näy lampun ulkopuolelta, ja valo on tasaisempi. Kupu voidaan myös opaloida, mutta tämä menetelmä absorboi valosta 5–15 %.
Lampussa on tavallisimmin metallinen, messingistä tai alumiinista valmistettu kanta, joka on kiinnitetty lasikupuun kohdasta, jossa johtimet läpäisevät sen. Yleisin kantatyyppi on niin sanottu Edison-kanta, joka on ruuvimainen kierrekanta. Kierrekannassa lampun johtimista toinen on yhdistetty kannan kierteeseen ja toinen sen kärjessä sijaitsevaan kontaktinastaan.
Hehkulanka on volframia. Volframilla on metalleista korkein sulamispiste (3 410 °C), ja se säilyttää lujuutensa muita metalleja paremmin korkeissa lämpötiloissa: se ei löysty eikä sula ja pystyy tuottamaan hyvin kirkasta valoa. Lanka valmistetaan tietyn käyttöjännitteen (useimmiten 230 V) ja nimellispolttoiän mukaan.
Lanka on yleensä kierretty spiraalin muotoiseksi ja tavallisimmissa lampuissa (15–300 W) kaksoisspiraalin muotoon (ks. alempi kuva). Kaksoiskierteinen hehkulanka valmistetaan kiertämällä erittäin ohut volframilanka ensin ohuen kuparikaran ympärille, minkä jälkeen kara kierretään kertaalleen toisen kuparikaran päälle, minkä jälkeen karat syövytetään pois ja jäljelle jää kaksoiskierteinen volframilanka.
Johtimet valmistettiin aiemmin alumiinioksidilla dispersiolujitetusta kuparista, mutta nykyään on siirrytty halvempaan kuparipäällysteiseen teräslankaan. Näiden materiaalien kuumalujuus on huomattavasti parempi kuin puhtaan kuparin, mutta sähkönjohtavuus pysyy yhä hyvänä.
Kupu voi olla tyhjiöity, kuten varhaisissa lampuissa, tai se on täytetty inertillä kaasulla tai kaasuseoksella, tavallisimmin typen ja argonin seoksella. Erikoislampuissa käytetään myös ominaisuuksiltaan parempia jalokaasuja, kryptonia ja ksenonia. Tyhjiöinnillä estetään kuuman hehkulangan hapettuminen ja täytekaasu myös hidastaa volframin höyrystymistä ja siitä johtuvaa hehkulangan ohenemista ja kuvun tummumista. Hapen kanssa kosketuksiin joutunut kuuma hehkulanka kirjaimellisesti palaa keltaisella liekillä volframitrioksidiksi jättäen jälkeensä valkoista savua.
Lampun tuottaman valon spektriin voidaan vaikuttaa seostamalla lampun lasiin jotakin metallia, esimerkiksi neodyymioksidia. Täytekaasulla ei ole suoraa vaikutusta valon värilämpötilaan ja sen kautta koettuun valon sävyyn.

Toiminta

Tavallisista hehkulampuista saadaan kellertävää valoa, jonka värilämpötila on noin 2 700 K. Hehkulampun valo saadaan aikaan johtamalla sähkövirta hehkulankaa pitkin, jolloin se lämpenee 2 650–2 750 kelvinin lämpötilaan. Koska lanka on hyvin ohut ja pitkä, sen resistanssi on suuri. Langan kuumetessa volframin resistanssi myös nousee entisestään. Hehkulanka toimii siis vastuksena ja kuumetessaan alkaa hehkua sähkövirran kulkiessa sen lävitse. Langan kuumentuessa metalliatomien lämpöliike voimistuu, ja atomit virittyvät. Kun jonkin atomin viritystila purkautuu, syntyy valokvantti.
Hehkulampun toiminnan päättyminen, ”palaminen” ehjän lasikuvun sisällä, ei johdu hapen ja hehkuvan metallin välisestä reaktiosta vaan hehkulangan katkeamisesta, joka aiheutuu hehkulangan höyrystymisestä, jota tapahtuu aina langan hehkuessa. Hehkulangan ohuemmat kohdat kuumenevat enemmän kuin paksummat, jolloin niistä haihtuu enemmän metallia, mikä ohentaa niitä entisestään. Seurauksena on lopulta langan katkeaminen. Katkeamiseen voi vaikuttaa myös energiatilan muutos: yleisimmin hehkulanka katkeaa valoa sytyttäessä tai sammuttaessa. Lanka katkeaa myös lampun lasikuvun särkyessä, jolloin suojakaasu karkaa ja langalle pääsee happea, joka polttaa hehkuvan langan poikki.

Käyttö

Hehkulamppu ja halogeenilamppu olivat kotikäytössä yleisiä 2000-luvun alkupuolelle saakka pienen kokonsa, teknisen yksinkertaisuutensa ja muihin lamppuihin verrattuna edullisen hankintahintansa vuoksi. Lisäksi hehkulampun värintoistoindeksi on erinomainen, eikä sen valo välky, joten sillä oli käyttöä kuvausvalona, varsinkin kun värintoistokyvyltään ja valon vakaudeltaan vastaavat purkauslamput olivat huomattavasti kalliimpia.

Haittapuolet

Energiatehokkaaseen Eurooppaan tähdätessä hehkulamppujen suurin ongelma on korkea virrankulutus. Verrattuna muihin valaisintekniikoihin hehkulamput kuluttavat valoa tuottaakseen moninkertaisen määrän sähköä.

Hehkulampputyyppejä

Hehkulampuista kehitettiin vuosikymmenten varrella erilaisia versioita valon suunnan ja värin vaihtelemiseksi.
Kirkas hehkulamppu. Hehkulampun perustyyppinä pysyi kirkkaalla lasikuvulla varustettu päärynänmuotoinen lamppu, jonka hehkulanka on selvästi näkyvissä lasikuvun sisällä. Kirkkaat hehkulamput sopivat parhaiten valaisimiin, joissa lamppu kätkeytyy valaisimen rakenteisiin tai peittyy varjostimella niin, ettei hehkulangan kirkasta valopistettä näe suoraan.
Himmeäkupuinen hehkulamppu on muuten samanlainen, mutta sen lasikupu on himmennetty valoa hajottavaksi niin, ettei hehkulanka näy kuvun läpi. Himmeät hehkulamput sopivat kirkkaita paremmin valaisimiin, joiden varjostin puuttuu tai hajottaa valoa huonosti. Himmeät hehkulamput ovat valoteholtaan kirkkaita vastaavia.
Opaloitu hehkulamppu hajottaa valoa himmeäkupuistakin paremmin maidonvalkoisesta opaalilasista valmistetun kupunsa ansiosta. Opaloituja lamppuja valmistettiin myös normaalia isompikupuisina, jolloin valonhajotus oli vielä parempaa.
Neolux- tai Neodymlite-lamput ovat värintoistoltaan tavallisia hehkulamppuja parempia, sillä niiden lasikupu on sävytetty neodyymioksidilla haalean purppuranväriseksi. Neolux-hehkulampun keksi vahingossa Teknillisen korkeakoulun professori Olavi Erämetsä. Hän laittoi ruokailun ajaksi vahingossa päähänsä neodyymioksidilla käsitellyt silmälasit ja havaitsi ruoan näyttävän väreiltään tavallista herkullisemmalta. Airam toi Neolux-hehkulamput markkinoille 1967. Niitä markkinoitiin tuomaan kodin sisustuksen värit iltaisinkin paremmin esiin. Neodyymivärjättyjä hehkulamppuja on käytetty myös kasvilamppuina ja päivänvalolamppuina.
Heijastinlamppu eli ”kohdelamppu” on hehkulamppu, jonka kannan puoleinen kuvun osa on käsitelty hopeanvärisellä metallilla niin, että valo suuntautui pääosin lampunkannasta poispäin. Heijastinkäsitelty kuvun osa saattaa myös läpäistä hieman valoa niin, ettei valaisimen valoa läpäisevä varjostin jää täysin pimeäksi. Heijastinlampun kupu on yleensä muotoiltu päärynämuotoa leveämmäksi niin, että hehkulangasta tuleva valo heijastuu hopeoidusta pinnasta mahdollisimman yhdensuuntaisena valaisusuuntaan. Tarkimmin yhdensuuntainen kohdevalo saadaan paraboloidin muotoisella heijastimella varustetulla PAR-lampulla (engl. parabolic aluminized reflector).
Pääpeililamppu on tavallaan heijastinlampun vastakohta. Siinä kuvun yläosan puolipallopinta on metalloitu niin, että valtaosa valosta heijastuu kannan suuntaan. Pääpeililamppuja käytetään esimerkiksi lattiavalaisimissa estämässä valon suuntautuminen kattoon. Pääpeililampuille on suunniteltu omia valaisintyyppejään, etenkin kohdevalaisimia, joissa pääpeili heijastaa valonsäteet lampunkannan ympärille levittäytyvälle heijastuspinnalle. Pääpeililampun saa laittaa vain sille suunniteltuun valaisimeen, koska lampun kantaa kohti suuntautuva lämpö voi aiheuttaa tulipalon tavalliselle hehkulampulle tarkoitetussa valaisimessa.
Kynttilälamppu on pitkulainen E14-kantainen kirkas- tai himmeäkupuinen lamppu, jota käytetään kristallikruunuissa tai muissa kynttilälampulle sopivissa valaisimissa.
Ompelukone-, mainos- tai jääkaappilamppu tarkoittaa E14-kantaista kirkas- tai himmeäkupuista hehkulamppua, joka pienen kupunsa ansiosta mahtuu ompelukoneen, mankelin, jääkaapin tai muun kodinkoneen työvalaisimelle varattuun koloon. Uunilamppu voi lisäksi olla rakennettu erityisen lämmönkestäväksi käytettäväksi sähköuunien sisävalona.
Koristelamput ovat eri tavoin muotoilluilla tai käsitellyillä lasikuvuilla varustettuja lamppuja valaisimiin, jossa lampun ulkonäöllä on merkitystä. Suomessa tunnettuja esimerkkejä ovat Tapio Wirkkalan muotoilemat ”Wir-lamppu” sekä hänen Ultima Thule -lasiastiasarjaa muistuttavalla rosoisella lasipinnalla varustettu ”Kristallilamppu”. Koristelampuiksi kutsutaan nykyisin myös pienitehoisia hehkulamppuja, joiden punertavana loistava hehkulanka voi olla koristeellisesti muotoiltu.
Putkihehkulamppu on pitkänomainen hehkulamppu, jonka suora hehkulanka ulottui lamppuputken päästä päähän. Niiden kiinnitystapana voi olla putken toisessa päässä oleva E14- tai E27-kierrekanta tai molemmista päistä kiinnitettävä erityiskanta.
Erikoishehkulamppuja ovat muun muassa värillistä valoa tuottavat koristelamput, valokuvien vedostuksessa pimiössä tarvittavat suojavalolamput ja lämpöhoidossa käytettävät infrapunalamput.
Pienjännitehehkulamput ovat esimerkiksi 12 voltin jännitteellä käytettäviä pieniä hehkulamppuja, joiden kantana on usein E10 tai bajonetti- eli nastakiinnitys. Näitä käytetään muun muassa moottoriajoneuvoissa, veneissä, polkupyörien ajovaloissa ja taskulampuissa.