Что такое лампа накаливания — строение, характеристики и виды

Что такое лампа накаливания

Лампа накаливания, далее ЛН — это источник искусственного света, в котором световой поток получают разогревом тонкой металлической нити до температуры свечения раскаленного металла. Для нагрева по нити пропускают электрический ток. Первые лампы имели нить из обугленного органического вещества, например, из бамбука, в виде волокна.

Чтобы нить быстро не сгорала, из колбы откачивали воздух и герметизировали. Или заполняли колбу газовым составом, в котором нет окислителя – кислорода. Такие газы называют инертными – аргон, неон, гелий, азот и пр. Эти газы названы так потому, что они не вступают в реакцию с металлами, т.е. инертны.

Первые лампы с угольной нитью накаливания имели рабочий ресурс не более десятка часов. Он был значительно увеличен после замены угольной нити на тонкую металлическую проволоку. Первым изобретателем лампы официально считается Томас Эдиссон.

Такой свет называли светом каления, т.е. светом раскаленного металла. А нить назвали нитью накаливания. Например сталь, нагретая до температуры 1200°C, светится желто-белым светом, а при 1300°C – практически белым.

В конце 19 века угольную нить, которая быстро перегорала, заменили тугоплавкими металлами – вольфрамом, молибденом, осмием или окисями металлов – циркония, магния, иттрия и др.

При большой мощности нити накаливания делают «разветвленной» формы. Проекционные источники света для создания направленного потока имеют нить сложной конфигурации, образуя плоскую конструкцию, перпендикулярную оси излучения. Внутри колбы при этом размещается отражатель света, например в виде тонкого слоя напыленного металла – серебра или алюминия.

Для питания лампы напрямую от существовавшей в то время электросети, имевшей постоянное напряжение 110 В нужна была длинная и тонкая металлическая нить. Это обеспечивало увеличенное сопротивление, а значит для разогрева требовался меньший ток.

Для плотной «упаковки» в небольшом объеме колбы из прозрачного стекла нить, многократно сгибая, размещали на проволочных держателях.

Такое изгибание нити усложнило конструкцию первых источников света, которые работали значительно дольше «угольных». Прорывным в разработке конструкции лампочек накаливания стало предложение скручивать нить в спираль. Это уменьшило ее размеры в разы.

Еще меньший размер тела накаливания получили, свернув тонкую спираль во вторую спираль, но большего диаметра. Двойную спираль назвали би-спиралью.

Следующим этапом развития источников света стал переход на сети переменного тока и применение трансформатора для снижения напряжения питания ламп.

Из чего состоит лампочка

К основным элементам строения лампы накаливания относятся:

• нить или тело накаливания;
• арматура для крепления нити;
• колба для защиты нити от быстрого сгорания и внешних воздействий;
• цоколь для установки в патрон и подключения к электросети;
• цокольные контакты – резьбовой корпус и центральный контакт в донышке цоколя.

Арматура предназначена для крепления нити и создания требуемой конфигурации и направленности светового потока.

Цоколь

На галогенных лампах накаливания, в зависимости от напряжения питания, мощности и конструкции колбы устанавливают несколько видов цоколей – резьбовые, штыревые, байонетные, штифтовые и др.

Система контактов на цоколях нужна для подключения к электросети или блоку питания.

Колба

Прозрачную колбу ЛН используют для:

• защиты нити от наружной атмосферы, содержащей окислитель – кислород;
• создания и удержания вакуума или газового состава;
• размещения люминофора и/или покрытий, преобразующих разные виды электромагнитной энергии в видимое излучение, возвращения тепла на нить накаливания, преобразования невидимых УФ- и ИК-излучений в свет, коррекции оттенка свечения лампы – красные, зеленые, синие.

Тело накаливания

Тело накаливания – это нить, свернутая в спираль или би-спираль либо тонкая металлическая ленточка.

Газовая среда

Инертные газы, которыми заполняют колбу лампы, например, азот, аргон, неон, гелий. В смеси инертных газов добавляют вещества-галогены.

Принцип работы ЛН

Устройство лампочки накаливания мало изменилось за время ее развития. Основным элементом, работающим на принципе свечения раскаленного вещества, является нить или тело накаливания. Это тонкая вольфрамовая проволочка диаметром 30-40, максимум 50 микрон или микрометров (миллионных частей метра).

Цвета каления начинаются с красного и при увеличении температуры проходят через оранжевый, желтый до белого. При дальнейшем увеличении температуры металл тела накаливания сначала плавится, а потом, при наличии кислорода, горит.

Видео-урок: Как Работают Современные Лампочки

Холодная вольфрамовая нить имеет малое удельное сопротивление. У вольфрама, как и большинства металлов, положительный температурный коэффициент сопротивления ТКС. Это значит, что в процессе разогрева нити электрическим током ее сопротивление увеличивается.

На разогрев нити требуются доли секунды. За это время ее сопротивление увеличивается. Первоначально большой ток, проходящий через лампу, по мере прогрева газа, колбы и всех конструктивных элементов снижается до номинального. Так источник света выходит на заданный режим и выдает паспортный световой поток. Оттенок свечения тоже становится номинальным, т.е. соответствующим цветовой температуре от 2000 до 3500 K. Он называется теплым белым и в указанном диапазоне имеет несколько градаций цветовой температуры с оригинальными названиями и аббревиатурами. Например:

• супер-теплый белый – 2200-2400 K, обозначается S-Warm или S-W, он же очень теплый белый или Warm 2400;
• теплый – 2600-2800 K или Warm 2700;
• белый теплый – 2700-3500 K или Warm White (WW);
• еще один теплый – 2900-3100 K или Warm 3000 (W).

Температура отдельных элементов лампы

Наружная поверхность колбы ЛОН зависит от мощности лампы и может нагреваться до 250-300℃ и более. Нить раскаляется до 2000-2800℃, при температуре плавления вольфрама 3410°C. В некоторых конструкциях нить изготавливают из осмия с температурой плавления 3045℃ или горения – 2174. Так спектр свечения ЛН смещается в красную зону видимого спектра.

Какой газ в колбе лампы

В первых лампах воздух из колбы выкачивали. Сейчас вакуумируют (выкачивают воздух) только лампочки малой мощности, не более 25 Вт.

При работе вольфрамовой проволочки, раскаленной до 2-3 тысяч градусов, с ее поверхности интенсивно испаряется металл. Его пары оседают на внутренней части колбы и уменьшают ее светопропускание.

Исследования, проведенные в начале прошлого века, показали, что если заполнить колбу инертным газом, то испарение уменьшится и повысится выход света. Поэтому колбы стали заполнять одним из инертных газов или их смесью. Чаще всего это аргон, азот, ксенон, криптон, гелий и пр. Гелий используют для эффективного пассивного охлаждения внутренних элементов светодиодных ламп-ретрофитов нового вида.

Их основной светоизлучающий элемент – тонкий стержень из искусственного сапфира или стекла, на котором расположены кристаллы светодиодов. Такой излучатель назван филаментом. Некоторые «эксперты» перепутали суть филаментных ламп и назвали их «лампами с сапфировыми излучателями света». Хотя искусственный сапфир в этих лампах используется только как монтажное основание и пассивный теплоотвод для светодиодных кристаллов.

Выход ЛН из строя в большинстве случаев связан не с испарением металла с поверхности тела накаливания, а с ускорением этого процесса в зонах нарушения толщины нити. Это происходит в зоне резкого перегиба проволочки или ее перелома. В этом месте ее сопротивление локально увеличивается, растут напряжение, рассеиваемая мощность и температура металла. Испарение ускоряется, становится лавинообразным, нить быстро уменьшает толщину и сгорает.

В состав инертного газа или смеси стали вводить галогены – хлор, бром, фтор или йод. В результате процесс испарения металла прекращается совсем или существенно замедляется. Атомы этих добавок связывают пары вольфрама, образуя молекулы нестойких соединений. Они оседают на поверхности тела накаливания. Под действием высокой температуры молекулы распадаются и выделяют атомы галогенов и чистый металл, который оседает на горячей поверхности нити и частично восстанавливает испарившийся слой.

Этот процесс интенсифицируют повышением давления. При этом увеличивается температура нити, срок службы, светоотдача, КПД и другие характеристики. Спектр излучения сдвигается в белую сторону. В газонаполненных лампах замедляется потемнение поверхности колбы изнутри от паров вольфрама. Такие источники света назвали галогенными.

Электротехнические параметры

К электротехническим характеристикам ламп накаливания относятся:

• электрическая мощность, измеряется в ваттах – Вт, диапазон выпускаемых моделей – от нескольких ватт (лампочка для фонарика – 1 Вт) до 500 и даже 1000 Вт;
• световой поток, Лм (люмен), связан с мощностью – от 20 Лм при 5 Вт до 2500 Лм при 200 Вт, при большей мощности поток света выше;
• световая отдача, энергоэффективность или КПД, Лм/Вт – сколько люменов света в виде светового потока дает каждый ватт мощности, потребленной из сети или от источника питания;
• сила света или яркость, кд (кандела);
• цветовая температура – температура условного черного тела, которое излучает свет с определенным оттенком.

Сфера применения

Электрические лампы можно разделить на несколько видов по применению – для общественного, технического и специального использования.

Основное общественное применение – обеспечивать любого человека, животных и птиц искусственным светом в темное время суток или в темном месте помещения.

Используя свет, люди на несколько часов продлевают свою суточную активность. Это могут быть рабочие и учебные процессы, домашние дела. Улучшается безопасность на дорогах, возможность оказывать в вечернее и ночное время медицинскую помощь и мн.др.

Лампы активно применяются на животноводческих фермах и птицефабриках, для выращивания растений в тепличных комплексах. Их подсвечивают светом определенного спектра и величины светового потока. Для разведения рыбы тоже нужен свет с особым спектральным составом.

Техническое назначение. В производстве для технологических целей используют устройства, дающие видимый и невидимый свет. Примеры:

• для точной и важной работы человеку требуется высокий уровень освещенности рабочего места;
• ИК – инфракрасное излучение используют в промышленности, например, для бесконтактного нагрева деталей конструкций или в климатической технике для обогрева человека, работающего на открытом морозном воздухе, в военной технике и охоте – ночные прицелы для оружия, приборы ночного видения и мн.др.;
• УФ-излучение применяют в стоматологии для быстрого отвердения пломб, при изготовлении зубных протезов и т.п., в медицине и санитарии – для дезинфекции помещений, инструмента, одежды, поверхностей мебели, воздуха, воды, лекарственных препаратов и пр.

Основные виды и характеристики

К основным видам ламп накаливания относятся:

1. Лампы общего назначения. Обозначают аббревиатурой ЛОН. Обычно это устройства с мощностью 25, 40, 60, 75 и 100 Вт. Самые распространенные – 60 Вт. Но промышленно выпускаются ЛОН мощностью 150, 200, 500 и даже 1000 Вт.
2. Галогенные лампы накаливания. Производят для работы от высоковольтной сети 220 или 110 В и от низковольтной. В этом случае они питаются от понижающего трансформатора.

Разновидности низковольтных галогенных ЛН:

• капсюльные, имеют вид полностью стеклянных трубок с разными цоколями – торцовыми штыревыми GY6,35 или G4;
• рефлекторные, имеющие светоотражающий элемент, диаметром от 35 до 111 мм, цоколь GZ10 с вариантами.

Высоковольтные. Основное напряжение 220-230 В, 50 Гц. У этих ламп вариантов исполнения больше:

• линейные в виде трубки из стекла с цоколями R7S;
• цилиндрические – цоколи E27, E14 или B15D;
• с вынесенной или дополнительной колбой.

В последней модели внутри лампы жестко смонтирована малогабаритная галогенная лампа-капсюль или трубка. Она приварена к центральному стержню обычной колбы ЛОН, имеет гибкие выводы, соединенные со стандартным цоколем Эдисона Е27 или Е14. При потреблении мощности 70-100 Вт она обеспечивает световой поток на 20-30% больше, чем обычная лампа накаливания.

Срок службы галогенных моделей составляет от 4-5 до 10-12 тыс. часов.

Разделение ламп по назначению и по конструкции

Декоративные лампы

В последние годы появились ретро-лампы, имитирующие старинные ЛН Эдисона.

Кроме того, они формой колбы имитируют «свечу», «свечу на ветру», «шишку», «грушу», «шар» и т.д.

Зеркальные

Зеркальные лампы имеют часть колбы, покрытую изнутри отражающим слоем. Чаще всего это напыление из металла – серебра, алюминия, золота и пр. Этот слой может быть тонким, полупрозрачным или толстым, непрозрачным.

Зеркальные конструкции используют в производстве для абсолютно чистого технологического нагрева, например, в полупроводниковом производстве с высочайшей чистотой материалов. В этом случае недостаток ламп накаливания – большой поток ИК-излучения – становится их непревзойденным достоинством.

Сигнальные

Сигнальные лампы – это мигающие источники света. Обычно в виде проблесковых маячков, например, на служебных автомобилях, на самолетах и вертолетах, для передачи световых сообщений на флоте и т.п. Имеют тонкую нить накаливания, обеспечивающую быстрый набор яркости.

Транспортные

Этот вид ламп предназначен для использования на разных видах транспорта – автомобилях, железной дороге и в метро, речных и морских судах. Главное требование к ним – стойкость к вибрациям и ударам. Для этого нить накаливания делают короткой и устанавливают на множестве поддерживающих элементов. Цоколи таких ламп – байонетные Свана, штифтовые или софитные. Они не дают устройству выкрутиться и выпасть из патрона.

Иллюминационные

Из названия понятно, что лампы используют для иллюминации. Поэтому их колбы изготавливают из стекла разных цветов – синего, зеленого, желтого, красного и т.д.

Двухнитевые

Схема такой лампы накаливания: в одной колбе две отдельные нити накаливания. Например, в автомобильной фаре двухнитевая лампа используется так:

• при подаче напряжения на одну нить включается ближний свет – поток света «прижат» к полотну дороги и луч распространяется на несколько десятков метров;
• после переключения на вторую нить свет поднимается и его дальность может достигать сотен метров, а поток будет значительно больше.

Такие лампы могут быть и в заднем фонаре. Первая нить – для габаритных огней, вторая – для стоп-сигнала.

В светофорах двухнитевые лампы повышают их надежность. Дублирование позволяет устройству работать или с одной нитью, или включать вторую, после того как первая перегорела. А, например, на железных дорогах надежность сигнализации – это гарантия безопасности перевозок.

Общего, местного назначения

Верхний ряд, слева направо – лампа с цоколем Е14 – для люстр, бра и малогабаритных светильников; с цоколем Е27 – общего назначения; зеленая, красная, желтая – иллюминационные.

Нижний ряд: синяя – медицинского назначения для процедур; зеркальная с отражателем – для фоторабот или специального освещения, с виолевым стеклом, две крайние – декоративные с колбой «свеча» и цоколями Е27 и Е14.

Рекоммендуем: Чем отличаются цоколи Е27 и Е14

Плюсы и минусы

Преимущества ламп накаливания:

• небольшая цена – простые и недорогие материалы, конструкция и технология отработаны десятилетиями, массовое автоматизированное производство;
• относительно небольшие размеры;
• броски напряжения в сети не вызывают немедленный выход из строя;
• запуск в работу, как и перезапуск – мгновенный;
• при питании переменным током частотой 50-60 Гц пульсации яркости малозаметны;
• яркость свечения регулируется диммерами;
• спектр излучения сплошной и привычный глазу – сходен с солнечным;
• практически полная повторяемость характеристик ламп у разных производителей;
• индекс цветопередачи Ra или CRI – качество воспроизведения оттенков цвета освещаемых предметов – равен 100, что полностью соответствует показателю солнца;
• небольшие размеры компактной нити накаливания дают четкие тени;
• высокая надежность в условиях сильного мороза и жары;
• конструкция позволяет массово изготавливать модели с рабочим напряжением от долей до сотен вольт;
• питание от переменного или постоянного напряжения при отсутствии устройств пуска;
• активный характер сопротивления нити накаливания обеспечивает коэффициент мощности (косинус φ) равный 1;
• безразличны к радиации, электромагнитному импульсу, помехам;
• практически отсутствует УФ-составляющая в излучении;
• обеспечена штатная работа с частыми включениями/выключениями света и мн.др.

К недостаткам можно отнести:

• номинальный срок службы ЛОН – 1000 часов, у галогенных ламп накаливания – от 3 до 5-6 тыс., у люминесцентных – до 10-50 тыс., у светодиодных – 30-150 тыс. часов и более;
• стекло колбы и тонкая нить чувствительны к ударам, при вибрации возможны резонансы на некоторых частотах;
• высокая зависимость энергоэффективности и срока службы от напряжения питания;
• КПД преобразования электроэнергии в видимый свет не превышает 3-4%, но растет с увеличением мощности;
• температура поверхности колбы зависит от мощности и составляет: для 100 Вт – 290°C, для 200 Вт – 330°C, 25 Вт – 100°C;
• при включении скачок тока до прогрева нити может быть в десять раз выше номинала;
• патроны и арматура светильников должны быть теплостойкими.

Как увеличить срок службы лампы

Способов увеличения срока службы много. Наиболее используемые:

• ограничение пускового тока включением терморезистора последовательно с лампой, большое сопротивление которого уменьшается по мере прогрева его пусковым током;
• плавный пуск с ручной регулировкой яркости тиристорным или симисторным диммером;
• питание лампы через мощный выпрямительный диод, т.е. выпрямленным напряжением половинок синусоиды;
• последовательное соединение ламп парами в многоламповых светильниках, например, в люстрах.

Современной промышленностью выпускается большое количество разных видов ламп накаливания с большим диапазоном рабочих напряжений и мощностей, с разными оттенками свечения, конфигурациями колб и цоколей. Такой ассортимент позволяет выбрать необходимую лампу для любого использования.