Как работает лампа накаливания?

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

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

Принцип действия

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

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

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

Конструкция

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

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

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

Нить накаливания

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

Цоколь

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

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

Интересные факты

"Столетняя лампа"

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

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

Как выглядит лампа накаливания

Принцип действия

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

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

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

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

Строение

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

Виды ламп накаливания

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

Устройство лампы накаливания

Параметры

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

Мощность

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

Характеристики ламп

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

Технические характеристики

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

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

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

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

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

Эксплуатационные параметры

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

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

Виды ламп накаливания

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

Лампы общего назначения (ЛОН)

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

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

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

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

Как выглядят прожекторные лампы

Зеркальные лампы

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

Как выглядит зеркальная лампа

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

Галогенные лампы

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

Галогенная лампа со штырьковым цоколем

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

Как включать лампы накаливания

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

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

Схемы подключения ламп

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

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

Способы совершенствования ламп

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

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

Как увеличить срок службы

Причины быстрого перегорания ламп следующие:

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

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

Способы обеспечения долговечности ламп накаливания:

1. При покупке выбрать подходящий диапазон напряжений.
2. Переноски перемещаются в выключенном состоянии, поскольку малейшее сотрясение приводит к перегоранию работающей лампы.
3. Если лампочка быстро выходит из строя в одном и том же патроне, его следует отремонтировать или заменить.
Оцените статью:

Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а ) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3 , которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6 , обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4 . Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5 , именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б , состоит из электродов 6 , тарелочки 9 , и штенгеля 10 , представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8 , штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7 . Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11 , соединяемые между собой электросваркой.

Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а ) и ее ножки (б )

Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1 . Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2 , после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.

Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13 , крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12 .

От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.

Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а - высоковольтной проекционной лампы; б - низковольтной проекционной лампы; в - обеспечивающая получение равнояркого диска

Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити. Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.

Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а - в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б - в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 - кольцевая спираль; 2 - прямая биспираль; 3 - спираль, расположенная по поверхности цилиндра

Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.

Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания

Применяемые в лампах накаливания материалы

Металлы

Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры. Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.

Таблица 1

Температура плавления металлов и их соединений

Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41x10 -10 и 9,95x10 -8 кг/(см?xс).

Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 - 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.

В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрамовой нити

Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов. Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.

Добавка к вольфраму окиси тория ThO 2 замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.

Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO 2 вместе со щелочными металлами - калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al 2 O 3 . Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.

Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.

Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 x 10 -7 К -1 . Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.

Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.

Стекла

Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 x 10 -7 К -1 . Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.

Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 x 10 -7 К -1 . Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 x 10 -7 К -1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 - 3 мкм. Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.

Вводы

Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 - 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.

Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название "платинит". Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты). Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.

Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.

Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.

Газы

Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 x 104 Па. Какой газ для этого использовать?

Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.

Таблица 3

Основные параметры инертных газов

Эта тема довольно обширна, поэтому, хочу сразу отметить, что в данной заметке рассмотрим вопрос пожароопасности ламп, применяемых в исключительно в быту.

Пожарная опасность патронов электрических ламп

В процессе эксплуатации патроны ламп изделия могут стать причиной пожара от короткого замыкания внутри патрона, от токов перегрузки, от большого переходного сопротивления в контактных частях.

От коротких замыканий могут в патронах ламп возможно замыкание между фазой и нулем. В этом случае причиной пожара является , сопровождающая короткие замыкания, а также перегрев контактных деталей из-за термического воздействия токов короткого замыкания.

Перегрузки патронов по току возможны при подключении лампочек с мощностью, которая превышает номинальную для данного патрона. Обычно загорания при перегрузках связаны также с повышенным падением напряжения в контактах.

Рост падения напряжения в контактах усиливается при увеличении переходного сопротивления контактов и тока нагрузки. Чем больше падение напряжения в контактах, тем больше их нагрев и тем больше вероятность воспламенения пластмассы или проводов, присоединяемых к контактам.

В отдельных случаях, возможно также возгорание изоляции питающих проводов и шнуров, в результате износа токопроводящих жил и старения изоляции.

Все описанное здесь также относится и к другим электроустановочным изделиям (розеткам, выключателям). Особенно пожароопасны электроустановочные изделия имеющие некачественную сборку либо определенные конструктивные недостатки, например, отсутствие механизмов мгновенного расцепления контактов у дешевых выключателей и т. д.

Но вернемся к рассмотрению вопроса пожароопасности источников света.

Основной причиной возникновения пожаров от любых электрических ламп является загорание материалов и конструкций от теплового воздействия ламп в условиях ограниченного теплоотвода. Это может произойти из-за установки лампы непосредственно к сгораемым материалам и конструкциям, закрывания ламп сгораемыми материалами, а также из-за конструктивных недостатков светильников или неправильного положения светильника – без съема тепла, предусмотренного требованиями согласно технической документации на светильник.

Пожарная опасность ламп накаливания

В лампах накаливания электрическая энергия переходит в энергию световую и тепловую, причем тепловая составляет большую долю общей энергии, в связи с чем колбы ламп накаливания очень прилично нагреваются и оказывают значительные тепловые воздействия на окружающие лампу предметы и материалы.

Нагрев при горении лампы распределяется по ее поверхности неравномерно. Так, для газонаполненной лампы мощностью 200 Вт температура стенки колбы по ее высоте при вертикальной подвеске при проведении измерений составила: на цоколе – 82 о С, на середине высоты колбы – 165 о С, в нижней части колбы – 85 о С.

Наличие воздушного промежутка между лампой и каким-либо предметом значительно ослабляет его нагрев. Если температура колбы на ее конце равна для лампы накаливания мощностью 100 Вт – 80 о С, то температура на расстоянии 2 см. от конца колбы составила уже 35 оС, на расстоянии 10 см – 22 о С, а на расстоянии 20 см – 20 о С.

Если колба лампы накаливания соприкасается с телами, обладающими малой тепропроводностью (тканью, бумагой, деревом и др.), в зоне касания в результате ухудшения теплоотвода возможен сильный перегрев. Так, например, у меня 100-ватная лампочка накаливания, обернутая хлопчатобумажной тканью, через 1 минуту после включения в горизонтальном положении нагрелась до 79 оС, через две минуты – до 103 оС, а через 5 минут – до 340 о С, после чего начала тлеть (а это вполне может стать причиной пожара).

Измерения температуры проводились с помощью термопары.

Приведу еще несколько цифр, полученных в результате измерений. Может быть кому-нибудь они покажутся полезными.

Так температура на колбе лампы накаливания мощностью 40 Вт (одна из самых распространенных мощностей ламп в домашних светильниках) составляет через 10 минут после включения лампы 113 градусов, через 30 мин. – 147 о С.

Лампа мощностью 75 Вт через 15 минут нагрелась уже до 250 градусов. Правда в дальнейшем, температура на колбе лампы стабилизируется и практически не изменяется (через 30 минут она составляла примерно все те же 250 градусов).

Лампочка накаливания мощностью 25 Вт нагревается до 100 градусов.

Самые серьезные температуры зафиксированы на колбе фото лампы мощностью 275 Вт. Уже через 2 минуты после включения температура достигла значения 485 градусов, а через 12 минут – 550 градусов.

При использовании галогенных ламп (по принципу действия они являются близкими родственниками ламп накаливания) вопрос их пожароопасности стоит также, если не более остро.

Особенно важно учитывать способность выделять тепло в больших размерах галогенными лампами при необходимости использовании их на деревянных поверхностях, что кстати случается довольно часто. В этом случае, целесообразно использовать низковольтные галогенные лампы (12 В) малой мощности. Так, уже при галогенной лампочке мощностью 20 Вт конструкции сделанные из сосны начинают усыхать, а материалы из ДСП выделять формальдегид. Лампочки мощностью большей чем 20 Вт ещё горячее, что чревато самовозгоранием.

Особое внимание при этом нужно обратить при выборе конструкции светильников для галогенных ламп. Современные качественные светильники сами по себе неплохо изолируют от тепла окружающие светильник материалы. Главное что бы светильник мог беспрепятственно это тепло терять и конструкция светильника, в целом, не представляла из себя термос для тепла.

Если же затронуть общепринятое мнение, что галогенные лампы со специальными рефлектрорами (например, так называемые, дихроичные лампы) практически не выделяют тепла, так это явное заблуждение. Дихроичный рефлектор действует, как зеркало для видимого света, но не пропускает большую часть инфракрасного (теплового) излучения. Все тепло возвращается назад на лампу. Поэтому дихроичных лампы меньше нагревают освещаемый объект (холодный пучок света), но при этом, они нагревают намного больше сам светильник, чем обычные галогенные лампы и лампы накаливания.

Пожарная опасность люминесцентных ламп

Насчет современных люминесцентных ламп (например, Т5 и Т2) и всех люминесцентных ламп с электронными ПРА сведений об их больших тепловых воздействиях, пока у меня нет. Рассмотрим возможные причины появления больших температур на люминесцентных лампах со стандартными электромагнитными ПРА. Несмотря на то, что такие ПРА в Европе уже практически полностью под запретом, у нас они еще очень и очень распространены и до их полной замены на электронные ПРА пройдет еще довольно много времени.

С точки зрения физического процесса получения света люминесцентные лампы более значительную часть электроэнергии превращают в видимый световое излучение, нежели лампы накаливания. Однако при определенных условиях, связанных с неисправностями пускорегулирующей аппаратуры люминесцентных ламп («залипание» стартера и др.), возможен их сильный нагрев (в отдельных случаях нагрев ламп возможен до 190 – 200 градусов, а – до 120).

Такие температуры на лампах являются следствием оплавления электродов. Причем, если электроды сместятся ближе к стеклу лампы, нагрев может быть еще более значительным (температура плавления электродов, в зависимости от их материал, составляет 1450 – 3300 о С). Что же касается возможной температуры на дросселе (100 – 120 о С), то она тоже является опасной, так как температура размягчения для заливочной массы по нормам – 105 оС.

Определенную пожарную опасность представляют стартеры: внутри них находятся легкосгораемые материалы (бумажный конденсатор, картонные прокладки и др.).

Требуют, чтобы максимальный перегрев опорных поверхностей светильников не превышал 50 градусов.

В целом, затронутая сегодня тема очень интересна и довольно обширна, поэтому в будущем мы обязательно к ней еще будем возвращаться.

Определение
- источник света, преобразующий энергию проходящего по спирали лампы электрического тока в тепловую и световую. По физической природе различают два вида излучения: тепловое и люминесцентное.
Тепловым называют световое излучение, возникающее
при нагревании тел. На использовании теплового излучения основано свечение электрических ламп накаливания.

Достоинства и недостатки

Достоинства ламп накаливания:
при включении они зажигаются практически мгновенно;
имеют незначительные размеры;
стоимость их невысока.

Основные недостатки ламп накаливания:
лампы обладают слепящей яркостью, отрицательно отражающейся на зрении человека, поэтому требуют применения соответствующей арматуры, ограничивающей ослепление;
обладают незначительным сроком службы (порядка 1000 часов);
срок службы ламп существенно снижается при повышении напряжения питающей электросети.

Световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%.

Таким образом, основной недостаток ламп накаливания - низкая светоотдача. Ведь лишь незначительная часть потребляемой ими электрической энергии превращается в энергию видимых излучений, остальная часть энергии переходит в тепло, излучаемое лампой.

Принцип действия.

Принцип действия ламп накаливания основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через нить, в световую. Температура разогретой нити достигает 2600...3000 "С. Но нить лампы не плавится, потому что температура плавления вольфрама (3200...3400 °С) превышает температуру накала нити. Спектр ламп накаливания отличается от спектра дневного света преобладанием желтого и красного спектра лучей.
Колбы ламп накаливания вакуумируются или заполняются инертным газом, в среде которого вольфрамовая нить накала не окисляется: азотом; аргоном; криптоном; смесью азота, аргона, ксенона.

Устройство и работа ламп накаливания

Лампа накаливания (рис.) светится потому, что нить из тугоплавкой вольфрамовой проволоки раскаляется проходящим через нее током. Чтобы спираль быстро не перегорела, из стеклянного баллона выкачан воздух либо баллон заполнен инертным газом. Спираль укреплена на электродах. Один из них припаян к металлической гильзе цоколя, другой - к металлической контактной пластине. Их разделяет изоляция. Один из проводов присоединен к гильзе цоколя, а другой - к контактной пластине, как показано на рис. Тогда ток, преодолевая электрическое сопротивление НИТИ, раскаляет ее.

Обозначения ламп накаливания

В обозначении ламп накаливания буквы означают: В - вакуумная; Г - газонаполненная; Б - биспиральная; БК - биспиральная криптоновая (имеет повышенную светоотдачу и меньшие размеры по сравнению с лампами В, Б и Г, но стоит дороже); ДБ - диффузная (с матовым отражательным слоем внутри колбы); МО - местного освещения.

За буквами следуют две группы цифр. Они указывают диапазон напряжений и мощность лампы.

Пример. «В 220...230-25» обозначает напряжение 220...230 В, мощность 2-5 Вт. В обозначении может также присутствовать дата выпуска лампы, например, IX 2005.

Лампы мощностью до 150 Вт выпускаются: в бесцветных прозрачных баллонах (световой поток ламп не уменьшается); в матированных изнутри баллонах (световой поток ламп уменьшается на 3%); в опаловых колбах; окрашенных в молочный цвет баллонах (световой поток ламп уменьшается на 20%).
Лампы мощностью, до 200 Вт изготавливают как с резьбовыми, так и со штифтовыми нормальными цоколями. Лампы мощностью более 200 Вт выпускаются только с резьбовыми цоколями. Лампы мощностью более 300 Вт выпускаются с цоколем диаметром 40 мм.

Примеры исполнения стандартных ламп накаливания

Примеры исполнения ламп накаливания приведены на рис. 2. На рис. 2.а,б - лампы одинаковой мощности, но на рис. 2.а - газонаполненная с аргоновым, а на рис. 2.б - с криптоновым наполнителем (криптоновая). Размеры криптоновой лампы меньше. Лампа на рис. 2.в напоминает свечу. Такие лампы часто применяют в люстрах и настенных светильниках. На рис. 2.г,д,е изображены, соответственно, биспиральная, биспиральная криптоновая, и зеркальная лампы.