Диаметр лампочки накаливания. Лампа накаливания

Перед тем, как определить, какая именно лампа накаливания вам нужна, стоит изучить особенности и маркировку существующих типов. При всем их разнообразии, нужно точно понимать назначение выбираемой лампы и то, как и где она будет использоваться. Несоответствие характеристик лампы задачам, под которые она приобретается, может повлечь не только ненужные расходы, но и привести к аварийным ситуациям, вплоть до повреждения электросети и пожара.

Занимательное видео, характеризирующее работу трех видов лампочек

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.

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

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

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

Принцип работы электрической лампы накаливания

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

Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы

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

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

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

Вот некоторые виды цоколей, применяемые для различных типов ламп:

Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.

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

История создания и усовершенствования конструкции лампы накаливания

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

Преимущества и недостатки ламп накаливания перед другими искусственными источниками света

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

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

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

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

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

Лампа накаливания

Ла́мпа нака́ливания - электрический источник света , в котором тело накала (тугоплавкий проводник), помещённое в прозрачный вакуумированный или заполненный инертным газом сосуд, нагревается до высокой температуры за счёт протекания через него электрического тока, в результате чего излучает в широком спектральном диапазоне, в том числе видимый свет. В качестве тела накала в настоящее время используется в основном спираль из сплавов на основе вольфрама .

Принцип действия

В лампе используется эффект нагревания проводника (тела накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накала резко возрастает после включения тока. Тело накала излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов. При температуре 5770 (температура поверхности Солнца) свет соответствует спектру Солнца. Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света, и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводимости и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение . Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити - температурой плавления . Температура в 5771 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления - вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

Для оценки данного качества света используется цветовая температура . При типичных для ламп накаливания температурах 2200-3000 K излучается желтоватый свет, отличный от дневного. В вечернее время «тёплый» (< 3500 K) свет более комфортен и меньше подавляет естественную выработку мелатонина , важного для регуляции суточных циклов организма и нарушение его синтеза негативно сказывается на здоровье.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид . По этой причине тело накала помещено в колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух. Первые изготавливали вакуумными; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения - до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом , аргоном или криптоном). Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп резко уменьшает скорость испарения вольфрама, благодаря чему не только увеличивается срок службы лампы, но и есть возможность повысить температуру тела накаливания, что позволяет повысить КПД и приблизить спектр излучения к белому. Колба газонаполненной лампы не так быстро темнеет за счёт осаждения материала тела накала, как у вакуумной лампы.

Конструкция

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

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

В конструкции ламп общего назначения предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы - как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга , которая расплавляет остатки нити, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.

Колба

Колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.

Газовая среда

Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N 2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы : N 2 - 28,0134 /моль ; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).

Галогенная лампа

Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама , иногда осмиево -вольфрамового сплава . Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).

Электротехнические параметры

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений . Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R ) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R . Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление , для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон .

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало. Возрастающая характеристика сопротивления нити накала (при увеличении тока сопротивление растет) позволяет использовать лампу накаливания в качестве примитивного стабилизатора тока . При этом лампа включается в стабилизируемую цепь последовательно, а среднее значение тока выбирается таким, чтобы лампа работала вполнакала.

В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.

Цоколь

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

Номенклатура

По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:

• лампы общего назначения (до середины 1970-х годов применялся термин «нормально-осветительные лампы»). Самая массовая группа ламп накаливания, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 года за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ламп накаливания с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;
• декоративные лампы , выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром около 45 мм;
• лампы местного освещения , конструктивно аналогичные лампам общего назначения, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
• иллюминационные лампы , выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками (цветным цапонлаком), их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
• зеркальные лампы накаливания имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;
• сигнальные лампы используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы. Сегодня вытесняются светодиодами;
• транспортные лампы - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);
• прожекторные лампы обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). Спираль накала такой лампы обычно уложена за счет особой конструкции и подвески в колбе более компактно для лучшей фокусировки;
• лампы для оптических приборов , к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактно уложенные спирали, многие помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);

Специальные лампы

Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)

История изобретения

Лампа Лодыгина

Лампа Томаса Эдисона с нитью накала из угольного волокна.

• В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью) .
• 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.
• В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые 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).
• 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 . 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 . 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) .
• 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)
• 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 .
• 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 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.

КПД и долговечность

Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения

Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.

С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.

Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД , но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом , благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.

Так как стоимость потребленной за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается, и лампа выходит из строя.

Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода устройства плавного запуска.

Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт , а 100-ваттная - более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.

Ниже представлено приблизительное соотношение мощности и светового потока для обычных прозрачных ламп накаливания в форме "груши", популярных в России, цоколь E27, 220В.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):

• Вакуумные (самые простые)
• Аргоновые (азот-аргоновые)
• Криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых)
• Ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых)
• Галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл)
• Галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счёт лучшего нагрева внутренней колбы)
• Ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых)
• Ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей)
• Накаливания с покрытием преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества:

• налаженность в массовом производстве
• малая стоимость
• небольшие размеры
• отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
• нечувствительность к ионизирующей радиации
• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
• быстрый выход на рабочий режим
• невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
• отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
• возможность работы на любом роде тока
• нечувствительность к полярности напряжения
• возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
• отсутствие мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях).
• отсутствие гудения при работе на переменном токе
• непрерывный спектр излучения
• приятный и привычный в быту спектр
• устойчивость к электромагнитному импульсу
• возможность использования регуляторов яркости
• не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату

Недостатки:

Ограничения импорта, закупок и производства

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные , светодиодные , индукционные и др.) лампы.

В России

По некоторым источникам в 1924 году между участниками картеля была достигнута договорённость об ограничении времени жизни ламп накаливания в 1000 часов. При этом все производители ламп, состоящие в картеле, были обязаны вести строгую техническую документацию по соблюдению мер, предотвращающих 1000-часовое превышение цикла жизни ламп.

Кроме того картелем были разработаны ныне действующие стандарты цоколя Эдисона .

См. также

Примечания

1. Лампы с белыми LED подавляют выработку мелатонина - Газета.Ru | Наука
2. Buy Tools, Lighting, Electrical and DataComm Supplies at GoodMart.com
3. Фотолампа // Фотокинотехника: Энциклопедия / Главный редактор Е. А. Иофис. - М .: Советская энциклопедия , 1981.
4. Е. М. Голдовский. Советская кинотехника. Издательство Академии Наук СССР, Москва-Ленинград. 1950, C. 61
5. История изобретения и развития электрического освещения
6. Давид Шарле. Король изобретательства Томас Альва Эдисон
7. Электротехническая энциклопедия. История изобретения и развития электрического освещения
8. A. de Lodyguine, U.S. Patent 575,002 «Illuminant for Incandescent Lamps». Application on January 4, 1893 .
9. Г.С.Ландсберг. Элементарный учебник физики (рус.) . Архивировано из первоисточника 1 июня 2012. Проверено 15 апреля 2011.
10. en:Incandescent light bulb
11. [ Лампа накаливания] - статья из Малого энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона
12. The History of Tungsram (PDF). Архивировано (англ.)
13. Ganz and Tungsram - the 20th century (англ.) .(недоступная ссылка - история ) Проверено 4 октября 2009.
14. А. Д. Смирнов, К. М. Антипов. Справочная книга энергетика. Москва, "Энергоатомиздат", 1987.
15. Keefe, T.J. The Nature of Light (2007). Архивировано из первоисточника 1 июня 2012. Проверено 5 ноября 2007.
16. Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Архивировано из первоисточника 1 июня 2012. Проверено 16 апреля 2006.
17. Black body visible spectrum
18. See luminosity function.
19. Лампы накаливания, характеристики . Архивировано из первоисточника 1 июня 2012.
20. Таубкин С. И. Пожар и взрыв, особенности их экспертизы - М., 1999 с. 104
21. 1 сентября в ЕС прекратится продажа 75-ваттных ламп накаливания.
22. ЕС ограничивает продажу ламп накаливания с 1 сентября, европейцы недовольны. «Интерфакс-Украина».
23. Медведев предложил запретить «лампочки Ильича» , Lenta.ru, 02.07.2009.
24. Федеральный закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации».
25. Саботируй вето, Lenta.ru, 28.01.2011.
26. «Лисма» приступила к выпуску новой серии ламп накаливания, ГУП РМ «ЛИСМА».
27. Голь на выдумки хитра: в продаже появились лампы накаливания мощностью 95Вт, ЭнергоВОПРОС.ру.
28. http://russeca.kent.edu/InternationalBusiness/Chapter09/t09p23.html Ограничительная деловая практика в области передачи технологии (ОДП)

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