Нагретое электрическим током тело может, оказывается, не только излучать тепло, но и светиться. Первые источники света функционировали именно на этом принципе. Рассмотрим, как работает лампа накаливания – самый массовый осветительный прибор в мире. И, хотя его со временем предстоит полностью заместить на компактные люминесцентные (энергосберегающие) и светодиодные источники света, без этой технологии человечеству еще долго не обойтись.

Конструкция лампы накаливания

Основным элементом лампочки является спираль из тугоплавкого материала – вольфрама. Для увеличения ее длины и, соответственно, сопротивления, она скручена в тонкую спираль. Это не видно невооруженным глазом.

Спираль укреплена на поддерживающих элементах, крайние из которых служат для присоединения ее концов к электрической цепи. Они изготовлены из молибдена, температура плавления которого выше температуры разогретой спирали. Один из молибденовых электродов соединяется с резьбовой частью цоколя, а другой – с его центральным выводом.

Молибденовые держатели удерживают вольфрамовую спираль

Из колбы, сделанной из стекла, выкачан воздух. Иногда внутрь вместо воздуха закачивают инертный газ, например, аргон или его смесь с азотом. Это необходимо для снижения теплопроводности внутреннего объема, в результате чего стекло менее подвержено нагреву. Дополнительно эта мера препятствует окислению нити накала. При изготовлении лампы воздух выкачивается через часть колбы, скрытую затем цоколем.

Принцип работы лампы накаливания основан на разогреве электрическим током ее нити до температуры, при которой она начинает излучать свет в окружающее пространство.

Лампы накаливания можно изготовить на мощность от 15 до 750 Вт. В зависимости от мощности применяются разные типы резьбовых цоколей: Е10, Е14, Е27 или Е40. Для декоративных, сигнальных и ламп подсветки используются цоколи ВА7S, ВА9S, ВА15S. Такие изделия при установке втыкаются внутрь патрона и поворачиваются на 90 градусов.

Помимо обычной, грушеобразной формы, выпускаются и декоративные лампы, у которых колба выполняется в форме свечи, капли, цилиндра, шара.

Лампа с колбой, не имеющей покрытия, светится желтоватым светом, по составу наиболее напоминающим солнечный. Но при нанесении на внутреннюю поверхность стекла специальных покрытий она может стать матовой, красной, желтой, синей или зеленой.

Интерес представляет устройство зеркальной лампы накаливания. На часть ее колбы нанесен отражающий слой. В результате, за счет отражения от него, световой поток перераспределяется в одном направлении.

Достоинства ламп накаливания

Самым важным плюсом в пользу применения лампочек накаливания является простота их изготовления и, соответственно, цена. Проще осветительного прибора придумать невозможно.

Лампы изготавливают на широкий диапазон мощностей и габаритных размеров. Все остальные современные источники света содержат устройства, преобразующие напряжение питания в необходимую для их работы величину. Хотя их и ухитряются впихнуть в стандартные габаритные размеры лампочки, но при этом усложняется конструкция, увеличивается количество деталей в составе устройства. А это не всегда улучшает показатели стоимости и надежности. Схема же включения лампы накаливания не требует никаких дополнительных элементов.

Светодиодные лампы вытеснили обычные из портативных устройств: переносных источников света, питающихся от батареек и аккумуляторов. При той же светоотдаче они потребляют меньший ток, а габаритные размеры светодиода еще меньше, чем лампочек, использующихся ранее в фонариках. Да и в составе елочных гирлянд они работают успешнее.

Стоит отметить еще одно достоинство, присущее лампочкам накаливания – их спектр свечения наиболее близок к солнечному, чем у всех остальных искусственных источников света. А это – большой плюс для зрения, ведь оно адаптировано именно к солнцу, а не монохромным светодиодам.

Из-за тепловой инерции разогретой нити накала свет от нее практически не пульсирует. Чего нельзя сказать об излучении от остальных устройств, особенно люминесцентных, использующих в качестве пускорегулирующего устройства обычный дроссель, а не полупроводниковую схему. Да и электроника, особенно дешевая, не всегда подавляет пульсации от сети должным образом. От этого тоже страдает зрение.

Но не только здоровью может повредить пульсирующий характер работы полупроводниковых устройств, использующихся в современных лампочках. Массовое их применение приводит к резкому изменению формы потребляемого от сети тока, что сказывается в итоге и на форме напряжения. Она настолько изменяется по отношению к изначальной (синусоидальной), что это сказывается на качестве работы других электроприборов в сети.

Недостатки ламп накаливания

Существенный недостаток лампочек накаливания, сокращающий их срок службы – зависимость его от величины питающего напряжения. При повышении напряжения износ нити накала происходит быстрее. Выпускают лампы на разные величины этого параметра (вплоть до 240 В), но при номинальном значении они светят хуже.

Понижение напряжения приводит к резкому изменению интенсивности свечения. А еще хуже воздействуют на осветительный прибор его колебания, при резких скачках лампа может и перегореть.

Но самое худшее – то, что нить накала рассчитана на длительную работу в нагретом состоянии. При нагревании ее удельное сопротивление увеличивается. Поэтому в момент включения, когда нить холодная, ее сопротивление намного меньше того, при котором происходит свечение. Это приводит к неизбежному скачку тока в момент зажигания, приводящему к испарению вольфрама. Чем больше количество включений – тем меньше проживет лампа.

Исправить ситуацию помогают устройства для плавного запуска или , позволяющие регулировать яркость свечения в широких пределах.

Самым главным недостатком лампочек накаливания считается их низкий коэффициент полезного действия. Подавляющая часть электроэнергии (до 96 %) расходуется на бесполезный нагрев окружающего воздуха и излучение в инфракрасном спектре. С этим поделать ничего нельзя – таков принцип действия лампы накаливания.

Ну и еще: стекло колбы легко разбить. Но в отличие от компактных люминесцентных, содержащих внутри небольшое количество паров ртути, разбитая лампа накаливания кроме возможного пореза ничем владельцу не угрожает.

Галогенные лампы

Причиной перегорания лампы накаливания является постепенное испарение фольфрама, из которого сделана нить. Она становится тоньше, а затем очередной скачок тока при включении расплавляет ее в самом тонком месте.

Этот недостаток призваны устранить галогенные лампы, заполняемые парами брома или йода. При горении испаряющийся вольфрам вступает в соединение с галогеном. Получившееся вещество не способно осаждаться на стенках колбы или других, относительно холодных, внутренних поверхностях.

Вблизи же нити накала вольфрам под действием температуры извлекается из соединения и возвращается на место.

Применением галогенов решается еще одна задача: температуру спирали можно поднять, увеличивая световую отдачу и уменьшить размеры осветительного прибора. Поэтому при той же мощности габариты галогенных ламп оказываются меньше.

Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а ) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3 , которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6 , обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4 . Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5 , именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б , состоит из электродов 6 , тарелочки 9 , и штенгеля 10 , представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8 , штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7 . Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11 , соединяемые между собой электросваркой.

Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а ) и ее ножки (б )

Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1 . Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2 , после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.

Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13 , крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12 .

От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.

Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а - высоковольтной проекционной лампы; б - низковольтной проекционной лампы; в - обеспечивающая получение равнояркого диска

Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити. Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.

Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а - в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б - в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 - кольцевая спираль; 2 - прямая биспираль; 3 - спираль, расположенная по поверхности цилиндра

Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.

Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания

Применяемые в лампах накаливания материалы

Металлы

Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры. Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.

Таблица 1

Температура плавления металлов и их соединений

Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41×10 -10 и 9,95×10 -8 кг/(см²×с).

Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 - 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.

В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрамовой нити

Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов. Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.

Добавка к вольфраму окиси тория ThO 2 замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.

Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO 2 вместе со щелочными металлами - калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al 2 O 3 . Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.

Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.

Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 × 10 -7 К -1 . Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.

Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.

Стекла

Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 × 10 -7 К -1 . Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.

Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 × 10 -7 К -1 . Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 × 10 -7 К -1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 - 3 мкм. Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.

Вводы

Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 - 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.

Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название "платинит". Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты). Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.

Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.

Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.

Газы

Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 × 104 Па. Какой газ для этого использовать?

Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.

Таблица 3

Основные параметры инертных газов

Современный рынок осветительных приборов сегодня представлен не только разнообразными светильниками, но и источниками света. Одними из самых старых лампочек современности являются лампы накаливания (ЛН).

Даже беря во внимание то, что сегодня существуют более совершенные источники света, лампы накаливания все еще широко используются людьми для освещения различного рода помещений. Здесь мы рассмотрим такой важный параметр данных ламп, как температура нагрева при работе, а также цветовая температура.

Особенности источника света

Лампы накаливания представляют собой самый первый источник электрического света, который был изобретен человеком. Данная продукция может иметь разную мощность (от 5 до 200 Вт). Но наиболее часто используются модели на 60 Вт.

Обратите внимание! Самый большой минус ламп накаливания – высокое потребление электроэнергии. Из-за этого с каждым годом уменьшается число ЛН, которые активно используются в качестве источника света.

Перед тем, как приступать к рассмотрению таких параметров, как температура нагрева и цветовая температура, необходимо разобраться в конструкционных особенностях подобных ламп, а также в принципе ее работы.
Лампы накаливания в ходе своей работы преобразует электрическую энергию, проходящую по вольфрамовой нити (спирали) в световую и тепловую.
На сегодняшний день излучение, по своей физической характеристике, делится на два типа:

Устройство лампы накаливания

• тепловое;
• люминесцентное.

Под тепловым, которое характерно для ламп накаливания, подразумевается световое излучение. Именно на тепловом излучении основано свечение электрической лампочки накаливания.
Лампы накаливания состоят из:

• стеклянной колбы;
• тугоплавкой вольфрамовой нити (часть спирали). Важный элемент всей лампы, так как при повреждении нити лампочка перестает светиться;
• цоколя.

В процессе работы таких ламп происходит повышение t0 нити из-за прохождения через нее электрической энергии в виде тока. Чтобы избежать быстрого перегорания нити в спирали, из колбы выкачивают воздух.
Обратите внимание! В более продвинутых моделях ламп накаливания, коими является галогеновые лампочки, вместо вакуума в колбе закачан инертный газ.
Установка вольфрамовой нити происходит в спираль, которая закреплена на электродах. В спирали нить находится посередине. Электроды, к которым происходит установка спирали и вольфрамовой нити, соответственно, припаиваются к разным элементам: один к металлической гильзе цоколя, а второй – к металлической контактной пластине.
В результате такой конструкции электрической лампочки, ток, проходя через спираль, вызывает нагрев (повышение t0 внутри колбы) нити, так как он преодолевает ее сопротивление.

Принцип работы лампочки

Работающая лампа накаливания

Нагрев ЛН во время работы происходит из-за конструкционных особенностей источника света. Именно из-за сильного нагрева во время работы время эксплуатации ламп значительно уменьшается, что делает их сегодня не такими выгодными. При этом из-за нагрева нити происходит повышение t0 самой колбы.

Принцип работы ЛН основывается на преобразовании электрической энергии, которая проходит через нити спирали, в световое излучение. При этом температура разогретой нити может достигать 2600- 3000 оС.

Обратите внимание! Температура плавления для вольфрама, из которого изготовлены нити спирали, составляет 3200-3400 °С. Как видим, в норме температура нагрева нити не может привести к началу процесса плавления.

Спектр ламп при таком строении заметно отличается от спектра дневного света. Для такой лампы спектр излучаемого света будет характеризоваться преобладанием красных и желтых лучей.
Стоит отметить, что колбы у более современных моделей ЛН (галогеновых) не вакуумируются, а также не содержат в своем составе спиральной нити. Вместо нее внутрь колбы закачивают инертные газы (аргон, азот, криптон, ксенон и аргон). Такие конструкционные усовершенствования привели к тому, что температура нагрева колбы во время работы несколько уменьшилась.

Преимущества и недостатки источника света

Несмотря на то, что сегодня рынок источников света изобилует самыми разнообразными моделями, лампы накаливания на нем встречаются еще достаточно часто. Здесь можно найти изделия на различное количество Вт (от 5 до 200 Вт и выше). Самыми востребованными лампочками являются от 20 до 60 Вт, а также 100 Вт.

Ассортимент выбора

ЛН продолжают достаточно широко использоваться потому, что у них имеются свои преимущества:

• при включении зажигание света происходит практически мгновенно;
• небольшие габариты;
• низкая стоимость;
• модели, внутри колбы которых имеется только вакуум, являются экологически чистой продукцией.

Именно такие достоинства и обусловили то, что ЛН еще являются достаточно востребованными в современном мире. В домах и на производстве сегодня легко можно встретить представителей данной осветительной продукции на 60 Вт и выше.
Обратите внимание! Большой процент использования ЛН относится к промышленности. Зачастую здесь используются мощные модели (200 Вт).
Но лампы накаливания имеют и достаточно внушительный перечень недостатков, к которым можно отнести:

• наличие слепящей яркости света, исходящего от ламп в процессе работы. В результате этого требуется использование специальных защитных экранов;
• во время работы наблюдается нагревание нити, а также самой колбы. Из-за сильного нагрева колбы при попадании на ее поверхность даже незначительного количества воды, возможен взрыв. Причем нагревание колбы происходит у всех лампочек (хоть на 60 Вт, хоть ниже или выше);

Обратите внимание! Увеличение нагрева колбы еще несет в себе определенную степень опасности травмироваться. Повышенная температура стеклянной колбы, при прикосновении к ней незащищенными участками кожи, может вызвать ожог. Поэтому такие лампы не стоит ставить в те светильники, к которым может легко дотянуться ребенок. Кроме этого повреждение стеклянной колбы может вызвать порезы или спровоцировать другие травмы.

Накал вольфрамовой нити

• высокое потребление электроэнергии;
• при выходе из строя не поддаются ремонту;
• низкий срок эксплуатации. Лампы накаливания быстро выходят из строя по причине того, что в момент включения или выключения света нить спирали может повредиться из-за частого нагрева.

Как видим, использование ЛН несет в себя гораздо больше минусов, чем плюсов. Самыми главными недостатками лап накаливания считается нагрев из-за повышения температуры внутри колбы, а также высокое потребление электроэнергии. Причем это касается всех вариантов ламп с мощностью от 5 до 60 Вт и выше.

Важные параметры оценки

Одним из наиболее важных параметров работы ЛН является световой коэффициент. Этот параметр имеет вид отношения мощности излучения видимого спектра и мощности потребленной электроэнергии. Для данной продукции это достаточно малая величина, которая не превышает 4%. То есть, для ЛН характерна низкая светоотдача.
К другим важным параметрам работы можно отнести:

• световой поток;
• цветовая t0 или цвет свечения;
• мощность;
• срок службы.

Рассмотрим первые два параметра, так как со сроком службы мы разобрались в предыдущем пункте.

Световой поток

Световой поток представляет собой физическую величину, которая определяет количество световой мощности в конкретном потоке излучения света. Кроме этого здесь имеется еще один важный аспект, как световая отдача. Она определяет для лампы отношение излучаемого лампочкой светового потока к мощности, которую она потребляет. Световая отдача измеряется в лм/Вт.

Обратите внимание! Световая отдача служит показателем экономичности и эффективности источников света.

Таблица светового потока и световой отдачи ламп накаливания

Как видим, для нашего источника света вышеперечисленные величины находятся на низком уровне, что свидетельствует об их небольшой эффективности.

Цвет свечения лампочек

Цветовая температура (t0) также является важным показателем.
Цветовая t0 представляет собой характеристику хода интенсивности светового излучения лампочки и является функцией длины волны, определенной для оптического диапазона. Данный параметр измеряется в кельвинах (К).

Цветовая температура для лампы накаливания

Стоит отметить, что цветовая температура для ЛН находится примерно на уровне 2700 К (для источников света с мощностью от 5 до 60 Вт и выше). Цветовая t0 ЛН находится в красной и тепловой оттеночной области видимого спектра.
Цветовая t0 полностью соответствует степени нагревания вольфрамовой нити, что не дает возможность ЛН быстро выйти из строя.

Обратите внимание! Для других источников света (например, светодиодные лампочки) цветовая температура не отображает степень их прогрева. При параметре нагрева ЛН в 2700 К светодиод прогреется всего лишь на 80ºС.

Таким образом, чем больше будет мощность ЛН (от 5 до 60 Вт и выше), тем больше будет происходить нагревание вольфрамовой нити и самой колбы. Соответственно, тем больше будет цветовая t0. Ниже приведена таблица, по которой можно сравнить эффективность и потребление мощности разных видов лампочек. В качестве группы контроля, с которой ведется сравнение, здесь взяты ЛН мощностью от 20 до 60 и до 200 Вт.

Сравнительная таблица мощностей разных источников света

Как видим, лампы накаливания по данному параметру значительно проигрывают в плане потребления мощности другим источникам света.

Светотехника и цвет свечения

В светотехнике важнейшим параметром для источника света является его цветовая t0. Благодаря ей можно определить цветовую тональность и цветность источников света.

Варианты цветовой температуры

Цветовая t0 лампочек определяется цветовой тональностью и бывает трех видов:

• холодной (от 5000 до 120000К);
• нейтральной (от 4000 до 50000К);
• теплой (от 1850 до 20000К). Его дает стеариновая свеча.

Обратите внимание! Рассматривая цветовую температуру ЛН, следует помнить, что она не совпадает с реальной тепловой температурой изделия, которая ощущается при прикосновении к ней рукой.

Для ЛН цветовая температура располагается в диапазоне от 2200 до 30000К. Поэтому они могут иметь излучение, близкое к ультрафиолетовому.

Заключение

Для любых типов источников света важным параметром оценки является цветовая температура. При этом для ЛН она служит отражением степени нагрева изделия в процессе его работы. Такие лампочки характеризуются повышением температуры нагрева в ходе функционирования, что служит явным недостатком, которого лишены современные источники света, такие как светодиодные лампочки. Поэтому сегодня многие отдают свое предпочтение люминесцентным и светодиодным лампочкам, а лампы накаливания постепенно уходят в прошлое.

Добавить сайт в закладки

Когда появилась первая лампа накаливания?

В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью). В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания. В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу - обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой. В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому, что лампа Суона работала недолго и неэффективно.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.

В 1875 году В. Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, осуществив откачку воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из них следующий включался автоматически).

Английский изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни, его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом).

С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна). В 1904 году венгры д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric.

В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в производство наполнение колбы ламп инертными, точнее тяжёлыми благородными, газами (в частности, аргоном), что существенно увеличило время их работы и повысило светоотдачу.

КПД и долговечность

Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла.

Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.

С возрастанием температуры КПД лампы накаливания увеличивается, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов, при увеличении напряжения на 20 % яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.

Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так, понижение напряжения в два раза (при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.

Так как стоимость потребленной лампой накаливания за время службы электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.

Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно, используя разного рода устройства плавного запуска.

Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная - более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.

Разновидности ламп

Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):

• вакуумные (самые простые);
• аргоновые (азот-аргоновые);
• криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых);
• ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых);
• галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл);
• галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счет лучшего нагрева внутренней колбы);
• ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых);
• ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей);
• накаливания с покрытием, преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.

Несмотря на развитие энергосберегающей техники, лампы накаливания до сих пор держат лидерство на рынке осветительных приборов.

Как выглядит лампа накаливания

Принцип действия

Действие лампы заключается в существенном нагревании электрическим током нити накала. Чтобы твердое тело начало светиться красным излучением, его температуру надо увеличить до 570 0 С. Оно становится комфортным для глаз при 4-5 кратном увеличении температуры.

Из всех металлов самым тугоплавким является вольфрам (3400 0 С), поэтому в качестве нити накала применяют проволоку из него. Для увеличения площади излучения ее свертывают в спираль, которая в лампе накаливания нагревается до 2000-2800 0 С. При этом цветовая температура составляет 2000-3000К, создавая желтоватый спектр. Он более энергозатратный и тусклый, чем дневной, но комфортный для глаз.

Еще в школьном учебнике приводится эксперимент с увеличением свечения лампы в зависимости от силы электрического тока. По мере его роста происходит выброс излучения и тепла.

В воздушной среде вольфрамовая нить быстро окисляется и разрушается под действием высокой температуры. Раньше в стеклянной колбе создавали вакуум, а сейчас чаще всего применяют инертный газ: азот, аргон, криптон. При этом сила свечения увеличивается. Кроме того, давление газа препятствует испарению вольфрама от температуры свечения.

Строение

Несмотря на видимую простоту изготовления, лампа состоит из 11 элементов. При этом в конструкции применяются 7 различных металлов. Важнейшим элементом является нить накала. Она может быть разных видов: круглой, иметь форму одной или нескольких лент. В связи с разнообразием элементов, где световая энергия получается из электрической, их принято называть телами накала. Колбы в большинстве случаев бывают круглыми или грушевидными, но могут быть других форм.

Виды ламп накаливания

На рисунке ниже изображена конструкция лампы. Внутри располагаются электроды (6), спираль (2) (вольфрам) и крючки (3) (молибден). Цоколи (9) из оцинкованной стали изготавливают в основном резьбовыми еще со времен Эдисона. Диаметры их могут различаться: Е 14 , Е 27 , Е 40 – по величине наружного диаметра. Цоколь также соединяют с патроном посредством штырьков или штифтов. Его тип определяется по маркировке, выбитой на наружной поверхности.

Устройство лампы накаливания

Параметры

• электрические;
• технические (интенсивность и спектральный состав светового потока);
• эксплуатационные (условия применения, размеры, отдача света, срок эксплуатации).

Мощность

Основные характеристики наносятся в виде маркировки. В их число входит мощность, по которой выбирают лампу (60 Вт – наиболее востребованы). Здесь более важна световая характеристика. В таблице приведены характеристики бытовых ламп, из которых следует, что световая энергия от одной лампы интенсивней, чем от нескольких, с той же суммарной мощностью. При этом она обходится дешевле.

Характеристики ламп

Световая энергия расходуется больше на лампах меньшей мощности. Поэтому сэкономить электроэнергию таким образом не получится.

Технические характеристики

Световая энергия от мощности лампы накаливания зависит нелинейно. Отдача света растет с ее повышением, а после 75 Вт начинает снижаться.

Преимуществом ламп накаливания является равномерность освещения. Сила света у них практически одна и та же во все стороны.

Пульсирование света негативно сказывается на утомляемости глаз. Нормальным считается коэффициент пульсации не более 10 % во время занятий мелкой работой. У ламп накаливания он не превышает 4 %, и худший показатель наблюдается у лампы на 40 Вт.

Лампы накаливания нагреваются больше всех остальных. По расходу мощности она больше является обогревателем помещения, а не прибором освещения. Отдача света происходит всего на 5-15 %. С целью экономии электроэнергии использование ламп накаливания на 100 Вт и более запрещено. Лампа на 60 Вт греется не очень сильно, а освещения бывает достаточно на одну комнату.

Если оценивать спектр излучения, то по сравнению с дневным светом в лампах накаливания недостаточно синего света и избыток красного. Но он считается приемлемым, поскольку меньше утомляет глаза по сравнению с лампами дневного света.

Эксплуатационные параметры

Для ламп важны условия, где они применяются. Их можно эксплуатировать в температурном интервале от -60 0 С до +50 0 С, влажности не более 98 % при 20 0 С и давлении не менее 0,75∙10 5 Па. Для них не нужны дополнительные устройства за исключением , которым плавно регулируется отдача света. Лампы дешевы и не требуют никакой квалификации при замене.

К недостаткам относятся: самая низкая надежность, сильный нагрев и низкий КПД.

Виды ламп накаливания

Хотя энергосберегающие источники света обладают лучшими показателями, лампы накаливания остаются на первом месте. Особенно это относится к применению в быту.

Лампы общего назначения (ЛОН)

ЛОН широко применяются, несмотря на то, что только 5 % энергии остается на освещение, а остальная – выделяется в виде тепла. ЛОН предназначены для бытовых нужд, предприятий, административных зданий и внешних светильников. Они подразделяются на стабильное напряжение 220 В и повышенное – до 250 В. Продолжительность горения у ламп небольшая и составляет около 1000 часов.

Первой буквой маркировки обозначается основная особенность, например, В – вакуумная, Б – биспиральная, Г – моноспиральная.

• Г 235-245-60-П (моноспиральная, диапазон напряжения 235-245 В, мощность 60 Вт, для подсобных помещений);
• В 230-240-60 (вакуумная, на 230-240 В, 60 Вт).

Лампы имеют значительную мощность. Ограничение по верхнему пределу 100 Вт к ним не относится. Лампы служат для направленного освещения на дальние расстояния: для прожекторов общего назначения, кинопроекционные и маячные. Тело накала у них имеет компактное расположение, чтобы улучшить фокусировку. Она обеспечивается также специальной конструкцией цоколей или за счет наличия дополнительных линз.

Как выглядят прожекторные лампы

Зеркальные лампы

Особенностью является специальная конструкция колбы и наличие светоотражающего экрана из алюминия. Чтобы придать свету мягкость и уменьшить контрастность, светопроводящий участок сделан матовым. Светораспределение бывает концентрированным (ЗК), средним (ЗС) и широким (ЗШ). Состав стекла некоторых зеркальных ламп меняют, добавляя в него окись неодима. Это делает их ярче и сдвигает цветовую температуру в сторону белого света.

Как выглядит зеркальная лампа

Лампы применяются для освещения сцен, витрин, промышленных комплексов, медицинских кабинетов и многого другого.

Галогенные лампы

Особенностью лампы является наличие в колбе галогенных соединений. При взаимодействии с ними испарившиеся молекулы вольфрама осаждаются обратно на спираль, что позволяет создавать повышенную температуру ее нагрева и в 2 раза увеличивать срок службы ламп.

Галогенная лампа со штырьковым цоколем

Выбирая лампу, нужно знать ее особенности, обычно указанные на маркировке, а также цель применения.

Как включать лампы накаливания

Несмотря на то, что для ламп накаливания не требуются никакие пусковые устройства, есть правила их подключения, которые следует выполнять. Прежде всего, к цоколю подключается нулевой провод, а через выключатель проходит фазный. При выполнении этих правил случайное прикосновение к цоколю не вызовет удара током.

Чтобы подать напряжение на все лампы с помощью одного выключателя, их следует подключить параллельно.

Схемы подключения ламп

В схемах подключение светильников производится параллельно. Обычно в помещение делается общий с розетками ввод, но выключатель связан только с лампами. Источники могут переключаться одновременно (рис. в) или раздельно (рис. б). В люстрах лампы могут объединяться в группы от одного переключателя. На рис. г показана схема ее работы, где 3 положения переключателя обеспечивают все схемы возможных состояний двух ламп.

Для длинных коридоров применяют 2 проходных выключателя, через которые можно независимо работать с лампой из разных мест (рис. д). Особенно это удобно для переключений наружных светильников из дома. При нажатии на один из них одна или несколько ламп загораются или гаснут. Для такой схемы требуется большее количество проводов.

Способы совершенствования ламп

Лампы накаливания развиваются в тех же направлениях, что и остальные источники света: повышение КПД, снижение энергозатрат и безопасное применение. Для этого подбирается определенная газовая среда, применяются галогенные и квацево-галогенные лампы, улучшаются технические характеристики. Многих вполне устраивает мягкий и теплый свет лампы накаливания.

Применение углеродных нанотрубок в качестве тела накаливания позволило в 2 раза увеличить светоотдачу по сравнению с вольфрамом. Стабильные параметры ламп сохраняются в течение 3000 часов. Пониженное напряжение питания делает ее более безопасной.

Как увеличить срок службы

Причины быстрого перегорания ламп следующие:

• нестабильность источника питания;
• механические сотрясения;
• температура воздуха;
• нарушение соединений в проводке.

С течением времени нить накала испаряется, сопротивление лампы увеличивается, и она перегорает. Кроме того, сопротивление обычной холодной и горячей лампы на 60-100 Вт меняется в 10 раз. Сопротивление холодной спирали в лампе на 60 Вт составляет 61,5 Ом, а горячей – 815 Ом. Чем ярче свет и чаще включение, тем процесс происходит интенсивней. При этом опасность выхода из строя возрастает к концу периода службы. В связи с этим требуется подобрать подходящее напряжение для нормальной светоотдачи и достаточного срока эксплуатации.

Способы обеспечения долговечности ламп накаливания:

1. При покупке выбрать подходящий диапазон напряжений.
2. Переноски перемещаются в выключенном состоянии, поскольку малейшее сотрясение приводит к перегоранию работающей лампы.
3. Если лампочка быстро выходит из строя в одном и том же патроне, его следует отремонтировать или заменить.
Оцените статью: