Все о лампе накаливания

Развитие современных технологий привело к появлению новых моделей источников света, обеспечивающих высокие значения потока света при низком энергопотреблении. При этом старая лампа накаливания неохотно сдает свои позиции, по прежнему занимая немалую часть рынка.

Немного истории

У истоков создания промышленных образцов источника света с использованием нити накала стоят два изобретателя — россиянин Александр Лодыгин и американец Томас Эдисон. Хотя первые прототипы ламп были разработаны еще в 1854 году немецким часовым мастером Генрихом Гебелем. Ему удалось создать несколько работоспособных образцов лампочек, которые демонстрировались на одной из первых электротехнических выставок в США.

Лодыгин в 1890-х годах первым предложил использовать в качестве материала нити вольфрам, но угольные нити продержались в производстве еще несколько десятилетий. Параллельно шли попытки внедрения спиралей из тантала, осмия и окисей редкоземельных элементов (иттрия или циркония). Первое время лампы быстро перегорали из-за испарения металлической спирали, пока специалист компании General Electric Ирвинг Ленгмюр не предложил заполнять колбу инертным газом. Все эти изобретения за несколько десятилетий сформировали окончательный облик и конструкцию лампы накаливания, которая производится в неизменном виде и в наше время.

Производство

При производстве ламп стекло для колб изготавливают в специальных печах, а затем колбы формуют при помощи подачи сжатого воздуха в форму. Параллельно на автоматическом станке делаются трубки штенгелей и навивается спираль накала. Дальнейшая сборка ведется на автоматической линии, но при этом используется и ручной труд.

Подробное видео о производстве ламп на заводе в Российской федерации представлено каналом Интеллектуариум умный журнал.

Устройство и принцип действия

Лампа накаливания состоит из металлического цоколя, который служит одним из контактов и вклеенной в него стеклянной колбы любой формы. Второй контакт расположен на нижней части цоколя и отделен от резьбовой части изоляционным кольцом.

Внутри колбы установлен стеклянный штенгель с двумя контактными электродами. Одна часть электродов припаяна к контактам цоколя, а во второй зажаты кончики нити накала. Внутри штенгеля имеется стеклянная трубка, через которую во время изготовления откачивается воздух и подается наполнитель для колбы. После этого трубка запаивается, что обеспечивает полную герметичность полости колбы. Для поддержки нити от проседания при нагреве имеются несколько металлических держателей. Одной стороной они закреплены на лопатке штенгеле, а на другой имеют крючки для удержания спирали.

Принципиальная схема лампы
1.	Колба
2.	Полость внутри колбы
3.	Спираль из вольфрама
4.	Подсоединительный электрод
5.	Подсоединительный электрод
6.	Крючки подвеса спирали
7.	Ножка с расположенным внутри штенгелем
8.	Подача питания на электрод (с предохранительным звеном)
9.	Цоколь с резьбой
10.	Донный изолятор между контактами цоколя
11.	Второй контакт на дне цоколя

Применяемый иногда в конструкции предохранитель представляет собой нить из ферроникелевого сплава. Эта нить отгорает при перегорании спирали и возникновении дуги между частями спирали. Теоретически при этом могут образоваться капли раскаленного материала, которые способны прожечь тонкое стекло колбы. По факту такое практически невозможно и предохранительные элементы на современных лампах не применяются.

Свет от лампы накаливания формируется в результате излучения спирали проходящим через нее электрическим током. Для оценки и измерения физиологического качества ламп применяется шкала цветовой температуры. Нагретые спирали ламп накаливания излучают желтоватый свет с диапазоном от 2200 до 2900 К (зависит от мощности нити и типа газового наполнителя колбы). Такой свет несколько отличается от дневного, который имеет цветовую температуру около 3200 К.

Колба

Основной деталью лампы является колба, изготовленная из тонкого стекла. Колба выполняет роль защитного кожуха, предохраняя спираль от воздействия атмосферного воздуха и механических повреждений. Нижняя часть колбы запаяна и оснащена двумя выводами от электродов, которые припаиваются к контактам на цоколе. Для соединения цоколя и колбы применяется термостойкий клей. На верхней части колбы может наноситься маркировка завода-изготовителя, указывающая на завод, дату изготовления, мощность и рабочее напряжение.

Буферный газ

Внутренняя полость ламп долгое время была просто вакуумирована. Затем в колбах стали использовать различные инертные газы и их смеси или соединения галогенов. Сколько прослужит лампа — во многом зависит от состава газа в колбе. Наиболее распространенные наполнители для колб:

1. Смесь аргона и азота.
2. Чистый аргон.
3. Криптон.
4. Ксенон.
5. Соединения галогенов (фтор, йод). В таких лампах используется химическая реакция испарившегося с поверхности нити металла с соединениями галогенов. Получившийся сплав под воздействием температуры распадается с оседанием частиц металла на спирали.

Нить накала

Материал для спиралей является вольфрам, который среди металлов обладает самой высокой температурой плавления (3410 градусов С). Изредка для спиралей применяется сплав вольфрама с осмием. Ранние версии ламп накаливания, выпускавшиеся в начале XX века, выполнялись из чистого угля, который имеет температуру перехода в газообразное состояние (возгонки) около 3560 градусов.

Впоследствии такие изделия были полностью вытеснены вольфрамом. Особенностью угольной нити было медленное нарастание свечения по мере накала. При этом пусковой ток имел малое значение и нарастал до номинального только после полного прогрева. Основной проблемой ламп накаливания является низкий коэффициент полезного действия тока — в световую энергию преобразуется не более пяти процентов энергии.

Наиболее распространены спирали из проволоки круглого сечения с диаметром около 4 микрон, однако встречаются и спирали из вольфрамовой ленты. Для более равномерного распределения потока света спираль в большинстве ламп устанавливается в виде половины шестигранника. На некоторых маломощных лампах, выпускавшихся в СССР в 80-е годы, спираль имела сложную схему натяжения с большим количеством поддерживающих элементов. На современных лампах мощностью от 200 Вт применяется спираль двойной схемы, фото которой приведено ниже.

Хорошо видна схема крепления спирали к электродам

Поскольку спираль нагревается до больших температур, в соединении ее с электродами невозможно применение сварки или припоев. Концевик спирали плотно зажимается конечной частью электрода. Эта операция сборки является автоматической.

Цоколь

Для установки лампы в патрон и подачи напряжения на спираль применяются стандартизированные металлические цоколи с резьбой. Наиболее распространенные типы цоколей приведены в таблице.

В Великобритании используется собственный стандарт цоколей без резьбы. Лампы защелкиваются специальным поворотным зажимом в патроне.

Лампа с британским типом цоколя

Параметры

Согласно международным стандартам и ГОСТ все характеристики ламп со спиралью накаливания делятся на три группы:

• электрические;
• технические;
• эксплуатационные.

Электрические

Основными электрическими параметрами являются номинальное напряжение и потребляемая мощность. Номинальное напряжение для большинства ламп равно напряжению в электрической сети. По действующему на сегодняшний день ГОСТ 2239-79 имеются несколько интервалов переменного напряжения питания ламп:

• от 125 до 135 В;
• от 215 до 225 В;
• от 220 до 230 В;
• от 230 до 240 В;
• от 235 до 245 В.

Технические

К параметрам этого вида относится спектральный тип и состав светового потока, цветовая температура, интенсивность света от лампы. При этом следует учитывать нелинейную зависимость светового потока от потребляемой мощности. Рост света наблюдается примерно до 75 Вт, а затем начинает снижаться. Важным техническим параметром является равномерность освещения по окружности колбы, поэтому лампу можно устанавливать в любом положении.

Эксплуатационные

Данные параметры указывают на возможность и целесообразность применения изделия в установке для освещения с экономической точки зрения. Под всем этим понимают ресурс изделия, стабильность и распределение светового потока от спирали.

Разновидности ламп и область применения

На сегодняшний день в продаже присутствуют несколько разновидностей ламп со спиралью накаливания. Их можно разделить на следующие группы:

1. Вакуумные или с накачкой аргоном.
2. С наполнением криптоном, что дает примерно 10-процентное увеличение яркости, по сравнению с аргоном.
3. С ксеноном внутри колбы, которые в два раза ярче криптоновых.
4. Галогенные, заполненные веществами на основе йода или брома. Обладают яркостью в 2,5 раза выше аргона.
5. Двухколбовые галогенные лампы, которые обеспечивают больший нагрев колбы с галогеном внутри, и более эффективный распад и осаждение металла на спираль.
6. Комбинированные ксенон-галогенные, светящие в три раза ярче аргоновых. Могут оснащаться инфракрасным отражателем, что повышает эффективность работы.
7. Перспективные лампы с покрытием, излучающим свет при нагреве.

В зависимости от разновидности меняется стоимость изготовления лампы. Самыми простыми и дешевыми являются прозрачные вакуумные лампы с колбами шаровидной формы. В Российской Федерации лампы такого типа рассчитаны на ток до 230 В. Эти изделия производятся не только отечественными заводами, но и зарубежными, такими как Филипс, Осрам, Дженерал Электрик. Примерами импортной продукции могут быть изделия компании GE или Philips.

Классическим примером изделия Филлипс служит лампа модели Standard 60W E27 230V A55 CL 2CT, которая обладает следующими параметрами:

• потребляемая мощность 60 Вт при напряжении не более 230 В;
• возможно применение регулятора накала (диммера);
• цоколь — размер Е27;
• тип колбы — шаровая, прозрачная, с диаметром 55 мм (А55);
• способ установки — универсальный, колба может быть направлена в любую сторону;
• усредненный ресурс — около 1000 часов;
• максимальный световой поток — 710 Люмен;
• класс электропотребления — Е;
• вес — около 23 грамм;
• стоимость — от 19 до 25 рублей.

К категории ламп с прозрачной колбой относятся источники света для прожекторов, которые могут иметь мощность до 1000 Вт и оснащаются цоколем Е40. Особенностью таких ламп является мощная спираль, от которой изделие сильно нагреваются, что отрицательно влияет на долговечность. Ресурс таких ламп не более 100 часов, что является вполне достаточным показателем для прожекторов, которые работают короткие промежутки времени. Вес ламп может быть более 5 кг. Средняя стоимость изделия — около 110 рублей.

Лампы с матовым покрытием имеют такую же форму колбы, что и прозрачные. Примером матовой лампы может служить изделие компании Osram под обозначением 75W CLASSIC A FR 75.

Его описание и характеристики выглядят следующим образом:

• мощность 75 Вт при напряжении не выше 230 В;
• тип цоколя — Е27;
• диаметр матовой колбы — не более 55 мм;
• световой поток — 935 Люмен;
• цена — до 30 рублей.

Хорошо видно, что, благодаря покрытию, при повышении мощности на 25 процентов удалось увеличить поток на треть. Аналогичные по форме и мощности лампы могут иметь зеркальное покрытие на внутренней поверхности колбы, что создает направленный поток света. Такие лампы часто используют для освещения витрин.

Примером изделия может служить лампа компании Дженерал Электрик R80 100W Е-27:

• мощность 100 Вт;
• цоколь — Е27;
• тип колбы — R80 с диаметром 80 мм;
• средняя стоимость — 75 рублей.

Номенклатура

Этот параметр определяется по функциональному назначению изделий.

Существуют следующие виды ламп:

1. Предназначенные для общего назначения. Это самый массовый сектор применения ламп накаливания, который в последние 10 лет принудительно регулируется государственными учреждениями. Причиной сокращения количества таких ламп стала их неэкономичность.
2. Лампы общего назначения с декоративной колбой в форме свечи или шара малого диаметра.
3. Лампы для местного освещения, рассчитанные на напряжения 12, 24, 36 или 42 В. Такие изделия применяются для освещения рабочих зон промышленного оборудования или подвальных помещений. Отдельным подвидом таких изделий являются зеркальные лампы, которые применяются в медицинском оборудовании. Классическим примером может быть 24-вольтная лампа РНЗ 24V 25W B15d. В конструкции такой лампы имеется зеркальная верхняя часть и двойная спираль с держателями, установленными на внутренней поверхности колбы. Особенностью работы таких ламп является обеспечение бестеневого света, что очень важно в медицине и при высокоточных работах на промышленном оборудовании.
4. Лампы для иллюминации и подсветки, с покрытием внутренней части колбы красителями разных цветов. Для обеспечения долговечности эти лампы выполняются маломощными (до 25 Вт). Ранее такие лампы выполняли путем нанесения цветного лака на внешнюю часть колбы, но лак быстро старел, растрескивался и осыпался отдельными фрагментами.
5. Лампы для сигнализаторов, с малой мощностью и большим ресурсом.
6. Лампы для транспортных средств. Обладают высокой виброустойчивость и быстросменными цоколями, исключающими прикипание деталей в результате коррозии. Выпускаются на широкий диапазон напряжений — от 6 до 220 В. Могут иметь одну или две нити и оснащаться дополнительным отражающим экраном.
7. Лампы для прожекторов, которые могут иметь мощность до 10 кВт. Спираль таких изделий уложена очень компактно и позволяет формировать узкие направленные пучки света, которые усиливаются отражателем прожектора.
8. Специальные лампы для подсветки оптических приборов. Имеют особую форму колбы и спирали, за счет чего получается направленный поток света. Могут иметь покрытие колбы, позволяющее ограничивать спектр излучения.
9. Коммутаторные лампы, в настоящее время практически не встречаются. Использовались в качестве индикаторов на пультах и панелях управления.
10. Лампы для подсветки зон при фотографировании. Имели мощность до 500 Вт и матовую колбу. В настоящее время почти не встречаются.
11. Изделия для кинопроекторов с нитью повышенной яркости свечения, позволявшие образовывать пучок света прямоугольной формы.
12. Нагревательные лампы, применяющиеся в процессе переноса тонера на бумагу в лазерных принтерах. Иногда к ним относят обычные лампы с мощностью более 200 Вт, которые позиционируются именно как нагреватели (из-за ограничений по продаже).

Преимущества и недостатки

Лампы накаливания остаются одним из самых распространенных источников света в наши дни. Причинами популярности этих изделий являются:

1. Простота крупносерийного производства, которое налажено и отработано за много лет работы.
2. Невысокая себестоимость.
3. Практически мгновенный разогрев до рабочих температур без применения специальной электроники (пусковых реле и т. д.).
4. Нечувствительность к скачкам напряжения в сети (кроме перепадов на большую величину).
5. Отсутствие в конструкции материалов, загрязняющих окружающую среду.
6. Возможность работы при постоянном и переменном токе любой частоты.
7. Отсутствует полярность при подключении цоколя.
8. Отсутствие пульсаций света, связанных с частотой напряжения.
9. Легкость регулирования степени накала лампы.
10. Широкий диапазон температур работоспособности.
11. Возможность изготовления ламп под любое напряжение и мощность.

Но наряду с достоинствами имеются и недостатки, которые и привели к появлению новых типов ламп.

К минусам лампы накаливания относятся:

1. Невысокая световая отдача при высоком энергопотреблении.
2. Малый срок службы.
3. Резкое увеличение тока в цепи в момент подачи напряжения на нить. При этом ток возрастает в 8…10 раз, нагружая электрическую проводку и контактные соединения.
4. Хрупкая колба, очень чувствительная к ударам и вибрации.
5. Изменение интенсивности освещения от напряжения. Вместе с этим меняется и срок службы, который сильно сокращается при высоких напряжениях.
6. Пожароопасность из-за нагрева колбы и патрона. Самые слабые лампы с мощностью до 25 Вт способны нагреться до 100 градусов. Самые мощные образцы ламп прогреваются до 310…330 градусов. В ходе проведенных экспериментов выяснилось, что для воспламенения соломы от контакта с лампой в 60…75 Вт потребуется не менее часа времени.
7. Нагрев лампы вызывает охрупчивание материала патрона, который просто рассыпается при попытке выкрутить цоколь лампы.

В связи с этими недостатками идет поэтапное ограничение мощности ламп накаливания, доступных к продаже. В Российской Федерации с 2013 года официально запрещена продажа ламп накаливания с мощностью 100 Вт и более. Однако имеющиеся в продаже лампы с заявленной мощностью 95…97 ватт по факту являются обычными «сотками». Запрет на продажу более мощных изделий обходится с помощью изменения названия на «теплоизлучатель» или «нагревательный прибор». Под таким обозначением доступны лампы с мощностью от 150 до 300 Вт.

 Загрузка ...

Фотогалерея

Видео «Типы ламп накаливания»

Различные типы ламп накаливания показаны в видеоролике, снятом flybacker2009.