Устройство и принцип работы ламп накаливания. Конструкция, преимущество и недостатки ламп накаливания

23.04.2019

Несмотря на активное наступление энергосберегающих лампочек, лампы накаливания так и остаются на сегодняшний день самым распространенным источником света. Принципиальная конструкция электрической лампы накаливания не меняется уже более 100 лет и состоит из цоколя, контактных проводников и стеклянной колбы, ограждающей тонкую спираль нити накала от воздействия окружающей среды. Принцип работы ламп накаливания основан на оптическом излучении, получаемом от разогретого до высокой температуры проводника, находящегося в инертной среде.

История

Первый электрический источник света – электрическая дуга была зажжена в 1802 г русским ученым В.В. Петровым. В качестве источника тока он использовал огромную аккумуляторную батарею из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, "вольтовой". Петров использовал пару угольных стержней, подключенных к разным полюсам гальванической батареи. При сближении концов стержней на близкое расстояние, происходил пробой воздушного промежутка электрическим разрядом, концы стержней при этом раскалялись добела, и между ними появилась огненная дуга. Использовать такую лампу было тяжело - угольные стержни сгорали быстро и неравномерно, а дуга выдавала слишком жаркий и яркий свет.

Александр Николаевич Лодыгин в 1872 году подал заявку, а затем получил патент (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство - лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал сначала в России, а затем также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В 1875 г лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге, который удостоился чести стать первым в мире магазином с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. Лампочки Лодыгина служили около двух месяцев, пока не сгорали угольки (в новой лампе Лодыгина таких угольков было четыре -когда один уголек перегорал, на его место заступал другой).

Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. «Свечи» Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть «la lumiere russe» - «русский свет».

Тем не менее изобретателем современной электрической лампочики называют Томаса Эдисона. 1 января 1880 г. в Менло-Парке (США) была проведена демонстрация электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном, на которой присутствовали три тысячи человек. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования: он добился значительно удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая.

Эдисоном был сконструирова всем известный резьбовой цоколь современных ламп, который назван в его честь. В наши дни от полного названия сохранилась только первая буква "E" в его обозначении. Кроме того, Эдисон предложил и систему производства и распределения электроэнергии для освещения.

Совершенствование лампы накаливания идет и по сей день. Вместо угля нити накала стали изготавливать из термостойких металлов - сначала из осмия и тантала, а затем и из вольфрама. Для снижения испарения и повышения прочности начиная с 1910-х годов, металлическую нить научились закручивать в одинарные и многократно повторяющиеся спирали. Для того, чтобы испарения металла не оседали на стекле колбы ее стали наполнять азотом или инертными газами.

Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с первоначальных 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до привычного теперь значения 1000 ч. Развитие теплового принципа получения света нашло применение в галогенных лампах накаливания.

Примечание. Почему светится раскаленный металл? Согласно квантовой теории, если электрону любым способом сообщить достаточную энергию, то он перейдет на более высокий энергетический уровень, a через 10 –13 с вернется в исходное основное состояние, испустив при этом фотон. Этим фактом обусловлено не только свечение раскаленного металла, но и «холодная» флюоресценция светляков, в которых электроны возбуждаются за счет энергии расщепления АТФ, а также свечение люминофоров, побывавших на солнце, испускающих зеленый свет в темноте.

Техническая информация

Световая отдача ламп накаливания относительно невысока. Она является самой низкой среди современных электрических ламп и лежит в интервале от 4 до 15 лм/Вт. Высокая яркость нити накала в сочетании с ее миниатюрными размерами позволяет использовать лампы накаливания в оптических системах и прожекторах. Лампы накаливания обладают широким диапазоном номинальных напряжений и мощностей. Этот вид ламп может работать в широком диапазоне температур окружающей среды, который ограничен лишь термостойкостью материалов, используемых при ее изготовлении (-100...+300°С). Световой поток ламп накаливания регулируется изменением рабочего напряжения, что может быть достигнуто светорегулятором (диммером) любой конструкции.

При этом недостатком является высокая рабочая температура и количество выделяемого при работе тепла. Лампы накаливания чувствительны к попаданию воды, поскольку из-за резкого охлаждения части стеклянной колбы произойдет ее разрушение, и потенциально пожароопасны из-за высокой рабочей температуры.

На сегодняшний день в мире отмечается устойчивая тенденция к снижению доли ламп накаливания в общем объеме осветительных приборов. В профессиональном секторе рынка светотехники развитых стран эта доля уже сегодня не превышает 10%, вытесняясь более экономичными галогенными и светодиодными осветительными устройствами.

В нынешнее время лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет такую конструкцию:

Герметичная стеклянная колба грушевидной формы. Из неё частично выкачан воздух или заменён инертным газом. Это сделано для того, чтобы вольфрамовая нить накала не сгорала.
Внутри колбы находится ножка, к которой прикреплены два электрода и несколько держателей из металла (молибдена), которые подпирают вольфрамовую нить, не давая ей провисать и разрываться под собственным весом во время нагрева.
Узкая часть грушевидной колбы закреплена в металлическом корпусе цоколя, имеющего спиральную резьбу для вкручивания в штепсельный патрон. Резьбовая часть является одним контактом, к нему припаян один электрод.
Второй электрод припаян к контакту на донышке цоколя. Он имеет вокруг себя кольцевую изоляцию от резьбового корпуса.

В зависимости от особенных условий эксплуатации некоторые конструктивные элементы могут отсутствовать (например, цоколь или держатели), быть видоизменёнными (например, цоколь), дополнены другими деталями (дополнительная колба). Но такие части, как нить, колба и электроды являются основными частями.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Свечение электрической лампы накаливания обусловлено разогревом вольфрамовой нити, через которую проходит электрический ток. Выбор в пользу вольфрама при изготовлении тела свечения был сделан по той причине, что из многих тугоплавких токопроводящих материалов, он наименее дорогой. Но иногда нить накала электроламп изготавливается из других металлов: осмия и рения.
Мощность лампы зависит от того, какого размера нить используется. То есть, зависит от длины и толщины проволоки. Так у лампы накаливания 100 вт нить будет иметь большую длину, чем у лампы накаливания 60вт.

Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы

Каждая деталь в электролампе имеет своё предназначение и выполняет свои функции:

Колба. Изготавливается из стекла, достаточно дешёвого материала, отвечающего основным требованиям:
– высокая прозрачность позволяет пропускать световую энергию и по минимуму поглощать её, избегая дополнительного нагревания (этот фактор имеет первостепенное значение для осветительных приборов);
– жаропрочность даёт возможность выдерживать высокие температуры вследствие нагревания от раскалённой нити (например, в лампе 100 вт колба нагревается до 290°С, 60 Вт — 200°С; 200 Вт — 330°С; 25 Вт - 100°C, 40 Вт - 145°C);
– твёрдость позволяет выдерживать внешнее давление при откачке воздуха, и не разрушаться при вкручивании.
Наполнение колбы. Сильно разрежённая среда позволяет минимизировать теплопередачу от раскалённой нити к деталям лампы, но усиливает испарение частиц раскалённого тела. Наполнение инертным газом (аргон, ксенон, азот, криптон) исключает сильное испарение вольфрама из спирали, не даёт возгораться нити и минимизирует теплопередачу. Использование галогенов позволяет испарившемуся вольфраму возвращаться обратно в спиральную нить.
Спираль. Изготавливается из вольфрама, выдерживающего 3400°С, рения – 3400°С, осмия — 3000°С. Иногда вместо спиральной нити, в лампе используется лента или тело другой формы. Используемая проволока имеет круглое сечение, для уменьшения габаритов и потерь энергии на теплоотдачу закручивается в двойную или тройную спираль.
Крючки-держатели изготавливаются из молибдена. Они не позволяют сильно провисать увеличившейся от нагрева во время работы спирали. Их количество зависит от длины проволоки, то есть от мощности лампы. Например, у лампы 100 Вт держателей будет 2 – 3 шт. У ламп накаливания мощностью поменьше держатели могут отсутствовать.
Цоколь изготавливается из металла с внешней резьбой. Он выполняет несколько функций:
— соединяет несколько деталей (колбу, электроды и центральный контакт);
— служит для крепления в штепсельном патроне с помощью резьбы;
— является одним контактом.

Существует несколько видов и форм цоколей в зависимости от предназначения осветительного прибора. Есть конструкции, не имеющие цоколя, но с неизменным принципом работы лампы накаливания. Самыми распространенными видами цоколя являются Е27, Е14 и Е40.

Вот некоторые виды цоколей, применяемые для различных типов ламп:

Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.

Кроме перечисленных конструктивных деталей, лампы накаливания могут иметь и некоторые дополнительные элементы: биметаллические переключатели, отражатели, цоколи без резьбы, различные напыления и др.

История создания и усовершенствования конструкции лампы накаливания

За свою более чем 100 – летнюю историю существования лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, принцип работы и основные конструкторские элементы почти не претерпели изменений.
А началось всё в 1840 году, когда была создана лампа, использующая для освещения принцип накаливания платиновой спирали.
1854 год – первая практичная лампа. Применялся сосуд с откачанным воздухом и бамбуковая обугленная нить.
1874 год – используется в качестве тела накала угольный стержень, помещённый в вакуумный сосуд.
1875 год – лампа с несколькими стержнями, которые раскаляются один за другим в случае сгорания предыдущего.
1876 год – использование каолиновой нити накала, которая не требовала откачки воздуха из сосуда.
1878 год – использование угольного волокна в разрежённой кислородной атмосфере. Это позволяло получать яркое освещение.
1880 год – создана лампа с угольным волокном, имеющая время свечения до 40 часов.
1890 год – использование спиральных нитей из тугоплавких металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия, металлического осмия, тантала) и наполнение колб азотом.
1904 год – выпуск ламп с вольфрамовой спиралью.
1909 год – наполнение колб аргоном.
С тех пор прошло более 100 лет. Принцип работы, материалы деталей, наполнение колбы практически не изменились. Эволюции подверглось лишь качество используемых материалов при производстве ламп, технические характеристики и небольшие дополнения.

Преимущества и недостатки ламп накаливания перед другими искусственными источниками света

Для освещения создана . Многие из них изобретены в последние 20 – 30 лет с применением высоких технологий, но обычная лампа накаливания всё равно имеет ряд преимуществ или совокупность характеристик, которые являются более оптимальными при практичном использовании:

Дешевизна при производстве.
Нечувствительность к перепадам напряжения.
Быстрое зажигание.
Отсутствие мерцания. Этот фактор очень актуален при использовании переменного тока частотой 50 гц.
Наличие возможности регулировки яркости источника света.
Постоянный спектр светового излучения, близкий к естественному.
Резкость теней, как при солнечном освещении. Что тоже является привычным для человека.
Возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур.
Возможность производства ламп различной мощности (от нескольких Вт до нескольких кВт) и рассчитанных на различное напряжение (от нескольких Вольт до нескольких кВ).
Несложная утилизация в виду отсутствия токсичных веществ.
Возможность использования любого вида тока с любой полярностью.
Эксплуатация без дополнительных пусковых устройств.
Бесшумность работы.
Не создаёт радиопомех.

Наряду с таким большим перечнем положительных факторов, лампы накаливания обладают и рядом существенных недостатков:

Главный отрицательный фактор – это очень низкий КПД. Он достигает у лампы мощностью 100 Вт лишь 15 %, у прибора 60 Вт этот показатель составляет только 5 %. Одним из способов повышения КПД является повышение температуры накала, но при этом резко уменьшается срок службы вольфрамовой спирали.
Короткий срок службы.
Высокая температура поверхности колбы, которая может достигать у 100-Ваттной лампы 300°С. Это представляет угрозу для жизни и здоровья живых существ, и представляет пожарную опасность.
Чувствительность к встряске и вибрации.
Использование термостойкой арматуры и изоляции токоподводящих проводов.
Высокое энергопотребление (в 5 -10 раз больше номинального) во время запуска.

Несмотря на наличие существенных недостатков, электрическая лампа накаливания является безальтернативным прибором освещения. Низкий КПД компенсируется дешевизной производства. Поэтому в ближайшие 10 – 20 лет она будет вполне востребованным товаром.

Лампа накаливания – первый электрический осветительный прибор, играющий важную роль в жизнедеятельности человека. Именно она позволяет людям заниматься своими делами независимо от времени суток.

По сравнению с остальными источниками света такое устройство характеризуется простотой конструкции. Световой поток излучается вольфрамовой нитью, расположенной внутри стеклянной колбы, полость которой заполнена глубоким вакуумом. В дальнейшем для увеличения долговечности вместо вакуума в колбу стали закачивать специальные газы - так появились галогеновые лампы. Вольфрам - термостойкий материал с большой температурой плавления. Это очень важно, поскольку для того, чтобы человек увидел свечение, нить должна сильно нагреться за счет проходящего через нее тока.

История создания

Интересно, что в первых лампах использовался не вольфрам, а ряд других материалов, включая бумагу, графит и бамбук. Поэтому, несмотря на то, что все лавры за изобретение и усовершенствование лампы накаливания принадлежат Эдисону и Лодыгину, приписывать все заслуги только им - неправильно.

Писать о неудачах отдельных ученых не станем, но приведем основные направления, к которым прилагали усилия мужи того времени:

Поиски лучшего материала для нити накаливания. Нужно было найти такой материал, который одновременно был устойчив к возгоранию и характеризовался высоким сопротивлением. Первая нить была создана из волокон бамбука, которые покрывались тончайшим слоем графита. Бамбук выступал в качестве изолятора, графит - токопроводящей среды. Поскольку слой был малым, то существенно возрастало сопротивление (что и требовалось). Все бы хорошо, но древесная основа угля приводила к быстрому воспламенению.
Далее исследователи задумались над тем, как создать условия строжайшего вакуума, ведь кислород - важный элемент для процесса горения.
После этого нужно было создать разъемные и контактные компоненты электрической цепи. Задача усложнялась из-за использования слоя графита, характеризующегося высоким сопротивлением, поэтому ученым пришлось использовать драгоценные металлы - платину и серебро. Так повышалась проводимость тока, но стоимость изделия была чересчур высока.
Примечательно, что резьба цоколя Эдисона используется и по сей день - маркировка E27. Первые способы создания контакта включали пайку, но при таком раскладе сегодня говорить о быстро заменяемых лампочках было бы сложно. А при сильном нагреве подобные соединения быстро бы распадались.

В наше время популярность подобных ламп падает в геометрической прогрессии. В 2003 году в России была увеличена амплитуда питающего напряжения на 5 %, к сегодняшнему дню этот параметр составляет уже 10 %. Это привело к сокращению срока эксплуатации лампы накаливания в 4 раза. С другой стороны, если вернуть напряжение на эквивалентное значение вниз, то существенно сократится отдача светового потока - до 40 %.

Вспомните учебный курс - еще в школе преподаватель физики ставил опыты, демонстрируя, как увеличивается свечение лампы при повышении силы тока, подающегося на вольфрамовую нить. Чем выше сила тока, тем сильнее выброс излучения и больше тепла.

Принцип действия

Принцип работы лампы построен на сильном нагреве нити накаливания за счет проходящего через нее электрического тока. Для того чтобы твердотельный материал начал излучать красное свечение, его температура должна достигнуть 570 град. Цельсия. Излучение будет приятным для глаз человека только при увеличении этого параметра в 3–4 раза.

Подобной тугоплавкостью характеризуются немногие материалы. За счет доступной ценовой политики выбор был сделан в пользу вольфрама, температура плавления которого составляет 3400 град. Цельсия. Чтобы повысить площадь светового излучения, вольфрамовая нить скручивается в спираль. В процессе эксплуатации она может нагреваться до 2800 град. Цельсия. Цветовая температура такого излучения равна 2000–3000 К, что дает желтоватый спектр - несопоставимый с дневным, но в то же время не оказывающий негативного воздействия на зрительные органы.

Попадая в воздушную среду, вольфрам быстро окисляется и разрушается. Как уже говорилось выше, вместо вакуума стеклянная колба может заполняться газами. Речь идет об инертных азоте, аргоне или криптоне. Это позволило не только повысить долговечность, но и увеличить силу свечения. На срок эксплуатации влияет то, что давление газа препятствует испарению вольфрамовой нити из-за высокой температуры свечения.

Строение

Обычная лампа состоит из следующих конструктивных элементов:

колба;
вакуум или инертный газ, закачиваемый внутрь нее;
нить накала;
электроды - выводы тока;
крючки, необходимые для удерживания нити накала;
ножка;
предохранитель;
цоколь, состоящий из корпуса, изолятора и контакта на донышке.

Помимо стандартных исполнений из проводника, стеклянного сосуда и выводов, существуют лампы специального назначения. В них вместо цоколя используются другие держатели или добавляется дополнительная колба.

Предохранитель обычно изготавливается из сплава феррита и никеля и помещается в разрыв на одном из выводов тока. Зачастую он расположен в ножке. Его основное предназначение - защита колбы от разрушения в случае обрыва нити. Связано это с тем, что в случае ее обрыва образуется электрическая дуга, приводящая к плавлению остатков проводника, которые попадают на стеклянную колбу. Из-за высокой температура она может взорваться и вызвать возгорание. Впрочем, долгие годы доказали низкую эффективность предохранителей, поэтому они стали эксплуатироваться реже.

Колба

Стеклянный сосуд используется для защиты нити накаливания от окисления и разрушения. Габаритные размеры колбы подбирают в зависимости от скорости осаждения материала, из которого производится проводник.

Газовая среда

Если раньше вакуумом заполнялись все без исключения лампы накаливания, то сегодня такой подход применяют лишь для маломощных источников света. Более мощные устройства заполняются инертным газом. Молярная масса газа влияет на излучение тепла нитью накаливания.

В колбу галогенных ламп закачиваются галогены. Вещество, которым покрыта нить накала, начинает испаряться и взаимодействовать с расположенными внутри сосуда галогенами. В результате реакции образуются соединения, которые повторно разлагаются и вещество вновь возвращается на поверхность нити. Благодаря этому появилась возможность повысить температуру проводника, увеличив коэффициент полезного действия и срок эксплуатации изделия. Также такой подход позволил сделать колбы более компактными. Недостаток конструкции связан с изначально малым сопротивлением проводника при подаче электрического тока.

Нить накала

По форме нить накаливания может быть разной - выбор в пользу той или иной связан со спецификой лампочки. Зачастую в них применяют нить с круглым сечением, закрученную в спираль, гораздо реже - ленточные проводники.

Современная лампа накаливания работает от нити из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава. Вместо обычных спиралей могут закручиваться биспирали и триспирали, что стало возможным за счет повторного закручивания. Последнее приводит к уменьшению теплового излучения и повышению КПД.

Технические характеристики

Интересно наблюдать за зависимостью световой энергии и мощности лампы. Изменения не линейны - до 75 Вт световая отдача увеличивается, при превышении - снижается.

Одно из преимуществ таких источников света – равномерное освещение, поскольку практически во всех направлениях свет излучается с одинаковой силой.

Еще одно достоинство связано с пульсированием света, которое при определенных значениях приводит к значительной утомляемости глаз. Нормальным значением считают коэффициент пульсации, не превышающий 10 %. Для ламп накаливания параметр максимум достигает 4 %. Самый худший показатель - у изделий мощностью 40 Вт.

Среди всех доступных электрических осветительных приборов лампы накаливания нагреваются сильнее. Большая часть тока преобразуется в тепловую энергию, поэтому прибор больше похож на обогреватель, чем на источник света. Световая отдача находится в диапазоне от 5 до 15 %. По этой причине в законодательстве прописаны определенные нормы, запрещающие, к примеру, использовать лампы накаливания более 100 Вт.

Обычно для освещения одной комнаты достаточно лампы на 60 Вт, которая характеризуется небольшим нагревом.

При рассмотрении спектра излучения и сравнении его с естественным освещением можно сделать два важных замечания: световой поток таких ламп содержит меньше синего и больше красного света. Тем не менее, результат считается приемлемым и не приводит к утомлению, как в случае с источниками дневного света.

Эксплуатационные параметры

При эксплуатации ламп накаливания важно учитывать условия их использования. Их можно применять в помещениях и на открытом воздухе при температуре не менее –60 и не более +50 град. Цельсия. При этом влажность воздуха не должна превышать 98 % (+20 град. Цельсия). Устройства могут работать в одной цепи с диммерами, предназначенными для регулирования световой отдачи за счет изменения интенсивности света. Это дешевые изделия, которые могут быть самостоятельно заменены даже неквалифицированным человеком.

Виды

Существует несколько критериев для классификации ламп накаливания, которые будут рассмотрены ниже.

В зависимости от эффективности освещения лампы накаливания бывают (от худших к лучшим):

вакуумные;
аргоновые или азот-аргоновые;
криптоновые;
ксеноновые или галогенные с установленным отражателем инфракрасного излучения внутрь лампы, что увеличивает КПД;
с покрытием, предназначенным для преобразования инфракрасного излучения в видимый спектр.

Намного больше разновидностей ламп накаливания, связанных с функциональным назначением и конструктивными особенностями:

Общее назначение - в 70-х гг. прошлого столетия они назывались «нормально-осветительными лампами». Самая распространенная и многочисленная категория - изделия, применяемые для общего и декоративного освещения. С 2008 года выпуск таких источников света существенно сократился, что было связано с принятием многочисленных законов.
Декоративное назначение. Колбы таких изделий выполняются в форме изящных фигур. Чаще всего встречаются свечеобразные стеклянные сосуды с диаметром до 35 мм и сферические (45 мм).
Местное назначение. По конструкции идентичны первой категории, но питаются от уменьшенного напряжения - 12/24/36/48 В. Обычно применяются в переносных светильниках и приборах, освещающих верстаки, станки и т. п.
Иллюминационные с окрашенными колбами. Зачастую мощность изделий не превышает 25 Вт, а для окрашивания внутренняя полость покрывается слоем неорганического пигмента. Гораздо реже можно встретить источники света, наружная часть которых окрашивается цветным лаком. В таком случае пигмент очень быстро выцветает и осыпается.

Зеркальные. Колба выполнена в специальной форме, которая покрыта отражающим слоем (к примеру, методом распыления алюминия). Данные изделия используются для перераспределения светового потока и повышения эффективности освещения.
Сигнальные. Их устанавливают в светосигнальные изделия, предназначенные для отображения какой-либо информации. Характеризуются низкой мощностью и рассчитаны на продолжительную эксплуатацию. На сегодняшний день практически бесполезны из-за доступности светодиодов.
Транспортные. Еще одна обширная категория ламп, используемых в транспортных средствах. Характеризуются высокой прочностью, устойчивостью к вибрациям. В них применяют специальные цоколи, гарантирующие прочное крепление и возможность быстрой замены в стесненных условиях. Могут питаться от 6 В.
Прожекторные. Высокомощные источники света до 10 кВт, характеризующиеся высокой световой отдачей. Спираль укладывается компактно, чтобы обеспечить лучшую фокусировку.
Лампы, применяемые в оптических приборах, - к примеру, кинопроекционная или медицинская техника.

Специальные лампы

Также существуют более специфические разновидности ламп накаливания:

Коммутаторные - подкатегория сигнальных ламп, применяемых в коммутаторных панелях и выполняющих функции индикаторов. Это узкие, продолговатые и малогабаритные изделия, имеющие параллельные контакты гладкого типа. За счет этого могут помещаться в кнопки. Маркируются как «КМ 6-50». Первое число указывает на вольтаж, второе - ампераж (мА).
Перекальная, или фотолампа. Данные изделия используются в фототехнике для нормированного форсированного режима. Характеризуется высокими световой отдачей и цветовой температурой, но малым сроком эксплуатации. Мощность советских ламп достигала 500 Вт. В большинстве случаев колба матируется. Сегодня практически не используются.
Проекционные. Применялись в диапроекторах. Высокая яркость.

Двухнитевая лампа бывает нескольких разновидностей:

Для автомобилей. Одна нить используется для ближнего, другая - для дальнего света. Если рассматривать лампы для задних фонарей, то нити могут использоваться для стоп-сигнала и габаритного огня соответственно. Дополнительный экран может отсекать лучи, которые в лампе ближнего света могут слепить водителей встречных автомобилей.
Для самолетов. В посадочной фаре одна нить может использоваться для малого света, другая - для большого, но требует внешнего охлаждения и непродолжительной эксплуатации.
Для железнодорожных светофоров. Две нити необходимы для повышения надежности - если перегорит одна, то будет светиться другая.

Продолжим рассматривать специальные лампы накаливания:

Лампа-фара - сложная конструкция для подвижных объектов. Используется в автомобильной и авиационной технике.
Малоинерционная. Содержат тонкую нить накаливания. Применялась в звукозаписывающих системах оптического типа и в некоторых видах фототелеграфа. В наше время используется редко, поскольку есть более современные и улучшенные источники света.
Нагревательная. Применяется в качестве источника тепла в лазерных принтерах и копирах. Лампа имеет цилиндрическую форму, закрепляется во вращающемся металлическом валу, к которому прикладывается бумага с тонером. Вал передает тепло, что приводит к расплыванию тонера.

КПД

Электрический ток в лампах накаливания преобразуется не только в видимый для глаза свет. Одна часть идет на излучение, другая трансформируется в тепло, третья - на инфракрасный свет, который не фиксируется зрительными органами. Если температура проводника составляет 3350 К, то КПД лампы накаливания составит 15 %. Обычная лампа на 60 Вт с температурой 2700 К характеризуется минимальным КПД - 5 %.

Коэффициент полезного действия усиливается степенью нагрева проводника. Но чем выше будет нагрев нити, тем меньше срок эксплуатации. К примеру, при температуре 2700 К лампочка просветит 1000 часов, 3400 К - в разы меньше. Если повысить напряжение питания на 20 %, то свечение усилится в два раза. Это нерационально, поскольку срок эксплуатации сократится на 95 %.

Плюсы и минусы

С одной стороны, лампы накаливания являются самыми доступными источниками света, с другой – характеризуются массой недостатков.

Преимущества:

низкая стоимость;
нет необходимости в применении дополнительных приспособлений;
простота использования;
комфортная цветовая температура;
устойчивость к повышенной влажности.

Недостатки:

недолговечность - 700–1000 часов при соблюдении всех правил и рекомендаций по эксплуатации;
слабая световая отдача - КПД от 5 до 15 %;
хрупкая стеклянная колба;
возможность взрыва при перегреве;
высокая пожарная опасность;
перепады напряжения существенно сокращают срок эксплуатации.

Как увеличить срок службы

Существует несколько причин, по которым может уменьшиться срок эксплуатации данных изделий:

перепады напряжения;
механические вибрации;
высокая температура окружающей среды;
разрыв соединения в проводке.

Выберите изделия, которые подходят для диапазона напряжения сети.
Перемещение осуществляйте строго в выключенном состоянии, поскольку из-за малейших вибраций изделие выйдет из строя.
Если лампы продолжают перегорать в одном и том же патроне, то его нужно заменить или починить.
При эксплуатации на лестничной площадке в электрическую цепь добавьте диод или включите параллельно две лампы одной мощности.
На разрыв цепи питания можно добавить устройство для плавного включения.

Технологии не стоят на месте, постоянно развиваются, поэтому сегодня на смену традиционным лампам накаливания пришли более экономичные и долговечные светодиодные, люминесцентные и энергосберегающие источники света. Главными причинами выпуска ламп накаливания остается наличие менее развитых с технологической точки зрения стран, а также хорошо налаженное производство.

Приобретать такие изделия сегодня можно в нескольких случаях - они хорошо вписываются в дизайн дома или квартиры, либо вам нравится мягкий и комфортный спектр их излучения. Технологически - это давно устаревшие изделия.

Несмотря на целый перечень недостатков, выявленных при сравнении с другими источниками искусственного света, лампы накаливания остаются востребованными и в бытовой сфере, и в промышленных отраслях.

Дешевые и простые в использовании приборы не хотят сдавать свои позиции, хотя на рынке появилось огромное количество более экономичных и «долгоиграющих» заменителей – например, ламп на светодиодах.

Еще до недавнего времени лампы накаливания (ЛН) использовались повсеместно, поэтому с их конструкционными особенностями знакомы многие. Причем иногда приходилось «знакомиться» по причине выхода источника света из строя: перегорала вольфрамовая нить, лопалось стекло или колба вылетала из цоколя.

Некоторые производители использовали более надежные и проверенные материалы и относились к выпуску лампочек накаливания настолько ответственно, что их продукция работает уже на протяжении нескольких десятилетий. Но это скорее исключение, чем правило – сегодня никаких гарантий на продолжительный срок эксплуатации не дается.

Схематическое изображение лампы с указанием основных деталей. Конструкция источника искусственного освещения с момента изобретения почти не изменилась, совершенствовались только материалы и состав газа, наполняющего колбу

Главный действующий элемент – так называемое тело накала, закрепленное на держателях и присоединенное к электродам. В момент подключения электроэнергии через него проходит напряжение, вызывающее одновременно нагрев и свечение. Чтобы излучение стало видимым, температура нагрева должна достигнуть 570°С.

Наиболее устойчивым к высокой температуре металлом признан вольфрам. Он начинает плавиться при нагреве до 3422°С. Чтобы максимально увеличить площадь излучения, но сократить объем тела накала внутри стеклянной колбы, его скручивают в спираль.

Привычный комфортный свет желтого оттенка, который создает уют в доме и по визуальной оценке является «теплым», возникает при нагреве нити до 2830-2850°С

Для защиты вольфрама от процесса окисления, характерного для металлов, из колбы откачивают воздух и заменяют его вакуумом или газом (криптоном, аргоном и пр.). Технология наполнения вакуумом устарела, для бытовых ламп чаще всего применяют смесь азота и аргона или криптон.

В результате тестирования была выявлена минимальная продолжительность горения лампы – 1 тысяча часов. Но, учитывая случайные причины, выводящие приборы из строя раньше времени, допускается, что нормативы распространяются лишь на 50% продукции из каждой партии. Время работы второй половины может быть больше или меньше – в зависимости от условий использования.

Виды и применение ЛН

Качественные характеристики и маркировка вольфрамовых лампочек регламентирована ГОСТ Р 52712-2007. По типу наполнения колбы приборы ЛН делятся на вакуумные и газополные разновидности.

Первые служат меньше из-за неизбежного испарения вольфрамовой нити. Вдобавок вольфрамовые испарения оседают на стеклянной оболочке вакуумного источника, что ощутимо снижает прозрачность и способность стекла пропускать свет. Выпускают их с моноспиралью, в номенклатурном обозначении им присвоена литера В.

В газополных приборах минимизированы недостатки вакуумных лампочек. Газ сокращает процесс испарения и препятствует оседанию вольфрама на стенках колбы. Газополные моноспиральные виды обозначены буквой Г, а лампочки с дважды навитой спиралью, т.е. биспиральные, маркируются буквой Б. Если биспиральная разновидность имеет номенклатуру БК, значит, в ее наполнении был использован криптон.

В галогенных лампочках ГЛН к наполнителю стеклянной колбы добавляют бром или йод, благодаря которым испаряющиеся атомы вольфрама после испарения возвращаются снова на нить накала. Галогенки выпускают в двух форматах: в виде кварцевых трубок с длинной спиралью или в капсульном варианте с компактным рабочим элементом.

В государственных стандартах деление на группы происходит по сфере применения, однако затрагиваются и другие характеристики. Предположим, на одном уровне рассматриваются «ЛН электрические миниатюрные» (ЛН мн) и «ЛН инфракрасные зеркальные» (ЗК — приборы с концентрированным светораспределением, ЗД — со средним) – как видите, для обозначения категорий выбраны разные критерии.

Существуют группы, которые можно отнести к наиболее востребованным:

общего назначения;
для транспортных средств;
прожекторные;
миниатюрные и пр.

Рассмотрим сферы применения и особенности различных категорий, которые в некоторых случаях могут между собой пересекаться.

Галерея изображений

Описание технических требований к каждой из перечисленных категорий можно найти в соответствующих разделах ГОСТ. Из-за особенностей конструкции и области применения маркировка устройств из различных групп отличается.

Особенности маркировки по применению

Лампу легче подобрать, если ориентироваться в условных обозначениях. Они отражают важные технические характеристики, возможную область использования, особенности конструкции и технологии изготовления.

Маркировка зарубежных производителей напоминает отечественную, но имеет свои особенности. Обычно она носится методом штамповки на цоколь и служит одним из способов отличия оригинального изделия от подделки

Вначале указаны буквы в количестве от 1 до 4, которые отражают характерные конструктивные особенности. Для более легкой расшифровки за основу взята первая буква основополагающего критерия, например, Г – газополная моноспиральная лампа, В – вакуумная моноспиральная, К – криптоновая и др.

Затем следует указание назначения:

Ж – железнодорожная;
А – автомобильная;
СМ – самолетная;
ПЖ – для прожекторов и др.

За буквам расположены цифры, обозначающие технические характеристики – напряжение (В) и мощность (ВТ). Маркировка ламп специального типа отличается: мощность не указана, зато можно определить ток, световой поток или силу света. Если в устройстве две спирали, то мощность для каждой из них указывается отдельно. Последняя цифра может обозначать номер разработки, если конструкция модифицировалась.

Основные технические характеристики

Самым главным параметром источников света с телом накала является мощность, определяемая в ваттах. Назначение ламп разнообразное, поэтому диапазон велик – от 0,1 Вт индикаторных «светлячков» до 23 тыс. Вт прожекторов для маяков. Компании General Electric и Osram выпускают мощные светильники для театральных и кинематографических постановок.

Прожекторные изделия отличаются не только значением мощности (до 24000Вт), но и световым потоком. Светодиодный прожектор способен выдать 400 000 люменов, тогда как специальная лампа накаливания – 800 000 люменов

В быту используют маломощные приборы, в основном, от 15 Вт до 150 Вт, а в промышленной сфере применяют лампы мощностью до 1500 Вт.

Качество светового потока и степень рассеивания регулируются материалом изготовления колбы. Максимальная светопередача характерна для ламп с прозрачным стеклом, тогда как два других типа поглощают часть света. Например, матовое стекло колбы крадет 3% светового потока, а белое – 20%.

Часто мощность бытовых ламп накаливания ограничена материалом светильников (абажуров, плафонов). Производители люстр и бра обычно указывают рекомендованные параметры – как правило, 40 Вт, реже 60 Вт.

Обычные электролампы сильно нагревают окружающие предметы в отличии, например, от светодиодных или маломощных галогенных, поэтому их нельзя использовать для монтажа в натяжные потолки

В 2011 году лампы накаливания официально признаны низко экономичными и пожароопасными, поэтому был принят закон о прекращении выпуска источников света 100 Вт. На очереди – закон о запрете устройств мощнее 50 Вт. Однако пользователь ничего не теряет, так как на современном рынке огромное количество более производительных и экономичных светодиодных и других аналогов.

Таблица, отражающая эффективность работы различных видов бытовых ламп. По указанным техническим характеристикам хорошо видно, как лампы накаливания проигрывают альтернативным вариантам по всем позициям

Сегодня многие отказываются от устаревшего вида ламп из-за большого потребления электроэнергии и короткого срока службы. Однако существуют категории людей, предпочитающие покупать дешевые и неэффективные источники – благодаря им производство лампочек накаливания продолжается.

Второй важный показатель, который обязательно нужно учитывать при покупке, — вид цоколя лампы накаливания, определяемый размером. У импортных и отечественных светодиодных ламп множество разновидностей цоколей, тогда как простые лампы ограничиваются тремя.

Если необходимо заменить лампочку в люстре или настольном светильнике, то обязательно обратите внимание на диаметр цоколя – Е14 или Е27. Приборы с цоколем Е40 в быту не применяют

Сейчас производителей обязывают упаковывать каждое изделие в отдельную коробочку, так что технические характеристики можно отыскать на ней. Обычно указывают мощность, класс энергоэффективности (низкий – Е), тип цоколя, прозрачность колбы, срок службы в часах.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Потребитель продолжает приобретать неэкономчные лампочки благодаря целому ряду плюсов, хотя некоторые из них весьма условны. По отзывам, их выбирают из-за следующих качеств:

невысокая стоимость;
отсутствие пускорегулирующего оборудования;
моментальное зажигание после включения;
привычный «домашний» свет;
отсутствие вредных веществ;
нет реакции на низкую температуру и электромагнитные импульсы.

Однако мало кто оценивает качество светового потока или пульсацию, все же для большинства решающим оказывается первый фактор.

Но недостатки гораздо весомее, так как среди них сравнительно низкая световая отдача, ограниченный срок службы, небольшой диапазон цветовой температуры (только желтый свет), зависимость от перепадов напряжения в сети, пожароопасность.

Если включить лампу накаливания мощностью 40 Вт, спустя полчаса она нагревается до +145-148°С и начинает нагревать окружающие предметы, что чревато случайным возгоранием

Сейчас существует возможность сравнить на практике работу ламп накаливания, газоразрядных и светодиодных аналогов. Каждый, кто заметил разницу в энергопотреблении, давно перешел на энергосберегающие устройства.

Как правильно выбрать лампочку

При покупке лампочки ориентируются в первую очередь на величину цоколя и мощность. Эти два параметра легко определить по старому, перегоревшему источнику света.

Если вы выберете устройство меньшей мощности, то световой поток будет слабее, если большей, то рискуете целостностью плафонов – они могут деформироваться из-за высокой температуры нагрева.

Специально для любителей традиционных лампочек выпускаются филаментные устройства на светодиодах, похожие по форме, но выгодно отличающиеся своими характеристиками

Кроме технических характеристик стоит обратить внимание на качество изготовления лампы. Предпочтение стоит отдать изделиям с широким контактом цоколя, пропаянным токопроводом, стабильно закрепленной нитью накала.

Выводы и полезное видео по теме

Еще больше познавательной и интересной информации о производстве, использовании и недостатках ламп накаливания – в видеороликах, снятых специалистами и любителями.

Интересные факты о лампах накаливания:

Как происходит производство ЛН:

Сравнительный обзор ламп разных видов:

Популярно о выборе ламп для дома:

Потребитель сам вправе выбрать лампочку для использования в быту. Однако не стоит гнаться за дешевизной и обманчивой выгодой. Учитывая, что освещением мы пользуемся постоянно, а лампочек в доме, как правило, более десятка, следует пересмотреть привычки. Многие пользователи давно уже перешли на более надежные, экономичные, безопасные светодиодные лампы.

Эта тема довольно обширна, поэтому, хочу сразу отметить, что в данной заметке рассмотрим вопрос пожароопасности ламп, применяемых в исключительно в быту.

Пожарная опасность патронов электрических ламп

В процессе эксплуатации патроны ламп изделия могут стать причиной пожара от короткого замыкания внутри патрона, от токов перегрузки, от большого переходного сопротивления в контактных частях.

От коротких замыканий могут в патронах ламп возможно замыкание между фазой и нулем. В этом случае причиной пожара является , сопровождающая короткие замыкания, а также перегрев контактных деталей из-за термического воздействия токов короткого замыкания.

Перегрузки патронов по току возможны при подключении лампочек с мощностью, которая превышает номинальную для данного патрона. Обычно загорания при перегрузках связаны также с повышенным падением напряжения в контактах.

Рост падения напряжения в контактах усиливается при увеличении переходного сопротивления контактов и тока нагрузки. Чем больше падение напряжения в контактах, тем больше их нагрев и тем больше вероятность воспламенения пластмассы или проводов, присоединяемых к контактам.

В отдельных случаях, возможно также возгорание изоляции питающих проводов и шнуров, в результате износа токопроводящих жил и старения изоляции.

Все описанное здесь также относится и к другим электроустановочным изделиям (розеткам, выключателям). Особенно пожароопасны электроустановочные изделия имеющие некачественную сборку либо определенные конструктивные недостатки, например, отсутствие механизмов мгновенного расцепления контактов у дешевых выключателей и т. д.

Но вернемся к рассмотрению вопроса пожароопасности источников света.

Основной причиной возникновения пожаров от любых электрических ламп является загорание материалов и конструкций от теплового воздействия ламп в условиях ограниченного теплоотвода. Это может произойти из-за установки лампы непосредственно к сгораемым материалам и конструкциям, закрывания ламп сгораемыми материалами, а также из-за конструктивных недостатков светильников или неправильного положения светильника – без съема тепла, предусмотренного требованиями согласно технической документации на светильник.

Пожарная опасность ламп накаливания

В лампах накаливания электрическая энергия переходит в энергию световую и тепловую, причем тепловая составляет большую долю общей энергии, в связи с чем колбы ламп накаливания очень прилично нагреваются и оказывают значительные тепловые воздействия на окружающие лампу предметы и материалы.

Нагрев при горении лампы распределяется по ее поверхности неравномерно. Так, для газонаполненной лампы мощностью 200 Вт температура стенки колбы по ее высоте при вертикальной подвеске при проведении измерений составила: на цоколе – 82 о С, на середине высоты колбы – 165 о С, в нижней части колбы – 85 о С.

Наличие воздушного промежутка между лампой и каким-либо предметом значительно ослабляет его нагрев. Если температура колбы на ее конце равна для лампы накаливания мощностью 100 Вт – 80 о С, то температура на расстоянии 2 см. от конца колбы составила уже 35 оС, на расстоянии 10 см – 22 о С, а на расстоянии 20 см – 20 о С.

Если колба лампы накаливания соприкасается с телами, обладающими малой тепропроводностью (тканью, бумагой, деревом и др.), в зоне касания в результате ухудшения теплоотвода возможен сильный перегрев. Так, например, у меня 100-ватная лампочка накаливания, обернутая хлопчатобумажной тканью, через 1 минуту после включения в горизонтальном положении нагрелась до 79 оС, через две минуты – до 103 оС, а через 5 минут – до 340 о С, после чего начала тлеть (а это вполне может стать причиной пожара).

Измерения температуры проводились с помощью термопары.

Приведу еще несколько цифр, полученных в результате измерений. Может быть кому-нибудь они покажутся полезными.

Так температура на колбе лампы накаливания мощностью 40 Вт (одна из самых распространенных мощностей ламп в домашних светильниках) составляет через 10 минут после включения лампы 113 градусов, через 30 мин. – 147 о С.

Лампа мощностью 75 Вт через 15 минут нагрелась уже до 250 градусов. Правда в дальнейшем, температура на колбе лампы стабилизируется и практически не изменяется (через 30 минут она составляла примерно все те же 250 градусов).

Лампочка накаливания мощностью 25 Вт нагревается до 100 градусов.

Самые серьезные температуры зафиксированы на колбе фото лампы мощностью 275 Вт. Уже через 2 минуты после включения температура достигла значения 485 градусов, а через 12 минут – 550 градусов.

При использовании галогенных ламп (по принципу действия они являются близкими родственниками ламп накаливания) вопрос их пожароопасности стоит также, если не более остро.

Особенно важно учитывать способность выделять тепло в больших размерах галогенными лампами при необходимости использовании их на деревянных поверхностях, что кстати случается довольно часто. В этом случае, целесообразно использовать низковольтные галогенные лампы (12 В) малой мощности. Так, уже при галогенной лампочке мощностью 20 Вт конструкции сделанные из сосны начинают усыхать, а материалы из ДСП выделять формальдегид. Лампочки мощностью большей чем 20 Вт ещё горячее, что чревато самовозгоранием.

Особое внимание при этом нужно обратить при выборе конструкции светильников для галогенных ламп. Современные качественные светильники сами по себе неплохо изолируют от тепла окружающие светильник материалы. Главное что бы светильник мог беспрепятственно это тепло терять и конструкция светильника, в целом, не представляла из себя термос для тепла.

Если же затронуть общепринятое мнение, что галогенные лампы со специальными рефлектрорами (например, так называемые, дихроичные лампы) практически не выделяют тепла, так это явное заблуждение. Дихроичный рефлектор действует, как зеркало для видимого света, но не пропускает большую часть инфракрасного (теплового) излучения. Все тепло возвращается назад на лампу. Поэтому дихроичных лампы меньше нагревают освещаемый объект (холодный пучок света), но при этом, они нагревают намного больше сам светильник, чем обычные галогенные лампы и лампы накаливания.

Пожарная опасность люминесцентных ламп

Насчет современных люминесцентных ламп (например, Т5 и Т2) и всех люминесцентных ламп с электронными ПРА сведений об их больших тепловых воздействиях, пока у меня нет. Рассмотрим возможные причины появления больших температур на люминесцентных лампах со стандартными электромагнитными ПРА. Несмотря на то, что такие ПРА в Европе уже практически полностью под запретом, у нас они еще очень и очень распространены и до их полной замены на электронные ПРА пройдет еще довольно много времени.

С точки зрения физического процесса получения света люминесцентные лампы более значительную часть электроэнергии превращают в видимый световое излучение, нежели лампы накаливания. Однако при определенных условиях, связанных с неисправностями пускорегулирующей аппаратуры люминесцентных ламп («залипание» стартера и др.), возможен их сильный нагрев (в отдельных случаях нагрев ламп возможен до 190 – 200 градусов, а – до 120).

Такие температуры на лампах являются следствием оплавления электродов. Причем, если электроды сместятся ближе к стеклу лампы, нагрев может быть еще более значительным (температура плавления электродов, в зависимости от их материал, составляет 1450 – 3300 о С). Что же касается возможной температуры на дросселе (100 – 120 о С), то она тоже является опасной, так как температура размягчения для заливочной массы по нормам – 105 оС.

Определенную пожарную опасность представляют стартеры: внутри них находятся легкосгораемые материалы (бумажный конденсатор, картонные прокладки и др.).

Требуют, чтобы максимальный перегрев опорных поверхностей светильников не превышал 50 градусов.

В целом, затронутая сегодня тема очень интересна и довольно обширна, поэтому в будущем мы обязательно к ней еще будем возвращаться.