Lampu Halogen

Latar Belakang

Lampu halogen adalah salah satu jenis lampu pijar. Lampu pijar konvensional berisi filamen tungsten yang disegel di dalam selubung kaca yang dievakuasi atau diisi dengan gas inert atau campuran gas-gas ini (biasanya nitrogen, argon dan kripton). Ketika daya listrik diterapkan ke filamen, itu menjadi cukup panas (umumnya lebih dari 3.600 ° F [2.000 ° C]) untuk menjadi pijar; dengan kata lain, filamen bersinar dan memancarkan cahaya. Selama operasi, tungsten yang menguap dari filamen panas mengembun di dinding bohlam yang lebih dingin, menyebabkan bohlam menghitam. Proses penghitaman ini terus menerus mengurangi keluaran cahaya selama masa pakai lampu.

Lampu halogen dilengkapi dengan beberapa modifikasi untuk menghilangkan masalah menghitam ini. Bohlam, terbuat dari kuarsa yang menyatu dan bukan gelas soda kapur, diisi dengan gas inert yang sama seperti lampu pijar yang dicampur dengan sejumlah kecil gas halogen (biasanya kurang dari 1% bromin). Halogen secara kimia bereaksi dengan deposit tungsten untuk menghasilkan tungsten halida. Ketika tungsten halida mencapai filamen, panas yang hebat dari filamen menyebabkan halida terurai, melepaskan tungsten kembali ke filamen. Proses ini—dikenal sebagai siklus tungsten-halogen—mempertahankan keluaran cahaya yang konstan selama masa pakai lampu.

Agar siklus halogen bekerja, permukaan bohlam harus sangat panas, umumnya di atas 482°F (250 °C). Halogen mungkin tidak cukup menguap atau gagal bereaksi secara memadai dengan tungsten terkondensasi jika bohlam terlalu dingin. Ini berarti bahwa bohlam harus lebih kecil dan terbuat dari kuarsa atau kaca berkekuatan tinggi dan tahan panas yang dikenal sebagai aluminosilikat. Karena bohlam kecil dan biasanya cukup kuat karena dindingnya yang lebih tebal, bohlam dapat diisi dengan gas hingga tekanan yang lebih tinggi dari biasanya. Ini memperlambat penguapan tungsten dari filamen, meningkatkan umur lampu.

Selain itu, ukuran bohlam yang kecil terkadang membuatnya ekonomis untuk menggunakan gas pengisi premium yang lebih berat seperti kripton atau xenon—yang membantu memperlambat laju penguapan tungsten—daripada argon yang lebih murah. Tekanan yang lebih tinggi dan gas pengisi yang lebih baik dapat memperpanjang umur bohlam dan/atau memungkinkan suhu filamen yang lebih tinggi yang menghasilkan efisiensi yang lebih baik. Setiap penggunaan gas pengisi premium juga menghasilkan lebih sedikit panas yang dialirkan dari filamen oleh gas pengisi. Ini menghasilkan lebih banyak energi yang meninggalkan filamen melalui radiasi, sedikit meningkatkan efisiensi.

Dengan demikian, bohlam halogen menghasilkan cahaya yang lebih putih dan lebih terang, menggunakan lebih sedikit energi, dan bertahan lebih lama daripada bohlam pijar standar dengan watt yang sama. Mereka dapat bertahan dari 2.000-4.000 jam (sekitar dua hingga empat tahun) dibandingkan dengan lampu pijar konvensional, yang hanya beroperasi selama 750-1.500 jam atau tiga jam sehari selama sekitar satu tahun. Namun, bohlam halogen harganya lebih mahal.

Kebanyakan lampu halogen memiliki daya berkisar antara 20-2.000 watt. Jenis tegangan rendah berkisar antara 4-150 watt. Beberapa lampu halogen juga dirancang dengan lapisan reflektif inframerah khusus di bagian luar bohlam untuk memastikan bahwa panas yang terpancar, yang terbuang percuma, dipantulkan kembali ke filamen lampu. Filamen terbakar lebih panas sehingga watt yang dibutuhkan lebih sedikit. Lampu ini bisa bertahan hingga 4.000 jam.

Meskipun lebih efisien daripada lampu pijar besar lainnya, lampu halogen tungsten relatif tidak efisien dibandingkan dengan jenis lampu fluoresen dan lampu pelepasan intensitas tinggi (HID). Lampu halogen juga dapat menimbulkan ancaman keamanan, karena panas yang dihasilkan dapat berkisar antara 250-900 °F (121-482 °C).

Sejarah

Lampu minyak dengan cerobong kaca adalah pendahulu dari lampu listrik. Lampu gas juga umum tetapi memiliki kelemahan yang jelas. Pada awal abad kesembilan belas, lampu menggunakan kawat yang dipanaskan dengan listrik (platinum) dikembangkan. Lampu yang lebih efisien menjadi mungkin karena bahan filamen yang berbeda digunakan. Pada tahun 1860, seorang penemu Inggris bernama Swan mendemonstrasikan lampu filamen karbon. Baik dia dan Thomas Edison akhirnya memperbaiki lampu ini untuk penggunaan praktis sekitar tahun 1878. Edison memasang sistem penerangan listrik pertama yang berhasil pada tahun 1880.

Kemudian, filamen karbon ini diganti dengan tantalum dan kemudian filamen tungsten, yang menguap lebih lambat dari karbon. Setelah proses menggambar kawat tungsten disempurnakan, lampu filamen tungsten pertama diperkenalkan pada tahun 1911. Ini adalah lampu vakum. Pada tahun 1913, General Electric Corporation memperkenalkan lampu filamen tungsten menggunakan gas inert dan filamen melingkar. Enam tahun kemudian, produksi tahunan bola lampu di Amerika Serikat melebihi 200 juta. Saat ini, hampir semua lampu pijar listrik dibuat dengan filamen tungsten.

Siklus tungsten-halogen yang digunakan dalam lampu halogen pertama kali dirancang dan diuji 40 tahun yang lalu. Beberapa bohlam halogen komersial pertama diperkenalkan pada tahun 1959. Aplikasi sejak saat itu termasuk pencahayaan studio, lampu proyeksi dan lampu depan kendaraan. Yang terakhir menyebabkan jenis kaca yang berbeda, yang disebut aluminosilikat, yang pertama kali diperkenalkan pada lampu pada awal 1970-an. Suhu pelunakan atau kerja yang lebih rendah dari kacamata ini memungkinkan produksi otomatis lampu halogen berkecepatan tinggi.

Industri bohlam muncul di awal abad kedua puluh, ketika tenaga listrik tersedia untuk masyarakat umum. Pada awal 1980-an, sekitar 70 perusahaan Amerika Serikat menjual bohlam dan tabung senilai lebih dari $2 miliar setiap tahun. Selama dekade berikutnya, karena penurunan pada awal 1990-an, total pasar bohlam hanya tumbuh sekitar $2,9 miliar. Pasar mencapai hampir $ 4 miliar pada tahun 1994 tetapi tetap relatif datar selama beberapa tahun berikutnya.

Pada tahun 1992, Amerika Serikat mengesahkan Undang-Undang Keamanan Energi Nasional, yang mengamanatkan penggunaan bohlam canggih yang lebih efisien. Tindakan tersebut berusaha untuk mencegah penjualan bola lampu neon yang tidak efisien mulai tahun 1994 dan lampu hemat energi lainnya pada tahun 1995. Undang-undang tersebut juga melarang beberapa jenis tabung lampu neon, beberapa lampu reflektor pijar, dan berbagai lampu banjir. Pengesahan undang-undang ini juga meningkatkan harga umbi sebesar 4-6%.

Tindakan ini, selain keuntungan yang menurun, menginspirasi pembuat lampu selama pertengahan 1990-an untuk menawarkan lampu yang dapat mengurangi konsumsi energi, meningkatkan pencahayaan, meningkatkan umur panjang, dan meminimalkan dampak lingkungan. Lampu neon kompak dan lampu halogen adalah dua jenis yang menawarkan pertumbuhan. Dengan demikian, selama periode 1993-1998 pengiriman halogen meningkat hampir 15% per tahun. Pasar Amerika Serikat secara keseluruhan untuk peralatan penerangan mencapai lebih dari $10 miliar pada tahun 1998.

Pada pertengahan 1997, Dewan Keamanan Produk Konsumen mengoordinasikan penarikan obor halogen untuk perbaikan di rumah karena bahaya kebakaran yang disebabkan oleh desain perlengkapan yang buruk dan bola lampu yang panas. Tujuan penarikan ini adalah untuk memasang kembali lampu torchiere yang ada dengan pelindung bohlam kawat pelindung (lampu yang diproduksi setelah penarikan sudah termasuk pelindung ini).

Jenis bola lampu lainnya, termasuk halogen, terus meningkat selama bertahun-tahun dan sedang dirancang untuk aplikasi khusus. Kemajuan terbaru dalam teknologi lampu halogen adalah lampu halogen infrared-reflecting (IR). Lampu ini dapat memberikan keluaran cahaya (lumen) yang sama dengan daya yang jauh lebih sedikit (watt) atau sebaliknya, meningkatkan lumen secara substansial untuk watt yang sama dengan lampu halogen standar. Hanya 10-15% daya yang digunakan pada lampu pijar dan lampu halogen menghasilkan cahaya tampak. Mayoritas daya terpancar sebagai panas (energi inframerah).

Lampu baru ini memiliki lapisan pemantul inframerah yang diterapkan pada permukaan luar kapsul lampu yang memantulkan banyak energi inframerah yang terbuang kembali ke dalam kapsul dan ke filamen tungsten. Ini dialihkan Grafik yang menunjukkan perbedaan daya antara lampu halogen dan lampu pijar. energi meningkatkan suhu filamen sehingga menghasilkan lebih banyak cahaya tanpa watt tambahan. Saat ini, lampu ini terutama digunakan dalam aplikasi ritel besar untuk penerangan umum dan pencahayaan aksen atau tampilan. Baru-baru ini, 180 lampu halogen baru digunakan di Times Square Ball untuk Malam Tahun Baru 1999. Desain amplop ganda membuat distribusi panas lampu ini mirip dengan lampu pijar.

Bahan Baku

Tergantung pada jenis lampu halogen, bahan bohlam adalah kuarsa (silika leburan) atau kaca aluminosilikat. Kaca kuarsa memiliki ketahanan suhu yang sesuai untuk siklus tungsten-halogen, yang menghasilkan suhu bohlam hingga 1.652°F (900°C). Untuk lampu dengan watt rendah hingga sekitar 120 watt, kaca aluminosilikat dapat digunakan. Entah kaca datang dalam bentuk tabung silinder yang dipotong dengan panjang yang diinginkan atau dipotong memanjang oleh produsen lampu.

Tungsten digunakan untuk filamen pijar. Tungsten diterima dalam bentuk kawat yang dibuat menggunakan doping (menambahkan sejumlah kecil bahan lain) dan proses perlakuan panas. Dopan menghasilkan keuletan yang dibutuhkan untuk memproses tung-sten menjadi gulungan dan membantu mencegah distorsi selama operasi. Molibdenum—digunakan untuk penyegelan—diterima dalam bentuk foil dan kawat pada gulungan. Basis yang terbuat dari keramik, kaca, atau logam dibuat dari pabrik.

Gas yang digunakan selama pembuatan meliputi argon, nitrogen, kripton, xenon, bromin, hidrogen, oksigen, dan gas alam atau propana. Sebagian besar gas ini dipasok dalam tangki atau silinder, beberapa dalam bentuk cair. Alami gas disalurkan dari perusahaan gas.

Desain

Sifat listrik lampu ditentukan oleh dimensi dan bentuk atau geometri kawat filamen. Semakin tinggi tegangan operasi, semakin panjang kabelnya. Untuk watt yang lebih tinggi, diperlukan kabel yang lebih tebal. Filamen dililit menjadi bentuk kumparan dengan konfigurasi yang berbeda, tergantung pada aplikasi lampu.

Konfigurasi yang paling umum dikenal sebagai inti bulat, inti datar dan filamen ganda. Dalam kasus khusus, konfigurasi lain digunakan, baik termodulasi (untuk kemanjuran maksimum pembangkitan cahaya) dan tersegmentasi (untuk distribusi cahaya yang seragam). Filamen juga berorientasi dalam dua cara, aksial atau melintang. Orientasinya selalu aksial dalam lampu silinder berujung ganda. Pada lampu ujung tunggal, orientasinya ditentukan oleh aplikasi.

Proses Pembuatan

Beberapa komponen lampu dibuat di lokasi yang berbeda dan dikirim ke pabrik tempat perakitan akhir dilakukan. Tingkat otomatisasi manufaktur tergantung pada aplikasi lampu, volume penjualan dan harga jual. Proses untuk lampu halogen kuarsa ujung tunggal akan dibahas.

Membuat gulungan

• 1 Karena kawat lurus tipis memiliki karakteristik emisi yang buruk dan sulit dipasang ke dalam bola lampu, kawat dililitkan menjadi bentuk kumparan menggunakan mesin otomatis yang menyerupai kumparan kecepatan tinggi. Untuk membuat filamen inti bulat, setiap tum diletakkan secara spiral berdekatan dengan yang berikutnya pada batang silinder. Batang persegi panjang digunakan untuk filamen inti datar. Untuk filamen ganda, kawat pertama-tama dililitkan menjadi kumparan primer yang sangat halus, dan ini kemudian dililitkan sekali lagi di sekitar inti kedua yang lebih tebal. Sejumlah besar kawat dengan demikian dapat masuk ke dalam ruang yang sangat kecil.

  Bola lampu halogen terbuat dari kuarsa leburan dan diisi dengan gas inert yang sama seperti lampu pijar yang dicampur dengan sejumlah kecil sebuah gas halogen. Halogen bereaksi dengan deposit tungsten untuk menghasilkan tungsten halida, yang terurai ketika mencapai filamen panas. Kerusakan tersebut melepaskan tungsten kembali ke filamen—dikenal sebagai siklus tungsten-halogen—dan mempertahankan keluaran cahaya yang konstan selama masa pakai lampu.

Membentuk bohlam

• 2 Setelah tabung kaca dipotong memanjang, tabung knalpot harus dipasang di bagian atas. Pertama bagian atas tabung dipanaskan menggunakan api gas/oksigen. Roda tungsten carbide melipat kaca yang telah dilunakkan untuk membentuk bentuk kubah yang berisi lubang kecil.
• 3 Sebuah tabung kaca yang lebih kecil yang disebut tabung buang ditempatkan di dalam lubang dan bergabung dengan tabung yang lebih besar dengan cara dilebur. Tabung berdiameter kecil ini digunakan sebagai sarana untuk mengeluarkan udara dari lampu selama operasi penyegelan dan mengevakuasi udara dan memasukkan gas pengisi selama proses pembuangan. Proses ini dilakukan pada mesin rotary khusus.

Membuat dudukan

• 4 Selanjutnya, mount dibuat. Pertama, jembatan dibuat dengan menyematkan kabel tungsten yang telah dibentuk sebelumnya ke dalam batang kuarsa silinder kecil. Filamen dilas ke kabel pendukung ini dan dilas ke rakitan timah luar yang terdiri dari foil penyegel molibdenum dan timah luar.
• 5 Pemasangan yang telah selesai dikirim melalui tungku hidrogen pada 1.925 °F (1.050 °C) untuk dibersihkan. Proses ini menghilangkan oksida yang dapat merusak filamen tungsten selama pengoperasian lampu.

Penyegelan

• 6 Mesin yang disebut press seal digunakan untuk menutup rapat dudukan di dalam bohlam. Dudukan dimasukkan ke dalam bohlam dan kedua bagian dipegang dengan aman. Bagian bawah bohlam kemudian dipanaskan hingga sekitar 3.272°F (1.800°C) menggunakan pembakar gas/oksigen untuk melunakkan kuarsa. Bantalan tekan baja tahan karat, beroperasi pada tekanan 20-60 psi, tekan kuarsa ke foil molibdenum yang membentuk segel kedap udara. Selama operasi ini, bohlam dibilas dengan gas inert (nitrogen atau argon) untuk menghilangkan udara dan mencegah dudukan teroksidasi. Ujung luar menonjol dari ujung mesin press dan menyediakan sarana untuk menghubungkan lampu secara elektrik ke dasar lampu.

Mengosongkan dan mengisi bohlam yang ditekan

• 7 Bohlam yang ditekan diisi dengan gas halogen pada mesin buang. Mesin ini menggunakan pompa vakum untuk mengevakuasi udara dari bohlam dan sistem pengisian untuk memasukkan campuran gas halogen ke dalam bohlam melalui tabung pembuangan. Tekanan lampu internal yang tinggi dicapai dengan terlebih dahulu mengisi lampu di atas tekanan atmosfer dan kemudian menyemprotkan atau mencelupkan bohlam ke dalam nitrogen cair yang mendinginkan dan mengembunkan gas pengisi di bawah tekanan atmosfer. Gas/oksigen menyala kemudian melelehkan pipa knalpot di bagian atas bohlam membentuk ujung dan menjebak gas di dalam bohlam. Gas mengembang saat menghangat ke suhu sekitar dan dengan demikian menghasilkan lampu bertekanan.

Memasang alas

• 8 Bagian bawah lampu menyediakan sambungan listrik dan pemasangan. Geometri didefinisikan dalam standar nasional dan internasional. Ada beberapa jenis pangkalan yang berbeda. Untuk lampu ujung tunggal, alas kaca, keramik atau logam digunakan. Ini biasanya terikat pada bola kaca dengan semen khusus yang memiliki ketahanan yang baik terhadap suhu tinggi, kelembaban dan tekanan termal atau dipasang secara mekanis. Sambungan bebas semen digunakan untuk aplikasi khusus.

Kemasan

• 9 Setelah pengujian akhir, lampu dikemas secara manual atau otomatis ke dalam kotak, tergantung pada aplikasinya. Lampu yang dijual ke toko eceran dikemas secara individual.

Kontrol Kualitas

Uji tekanan (pada 40-100 atmosfer tergantung pada tekanan pengisian) dilakukan setelah proses tekan/segel untuk memastikan bahwa lampu tidak meledak selama pengoperasian. Sampel acak biasanya diambil meskipun beberapa lampu diuji 100%. Setelah proses pengisian, lampu diuji kebocorannya dengan menempatkannya pada mesin putar dan menyalakannya selama beberapa menit. Jika terjadi kebocoran besar, lampu akan berubah warna menjadi putih kuning. Jika ada cacat mekanis utama, lampu biasanya akan mati. Sampel acak dari setiap lot juga diuji untuk memastikan semua spesifikasi (watt, suhu, keluaran cahaya, dan masa pakai) terpenuhi.

Produk Sampingan/Limbah

Kuarsa yang rusak dibuang atau didaur ulang. Terkadang pipa knalpot digunakan kembali. Limbah tungsten diselamatkan dan dijual sebagai skrap. Lampu lengkap yang gagal dalam pengujian dibuang. Namun, produsen lampu terus menggunakan bahan yang lebih ramah lingkungan untuk mengurangi limbah yang tidak dapat didaur ulang.

Beberapa lampu halogen dibuat dengan solder timah di dasar lampu. Karena timbal adalah bahan yang sangat beracun, produk yang mengandung timbal harus melewati TCLP (prosedur pelindian karakteristik toksisitas) dari Badan Perlindungan Lingkungan. Jika tidak, mereka harus diklasifikasikan sebagai limbah berbahaya dan mengikuti peraturan pembuangan khusus di beberapa negara bagian. Beberapa produsen lampu menghindari masalah ini dengan menggunakan solder bebas timah.

Masa Depan

Pengiriman lampu halogen tungsten diperkirakan meningkat 7,7% per tahun menjadi 58 juta unit pada tahun 2003, melebihi pengiriman lampu pijar. Hal ini mencerminkan meningkatnya penerimaan halogen dalam aplikasi perumahan dan komersial, seperti lampu track dan lampu tersembunyi, lampu meja dan lantai, serta pencahayaan umum dan tugas lainnya.

Meskipun peningkatan penggunaan lampu halogen di sejumlah aplikasi, pengiriman unit telah melambat secara signifikan dari kecepatan pertengahan 1990-an, karena peningkatan impor dari negara-negara seperti Cina, Korea Selatan, Taiwan, Jepang, Filipina, Meksiko, Jerman, dan Hongaria. Selain persaingan dari impor, faktor-faktor lain akan berkontribusi pada penurunan harga satuan, yang akan membatasi perolehan nilai untuk pengiriman hingga 5,3% per tahun menjadi $180 juta pada tahun 2003. Dalam upaya untuk merebut pangsa pasar, beberapa produsen akan membatasi kenaikan harga. Selain itu, peningkatan skala ekonomi dan teknik produksi akan membantu menurunkan harga satuan.

Produsen lampu halogen juga akan terus mengembangkan bohlam dengan karakteristik pencahayaan yang unggul, efisiensi yang lebih besar, dan umur panjang yang ditingkatkan dengan biaya yang lebih murah. Desain baru dan lebih baik akan ditawarkan untuk memenuhi kebutuhan aplikasi khusus. Lampu akan terus dibuat yang lebih ramah lingkungan dan proses manufaktur yang dibuat lebih efisien untuk mengurangi limbah.

Pasar global untuk produk pencahayaan diperkirakan akan mencapai sekitar $28 miliar pada pergantian abad ini. Amerika Serikat diharapkan untuk meningkatkan pangsa pasar ini melampaui 30% saat ini. Perusahaan bohlam dan lampu Amerika Serikat juga berekspansi ke luar negeri, dengan membentuk usaha patungan atau mengakuisisi fasilitas. Pasar peralatan penerangan Amerika Utara diperkirakan akan mencapai lebih dari $15 miliar pada tahun 2005.

Lampu pijar akan tetap dominan di pasar Amerika Serikat, dengan lebih dari 80% penjualan unit dan lebih dari 50% nilai pasar, berdasarkan penggunaan substansialnya di pasar peralatan perumahan dan transportasi yang besar. Karena kematangan pasar pijar, persaingan dari jenis lampu lain, dan perlambatan sektor perumahan dan kendaraan bermotor, pertumbuhan permintaan lampu pijar akan mengikuti rata-rata industri.