Несмотря на развитие энергосберегающей техники, лампы накаливания до сих пор держат лидерство на рынке осветительных приборов.

Как выглядит лампа накаливания

Принцип действия

Действие лампы заключается в существенном нагревании электрическим током нити накала. Чтобы твердое тело начало светиться красным излучением, его температуру надо увеличить до 570 0 С. Оно становится комфортным для глаз при 4-5 кратном увеличении температуры.

Из всех металлов самым тугоплавким является вольфрам (3400 0 С), поэтому в качестве нити накала применяют проволоку из него. Для увеличения площади излучения ее свертывают в спираль, которая в лампе накаливания нагревается до 2000-2800 0 С. При этом цветовая температура составляет 2000-3000К, создавая желтоватый спектр. Он более энергозатратный и тусклый, чем дневной, но комфортный для глаз.

Еще в школьном учебнике приводится эксперимент с увеличением свечения лампы в зависимости от силы электрического тока. По мере его роста происходит выброс излучения и тепла.

В воздушной среде вольфрамовая нить быстро окисляется и разрушается под действием высокой температуры. Раньше в стеклянной колбе создавали вакуум, а сейчас чаще всего применяют инертный газ: азот, аргон, криптон. При этом сила свечения увеличивается. Кроме того, давление газа препятствует испарению вольфрама от температуры свечения.

Строение

Несмотря на видимую простоту изготовления, лампа состоит из 11 элементов. При этом в конструкции применяются 7 различных металлов. Важнейшим элементом является нить накала. Она может быть разных видов: круглой, иметь форму одной или нескольких лент. В связи с разнообразием элементов, где световая энергия получается из электрической, их принято называть телами накала. Колбы в большинстве случаев бывают круглыми или грушевидными, но могут быть других форм.

Виды ламп накаливания

На рисунке ниже изображена конструкция лампы. Внутри располагаются электроды (6), спираль (2) (вольфрам) и крючки (3) (молибден). Цоколи (9) из оцинкованной стали изготавливают в основном резьбовыми еще со времен Эдисона. Диаметры их могут различаться: Е 14 , Е 27 , Е 40 – по величине наружного диаметра. Цоколь также соединяют с патроном посредством штырьков или штифтов. Его тип определяется по маркировке, выбитой на наружной поверхности.

Устройство лампы накаливания

Параметры

• электрические;
• технические (интенсивность и спектральный состав светового потока);
• эксплуатационные (условия применения, размеры, отдача света, срок эксплуатации).

Мощность

Основные характеристики наносятся в виде маркировки. В их число входит мощность, по которой выбирают лампу (60 Вт – наиболее востребованы). Здесь более важна световая характеристика. В таблице приведены характеристики бытовых ламп, из которых следует, что световая энергия от одной лампы интенсивней, чем от нескольких, с той же суммарной мощностью. При этом она обходится дешевле.

Характеристики ламп

Световая энергия расходуется больше на лампах меньшей мощности. Поэтому сэкономить электроэнергию таким образом не получится.

Технические характеристики

Световая энергия от мощности лампы накаливания зависит нелинейно. Отдача света растет с ее повышением, а после 75 Вт начинает снижаться.

Преимуществом ламп накаливания является равномерность освещения. Сила света у них практически одна и та же во все стороны.

Пульсирование света негативно сказывается на утомляемости глаз. Нормальным считается коэффициент пульсации не более 10 % во время занятий мелкой работой. У ламп накаливания он не превышает 4 %, и худший показатель наблюдается у лампы на 40 Вт.

Лампы накаливания нагреваются больше всех остальных. По расходу мощности она больше является обогревателем помещения, а не прибором освещения. Отдача света происходит всего на 5-15 %. С целью экономии электроэнергии использование ламп накаливания на 100 Вт и более запрещено. Лампа на 60 Вт греется не очень сильно, а освещения бывает достаточно на одну комнату.

Если оценивать спектр излучения, то по сравнению с дневным светом в лампах накаливания недостаточно синего света и избыток красного. Но он считается приемлемым, поскольку меньше утомляет глаза по сравнению с лампами дневного света.

Эксплуатационные параметры

Для ламп важны условия, где они применяются. Их можно эксплуатировать в температурном интервале от -60 0 С до +50 0 С, влажности не более 98 % при 20 0 С и давлении не менее 0,75∙10 5 Па. Для них не нужны дополнительные устройства за исключением диммеров , которым плавно регулируется отдача света. Лампы дешевы и не требуют никакой квалификации при замене.

К недостаткам относятся: самая низкая надежность, сильный нагрев и низкий КПД.

Виды ламп накаливания

Хотя энергосберегающие источники света обладают лучшими показателями, лампы накаливания остаются на первом месте. Особенно это относится к применению в быту.

Лампы общего назначения (ЛОН)

ЛОН широко применяются, несмотря на то, что только 5 % энергии остается на освещение, а остальная – выделяется в виде тепла. ЛОН предназначены для бытовых нужд, предприятий, административных зданий и внешних светильников. Они подразделяются на стабильное напряжение 220 В и повышенное – до 250 В. Продолжительность горения у ламп небольшая и составляет около 1000 часов.

Первой буквой маркировки обозначается основная особенность, например, В – вакуумная, Б – биспиральная, Г – моноспиральная.

• Г 235-245-60-П (моноспиральная, диапазон напряжения 235-245 В, мощность 60 Вт, для подсобных помещений);
• В 230-240-60 (вакуумная, на 230-240 В, 60 Вт).

Лампы имеют значительную мощность. Ограничение по верхнему пределу 100 Вт к ним не относится. Лампы служат для направленного освещения на дальние расстояния: для прожекторов общего назначения, кинопроекционные и маячные. Тело накала у них имеет компактное расположение, чтобы улучшить фокусировку. Она обеспечивается также специальной конструкцией цоколей или за счет наличия дополнительных линз.

Как выглядят прожекторные лампы

Зеркальные лампы

Особенностью является специальная конструкция колбы и наличие светоотражающего экрана из алюминия. Чтобы придать свету мягкость и уменьшить контрастность, светопроводящий участок сделан матовым. Светораспределение бывает концентрированным (ЗК), средним (ЗС) и широким (ЗШ). Состав стекла некоторых зеркальных ламп меняют, добавляя в него окись неодима. Это делает их ярче и сдвигает цветовую температуру в сторону белого света.

Как выглядит зеркальная лампа

Лампы применяются для освещения сцен, витрин, промышленных комплексов, медицинских кабинетов и многого другого.

Галогенные лампы

Особенностью лампы является наличие в колбе галогенных соединений. При взаимодействии с ними испарившиеся молекулы вольфрама осаждаются обратно на спираль, что позволяет создавать повышенную температуру ее нагрева и в 2 раза увеличивать срок службы ламп.

Галогенная лампа со штырьковым цоколем

Выбирая лампу, нужно знать ее особенности, обычно указанные на маркировке, а также цель применения.

Как включать лампы накаливания

Несмотря на то, что для ламп накаливания не требуются никакие пусковые устройства, есть правила их подключения, которые следует выполнять. Прежде всего, к цоколю подключается нулевой провод, а через выключатель проходит фазный. При выполнении этих правил случайное прикосновение к цоколю не вызовет удара током.

Чтобы подать напряжение на все лампы с помощью одного выключателя, их следует подключить параллельно.

Схемы подключения ламп

В схемах подключение светильников производится параллельно. Обычно в помещение делается общий с розетками ввод, но выключатель связан только с лампами. Источники могут переключаться одновременно (рис. в) или раздельно (рис. б). В люстрах лампы могут объединяться в группы от одного переключателя. На рис. г показана схема ее работы, где 3 положения переключателя обеспечивают все схемы возможных состояний двух ламп.

Для длинных коридоров применяют 2 проходных выключателя, через которые можно независимо работать с лампой из разных мест (рис. д). Особенно это удобно для переключений наружных светильников из дома. При нажатии на один из них одна или несколько ламп загораются или гаснут. Для такой схемы требуется большее количество проводов.

Способы совершенствования ламп

Лампы накаливания развиваются в тех же направлениях, что и остальные источники света: повышение КПД, снижение энергозатрат и безопасное применение. Для этого подбирается определенная газовая среда, применяются галогенные и квацево-галогенные лампы, улучшаются технические характеристики. Многих вполне устраивает мягкий и теплый свет лампы накаливания.

Применение углеродных нанотрубок в качестве тела накаливания позволило в 2 раза увеличить светоотдачу по сравнению с вольфрамом. Стабильные параметры ламп сохраняются в течение 3000 часов. Пониженное напряжение питания делает ее более безопасной.

Как увеличить срок службы

Причины быстрого перегорания ламп следующие:

• нестабильность источника питания;
• механические сотрясения;
• температура воздуха;
• нарушение соединений в проводке.

С течением времени нить накала испаряется, сопротивление лампы увеличивается, и она перегорает. Кроме того, сопротивление обычной холодной и горячей лампы на 60-100 Вт меняется в 10 раз. Сопротивление холодной спирали в лампе на 60 Вт составляет 61,5 Ом, а горячей – 815 Ом. Чем ярче свет и чаще включение, тем процесс происходит интенсивней. При этом опасность выхода из строя возрастает к концу периода службы. В связи с этим требуется подобрать подходящее напряжение для нормальной светоотдачи и достаточного срока эксплуатации.

Способы обеспечения долговечности ламп накаливания:

1. При покупке выбрать подходящий диапазон напряжений.
2. Переноски перемещаются в выключенном состоянии, поскольку малейшее сотрясение приводит к перегоранию работающей лампы.
3. Если лампочка быстро выходит из строя в одном и том же патроне, его следует отремонтировать или заменить.
4. На лестничной площадке в цепь питания устанавливают диод или включают две одинаковые лампы.
5. В разрыв цепи питания устанавливается устройство плавного включения.

Энергосбережение. Видео

Научиться энергосбережению в домашнем освещении можно, просмотрев видео ниже.

При правильном выборе и способе эксплуатации лампы накаливания могут быть экономичными и долго служить. Их небольшая стоимость, комфортное освещение и простота пользования до сих пор позволяют занимать первое место среди разных источников света.

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:

1. 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.
2. Далее исследователи задумались над тем, как создать условия строжайшего вакуума, ведь кислород - важный элемент для процесса горения.
3. 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.
4. 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:

1. 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.
2. 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).
3. 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.
4. 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.

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Прожекторные. Высокомощные источники света до 10 кВт, характеризующиеся высокой световой отдачей. Спираль укладывается компактно, чтобы обеспечить лучшую фокусировку.
5. Лампы, применяемые в оптических приборах, - к примеру, кинопроекционная или медицинская техника.

Специальные лампы

Также существуют более специфические разновидности ламп накаливания:

1. 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).
2. 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.
3. Проекционные. Применялись в диапроекторах. Высокая яркость.

Двухнитевая лампа бывает нескольких разновидностей:

1. 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.
2. Для самолетов. В посадочной фаре одна нить может использоваться для малого света, другая - для большого, но требует внешнего охлаждения и непродолжительной эксплуатации.
3. Для железнодорожных светофоров. Две нити необходимы для повышения надежности - если перегорит одна, то будет светиться другая.

Продолжим рассматривать специальные лампы накаливания:

1. Лампа-фара - сложная конструкция для подвижных объектов. Используется в автомобильной и авиационной технике.
2. 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.
3. 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.

1. Выберите изделия, которые подходят для диапазона напряжения сети.
2. Перемещение осуществляйте строго в выключенном состоянии, поскольку из-за малейших вибраций изделие выйдет из строя.
3. Если лампы продолжают перегорать в одном и том же патроне, то его нужно заменить или починить.
4. При эксплуатации на лестничной площадке в электрическую цепь добавьте диод или включите параллельно две лампы одной мощности.
5. 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.

Что такое лампа накаливания? Электрическая лампа накаливания это источник света, являющийся очень важным предметом в жизни человека. С помощью нее миллионы людей могут заниматься делами независимо от времени суток. В то же время прибор очень прост в исполнении: свет испускается специальной нитью накала внутри стеклянного сосуда, из которого откачан воздух, а в ряде случаев заменен на специальный газ. Нить накала выполнена из проводника с высокой температурой плавления, что делает возможным нагрев с помощью тока до видимого свечения.

Лампа накаливания общего назначения (230 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, габаритная высота ок. 110 мм

Как работает лампа накаливания

Метод работы данного устройства так же прост, как и исполнение. Под воздействием электричества, пропускаемого сквозь тугоплавкий проводник, последний разогревается до большой температуры. Температура нагрева определяется подводимым к лампочке напряжением.

Следуя закону Планка нагретый проводник генерирует электромагнитное излучение. По формуле при смене температуры меняется и максимум излучения. Чем больше нагрев, тем короче длина волны испускаемого света. Другими словами, от величины температуры проводника накала в лампочке зависит цвет свечения. Длина волны видного спектра достигается при нескольких тысячах градусов по Кельвину. К слову, температура Солнца около 5000 Кельвин. Лампа с такой цветовой температурой будет светить дневным нейтральным светом. При уменьшении нагрева проводника излучение станет желтеть, затем краснеть.

В лампочке только доля энергии переходит в видный свет, остальная же преобразуется в тепло. Причем только часть светового излучения видна человеку, остальное же излучение является инфракрасным. Отсюда возникает потребность повышения температуры излучающего проводника, чтобы видимого света стало больше, а инфракрасного излучения – меньше (другими словами, увеличение КПД лампы накаливания). Но максимальная температура проводника накаливания ограничена характеристиками проводника, что не позволяет разогреть ее до 5770 Кельвин.

Проводник из любого вещества при этом будет расплавляться, деформироваться или перестанет проводить ток. В настоящее время лампочки оснащаются вольфрамовыми нитями накаливания, выдерживающими 3410 градусов по Цельсию.
Одним из главных свойств лампы накаливания является температура свечения. Чаще всего она составляет от 2200 до 3000 Кельвин, что позволяет испускать только желтый свет, а не дневной белый.
Следует заметить, что на воздухе проводник из вольфрама при такой температуре сразу перейдет в оксид, во избежание чего нужно предотвратить контакт с кислородом. Для этого из колбы лампочки выкачивается воздух, чего хватает для создания 25-ваттных ламп. Более мощные лампочки содержат внутри себя инертный газ под давлением, что позволяет вольфраму служить дольше. Данная технология позволяет немного повысить температуру свечения лампы и приблизиться к дневному свету.

Устройство лампочки накаливания

Электрические лампочки немного различаются по конструкции, но к основным составляющим относятся нить излучающего проводника, стеклянный сосуд и выводы. У ламп специального назначения может не иметься цоколь, присутствовать иные держатели излучающего проводника, еще одна колба. В некоторых лампах накаливания также имеется предохранитель из ферроникеля, стоящий в разрыве одного из выводов.

Размещается предохранитель преимущественно в ножке. Благодаря ему колба не разрушается при обрыве излучающего проводника. При обрыве нити лампы появляется электрическая дуга, плавящая останки проводника. Расплавленное вещество проводника, попадая на стеклянную колбу, способно ее разрушить и спровоцировать возгорание. Предохранитель же разрушается от большого тока электрической дуги и прекращает плавление нити накала. Но ставить такие предохранители не стали ввиду малой эффективности.

Конструкция лампы накаливания: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.

Колба

Стеклянная колба лампы накаливания защищает излучающий проводник от окисления и разрушения. Размер колбы зависит от скорости осаждения материала проводника.

Газовая среда

Первые электрические лампочки выпускались с вакуумной колбой, в наше время так изготовлены только маломощные приборы. Лампы помощнее выпускаются наполненными инертным газом. От величины газовой молярной массы зависит излучение тепла проводником накаливания. Чаще всего в колбах находится смесь газов аргона и азота, но может быть и просто аргон, а также криптон и даже ксенон.

Молярные массы газов:

• N2 - 28,0134 г/моль;
• Ar: 39,948 г/моль;
• Kr - 83,798 г/моль;
• Xe - 131,293 г/моль;

Отдельно стоит рассмотреть галогенные лампы. В их сосуды закачиваются галогены. Вещество проводника накаливания испаряется и вступает в реакцию с галогенами. Получившиеся соединения при большой температуре вновь разлагаются и вещество возвращается на излучающий проводник. Это свойство позволяет увеличить температуру проводника, вследствие чего возрастает КПД и длительность работы лампы. Помимо этого, использование галогенов позволяет уменьшить размер колбы. Из минусов стоит отметить маленькое сопротивление проводника накала на старте.

Нить накала

Формы излучающего проводника бывают разные, в зависимости от специфики лампочки. Чаще всего в лампочках используется нить круглого сечения, но иногда может встретиться и ленточный проводник.
Первые лампочки выпускались даже с углем, нагревающимся до 3559 градусов по Цельсию. Современные лампочки комплектуются вольфрамовым проводником, иногда – осмиево-фольфрамовым. Вид спирали неслучаен – он существенно снижает габариты проводника накала. Существуют биспирали и триспирали, полученные методом повторного закручивания. Данные типы проводника делают возможным увеличение КПД лампы накаливания за счет уменьшения теплоизлучения.

Свойства лампочки накаливания

Лампочки выпускаются для различных целей и мест установок, чем обусловлено их различие по напряжению цепи. Величина силы тока высчитывается по закону известного Ома (напряжение делим на сопротивление), а мощность с помощью несложной формулы: напряжение умножаем на ток или напряжение в квадрате делим на сопротивление. Для изготовления лампочки накаливания нужной мощности подбирается провод с необходимым сопротивлением. Обычно используется проводник толщиной 40-50 мкм.
При старте, то есть включении лампочки в сеть, происходит бросок тока (на порядок больше номинального). Это получается за счет низкой температуры нити накала. Ведь при комнатной температуре проводник имеет небольшое сопротивление. Ток снижается до номинального только при нагреве нити накала за счет увеличения сопротивления проводника. Что касается первых угольных ламп, то там было наоборот: холодная лампочка имела большее сопротивление, чем горячая.

Цоколь

Цоколь лампы накаливания имеет стандартизированные форму и размер. Благодаря этому возможна замена лампочки в люстре или другом приборе без проблем. Наиболее популярны цоколи лампочек с резьбой, имеющие маркировки E14, E27, E40. Цифры после буквы «Е» обозначает внешний диаметр цоколя. Существуют и цоколи лампочек без резьбы, удерживаемые в патроне силой трения или другими приспособлениями. Лампочки с цоколями Е14 чаще требуются при замене старых в люстрах или торшерах. Цоколь Е27 используется повсеместно – в патронах, люстрах, специальных приборах.
Обратите внимание, что в Америке напряжение цепи 110 вольт, поэтому они пользуются цоколями, отличными от европейских. В американских магазинах найдутся лампочки с цоколями Е12, Е17, Е26 и Е39. Сделано это затем, чтобы случайно не спутать европейскую лампочку, рассчитанную на 220 вольт и американскую на 110 вольт.

Коэффициент полезного действия

Энергия, подводимая к лампочке накаливания тратится не только на производство видного спектра света. Часть энергии тратится на испускание света, часть превращается в тепло, но самая большая доля тратится на инфракрасный свет, недоступный человеческому глазу. При температуре проводника накаливания 3350 Кельвин КПД лампочки всего 15%. А стандартная 60-ваттная лампа с температурой свечения 2700 Кельвин имеет КПД около 5%.
Естественно, КПД лампы накаливания прямо зависит от степени нагрева излучающего проводника, но при более сильном нагреве нить не прослужит долго. При температуре проводника в 2700К лампочка будет светить около 1000 часов, а при нагреве до 3400К срок службы сокращается до нескольких часов. При поднятии напряжения питания лампы на 20% сила свечения увеличится примерно до 2 раз, а срок работы уменьшится аж до 95%.
Для повышения срока работы лампочки следует понизить напряжение питания, но с этим понизится и КПД прибора. При последовательном подключении лампочки накаливания будут работать до 1000 раз дольше, но их КПД окажется в 4-5 раз меньше. В некоторых случаях такой подход имеет смысл, к примеру, на лестничных пролетах. Большая яркость там не обязательна, а вот срок службы лампочек должен быть немалым.
Для достижения данной цели последовательно с лампочкой нужно включить диод. Полупроводниковый элемент позволит отсечь ток половины периода, протекающий по лампе. В результате мощность снижается наполовину, а за ней и напряжение снижается примерно в 1,5 раза.
Однако, такой способ подключения лампы накаливания невыгоден со стороны экономики. Ведь такая цепь будет потреблять больше электроэнергии, что делает выгоднее замену сгоревшей лампочки новой, нежели потраченные киловатт-часы на продление жизни старой. Поэтому для запитки лампочек накаливания подается напряжение, немного побольше номинального, что позволяет экономить электроэнергию.

Сколько служит лампа накаливания

Длительность эксплуатации лампы снижается многими факторами, например, испарением вещества с поверхности проводника или дефектами проводника накала. При разном испарении материала проводника появляются участки нити с большим сопротивлением, обуславливающим перегрев и еще интенсивнее испарение вещества. Нить накала под действием такого фактора истончается и местно целиком испаряется, чем обуславливается сгорание лампы.
Сильнее всего проводник накала изнашивается при запуске из-за броска тока. Во избежание этого применяются приборы плавного запуска лампы.
Вольфрам характеризуется удельным сопротивлением вещества в 2 раза большим, чем, например, алюминий. При подсоединении лампы в сеть ток, протекающий по ней, на порядок больше номинального. Броски тока и являются причиной перегорания лампочек накаливания. Для защиты цепи от бросков тока в лампочках иногда стоит предохранитель.

При внимательном рассмотрении электрической лампочки плавкий предохранитель виден более тонким проводником, идущим к цоколю. При включении в сеть обычной электрической 60-ваттной лампочки мощность нити накала может достигать 700 ватт и выше, а при включении 100-ваттной – более 1 киловатта. При нагреве излучающий проводник увеличивает сопротивление и мощность уменьшается до нормы.

Чтобы обеспечить плавный запуск лампы накаливания, можно воспользоваться терморезистором. Коэффициент температурного сопротивления такого резистора должен быть отрицателен. При включении в цепь терморезистор холодный и обладает большим сопротивлением, поэтому лампочка не получит полное напряжение до прогрева данного элемента. Это только основы, тема плавного подлючения лампочек накаливания огромная и требует более глубокого изучения.

Благодаря таблице, которая приведена ниже, можно приблизительно узнать соотношение мощности и светового потока для обычной лампочки «груши» (цоколь E27, 220 В).

Какие бывают лампочки накаливания

Как упоминалось выше, из сосуда лампы накаливания откачан воздух. В некоторых случаях (например, при маленькой мощности) колбу так и оставляют вакуумной. Но гораздо чаще лампа наполнена специальным газом, который продляет длительность работы нити накаливания и улучшает светоотдачу проводника.
По типу заполнения сосуда лампочки делят на несколько видов:
Вакуумные (все первые лампочки и маломощные современные)
Аргоновые (в ряде случаев заполняются смесью аргон+азот)
Криптоновые (данный тип лампочек на 10% сильнее светит, чем вышеупомянутые лампы с газом аргоном)
Ксеноновые (в таком исполнении лампы светят уже в 2 раза сильнее, чем лампы с аргоном)
Галогеновые (в сосуды таких лампочек помещают йод, возможно, бром, позволяющие светить аж в 2,5 раза сильнее все тех же аргоновых. Данный тип лампочек является долговечным, но требует хорошего накала нити для работы цикла галогенов)
Ксенон-галогенные (такие лампы наполняют смесью ксенона с йодом или бромом, считающимся лучшим газом для лампочек, потому что светит такой источник в 3 раза ярче стандартной аргоновой лампы)
Ксенон-галогеновые с ИК отражателем (огромная доля свечения лампочек накаливания находится в ИК секторе. Отражая его обратно, можно существенно увеличить КПД лампы)
Лампы с проводником накаливания с преобразователем ИК излучения (на стекло колбы наносится спецлюминофор, излучающий при разогреве видный свет)

Плюсы и минусы ламп накаливания

Как и у прочих электроприборов, у лампочек существует масса плюсов с минусами. Именно поэтому часть людей пользуются данными источниками света, а другая часть сделала выбор в пользу более современных осветительных приборов.

Плюсы:

Хорошая цветопередача;
Масштабное налаженное производство;
Низкая стоимость изделия;
Небольшие размеры;
Простота исполнения без лишних узлов;
Стойкость к радиации;
Имеет только активное сопротивление;
Мгновенный пуск и перезапуск;
Стойкость к перепадам напряжения и сбоям в сети;
В составе нет химически вредных веществ;
Работа как от переменного, так и от постоянного тока;
Отсутствие полярности входов;
Возможно производство под любое напряжение;
Не мерцает от переменного тока;
Не гудит от переменного тока;
Полный световой спектр;
Привычный и удобный цвет свечения;
Стойкость к импульсам электромагнитного поля;
Возможно подключение регулировки яркости;
Свечение при заниженных и завышенных температурах, стойкость к образованию конденсата.

Минусы:

• Заниженный световой поток;
  Короткая длительность работы;
  Чувствительность к дрожанию и ударам;
  Большой скачок тока при пуске (на порядок выше номинального);
  При разрыве проводника накала возможно разрушение колбы;
  Срок работы и поток света зависит от напряжения;
  Пожароопасность (полчаса свечения лампы накаливания разогревает ее стекло в зависимости от величины мощности: 25вт до 100 градусов по Цельсию, 40вт до 145 градусов, 100вт до 290 градусов, 200вт до 330 градусов. При контакте с тканью нагрев становится более интенсивным. 60- ваттная лампочка может, например, поджечь солому через час работы.);
  Необходимость термостойких патронов и крепежей лампы;
  Маленький КПД лампы накаливания(соотношение силы видимого излучения к объему потребляемой электроэнергии);
  Несомненно, главным плюсом лампы накаливания становится ее низкая стоимость. С распространением люминесцентных и, тем более, светодиодных лампочек ее популярность существенно снизилась.

Вот Вы и узнали что такое лампа накаливания, а знаете ли Вы как они создаются? Нет? Тогда вот вам ознакомительное видео

И помните лампочка, засунутая в рот, назад не вылезет, поэтому не стоит этого делать. 🙂

Задачи стандартизации

Широкое распространение ламп накаливания во всех областях промышленности и в быту требует обеспечения их взаимозаменяемости и одинаковости параметров одних и тех же ламп, выпускаемых различными заводами. Применение методов выборочного контроля основных параметров ламп также требует жесткой регламентации и не только номинальных параметров, но и возможных технологических отклонений. И, наконец, развивающаяся международная торговля ставит задачу унификации в пределах международных требований. В связи с указанным параметры ламп накаливания как массовой продукции определяются государственными стандартами.

Система ГОСТов на лампы накаливания включает стандарты на основные технические требования и методы испытания, а также стандарты на отдельные типы ламп накаливания, в основном по признаку области применения. Методы измерения электрических и светотехнических параметров ламп накаливания стандартизированы, что обеспечивает возможность сравнения параметров отдельных ламп и воспроизводимость результатов.

Электрические параметры ламп измеряют при стабилизированном напряжении, равном номинальному (или расчетному) напряжению лампы. Световой поток ламп накаливания оценивают сравнением его со световым потоком ламп эталонов. Для этого испытуемую и эталонную лампы накаливания поочередно помещают в светомерный шар. Силу света измеряют на фотометрической скамье также путем сравнения измеряемой и эталонной ламп. Кривую силы света определяют на распределительном фотометре. Подробно об измерениях световых и электрических параметров рассказано в курсе основ светотехники.

Множество областей применения, конструктивных и других особенностей ламп накаливания затрудняет проведение их четкой классификации на основе какого-либо одного из возможных признаков. Вместе с тем классификация имеет большое значение для создания удобной системы обозначения ламп, необходимой для правильного планирования производства, распределения ламп и учета потребностей рынка в лампах накаливания.

Исходя из сказанного в качестве одного из основных признаков классификации взята область накаливания, которая в значительной степени совпадает с областью промышленности и быта, в которых эти лампы используются. Так как от основного конструктивного признака лампы зависит технология ее изготовления, а следовательно, оборудование, применяемое для ее сборки, то конструктивный признак является вторым элементом классификации. Иногда по конструктивному признаку лампы накаливания выделяются в самостоятельный тип (например, галогенные лампы накаливания). Для ламп накаливания общего назначения особенно важны дополнительные признаки. Потребность в таких лампах настолько велика, что их производство имеется практически на всех ламповых заводах, что способствует также сокращению перевозок для поставки ламп потребителям.

Исходя из этих соображений установлена система маркировки ламп по их основным признакам, определяющим их классификацию. Группы ламп, объединяемые первым признаком классификации, принято объединять названием "ассортимент". Такая классификация ламп накаливания имеет преимущество, заключающееся в возможности объединять в общих технических условиях требования, которым должны удовлетворять лампы данного ассортимента, а следовательно, не создавать на каждый ассортимент технических условий. Перечень государственных стандартов на различные ассортименты ламп накаливания, выпускаемые ламповой промышленностью, приведен в таблице 1.

Таблица 1

Государственные стандарты на лампы накаливания

Маркировка ламп накаливания содержит:

• первые буквы (от одной до четырех), характеризующие лампы по важнейшим физическим и конструктивным особенностям (В - вакуумная моноспиральная, Г - газополная моноспиральная, Б - газополная биспиральная, К - криптоновая, МТ - с матированной колбой и тому подобные); ряд специальных ламп этих букв в обозначении не имеет;
• буквенное обозначение (из одной или двух букв) (А - автомобильная, Ж - железнодорожная, КМ - коммутаторная, ПЖ - прожекторная, СМ - самолетная и тому подобные);
• цифры, определяющие номинальное напряжение в вольтах и через дефис номинальную мощность в ваттах. Для специальных ламп вместо мощности указывают силу света в канделах, ток в амперах или световой поток в люменах. Для двухспиральных ламп через знак плюс указывают мощность первой и второй спиралей;
• цифру, указывающую порядковый номер разработки, если разработка осуществлена повторно.

Лампы общего назначения и местного освещения

Параметры ламп накаливания общего назначения нормируются ГОСТ 2239-79. Эти лампы предназначены для установки в бытовых и общественных помещений, а также открытых пространств. Лампы рассчитаны на включение в электрическую сеть с номинальным напряжением 127 и 220 В. Установившаяся шкала мощностей этих ламп, построенная на основе ряда предпочтительных чисел, приведена в таблице 2, в которой указаны значения световых потоков при напряжении 220 В.

Таблица 2

Номинальные световые потоки ламп накаливания общего назначения по ГОСТ 2239-79

Ассортимент ламп разбивается на группы в зависимости от видов тела накала (спираль или биспираль) и наполнения (вакуумные, газополные).

Форма колбы, способ монтажа, марка стекла и тип цоколя выбираются из соображений дешевизны, удобства технологи с учетом получения оптимальной световой отдачи при сроке службы 1000 часов. Отметим, что в последнее время эффективность конструкции ламп накаливания оценивается по большому числу факторов, в том числе эксплуатационных.

Никаких специальных требований к светораспределению или механической прочности этих ламп не предъявляется, кроме прочности крепления цоколя. Температурные и другие климатические требования выполняются благодаря правильному выбору материалов. Наибольшего внимания в этом отношении требует материал цоколя и цоколевочной мастики. Так как лампы не предназначены для длительного хранения, их цоколи изготовляют из ленточной стали с последующим цинкованием и пассивированием. Прочность крепления цоколя к колбе нормируется значением крутящего момента (в пределах 0,05 - 5 Н × м). После испытания ламп на срок службы допускается его снижение в 2 раза.

Лампы снабжаются, как правило, резьбовыми цоколями, но допускается их изготовление и со штифтовыми цоколями.

Лампа накаливания местного освещения, выпускается по ГОСТ 1182-77, отличаются напряжением питания, которое согласно технике безопасности не должно превышать 36 В, а для особо опасных помещений - 12 В. Мощности ламп местного освещения ограничены и составляют 15, 25, 40 и 60 Вт. Срок службы каждого экземпляра лампы должен составлять не менее 70% средней продолжительности горения.

Лампы для транспортных средств

Лампы этого ассортимента подразделяются на четыре группы: лампы накаливания железнодорожные (ГОСТ 1181-74), лампы накаливания судовые (ГОСТ 1608-88), лампы накаливания самолетные и лампы накаливания автомобильные (ГОСТ 2023.1-88). Развитие средств транспорта привело к тому, что этот ассортимент по массовости почти не уступает ассортименту ламп накаливания общего назначения. Лампы указанных групп различаются прежде всего напряжением сети, для которой они предназначены. Объединяет их наличие специальных требований по механической прочности.

Лампы накаливания для железнодорожного транспорта имеют сравнительно низкое номинальное напряжение (50 В), облегчающее изготовление ламп с повышенной механической прочностью. Электрические параметры и размеры железнодорожных ламп для подвижного состава приведены в таблице 3, а характерные конструкции - на рисунке 1.

Таблица 3

Параметры железнодорожных ламп накаливания по ГОСТ 1181-74

Проверка механической прочности ламп предусматривает их испытание на вибропрочность при частоте 25 Гц и амплитуде 1 мм в течение 6 часов, из которых 3 часа во включенном состоянии. Кроме того, лампы должны выдержать 1000 ударов с ускорением 3g частотой 40 - 100 ударов в минуту.

Судовые лампы накаливания сначала выполнялись только для сети постоянного тока напряжением 110 и 220 В. В настоящее время на судах применяется также переменное напряжение 127 В, что вызвало необходимость разработки новых ламп. В число судовых ламп помимо осветительных входят лампы для судовой сигнализации. Укажем, что лампы, применяемые на морском и речном транспорте, должны иметь конструкцию, обеспечивающую их большую механическую прочность, так как при эксплуатации на судах лампы подвергаются вибрации, вызванной работой судовых машин, и ударам, происходящим при швартовке и других маневрах. Это привело к необходимости увеличить число держателей тела накала. Механическая прочность ламп проверяется на вибропрочность при частоте 25 Гц амплитудой 1 мм и ударом на специальном копре, используемом для испытания и других видов судового оборудования. Судовые лампы выпускают на напряжение от 13 до 220 В мощностью от 25 до 220 Вт.

Большое число типов ламп имеется в ассортименте самолетных ламп. Общим для него является номинальное напряжение 27 В. Ассортимент самолетных ламп включает в себя самые разнообразные лампы - от миниатюрных с бусинковой ножкой до фарных с колбой, имеющей отражающее покрытие, и даже ламп-фар с колбой, сваренной из двух отдельно штампуемых частей. Конструкции самолетных ламп являются, как правило, малогабаритными, что связано с ограниченностью объемов, в которых они размещаются, а также необходимостью максимального уменьшения массы. Эти же требования привели к появлению в номенклатуре самолетных ламп накаливания с галогенным циклом. Механическая прочность самолетных ламп обусловлена главным образом вибрациями при их эксплуатации. Вибростойкость ламп испытывается на вибростендах при заданных частотах.

Ассортимент автомобильных ламп включает в себя также лампы для мотоциклов и тракторов. Ввиду экономической целесообразности применения однопроводной системы электрического питания на этих видах транспорта, а также использования аккумуляторных батарей напряжения ламп имеют малые значения. Они равняются 6, 12 и 24 В. Однако из-за особенностей электрического режима аккумуляторных батарей расчетные напряжения ламп приняты отличными от номинальных - соответственно 6,7; 13,5 и 28 В. Большинство автомобильных ламп работает в оптических системах и требует фиксированного положения тела накала относительно цоколя. Особые требования предъявляют к лампам, применяемым в автомобильных фарах. Лампа имеет два тела накала, к каждому из которых предъявляются специальные требования, главным из которых является точность монтажа по отношению к деталям цоколя. В таблице 4 приведены параметры автомобильных ламп для фар.

Таблица 4

Параметры ламп для фар автомобилей по ГОСТ 2023.1-88

Кроме двухнитевых ламп для фар выпускаются специальные лампы-фары, представляющие собой лампы накаливания с заданным распределением светового потока, требующим высокой его концентрации, достигаемой большой точностью изготовления оптических элементов. Высокая точность обеспечивается применением сварной колбы, состоящей из штампованных стеклянных деталей. Преимущество такой системы по сравнению со световым прибором прожекторного типа, в котором устанавливается соответствующая прожекторная лампа или лампа фара, заключается в том, что точность взаимного расположения тела накала и оптических элементов светораспределения обеспечивается при сборке ламп-фар на заводе-изготовителе и не может быть нарушена в процессе эксплуатации. Кроме того, отражающее покрытие оказывается запаянным в оболочку, наполненную инертным газом, то есть защищено от каких-либо внешних воздействий, и сохраняет тем самым свои отражающие свойства в течение всего срока службы лампы. Лампы-фары нашли применение в тех областях, в которых вышеперечисленные преимущества окупают их большую стоимость по сравнению со стоимостью обычных ламп или прожекторных ламп. Надо помнить, что при перегорании лампа-фара подлежит замене целиком независимо от состояния отражающего покрытия и других оптических элементов. Даже при этих условиях применение ламп-фар получило распространение в тех странах, где созданы хорошо механизированные и автоматизированные их производства. На рисунке 2 приведена конструкция автомобильной лампы-фары, предназначенной для головных огней автомобиля.

У ламп-фар отсутствует цоколь в обычном представлении. Для присоединении к сети питания у ламп-фар на тыльной стороне рефлектора находятся контактные детали, представляющие собой ламели или винтовые контакты.

Прожекторные лампы

Рисунок 3. Лампы кинопроекционные: а - типа К6-30; б - типа К40-750

Ассортимент прожекторных ламп подразделяют на три группы: лампы для киноаппаратуры (ГОСТ 4019-74), лампы для прожекторов общего назначения (ГОСТ 7874-76) и лампы маячные (ГОСТ 16301-80). Все эти лампы имеют фиксировано расположенное концентрированное тело накала, которому стремятся придать максимальную габаритную яркость. Поэтому для большинства ламп нормируют габаритные размеры тела накала и используют фокусирующие цоколи. Для большинства ламп этого ассортимента, кроме того, оговаривают положение их горения.

Для ламп, работающих в кинопроекционной аппаратуре (рисунок 3), приняты, как правило, небольшие напряжения, позволяющие изготовлять тело накала из фольфрамовой проволоки большого диаметра, что обеспечивает соответствие срока службы каждой лампы установленной средней продолжительности горения. У ламп, предназначенных для горения цоколем вверх, тело накала конструктивно удалено от ножки для исключения перегрева цоколя.

Прожекторные лампы изготовляют на напряжения: 50 В (для железнодорожного транспорта), 110 В (для судов речного и морского флота) и 127 и 220 В (общего назначения). Типичные конструкции прожекторных ламп со слабо ограниченным положением при горении приведены на рисунке 4. На рисунке 5 показаны характерные конструкции прожекторных ламп в рабочем положении, имеющие ограничение по этому признаку. Некоторые лампы снабжены фокусирующими цоколями. На рисунках 4 - 6 дана принятая в стандартах на лампы накаливания система обозначения их основных размеров.

Рисунок 4. Лампы накаливания прожекторные общего назначения со слабо ограниченным положением при горении:
а - для железнодорожных прожекторов на напряжение 50 В; б и в - для прожекторов общего назначения

Рисунок 5. Лампы прожекторные с вертикальным положением горения:
а - типа ПЖ110-500-2 в цилиндрической колбе с фокусирующим цоколем; б - типа ПЖ110-1000 с резьбовым цоколем; в - то же типа ПЖ220-500

Маячные лампы (рисунок 6) отличаются от прожекторных тем, что они используются в линзовых оптических системах с большими углами охвата, что исключает необходимость располагать тело накала в одной плоскости. При этом требуется лишь его достаточная компактность. Маячные лампы рассчитаны на напряжение от 6 до 110 В и мощности от 3 до 1000 Вт. Контроль правильности расположения тела накала относительно фиксирующих элементов фокусирующих цоколей осуществляется проектированием изображения тела накала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для всех типов маячных ламп нормируется срок службы каждой лампы, что связано с труднодоступностью их замены в аппаратуре.

Рисунок 6. Лампы маячные с резьбовыми и штифтовыми цоколями:
а - на напряжение 6 В; б - на напряжение 110 В

Миниатюрные и сверхминиатюрные лампы

Совершенствование технологии производства тонких вольфрамовых проволок (менее 10 мкм) позволило создать широкий ассортимент миниатюрных и сверхминиатюрных ламп. Последние нашли большое применение в медицинских приборах, в качестве индикаторов в электронной аппаратуре, в вычислительной технике и летательных аппаратах. Все лампы рассчитаны на низкое напряжение, обеспечивающее возможность применения тела накала малой длины, и изготовляются на малые мощности. В требованиях к лампам часто вместо нормируемой мощности указывается ток. Требования к миниатюрным лампам накаливания объединены в ГОСТ 2207-74. Хотя лампы имеют различные области применения, объединение их в один стандарт оправдано тем, что их изготовление требует использования специального технологического оборудования. Для ламп используются самые маленькие резьбовые и штифтовые цоколи. Типичная конструкция миниатюрных ламп представлена на рисунке 7, сверхминиатюрных - на рисунке 8.

Некоторые специальные типы ламп

Рисунок 9. Инфракрасная зеркальная лампа накаливания: 1 - внутренний алюминированный отражатель; 2 - участок колбы, матированный снаружи

Рисунок 10. Светофорная лампа

Рисунок 11. Лампа коммутаторная: 1 - колба; 2 - тело накала; 3 - контакты; 4 - цоколь

Кроме описанных выше выпускается большое число типоразмеров ламп накаливания. Остановимся только на тех, на которые имеются стандарты, что свидетельствует об их достаточно широком применении. К таким лампам относятся: лампы накаливания в цилиндрической колбе (ГОСТ 5011-77), лампы накаливания инфракрасные зеркальные (ГОСТ 13874-76), лампы для железнодорожных светофоров (ГОСТ 11085-79), лампы накаливания рудничные (ГОСТ 12123-76) и лампы накаливания коммутаторные (ГОСТ 6940-74).

Объединение в одном стандарте ламп накаливания в цилиндрических колбах, предназначенных для разных потребителей, позволило унифицировать большинство стеклянных деталей этих ламп. По конструкции лампы аналогичны судовым лампам в цилиндрических колбах и имеют невысокую световую отдачу вследствие применения большого числа держателей для крепления тела накала.

Инфракрасные зеркальные лампы имеют колбы, аналогичные по форме колбам, применяемым в осветительных зеркальных лампах. Конструкция лампы показана на рисунке 9.

Лампы для железнодорожных светофоров имеют простую конструкцию, снабжены фокусирующим цоколем и рассчитаны на напряжение 10 - 12 В, обеспечивающее их повышенную надежность, необходимую в условиях транспорта. Лампы выпускаются мощностью 15, 25, 35 Вт и отвечают повышенным требованиям к механической прочности. Конструкция лампы для железнодорожных светофоров представлена на рисунке 10. Специальный цоколь с фиксаторами позволяет устанавливать лампу с поворотом на требуемый угол 45°, что исключает ее случайное выпадывание из патрона.

Ассортимент рудничных ламп объединяет лампы, предназначенные для применения в рудничных аккумуляторных светильниках. Особенностью ламп является наличие запасного тела накала, используемого в случае перегорания основного. Запасное тело накала имеет самостоятельный вывод и для большей надежности меньший рабочий ток.

Коммутаторные лампы используются в качестве сигнальных источников света в телефонных коммутаторах. Их ассортимент состоит из ламп, рассчитанных на различные напряжения от 6 до 60 В, а параметры нормируются по току и силе света в направлении оси лампы. Дополнительным регламентируемым параметром является превышение температуры колбы, которое не должно быть более 120 °С после 5 минут горения. Лампы рассчитывают на минимальный диаметр (рисунок 11). В лампе применена бусинковая ножка, цоколь крепится без использования цоколевочной мастики.

Лампы-светильники

Кроме ламп-фар к типу ламп светильников относят и инфракрасные зеркальные лампы, предназначенные для направленного лучистого нагрева (смотрите рисунок 9). Для преимущественно инфракрасного излучения тело накала у таких ламп рассчитывают на более низкие температуры, чем у осветительных ламп. Одновременно это позволило в настоящее время повысить срок службы инфракрасных ламп до 5000 часов. Для направления потока излучения на нагреваемую поверхность тело накала размещают в фокусе зеркализуемой поверхности колбы. Зеркализация обычно осуществляется методом вакуумного алюминирования. Купол колбы матируется для исключения бликов, неизбежных при технологических допусках на взаимное расположение тела накала и отражающей поверхности и на отклонение формы самой поверхности. Зеркальные лампы выпускаются на стандартные напряжения 127 и 220 В, а также на напряжение 240 В мощностью от 40 до 1000 Вт в бесцветных и темно-красных колбах. Последние применяются при необходимости ограничения видимого излучения.

В таблице 5 приведены параметры некоторых типов инфракрасных зеркальных ламп накаливания, выпускаемых по ГОСТ 13874-76. Обозначение ламп содержит: первую букву З - зеркальные, вторую - тип кривой светораспределения (К - концентрированное, С - среднее, Ш - широкое), значение номинального напряжения и мощности лампы в ваттах. Для ламп концентрированного и среднего светораспределения сила света нормируется по оси лампы, для ламп широкого светораспределения - под углом (70±5)° к оси.

Таблица 5

Параметры инфракрасных зеркальных ламп по ГОСТ 13874-76

Галогенные лампы

Открытие галогенового цикла в лампах накаливания, вызвало появление в производстве принципиально новых конструкций ламп. Основной эффект от применения галогенов состоит в возможности создания ламп накаливания значительно меньших габаритных размеров со значительно большей световой отдачей при тех же мощностях. Средняя световая отдача галогенных ламп, предназначенных для общего освещения, составляет 22 лм/Вт при сроке службы 2000 часов. Применение галогенного цикла привело к разработке ламп накаливания, позволяющих сконцентрировать на сравнительно небольшой площади излучение большой мощности и применить их в ряде специальных технологических процессов, например для нагрева различных материалов.

Устройство прямой галогенной лампы показано на рисунке 12. Колба лампы 1 представляет собой трубку из кварцевого стекла, по оси которой расположено тело накала в виде спирали или биспирали 2 . Вводы в кварц представляют собой полоски молибденовой фольги 4 , заштампованные в сплошные концы кварцевой трубки. Внутренняя часть электродов выполнена из вольфрама 3 , внешние выводы - из молибдена 5 . В лампах большой мощности, имеющих длинную спираль, для устранения ее провисания применяют держатели 7 из вольфрама. Для откачки, вакуумной обработки и наполнения лампы в средней части колбы припаивается штенгель из кварцевого стекла, после отпайки которого остается утолщение 6 . Для крепления и присоединения к сети на концы лампы надеты цоколи 8 .

Рисунок 12. Конструкция трубчатой галогенной лампы накаливания

В настоящее время технология изготовления галогенных ламп накаливания настолько отработана, что это позволило создать целую гамму ламп: для светильников общего, киносъемочного и телевизионного вещания, прожекторов, инфракрасных облучателей, автомобильных фар, аэродромных огней и тому подобных.

По конструктивным признакам галогенные лампы делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала (аналогично конструкции на рисунке 12) и с концентрированным телом накала. Первая группа ламп имеет выводы с двух сторон, вторая - с одной стороны.

Обозначение типа галогенных ламп накаливания включает: первая буква - материал колбы (К - кварц); вторая буква - вид галогенной добавки (И - чистсый йод, Г - галогенные смеси); третья буква - область применения (О - облучательная), или конструктивная особенность (М - малогабаритная, К - концентрированное тело накала), либо то и другое вместе; первая группа цифр - мощность в ваттах (или сила света, ток или световой поток в зависимости от назначения лампы); последняя цифра - номер разработки, если эта разработка не произведена впервые. Для автомобильных ламп первой ставится буква А.

Номенклатура галогенных ламп накаливания насчитывает более 150 наименований. В таблице 6 приведены параметры различных галогенных ламп. Галогенные лампы общего применения имеют срок службы 2000 часов, то есть в 2 раза выше, чем обычные лампы накаливания; у других типов галогенных ламп срок службы колеблется в зависимости от назначения лампы. Лампы для инфракрасного облучения благодаря низкой температуре тела накала (2400 - 2700 К) обладают повышенным сроком службы (до 5000 часов). Облучательные лампы предназначены для эксплуатации, как правило, в горизонтальном положении.

Таблица 6

Параметры галогенных ламп накаливания

Как работает лампа накаливания?

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

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

Принцип действия

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

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

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

Конструкция

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

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

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель — звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы — как правило, в ножке. Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы.

Нить накаливания

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

Цоколь

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

В США и Канаде используются иные цоколи (это частично обусловлено иным напряжением в сетях — 110 В, поэтому иные размеры цоколей предотвращают случайное ввинчивание европейских ламп, рассчитанных на иное напряжение): Е12 (candelabra), Е17 (intermediate), Е26 (standard или medium), Е39 (mogul).

Интересные факты

"Столетняя лампа"

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