Температура накаливания. Знакомство с лампами накаливания. Виды ламп накаливания

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.

Недостатки ламп накаливания компенсируются их низкой стоимостью, но, поскольку мы убеждены, что дешевый почти всегда в долгосрочной перспективе дороже. Не случайно некоторые страны уже запрещают их использование. В последнее время с низким потреблением светодиодные лампы начинают успешно конкурировать с галогеновым и флуоресцентным освещением.

Светодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, через который может протекать только одно направление тока, а часть его энергии преобразуется в свет. Общий результат - обеспечить желаемую мощность света на 10, а иногда и в несколько раз меньше мощности.

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.

Светодиоды также более устойчивы к ударам и вибрациям, так как они не имеют хрупкого стеклянного баллона или тонкой нити для разрыва. В то же время их небольшое нагревание делает их пригодными для мест, где необходимо поддерживать низкую температуру. Светодиоды непосредственно излучают свет с определенным цветом. Для этой же цели другие лампы требуют размещения цветных фильтров, что не только увеличивает цену, но и уменьшает мощность света. В то же время гораздо проще и дешевле, чем в других источниках, регулировать мощность света в очень широком диапазоне, не меняя его цвет.

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.

Все это создает условия для желаемого освещения мощности и цвета в помещении. Светодиодные индикаторы не излучают ультрафиолетовые лучи, такие как люминесцентные трубки или инфракрасные лучи, как в лампах накаливания. Они также широко используются в светильниках с подсветкой, ориентированной на относительно небольшую площадь - настольные лампы, прожекторы, веснушки.

Это показывает на 33% меньше потребляемой мощности, чем обычная лампочка. Производство этих луковиц не использует вредные химические вещества и газы, которые угрожают окружающей среде. Если вы также обеспокоены будущим окружающей среды и нашими детьми, такое решение освещения является идеальным решением.

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.

Они дают вам возможность создать действительно замечательное чувство в вашем доме или офисе. С их помощью вы можете сосредоточить лед на определенных деталях интерьера, что неизменно помогает создать атмосферу в соответствии с вашим вкусом и предпочтением.

Это делает их чрезвычайно безопасными даже при размещении в местах, где ваш ребенок может легко добраться. Они значительно здоровее, чем обычные, и вам не нужно беспокоиться о том, чтобы сломать их или рассеять, пока вы сидите за столом и ужинаете. Эта особенность означает, что они не привлекают насекомых. Это делает их чрезвычайно подходящими для использования в освещении летнего сада, барбекю или крыльца, не замечая никаких летающих насекомых в радиусе сотен метров.


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.

Это делает их чрезвычайно подходящими для наружной установки. В жаркое лето и в холодную зиму они будут выполнять свою работу без проблем. Единственной угрозой, которая может сократить их жизнь, является постоянная подача напряжения выше стандартного.

Выберите температуру света: спектр света, излучаемого различными источниками света, измеряется с помощью единицы измерения Кельвина. Это так называемая цветовая температура. Чем ниже цветовая температура, тем теплее излучается свет. И наоборот: чем выше цветовая температура, тем холоднее свет, исходящий от светильника.


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.

Если вы точно не знаете, что такое ваш светильник, вы всегда можете загрузить лампу, которую вы используете в настоящее время, для сравнения или проконсультирования производителя. В таблице четко указано, сколько вы сэкономите на счете за электроэнергию только на один год.

Убедитесь, что ваш бренд имеет все необходимые сертификаты качества и происхождения. Обычные лампочки все еще являются наиболее широко используемыми источниками света. Они производятся в миллиардах штук в год и являются частью основной производственной линии почти всех крупнейших мировых производителей источников света. Он относится к группе источников температуры света, где основой функции является, как правило, определенный способ нагрева тел к температурам, в которых происходит видимое излучение.

Характеристики ламп

Мощность, Вт 5 15 25 40 60 75 100
Отдача света, Лм/Вт 4 8 8.8 10.4 11.8 12.5 13.8

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

Лампа - это источник света, излучающий свет от тела, нагретого при прохождении электрического тока. Характерной особенностью всех источников температуры является непрерывный спектр испускаемого ими света, но в то же время они характеризуются очень низкой эффективностью преобразования электрической энергии в свет. Это во многом определяется их будущей судьбой.

На рисунке показана конструкция луковицы. Источником излучения является волокно, которое в современных луковицах изготавливается исключительно из тонкой вольфрамовой проволоки, намотанной в один или два кубоида. Волокно фиксируется в желаемом положении впускными отверстиями и поддерживает крючки из молибдена, вставленные в палочку стержня, который образует так называемую ногу с другими стеклянными заготовками. Нос волокна герметизируют во внешнюю колбу, изготовленную из мягкого натриево-известкового стекла.

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.

Колба используется в прозрачной или зеркальной, окрашенной, окрашенной, химически матовой или матовой, помутнение осаждением диффузионного слоя в электростатическом поле. Провода являются частью электрической цепи и обычно состоят из трех частей. Внутренняя часть входного отверстия выполнена из никелированного или никелированного железа, ее средняя часть выполнена из так называемой спиральной проволоки с коэффициентом теплового расширения, соответствующим расширению стеклянной пластины. Это обеспечивает вакуумное соединение металлических и стеклянных компонентов колбы, чтобы поддерживать необходимый вакуум или инертную среду в лампе на протяжении всего срока службы.

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.

Внешняя линия питания также выполняет функцию предохранителя. Обычно он выполнен из монеля небольшого диаметра. Он также обеспечивает электрический контакт с гнездом светильника через розетку. Внутреннее пространство колбы истощается, остаточные нежелательные газы поглощаются геттером, наносимым на волокно или концами впускных отверстий после того, как волокно смонтировано на ноге. Заполнения баллончиков представляют собой аргон или криптон, в обоих случаях с легирующим азотом, чтобы предотвратить возникновение разрыва между нитями волокна.

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.

Присутствие инертного газа снижает скорость испарения волокна, что позволяет увеличить его температуру и, следовательно, удельную мощность колбы при сохранении ее срока службы, уменьшает продувку колбы и, таким образом, улучшает стабильность светового потока во время освещения. С точки зрения срока службы колбы желательно использовать максимально возможное давление газа для газа до атмосферного давления.

Розетка прикреплена к колбе специальным герметиком. Спиральные машины для производства вольфрамовых волокон имеют обороты до 30 тысяч. мин -1. Самые мощные разливочные машины имеют емкость до миллиона бутылок в день. . Таким образом, фундаментальный недостаток всех обычных лампочек является очень низкой удельной мощностью, относительно коротким сроком службы, большим падением светового потока в течение жизни и значительной зависимостью параметров лампы, особенно жизни, от напряжения питания.

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.

Энергоэффективность преобразования электроэнергии в свет составляет около 7% для вакуумных ламп, около 10% для газовых ламп. Однако, если этот параметр применяется к чувствительности человеческого глаза, то есть если рассчитывается световая эффективность упомянутого преобразования энергии, это значение еще ниже, 1, 5-2% в случае вакуумных ламп и 3-4% для газонаполненных ламп. Оставшаяся энергия потребляется непродуктивно, и в свете собственного источника света ее следует считать потерей.

Удельная мощность луковиц может быть увеличена за счет увеличения температуры волокна и в то же время увеличения скорости испарения вольфрама, который в большей степени осаждается на внутренней стенке колбы. Это значительно сокращает срок службы волокна и усиливает почернение внешней колбы и, следовательно, быстрее уменьшает световой поток. Это падение обычных лампочек в конце их жизни составляет от 20 до 25%. Между напряжением питания и временем жизни значительная экспоненциальная зависимость задается в текущем диапазоне изменений напряжения.

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.

Это соединение между температурой волокна и напряжением питания должно всегда учитываться при выборе соответствующего типа лампы в зависимости от конкретного напряжения сетки. Например, при нормальном перенапряжении на 10% номинальная мощность увеличивается примерно на 25%, но срок службы лампы уменьшается на целых 75%. В таких случаях рекомендуется использовать лампы с номинальным напряжением, например, 240 В, которые также обычно поставляются в коммерческую сеть. Напротив, меньшее напряжение значительно увеличивает срок службы, но за счет удельной мощности, так что работа в таких условиях еще менее экономична.


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.

Некоторое улучшение эффективности лампы может быть достигнуто путем изменения заряда газа: аргон заменяется криптоном. Криптон из-за более низкой теплопроводности несколько уменьшает потери тепла и уменьшает скорость испарения вольфрама из-за более высокой молекулярной массы. Таким образом, в тот же срок жизни температура волокна может быть увеличена, так что светящийся поток такой колбы по сравнению с обычной лампой заряда аргона выше на 4-9%. Однако из-за высокой стоимости криптона использование этого газа ограничено непрозрачными колбами, которые характеризуются мягким рассеянным светом, подходящим для декоративного освещения.


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.

Это соответствует типичной форме грибов луковицы и более высокой цене колбы. Текущий диапазон общих ламп очень широкий и содержит тысячи разных типов. Для информации здесь приводятся, по крайней мере, основные параметры основного энергопотребления обычных лампочек для общего освещения, которые на международном уровне строго нормированы с точки зрения геометрических и электрических и светотехнических параметров.

Хотя обычная лампочка, похоже, не меняется, по крайней мере с точки зрения пользователя, поскольку основные параметры и внешняя информация остаются в течение десятилетий без значительных изменений, она постоянно развивается с точки зрения производителя. Некоторые разработки включают в себя снижение производства, сокращение отходов, экономию материала, замену некоторых материалов и полуфабрикатов более совершенными и надежными, более экологичным и, в частности, в повышении степени автоматизации производственных линий и сокращении числа операторов.


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.

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. 🙂