Это интересненько! - Bonlus

Это интересненько!
Принцип действия
В лампе используется эффект нагревания проводника при протекании через него
электрического тока. Температура тела накала резко возрастает. Тело накала излучает
электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Для получения
видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч
градусов. При температуре 5770 K (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 производительности лампы и
получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала,
которая в свою очередь ограничена температурой плавления. Температура в 5771 К
недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится. 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 обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в
оксид. По этой причине нить накала помещена в колбу, из которой в процессе
изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными. 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
производительность и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной
1 / 10
Это интересненько!
лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у
вакуумной лампы.
Конструкция
Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако
общими являются нить накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей
конкретного типа лампы могут применяться держатели нити 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 даже предохранитель —
звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и
расположенное как правило, в ножке. Назначение предохранителя — предотвратить
разрушение колбы при обрыве нити накала Дело в том, что при этом в зоне разрыва
возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки нити, капли
расплавленного металла могут разрушить стекло колбы. 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.
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 N2 с аргоном Ar
являются наиболее распространёнными, также применяют чистый осушенный аргон,
реже — криптон Kr или ксенон Xe.
Галогенная лампа
Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их
особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой
лампе испарившийся с поверхности тела накала металл вступает в соединение с
галогенами, и затем возвращается на поверхность нити за счёт температурного
разложения получившегося соединения. Такие лампы имеют большую температуру
2 / 10
Это интересненько!
спирали, большую производительность и срок службы, меньший размер колбы и другие
преимущества.
Нить накала
Двойная спираль лампы мощностью 200 Вт
Двойная спираль (биспираль) лампы Osram 200 Вт с токовводами и держателями
(увеличено)
Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения
ламп. Наиболее распространённым является из проволоки круглого поперечного
сечения, однако находят применение и ленточные тела накала (из металлических
ленточек). Поэтому использование выражения «нить накала» нежелательно — более
правильным является термин «тело накала», включенный в состав Международного
светотехнического словаря.
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).
[править]
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
3 / 10
Это интересненько!
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.
[править]
Цоколь
Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом
Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения
наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40 (цифра обозначает
наружный диаметр в мм). Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в
патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — например,
байонетным) — британский бытовой стандарт, а также бесцокольные лампы, часто
применяемые в автомобилях.
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)[2]. Также,
аналогично Европе, встречаются цоколи без резьбы.
[править]
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
4 / 10
Это интересненько!
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.);
[править]
Специальные лампы
Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)
коммутаторные лампы — разновидность сигнальных ламп. Они служили индикаторами
на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с
гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались
5 / 10
Это интересненько!
варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первая
цифра означает рабочее напряжение в вольтах, вторая — силу тока в миллиамперах;
Фотолампа, перекальная лампа — разновидность лампы накаливания, предназначенная
для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По
сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу (до 30 лм/Вт), малый срок
службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру (3300-3400К, по сравнению с
2700К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют
матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления,
благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой
эффективности. В фотолабораториях обычно осуществлялось питание таких ламп в
двух режимах:
Пилотное освещение — напряжение снижено на 20-30 % с помощью ЛАТРа. При этом
лампа работает с недокалом и имеет низкую цветовую температуру.
Номинальное напряжение.[3]
Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и
соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно
нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для
ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света
отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.
Малоинерционная лампа накаливания, лампа накаливания с тонкой нитью —
использовалась в системах оптической записи звука методом модуляции яркости
источника и в некоторых экспериментальных моделях Фототелеграфа. Благодаря малой
толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения, модулированного сигналом
звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц), приводила к изменению яркости в
соответствии с мгновенным напряжением сигнала.[4] С начала XXI века не находят
применения благодаря наличию намного более долговечных твердотельных излучателей
света и намного менее инерционных излучателей других типов.
Нагревательные лампы — основной источник тепла в блоках термозакрепления
лазерных принтеров и копировальных аппаратов. Лампа цилиндрической формы
неподвижно устанавливается внутри вращающегося металлического вала, к которому
прижимается бумага с нанесенным тонером. За счет тепла, передающегося от вала,
тонер расплавляется и впрессовывается в структуру бумаги.
[править]
История изобретения
Лампа Лодыгина
Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна.
В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой
спиралью)[5].
В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания.
В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу: обугленную
бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что
многие называют первой практичной лампой.[6][7]
В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые
6 / 10
Это интересненько!
результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому,
что лампа Суона работала недолго и неэффективно.
11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент
за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный
стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.
В 1875 году В. Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, осуществив откачку
воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из
них, следующий включался автоматически).
В 1875-1876 годах, русский электротехник Павел Николаевич Яблочков, работая над
«электрической свечой», открыл что каолин который он использовал для изоляции углей
свечи – электропроводен при высокой температуре. После чего он создал «каолиновую
лампу», где «нить накала» была изготовлена из каолина. Особенностью данной лампы
было то, что она не требовала вакуума, и «нить накала» не перегорала на открытом
воздухе. Однако Яблочков считал, что лампы накаливания неперспективны, и не верил в
возможность их применения в широком масштабе. «Каолиновая лампа» была забыта, и
позже немецкий физик Вальтер Нернст создал аналогичную лампу, где «нить накала»
была изготовлена из магнезии. Лампа Нернста также не требовала вакуума,
особенностью «каолиновой лампы» и лампы Нернста является то что «нить накала»
надо разогреть до высокой температуры, чтобы лампа зажглась. В первых лампах «нить
накала» подогревалась спичкой, впоследствии стали использовать электрические
нагреватели.
Английский изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент
на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной
кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит
исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В
1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к
угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон
изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на столь непродолжительное
время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из
тугоплавких металлов[8]. Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама
(именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать
нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп
воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз[9].
Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии
производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные
лампы (с угольной нитью и заполнением азотом)[10].
С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория,
циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и
тантала (лампа Больтона и Фейерлейна) [11]
В 1904 году венгры Д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на
использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые
такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.[12]
В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. В
том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому
7 / 10
Это интересненько!
получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент
находит только ограниченное применение.
В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства
вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды
нитей.
Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена
американским учёным, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом
Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в
производство наполнение колбы ламп инертными, точнее — тяжёлыми благородными
газами (в частности — аргоном), что существенно увеличило время их работы и
повысило светоотдачу.[13]
[править]
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 K своего
максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K
(обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом
существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни
лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. Как
показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в
два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
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.
8 / 10
Это интересненько!
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.[14]
9 / 10
Это интересненько!
Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть
последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей
одной толстой.
10 / 10