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「光・ひかり」の豆知識 白熱電球技術解説

白熱電球技術解説

2012年現在、白熱電球は、経済産業省及び環境省の要請により、生産終了・販売終了となりつつありますが、今でも使用されているケースが多いので、改めて白熱電球の技術を解説することとします。

白熱電球の特長

特別な点灯回路を必要とせず、手軽に照明効果が得られます。尚、近年は小形で効率の高いミニクリプトンの需要が高くなっていました。温かみのある白色光で演色性に優れています。豊富な品種があり、様々な用途にご使用できます。調光が自由にでき、変化に富んだ照明が可能です。

白熱電球

白熱電球の構造

電球は、

  • 実際に光を発するフィラメント
  • 外を保護するガラス球
  • 口金

から成立しています。ガラス球の内部は真空のものと不活性ガスが封入されているものと色々あります。これで高温になるフィラメントの燃焼(酸化)や蒸発を防いでいます。小型・軽量で集光・散光も簡単にできる電球は、幅広く使用され、用途により様々な形状のものがあります。

白熱電球の構造

白熱電球の発光原理

発光原理

電球の中の導入線によって、フィラメントが固定されています。このフィラメントは高温に強いタングステンという金属で作られ、電流を流すと電気抵抗により2000〜3000℃の高温になり、白熱化して温かみのある白色光を発します。

発光原理

封入ガスと熱損失

一般の電球には高温になるフィラメントの蒸発を抑える為にガラス球内に不活性ガス(アルゴンと窒素の混合気体)が封入されています。この不活性ガスにより、電球は長寿命を保てるのですが、同時に不活性ガスは、ガス自体の熱伝導や対流によりフィラメントの熱を奪う働き(熱損失)もしてしまいます。この為熱を奪われにくくする為に、一般にはフィラメントを二重コイルにする方法が採用されます。
また、アルゴンガスに比べて熱を伝えにくく、熱損失を抑えられるクリプトンガスを封入した電球もあります。熱損失の減少により、高効率・長寿命を実現しています。更に、ガラス球に伝わる熱が低くなり温度上昇を抑えられるので、電球の小形化も可能になります。

封入ガスと熱損失

電球の特性

電源電圧変動特性と寿命に対する影響

電球は電圧の変動によってその特性が大きく変化します。

使用電圧の高さ

寿命・消費電力

高い場合

明るさは上昇しますが、消費電力は増え、寿命が短縮します
(例;電圧が5%高いと寿命は1/2になります。)

低い場合

寿命は長くなり、消費電力は減少しますが、明るさが低下し、不経済です。

分光分布

フィラメントから発生する光は、各波長の光が連続して含まれている為、演色性が優れ、その光色は質の良い高級感溢れる光です。

分光分布

点灯中の温度

電球は点灯中にフィラメント温度が非常に高くなる為、ガラス球や口金の温度も上昇します。特に、ワット数の高い電球ほど発生する熱量も大きく、温度が高くなります。各種電球の点灯時温度の概略値は次のようになります。

ワットの区分

消費電力(W)

ガラス球最大径部の温度

口金温度

20W形

18

53

80

40W形

36

73

90

60W形

54

92

105

100W形

90

95

115

150W形

150

85

92

200W形

200

105

107

定格電圧100V、周囲温度20℃、裸点灯周囲温度込み、口金上向きで点灯、二重コイル電球の場合

最も経済的に使用していただく為に、用途に合った機種、使用する場所の電圧に適合した機種を選んでご使用ください。

温度分布

周囲温度による寿命変化

電球点灯時の周囲温度によって電球の寿命も変化します。周囲温度が60℃以下では寿命変化は殆どありませんが、60℃を超えるとガラス球と口金の接着剤が劣化して接着力が下がり、ガラス球と口金が剥がれれくるなど事故の原因となります。

周囲温度による寿命変化

過渡電流

電球のフィラメントは点灯前の常温の状態では非常に抵抗値が小さく、その為、スイッチを入れ、電流を流した瞬間には定格電流の7〜10倍の電流が流れます。(フィラメントはすぐに熱を発して電流値も通常使用時の定格電流に戻ります。)この点灯直後の大きな電流が過渡電流で、電球を半導体回路などに接続して使用する場合には、回路の故障を防ぐ為にこの過渡電流を十分考慮する必要があります。

過渡電流

応答特性

電球の場合、スイッチをONにしてから所定の光束が出るまでの時間は0.1〜0.2秒ほどです。これは、フィラメントが一定の温度に達するまでの時間です。また、スイッチをOFFにした場合は、これとは逆にフィラメントが冷えるまで暫く光を発しています。通常の一般電球の場合、図のような特性を持ちます。

応答特性

残存率(電球の寿命)

電球の寿命はカタログに記載されている「定格寿命」で一度に全部電球が切れる訳ではなく、製造条件のバラツキや点灯方向、電圧、点滅、振動の有無などの微妙な諸条件によってある程度の幅が生じます。この様子を図示したものが残存率曲線です。電球の定格寿命は残存率が50%になった時と決められています。つまり、定格寿命1000時間の電球では、1000時間点灯した時点で半分が切れ、残りの半分が点灯し続けているということになります。

残存率(電球の寿命)

安全に使用するための注意点

警告

  • 紙や布で覆ったり、燃えやすいものを近づけないでください。
  • 取付け、取り外しや器具清掃の際は必ず電源を切ってください。

注意

  • 点灯中や消灯直後は電球が熱いので、絶対に素手や肌で触れないでください。
  • 塗料などを塗ったり、物で覆ったりしないでください。
  • ソケットに確実に取り付けてください。
  • 振動や衝撃を与えないでください。
  • 使用済みの電球は割らずに廃棄してください。
  • 点灯方向に指定のあるランプは必ず「点灯方向の指示」を守ってお使いください。
  • 雨、水滴のかかる状態や湿度の高い場所での使用はおやめください。
  • 引火性の気体、腐食性の気体の充満している場所では使用しないでください。
  • 粉塵の多い場所では一般器具での電気の使用をしないでください。(密閉構造の器具でご使用ください。)