Лампа накаливания (лампа Ильича): устройство, принцип действия, виды, характеристики

Лампа накаливания – это электрический осветительный прибор, принцип действия которого основан на нагреве до высоких температур нити из тугоплавкого металла.

История изобретения лампочки

Внешний вид лампы накаливания

Изделие проектировалось и дорабатывалось многими учеными в разные периоды. Первая электрическая дуга была зажжена ученым Петровым В.В. в 1802 году. Изобретение состояло из двух угольных стержней, которые подключались к полюсам гальванической батареи. В момент их сближения возникал электрический разряд, и над элементами формировалась светящаяся дуга. Применение такой лампы в быту было невозможным по ряду причин – неудобство конструкции, быстрое перегорание угольных стержней. Зато мировые ученые начали понимать, из чего сделать лампу.

Спустя 70 лет в 1872 году Лодыгин А.Н. получил патент на лампу накаливания. В качестве спирали в ней был использован стержень ретортного угля, который находился под стеклянным колпаком.

Уже в 1880 году 10 мая лампочкой Лодыгина было обустроено уличное освещение в Санкт-Петербурге на Литейном мосту. Срок службы источника света составлял всего 2 месяца (пока не перегорал угольный стержень).

В 1880 году в США Томас Эдисон представил усовершенствованную лампу накаливания Лодыгина. Он сумел добиться устранения воздуха из стеклянной колбы, что обеспечило более длительное горение спирали и более яркое её свечение. Эдисон также разработал цоколь с резьбой для ввинчивания лампы в патрон.

В 1910 году было принято решение скручивать вольфрамовую нить в спираль для увеличения ресурса её службы. Таким образом, изделие теперь работает вместо первоначальных 50-100 часов целых 1000 ч.

Принцип теплового получения излучения используют и при производстве галогеновых ламп дневного света.

Измерение мощности работы тока в электрической лампе

Давайте теперь подумаем, как узнать какую мощность развивает электрический ток в лампе и как можно это измерить. Казалось бы, можно использовать много методом, но на самом деле измерить мощность можно только с помощью ваттметров или ампермера с вольтметром. Почему это так? Предположим, что мы измерим сопротивление лампы накаливания и попробуем по закону Ома вычислить мощность, которую она сможет развить. Но без учёта термодинамики мы получим неверные данные. Дело в том, что при разогреве сопротивление нити накала увеличивается. То есть, холодная нить накала и горячая имеют разные сопротивления. И это касается не только ламп накаливания, но и всех остальных типов приборов освещения. Ну а измерить сопротивление газоразрядных или неоновых ламп и вовсе не представляется возможным. Сначала, конечно же, нужно собрать схему. Она очень проста:схема работы тока в электрической лампе

Из чего состоит лампа

Строение лампы накаливания

Строение и схема лампы накаливания выглядят так:

  • стеклянная колба грушевидной или округлой формы;
  • тело накала (вольфрамовая или угольная нить), расположенное в ней на двух держателях-крючках;
  • два электрода;
  • предохранитель;
  • ножка;
  • цоколь (корпус) с изолятором;
  • его контакт (донышко).

Окисление вольфрамовой нити (спирали, тела накала) исключается за счет её помещения в вакуум или газообразную среду. Ими наполняют стеклянную колбу.

Характеристики

Одним из основных параметров лампочек с телом накала будет мощность, указываемая в ваттах. Назначение ламп различное, поэтому диапазон выбора большой — от 0,1 Вт «светильник» до 23 тыс. Вт прожекторов для аэродромов.

В быту применяют слабомощные лампочки, обычно от 15 Вт до 200 Вт, а на производстве используют лампы мощностью до 2000 Вт.

Качество светового луча и уровень рассеивания регулируются материалом производства сосуда.

Автомобильная лампочка

Наибольшая светопередача присуща для изделий с прозрачным стеклом, потому что они не поглощают свет. Матовая поверхность лампы поглощает 5% световых лучей, а белая — 15%.

Размер лампочек накаливания может быть от 60 мм до 130 мм. Зависит от сферы применения.

Основные части лампы накаливания

К основным элементам строения лампы накаливания относятся:

  • нить или тело накаливания;
  • арматура для крепления нити;
  • колба для защиты нити от быстрого сгорания и внешних воздействий;
  • цоколь для установки в патрон и подключения к электросети;
  • цокольные контакты – резьбовой корпус и центральный контакт в донышке цоколя.
Описание и принцип работы лампочки

Составляющие элементы

Арматура предназначена для крепления нити и создания требуемой конфигурации и направленности светового потока.

Цоколь нужен для закрепления в монтажном патроне и подсоединения к колбе. В лампах-ретрофитах, аналогах ламп накаливания в цоколе размещается часть устройства питания.

Цоколь

На галогенных лампах накаливания, в зависимости от напряжения питания, мощности и конструкции колбы устанавливают несколько видов цоколей – резьбовые, штыревые, байонетные, штифтовые и др.

Система контактов на цоколях нужна для подключения к электросети или блоку питания.

разновидности цоколей

Разновидности цоколей.

Колба

Прозрачную колбу ЛН используют для:

  • защиты нити от наружной атмосферы, содержащей окислитель – кислород;
  • создания и удержания вакуума или газового состава;
  • размещения люминофора и/или покрытий, преобразующих разные виды электромагнитной энергии в видимое излучение, возвращения тепла на нить накаливания, преобразования невидимых УФ- и ИК-излучений в свет, коррекции оттенка свечения лампы – красные, зеленые, синие.

Тело накаливания

Тело накаливания – это нить, свернутая в спираль или би-спираль либо тонкая металлическая ленточка.

Описание и принцип работы лампочки

Структурный вид нити накала

Газовая среда

Инертные газы, которыми заполняют колбу лампы, например, азот, аргон, неон, гелий. В смеси инертных газов добавляют вещества-галогены.

Сфера использования

Не так давно лампы накаливания присутствовали в различных сферах жизни, в быту и на предприятиях. Это обуславливается простой их монтажа, эксплуатации и обслуживания. Используются в таких сферах:

  • Общего предназначения для внутреннего и наружного освещения в частных домах, квартирах, офисах.
  • Местного применения – для подсветки рабочих мест.
  • Также есть специальные автомобильные лампы накаливания.
  • Устанавливаются в поездах, на судах, и в самолетах.
  • Миниатюрные ЛН применяются в фонариках, шкалах приборов.
  • Сверхминиатюрные в отдельных медприборах, пультах управления.
  • Также есть коммутационные, маячные, кинопроекционные.

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Важно! Во многих сферах сегодня используются экономичные лампы, но все же потребительский интерес применения ЛН не снижается.

к содержанию ↑

Виды ламп накаливания

Лампочки с использованием вольфрамовой нити могут быть не только вакуумными. Устройство лампы накаливания различает несколько видов подобных осветительных приборов, каждый из которых используется в определенных отраслях. Они могут быть:

  • вакуумными, т. е. самыми простыми;
  • аргоновыми, либо азотно-аргоновыми;
  • криптоновыми, которые светят на 13–15% сильнее аргоновых;
  • ксеноновыми (чаще применяемыми в последнее время в фарах автомобилей и светящими в 2 раза ярче аргоновых);
  • галогенными – колба в лампе накаливания наполнена галогеном брома или йода. Свет в 3 раза ярче, чем у аргоновой, но эти лампы не терпят снижения напряжения и внешнего загрязнения стекла колбы;
  • галогенными с двойной колбой – с повышенной эффективностью работы галогенов по сбережению вольфрама в нити накаливания;
  • ксенон-галогенными (еще более яркими) – они наполнены помимо галогенов йода или брома еще и ксеноном, т. к. от того, какой газ находится в колбе, напрямую зависит то, сколько градусов составит нагрев лампы а, следовательно, зависит и ее яркость.

Галогенная лампа с двойной колбойГалогенная лампа с двойной колбой

Почему их называют лампами Ильича?

За этим бытовым осветительным прибором на территории нашей страны закрепилось название лампа Ильича. Не каждый светильник достоин такого имени. Лишь голую лампочку на проводе без плафона можно назвать именем Ленина. Дело в том, что одной из первых задач молодой советской власти была электрификация страны. В 1920 году Владимир Ильич Ленин приехал в деревню Кашино на запуск электростанции. Там он побеседовал с крестьянами, сфотографировался с ними и провел митинг. Это, казалось бы, рядовое событие, нашло отражение в советской литературе и кино. А простой светильник, свисающий на проводе с потолка, стали называть лампой Ильича. Позже этот термин приобрел иронический оттенок, как пример проблемы, решенной на скорую руку.

Электротехнические параметры

Все лампочки производятся для разных напряжений. Поскольку тугоплавкий металл вольфрам имеет малое удельное сопротивление, для устройства светового элемента нужен длинный провод. Таким образом, нить накаливания в электрической лампочке часто достигает 50 микрометров. При включении света через тело накала проходит ток, превышающий рабочий в 10-14 раз. Чем больше прогревается нить, тем сильнее увеличивается сопротивление нити и снижается сила тока.

Немножко «алгебраической схоластики»

Теперь,  когда с “теорией” покончено (улыбнулся), приведу алгебраические выкладки для вывода  «главной» формулы.

Каноническая запись закона Ома выглядит:

I  *  R  =  U

2. Преобразование записи закона ОмаДля приведения в соответствие количественных значений, необходимо ввести соответствующие коэффициенты пропорциональности, для токовой компоненты – Кт и для резистивной компоненты – Кр:3. коэффициенты пропорциональности, для токовой компоненты - Кт и для резистивной компоненты - Кр

Самые общие соображения подвигают к мысли, что эти коэффициенты должны быть взаимно обратными величинами, а значит:4. коэффициенты должны быть взаимно обратными величинами

В этом случае, попарно перемножая правые и левые части (в системе уравнений),  мы возвращаемся к исходной записи закона Ома:

I * R = U

Форма лампочки.

При выборе формы лампочки нужно знать, что это не просто выбор её внешнего вида. Главным образом, форма и конструкция лампы определяет в каком направлении будет идти от неё свет.

Формы лампочек

Существует буквально алфавит описания различных форм лампочек, но я не буду утомлять вас этим. На самом деле, всё, что нужно знать для выбора формы лампочки, находится у Вас в голове.

Для потолочных светильников Вам подойдут всенаправленные лампочки с формой близкой к шару или спиральке. Для настольной лампы Вам понадобиться лампочка с формой свечи с широким распространением. И, если вы устанавливаете лампочку в углублённое место, то Вам нужно выбрать лампочку с отражателем соответствующему ширины нужного Вам луча.

Маркировка

Все виды ламп имеют свое буквенное обозначение, но не стоит его путать с типом цоколей, например, Е27.

Маркировка лампочек с нитью накала содержит:

  1. Первые буквы (от 1 до 4) обозначают важные физические свойства или особенности конструкции: В-вакуумная, Г – газополная моноспиральная с аргоновым наполнением, Б – газополная биспиральная, К – наполненная криптоном, МТ – колба с матовым покрытием и т. д. Специальные лампы накаливания не имеют этих букв в маркировке.
  2. Вторая часть обозначения состоит из 1 – 2 букв и указывает на предназначение прибора: А – автомобильная лампа, Ж – железнодорожная, КМ – коммутаторная, ПЖ – прожекторная и т. д.
  3. Первая циферная часть указывает на номинальное напряжение и мощность, а вторая – номер разработки, если она осуществлена повторно. Например, Б235 – 245 – 60 обозначает, что лампа биспиральная, питается от напряжения 245 В, рассчитана на 60 Вт.Лампы накаливания

Если человек умеет расшифровать маркировку, то он сможет подобрать подходящую лампочку накаливания.

Специальные лампы

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

Преимущества и недостатки

Лампы накаливания имеют ряд своих достоинств:

  • приемлемую стоимость;
  • компактные габариты;
  • мгновенную реакцию на включение/выключение;
  • отсутствие мерцания, неблагоприятно воздействующего на глаза;
  • инертность к скачкам напряжения;
  • мягкая гамма свечения, способствующая расслаблению, созданию атмосферы уюта;
  • хороший индекс цветопередачи, равный Ra 90;
  • работа в любых условиях (в том числе при высокой влажности);
  • постоянная доступность для потребителя;
  • экологичность;
  • отсутствие шума при работе;
  • инертность к ионизирующей радиации.

К недостаткам ламп накаливания относят такие моменты:

  • хрупкость, чувствительность к механическим повреждениям;
  • сравнительно малый срок эксплуатации;
  • низкий КПД, не превышающий 5-7% (отношение расходуемой мощности к видимому излучению);
  • пожарная опасность при прямом контакте лампы с горючими веществами (текстиль, солома и др.);
  • вероятность взрыва при термическом ударе или разрыве спирали под напряжением.

Несмотря на все перечисленные недостатки, привычные лампочки уверенно сохраняют за собой занятые позиции. Более 70% населения СНГ все еще пользуются ими.

Смарт-лампочка

Cмapт-лaмпы — этo уcoвepшeнcтвoвaнныe лaмпoчки c дoпoлнитeльными вoзмoжнocтями, кoтopыe умeют coздaвaть для cвoeгo влaдeльцa пpиятную cвeтoвую aтмocфepу в дoмe и дeлaют eгo пoвceднeвную жизнь бoлee удoбнoй и кoмфopтнoй, нaпpимep:

  • нacтpoeнный peжим иcпoльзoвaния в нужнoe вpeмя cдeлaeт cвeт яpким и пoвышaющим paбoтocпocoбнocть или нaoбopoт — мягким и pacпoлaгaющим к poмaнтикe.

Характеристики раздичных видов ламп по светопередаче.

  • ЛН – лампы накаливания;
  • ГЛН – галогенный лампы;
  • КЛЛ – компактно люминесцентные лампы;
  • МГЛ – металлогалогенные лампы;
  • ЛЛ – люминисцентные лампы;
  • Светодиоды – светодиодные лампы.

Плюсы и минусы

Преимущества ламп накаливания:

  • небольшая цена – простые и недорогие материалы, конструкция и технология отработаны десятилетиями, массовое автоматизированное производство;
  • относительно небольшие размеры;
  • броски напряжения в сети не вызывают немедленный выход из строя;
  • запуск в работу, как и перезапуск – мгновенный;
  • при питании переменным током частотой 50-60 Гц пульсации яркости малозаметны;
  • яркость свечения регулируется диммерами;
  • спектр излучения сплошной и привычный глазу – сходен с солнечным;
  • практически полная повторяемость характеристик ламп у разных производителей;
  • индекс цветопередачи Ra или CRI – качество воспроизведения оттенков цвета освещаемых предметов – равен 100, что полностью соответствует показателю солнца;
  • небольшие размеры компактной нити накаливания дают четкие тени;
  • высокая надежность в условиях сильного мороза и жары;
  • конструкция позволяет массово изготавливать модели с рабочим напряжением от долей до сотен вольт;
  • питание от переменного или постоянного напряжения при отсутствии устройств пуска;
  • активный характер сопротивления нити накаливания обеспечивает коэффициент мощности (косинус φ) равный 1;
  • безразличны к радиации, электромагнитному импульсу, помехам;
  • практически отсутствует УФ-составляющая в излучении;
  • обеспечена штатная работа с частыми включениями/выключениями света и мн.др.

К недостаткам можно отнести:

  • номинальный срок службы ЛОН – 1000 часов, у галогенных ламп накаливания – от 3 до 5-6 тыс., у люминесцентных – до 10-50 тыс., у светодиодных – 30-150 тыс. часов и более;
  • стекло колбы и тонкая нить чувствительны к ударам, при вибрации возможны резонансы на некоторых частотах;
  • высокая зависимость энергоэффективности и срока службы от напряжения питания;
  • КПД преобразования электроэнергии в видимый свет не превышает 3-4%, но растет с увеличением мощности;
  • температура поверхности колбы зависит от мощности и составляет: для 100 Вт – 290°C, для 200 Вт – 330°C, 25 Вт – 100°C;
  • при включении скачок тока до прогрева нити может быть в десять раз выше номинала;
  • патроны и арматура светильников должны быть теплостойкими.

ТОП лучших производителей

Среди множества производителей выделены лучшие:

  • Philips
  • OSRAM (Белоруссия)
  • General Electric (GE)
  • OSRAM (Польша, Венгрия или Европа)
  • Электроламповый завод «Калашниково» в Тверской области (поселок «Калашниково»)

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 Keefe, T.J. The Nature of Light (2007). Проверено 5 ноября 2007.
  2. ↑ 2,0 2,1 Klipstein, Donald L. The Great Internet Light Bulb Book, Part I (1996). Проверено 16 апреля 2006.
  3. ↑ 3,0 3,1 Black body visible spectrum
  4. See luminosity function.

Как увеличить срок службы лампы накаливания

Схема устройства для увеличении срока службы лампы накаливания

В среднем обычная бытовая лампочка накаливания служит 700-1000 часов. Но на деле элемент перегорает гораздо быстрее. Чтобы продлить срок службы лампочки, нужно предотвратить провоцирующие перегорание спирали факторы.

  • Учитывать диапазон напряжений. Его указывают на колбе изделия. Как правило, он равен 125-135 Вт, 220-230 Вт, 2,3-2,4 кВт. При превышенном напряжении в доме изделие будет перегорать скорее. К примеру, в квартире максимальное напряжение 220 В, а лампа куплена с диапазоном 125-135 В. Здесь нить накала перегорит однозначно быстрее, поскольку увеличивается КПД изделия.
  • Устранить неисправность патрона. Если лампы перегорают часто, стоит осмотреть его, перепроверить контакты. При необходимости патрон меняют.
  • Исключить вибрации. Они приводят к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. Поэтому перенос мобильных светильников лучше выполнять с выключенной лампочкой.

Для продления срока службы лампы накаливания можно снизить напряжение в сети всего на 7-8%. В этом случае изделие проработает дольше в 3-3,5 раза при экономном расходе электроэнергии.

Литература

  • A. Zukauskas, M.S. Shur and R. Caska, Introduction to solid-state ligthing, John Willey & Sohn, 2002
  • K. Bando, Symp. Proc. Of the 8th Int. Symp. on the Sci. & Tech. of Ligth Sources 1998, 80
Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...