Kvēlspuldze

Kvēlspuldzes vēsture

1802. gadā Hamfrijs Deivijs izveidoja pirmo kvēlspuldzei līdzīgo gaismas avotu, laižot elektrisko strāvu caur tievu platīna stieplīti. Šis gaismas avots nebija pietiekami gaišs un nebija pietiekami ilgmūžīgs, lai būtu praktisks, bet tas bija labs iesākums eksperimentu virknei turpmākajos 75 gados līdz Tomasa Edisona 1879. gadā patentētajai pirmajai praktiskajai kvēlspuldzei.
1840. gadā, britu zinātnieks Vorens de la Rū ieslēdza platīna stieplīti vakuuma caurulē un caur to laida elektrisko strāvu. Šīs ierīces ilgmūžība jau bija lielāka. Kaut arī projekts bija izdevies, augstās platīna izmaksas darīja to nederīgu praktiskai komerciālai izmantošanai.
1841. gadā Frederiks de Moleins no Anglijas reģistrēja pirmo patentu kvēlspuldzei ar akmeņogļu pulveri kvēldiega vietā. Angļu fiziķis un ķīmiķis Džozefs Vilsons Svans 1873. gadā demonstrēja strādājošu spuldzi, kuras konstrukcijā tika izmantots oglekļa šķiedras kvēldiegs. 1877. gadā viņš pievērsās eksperimentiem ar tieviem monolītiem oglekļa stieņiem. Svona spuldzes raksturīgākā pazīme bija pietiekami augstais vakuums, kas ļāva kvēldiegu sakarsēt gandrīz līdz baltkvēlei. 1878. gadā Svons reģistrēja britu patentu savai ierīcei. 1880. gados viņš uzsāka vadīt pats savu kompāniju. Arī Ziemeļamerikā paralēli tika izdarīti izgudrojumi. 1874. gadā Kanādas patentu reģistrēja medicīnas elektriķi Henrijs Vudvords un Metjū Evanss, kuru spuldzēm bija oglekļa elektrodi, un ar slāpekli pildīti baloni. Vudvords un Evanss mēģināja komercializēt savu izgudrojumu, bet neveiksmīgi.
1879. gadā Tomass Edisons reģistrēja patentu spuldzei ar oglekļa kvēldiegu. Vairākus mēnešus pēc tam Edisonam un viņa darba grupai izdevās atklāt, ka ar oglekli apstrādāts bambusa kvēldiegs spēj sasniegt darbmūžu 1200 stundas.
1890. gadā austriešu izgudrotājs Karls Auers fon Velsbahs strādāja ar metāla kvēldiegiem, vispirms ar platīna, pēc tam ar osmija kvēldiegiem un izveidoja strādājošu modeli 1898. gadā.
1903. gadā Viliss Vitņūzs izgudroja spuldzi ar kvēldiegu, kurš ievērojami mazāk atstāja tumšas nogulsnes uz spuldzes balona iekšpuses. Tas bija ar metālu pārklāts oglekļa kvēldiegs. 1906. gadā kompānija General Electric bija pirmā, kura patentēja metodi, kā taisīt kvēlspuldžu kvēldiegus no metāla. Tajā pašā gadā horvāts Frandžo Hanamans no Zagrebas izgudroja volframa kvēldiega spuldzi, kurai bija ilgāks darbmūžs, un kura deva spilgtāku gaismu nekā oglekļa kvēldiega spuldzes. Volframa kvēldiegi izmaksāja dārgi, bet 1910. gadā Viljams Deivids Kūlidžs izgudroja uzlabotu metodi volframa kvēldiegu ražošanai. Volframa kvēldiegi pārdzīvoja visus pārējos kvēldiegu tipus un Kūlidžs padarīja to izmaksas saprātīgas.
Šeit mēs redzam, ka Edisons nebija vienīgais un galīgais kvēlspuldzes izgudrotājs. Uzdodot jautājumu: „Kurš izgudroja kvēlspuldzi?” vēsturnieki Roberts Frīdels un Pols Izraēls piedāvā sarakstu ar 22 izgudrotājiem pirms Svona un Edisona. Viņi secina, ka Edisona versija pārspēj pārējās šādu faktoru dēļ: efektīvs kvēldiega materiāls, augsts vakuums spuldzes balonā, un augstas pretestības spuldze, kas padarīja elektrosadali ekonomiski pieņemamu. Cits vēsturnieks, Tomass Hjūdžs Edisona panākumus attiecina uz faktu, ka viņš izgudroja veselu integrētu elektriskās apgaismes sistēmu. Kvēlspuldze bija mazs komponents viņa elektriskās apgaismes sistēmā un ne vairāk atbildīgs sistēmas funkcionēšanā kā Edisona ģenerators, Edisona elektrotīkls un fīderis un paralēlā sadales sistēma. Citi izgudrotāji ar ģeneratoriem un kvēlspuldzēm un līdzīgu ģenialitāti sen ir tikuši aizmirsti, jo tie nav vadījuši savu izgudrojumu iekļaušanu apgaismes sistēmā.
Speciāli jāpiemin krievu elektrotehniķis Aleksandrs Nikolajevičs Lodigins, kurš jau 1872. gadā izveidoja savu kvēlspuldzi ar oglekļa stienīti kvēldiega lomā un vakuuma balonu. 1873. gadā sākās Lodigina lampas publiska demonstrācija.

Darbības princips

Kvēlspuldze sastāv no stikla ietveres (apvalka jeb balona), kura ar tajā iepildītas inertas gāzes palīdzību samazina kvēldiega iztvaikošanu un samazina prasības pret stikla stiprību. Balona iekšpusē atrodas kvēldiegs, kas izgatavots no volframa stieples, un caur kuru plūst elektriskā strāva. Strāva sakarsē kvēldiegu līdz galēji augstai temperatūrai (tipiskā vērtība var būt robežās no 2000 K līdz 3300 K, un tā ir atkarīga no kvēldiega tipa, formas, gabarītiem un strāvas stipruma). Atomi sabalansētajā kvēldiegā intensīvi svārstās. Elektroni, kas ir lādētas daļiņas, tagad spēcīgi svārstās un izstaro lieko enerģiju absolūti melna ķermeņa starojuma veidā. Šī starojuma spektrs, atšķirībā no tā, kuru rada nelīdzsvarotas atomu vai molekulu pārejas, kā tas ir dzīvsudraba tvaiku lampā, ir nepārtraukts. Kvēlspuldzēm parasti balona iekšpusē ir stikla serde, kura balsta kvēldiegu un elektriskajiem kontaktiem ļauj „iet” cauri apvalkam, nezaudējot apvalka hermētismu. Tiek lietoti dažāda veida elektriskie kontakti, piemēram, skrūves veida cokols, bajonetes veida cokols (viens vai vairāki kontakti galā, čaula var būt izmantota kā kontakts, vai arī tikai kā mehānisks atbalsts) un dažām lampām elektriskie kontakti abos cauruļveida lampas galos. Kontakti lampas patronā ļauj elektriskajai strāvai plūst caur kvēldiegu. Kvēlspuldžu jaudu diapazons ir apmēram no 0,1 vata l0000 vatiem un vairāk. Lai uzlabotu spuldzes gaismas atdevi, kvēldiegs parasti tiek veidots no tievas stieples spirāles, kas tiek saukta par dubultspirāli. 60 vatu 120 voltu spuldzei kvēldiega garums ir 2 metri.
Viena no standarta kvēlspuldzes problēmām ir kvēldiega iztvaikošana. Lielāka problēma ir tā, ka nenovēršamais kvēldiega pretestības nevienmērīgais sadalījums pa kvēldiega garumu noved pie nevienādas sakaršanas ar „karstajiem apgabaliem”, kuri veidojas vietās, kurās ir lielāka pretestība. Kvēldiega tievēšana iztvaikošanas dēļ palielina pretestību šajās vietās. Taču karstie apgabali iztvaiko ātrāk, ātrāk palielinot to pretestību - pozitīvā atgriezeniskā saitē, kas beidzas ar to, ka vienā vai vairākās vietās kvēldiegs kļūst ārkārtīgi tievs un līdz ar to var viegli pārtrūkt. Ērvings Langmuirs ierosināja, ka vakuuma vietā inerta gāze varētu kavēt iztvaikošanu, joprojām izvairoties no degšanas. Un tā sastopamās kvēlspuldzes tagad tiek piepildītas ar slāpekli, argonu vai kriptonu. Tomēr kvēldiega pārtrūkšana gāzpildītā balonā var radīt elektrisko loku starp kvēldiega strāvas pievadiem un novest pie tā, ka ķēdē plūst ļoti stipra strāva; bieži kā spuldzē iebūvēts drošinātājs tiek lietota tieva svina stieplīte vai cita aizsardzības ierīce. Parastās darbības laikā kvēldiega volframs iztvaiko; karstāki, tātad arī efektīvāki kvēldiegi iztvaiko ātrāk. Šī iemesla dēļ kvēlspuldzes darbmūžs ir kompromiss starp efektivitāti un ilgmūžību. Šis kompromiss parasti tiek pieņemts, lai nodrošinātu dažu simtu stundu kalpošanas laiku spuldzēm, kuras lieto vispārīgajai apgaismei; dažas stundas ilgu kalpošanas laiku teātru, fotogrāfu un kino spuldzēm. Parastajā (ne halogēnajā) kvēlspuldzē iztvaikojušais volframs galu galā nosēžas uz stikla apvalka iekšējās virsmas, padarot stiklu tumšāku. Kvēlspuldzēm ar vakuuma balonu stikla nomelnēšana ir vienmērīga pa visu apvalka virsmu. Kad tiek izmantots inertās gāzes pildījums, iztvaikojošais volframs ar gāzes straumju termisko konvekciju pārsvarā tiek nests uz apvalka augšējo daļu, tādā veidā nomelnē tikai daļa no apvalka virsmas. Dažām vecām lieljaudas spuldzēm, kuras izmantoja teātros, projekcijai un kurām ir smags, robusts kvēldiegs, iztvaikojušie volframa putekļi atrodas apvalka iekšpusē. Laiku pa laikam operatoram bija jānoņem spuldze un jāsakrata tā, ļaujot volframa putekļiem nokrist no virsmas. Tādā veidā atkal varēja samazināt spuldzes balona nomelnējumu. Kad kvēlspuldzes apvalks saplīst, spuldzei kvēlojot, vai arī, gaiss ieplūst apvalkā, karstais volframa kvēldiegs reaģē ar gaisu, dodot brūnu volframa nitrīdu, brūnu volframa dioksīdu, violeti zilu volframa pentoksīdu un dzeltenu volframa trioksīdu, kuri tad nogulsnējas uz tuvākajām virsmām vai spuldzes iekšpusē.

Halogēnā kvēlspuldze

Izgudrojums, kurš ir atsaucies uz kvēlspuldzes īsā darbmūža problēmu, ir halogēnā kvēlspuldze, kuru mēdz saukt par volframa - halogēno spuldzi, vai kvarca halogēno spuldzi, kurai volframa kvēldiegs ir ietverts mazā apvalkā, kas piepildīts ar kādu no halogēnajām gāzēm, piemēram, ar jodu vai bromu. Parastajā kvēlspuldzē viena un tā paša kvēldiega resnums dažādās vietās atšķiras nedaudz. Tievākajās daļās kvēldiega pretestība ir lielāka, kas liek tievākajām vietām sakarst vairāk nekā pārējām. Volframa iztvaikošanas pakāpe šajās vietās būs lielāka augstākās temperatūras dēļ, tāpēc tievās vietas kļūst vēl tievākas un radīsies kvēldiegu pašiznīcinošs efekts. Halogēnā kvēlspuldze rada līdzsvarojošu reakciju, kurā iztvaikojušais volframs pēc kvēldiega atdzišanas nosēžas atpakaļ uz kvēldiega karstajiem apgabaliem, tādā veidā novēršot priekšlaicīgu spuldzes atteici. Šis process ļauj halogēnajām kvēlspuldzēm strādāt ar augstāku temperatūru, kura parastajām kvēlspuldzēm pārlieku saīsinātu darbmūžu. Augstākas kvēldiega temperatūras rezultātā spuldzei ir lielāka gaismas atdeve, lielāks subjektīvi šķietamais gaišums, un baltāka krāsu temperatūra. Tā kā spuldzei jābūt ļoti karstai, lai radītu šo reakciju, halogēnās spuldzes apvalkam jābūt izgatavotam no cietā stikla vai kausētā kvarca, nevis no parastā mīkstā stikla, kurš šajā temperatūrā kļūst pārlieku plastisks. Apvalka materiāls var tikt piemeklēts un modificēts, lai sasniegtu vajadzīgos spuldzes parametrus. Halogēnās kvēlspuldzes tiek plaši lietotas, piemēram, automašīnu starmešos, un tā kā starmeši bieži satur plastmasa detaļas, tad halogēno kvēlspuldžu apvalki tiek izgatavoti no cietā stikla, vai arī no kvarca, kam pievienotas speciālas piedevas, lai bloķētu UV starojumu (cietais stikls bloķē UV starus arī bez piedevām).
Pretstatā tam, dažos gadījumos ir vajadzīgs UV starojums, un šajos gadījumos spuldzes apvalki tiek izgatavoti no kvarca bez piedevām. Tādā veidā spuldzes kļūst par UV staru avotu. Šādas tīra kvarca halogēnās kvēlspuldzes tiek lietotas dažos zinātniskos, medicīniskos un zobārstniecības instrumentos. Tipiska halogēnā kvēlspuldze ir konstruēta tā, lai kalpotu aptuveni 2000 stundas, divtik ilgi kā tipiska parastā kvēlspuldze.

Halogēnā infrasarkanā kvēlspuldze

Tālāka attīstība, paaugstinot halogēno kvēlspuldžu gaismas atdevi, ir infrasarkanos starus atstarojošs pārklājums (infrared - reflective coating (IRC)). Kvarca apvalks ir pārklāts ar daudzslāņainu dihroisku pārklājumu, kurš ļauj izstarot redzamo gaismu, kamēr atstaro daļu infrasarkanā starojuma atpakaļ uz kvēldiegu. Šādas spuldzes sauc par halogēnajām infrasarkanajām kvēlspuldzēm, un tās patērē mazāk jaudas kā standarta halogēnās kvēlspuldzes pie tās pašas izstarotās gaismas plūsmas. Gaismas atdeves pieaugums var sasniegt 40% salīdzinājumā ar ekvivalentu standarta spuldzi. Apgaismes korporācija Harison Toshiba ražo halogēno infrasarkano kvēlspuldzi ar nosaukumu HIR - 1 automašīnu starmešiem, kura sasniedz 2500 lūmenus pie 65 vatu patērētās jaudas (38 lūmeni uz vatu); šajā spuldzē ir izmantots infrasarkano staru atstarojošs pārklājums ar firmas General Electric licenci.

Drošība

Tā kā halogēnā kvēlspuldze darbojas pie ļoti augstas temperatūras, tā var izsaukt ugunsgrēka un apdeguma briesmas. Turklāt iespējams iegūt apdegumus no pārlieku lielas apstarošanas ar UV starojumu caur tīrā kvarca halogēno kvēlspuldzi. Lai samazinātu negatīvās sekas no nejauša UV apstarojuma un lai novērstu spuldzes daļu izbiršanu spuldzes uzsprāgšanas gadījumā, gaismekļu ražotāji parasti iebūvē UV starus absorbējošu stikla filtru priekšā spuldzei. Pretējā gadījumā tie var pievienot UV staru filtrējošu pārklājumu spuldzes apvalkam. Halogēnā kvēlspuldze ar šādu pareizi izveidotu pārklājumu izstaro mazāk UV starojuma nekā parastā kvēlspuldze.

Ekspluatācijas noteikumi

Jebkura virsmas netīrība, piemēram, pirkstu nospiedumi, var sabojāt kvarca apvalku, kad tas ir sakarsēts. Kaitīgas vielas, piemēram, eļļa un citi ādas nosēdumi, kas dabiski nogulsnējas ar pirkstu nospiedumiem, radīs karsto apgabalu uz balona virsmas, kad spuldze kvēlo. Šī pārmērīgā lokālā karstuma rezultātā kvarca stiklveida struktūra pārveidojas par kristālveida struktūru un šādas struktūras kvarca apvalks zaudēs hermētismu.
Pārmērīgi sakarsušajās vietās var rasties burbulis, kas var novest pat pie apvalka uzsprāgšanas, tādā veidā radot nopietnas briesmas. Rezultātā spuldzes ar kvarca apvalku jāpārvieto, nekad ar rokām tieši nepieskaroties kvarca apvalkam, bet gan izmantojot tīru papīra salveti vai arī turot aiz porcelāna pamatnes. Ja kvarcs tomēr kļuvis netīrs, tad tas kārtīgi jānotīra ar spirtu un jānožāvē pirms lietošanas.

Gaismas atdeve

Aptuveni 95% no kvēlspuldzes patērētās jaudas tiek pārvērsti siltumā. Pie nemainīgas gaismas plūsmas kvēlspuldze ar 5% lietderību ražo vairāk siltuma (un patērē vairāk jaudas) nekā luminiscences lampa ar 7% - 15% lietderību. Vispārējā apgaismojuma vajadzībām kvēlspuldzēm ir šādas alternatīvas:

• luminiscences lampas, kuras plaši pielieto komerciestāžu un biroju apgaismošanai, kurām ir augstāka lietderība un garāks darbmūžs;

• halogēnās kvēlspuldzes;

• kompaktās luminiscences lampas, ja tām ir iebūvēts balasts, var aizvietot kvēlspuldzes tajās pašās patronās. Kvēlspuldzes parasti var tikt aizvietotas ar kompaktajām luminiscences lampām ar iebūvētu balastu, kuras der standarta patronām. Tas ļauj 100W kvēlspuldzi aizvietot ar 23W luminiscences lampu, ražojot apmēram to pašu gaismu. Kvalitatīvas halogēnās kvēlspuldzes ir ar lietderību ap 9%, kas ļauj 60W spuldzei dot tikpat daudz gaismas kā 100W parastajai kvēlspuldzei. Bez tam mazākas jaudas halogēno kvēlspuldzi var konstruēt tā, ka tai ir tas pats gaismas daudzums, bet garāks darbmūžs. Tomēr mazas (pēc gabarītiem) halogēnās kvēlspuldzes joprojām ir jaudīgas, kas liek tām stipri sakarst. Tas tā ir tāpēc, ka siltums ir koncentrēts maza apvalka virsmā un tāpēc, ka virsma atrodas tuvāk kvēldiegam. Halogēnspuldžu augstā temperatūra ir būtiska, lai sasniegtu spuldzes lielo darbmūžu. Ja halogēnas kvēlspuldzes ir atstātas bez aizsardzības, tās var radīt ugunsgrēku daudz vieglāk nekā parastās kvēlspuldzes. Lielākā daļa drošības noteikumu pieprasa, lai halogēnās kvēlspuldzes būtu aizsegtas ar režģi vai stiklu un armatūras metāla korpusu. Tāpat atsevišķās vietās halogēnās kvēlspuldzes, kuras pārsniedz noteiktu jaudu, nedrīkst lietot dzīvojamos rajonos.

Elektriskās īpašības

Kvēlspuldze ir tīri aktīva slodze, tas nozīmē, ka tās jaudas koeficients ir vienāds ar 1. Tātad patērētā jauda (vatos) un šķietamā jauda (voltampēros) ir vienādas. Kvēldiega pretestība ir atkarīga no temperatūras. Auksta kvēldiega pretestība ir daudz mazāka, nekā sakarsēta kvēldiega pretestība. Piemēram, 100 vatu 120 voltu kvēlspuldzei kvēlojot, tās pretestība ir 144 omi, bet aukstā stāvoklī tās pretestība ir daudz zemāka. Fakts, ka kvēlspuldze ir aktīva slodze, dod tai vairākas priekšrocības pār luminiscences un lokizlādes lampām. Parastie vertikālās vadības sprieguma regulatori var tikt izmantoti, lai regulētu kvēlspuldžu gaismu.
Tā kā kvēlspuldžu jaudas koeficients ir 1, tad spuldzes pilnā jauda var tikt izmantota, lai uzzinātu slodzes strāvu un līdz ar to vada šķērsgriezumu, kā arī ķēdē iesaistīto komutācijas ierīču nominālās strāvas. Luminiscences un lokizlādes lampas ir slodzes, kurām piemīt reaktīva komponente, tātad lampas aktīvā jauda nevar tikt izmantota, lai izvēlētos vadītāju un komutācijas elementu nominālus.

Jauda

Kvēlspuldzes parasti tiek tirgotas, vadoties pēc to patērētās elektriskās jaudas. Šī jauda tiek mērīta vatos un tā ir atkarīga praktiski tikai no kvēldiega pretestības, kura savukārt ir atkarīga no kvēldiega garuma, resnuma un materiāla. Vidusmēra klientam ir grūti prognozēt spuldzes gaismas atdevi, ja ir dota patērējamā jauda, bet var droši pieņemt, ka no divām vienāda tipa spuldzēm ar vienādu gaismas krāsu un stikla dzidruma pakāpi gaišāk spīdēs spuldze ar lielāku jaudu.