Главная > Освещение > Электрические лампы накаливания. История ламп накаливания. Происхождение и создание лампы накаливания


Электрические лампы накаливания. История ламп накаливания. Происхождение и создание лампы накаливания




Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.

Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина ). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца ). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.

Конструкция

Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, ограждающей нить накала от окружающей среды.

Колба

Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.

Буферный газ

Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)

Нить накала

Нить накала в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I = U / R) и мощность по формуле P=U\cdot I, или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампочках составляет 40—50 микрон.

Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.

В мигающих лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном . Размеры цоколей стандартизированы.

Предохранитель

Плавкий предохранитель (отрезок тонкой проволоки) расположен в цоколе лампы накаливания, предназначен для предотвращения возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.

КПД и долговечность

Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне, и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %.

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

Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках.

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

Галогенные лампы

Добавление в буферный газ галогенов брома или йода повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура составляет примернно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.

Иод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё.

Добавление галогенов предотвращает осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла больше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компактном виде. Маленький объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжелыми инертными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность.

Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварца.

Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой).

Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут использоваться как прямая замена обычных галогенных ламп.

Специальные лампы

    Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную температуру нити (и соответственно, повышенную яркость и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.

    Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.

История изобретения

    В 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампочку: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампочкой.

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

    Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. британский патент на лампу с угольным филаментом. В его лампах филамент находился в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

    Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В конце-концов он возвращается к угольному волокну и создаёт лампочку с временем жизни 40 часов. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампочки вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

    В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.

    В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

    В 1910 г. Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

    Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром , который, работая с 1909 г. в фирме General Electric , придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

Как работает лампа накаливания?

Ретро лампочка - красивая штука, без сомнения. Но как это все устроено? Чем лампочка Эдисона отличается от обычной? Да честно говоря, почти ничем. Сейчас все расставим по полочкам.

Сначала определение. Лампа накаливания — источник света, в котором свет испускает спираль, она же нить накаливания, она же тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. Чаще всего используется спираль из тугоплавкого металла, например вольфрама, либо угольная нить. Чтобы исключить окисление тела накала при контакте с воздухом, его помещают в вакуум, откачивая из стеклянной колбы воздух.

Принцип действия

В любой лампе накаливания, что обычной, что ретро лампочке, используется эффект нагревания проводника при протекании через него электрического тока . Температура нити повышается после замыкания электрической цепи. Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 градусов (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению с температурой поверхности фотосферы Солнца 5770 K . Однако неизвестны твердые вещества, способные без разрушения выдержать температуру фотосферы Солнца, поэтому рабочие температуры нитей ламп накаливания лежат в пределах 2000—2800 C. В телах накаливания современных ламп накаливания применяется тугоплавкий и относительно недорогой вольфрам (температура плавления 3410 °C ), рений и (очень редко) осмий . Поэтому спектр ламп накаливания смещён в красную часть спектра. Только малая доля электромагнитного излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение и воспринимается в виде тепла . Чем меньше температура тела накаливания, тем меньшая доля энергии , подводимой к нагреваемой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение , и тем более «красным» кажется излучение. Соответственно, ретро лампочки отличаются от обычных тем, что нагревают нить накаливания слабее. За счет этого нить накаливания медленнее испаряется и дольше функционирует.

Ретро лампочки, кстати, еще и полезны. При типичных для ламп накаливания температурах 2200—2900 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен для человека и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма (нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье).

В атмосферном воздухе при высоких температурах вольфрам быстро окисляется, образуя характерный белый налёт на внутренней поверхности лампы при потере ею герметичности. По этой причине, вольфрамовое тело накала помещают в герметичную колбу, из которой, в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Также встречаются, даже более часто, газонаполненные лампы: в них колба заполняется инертным газом — обычно аргоном . Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп уменьшает скорость испарения вольфрамовой нити. Это не только увеличивает срок службы лампы, но и позволяет повысить температуру тела накаливания. Таким образом, световой КПД повышается, а спектр излучения приближается к белому. Внутренняя поверхность колбы газонаполненной лампы медленнее темнеет при распылении материала тела накала в процессе работы, как у вакуумированной лампы. Ретро лампочки как правило делаются с вакуумныи колбами, но некоторые производители делают их газонаполенными.

Конструкция

Конструкция лампы накаливания. На схеме: 1 — колба; 2 — полость колбы; 3 — нить (тело накала); 4, 5 — электроды; 6 — крючки-держатели нити; 7 — ножка лампы; 8 — предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя.

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны, однако потребительские различия это в основном мощность, форма и размер колбы и тип цоколя.

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.

Нить накаливания

Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Тело накала первых ламп изготавливалось из угля . В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама . Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали. В случае ретро лампочек, когда важен художественный эффект, спираль крепится так как требуется для художественного эффекта, например имитируется спираль в исторических лампочках Эдисона. В случае лампочек обычных спираль зачастую имеет форму шестиугольника для обеспечения равномерности свечения.

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном или, по другим источникам, Льюисом Говардом Латимером - в фирме Эдисона. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14, E27 и E40 (число обозначает наружный диаметр в мм).

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).

Интересные факты

"Столетняя лампа"

  • В США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния ) есть 60-ваттная лампа ручной работы, известная под именем «Столетняя лампа ». Она постоянно горит уже более 114 лет, с 1901 года . Необычно высокий ресурс лампе обеспечила в основном работа на малой мощности (4 Ваттa), в глубоком недокале, при очень низком КПД. Лампа включена в Книгу рекордов Гиннесса в 1972 году. Фотографии именно этой лампочки часто публикуют как «ретро лампочку»…
  • В СССР после претворения в жизнь ленинского плана ГОЭЛРО за лампой накаливания закрепилось прозвище «лампочка Ильича ». В наши дни так чаще всего называют простую лампу накаливания, свисающую с потолка на электрическом шнуре без плафона.
  • Для изготовления обычной лампочки требуется, как минимум, 7 металлов.

Лампа накаливания (ЛН ) - электрический источник света, светящимся телом которого служит так называемое тело накала (ТН, проводник, нагреваемый протеканием электрического тока до высокой температуры). В качестве материала для изготовления ТН в настоящее время применяется практически исключительно вольфрам и сплавы на его основе. В конце XIX - первой половине XX в. ТН изготавливалось из более доступного и простого в обработке материала – углеродного волокна. (Приложение 2. Устройство лампы накаливания).

Принцип действия. 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 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более красным кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления. Идеальная температура в 5770 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине ТН помещено в колбу, из которой в процессе изготовления ЛН откачиваются атмосферные газы. Наиболее опасными для ЛН являются кислород и водяные пары, в атмосфере которых происходит быстрое окисление ТН. Первые ЛН изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ЛОН - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ЛН наполняют газом (азотом, аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газополных ламп резко уменьшает скорость разрушения ТН из-за распыления. Колбы газополных ЛН не так быстро покрываются тёмным налётом распылённого материала ТН, а температуру последнего можно увеличить по сравнению с вакуумными ЛН. Последнее позволяет повысить КПД и несколько изменить спектр излучения.

КПД и долговечность . Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5%.

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

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. (Приложение 3. Светоотдача и КПД).

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.

Преимущества и недостатки ламп накаливания.

1. Преимущества:

Малая стоимость;

Небольшие размеры;

Ненужность пускорегулирующей аппаратуры;

При включении они зажигаются почти мгновенно;

Отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации;

Возможность работы как на постоянном (любой полярности), так и на переменном токе;

Возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт);

Отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе;

Непрерывный спектр излучения;

Устойчивость к электромагнитному импульсу;

Возможность использования регуляторов яркости;

Нормальная работа при низких температурах окружающей среды.

2. Недостатки:

Низкая световая отдача;

Относительно малый срок службы;

Резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения;

Цветовая температура лежит только в пределах 2300 – 2900 к, что придает свету желтоватый оттенок;

Лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт - 145 °C, 75 Вт - 250 °C, 100 Вт - 290 °C, 200 Вт - 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут.

Утилизация.

Отслужившие лампы накаливания не содержат вредных для окружающей среды веществ и могут утилизироваться как обычные бытовые отходы. Единственным ограничением является запрет на их переработку вместе с изделиями из стекла.

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.

тип КПД Светотдача(

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. 🙂