Как называются части лампочки. Смотреть что такое "Электрическая лампа" в других словарях

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.

По определению лампа накаливания - это электрический источник света, где тело накала, в роли которого обычно выступает тугоплавкий проводник, находится внутри колбы, вакуумированной или наполненной инертным газом, и нагревается до большой температуры с помощью электрического тока, который пропускается через него. В результате этого излучается видимый свет. Для нити накала используют сплав на основе вольфрама.

Лампа накаливания общего назначения (230 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, габаритная высота ок. 110 мм

Принцип работы лампы накаливания

Ну тут все очень просто. Электрический ток проходит через тело накаливания и нагревает его. Нить накала излучает электромагнитное тепловое излучение, что соответствует закону Планка. В его функции имеется максимум, зависящий от температуры. Если температура повышается, то максимум сдвигается в сторону меньших длин волн. Чтобы получить видимое излучение, температура должна быть несколько тысяч градусов. Например, при температуре в 5770 К (такая температура на поверхности Солнца) свет будет соответствовать спектру Солнца. Если температура будет уменьшаться, то и видимого света будет меньше, а излучение будет красным.

Но в излучение преобразуется только часть энергии, остальное тратится на теплопроводимость и конвекцию. Небольшая доля излучения находится в области видимости, а все остальное приходится на инфракрасное излучение. Чтобы повысить КПД лампочки и получить тем самым «белый» свет, нужно увеличить температуру нити накаливания, но ее предел ограничивается свойствами материала. Например, она не сможет выдержать температуру в 5771 К, поскольку любой из известных человеку материалов при такой температуре начинает плавиться, разрушаться или просто не проводит электрический ток. Сейчас лампы накаливания оснащаются нитью, которая способна выдержать максимальную температуру плавления. В основном это вольфрам, выдерживающий 3410 °C, и реже осмий с пределом в 3045 °C.

Оценивается качество света с помощью цветовой температуры. Обычная лампочка накаливания имеет температуру 2200 - 3000 К и излучает при этом желтый цвет, который далек от дневного.

Но на воздухе вольфрам не способен выдержать такую температуру. Он мгновенно превращается в оксид, поэтому необходимо создать специальные условия. При создании лампы из колбы откачивается воздух, но по такой технологии в наше время изготавливают только маломощные лампы (до 25 Вт). В колбах более производительных ламп содержится инертный газ (обычно это азот, аргон или криптон). Благодаря большому давлению вольфрам не так быстро испаряется. Также это увеличивает срок службы и позволяет повысить температуру накала, а это повышает КПД и позволяет приблизиться к белому спектру излучения. Газонаполненные лампы не так быстро темнеют от осаждения материала накала, чем вакуумные.

Из чего же состоит лампа накаливания? Сейчас узнаем. Вообще их конструкция зависит от назначения, но основными элементами считаются колба, тело накала и токовводы. Лампы изготавливаются для определенных целей, поэтому у некоторых из них могут быть необычные держатели тела накала или отсутствовать цоколь, или цоколь другого размера, или дополнительная колба. В простых лампах можно встретить предохранитель - это звено, состоящее из ферроникелевого сплава и вваренное в разрыв одного из токовводов. Звено это обычно располагается в ножке. Его цель не дать колбе разрушиться при разрыве нити накала. Когда нить разрывается, образуется электрическая дуга, способная расплавить остатки нити. Расплавленный металл может повредить стекло и стать причиной пожара. А благодаря предохранителю этого можно избежать, поскольку он разрушается при возникновении дуги, ток которой в несколько раз превышает номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено располагается в полости, где давление равно атмосферному, поэтому дуга без проблем гаснет. Небольшая эффективность привела к тому, что пришлось от них отказаться.

Конструкция лампы накаливания: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.

Колба

Благодаря колбе тело накала защищено от атмосферных газов. Чтобы определить размер колбы, нужно знать с какой скоростью материал тела накаливания будет осаждаться.

Газовая среда

Изначально лампы были вакуумированы. В наше же время в лампах находится инертный газ (исключая лампы с малой мощностью). Чем больше у газа молярная масса, тем меньше теряется тепла за счет теплопроводности. Наиболее популярная смесь газов включает в себя азот N2 и аргон Ar (в силу небольшой себестоимости). Также могут использовать чистый осушенный аргон, ксенон Xe или криптон Kr.

Молярные массы газов:

• N2 - 28,0134 г/моль;
• Ar: 39,948 г/моль;
• Kr - 83,798 г/моль;
• Xe - 131,293 г/моль;

К особой группе ламп стоит отнести галогенные , поскольку в их колбу вводятся галогены или их соединения. Материал тела накаливания испаряется и соединяется с галогенами. Температурное разложение таких соединений позволяет материалу вернуться на поверхность нити. Благодаря этому лампа имеет большую температуру нити накаливания, больший КПД, больший срок службы и меньший размер колбы. Главный минус это низкое электрическое сопротивление в холодном состоянии.

Тело накала

Тело накала может иметь разные формы, которые зависят от назначения лампочки. Большей популярностью пользуется тело из проволоки круглого поперечного сечения, но могут встречаться и ленточные тела накала (из металлических ленточек). Именно поэтому говорить «нить накала» будет не совсем правильно.

В первых лампочках использовали уголь (температура возгонки 3559 °C). В наше время используют спираль из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава. Форма спирали позволяет уменьшить размеры тела накала. Спираль может подвергаться повторной или даже третичной спирализации (биспираль или триспираль). Это позволяет поднять КПД ламп, уменьшая теплопотерю из-за конвенции.

Электротехнические параметры

Поскольку лампы имеют различное назначение, то и рабочее напряжение у них разное. Силу тока можно определить по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R . Для достижения нужного сопротивления используется длинный и тонкий провод, толщина которого 40 - 50 микрометров.

У выключенной лампочки тело накала имеет комнатную температуру, поэтому при включении проходит очень большой ток (где-то в 10-14 раз больше рабочего тока). Ток уменьшается только тогда, когда нить нагревается и сопротивление увеличивается. Например, раньше было все наоборот. Лампы с угольными нитями при нагревании уменьшали сопротивление и медленно увеличивали свечение.

Для самостоятельного мерцания лампы в нее последовательно с нитью накала устанавливают биметаллический переключатель.

Цоколь

Известный нам всем цоколь с резьбой был предложен Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизированы. Обычно в хозяйстве встречаются цоколи Эдисона Е14 (миньон), Е27 и Е40 (число значит наружный диаметр в мм). Встречаются цоколи и без резьбы (в таком случае лампа удерживается в патроне за счет трения или нерезьбового сопряжения, например, байонетное) - британский стандарт и вообще бесцокольные лампы, например, в автомобиле.

В США и Канаде используют другие цоколи, поскольку напряжение в сети может быть 110 В, поэтому изменили размер цоколя (Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul)), чтобы не ввинтить по ошибке европейские лампы. Также они используют и цоколи без резьбы.

КПД лампы накаливания

Почти вся энергия, которая подается в лампу, тратится на излучение и только часть уходит на теплопроводность и конвекцию. Наши глаза видят только в узком диапазоне длин волн (диапазон видимого излучения), но основная мощность излучения находится в инфракрасном диапазоне, который мы не можем увидеть и воспринимаем в виде тепла. Поэтому КПД лампы накаливания при температуре 3400 К составляет 15%. При температуре в 2700 К (это обычная лампочка на 60 Вт) КПД составляет всего 5%.

Чем больше температура, тем больше КПД, но долговечность существенно снижается. Если температура будет достигать 2700 К, то лампа прослужит 1000 часов, но если увеличить температуру нити до 3400 К, то лампочка прослужит всего несколько часов. Если поднять напряжение на 20%, то яркость увеличится в 2 раза, но при этом срок службы упадет на 95%.

Низкое напряжение, конечно, понижает и КПД, но лампочка дольше прослужит. Если понизить напряжение (последовательное включение), то КПД упадет в 4-5 раз, но лампа прослужит почти в тысячу раз дольше. Такой вариант работы очень эффективен, если к освещению не предъявляют особых требований, например, на лестничных площадках. Лампу последовательно подключают с диодом и пускают переменный ток, тогда ток в лампе будет протекать только половину периода. Это снизит мощность в 2 раза, поэтому и снизиться напряжение в ~1,41 раза.

Если рассматривать это с экономической точки зрения, то повышать долговечность за счет понижения напряжения совершенно не выгодно, поскольку за время службы стоимость потребленной лампой электроэнергии будет больше, чем стоимость самой лампы. Поэтому было выбрано оптимальное напряжение, которое больше номинального и минимально снижает затраты на освещение.

Срок службы

Срок службы лампы накаливания может ограничиваться испарением материала нити во время работы или возникающими в нити неоднородностями. Поскольку материал нити не всегда равномерно испаряется, то возникают тонкие участки, где электрическое сопротивление становится больше, а это приводит к большему нагреву и материал начинает интенсивней испаряться в таких местах, поскольку мощность в последовательной электрической цепи пропорциональна I·r2. Поэтому лампа и перегорает, когда нить истощается настолько, что материал плавится или полностью испаряется.

При резкой подаче напряжения происходит наибольший износ нити, поэтому для увеличения срока службы лампы можно использовать различные устройства плавного запуска.

Удельное сопротивление вольфрама при комнатной температуре в два раза больше, чем у алюминия. Когда происходит включение лампы, то ток превышает номинальный в 10 - 15 раз, поэтому лампочки перегорают в момент включения. Чтобы защитить сеть от бросков тока, некоторые лампы (например, бытовые) имеют встроенный плавкий предохранитель. Его можно увидеть внимательно рассмотрев лампу. Это проводник, который тоньше другого, соединенный с цоколем лампы. В момент включения обычная бытовая лампочка на 60 Вт потребляет свыше 700 Вт, а 100 Вт свыше 1 кВт. При нагревании нити сопротивление растет и мощность падает до номинальной.

Для плавного запуска можно использовать терморезистор с отрицательным коэффициентом температурного сопротивления. В момент включения резистор холодный и имеет большое сопротивление, поэтому только после его прогрева лампа получит все напряжение. Но плавное включение это отдельная тема.

Благодаря таблице, которая приведена ниже, можно приблизительно узнать соотношение мощности и светового потока для обычной лампочки «груши» (цоколь E27, 220 В).

Разновидности ламп накаливания

Вакуумные (самый простой вид лампочки);
Аргоновые (азот-аргоновые);
Криптоновые (на 10% ярче, чем аргоновые);
Ксеноновые (ярче аргоновых в два раза);
Галогенные (в качестве наполнителя используют I или Br, такие лампочки ярче аргоновых в 2,5 раза, имеют больший срок службы и не любят недокала, поскольку галогенный цикл перестает работать);
Галогенные с двумя колбами (лучший нагрев внутренней колбы повышает эффективность галогенного цикла);
Ксенон-галогенные (в качестве наполнителя используют Xe + I или Br, самый эффективный наполнитель, яркость в 3 раза лучше, чем у аргоновых);
Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (поскольку основная часть излучения находится в ИК диапазоне, то отражение ИК излучения внутрь позволяет заметно увеличить КПД, такие лампы можно встретить в охотничьих фонарях);
Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон . В данный момент разрабатывается лампа с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр;

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества:

• высокий индекс цветопередачи, Ra 100;
• стабильное массовое производство;
• небольшая стоимость;
• компактные размеры;
• нет никакой пускорегулирующей аппаратуры;
• не боится ионизирующей радиации;
• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности);
• зажигание и перезажигание происходит мгновенно;
• устойчива к сбоям в питании и скачкам напряжения;
• не содержит токсичных элементов, поэтому не нужны пункты по сбору и утилизации;
• может работать на любом роде тока;
• нечувствительность к полярности напряжения;
• можно изготовить лампу под любое напряжение (от долей вольта до сотен вольт);
• при работе на переменном токе отсутствует мерцание (важно на предприятиях);
• при работе на переменном токе отсутствует гудение;
• непрерывный спектр излучения;
• привычный и приятный в быту спектр;
• устойчивость к электромагнитному импульсу;
• может работать с регуляторами яркости;
• не страшна низкая и высокая температура окружающей среды, устойчивость к конденсату;

Недостатки:

• низкая световая отдача;
• небольшой срок службы;
• хрупкость, желательно избегать ударов или вибраций;
• очень большой скачок тока при включении (примерно десятикратный);
• при термоударе или разрыве нити под напряжением возможен взрыв баллона;
• зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения;
• могут вызвать пожар. Уже через 30 минут наружная поверхность лампы имеет высокую температуру, которая зависит от мощности: 25 Вт - 100 °C, 40 Вт - 145 °C, 75 Вт - 250 °C, 100 Вт - 290 °C, 200 Вт - 330 °C. Если лампу положить на текстильный материал, то колба будет нагреваться ещё сильней. Обычная лампочка в 60 Вт способна запалить солому уже через 67 минут работы;
• поскольку части лампы нагреваются, то требуется термостойкая арматура светильников;
• небольшой световой КПД (отношение мощности лучей видимого спектра к потребляемой энергии) около 4 %. Если подключить электролампу через диод (делается это для продления службы лампы на лестничных площадках или в тамбурах), то будет только хуже, поскольку значительно падает КПД и появляется мерцание света;

А знаете ли Вы как создаются лампы накаливания? Нет? Тогда вот вам ознакомительное видео от Discovery

И помните лампочка, засунутая в рот, назад не вылезет, поэтому не стоит этого делать. 🙂

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 диммеров, 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.
4. На лестничной площадке в цепь питания устанавливают диод или включают две одинаковые лампы.
5. В разрыв цепи питания устанавливается устройство плавного включения.

Энергосбережение. Видео

Научиться энергосбережению в домашнем освещении можно, просмотрев видео ниже.

При правильном выборе и способе эксплуатации лампы накаливания могут быть экономичными и долго служить. Их небольшая стоимость, комфортное освещение и простота пользования до сих пор позволяют занимать первое место среди разных источников света.

История возникновения. Устройство. Выбор качественной лампы.

История ламп . В настоящее время сложно встретить человека, который не был бы знаком с лампами накаливания. Прогресс в области приборов освещения предложил альтернативные источники света – люминесцентные и диодные лампы, однако по некоторым параметрам им пока не удается превзойти обыкновенную «лампочку Ильича».

История лампы накаливания очень запутана и ее появлению предшествовали изобретения многих ученых-изобретателей.

По общепринятой версии, она началась в далеком 1872 году, когда русский ученый А. Н. Лодыгин догадался пропустить электрический ток через угольный стержень.

Сам стержень находился в безвоздушном пространстве стеклянной прозрачной колбы. Увеличение силы тока вызывало более интенсивную светоотдачу, пока не была достигнута температура плавления и лампа погасла. Так опытным путем были установлены оптимальные режимы работы для первых ламп накаливания и уже через год – в 1873 г. в Санкт-Петербурге были впервые опробованы несколько фонарей с такими лампами.

В это же самое время параллельно с Лодыгиным разработкой лампы накаливания занимался американский изобретатель Томас Эдисон. Он в 1879 году первым запатентовал лампу накаливания с угольной нитью, что впоследствии и послужило причиной, что именно его многие считают настоящим «отцом лампы накаливания».

На самом деле, как это часто бывает в области технических изобретений, лампа была изобретена в разных странах почти одновременно, поэтому нельзя с уверенностью утверждать, кому принадлежит авторство.

Работая над усовершенствованием лампы с угольной нитью, Лодыгин в 1890 году предложил заменить нить накаливания металлической, изготавливаемой из тугоплавкого металла – вольфрама. В отличие от других проводящих электрический ток материалов, вольфрам обладает очень высокой температурой плавления – около 3410°C.

В это же время Эдисон предлагает использовать в конструкции ламп изобретенную им резьбовую систему патрон-цоколь. Эта конструкция дошла до нашего времени практически, не претерпев никаких существенных изменений. Цоколь ламп накаливания обозначается «Е-XX», где «Е» - цоколь Эдисона (Edison Screw), а «XX» - внешний диаметр в мм. В Европе и на территории постсоветского пространства широкое распространение получили Е27 и Е14.

На американском континенте применяются другие размеры цоколя, чтобы избежать совместимости с европейскими аналогами, так как напряжение в электросетях различается (120 В. против 220 В., соответственно). В 1910 г. американский физик Ленгмюр предложил заменить вольфрамовую нить скрученной в тонкую спираль, что позволило уменьшить габариты стеклянной колбы, улучшить режим работы лампы и увеличить светоотдачу.

Устройство . Современная лампа накаливания, несмотря на кажущуюся простоту, на самом деле воплощает в себе множество изобретений и открытий. Для изготовления спирали накаливания в настоящее время кроме дорогостоящего вольфрама используют осмий или их соединение. Колба перестала быть просто вакуумной – очень часто ее стали заполнять инертным газом (аргон, криптон, ксенон и).

Подобное решение позволило устранить давление атмосферы на вакуумированную колбу, а также увеличить суммарную продолжительность работы лампы. Дело в том, что электрический ток, проходящий по вольфрамовой спирали, вызывает ее нагрев и свечение. При нагреве до столь высоких температур (до 2900°С) в безвоздушной колбе вольфрам начинает интенсивно испаряться и оседать на стекле. Стекло постепенно теряет прозрачность, и интенсивность светоотдачи уменьшается, а продолжительность работы нити падает.

Все мы знаем, как неприятно смотреть на яркий свет прозрачной лампы накаливания, поэтому промышленностью выпускаются не только прозрачные колбы, но и матовые. Благодаря этому, свет получается немного рассеянным и более мягким, хотя при этом незначительно теряет в интенсивности.

Выбор качественной лампы накаливания – не такая простая задача, как может показаться на первый взгляд. У многих в домах до сих пор горят лампочки с пятилетним и более стажем работы, а бывает, что совсем недавно купленная лампа перегорает. Устройство обыкновенной лампы накаливания показано на рисунке:

где: 1 - стеклянная колба; 2 - наполненная инертным газом полость колбы; 3 - спираль накаливания; 4, 5 - электроды; 6 - дополнительные опоры спирали; 7 - стеклянная ножка; 8 - внешний токопровод; 9 - цоколь; 10 - изолятор цоколя; 11 - нижний контакт цоколя.

Выбор лампы накаливания . При покупке лампы следует проверить стекло колбы на наличие посторонних вкраплений, так как только в этом случае обеспечивается его достаточная прочность. При должной практике качество используемого стекла можно проверить легким постукивание по нему фалангой пальца – звук должен быть немного приглушенным, «прочным». На металлическом цоколе не должно быть повреждений – отверстий или вмятин.

Наличие небольшого отверстия на цоколе еще не означает полной неработоспособности лампы, но заставляет задуматься о правильности процессов производства или транспортировки. Нижний контакт цоколя может быть широким – с диаметром около 7 мм, а может – узким 5 мм. Широкий контакт более предпочтителен, так как обеспечивает качественный контакт в патроне даже при небольшом смещении внутренней контактной пластины (язычка).

Однако, большинство современных ламп поставляется именно с узкими нижними контактами, поэтому может сложиться ситуация, когда выбирать не из чего. Колба должна быть надежно закреплена с патроном и не отставать в местах приклеивания. Внешний токопровод (8) может соединяться с цоколем либо обычной пайкой, либо точечной сваркой.

Пайка должна быть небольшой и аккуратной, а при сварке – крепко держаться. Спираль накаливания (3) не должна слишком провисать. Если такое происходит, значит, лампа уже эксплуатировалась и спираль немного растянулась. Очень важным моментом является осмотр качества обжима спирали в местах соединения с ней электродов (4, 5).

При недостаточном обжиме срок службы лампы существенно снижается. У качественных ламп ножка (7) сбоку не имеет отверстий. Указанное рабочее напряжение должны быть выше, чем фактическое. То есть, несмотря на стандарт 220 В., выгоднее выбирать лампы с на 230-240 В. Особо следует отметить, что завышенное свыше 240 В. напряжение резко сокращает срок службы лампы.

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное тепловое 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 5770 (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.

Лампа накаливания на 36 Вт

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 5770 K недостижима, т. к. при такой температуре любой известный 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 «жёлто-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 лампы делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше (что приводит к быстрому её перегоранию) 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, заполненной буферным газом и 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. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами . Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (молярные массы : азот: 28,0134 /моль ; аргон: 39,948 /моль ; криптон : 83,798 /моль ; ксенон : 131,293 /моль)

Нить накала

Двойная спираль лампы накаливания (Osram 200 Вт) с контактными проводниками и держателями нити

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз 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 лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мигающем режиме.

Цоколь

Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки питающей цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель . Он представляет собой отрезок тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 .

КПД и долговечность

Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения

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 своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 КПД составляет 5 %.

С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, 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 (напр. при последовательном включении) сильно уменьшает КПД , 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 течении половины периода.

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.

Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода плавные пускатели. 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. 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.