Среди всех электроустановочных и электромонтажных изделий осветительная аппаратура имеет наиболее богатый ассортимент. Это происходит потому, что элементы освещения несут в себе не только сугубо технические характеристики, но и элементы дизайна. Возможности современных ламп и светильников, их конструкторское разнообразие настолько велики, что немудрено растеряться. Например, существует целый класс светильников, предназначенных исключительно для гипсокартонных потолков.
Многочисленные виды ламп имеют различную природу света и эксплуатируются в неодинаковых условиях. Чтобы разобраться, какого типа лампа должна стоять в том или ином месте и каковы условия ее подключения, необходимо вкратце изучить основные виды осветительной аппаратуры.
У всех ламп есть одна общая часть: цоколь, при помощи которого они соединяются с проводами освещения. Это касается тех ламп, в которых есть цоколь с резьбой для крепления в патроне. Размеры цоколя и патрона имеют строгую классификацию. Необходимо знать, что в бытовых условиях применяют лампы с 3 видами цоколей: маленьким, средним и большим. На техническом языке это означает Е14, Е27 и Е40. Цоколь, или патрон, Е14 часто называют «миньон» (в gер. с фр. - «маленький»).
Самый распространенным размер - Е27. Е40 используют при уличном освещении. Лампы этой маркировки имеют мощность 300, 500 и 1000 Вт. Цифры в названии обозначают диаметр цоколя в миллиметрах. Помимо цоколей, которые вкручиваются в патрон при помощи резьбы, есть и другие виды. Они штырькового типа и называются G-цоколями. Используются в компактных люминесцентных и галогенных лампах для экономии места. При помощи 2 или 4 штырьков лампа крепится в гнезде светильника. Видов G-цоколей много. Основные из них: G5, G9, 2G10, 2G11, G23 и R7s-7. На светильниках и лампах всегда указывается информация о цоколе. При выборе лампы необходимо сравнивать эти данные.
Мощность лампы - одна из важнейших характеристик. На баллоне или цоколе производитель всегда указывает мощность, от которой зависит светимость лампы . Это не уровень света, который она излучает. В лампах различной природы света мощность имеет совершенно несхожее значение.
Например, энергосберегающая лампа при указанной мощности 5 Вт будет светить не хуже лампы накаливания в 60 Вт. То же касается и люминесцентных ламп . Светимость лампы исчисляется в люменах. Как правило, это не указывается, так что при выборе лампы необходимо ориентироваться на советы продавцов.
Светоотдача обозначает, что на 1 Вт мощности лампа дает столько-то люмен света. Очевидно, что энергосберегающая компактная люминесцентная лампа в 4–9 раз экономичнее, нежели накаливания. Можно легко подсчитать, что стандартная лампа в 60 Вт дает примерно 600 лм, тогда как компактная имеет такое же значение при мощности 10–11 Вт. Настолько же она будет экономичнее по энергопотреблению.
Лампы накаливания
(ЛОН) - самый первый источник электрического света, который появился в домашнем обиходе. Она была изобретена еще в середине 19 в., и хотя с того времени претерпела немало реконструкций, сущность осталась без изменений. Любая лампа накаливания состоит из вакуумного стеклянного баллона, цоколя, на котором располагаются контакты и предохранитель, и нити накаливания, излучающей свет.
Спираль накаливания сделана из вольфрамовых сплавов, которые легко выдерживают рабочую температуру горения +3200 °C. Чтобы нить мгновенно не перегорела, в современных лампах накачивают в баллон какой-нибудь инертный газ, например аргон.
Принцип работы лампы очень прост. При пропускании тока через проводник малого сечения и низкой проводимости часть энергии уходит на разогрев спирали-проводника, отчего тот начинает светиться в видимом свете. Несмотря на столь простое устройство, видов ЛОН существует огромное множество. Они различаются по форме и размерам.
Декоративные лампы (свечи): баллон имеет вытянутую форму, стилизованную под обычную свечу. Как правило, используются в небольших светильниках и бра.
Окрашенные лампы : стекла баллонов имеют различный цвет с декоративными целями.
Зеркальными лампами называют лампы, часть стеклянного баллона которых покрыта отражающим составом для направления света компактным пучком. Такие лампы чаще всего используют в потолочных светильниках, чтобы направлять свет вниз, не освещая потолка.
Лампы местного освещения работают под напряжением 12, 24 и 36 В. Они потребляют немного энергии, но и освещение соответствующее. Применяются в ручных фонарях, аварийном освещении и т. д. ЛОН по-прежнему остаются в первых рядах источника света, несмотря на некоторые недостатки. Их минусом является очень низкий КПД - не более 2–3 % от потребляемой энергии. Все остальное уходит в тепло.
Второй минус заключается в том, что ЛОН небезопасны с противопожарной точки зрения. Например, обычная газета, если ее положить на лампочку в 100 Вт, вспыхивает примерно через 20 мин. Надо ли говорить, что в некоторых местах ЛОН нельзя эксплуатировать, например в маленьких абажурах из пластика или дерева. Кроме того, такие лампы недолговечны. Срок службы ЛОН составляет примерно 500–1000 ч. К числу плюсов можно отнести дешевизну и простоту монтажа. ЛОН не требуют каких-либо дополнительных устройств для работы, подобно люминесцентным.
Галогенные лампы
Галогенные лампы мало чем отличаются от ламп накаливания, принцип работы тот же. Единственная разница между ними - это газовый состав в баллоне. В данных лампах к инертному газу примешивают йод или бром. В результате становится возможным повышение температуры нити накаливания и уменьшение испарения вольфрама.
Именно поэтому галогенные лампы можно делать более компактными, а срок их службы повышается в 2–3 раза. Однако температура нагревания стекла повышается весьма значительно, поэтому галогенные лампы делают из кварцевого материала. Они не терпят загрязнений на колбе. Прикасаться незащищенной рукой к баллону нельзя - лампа перегорит очень быстро.
Линейные галогенные лампы используются в переносных или стационарных прожекторах. В них часто бывают датчики движения. Такие лампы используют в гипсокартонных конструкциях.
Компактные осветительные устройства имеют зеркальное покрытие.
К минусам галогенных ламп можно отнести чувствительность к перепадам напряжения. Если оно «играет», лучше приобрести специальный трансформатор, выравнивающий силу тока.
Люминесцентные лампы
Принцип работы люминесцентных ламп серьезно отличается от ЛОН. Вместо вольфрамовой нити в стеклянной колбе такой лампы горят пары ртути под воздействием электрического тока. Свет газового разряда практически невидим, поскольку излучается в ультрафиолете. Последний заставляет светиться люминофор, которым покрыты стенки трубки. Этот свет мы и видим. Внешне и по способу соединения люминесцентные лампы также сильно отличаются от ЛОН. Вместо резьбового патрона с обеих сторон трубки есть два штырька, закрепляющихся следующим образом: их надо вставить в специальный патрон и повернуть в нем.
Люминесцентные лампы имеют низкую рабочую температуру. К их поверхности можно без опаски прислонять ладонь, поэтому они устанавливаются где угодно. Большая поверхность свечения создает ровный рассеянный свет. Именно поэтому их еще называют лампами дневного света . Кроме того, варьируя состав люминофора, можно изменять цвет светового излучения, делая его более приемлемым для человеческих глаз. По сроку службы люминесцентные лампы превосходят лампы накаливания почти в 10 раз.
Минусом люминесцентных ламп является невозможность прямого подключения к электросети. Нельзя просто накинуть 2 провода на торцы лампы и воткнуть вилку в розетку. Для ее включения используются специальные балласты. Связано это с физической природой свечения ламп. Наряду с электронными балластами используются стартеры, которые как бы поджигают лампу в момент включения. Большинство светильников под люминесцентные лампы оборудованы встроенными механизмами свечения наподобие электронных пускорегулирующих аппаратов (ПРА) или дросселями.
Маркировка люминесцентных ламп не похожа на простые обозначения ЛОН, имеющие только показатель мощности в ваттах.
Для рассматриваемых ламп она следующая:
- ЛБ - белый свет;
- ЛД - дневной свет;
- ЛЕ - естественный свет;
- ЛХБ - холодный свет;
- ЛТБ - теплый свет.
Цифры, идущие за буквенной маркировкой, обозначают: первая цифра - степень цветопередачи, вторая и третья - температуру свечения. Чем выше степень цветопередачи, тем более естественно освещение для человеческого глаза. Рассмотрим пример, относящийся к температуре свечения: лампа с маркировкой ЛБ840 означает, что эта температура равна 4000 К, цвет белый, дневной.
Следующие значения расшифровывают маркировку ламп:
- 2700 К - сверхтеплый белый,
- 3000 К - теплый белый,
- 4000 К - естественный белый или белый,
- более 5000 К - холодный белый (дневной).
В последнее время появление на рынке компактных люминесцентных энергосберегающих ламп произвело настоящую революцию в светотехнике. Были устранены главные недостатки люминесцентных ламп - их громоздкие размеры и невозможность использовать обычные нарезные патроны. ПРА были вмонтированы в ламповый цоколь, а длинная трубка свернулась в компактную спираль.
Теперь разнообразие видов энергосберегающих ламп очень велико. Они различаются не только по своей мощности, но и по форме разрядных трубок. Плюсы такой лампы очевидны: нет нужды устанавливать электронный балласт для запуска, пользуясь специальными светильниками.
Экономичная люминесцентная лампа пришла на смену обычной лампе накаливания. Однако у нее, как и у всех люминесцентных ламп, есть недостатки.
Минусов у люминесцентных ламп несколько:
- такие лампы плохо работают при низких температурах, а при –10 °C и ниже начинают светить тускло;
- долгое время запуска - от нескольких секунд до нескольких минут;
- слышен низкочастотный гул от электронного балласта;
- не работают вместе со светорегуляторами;
- сравнительно дорогие;
- не любят частого включения и выключения;
- в состав лампы входят вредные ртутные соединения, поэтому она требует специальной утилизации;
- если использовать в выключателе индикаторы подсветки, данная осветительная аппаратура начинает мерцать.
Как бы ни старались производители, свет люминесцентных ламп пока не очень похож на естественный и режет глаза. Кроме энергосберегающих ламп с ПРА существует множество разновидностей без встроенного электронного балласта. Они имеют совершенно другие виды цоколя.
Принцип свечения дуговой ртутной лампы высокого давления (ДРЛ) - дуговой разряд в парах ртути. Такие лампы обладают высокой светоотдачей - на 1 Вт приходится 50–60 лм. Запускаются при помощи ПРА. Недостатком является спектр свечения - их свет холоден и резок. Лампы ДРЛ чаще всего используются для уличного освещения в светильниках типа «кобра».
Светодиодные лампы
Светодиодные лампы - этот продукт высокой технологии впервые был сконструирован в 1962 г. С той поры светодиодные лампы стали постепенно внедряться на рынок осветительной продукции. Светодиод по принципу действия - это самый обычный полупроводник, у которого часть энергии в переходе p-n сбрасывается в виде фотонов, то есть видимого света. Такие лампы имеют просто потрясающие характеристики.
Они десятикратно превосходят ЛОН по всем показаниям:
- долговечности,
- светоотдаче,
- экономичности,
- прочности и т. д.
Есть у них лишь одно «но» - это цена. Она приблизительно в 100 раз превосходит цену обычной лампы накаливания. Однако работа над этими необычными источниками света продолжается, и можно ожидать, что вскоре мы будем радоваться изобретению более дешевого, нежели его предшественники, образца.
Примечание! Ввиду необычных физических характеристик светодиодов из них можно изготавливать настоящие композиции, например в виде звездного неба на потолке комнаты. Это безопасно и не требует больших затрат энергии.
Всем привет. Рад вас видеть у себя на сайте. Тема сегодняшней статьи: устройство лампы накаливания. Но для начала хотелось бы сказать пару слов об истории этой лампы.
Самую первую лампочку накаливания придумал английский учёный Деларю ещё в 1840 году. Она была с платиновой спиралью. Немного позже, в 1854 году, немецкий учёный Генрих Гёбель представил лампу с бамбуковой нитью, которая находилась в вакуумной колбе. В то время ещё очень много было представленных различных ламп, различными учёными. Но все они имели очень короткий срок службы, и были не эффективными.
В 1890 году учёный Лодыгин А. Н. впервые представил лампу, у которой нить накаливания была из вольфрама, и имела вид спирали. Так же этот учёный делал попытки откачивания из колбы воздуха, и заполнение её газами. Что значительно увеличивало срок службы ламп.
А вот серийное производство ламп накаливания началось уже в 20 веке. Тогда это был реальный прорыв в технологии. Сейчас же, в наше время, многие предприятия, и просто обычные люди отказываются от этих ламп из-за того, что они много потребляют электроэнергии. А в некоторых странах даже запретили выпускать лампы накаливания, мощностью которых более 60 Ватт.
Устройство лампы накаливания.
Такая лампа состоит из следующих деталей: цоколь, колба, электроды, крючки для держания нити накаливания, нить накаливания, штенгель, изолирующий материал, контактная поверхность.
Для того, чтобы вам было более понятно, я сейчас напишу про каждую деталь отдельно. Так же смотрите рисунок и видео.
Колба – изготавливается из обычного стекла и нужна для защиты нити накаливания от внешней среды. В неё вставляется штенгель с электродами и крючками, которые держат саму нить. В колбе специально создаётся вакуум, или она заполняется специальным газом. Обычно это аргон, так как он не поддается нагреванию.
С той стороны, где находятся вывода электродов, колба заплавляется стеклом и приклеивается к цоколю.
Цоколь нужен для того, чтобы лампочку можно было вкрутить в патрон. Обычно он изготовляется из алюминия.
Нить накаливания – деталь, которая излучает свет. Изготавливается в основном из вольфрама.
А теперь для закрепления своих знаний, предлагаю вам посмотреть очень интересное видео, в котором рассказывается, и показывается, как делаются лампы накаливания.
Принцип действия.
Принцип действия лампы накаливание основывается на нагревании материала. Ведь не зря нить накаливания имеет такое название. Если пропустить через лампочку электрический ток, то вольфрамовая нить накаляется до очень высокой температуры и начинает излучать световой поток.
Не расплавляется нить, потому что вольфрам имеет очень высокую температуру плавления, где-то 3200—3400 градусов Цельсия. А при работе лампы нить накаляется где-то до 2600—3000 градусов Цельсия.
Преимущества и недостатки ламп накаливания.
Основные преимущества:
Не высокая цена.
Небольшие габариты.
Легко переносят перепады напряжения в сети.
При включении мгновенно зажигается.
Для человеческого глаза практически незаметно мерцание при работе от источника переменного тока.
Можно использовать устройство для регулировки яркости.
Можно использовать как при низких, так и при высоких температурах окружающей среды.
Такие лампы можно выпускать практически на любое напряжение.
В своём составе не содержит опасных веществ, и поэтому не нуждается в специальной утилизации.
Для зажигания лампы не нужно никаких устройств запуска.
Может работать на переменном и на постоянном напряжении.
Работает очень тихо и не создаёт радиопомех.
И это далеко не полный список преимуществ.
Недостатки:
Имеет очень маленький срок службы.
Очень маленький КПД. Обычно он не превышает 5 процентов.
Световой поток и срок службы напрямую зависит от напряжения сети.
Корпус лампы при работе очень сильно нагревается. Поэтому такая лампа считается пожароопасной.
При разрыве нити колба может взорваться.
Очень хрупкая, и чувствительная к ударам.
В условиях вибрации очень быстро выходит со строя.
И в заключение статьи хотелось бы написать об одном удивительном факте. В США в одной из пожарных частей города Ливермор, есть лампа мощностью 60 ватт, которая светиться беспрерывно уже более 100 лет. Её зажгли ещё в 1901 году, а в 1972 году её занесли в Книгу рекордов Гинесса.
Секрет её долговечности в том, что она работает в глубоком недокале. Кстати, работу этой лампы беспрерывно фиксирует вебкамера. Так что кому интересно можете поискать прямую трансляцию в интернете.
На этом у меня всё. Если статья была вам полезной, то поделитесь неё со своими друзьями в социальных сетях и подписывайтесь на обновления. Пока.
С уважением Александр!
Несмотря на появление новых экономных источников света, традиционные электрические лампы накаливания не собираются уступать своих позиций. Основная причина востребованности этого осветительного прибора - доступная стоимость. Не каждый еще готов выложить несколько сотен рублей за энергосберегающий светильник.
Казалось бы, привычная «лампочка Ильича», но ведь именно она была на протяжении века единственным массовым электрическим прибором, выпуск которых был экономически выгодным. Применяются они и сейчас, практически ни одна квартира или производство не обходятся без светильника, рассчитанного на использование ламп накаливания. Несмотря на объективные недостатки.
Немного истории или где появилась первая лампочка
Своим появлением и распространением электрическая лампа накаливания обязана двум историческим личностям - Александру Лодыгину и Томасу Эдисону.
Первым придумал и просчитал возможность нагрева электрических проводников для получения света российский ученый Лодыгин. Именно он изобрел и сконструировал (в 1872 году) простейшую (на современный взгляд) лампочку накаливания, которая представляла из себя угольный электрод, помещенный в стеклянную колбу с безвоздушным пространством. Вакуум позволял предотвратить быстрое сгорание излучающего стержня.
Лодыгин впоследствии доказал целесообразность применения в конструкции вольфрама, отличающегося высокой температурой плавления. Благодаря этому вольфрамовая лампа обладала значительной излучающей способностью.
Эдисон смог разработать (1878 год) наиболее дешевую конструкцию, позволяющую получать свет, накаливая электрические проводники, помещенные в безвоздушное пространство. Кстати, в первых образцах нить накаливания была создана из японского бамбука. Вольфрамовая спираль накаливания нашла свое место в конструкции только с подачи Лодыгина.
Основная заслуга Эдисона в том, что им была изобретены и внедрены технологии дешевого массового производства, применяемые и по сей день (с незначительными изменениями).
Устройство лампы накаливания - конструктивные особенности
Конструкция лампы накаливания современного типа достаточно проста, и она не особо отличается от введенной в обращение еще Эдисоном. По крайней мере в части конструктивных особенностей отдельных элементов. У любой лампы накаливания в устройство входит:
- Тело накала. Интенсивность излучения лампы накаливания зависит от температуры разогрева источника света. Кстати, к вопросу, что такое накал. Это степень свечения разогретого предмета. Чем выше температура нагрева, тем интенсивней световой поток. Вольфрамовая проволока (спираль) появилась в конструкции именно благодаря способности выдерживать высокую степень нагрева. Все современные модификации комплектуются именно вольфрамовыми нитями. Мощность лампы накаливания напрямую зависят от сечения и длины тела накала.
- Стеклянная герметичная колба, позволяющая создать оптимальную атмосферу для нагрева спирали. Различные типы ламп накаливания отличаются тем, какой газ закачан в колбу. В стандартных моделях поддерживается вакуум, но существует множество модификаций, основанных на применении газов галогенной группы. Именно от свойств используемой смеси зависит спектр светового потока лампы накаливания.
- Подсоединение к электрической сети осуществляется с помощью металлического резьбового цоколя. Отечественные стандарты предполагают применение цоколей типа Е14/27/40. В США или Канаде работающая повсеместно лампа оборудована цоколем Е12/17/26/39. А вот в Британии получила распространение безрезьбовая конструкция с фиксаторами. Тип цоколя отличается диаметром и длиной, поэтому не стоит упускать этот момент при выборе лампы.
Как видите, все устроено достаточно просто. Именно поэтому создатель массовой лампочки (Эдисон) остановился на подобной конструкции.
Принцип работы лампы накаливания - почему она горит
Несколько слов о том, как работает лампа накаливания. Принцип действия основан на способности разогретого до определенных температур тела излучать волны в видимом диапазоне. Чтобы обеспечить видимость излучаемого спектра человеческим глазом, спираль необходимо разогреть до температуры, большей, чем 570 0 С. Такая температура нагрева считается минимально допустимой.
Под воздействием электрического тока вольфрамовая спираль накаливается до 2000-2800 градусов. Получаемый при этом спектр лампы накаливания соответствует цветовой температуре порядка 2000-320 К(Кельвины).
От того, насколько велика температура нагрева, зависят цвета видимого спектра излучения. Стандартные лампы накаливания 60 Вт светят желтоватым цветом, что несколько отличается от естественного освещения, но вполне приемлемо для человека.
Как видите, основной элемент, за счет которого функционирует лампа накаливания, это вольфрамовая спираль. Именно температура нагрева влияет на то, насколько ярко лампа будет светить. Все остальное, из чего состоит изделие, выполняет вспомогательную функцию, обеспечивают оптимальные условия для свечения и долговечность.
Цветовая температура ламп накаливания и другие характеристики
Среди основных характеристик лампы накаливания выделяют:
- Мощность - количество потребляемой при работе электроэнергии. Чаще всего в быту применяют устройства на 100 или 60 Вт. От данного показателя зависит область применения ламп. Для уличного освещения или прожекторов используют модификации на 1 кВт и более.
- Одна из главных характеристик лампы накаливания, световой поток, но на него мало кто обращает внимание. Эта величина измеряется в люменах (Лм) и определяет световую мощность в потоке, создаваемом светотехническим прибором. В зависимости от потребляемой мощности этот параметр варьируется в пределах 20-8400 Лм.
- Световая отдача - отношение светового потока к потребленной электроэнергии (Лм/Вт). От того, сколько требуется энергии для получения светового потока, зависит эффективность осветительного прибора. В обычной лампе накаливания четко прослеживается следующая тенденция - чем больше мощность изделия, тем больше показатель световой отдачи. Для лампы 25 Вт он составляет 8 Лм/Вт, а для 200 Вт уже 13 Лм/Вт. Как видите, рост практически двукратный.
Именно эти показатели определяют эффективность работы любой лампы накаливания (ЛН).
Классификация ламп накаливания
Некоторые отличия в конструкции позволяют выделить следующие основные типы ламп, применяемых в различных сферах.
- В быту чаще всего можно встретить лампы обычного назначения (ЛОН). Стандартное строение, средние характеристики. Основной плюс в лампе накаливания этого типа, это минимальная цена. Работают от сети 220 или 127 В, доступен большой выбор по мощности. Такой осветительный прибор можно увидеть и на различных фото периода середины прошлого столетия.
- Для прожекторов используют специальные модификации, отличающиеся длиной и плотностью намотки вольфрамовой спирали. Это позволяет обеспечить большую мощность и получаемый световой поток. В продаже можно без проблем найти изделия мощностью до 10 000 Вт, световой поток у них соответствующий.
- Зеркальные лампы отличаются нанесением на часть колбы светоотражающего слоя на основе алюминия. Это позволяет получить поток с различной КСС (кривой силы света). Производители предлагают приборы серий ЗК, ЗС и ЗШ (концентрированный, средний и широкий поток соответственно).
- Галогенные лампы характеризуются более высокой цветовой температурой. Это стало возможным благодаря замены вакуума в колбе на смесь газообразных галогенов. В зависимости от того, какие газы входят в состав смеси, отличаются и светотехнические характеристики приборов. Основным плюсом ламп этого типа можно считать то, что срок службы увеличен вдвое.
Преимущества и недостатки ламп накаливания
Как и любое другое светотехническое изделие, традиционная лампочка имеет свои плюсы и минусы. Чтобы понять, почему в последнее время идет компания по вытеснению ее с рынка, стоит проанализировать недостатки и преимущества этого осветительного прибора.
Плюсы:
- Доступная стоимость и несложная технология массового производства.
- Возможность выпуска изделий с небольшими габаритными размерами при значительной мощности.
- Отсутствие инертности при включении, именно такие лампы зажигаются моментально.
- Возможность эксплуатации в любых климатических условиях.
- Значительный ассортимент по мощности.
Минусы:
- Низкая эффективность, обусловленная высоким энергопотреблением. Не более 5-10% электроэнергии преобразуется в световое излучение.
- Высокая температура нагрева поверхности колбы, обуславливающая пожароопасность.
- Спектр излучения, существенно отличающийся от естественного света.
- Значительная яркость, способное нанести вред органам зрения.
- Средний срок службы накаливания не превышает 1 тысячи часов (для изделий в стандартном исполнении).
На рынке уже давно стали появляться осветительные приборы энергосберегающего класса, которым лампы накаливания не могут составить конкуренцию. Именно высокая потребляемая мощность привела к тому, что выгода от дешевизны производства уже не перекрывает ущерба от чрезмерных затрат электроэнергии. Кроме того, энергосберегающие лампы могут иметь различные параметры цветности, они обеспечивают благоприятный спектр излучения для разных условий. А самое главное, служат на порядок дольше.
Именно по этим причинам применение ламп накаливания уже ограничивается даже на законодательном уровне. Какую из ламп выбирать, решать вам. Но можно с уверенностью утверждать одно. Благодаря своей дешевизне, традиционные лампы накаливания будут востребованы еще не один десяток лет. Доступной по стоимости альтернативы на текущий момент не существует.
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 .
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.
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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).
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 .
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 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, диммеры (автоматические или ручные). 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.
Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.
| 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 |
| Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник | 100 % | 683 |
Ниже представлено приблизительное соотношение мощности и светового потока для обычных прозрачных ламп накаливания в форме "груши", популярных в России, цоколь E27, 220В.
Разновидности ламп накаливания
Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):
- Вакуумные (самые простые)
- Аргоновые (азот-аргоновые)
- Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых)
- Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых)
- Галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл)
- Галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счёт лучшего нагрева внутренней колбы)
- Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых)
- Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
- Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.
Преимущества и недостатки ламп накаливания
Преимущества:
- налаженность в массовом производстве
- малая стоимость
- небольшие размеры
- отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
- нечувствительность к ионизирующей радиации
- чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
- быстрый выход на рабочий режим
- невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
- отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
- возможность работы на любом роде тока
- нечувствительность к полярности напряжения
- возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
- отсутствие мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях).
- отсутствие гудения при работе на переменном токе
- непрерывный спектр излучения
- приятный и привычный в быту спектр
- устойчивость к электромагнитному импульсу
- возможность использования регуляторов яркости
- не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату
Недостатки:
Ограничения импорта, закупок и производства
В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные , светодиодные , индукционные и др.) лампы.
В России
По некоторым источникам в 1924 году между участниками картеля была достигнута договорённость об ограничении времени жизни ламп накаливания в 1000 часов. При этом все производители ламп, состоящие в картеле, были обязаны вести строгую техническую документацию по соблюдению мер, предотвращающих 1000-часовое превышение цикла жизни ламп.
Кроме того картелем были разработаны ныне действующие стандарты
Обеспечить комфорт и уют в доме невозможно без организации хорошего освещения. С такой целью наиболее часто сейчас используются лампы накаливания, которые можно применять в различных условиях сети (36 Вольт, 220 и 380).
Виды и характеристики
Лампа накаливания общего назначения (ЛОН) – это современное устройство, источник искусственного видимого светового излучения с низким КПД, но ярким свечением. Свое название она получила из-за наличия в корпусе специального тела накала, которое изготавливается из тугоплавких металлов или угольной нити. В зависимости от параметров этого тела определяется срок службы светильника, цена и прочие характеристики.
Фото – модель с вольфрамовой нитью
Несмотря на разные мнения, считается, что первым изобрел лампу ученый из Англии Деларю, но его принцип накаливания был далек от современных норм. После исследованиями занимались разные физики, впоследствии, Гебель презентовал первую лампу с угольной нитью (из бамбука), а после Лодыгин запатентовал первую модель из углеродной нити в вакуумной колбе.
В зависимости от конструктивных элементов и типа газа, защищающего нить накаливания, сейчас существую такие виды ламп:
- Аргоновые;
- Криптовые;
- Вакуумные;
- Ксенон-галогенные.
Вакуумные модели являются самыми простыми и привычными. Получили свою популярность из-за низкой стоимости, но вместе с этим они имеют наименьший срок службы. Стоит отметить их простоту замены, ремонту не поддаются. Конструкция имеет следующий вид:
Фото – конструкция вакуумных ламп
Здесь 1 – это, соответственно, вакуумная колба; 2 - вакуумная или наполненная специальным газом, емкость; 3 - нить; 4, 5 - контакты; 6 - крепежи для нити накаливания; 7 - стойка лампы; 8 - предохранитель; 9 - цоколь; 10 - стеклянная защита цоколя; 11 - цокольный контакт.
Аргоновые лампы ГОСТ 2239-79 по яркости очень отличаются вакуумных, но практически полностью повторяют их конструкцию. Они имеют больший срок годности, нежели привычные. Это обязано тем, что нить из вольфрама защищена колбой с нейтральным аргоном, который противостоит высоким температурам горения. Как результат, источник света более яркий и долговечный.
Фото – аргоновый ЛОН
Криптовую модель можно распознать по очень высокой световой температуре. Она светится ярким белым светом, поэтому иногда может вызывать боль в глазах. Высокий показатель яркости обеспечен криптоном – высоко-инертным газом, у которого высокая атомная масса. Его применение позволило значительно уменьшить вакуумную колбу, но при этом не терять яркость источника света.
Галогенные светильники накаливания получили большую популярность благодаря своей экономной работе. Современная энергосберегающая лампа поможет не только сократить расходы на оплату электрической энергии, но и уменьшить траты на покупку новых моделей для освещения. Производство такой модели осуществляется на специализированных заводах, как и утилизация. Предлагаем для сравнения изучить потребляемую мощность перечисленных выше аналогов:
- Вакуумные (обычные, без газа или с аргоном): 50 или 100 Вт;
- Галогеновые: 45-65 Вт;
- Ксеноновые, галогено-ксеноновые (комбинированные): 30 Вт.
Благодаря небольшому размеру, наиболее часто электрические ксеноновые и галогеновые осветители используют как автомобильные фары. У них высокое сопротивление и отличная долговечность.
Фото – ксенон
Классификация ламп производится не только исходя из наполняющего газа, а также, в зависимости от типов цоколей и назначения. Существуют такие виды:
- G4, GU4, GY4, и прочие. Галогеновые модели накаливания отличают патроны-штекеры;
- E5, E14, E17, E26, E40 – наиболее распространенные типы цоколей. В зависимости от номера, могут быть узкими и широкими, классифицируются по возрастанию. Первые люстры изготавливались именно под такие контактирующие части;
- G13, G24 производители используют эти обозначения для люминесцентных осветителей.
Фото – формы ламп и типы цоколей
Достоинства и недостатки
Сравнение отдельных видов светильников накаливания позволит выбрать наиболее подходящий вариант, исходя из того, какая нужна мощность и световая отдача. Но у всех перечисленных видов светильников есть общие достоинства и недостатки:
Плюсы:
- Доступная цена. Стоимость многих ламп находится в пределах 2 у. е.;
- Быстрое включение и выключение. Это наиболее значимый параметр в сравнении с энергосберегающими лампами с долгим включением;
- Маленькие размеры;
- Простая замена;
- Широкий выбор моделей. Сейчас есть декоративные светильники (свеча, ретро-завиток и другие), классические, матовые, зеркальные и прочие.
Минусы:
- Высокая потребляемая мощность;
- Негативное воздействие на глаза. В большинстве случаев от него поможет матовая или зеркальная поверхность колбы лампы накаливания;
- Низкая защита от перепадов напряжения. Для обеспечения нужного уровня используется блок защиты для лампы накаливания, он подбирается в зависимости от типа;
- Короткий эксплуатационный период;
- Очень низкий коэффициент полезного действия. Большая часть электрической энергии уходит не на освещение, а на нагрев колбы.
Параметры
Технические характеристики любой модели обязательно включают в себя: световой поток лампы накаливания, цвет свечения (или цветовая температура), мощность и срок службы. Сравним перечисленные типы:
Фото – цветовая температура
Из всех перечисленных типов только галогенки можно отнести к энергосберегающим моделям. Поэтому многие хозяева стремятся заменить все источники света в своем жилище на более рациональные, к примеру, на диодные. Соответствие светодиодных ламп накаливания, сравнительная таблица:
Для лучшего объяснения энергозатрат предлагаем изучить соотношение ватт к люменам. Например, лампа дневного света, с вольфрамовой нитью накаливания 100 Вт – люмен 1200, соответственно, 500 Вт – более 8000.
При этом, часто использующаяся в производственных и бытовых условиях, люминесцентная модель, имеет похожие характеристики на ксеноновую. Благодаря таким характеристикам есть возможность обеспечить плавное включение ламп накаливания. Для этого используется специальный прибор – диммер для ламп накаливания.
Такой регулятор можно собрать своими руками, если есть схема, подходящая под Вашу лампу. Сейчас большой популярностью пользуются аналоги обычных вариантов, но с зеркальным напылением – рефлекторная модель Philips, импортные Osram и другие. Купить фирменную лампу накаливания можно в специализированных фирменных магазинах.