Лампы накаливания
Принцип действия лампы накаливания
В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 5770 K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.
Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 5770 К недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).
При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «жёлто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.
В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампы делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше (что приводит к быстрому её перегоранию) и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.
Конструкция лампы накаливания
|
|
|
На схеме: 1. колба; 2. буферный газ; 3. нить накала; 4 электрод (соединён с нижним контактом); 5. электрод (соединён с контактом на резьбе); 6. держатели нити; 7. стеклянный уступ держателей; 8. контактный проводник, 9. резьба; 10. изолятор; 11. нижний контакт |
Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, заполненной буферным газом и ограждающей нить накала от окружающей среды.
Колба
Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Буферный газ
Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа, по возможности, с наиболее тяжёлыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (молярные массы: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)
Нить накала
Нить накала в первых лампах делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I=U/R) и мощность по формуле P=U·I , или P=U/R. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон.
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении 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, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.
В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.
Цоколь
Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E14 (миньон), E27 и E40. Также встречаются цоколи без резьбы, а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях.
Предохранитель
Перегорание лампы происходит во время её работы, то есть в то время, когда одновременно нить накала нагрета и через нить протекает электрический ток. Если в это время происходит разрыв нити, то между разведёнными концами нити обычно загорается электрическая дуга. В быту это можно заметить по яркой синевато-белой вспышке в момент перегорания лампы.
Поскольку нить, как правило, представляет собой относительно тонкий провод, свёрнутый в спираль, то электрическое сопротивление нити может быть большим, нежели сопротивление ионизированного газа в дуге. Поэтому концы дуги начинают разбегаться от места разрыва нити, а сила тока в цепи возрастает.
При дальнейшем развитии этого процесса дуга может загореться уже между держателями нити, сопротивление которых относительно мало, в результате сила тока в питающей цепи может намного превысить допустимые пределы, что приведёт либо к срабатыванию предохранителей в питающей цепи, либо к перегреву питающих проводов, что, возможно, спровоцирует пожар.
Для того, чтобы разомкнуть цепь при возгорании дуги и не допустить перегрузки питающей цепи, в конструкции лампы предусмотрен плавкий предохранитель. Он представляет собой отрезок тонкой проволоки и расположен в цоколе лампы накаливания. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.
КПД и долговечность ламп накаливания
Долговечность и яркость в зависимости от рабочего напряжения
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) сильно уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена 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 и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода плавные пускатели. Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности. Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.
|
Тип |
КПД |
Светотдач (Люмен/Ватт) |
|
Лампа накаливания 40 Вт |
1,90% |
12,6 |
|
Лампа накаливания 60 Вт |
2,10% |
14,5 |
|
Лампа накаливания 100 Вт |
2,60% |
17,5 |
|
Галогенные лампы |
2,30% |
16 |
|
Металлогалогенная лампа (с кварцевым стеклом) |
3,50% |
24 |
|
Высокотемпературная лампа накаливания |
5,10% |
35 |
|
Абсолютно чёрное тело при 4000 K |
7,00% |
47,5 |
|
Абсолютно чёрное тело при 7000 K |
14% |
95 |
|
Идеально белый источник света |
35,50% |
242,5 |
|
Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник |
100% |
683 |
Преимущества и недостатки ламп накаливания
Преимущества:
-
малая стоимость
-
небольшие размеры
-
ненужность пускорегулирующей аппаратуры
-
отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
-
возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном
-
возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
-
отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе
-
непрерывный спектр излучения
-
устойчивость к электромагнитному импульсу
Недостатки:
-
низкая световая отдача
-
относительно малый срок службы
-
резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения
-
цветовая температура лежит только в пределах 2300-2900 K, что придаёт свету желтоватый оттенок