Лампочка накаливания

Разнообразие источников света довольно велико, но наибольшее распространение и применение обрела лампа накаливания. Возникает вопрос: "Почему именно она получила такую огромную популярность и встречается на каждом шагу?" Однако, мы видим и другие лампы, а раз есть альтернативы ей, значит и недостатки найдутся.

Для того чтобы оценить все преимущества и недостатки, необходимо рассмотреть строение источника света. 

Лампочка накаливания состоит из:

    1 – тонкая стеклянная колба;
    2 – пространство колбы;
    3 – тело накала;
    4 – держатели, предназначенные для удерживания тела накала;
    5, 6 – токовые вводы (электроды);
    7 – ножка;
    8 – основание цоколя;
    9 – контактное дно цоколя;
    10 – изолятор.

 

Разнообразность форм колб в большинстве случаев объясняется эстетическим видом, а иногда возможностью удобной установки. Функцией колбы является защита тела накала от атмосферных осадков.

Изначально, когда электрические источники света только начали изготовлять, то в стеклянной колбе лампы создавался вакуум. Сейчас же такую технологию применяют только для малой мощности (до 25 Вт), а световые источники большей мощности наполняют инертным газом (аргон, азот, криптон). Наполнение колбы инертным газом или  создание в ней вакуума делается по двум причинам:

    - защита тела накала от влияния внешней среды, потому что на воздухе оно быстро окислится и выйдет из строя;
    - для уменьшения потерь тепла, ведь имеет место теплопроводность материалов (для сбережения тепла производят выбор газа с большей молярной массой).

 

Правильно говорить, именно, «Тело накала», потому как его исполнение очень разнообразно. Встречаются нити, спирали, двойные спирали. Наиболее часто используется нить накала – проволока круглого сечения.

В эпоху зарождения ламп накаливания, тело накала изготовлялось из угля, сейчас же выполняется исключительно из вольфрама, или же из осмиево-вольфрамового сплава, что бывает реже.

При подаче напряжения на лампочку, нить накала комнатной температуры, то есть сопротивление ее в десяток раз меньше рабочего. По этому, при включении происходит скачек тока (10-14 номинальных значений). По мере нагрева токопроводящей нити, сопротивление возрастает, и ток понижается до номинального значения. Когда же тело накала изготовлялось из угля, характеристика была обратной, при нагреве сопротивление уменьшалось, и с ростом температуры лампочка светилась все ярче.

Цоколи ламп имеют очень широкий ряд исполнения, а их размеры стандартизованы. Цифры в названии означают наружный диаметр цоколя в мм. У бытовых ламп наибольшее распространение получили:

    - цоколь Эдисона - Е14
    - миньон - Е27

 

В некоторых странах принято напряжение сети 100 В, и во избежание случайного ввинчивания лампы не подходящего напряжения, изготавливаются лампы с иными цоколями.

Мы привыкли видеть резьбовые цоколи, но есть и  цоколи без резьбы, удерживание таких устройств в патроне происходит за счет трения или нерезьбового сопряжения (применяются в автомобилях).


Рисунок 2 – а) резьбовой ; б) цоколь без резьбы 

Принцип действия лампы накаливания основан на эффекте накаливания проводника при пропускании через него электрического тока. Когда ток протекает, температура тела накала резко увеличивается, и чем выше температура, тем ярче свет. Чем меньше температура тела накала, тем свет более «красный» - теплый, чем выше –  ближе к белому свечению. Для получения видимого диапазона света, необходимо нагреть тело порядка нескольких тысяч градусов.

Температура Солнца - 5770 К, при такой температуре происходит выделение наибольшего количества видимого излучения. Но такое значение температуры недостижимо (любой известный материал плавится и протекание тока стает невозможным).

Лишь малая часть потребляемой из сети энергии превращается лампой накаливания в видимый свет, основная доля энергии расходуется на нагрев нити и излучения света в невидимом диапазоне для человеческого глаза. Чтоб увеличить коэффициент полезного действия (КПД) лампы накаливания, нужно увеличить температуру тела накала, но при этом она ограничивается температурой плавления материала.

Температура плавления, применяемых в лампах накаливания материалов: Вольфрам - (3410°C), Осмий - (3045°C).

Рабочая температура вольфрамовой нити находится обычно в пределах 2700-3000К.

Максимальный КПД лампы накаливания достигается при температуре нити – 3400К и составляет приблизительно 15%, а при номинальной температуре, которая составляет 2700К, всего каких-то 4-5%.

С увеличением температуры, КПД возрастает, а вот ее долговечность – уменьшается. Так, при температуре в 2700К, срок службы лампы накаливания составляет около 1000 часов, а при температуре 3400К – пару часов.

Пониженное напряжение уменьшает КПД в 4-5 раз, зато срок службы лампы увеличивается в сотни раз. Например, в таком режиме можно их использовать для дежурного освещения, где не требуется высокое качество освещения. В этом случае используют последовательное подключение лампочек, также возможный вариант - включение через диод, чтобы поступала только положительная полуволна (действующее значение напряжения и тока будет меньше, световая отдача уменьшится, появится мерцание, но срок службы лампы значительно возрастет, а также будет экономия электроэнергии).

Влияние напряжения на срок службы лампы накаливания

Рисунок 3 – Влияние входного напряжения на световую отдачу и срок службы

На рисунке 3 представлены приближенные, но наглядные зависимости. Рассмотрим конкретную точку, от которой на оси проведены пунктирные линии. При увеличении питающего напряжения на 6,5% мы получаем увеличение световой отдачи на 20%, но при этом срок службы лампочки сокращается в 2 раза.

Срок эксплуатации лампы накаливания ограничивается, прежде всего, испарением материала тела накала. Испарение происходит неравномерно, то есть появляются проблемные участки, где меньшая толщина нити. При этом сопротивление на них еще больше повышается и износ в этих местах происходит интенсивней, пока тело накала не расплавится вовсе. Колба темнеет вследствие осаждения металла нити накала. Повышенное давление подавляет такой эффект и увеличивает срок службы и КПД.

Минусом рассмотренного вида ламп является малая световая отдача, она самая низкая из всех существующих электрических источников света и лежит в диапазоне 4-15 лм/Вт.

Стоимость лампы накаливания в сотни раз меньше, чем стоимость потребляемой ею электрической энергии за срок службы.

Преимущества ламп накаливания:

    - малая цена по сравнению с иными электрическими источниками света;
    - небольшие габариты;
    - хорошо налаженное производство;
    - мгновенное зажигание, нет выдержки времени для запуска;
    - работает как от постоянного, так и от переменного тока;
    - изготовление на широкий диапазон напряжений;
    - отсутствие мерцаний при питании переменным током;
    - широчайший диапазон рабочих температур: -100°C ÷ +300°C, и ограничивается лишь стойкостью материалов из которых изготовлена;
    - есть возможность использовать регуляторы яркости, плавное включение.

 

Недостатки:

    - низкая световая отдача;
    - малый срок службы;
    - десятикратный скачок тока при включении;
    - чувствительны к вибрациям и ударам, хрупкие
    - срок службы резко уменьшается при незначительном увеличении питающего напряжения;
    - крайне низкий КПД, всего 4% от общей потребляемой мощности;
    - пожароопасные, представляют собой нагревательные элементы и требуют отражателей света и тепла.

Комментарии  

 
# Григорьев александр 29.09.2014 11:43
Написано технически грамотным, но доступным языком.
Спасибо. Я еще немного поумнел.
Ответить | Ответить с цитатой | Цитировать
 

Добавить комментарий

Общайтесь культурно

Ваше имя:

Рейтинг@Mail.ru

Яндекс.Метрика