Значение лампы накаливания. Устройство лампы накаливания

Покупая в магазине тот или иной светильник, мы в первую очередь должны обращать внимания, на то, какие лампочки к нему подойдут. В комплекте с прибором они отсутствуют, поэтому важно знать те их разновидности, которые представлены сегодня в продаже. Отличаются лампочки формой, размерами, мощностью, а также цоколем, которым они закрепляются в патроне светильника. Через него в лампу поступает электрический ток.

Сами цоколи делают металлическими или керамическими. Внутри них имеются контакты для подачи тока на рабочий элемент лампы. Каждый светильник оборудуется одним или несколькими патронами для крепления ламп. Цоколи приобретаемых лампочек должны по форме и размерам им соответствовать. Поэтому при покупке светильника важно ориентироваться в том, какие виды лампочек и типы цоколей к нему подойдут.

Кроме того, большинство ламп требуется время от времени менять, поскольку они не обладают большой долговечностью. Чтобы сделать оптимальный выбор и не заблудиться во всем их многообразии, важно знать, какие вообще существуют виды ламп и типы цоколей. Кроме цоколя, при покупке лампы нужно учитывать еще потребляемую мощность лампы, напряжение, ее габариты и схему подключения к люстре.

Какие бывают типы цоколей

Существует большое многообразие типов цоколей ламп, которые сегодня применяются в тех или иных областях. В связи с этим имеется их классификация, согласно которой все типы можно поделить на несколько групп. При этом в повседневной жизни мы чаще всего сталкиваемся только с двумя из них: резьбовыми и штырьковыми. Рассмотрим подробнее каждый из этих двух типов.

Резьбовой цоколь

Традиционным принято считать резьбовой цоколь, или по-другому — винтовой. Его маркируют латинской буквой Е. Такой тип цоколя широко применяется во многих видах ламп, включая большинство бытовых. После буквы обязательно должно идти число, которое означает диаметр резьбового соединения. В бытовых лампочках используется два размера резьбового соединения — Е14 и Е27. Для более мощных ламп, например, уличного освещения существуют цоколи Е40.

Резьбовой тип цоколя мы привыкли видеть практически во всех домашних осветительных приборах. Большинство современных ламп снабжены именно такой конструкцией соединения. Она считается наиболее удобной для широкого потребления. Размеры резьбовых соединение для ламп не изменялись несколько десятков лет, поэтому даже современная светодиодная лампочка, которую вы приобрели сегодня, вполне может быть ввинчена в старинную раритетную люстру 30 – 40-х годов прошлого века. Это очень важно для тех, кто увлекается возрождением старинных вещей.

В США и Канаде размеры цоколей не совпадают с европейскими. Это обусловлено тем, что там напряжение в сети 110 В. Поэтому, во избежание случайного вкручивания европейских лампочек, диаметр у них: Е12, Е17, Е26 и Е39.

Штырьковый цоколь

Это тоже достаточно популярный цоколь, который с успехом используется в различных видах ламп. Представляет собой он два металлических штырька, которые играют одновременно роль электрических контактов. Удержание лампы в патроне осуществляется этими штырьками, так как они вставляются в патрон достаточно плотно. Штырьки могут быть различными по диаметру и расстоянию между ними. Отсюда и маркировка буквой G, которая и означает, что это штырьковый цоколь, а число после нее определяет промежуток между двумя штырьками. Например, цоколи G4, G9 или G13.

Данный вид цоколей встречается практически у всех типов ламп: накаливания, люминесцентные, галогенные, светодиодные.

Помимо традиционных, перечисленных выше, существует еще несколько более редких типов цоколей, которые менее популярны, но, тем не менее, применяются в некоторых видах ламп.

• Цоколи, имеющие утопленный контакт (R). Они используются, в основном, в приборах с высокой интенсивностью работы, которые питаются от переменного тока.
• Штифтовые цоколи (В) дают возможность максимально удобно и быстро заменить лампочку в патроне благодаря тому, что их боковые контакты несимметричны. По сути это усовершенствованный аналог резьбового типа цоколя.
• Одноштырьковые (F), которые бывают трех различных подвидов: цилиндрические, с рифленой поверхностью и особой формы.
• Софитные цоколи (S) применяются в светильниках различных отелей и осветительных приборах автомобилей. Их отличает своеобразное двустороннее симметричное расположение контактов.
• Фиксирующие (P) цоколи применяются в специальных мощных прожекторах и фонарях.
• Телефонными (Т) цоколями оснащают лампочки для различных пультов управления, той или иной подсветки, сигнальные лампы, вмонтированные в щитки автоматики.

Зачастую, имеющаяся на цоколе, маркировка лампы состоит из нескольких букв. Вторая буква чаще всего означает подвид данного осветительного прибора:

• V – цоколь, имеющий конический конец.
• U – энергосберегающая люминесцентная.
• A – автомобильная лампочка.

Виды осветительных лампочек

Речь пойдет о самых часто встречающихся лампах, которые мы обычно используем дома, в офисах и различных производственных помещениях. Можно к ним отнести лампы накаливания, энергосберегающие, галогенные, люминесцентные и светодиодные. Разберем подробнее каждый из названных видов.

Обычная лампа накаливания

Наверное, это самая распространенная лампа, несмотря на то, что ее возраст уже более 150 лет, а за последние 100 лет она практически не претерпела существенных изменений, мы пользуемся ею до сих пор. Все дело в том, что ее производство очень дешево, а конструкция простая. Она представляет собой колбу без воздуха, в которую помещена вольфрамовая нить. Под действием электрического тока она раскаляется до высоких температур и излучает свет. У современных ламп накаливания с вольфрамовой нитью есть одна особенность: при комнатной температуре сопротивление в нити вольфрама очень низкое, примерно, в 15 раз ниже рабочего, что повышает риск ее перегорания при прохождения более сильного тока в момент включения. В первых лампах использовались графитовые нити, сопротивление которых наоборот уменьшалось с ростом температуры. Это давало эффект постепенного увеличения яркости. В тоже время, графитовые нити быстрее вырабатывали свой ресурс.

По своим техническим характеристикам лампы накаливания сильно уступают другим видам ламп. Срок службы обычной лампочки составляет примерно около 1000 часов. Примечательно, что в пожарной части небольшого города Ливермор, что в Калифорнии, есть лампочка, которая непрерывно горит с 1901 г. Это, конечно же, исключение из правил. Кроме короткого срока эксплуатации, лампы накаливания со временем мутнеют из-за образующихся в колбе паров. Это сильно снижает их светимость. Лампы накаливания светят желтым светом, что близко к спектральным характеристикам солнечного света. Практически все лампы накаливания выпускают с цоколями Е14 и Е27. Исключение составляют маленькие лампочки, которые пару десятилетий назад вкручивали в фонарики и елочные гирлянды. Сегодня уже сложно найти патрон под такие лампочки.

Среди ламп такого типа встречаются особые рефлекторные лампы. Их отличительной особенностью является посеребренная внутренняя поверхность колбы. Такие приборы используют для создания луча направленного света, когда необходимо осветить какой-нибудь объект. На полках магазинов встречаются рефлекторные лампы, которые имеют маркировку R50, R63 и R80, где число – это диаметр лампы. Что касается цоколя, то он такой же, как и у простых ламп накаливания. Некоторые лампочки имеют матовое стекло для получения более рассеянного света. Встречаются и разноцветные лампы, применяемые для создания различных световых эффектов.

Галогенная лампа

Такая лампочка может прослужить примерно в четыре раза дольше, чем обычная лампа накаливания. Производители утверждают, что срок ее эксплуатации может составлять около 4000 часов, а так называемый индекс цветопередачи – 100%. По своему устройству такая лампа мало чем отличается от обычной, но в колбу добавлены пары таких веществ, как йод или бром. Это сильно повышает светоотдачу и срок службы. Современные галогенные лампы обладают светоотдачей 20-30 лм/ватт, которая сохраняется на протяжении предусмотренного срока эксплуатации и не теряется со временем, как у обычной лампочки накаливания.

Чаще всего галогенные лампы гораздо меньше обычных по размеру. У них существует множество разнообразных форм, а цоколи бывают: G9, G4, R7S, GU10. Есть даже лампы с галогеном, встроенные в колбу обычной лампочки с цоколем Е27.

Недостаток у галогенных ламп один – это низкочастотный шум при использовании совместно с диммерами, которыми регулируется светимость. Самое широкое применение такой тип ламп нашел в автомобильной промышленности. Современные фары головного света автомобилей оборудуются именно галогенными лампами.

Люминесцентные трубчатые лампы

Эти источники света имеют характерную вытянутую форму в виде трубки различной длины и диаметра. Последний обозначается буквой Т на маркировке. Например, T12 (диаметр 12/8 дюйма=3,8 см). Для таких ламп требуются специальные светильники с пусковым устройством. Оно требуется для того, чтобы создать внутри колбы электромагнитное поле, способное вызвать свечение люминофора под воздействием паров ртути. В таких лампах отсутствуют накаливающиеся части, что в разы увеличивает их экономичность и КПД, так как необходимость в разогреве вещества отпадает и практически вся энергия преобразуется в световой поток. Цоколи у такого типа ламп чаще всего штырьковые и расположены с двух сторон колбы.

Энергосберегающие типы ламп

Этот термин принято использовать в отношении маленьких люминесцентных ламп. Они сегодня приобрели высокую популярность, так как способны сократить энергозатраты очень значительно. Продаются они в любых магазинах, а установить их в обычный патрон с резьбой не проблема, поскольку они снабжены такими же цоколями.

Благодаря современным технологическим разработкам, энергосберегающие лампочки обладают весьма компактными размерами, различными вариациями мощности, большим многообразием форм, но определенно длительным сроком службы и необычайной эффективностью. Однако нужно помнить, что такие осветительные приборы «не любят» слишком частого включения и отключения, а также, как и все люминесцентные лампы, требуют специальных условий утилизации, так как пары ртути, содержащиеся в них очень опасны для человека и окружающей среды. Сегодня имеются энергосберегающие лампы с любыми типами цоколей: Е14, Е27, GU10, G9, GU5.3, G4, GU4.

Их тоже можно назвать «энергосберегающие», но это не главное их преимущество. При значительной экономии электроэнергии, они обладают поистине огромным сроком службы, который может исчисляться десятками тысяч часов и годами. От 25 000 до 100 000 часов прослужит светодиодная лампа, что равняется 3-12 годам непрерывной работы. К тому же светоотдача у них практически стопроцентная. Светодиоды не используют нагрев, поэтому такие лампы совершенно безопасны в пожарном смысле. Большинство светодиодных ламп оборудовано стандартными цоколями, что позволяет использовать их в любых светильниках. Они полностью экологически безопасны, так как не содержат никаких вредных веществ.

Из недостатков следует отметить только очень высокую стоимость. Это, конечно, компенсируется очень долгим сроком эксплуатации. Приобретать же более дешевые светодиодные лампы не рекомендуется, так как за счет экономии на конденсаторах они светят невидимым мерцанием, что в скрытом виде влияет на зрение. Еще одним недостатком можно считать смещенный в сторону синего цвета спектр излучения, что не соответствует естественному солнечному свету. Светодиоды светят достаточно холодным неестественным светом.

Использование энергосберегающих источников освещения позволяет сильно сэкономить на электроэнергии. В тоже время, при их покупке следует быть внимательным к выбору производителя и покупать только известные модели, так как иначе многие достоинства становятся не столь очевидными.

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

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.

В лампе накаливания используется эффект нагревания тела накаливания при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока ). Температура тела накаливания повышается после замыкания электрической цепи. Все тела, температура которых превышает температуру абсолютного нуля, излучают электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка . Спектральная плотность мощности излучения (Функция Планка) имеет максимум, длина волны которого на шкале длин волн зависит от температуры. Положение максимума в спектре излучения сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура излучающего тела превышала 570 °C (температура начала красного свечения, видимого человеческим глазом в темноте). Для зрения человека, оптимальный, физиологически самый удобный, спектральный состав видимого света отвечает излучению абсолютно чёрного тела с температурой поверхности фотосферы Солнца 5770 . Однако не известны 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 (температура плавления примерно та же, но выше прочность при пороговых температурах) и очень редко осмий (температура плавления 3045 °C). 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 . Чем меньше температура тела накаливания, тем меньшая доля энергии , подводимой к нагреваемой проволоке, преобразуется в полезное видимое излучение , и тем более «красным» кажется излучение.

Для оценки физиологического качества светильников используется понятие цветовой температуры . 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 в триоксид вольфрама (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 и заполняется инертным газом - обычно аргоном . На заре индустрии ламп их изготавливали с вакууммированными колбами; 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 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.

Все чистые металлы и их многие сплавы (в частности, вольфрам) имеют положительный температурный коэффициент сопротивления , что означает увеличение электрического удельного сопротивления с ростом температуры. Эта особенность автоматически стабилизирует электрическую потребляемую мощность лампы на ограниченном уровне при подключении к (источнику с низким выходным сопротивлением), что позволяет подключать лампы непосредственно к электрическим распределительным сетям без использования ограничивающих ток балластных реактивных или активных двухполюсников , что экономически выгодно отличает их от газоразрядных люминесцентных ламп . Для нити накаливания осветительной лампы типично сопротивление в холодном состоянии в 10 раз меньше, чем в нагретом до рабочих температур.

Для изготовления обычной лампочки требуется как минимум 7 металлов .

Конструкция

Конструкции ламп 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. Крючки-держатели тела накала ламп накаливания (в том числе ламп накаливания общего назначения) изготовляются из молибдена . 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. В настоящее время отказываются от применения предохранителей из-за их малой эффективности.

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).

Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении через тело накала 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 растёт) 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.

Разновидности

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

• Вакуумные (самые простые)
• Аргоновые (азот-аргоновые)
• Криптоновые
• 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.

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 около 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 счёт 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

• коммутаторные лампы - разновидность сигнальных ламп. Они служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первое число означает рабочее напряжение в вольтах, второе - силу тока в миллиамперах;
• Фотолампа , перекальная лампа - разновидность лампы накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу (до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру (3300-3400 К, по сравнению с 2700 К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой эффективности. В фотолабораториях обычно осуществлялось питание таких ламп в двух режимах:
• Проекционные лампы - для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
• Двухнитевые лампы . В автомобиле - может быть у лампы переднего света одна нить для дальнего света, другая для ближнего, или, к примеру, одна нить для габаритного огня, другая для стоп-сигнала. Кроме того, такие лампы могут содержать экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей. В самолёте посадочно-рулёжная фара имеет основную нить, на которой лампа работает без внешнего охлаждения и дополнительную, включаемую вместе с основной, позволяя получить более мощный свет, но только при внешнем охлаждении - обдуве набегающим потоком воздуха. В звёздах Московского Кремля используются специально сконструированные двухнитевые лампы, обе нити включены параллельно.
• Лампа-фара . Лампа сложной специальной конструкции, применяемая на подвижных объектах, фигурная колба которой выполнена в виде части корпуса фары с отражателем. Конструктивно содержит в себе нить(и) накала, отражатель, рассеиватель, элементы крепления, клеммы и т. д. Лампы-фары широко применяются в современной автомобильной технике и уже достаточно давно в авиации.
• Малоинерционная лампа накаливания , лампа накаливания с тонкой нитью - использовалась в системах оптической записи звука методом модуляции яркости источника и в некоторых экспериментальных моделях Фототелеграфа . Благодаря малой толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения, модулированного сигналом звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц), приводила к изменению яркости в соответствии с мгновенным напряжением сигнала . С начала XXI века не находят применения благодаря наличию намного более долговечных твердотельных излучателей света и намного менее инерционных излучателей других типов.
• Нагревательные лампы - основной источник тепла в блоках термозакрепления лазерных принтеров и копировальных аппаратов . Лампа цилиндрической формы неподвижно устанавливается внутри вращающегося металлического вала, к которому прижимается бумага с нанесённым тонером . За счёт тепла, передающегося от вала, тонер расплавляется и впрессовывается в структуру бумаги.
• Лампы специального спектра излучения . Применяются в разнообразной технике.

История изобретения

Перегоревшую лампу, колба которой сохранила целостность, а нить разрушилась лишь в одном месте, можно починить путём встряхиваний и поворотов, таких, чтобы концы нити вновь соединились. При прохождении тока концы нити могут сплавиться и лампа продолжит работу. При этом однако может выйти из строя (расплавиться/обломиться) предохранитель, входящий в состав лампы.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

Преимущества

• низкая цена
• небольшие размеры
• невысокая чувствительность к сбоям в питании и скачкам напряжения
• мгновенное зажигание и перезажигание
• незаметность мерцания при работе на переменном токе (важно на предприятиях)
• возможность использования регуляторов яркости

• приятный и привычный в быту спектр; спектр излучения лампы накаливания определяется исключительно температурой рабочего тела и не зависит ни от каких иных условий, что следует из принципа её работы. Он не зависит от применяемых материалов и их чистоты, стабилен во времени и имеет стопроцентную предсказуемость и повторяемость. Это важно в том числе при больших инсталляциях и в светильниках из сотен ламп: нередко можно увидеть, когда при применении современных люминофорных или светодиодных ламп они имеют разный цветовой оттенок в пределах группы. Это уменьшает эстетическое совершенство инсталляций. При неисправности одной лампы часто приходится заменять всю группу целиком, но даже при установке ламп из одной партии встречается девиация спектра
• высокий индекс цветопередачи , Ra 100
• непрерывный спектр излучения
• резкие тени (как при солнечном освещении) благодаря малому размеру излучающего тела
• не боятся низкой и повышенной температуры окружающей среды, устойчивы к конденсату
• налаженность в массовом производстве
• возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
• отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
• отсутствие пускорегулирующей аппаратуры
• возможность работы на любом роде тока
• нечувствительность к полярности напряжения
• чисто активное электрическое сопротивление (единичный коэффициент мощности)
• отсутствие гудения при работе на переменном токе (ввиду отсутствия электронного балласта, драйвера или преобразователя)
• при работе не создаёт радиопомехи
• устойчивость к электромагнитному импульсу
• нечувствительность к ионизирующей радиации

Недостатки

Производство

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

2 июля 2009 года на заседании в Архангельске президиума Государственного совета по вопросам повышения энергоэффективности Президент Российской Федерации Д. А. Медведев предложил запретить в России продажу ламп накаливания .

23 ноября 2009 года Д. А. Медведев подписал принятый ранее Государственной думой и утверждённый Советом федерации закон «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» . Согласно документу, с 1 января 2011 года на территории страны не допускается продажа электрических ламп накаливания мощностью 100 Вт и более, а также запрещается размещение заказов на поставку ламп накаливания любой мощности для государственных и муниципальных нужд; с 1 января 2013 года может быть введён запрет на электролампы мощностью 75 Вт и более, а с 1 января 2014 года - мощностью 25 Вт и более.

Данное решение является спорным. В поддержку его приводятся очевидные доводы сбережения электроэнергии и подталкивания развития современных технологий. Против - соображение, что экономия на замене ламп накаливания полностью сводится на нет повсеместно распространённым устаревшим и энергонеэффективным промышленным оборудованием, линиями электропередачи, допускающими большие потери энергии, а также относительно высокой стоимостью компактных люминесцентных и светодиодных ламп, малодоступных для беднейшей части населения. Кроме того, в России отсутствует налаженная система сбора и утилизации отработавших люминесцентных ламп, что не было учтено при принятии закона, и в результате чего ртутьсодержащие люминесцентные лампы бесконтрольно выбрасываются. Большинство потребителей не знает о наличии в люминесцентной лампе ртути, так как это не указано на упаковке, а вместо «люминесцентная» написано «энергосберегающая». В условиях низких температур многие «энергосберегающие» лампы оказываются неспособными запуститься. Люминесцентные энергосберегающие лампы неприменимы в прожекторах направленного света, так как светящееся тело в них в десятки раз крупнее нити накаливания, что не даёт возможности узкой фокусировки луча. В силу своей дороговизны «энергосберегающие» лампы чаще становятся объектом кражи из общедоступных мест (например, подъездов жилых домов), такие кражи наносят более весомый материальный ущерб, а в случае вандализма (повреждение люминесцентной лампы из хулиганских побуждений) - возникает опасность загрязнения помещения парами ртути.

Лампочка накаливая – предмет, знакомый всем. Электричество и искусственный свет уже давно стали для нас неотъемлемой частью действительности. Но мало кто задумывается, как появилась та самая первая и привычная нам лампа накаливания.

Наша статья расскажет вам, что собой представляет лампа накаливания, как она работает и как появилась в России и во всем мире.

Что собой представляет

Лампа накаливания — электрический вариант источника света, основная часть которого представляет собой тугоплавкий проводник, играющий роль тела накала. Проводник размещен в колбе из стекла, которая внутри бывает накаченной инертным газом или полностью лишенной воздуха. Пропуская через тугоплавкий тип проводника электрический ток, данная лампа может испускать световой поток.

Свечение лампы накаливания

Принцип функционирования базируется на том, что когда электрический ток течет по телу накала, данный элемент начинает накаливаться, нагревая вольфрамовую нить. Вследствие этого нить накала начинает испускать излучение электромагнитно-теплового типа (закон Планка). Для создания свечения температура накала должна составлять пару тысяч градусов. При снижении температуры спектр свечения будет становиться все более красным.
Все минусы, имеющиеся у лампы накаливания, кроются в температуре накала. Чем лучше нужен световой поток, тем большая температура потребуется. При этом вольфрамовая нить характеризуется пределом накала, при превышении которого этот источник света навсегда выходит из строя.
Обратите внимание! Температурный предел нагрева для ламп накаливания — 3410 °C.

Конструкционные особенности

Поскольку лампа накаливания считается самым первым источников света, то вполне закономерно, что ее конструкция должна быть достаточной простой. Особенно, если сравнивать с нынешними источниками света, которые ее постепенно вытесняют с рынка.
В лампе накаливания ведущими элементами считаются:

• колба лампы;
• тело накала;
• токовводы.

Обратите внимание! Первая подобная лампа имела именно такое строение.

Конструкция лампы накаливания

На сегодняшний день разработано несколько вариантов ламп накаливания, но такое строение характерно для самых простых и самых первых моделей.
В стандартной лампочке накаливания, кроме вышеописанных элементов имеется предохранитель, который представляет собой звено. Оно состоит из ферроникелевого сплава. Его вваривают в разрыв одного из двух токовводов изделия. Звено размещается в ножке токоввода. Оно нужно для того, чтобы предупредить разрушение стеклянной колбы во время прорыва нити накала. Это связано с тем, что при прорыве вольфрамовой нити создается электрическая дуга. Она может оплавить остатки нити. А ее фрагменты могут повредить колбу из стекла и привести к возникновению возгорания.
Предохранитель же разрушает электрическую дугу. Такое ферроникелевое звено размещается в полости, где давление равняется атмосферному. В данной ситуации дуга гаснет.
Такое строение и принцип работы обеспечили лампе накаливания широкое распространение по миру, но из-за их высокого энергопотребления и непродолжительному сроку службы, она сегодня стали использоваться гораздо реже. Связано это с тем, что появились более современные и эффективные источники света.

История открытия

В создание лампы накаливания в том виде, в котором она известна на сегодняшний день, сделали свой вклад исследователи, как из России, так и из других стран мира.

Александр Лодыгин

До момента, когда изобретатель Александр Лодыгин из России начал трудиться над разработкой ламп накаливания, в ее истории нужно отметить некоторые важные события:

• в 1809 году известный изобретатель Деларю из Англии создал свою первую лампу накаливания, оснащенную платиновой спиралью;
• через почти 30 лет в 1938 году уже бельгийский изобретатель Жобар разработал угольную модель лампы накаливания;
• изобретатель Генрих Гёбель из Германии в 1854 году уже представил первый вариант рабочего источника света.

Лампочка немецкого образца имела обугленную нить из бамбука, которая помещалась в вакуумированный сосуд. В течение пяти последующих лет Генрих Гёбель продолжал свои наработки и в конечном счете пришел к первому опытному варианту рабочей лампочки накаливания.

Первая практичная лампочка

Джозеф Уилсон Суон, знаменитый физик и химик из Англии, в 1860 году явил миру свои первые успехи в области разработки источника света и за свои результаты был вознагражден патентом. Но некоторые трудности, которые возникли с созданием вакуума, показали неэффективную и не долгосрочную работу лампы Суона.
В России, как уже отмечалось выше, исследованиями в области эффективных источников света занимался Александр Лодыгин. В России он смог добиться свечения в стеклянном сосуде угольного стержня, из которого предварительно был откачен воздух. В России история открытия лампочки накаливания началась в 1872 году. Именно в этом году Александру Лодыгины удались его эксперименты с угольным стержнем. Через два года он в России получает патент под номером 1619, который был выдан ему на нитевой вид лампы. Нить он заменил на стержень из угля, находившийся в вакуумной колбе.
Ровно через год В. Ф. Дидрихсон значительно улучшил вид лампы накаливания, созданную в России Лодыгином. Усовершенствование заключалось в замене угольного стержня на несколько волосков.

Обратите внимание! В ситуации, когда один из них перегорал, происходило автоматическое включение другого.

Джозеф Уилсон Суон, который продолжал свои попытки усовершенствовать уже имеющеюся модель источника света, получает патент на лампочки. Здесь в качестве нагревательного элемента выступало угольное волокно. Но здесь оно располагалось уже в разреженной атмосфере из кислорода. Такая атмосфера позволила получить очень яркий свет.

Вклад Томаса Эдисона

В 70-х года позапрошлого столетия в изобретательскую гонку по созданию работающей модели лампы накаливания включился изобретатель из Америки — Томас Эдисон.

Томас Эдисон

Он проводил исследования в вопросе применения в виде элемента накаливания нитей, произведенных из разнообразных материалов. Эдисон в 1879 году получает патент на лампочку, оснащенной платиновой нитью. Но через год он возвращается к уже проверенному угольному волокну и создает источник света со сроком эксплуатации в 40 часов.

Обратите внимание! Одновременно с работой по созданию эффективного источника света, Томас Эдисон создал поворотный тип бытового выключателя.

При том, что лампочки Эдисона работают всего лишь 40 часов, они начали активно вытеснять с рынка старый вариант газового освещения.

Результаты работ Александра Лодыгина

В то время, как на другом конце мира Томас Эдисон проводил свои эксперименты, в России аналогичными изысканиями продолжал заниматься Александр Лодыгин. Он в 90-х годах 19 века изобрел сразу несколько видов лампочек, нити которых были изготовлены из тугоплавких металлов.

Обратите внимание! Именно Лодыгин первым решился использовать вольфрамовую нить в качестве тела накаливания.

Лампочка Лодыгина

Кроме вольфрама он также предлагал использовать нити накаливания, изготовленные из молибдена, а также скручивать их в форме спирали. Такие свои нити Лодыгин размещал в колбах, из которых откачивался весь воздух. Вследствие таких действий нити предохранялись от кислородного окисления, что делало срок службы изделий значительно продолжительным.
Первый тип коммерческой лампочки, произведенный в Америке, содержала вольфрамовую нить и изготавливалась по патенту Лодыгина.
Также стоит отметить, что Лодыгиным были разработаны газонаполненные лампы, содержащие угольные нити и заполненные азотом.
Таким образом, авторство первой лампочки накаливания, отправленной в серийное производство, принадлежит именно российскому исследователю Александру Лодыгину.

Особенности работы лампочки Лодыгина

Для современных ламп накаливания, которые являются прямыми потомками модели Александра Лодыгина, характерны:

• отменный световой поток;
• отличная цветопередача;

Цветопередача лампы накаливания

• низкий показатель конвекции и проводимости тепла;
• температура накала нити — 3400 K;
• при максимальном уровне показателя температуры накала коэффициент для полезного действия составляет 15 %.

Кроме этого данный тип источника света в ходе своей работы потребляет много электроэнергии, по сравнению с другими современными лампочками. Из-за конструкционных особенностей такие лампы могут работать примерно 1000 часов.
Но, несмотря на то, что по многим критериям оценки данная продукция уступает более совершенным современным источникам света, она, благодаря своей дешевизне, все еще остается актуальной.

Заключение

В создании эффективной лампы накаливания участвовали изобретатели из разных стран. Но только российский ученый Александр Лодыгин смог создать самый оптимальный вариант, которым мы, собственно, и продолжаем пользоваться по сегодняшний день.

Секреты установки точечных светильников в натяжной потолок: насколько это сложно?