Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.
Принцип действия
В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина ). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца ). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.
Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.
Конструкция
Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, ограждающей нить накала от окружающей среды.
Колба
Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Буферный газ
Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)
Нить накала
Нить накала в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I = U / R) и мощность по формуле P=U\cdot I, или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампочках составляет 40—50 микрон.
Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.
В мигающих лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.
Цоколь
Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном . Размеры цоколей стандартизированы.
Предохранитель
Плавкий предохранитель (отрезок тонкой проволоки) расположен в цоколе лампы накаливания, предназначен для предотвращения возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.
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 КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, 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 уменьшается время жизни на 95 %.
Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках.
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 в свою очередь 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.
Галогенные лампы
Добавление в буферный газ галогенов брома или йода повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура составляет примернно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.
Иод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё.
Добавление галогенов предотвращает осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла больше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компактном виде. Маленький объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжелыми инертными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность.
Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварца.
Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой).
Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут использоваться как прямая замена обычных галогенных ламп.
Специальные лампы
Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную температуру нити (и соответственно, повышенную яркость и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.
История изобретения
В 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампочку: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампочкой.
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
Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. британский патент на лампу с угольным филаментом. В его лампах филамент находился 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 конце-концов он возвращается к угольному волокну и создаёт лампочку с временем жизни 40 часов. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампочки вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.
В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.
В 1910 г. 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 Ирвингом Ленгмюром , который, работая с 1909 г. в фирме General Electric , придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.
Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство лампы накаливания. Но для начала хотелось бы сказать пару слов об истории этой лампы.
Самую первую лампочку накаливания придумал английский учёный Деларю ещё в 1840 году. Она была с платиновой спиралью. Немного позже, в 1854 году, немецкий учёный Генрих Гёбель представил лампу с бамбуковой нитью, которая находилась в вакуумной колбе. В то время ещё очень много было представленных различных ламп, различными учёными. Но все они имели очень короткий срок службы, и были не эффективными.
В 1890 году учёный Лодыгин А. Н. впервые представил лампу, у которой нить накаливания была из вольфрама, и имела вид спирали. Так же этот учёный делал попытки откачивания из колбы воздуха, и заполнение её газами. Что значительно увеличивало срок службы ламп.
А вот серийное производство ламп накаливания началось уже в 20 веке. Тогда это был реальный прорыв в технологии. Сейчас же, в наше время, многие предприятия, и просто обычные люди отказываются от этих ламп из-за того, что они много потребляют электроэнергии. А в некоторых странах даже запретили выпускать лампы накаливания, мощностью которых более 60 Ватт.
Устройство лампы накаливания.
Такая лампа состоит из следующих деталей: цоколь, колба, электроды, крючки для держания нити накаливания, нить накаливания, штенгель, изолирующий материал, контактная поверхность.
Для того, чтобы вам было более понятно, я сейчас напишу про каждую деталь отдельно. Так же смотрите рисунок и видео.
Колба – изготавливается из обычного стекла и нужна для защиты нити накаливания от внешней среды. В неё вставляется штенгель с электродами и крючками, которые держат саму нить. В колбе специально создаётся вакуум, или она заполняется специальным газом. Обычно это аргон, так как он не поддается нагреванию.
С той стороны, где находятся вывода электродов, колба заплавляется стеклом и приклеивается к цоколю.
Цоколь нужен для того, чтобы лампочку можно было вкрутить в патрон. Обычно он изготовляется из алюминия.
Нить накаливания – деталь, которая излучает свет. Изготавливается в основном из вольфрама.
А теперь для закрепления своих знаний, предлагаю вам посмотреть очень интересное видео, в котором рассказывается, и показывается, как делаются лампы накаливания.
Принцип действия.
Принцип действия лампы накаливание основывается на нагревании материала. Ведь не зря нить накаливания имеет такое название. Если пропустить через лампочку электрический ток, то вольфрамовая нить накаляется до очень высокой температуры и начинает излучать световой поток.
Не расплавляется нить, потому что вольфрам имеет очень высокую температуру плавления, где-то 3200—3400 градусов Цельсия. А при работе лампы нить накаляется где-то до 2600—3000 градусов Цельсия.
Преимущества и недостатки ламп накаливания.
Основные преимущества:
Не высокая цена.
Небольшие габариты.
Легко переносят перепады напряжения в сети.
При включении мгновенно зажигается.
Для человеческого глаза практически незаметно мерцание при работе от источника переменного тока.
Можно использовать устройство для регулировки яркости.
Можно использовать как при низких, так и при высоких температурах окружающей среды.
Такие лампы можно выпускать практически на любое напряжение.
В своём составе не содержит опасных веществ, и поэтому не нуждается в специальной утилизации.
Для зажигания лампы не нужно никаких устройств запуска.
Может работать на переменном и на постоянном напряжении.
Работает очень тихо и не создаёт радиопомех.
И это далеко не полный список преимуществ.
Недостатки:
Имеет очень маленький срок службы.
Очень маленький КПД. Обычно он не превышает 5 процентов.
Световой поток и срок службы напрямую зависит от напряжения сети.
Корпус лампы при работе очень сильно нагревается. Поэтому такая лампа считается пожароопасной.
При разрыве нити колба может взорваться.
Очень хрупкая, и чувствительная к ударам.
В условиях вибрации очень быстро выходит со строя.
И в заключение статьи хотелось бы написать об одном удивительном факте. В США в одной из пожарных частей города Ливермор, есть лампа мощностью 60 ватт, которая светиться беспрерывно уже более 100 лет. Её зажгли ещё в 1901 году, а в 1972 году её занесли в Книгу рекордов Гинесса.
Секрет её долговечности в том, что она работает в глубоком недокале. Кстати, работу этой лампы беспрерывно фиксирует вебкамера. Так что кому интересно можете поискать прямую трансляцию в интернете.
На этом у меня всё. Если статья была вам полезной, то поделитесь неё со своими друзьями в социальных сетях и подписывайтесь на обновления. Пока.
С уважением Александр!
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.
После замыкания цепи (например, при нажатии выключателя) электрический ток начинает проходить через тело накала, которое при достижении определенной температуры испускает видимое человеческим глазом излучение. При достижении температуры 570 о С человек способен увидеть в темноте излучаемое телом красное свечение, а стандартная рабочая температура нити в лампе накаливания находится в пределах 2000-2800 °C. Чем меньше температура тела накаливания, тем более «красным» будет выглядеть излучение (подробнее о цветопередаче написано в статье). Чтобы лучше понять принцип работы обычной лампочки, необходимо разобраться в конструкции и обязательных элементах, к которым относится колба, тело накала и токовводы.
Стандартная лампочка имеет грушевидную форму и состоит из следующих частей:
- Колба . Изготавливается из натриево-кальциевого силикатного стекла, может быть прозрачной, матовой, молочной, опаловой, зеркальной (отражающей). Если лампочка используется без плафона в маленьком помещении, то обратите внимание на лампочки с матированной или молочной колбой, так как их световые потоки на 3% и 20% соответственно меньше чем световой поток прозрачных ламп. Также колбы могут покрываться с наружной стороны декоративными красителями, лаками, керамикой.
- Буферный газ (полость колбы). Для предотвращения окисления спирали (тела накала) из колбы выкачивают воздух, создавая внутри вакуум. Однако сегодня вакуум используется только в маломощных лампочках, а большинство современных моделей наполнены инертным газом, который увеличивает силу свечения. По составу газовой среды лампы накаливания можно разделить на: вакуумные, газонаполненные (ксенон, криптон, смесь азота с аргоном и т.д.), галогенные.
- Тело накала . Чаще всего изготавливается из проволоки круглого сечения, реже – из ленточного металла. В первых моделях лампочек применялась угольная нить, в современных – спираль из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава.
- Токовые вводы (свинцовая проволока).
- Держатели тела накала (молибденовые держатели).
- Ножка (штенгель и ножка лампы).
- Внешнее звено токоввода .
- Плавкая вставка (предохранитель)
- Корпус цоколя .
- Стеклянный изолятор цоколя .
- Контакт донышка цоколя .
Какие бывают виды/типы ламп накаливания?
Классификация ламп накаливания довольно разветвленная, так как учитывает множество характеристик.
По виду цоколя самыми распространенными являются резьбовые и штырьковые. В быту чаще всего можно встретить резьбовой цоколь Эдисона, обозначающийся буквой Е, возле которой пишется его диаметр в миллиметрах, например, Е10, Е14, Е27 и Е40.
По форме колбы лампочки накаливания бывают разнообразными, начиная со стандартных грушевидных, заканчивая фигурными, витыми и др. В некоторых случаях размер и форма колбы (а также наличие светоотражающих участков) связаны с тем, где применяется лампа накаливания, в других же случаях это связано с декоративной функцией.
Лампы накаливания: характеристики и маркировка
Чтобы знать, как выбрать лампу накаливания, необходимо научиться читать ее маркировку, которая представляет собой сочетание букв и цифр. Буквенная часть маркировки указывает на свойства и конструкцию изделия, к примеру:
Б – биспиральная
БО – биспиральная с опаловой колбой, которая наполнена аргоном
БК – биспиральная, колба наполнена криптоном
ДБ – диффузная с матированием внутри колбы
В – вакуумная
Г — газонаполненная
О – с опаловой колбой
М – с молочной колбой
Ш – шаровидная
З – зеркальная (ЗК – концентрированная кривая света, ЗШ – расширенная кривая)
МО – применяемая для местного освещения
Цифрами указывается диапазон напряжения и мощность. Так, маркировку Б 220..230 60 можно расшифровать так: биспиральная лампа накаливания мощностью 60Вт, рассчитана на диапазон напряжений от 220 до 230 В.
Какие недостатки/преимущества у лампы накаливания?
К достоинствам лампочек накаливания можно отнести:
- невысокую стоимость;
- широкий диапазон мощностей;
- бесперебойную работу при низком напряжении (со снижением интенсивности освещения);
- устойчивость к незначительным перепадам напряжения (с возможным сокращением срока службы);
- комфортную цветовую температуру (теплую);
- возможность использовать во влажных помещениях;
- простоту эксплуатации.
К недостаткам относится:
- сильный нагрев (создание пожароопасной ситуации);
- небольшой срок эксплуатации;
- низкая светоотдача (КПД <4%)
- зависимость светоотдачи от напряжения;
- риск разрыва колбы;
- хрупкость.
Как увеличить срок службы лампы накаливания?
Как уже было сказано ранее, предполагаемый производителем срок службы лампочек накаливания достигает в среднем 750-1000 часов, однако на практике перегорают они гораздо чаще. Это происходит из-за возникновения трещин и разрушения вольфрамовой нити (вследствие перегрева и испарения). Чтобы продлить срок эксплуатации лампы, следует для начала устранить возможные причины перегорания.
- Диапазон напряжений. Для разных ламп накаливания производители указывают не одно значение напряжения, а диапазон: 125..135, 220..230, 230..240В и т.д. Если напряжение в вашей квартирной цепи превышает указанные значение, то лампа будет перегорать быстрее, поэтому при напряжении 230В нельзя выбирать лампочку с параметрами 215..220В. Так, если напряжение выше всего на 6%, срок службы уменьшится вдвое.
- Вибрации. В условиях вибраций нить накала быстрее растрачивает свой ресурс, поэтому при пользовании переносными устройствами лучше осуществлять перемещения с выключенной лампочкой.
- Патрон. Если вы заметили, что лампочки чаще всего перегорают в одном и том же патроне, тогда следует заменить его или же проверить контакты. Также следует ставить в люстру с несколькими патронами лампы одинаковые по мощности.
- Понижение напряжения. Если понизить напряжение в сети всего на 8%, лампочка будет служить в 3,5 раза дольше. Для понижения можно подключить последовательно с лампой полупроводниковый диод.
Самая долгогорящая лампочка накаливания имеет название «Столетняя лампа», находится она в пожарной части в Ливерморе (Калифорния). За счет работы на очень низкой мощности (4 ватта), толстой нити накала из углерода (в 8 раз толще, чем в обычных лампочках нашего времени), а также бесперебойному использованию без выключений и включений она работает там с 1901 года.
Как подключить лампу накаливания через диод
Чтобы продлить срок службы лампочки (а заодно и сэкономить на электричестве) можно подключить ее через диод. При выборе диода необходимо обратить внимание на такие его параметры, как максимальный прямой ток (+ в импульсе) и максимальное обратное напряжение. Чтобы облегчить задачу и не просчитывать все параметры, приведем табличку:
Для сборки конструкции понадобится:
- 1 работающая лампочка Е27
- 1 неработающая лампочка Е27 (или цоколь от нее);
- диод;
- паяльник.
Процесс сборки . Припаиваем диод к пятачку на цоколе рабочей лампочки. Аккуратно отделяем цоколь от сгоревшей лампочки, делаем в нем отверстие и продеваем сквозь него вторую «ножку» диода. Выведенный конец припаиваем к месту выведения, затем спаиваем между собой оба цоколя.
Более простой способ: подсоединить диод одним концом к клемме выключателя, а другим – к проводу, который ведет к лампочке.
Как диод продлевает срок службы лампочки накаливания?
В большинстве случаев нить накала перегорает в момент подачи питания (включения тумблера) из-за слишком быстрого нагревания холодной спирали. Полупроводниковый диод уменьшает ток и позволяет вольфраму нагреваться постепенно, с меньшей скоростью. Лампочка начинает заметно мерцать, так как ток проходит полуволнами.
В нынешнее время лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет такую конструкцию:
- Герметичная стеклянная колба грушевидной формы. Из неё частично выкачан воздух или заменён инертным газом. Это сделано для того, чтобы вольфрамовая нить накала не сгорала.
- Внутри колбы находится ножка, к которой прикреплены два электрода и несколько держателей из металла (молибдена), которые подпирают вольфрамовую нить, не давая ей провисать и разрываться под собственным весом во время нагрева.
- Узкая часть грушевидной колбы закреплена в металлическом корпусе цоколя, имеющего спиральную резьбу для вкручивания в штепсельный патрон. Резьбовая часть является одним контактом, к нему припаян один электрод.
- Второй электрод припаян к контакту на донышке цоколя. Он имеет вокруг себя кольцевую изоляцию от резьбового корпуса.
В зависимости от особенных условий эксплуатации некоторые конструктивные элементы могут отсутствовать (например, цоколь или держатели), быть видоизменёнными (например, цоколь), дополнены другими деталями (дополнительная колба). Но такие части, как нить, колба и электроды являются основными частями.
Принцип работы электрической лампы накаливания
Свечение электрической лампы накаливания обусловлено разогревом вольфрамовой нити, через которую проходит электрический ток. Выбор в пользу вольфрама при изготовлении тела свечения был сделан по той причине, что из многих тугоплавких токопроводящих материалов, он наименее дорогой. Но иногда нить накала электроламп изготавливается из других металлов: осмия и рения.
Мощность лампы зависит от того, какого размера нить используется. То есть, зависит от длины и толщины проволоки. Так у лампы накаливания 100 вт нить будет иметь большую длину, чем у лампы накаливания 60вт.
Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы
Каждая деталь в электролампе имеет своё предназначение и выполняет свои функции:
- Колба.
Изготавливается из стекла, достаточно дешёвого материала, отвечающего основным требованиям:
– высокая прозрачность позволяет пропускать световую энергию и по минимуму поглощать её, избегая дополнительного нагревания (этот фактор имеет первостепенное значение для осветительных приборов);
– жаропрочность даёт возможность выдерживать высокие температуры вследствие нагревания от раскалённой нити (например, в лампе 100 вт колба нагревается до 290°С, 60 Вт — 200°С; 200 Вт — 330°С; 25 Вт - 100°C, 40 Вт - 145°C);
– твёрдость позволяет выдерживать внешнее давление при откачке воздуха, и не разрушаться при вкручивании. - Наполнение колбы. Сильно разрежённая среда позволяет минимизировать теплопередачу от раскалённой нити к деталям лампы, но усиливает испарение частиц раскалённого тела. Наполнение инертным газом (аргон, ксенон, азот, криптон) исключает сильное испарение вольфрама из спирали, не даёт возгораться нити и минимизирует теплопередачу. Использование галогенов позволяет испарившемуся вольфраму возвращаться обратно в спиральную нить.
- Спираль. Изготавливается из вольфрама, выдерживающего 3400°С, рения – 3400°С, осмия — 3000°С. Иногда вместо спиральной нити, в лампе используется лента или тело другой формы. Используемая проволока имеет круглое сечение, для уменьшения габаритов и потерь энергии на теплоотдачу закручивается в двойную или тройную спираль.
- Крючки-держатели изготавливаются из молибдена. Они не позволяют сильно провисать увеличившейся от нагрева во время работы спирали. Их количество зависит от длины проволоки, то есть от мощности лампы. Например, у лампы 100 Вт держателей будет 2 – 3 шт. У ламп накаливания мощностью поменьше держатели могут отсутствовать.
- Цоколь
изготавливается из металла с внешней резьбой. Он выполняет несколько функций:
— соединяет несколько деталей (колбу, электроды и центральный контакт);
— служит для крепления в штепсельном патроне с помощью резьбы;
— является одним контактом.
Существует несколько видов и форм цоколей в зависимости от предназначения осветительного прибора. Есть конструкции, не имеющие цоколя, но с неизменным принципом работы лампы накаливания. Самыми распространенными видами цоколя являются Е27, Е14 и Е40.
Вот некоторые виды цоколей, применяемые для различных типов ламп:
Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.
Кроме перечисленных конструктивных деталей, лампы накаливания могут иметь и некоторые дополнительные элементы: биметаллические переключатели, отражатели, цоколи без резьбы, различные напыления и др.
История создания и усовершенствования конструкции лампы накаливания
За свою более чем 100 – летнюю историю существования лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, принцип работы и основные конструкторские элементы почти не претерпели изменений.
А началось всё в 1840 году, когда была создана лампа, использующая для освещения принцип накаливания платиновой спирали.
1854 год – первая практичная лампа. Применялся сосуд с откачанным воздухом и бамбуковая обугленная нить.
1874 год – используется в качестве тела накала угольный стержень, помещённый в вакуумный сосуд.
1875 год – лампа с несколькими стержнями, которые раскаляются один за другим в случае сгорания предыдущего.
1876 год – использование каолиновой нити накала, которая не требовала откачки воздуха из сосуда.
1878 год – использование угольного волокна в разрежённой кислородной атмосфере. Это позволяло получать яркое освещение.
1880 год – создана лампа с угольным волокном, имеющая время свечения до 40 часов.
1890 год – использование спиральных нитей из тугоплавких металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия, металлического осмия, тантала) и наполнение колб азотом.
1904 год – выпуск ламп с вольфрамовой спиралью.
1909 год – наполнение колб аргоном.
С тех пор прошло более 100 лет. Принцип работы, материалы деталей, наполнение колбы практически не изменились. Эволюции подверглось лишь качество используемых материалов при производстве ламп, технические характеристики и небольшие дополнения.
Преимущества и недостатки ламп накаливания перед другими искусственными источниками света
Для освещения создана . Многие из них изобретены в последние 20 – 30 лет с применением высоких технологий, но обычная лампа накаливания всё равно имеет ряд преимуществ или совокупность характеристик, которые являются более оптимальными при практичном использовании:
- Дешевизна при производстве.
- Нечувствительность к перепадам напряжения.
- Быстрое зажигание.
- Отсутствие мерцания. Этот фактор очень актуален при использовании переменного тока частотой 50 гц.
- Наличие возможности регулировки яркости источника света.
- Постоянный спектр светового излучения, близкий к естественному.
- Резкость теней, как при солнечном освещении. Что тоже является привычным для человека.
- Возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур.
- Возможность производства ламп различной мощности (от нескольких Вт до нескольких кВт) и рассчитанных на различное напряжение (от нескольких Вольт до нескольких кВ).
- Несложная утилизация в виду отсутствия токсичных веществ.
- Возможность использования любого вида тока с любой полярностью.
- Эксплуатация без дополнительных пусковых устройств.
- Бесшумность работы.
- Не создаёт радиопомех.
Наряду с таким большим перечнем положительных факторов, лампы накаливания обладают и рядом существенных недостатков:
- Главный отрицательный фактор – это очень низкий КПД. Он достигает у лампы мощностью 100 Вт лишь 15 %, у прибора 60 Вт этот показатель составляет только 5 %. Одним из способов повышения КПД является повышение температуры накала, но при этом резко уменьшается срок службы вольфрамовой спирали.
- Короткий срок службы.
- Высокая температура поверхности колбы, которая может достигать у 100-Ваттной лампы 300°С. Это представляет угрозу для жизни и здоровья живых существ, и представляет пожарную опасность.
- Чувствительность к встряске и вибрации.
- Использование термостойкой арматуры и изоляции токоподводящих проводов.
- Высокое энергопотребление (в 5 -10 раз больше номинального) во время запуска.
Несмотря на наличие существенных недостатков, электрическая лампа накаливания является безальтернативным прибором освещения. Низкий КПД компенсируется дешевизной производства. Поэтому в ближайшие 10 – 20 лет она будет вполне востребованным товаром.
