Лампа накаливания

Лампа накаливания. 230 В, 60 Вт, 720 лм, цоколь E27, Высота примерно 110 мм

Лампа накаливания — электрическая, источник света, в котором происходит преобразование электрической энергии в световую в результате сильно нагретой металлической спирали при протекании через неё электрического тока.

Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить 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, в идеале 5770 K (температура поверхности 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 теплопроводности 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. Идеальная температура в 5770 K 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).

При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампы делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.

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 ТН; 7 — ножка лампы; 8 — внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 — корпус цоколя; 10 — изолятор цоколя (стекло); 11 — контакт донышка цоколя.

Конструкции ЛН весьма разнообразны и зависят от назначения конкретного вида ламп. Однако общими для всех ЛН являются следующие элементы: ТН, колба, токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели ТН различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

Колба

Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.

Буферный газ

Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (молярные массы: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)

Нить накала

Двойная спираль лампы накаливания (Osram 200 Вт) с контактными проводниками и держателями нити

Нить накала в первых лампах делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома ($I=U/R$) и мощность по формуле $P=U\cdot I$, или $P=U^2/R$. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампу должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. 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.

Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза 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.

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

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40. Также встречаются цоколи без резьбы.

Предохранитель

Перегорание лампы происходит во время её работы, то есть в то время, когда одновременно нить накала нагрета и через нить протекает электрический ток. Если в это время происходит разрыв нити, то между разведёнными концами нити обычно загорается электрическая дуга. В быту это можно заметить по яркой синевато-белой вспышке в момент перегорания лампы.

Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки питающей цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.

КПД и долговечность

Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения

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

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

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности. 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.

тип	КПД	яркость(Люмен/Ватт)
40 W Лампа накаливания	1.9%	12.6
60 W Лампа накаливания	2.1%	14.5
100 W Лампа накаливания	2.6%	17.5
Галогенные лампы	2.3%	16
Металлогалогенная лампа (с кварцевым стеклом)	3.5%	24
Высокотемпературная лампа накаливания	5.1%	35
Абсолютно чёрное тело при 4000 K	7.0%	47.5
Абсолютно чёрное тело при 7000 K	14%	95
Идеально белый источник света	35.5%	242.5
Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник	100%	683

Галогенные лампы

Галогенная лампа

Добавление в буферный газ паров галогенов (брома или йода) повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура спирали составляет примерно 3000  К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.

Иод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё.

Трансформатор и электронный инвертор для питания 12-вольтных галогеновых ламп

Добавление галогенов предотвращает осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла выше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компактном виде. Малый объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжёлыми инертными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность.

Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварцевого стекла.

Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой) [1].

Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут быть использованы как прямая замена обычных галогенных ламп.

Специальные лампы

• Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
• Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.

История изобретения

Ошибка создания миниатюры: Файл не найден

Томас Альва Эдисон

Файл:Lodygin portrait.jpg

Александр Николаевич Лодыгин

• В 1809 г. англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью)
• В 1838 г. бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания.
• В 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампу: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой.
• 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.
• Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. 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 патрон, цоколь и выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
• В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.
• В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.
• В 1910 г. 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 Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 г. в фирме General Electric, придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

Литература

• A. Zukauskas, M.S. Shur and R. Caska, Introduction to solid-state ligthing, John Willey & Sohn, 2002
• K. Bando, Symp. Proc. Of the 8th Int. Symp. on the Sci. & Tech. of Ligth Sources 1998, 80