![Лампа накаливания Лампа накаливания](/modules/owlapps_apps/img/nopic.jpg)
Ла́мпа нака́ливания — искусственный источник света, в котором свет испускает тело накала, нагреваемое электрическим током до высокой температуры. Является нелинейным элементом, поскольку чем выше температура - тем выше сопротивление тела накала, по мере разогрева тела накала после включения ток через него уменьшается. В качестве тела накала чаще всего используется спираль из тугоплавкого металла (обычно — вольфрама) либо угольная нить. Чтобы исключить окисление тела накала при контакте с воздухом, его помещают в вакуумированную либо заполненную инертными газами (чаще всего аргоном, но возможно и использование криптона вместо аргона) или парами колбу.
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. Любые тела испускают электромагнитные тепловые волны 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 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 (температура плавления ниже на 236 °C, 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» (T < 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 колба заполняется инертным газом — обычно аргоном, реже криптоном. 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, чем 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 напряжения (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 лампы накаливания требуется как минимум 7 различных металлов.
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 накаливания общего назначения предусматривается плавкий предохранитель — утоньшённый участок токовывода от тела накала из ковара, и расположенное вне герметичной колбы лампы — как правило, в стеклянной ножке. Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы и в момент включения. При этом в зоне разрыва тела накала возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки металла тела накала, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и вызвать пожар. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при возникновении дуги он разрушался током дуги, который существенно превышает номинальный ток лампы. Проволочка предохранителя находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга, возникающая при плавлении предохранителя легко гаснет.
… лампочки часто перегорают именно в момент включения, когда нить холодная, и у неё низкое сопротивление. Чтобы при перегорании спирали не поддерживался дуговой разряд, который может вызвать перегрузку электросети, взрыв колбы и пожар, внутри многих лампочек есть плавкий предохранитель в виде участка более тонкой проволоки, идущего от цоколя внутри колбы. В перегоревшей лампочке часто наблюдаем прилипшие изнутри к стеклу шарики расплавленного металла в зоне, где проходил этот участок.
Стеклянная колба защищает тело накала от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала тела накала.
В зависимости от типа лампы используются различные виды стекла. Для изготовления колб ламп накаливания и люминесцентных ламп обычно используют натриево-кальциевое силикатное стекло. В высокотемпературных лампах используют боросиликатное стекло, в то время как в газоразрядных лампах высокого давления — либо кварц, либо керамику для дуговой трубки и боросиликатное стекло для наружного баллона. Свинцовое стекло (содержащее от 20 % до 30 % свинца) обычно используется для герметизации концов ламповых баллонов.
Вольфрамовые лампы. Колбы обычно изготавливаются из кальциевого силикатного стекла, в то время как основание колбы — из свинцового стекла.
Вольфрамово-галогенные лампы. Вместо стеклянных используются колбы из кварцевого стекла, выдерживающие более высокие температуры. Однако кварцевые колбы потенциально опасны для глаз и кожи, так как кварцевое стекло хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение. Несмотря на то, что вольфрамовое тело накала испускает относительно мало ультрафиолетовых лучей, длительное воздействие на небольшом расстоянии может привести к покраснению кожи и раздражению глаз. Дополнительная внешняя колба из обычного стекла задерживает ультрафиолетовое излучение, чем значительно снижает его вредное действие, а также обеспечивает защиту от осколков горячей кварцевой колбы в случае разрушения лампы во время её работы.
Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняется химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла через газ за счёт теплопроводности уменьшают путём выбора газа с большой молярной массой. Смеси азота N2 с аргоном Ar являются наиболее распространёнными в силу малой стоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже — криптон Kr или ксенон Xe (молярные массы: N2 — 28,0134 г/моль; Ar: 39,948 г/моль; Kr — 83,798 г/моль; Xe — 131,293 г/моль).
Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл в холодной зоне лампы вступает в соединение с галогенами, образуя летучие галогениды. Галогениды металла разлагаются на раскалённом теле накаливания на металл и галоген, таким образом возвращая на тело накала испарившийся металл и освобождая галоген, таким образом происходит непрерывная циркуляция металла. Эта мера продлевает срок службы лампы и позволяет увеличить рабочую температуру.
Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Наиболее распространённым является проволока круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные тела накала из тонкой металлической ленты. Поэтому использование выражения «нить накала» нежелательно — более правильным является термин «тело накала», включённый в состав Международного светотехнического словаря. В лампах общего назначения тело накала закреплено в форме половины шестиугольника для равномерности светового потока по направлениям.
Тело накала первых ламп изготавливалось из угля (температура возгонки 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из вольфрама (температура плавления 3422 °C), иногда осмиево-вольфрамового сплава. Для уменьшения размеров тела накала ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ламп выше за счёт уменьшения теплопотерь из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя).
Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E27, E14 (миньон) и E40 (число обозначает наружный диаметр в мм). В последнее десятилетие (на 2018 год) произошёл переход на использование алюминия, как материала для цоколя, взамен ранее применяемой плакированной цинком стали. Эти цоколи не совместимы в достаточной мере со стандартными патронами, содержащими латунные контактные лепестки. Особенно в условиях высокой влажности, но и внутри сухих помещений, происходит постепенное нарушение контакта и в последней стадии этого процесса возникает дуга, нередко прожигающая цоколь. Мягкость алюминия вызывает подмятие резьбовой части и заклинивание, а также врезание контактов патрона в алюминий цоколя, и в дальнейшем их поломку. Неизвестно, каким же образом эта технология прошла, как допустимая к применению, эффект имеет повышенную пожароопасность, провоцирует разрушение колбы и в некоторых случаях вызывает разбрызгивание капель расплавленного дугой металла, в результате чего покупателю придётся покупать новые лампы. При этом, у аналогичных энергосберегающих ламп, даже низшей ценовой категории, встречаются исключительно цоколи из гальванизированной латуни (как у ламп накаливания для ответственных применений). По стандартам СССР лампы с жестяными цоколями (из гальванически покрытой для защиты от коррозии стальной жести) выпускают редкие заводы и небольшими партиями, контакт с таким цоколем в стандартном патроне не нарушается в течение очень длительного времени, как при частых и длительных включениях светильника, так и при больших перерывах в работе. Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями — например, байонетным) — британский бытовой стандарт, а бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.
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.
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U²/R. Так как металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Диаметр провода в обычных лампах составляет 20—50 микрометров.
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление примерно на порядок меньше сопротивления при рабочей температуре. Поэтому при включении через тело накала кратковременно 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, 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.
Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):
По функциональному назначению и особенностям конструкции лампы накаливания подразделяют на:
Цитата из «Собака Баскервилей», говорит Генри Баскервиль: «Подождите, не пройдёт и полугода, как я проведу сюда электричество, и вы не узнаете этих мест! У входа будут гореть фонари Эдисона и Свена в тысячу свечей.»
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Человеческий глаз, однако, видит только узкий диапазон длин волн этого излучения — диапазон видимого излучения. Основная мощность потока излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия (КПД) ламп накаливания (здесь под КПД понимается отношение мощности видимого излучения к полной потребляемой мощности) достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) световой КПД составляет около 5 %; лампа имеет срок службы примерно 1000 часов.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 3400 K срок службы всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим срок службы уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так, понижение напряжения в два раза (например, при последовательном включении), уменьшает КПД примерно в 4—5 раз, но существенно увеличивает срок службы — почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к освещённости, например, на лестничных площадках жилых домов. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, при этом ток в лампе протекает только в течение половины периода. Такое включение снижает мощность почти в 2 раза, что соответствует снижению эффективного напряжения почти в раза, а световой поток снижается более чем в 2 раза.
В США в одном из пожарных отделений города Ливермор (штат Калифорния) работает 60-ваттная лампа ручной работы, известная под названием «Столетняя лампа». Она постоянно горит с 1901 года. Необычно высокий ресурс лампе обеспечила в основном работа на малой мощности (4 ватта), в глубоком недокале, при очень низком КПД. Лампа включена в Книгу рекордов Гиннесса в 1972 году.
Так как стоимость потреблённой за время службы лампой накаливания электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором экономические затраты на освещение минимальны. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путём понижения напряжения питания с экономической точки зрения убыточны. Стандартные параметры ламп со сроком службы порядка 1000 часов были согласованы рядом крупнейших производителей, основавших в 1930-х годах швейцарскую корпорацию Phoebus; одновременно был произведен раздел мировых рынков сбыта, согласованы договоры о неконкуренции и введён сквозной контроль соблюдения стандартов.
Время службы лампы накаливания ограничено в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и, в большей степени, возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что, в свою очередь, ведёт к ещё большему нагреву участка нити и интенсивному испарению материала в таких местах, так как мощность в последовательной электрической цепи пропорциональна I2·R. Таким образом, имеется неустойчивость к утоньшению участков нити. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, лампа выходит из строя.
Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно, используя разного рода устройства плавного запуска.
Вольфрам при комнатной температуре имеет удельное сопротивление, всего в 2 раза превышающее удельное сопротивление алюминия. При включении лампы пусковой ток превышает номинальный в 10—15 раз, именно поэтому лампы перегорают обычно в момент включения. Для защиты питающей сети от бросков тока, возникающих в момент перегорания нити лампы при включении, многие лампы, например, бытовые, снабжаются встроенным плавким предохранителем — один из коваровых проводников, соединяющих цоколь лампы с выводом из стеклянного баллона, делают тоньше другого, что легко увидеть, рассмотрев лампу, и именно он является плавким предохранителем. Так, бытовая лампа мощностью 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева нити лампы её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
Для снижения пускового тока могут использоваться терморезисторы с отрицательным коэффициентом температурного сопротивления. В момент включения резистор холодный, и его сопротивление велико. После прогрева его сопротивление многократно уменьшается, и на лампу подаётся почти всё напряжение питающей сети.
Реже используются реактивные ограничители пускового тока. Обычно для этой цели используются дроссели — катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником, так называемые балластные дроссели, включаемые последовательно с лампой. В момент включения из-за явления самоиндукции всё напряжение сети падает на дросселе, что ограничивает пусковой ток. При работе материал сердечника в каждом полупериоде сети заходит в глубокое насыщение (в цепях переменного напряжения), и тогда почти всё напряжение сети прикладывается к лампе. Другой подход при применении балластных дросселей использует зависимость сопротивления нити от температуры. При прогреве сопротивление нити увеличивается, соответственно увеличивается напряжение на лампе, что является сигналом для шунтирования дросселя, например, контактом электромагнитного реле, обмотка которого включена параллельно нити. Без шунтирования балластного дросселя мощность лампы снижается на 5—20 %, что может быть полезно для увеличения срока службы лампы.
Также широко используются тиристорные пусковые (автоматические или ручные диммеры).
Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению нити накаливания, что позволяет без существенного снижения срока службы повысить температуру нити. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включённых шести ламп 220 В 60 Вт применить шесть последовательно включённых ламп 36 В 60 Вт, то есть заменить шесть тонких нитей несколькими толстыми, последовательно включёнными. Недостаток этого решения — снижение надёжности освещения. Перегорание любой из последовательно включённых ламп ведёт к полному отказу освещения.
Ниже представлено приблизительное соотношение мощности и светового потока для некоторых типов источников, напряжение 120 вольт.
В таблице представлено приблизительное соотношение электрической мощности и светового потока для обычных прозрачных ламп накаливания в форме «груши», популярных в СНГ и России, цоколь E27, 220 В.
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.
При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается ещё сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут
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 другие) лампы.
1 сентября 2009 года в Евросоюзе в соответствии с директивой 2005/32/EG вступил в силу поэтапный запрет на производство, закупку магазинами и импорт ламп накаливания (за исключением специальных ламп). С 2009 года запрещены лампы мощностью 100 Вт и более, лампы с матовой колбой 75 Вт и более (с 1 сентября 2010 года) и другие. Ожидалось, что к 2012 году будут запрещены импорт и производство ламп накаливания меньшей мощности.
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. 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.
Распоряжением правительства РФ от 28.X.2013 № 1973-Р предполагается постепенное ограничение оборота на территории Российской Федерации ламп накаливания в зависимости от их энергетической эффективности и сферы их использования, а также стимулирование спроса на энергоэффективные источники света. Однако конкретных сроков запрета документ не предусматривает.
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. Неприменимы они и в условиях высоких температур, к примеру в духовках. 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.
В связи с вступившим в силу запретом на продажу ламп мощностью более 100 Вт некоторые производители начали выпускать лампы мощностью 93-97 Вт, что находится в пределах допуска для 100-ваттных ламп, а некоторые переименовали свои лампы мощностью от 100 Вт в «теплоизлучатели различного назначения». Кроме того, ряд специализированных галогенных ламп (являющихся по сути лампами накаливания со стандартным цоколем) мощностью более 100 и даже 200 Вт, по состоянию на 2013 год, свободно продаются. Учитывая невозможность на данный момент полноценной альтернативы для определённых моделей ламп накаливания (например, используемых в осветительных приборах, софитах, при изготовлении фото- и кинопродукции) люминесцентных и светодиодных ламп, в связи с искажённой цветопередачей из-за ограниченности спектра, можно говорить о том, что определённой части ламп накаливания запрет всё же не коснётся, и у рядового потребителя останется возможность приобретать и использовать лампы накаливания в быту.
Owlapps.net - since 2012 - Les chouettes applications du hibou