Лампы электрические

Лампочка электрическая из чего состоит. Люминесцентные лампы дневного света. Мощность ламп и срок службы

Лампочка электрическая из чего состоит. Люминесцентные лампы дневного света. Мощность ламп и срок службы

Лампа накаливания

Ла́мпа нака́ливания - электрический источник света , в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама .

В заключение, для чувствительных к безопасности деталей, таких как автомобильные лампы, мы можем только советовать о выборе фирменных производителей, которые также предоставляют оригинальное оборудование. Тогда вы можете грешить с большей осторожностью.

Светодиодная лампочка является довольно сложным устройством по сравнению с обычной нитью с почти двадцатью различными техническими характеристиками и параметрами. Не пропустите разнообразие параметров, которые эта статья поможет. Каплеты ламп делятся на определенные типы, обозначаемые буквой и номером. Луковицы можно разделить на две группы, основанные исключительно на типах трубок: лампах, которые могут быть 220 В переменного тока или 12 В переменного или постоянного тока.

Принцип действия

В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала 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. При температуре 5770 (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение.

Световая мощность и эквивалентная мощность




Например, он производит тот же световой поток, что и лампа накаливания мощностью 60 Вт.








  • Мощность представляет собой уровень энергопотребления и измеряется в ваттах.
  • Общая мощность состоит из двух компонентов - активной и реактивной мощности.
  • В общем, лампочка в 5-10 раз экономичнее, чем лампа накаливания.
Это основной размер любого источника света, который описывает общую энергию, передаваемую на единицу площади света. Эта область равна площади воображаемой сферы, в центре которой находится источник света.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости 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 . Температура в 5771 К 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).

Другими словами, размер показывает количество испускаемого света. Световой поток измеряется в люменах и используется для описания любого источника света: от лампы накаливания до. Этот размер всегда указывается на упаковке. Это позволяет сравнивать различные источники света. Например: лампа накаливания мощностью 40 Вт, излучающая 500 литров светового потока, светит аналогично 470 лм света.

Световой поток описывает количество световой энергии, излучаемой источником света, но не описывает уровень освещенности в определенной точке пространства, не определяет угол освещения или направление света, излучающего свет. Поэтому, выбирая лампочку, важно знать понятие угла освещения.

Для оценки данного качества света используется цветовая температура . При типичных для ламп накаливания температурах 2200-3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.




Угол освещения зависит от интенсивности потока фокуса света. В зависимости от применения оптики угол может варьироваться от 20 до 330 °. Это означает, что при том же световом потоке свет может быть превращен в узкий луч или, наоборот, разбросан во всех направлениях.

Диаграмма угла образования и распределения света

На практике известно, что лампочка с узким углом освещает объекты, которые перед собой, в то время как «широкоугольный» освещает объект намного хуже, распространяя тот же луч света на гораздо большую площадь.





Хотя внутренняя линза расщепляет свет во всех направлениях, достаточно яркий свет, излучающий диоды, может раздражать глаза, поэтому рекомендуется использовать такие лампы в закрытых светильниках или там, где они не будут видны напрямую. Второй тип, прозрачный, ввинчивается в закрытые стойки светильника. . Кристалл легкого диода, который не имеет дополнительной оптики, излучает свет в более узком угле и в одном направлении.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид . По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом , аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

Угол образования представляет собой угловой диапазон, в котором интенсивность светоизлучающего излучения составляет не менее 50% от максимальной величины интенсивности света. Дополнительные оптические устройства используются для создания необходимого направления света: непрозрачные поликарбонатные колбы, светофокусирующие и рассеивающие линзы.


Лампы 20 ° - 45 ° используются в помещениях, где требуется яркое акцентное освещение. Например: элемент для освещения в витрине магазина. 36 ° лампы идеально подходят для освещения кухонного стола. Его также можно использовать для создания высотного потолочного пространства для общего освещения. Колба со свечной формой колбы, независимо от угла освещения, направляет поток света в стороны. Подходит для светильников, где стоячие колбы направлены вверх, так как основной световой поток направляется к стенам, а не к потолку. Луковицы с шарообразной колбой, независимо от угла освещения, направляют поток света вперед, а не в стороны.

  • Лампы 60 ° - 120 ° подходят для общего освещения не высоких потолков.
  • Не содержит ярких оттенков и вспышек.
  • Хорошо для светильников, где стоящие колбы указывают вниз.
Более широкий угол для общего освещения комнаты.

Конструкция

Конструкция современной лампы. На схеме: 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.

Отдельно стоит упомянуть лампочки накаливания. Угол их освещения очень широкий: 300-330 °. Благодаря широкому углу освещения они подходят только для общего освещения помещений. Вы также должны иметь в виду, что основной луч света направлен в стороны. Цветовая температура указывает цвет света. Все лампы делятся на три категории по их оттенкам.

Такой легкий оттенок хорошо вписывается в дневной свет, когда лампа находится в поле.


  • Белый свет с желтоватым оттенком.
  • Чистый белый свет без желтого или синего оттенка.
  • Это яркий белый свет с синеватым оттенком.
Поскольку светодиоды характеризуются постепенным ухудшением, световой поток, генерируемый ими, со временем уменьшается.

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

Продолжительность жизни, указанная на упаковке, представляет собой размер, указывающий общее время жизни лампы до момента, когда ее световой поток падает до 70% от значения начального потока. Изготовитель должен обеспечить, чтобы поток световой лампы не упал более чем на треть в течение указанного периода времени.

Являются ли такие СМИ опасения оправданными? Мы скептически относимся к профессору Хабилю, директору Института Института прикладных наук Вильнюсского университета. др. Почему возникают мифы об энергосберегающих луковицах? Тем не менее, в то же время инновации переполняют мифы невежества, присущее нежелание что-то менять, а также нежелание производителей старых продуктов отказаться от рыночных позиций.

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы - как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга , которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.

Кроме того, недорогие луковицы очень инертны для поставщиков электроэнергии и розничных продавцов энергии. В настоящее время около 20% в мире. Электричество используется для освещения, а в странах с недостаточной развитой отраслью этот процент ищет, поэтому внедрение любых энергосберегающих технологий сопровождается искусственно сформированными негативными установками и запугиванием. Чтобы избежать потенциальных опасностей новой технологии, необходимо использовать ее на основе объективных научных знаний.

Это «таинственный холодный» цвет? Люминесцентные лампы - как обычные, так и компактные - определяют цвет химического состава, используемого фосфором. Эти лампы, в отличие от ламп накаливания, имеют красочное разнообразие, которое не используется бытовыми потребителями. Наиболее часто используемыми трехцветными люминесцентными лампами являются «дневной свет», «холодный белый» и «теплый белый».

Колба

Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.

Газовая среда

Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N 2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы : N 2 - 28,0134 /моль ; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).

Чем выше цветовая температура, тем больше спектр голубой компонент и тем меньше красный цвет. Поэтому для подсветки дома с подсветкой необходимо выбрать источники с низкой цветовой температурой. Источники света более подходят для источников «холодного белого» для рабочего пространства, а лампы дневного света сильно освещены в пространстве.

Цвет последнего близок к естественному солнечному свету. Неправильный выбор цветовой температуры, например, для умеренного домашнего освещения с использованием источников «холодно-белый» или «дневной свет», ощущается дискомфорт - свет синий и «таинственно холодный». Напротив, если мы используем сильные источники света с «теплыми белыми» источниками, свет будет выглядеть «загадочно» желтым.


Галогенная лампа

Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама , иногда осмиево -вольфрамового сплава . Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).

С другой стороны, неравномерный спектр люминесцентных ламп определяет, что цвет освещенных объектов не выглядит вполне естественным, т.е. у. эти огни могут быть не в цвете. Если значение лампы больше 90, различия в цвете при освещении такой лампой и источником обычного спектра на практике не будут ощущаться.

Каков риск ртути при флуоресценции? При воздействии ртути ртуть не попадает в окружающую среду, и опасность возникает только тогда, когда лампа падает. Люминесцентные лампы, сжигаемые в крупных компаниях и учреждениях, организованы организованным образом и отправляются на специальные перерабатывающие предприятия, где они должным образом используются. Однако отечественные потребители и розничные торговцы не всегда обеспечивают, чтобы эти лампы были правильно собраны.

Электротехнические параметры

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений . Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R ) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R . Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление , для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон .

В Европейском союзе восстанавливается только около 70% отходов. люминесцентные лампы, в то время как остальные неконтролируемо разрушают и загрязняют окружающую среду. Но в целом люминесцентные лампы в мире менее загрязняют окружающую среду, чем ртуть, поскольку они потребляют в несколько раз больше электроэнергии для сжигания большого количества ртутьсодержащего угля.

Кроме того, использование легковоспламеняющихся лампочек дает атмосфере больше углекислого газа, что вызывает изменение климата. Отходы энергии и общее воздействие на окружающую среду и климат являются основными причинами, по которым лампы накаливания постепенно запрещаются.

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. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока . При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.

Цоколь

В США и Канаде используются иные цоколи (это частично обусловлено иным напряжением в сетях - 110 В, поэтому иные размеры цоколей предотвращают случайное ввинчивание европейских ламп, рассчитанных на иное напряжение): Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul) . Также, аналогично Европе, встречаются цоколи без резьбы.

Номенклатура

По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:

  • лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;
  • декоративные лампы , выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром около 45 мм;
  • лампы местного освещения , конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
  • иллюминационные лампы , выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками (цветным цапонлаком), их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
  • зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;
  • сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами;
  • транспортные лампы - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);
  • прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счет особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки;
  • лампы для оптических приборов , к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);

Специальные лампы


Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)

История изобретения

Лампа Лодыгина

Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна.

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 (обычная лампа на 60 Вт) 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) 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 за время службы лампой накаливания 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 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.

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

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.

Тип Относительная световая отдача % Световая отдача (Люмен/Ватт)
Лампа накаливания 40 Вт 1,9 % 12,6
Лампа накаливания 60 Вт 2,1 % 14,5
Лампа накаливания 100 Вт 2,6 % 17,5
Галогенные лампы 2,3 % 16
Галогенные лампы (с кварцевым стеклом) 3,5 % 24
Высокотемпературная лампа накаливания 5,1 % 35
Абсолютно чёрное тело при 4000 K 7,0 % 47,5
Абсолютно чёрное тело при 7000 K 14 % 95
Идеально белый источник света 35,5 % 242,5
Источник монохроматического зелёного света с длиной волны 555 нм 100 % 683

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

Мощность (Вт) Световой поток (лм) Световая отдача (лм/Вт)
200 3100 15,5
150 2200 14,6
100 1200 13,6
75 940 12,5
60 720 12
40 420 10,5
25 230 9,2
15 90 6

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. 🙂