Конструкція, перевага та недоліки ламп розжарювання. Оцінка елементів конструкції та технічних характеристик ламп розжарювання Світлення нитки в лампі розжарювання
Ні для кого не секрет, що навіть зараз, з появою безлічі нових енергозберігаючих джерел світла, лампа розжарювання (ще її називають «лампочка Ілліча» або вольфрамова лампа) залишається дуже затребуваною, і багато хто поки не готовий від неї відмовитися. Швидше за все, мине ще трохи часу і цей світловий прилад практично піде з ринку електротехніки, але, звичайно, забутий він не буде. Адже, по суті, з відкриттям звичайної лампи розжарювання почалася нова ера у висвітленні.
Із чого складається вольфрамова лампочка?
Конструкція лампи розжарювання із вольфрамовою ниткою дуже проста. Вона складається з:
- колби, тобто самої скляної сфери, або вакуумованої, або наповненої газом;
- тіла розжарення (нитка розжарювання) – спіралі зі сплаву вольфраму;
- двох електродів, якими на спіраль подається напруга;
- гачків – власників вольфрамової нитки, виконаних із молібдену;
- ніжки лампочки;
- зовнішньої ланки струмівводу, що є запобіжником;
- корпуси цоколя;
- скляний ізолятор цоколя;
- контакту денця цоколя.
Принцип роботи лампи розжарювання також нескладний. Світло виробляється через те, що вольфрамова нитка нагрівається від напруги, що подається на неї. Подібне світіння, хоч і в менших обсягах, можна побачити під час роботи електричної плитки з відкритим нагрівальним елементом з ніхрому. Світло від спіралі виділяється дуже слабке, але на цьому прикладі стає ясно, як працює лампа розжарювання.
Крім звичної форми, ці світлові прилади можуть бути декоративними, у вигляді свічки, краплі, циліндра або кулі. Так як світло від вольфраму завжди одного кольору, виробники випускають такі освітлювальні прилади з різним, іноді забарвленим склом.
Цікаві в роботі лампочки з нитками розжарювання із дзеркальним покриттям. Принцип дії лампи розжарювання можна порівняти з точковими світильниками, оскільки вони висвітлюють спрямовано певну площу.
Переваги
Звичайно, основні переваги ламп розжарювання – це мінімальна складність під час їх виготовлення. Звідси, природно, і низька ціна, адже на сьогоднішній день простішого електричного приладу й уявити не можна. Та сама історія і з включенням такого елемента до мережі. Для цього не потрібно встановлювати якесь додаткове обладнання, досить простого патрона.
У деяких випадках навіть за його відсутності люди підключають лампи розжарювання, нашвидкуруч спорудивши патрон з дерева, пластику, або зовсім з'єднуючи лампу з проводом за допомогою ізоляційної стрічки. Звичайно, такі підключення у форс-мажорних обставинах мають право на існування, але вони небезпечні в сенсі пожежного та електрозахисту (необхідно стежити, щоб основа не нагрілася).
Також лампочки з ниткою розжарювання великих потужностей (150 Вт) дуже широко застосовуються у висвітленні теплиць. Адже крім того, що вони дають світло, внаслідок розжарювання нитки вольфрамової лампи сильно нагріваються. До того ж, освітлення від них найближче до сонячного світла, сучасна лампочка на світлодіодах або люмінесцентна енергозберігаюча цим похвалитися не можуть. З цієї причини лампа розжарювання має перевагу й у питанні впливу зір людини.
Недоліки
До недоліків ламп розжарювання можна віднести недовговічність роботи таких приладів, це залежить від такого параметра, як напруга в мережі. Якщо підвищити струм, то спіраль почне швидше зношуватися, що призведе до перегорання в найтоншому місці. Ну а якщо знизити напругу, то освітлення стане набагато слабше, хоча, звичайно, це збільшить термін служби лампи.
До основних недоліків ламп розжарювання можна також віднести і негативну дію на нитку напруження різких стрибків напруги. Але цього недоліку можна позбутися шляхом встановлення вступного стабілізатора. Звичайно, залишається питання із включенням освітлення. Адже в момент подачі напруги нитка напруження холодна, а значить, опір її нижчий. Вирішується ця проблема встановленням найпростішого поворотного димера. Тоді з поворотом рукоятки нитка буде розжарюватися плавніше, (тобто буде відсутня коротка різка подача напруги), а значить і прослужить вона набагато довше.
Але все ж таки головним мінусом цих приладів, звичайно ж, можна вважати їх низький ККД, а саме те, що працююча лампа витрачає переважну частину енергії на тепло, в результаті чого починає сильно нагріватися. Ці втрати становлять до 95%, але такий алгоритм роботи вольфрамових лампочок. Отже, при придбанні цього світлового приладу слід враховувати всі переваги та недоліки лампи розжарювання.
Види ламп розжарювання
Лампочки з використанням вольфрамової нитки можуть бути вакуумними. Пристрій лампи розжарювання розрізняє кілька видів подібних освітлювальних приладів, кожен із яких використовується у певних галузях. Вони можуть бути:
- вакуумними, тобто найпростішими;
- аргоновими, або азотно-аргоновими;
- криптоновими, які світять на 13–15% сильніше за аргонові;
- ксеноновими (частіше застосовуваними останнім часом у фарах автомобілів і світящими у 2 рази яскравішими за аргонові);
- галогенними – колба в лампі розжарювання наповнена галогеном брому чи йоду. Світло в 3 рази яскравіше, ніж у аргонової, але ці лампи не зазнають зниження напруги та зовнішнього забруднення скла колби;
- галогенними з подвійною колбою – з підвищеною ефективністю роботи галогенів щодо збереження вольфраму в нитці розжарювання;
- ксенон-галогенними (ще яскравішими) - вони наповнені крім галогенів йоду або брому ще й ксеноном, тому що від того, який газ знаходиться в колбі, безпосередньо залежить те, скільки градусів складе нагрівання лампи а, отже, залежить і її яскравість .
Коефіцієнт корисної дії
Як уже говорилося, через те, що будова лампи розжарювання передбачає розігрів спіралі, 95% енергії, що подається на освітлювальний прилад, йде в тепло, що виділяється при її роботі, і лише 5% йде безпосередньо на освітлення. Це тепло є інфрачервоним випромінюванням, яке очі людини не сприймають. Тому коефіцієнт корисної дії таких освітлювальних приладів при підвищенні температури лампи розжарювання до 3400 К складе 15%. При зниженні її до 2700 К (що відповідає температурі роботи лампи в 60 Ватт) ККД ламп складе вже 5%. Виходить, що з підвищенням температурних режимів підвищується ККД, але при цьому значно падає термін служби. Отже, за умови зниження струму знижується і коефіцієнт корисної дії, зате довговічність приладу зросте в тисячі разів. Такий спосіб збільшення терміну служби ламп часто використовується в під'їздах багатоквартирних будинків, де живлення на джерела подається послідовно на два освітлювальні прилади або до лампи послідовно підключається діод, що дозволяє знизити струм мережі.
Що вибрати: світлодіоди чи вольфрамові лампи?
Це питання, відповідь на який кожен знаходить собі сам, оцінивши собі лампи розжарювання, їх переваги і недоліки. Порад тут не може бути. З одного боку, світлодіоди споживають набагато менше електроенергії і більш довговічні в роботі, чого не можна сказати про «лампочки Ілліча», а з іншого – лампи розжарювання надають більш щадний вплив на зір людини.
І все ж таки є статистика, а згідно з нею, продажі світлодіодів і енергозберігаючих ламп останнім часом зросли більш ніж на 90%, тому що людині властиво йти в ногу з прогресом, а значить, недалеко час, коли лампи розжарювання відійдуть у минуле.
Розбираючи будову лампи розжарювання (рисунок 1, а) ми виявляємо, що основною частиною її конструкції є тіло напруження 3 , яке під впливом електричного струму розжарюється до появи оптичного випромінювання. На цьому власне і ґрунтується принцип дії лампи. Кріплення тіла розжарювання всередині лампи здійснюється за допомогою електродів 6 зазвичай утримують його кінці. Через електроди також здійснюється підведення електричного струму до тіла розжарення, тобто є ще внутрішніми ланками висновків. При недостатній стійкості тіла розжарення використовують додаткові тримачі. 4 . Тримачі за допомогою впаювання встановлюють на скляному стрижні 5 , що називається штабиком, який має потовщення на кінці. Штабик пов'язаний зі складною скляною деталлю – ніжкою. Ніжка, вона зображена малюнку 1, б, складається з електродів 6 , тарілочки 9 , і штенгеля 10 , Що являє собою порожнисту трубочку через яку відкачується повітря з колби лампи. Загальне поєднання між собою проміжних висновків 8 , штабика, тарілочки та штенгеля утворює лопатку 7 . З'єднання здійснюється шляхом розплавлення скляних деталей, в процесі чого проходить відкачувальний отвір 14 що з'єднує внутрішню порожнину труби відкачування з внутрішньою порожниною колби лампи. Для підведення електричного струму до нитки розжарювання через електроди 6 застосовують проміжні 8 та зовнішні висновки 11 , що з'єднуються між собою електрозварюванням.
Малюнок 1. Пристрій електричної лампи розжарювання ( а) та її ніжки ( б)
Для ізоляції тіла розжарення, а також інших частин лампочки від зовнішнього середовища застосовується скляна колба. 1 . Повітря із внутрішньої порожнини колби відкачується, а замість нього закачується інертний газ або суміш газів 2 , після чого кінець штенгеля нагрівається та запаюється.
Для підведення до лампи електричного струму та її кріплення в електричному патроні лампа обладнана цоколем. 13 , кріплення якого до горла колби 1 здійснюється за допомогою цоколівальної мастики. На відповідні місця цоколя припаюють виводи лампи 12 .
Від того, як розташоване тіло розжарення і якої форми залежить світлорозподіл лампи. Але це стосується тільки ламп з прозорими колбами. Якщо уявити, що нитка розжарення є рівнояскравим циліндром і спроектувати світло, що виходить від неї, на площину перпендикулярну найбільшій поверхні нитки, що світить, або спіралі, то на ній виявиться максимальна сила світла. Тому для створення потрібних напрямків сил світла, у різних конструкціях ламп, ниткам розжарення надають певної форми. Приклади форм ниток розжарення наведено малюнку 2. Пряма неспіралізована нитка в сучасних лампах розжарювання майже застосовується. Пов'язано це з тим, що зі збільшенням діаметра тіла напруження зменшуються втрати тепла через газ, що наповнює лампу.
Малюнок 2. Конструкція тіла розжарення:
а- Високовольтної проекційної лампи; б- низьковольтної проекційної лампи; в- Забезпечує отримання рівнояркого диска
Багато тіл розжарення поділяють на дві групи. Перша група включає тіла розжарення, що застосовуються в лампах загального призначення, конструкція яких спочатку замислювалася як джерело випромінювання з рівномірним розподілом сили світла. Метою конструювання таких ламп є отримання максимальної світлової віддачі, що досягається шляхом зменшення кількості власників, через які відбувається охолодження нитки. До другої групи відносять так звані плоскі тіла розжарення, які виконують або у вигляді паралельно розташованих спіралей (у потужних високовольтних лампах), або у вигляді плоских спіралей (у малопотужних лампах низької напруги). Перша конструкція виконується з великою кількістю молібденових власників, які кріпляться спеціальними керамічними містками. Довга нитка розжарювання розміщується у вигляді кошика, тим самим досягається велика габаритна яскравість. У лампах розжарювання, призначених для оптичних систем, тіла розжарення мають бути компактними. Для цього тіло напруження згортають у дужку, подвійну чи потрійну спіраль. На малюнку 3 наведено криві сили світла, створювані тілами розжарення різних конструкцій.
Рисунок 3. Криві сили світла ламп розжарювання з різними тілами розжарення:
а- у площині, перпендикулярній осі лампи; б- у площині, що проходить через вісь лампи; 1
- Кільцева спіраль; 2
- Пряма біспіраль; 3
- спіраль, розташована на поверхні циліндра
Необхідні криві сили світла ламп розжарювання можна отримати застосуванням спеціальних колб з покриттям, що відбиває або розсіює. Використання покриттів, що відбивають, на колбі відповідної форми дозволяє мати значну різноманітність кривих сили світла. Лампи з покриттям, що відбивають, називають дзеркальними (рисунок 4). При необхідності забезпечити особливо точний світлорозподіл у дзеркальних лампах застосовують колби, виготовлені методом пресування. Такі лампи називаються лампами-фарами. У деяких конструкціях ламп розжарювання є вбудовані в колби металеві відбивачі.
Малюнок 4. Дзеркальні лампи розжарювання
Матеріали, що застосовуються в лампах розжарювання
Метали
Основним елементом ламп розжарювання є тіло розжарення. Для виготовлення тіла розжарення найбільше доцільно застосовувати метали та інші матеріали з електронною провідністю. При цьому пропусканням електричного струму тіло буде розжарюватися до необхідної температури. Матеріал тіла розжарення повинен задовольняти ряду вимог: мати високу температуру плавлення, пластичність, що дозволяє тягнути дріт різного діаметра, у тому числі дуже малого, низьку швидкість випаровування при робочих температурах, що зумовлює отримання високого терміну служби тощо. У таблиці 1 наведено температуру плавлення тугоплавких металів. Найбільш тугоплавким металом є вольфрам, що поряд з високою пластичністю та низькою швидкістю випаровування забезпечило його широке використання як тіло розжарювання ламп розжарювання.
Таблиця 1
Температура плавлення металів та їх сполук
| Метали | T, °С | Карбіди та їх суміші | T, °С | Нітріди | T, °С | Боріди | T, °С |
| Вольфрам Реній Тантал Осмій Молібден Ніобій Іридій Цирконій Платина | 3410 3180 3014 3050 2620 2470 2410 1825 1769 | 4TaC + + HiC 4TaC + + ZrC HfC TaC ZrC NbC TiC WC W2C MoC VnC ScC SiC | 3927 3887 | TaC + + TaN HfN TiC + + TiN TaN ZrN TiN BN | 3373 3087 | HfB ZrB WB | 3067 2987 2927 |
Швидкість випаровування вольфраму при температурах 2870 і 3270°С становить 8,41×10 -10 та 9,95×10 -8 кг/(см²×с).
З інших матеріалів перспективним вважатимуться рений, температура плавлення якого трохи нижче, ніж в вольфраму. Реній добре піддається механічній обробці в нагрітому стані, стійкий до окислення, має меншу швидкість випаровування, ніж вольфрам. Є закордонні публікації про одержання ламп з вольфрамовою ниткою з добавками ренію, а також покриття нитки шаром ренію. З неметалевих сполук інтерес представляє карбід танталу, швидкість випаровування якого на 20 - 30% нижче, ніж у вольфраму. Перешкодою до використання карбідів, зокрема карбіду танталу, є їхня крихкість.
У таблиці 2 наведено основні фізичні властивості ідеального тіла розжарення, виготовленого з вольфраму.
Таблиця 2
Основні фізичні властивості вольфрамової нитки
| Температура, К | Швидкість випаровування, кг/(м²×с) | Питомий електричний опір, 10 -6 Ом×см | Яскравість кд/м² | Світлова віддача, лм/Вт | Колірна температура, К |
| 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 | 5,32 × 10 -35 2,51 × 10 -23 8,81 × 10 -17 1,24 × 10 -12 8,41 × 10 -10 9,95 × 10 -8 3,47 × 10 -6 | 24,93 37,19 50,05 63,48 77,49 92,04 107,02 | 0,0012 1,04 51,2 640 3640 13260 36000 | 0,0007 0,09 1,19 5,52 14,34 27,25 43,20 | 1005 1418 1823 2238 2660 3092 3522 |
Важливою властивістю вольфраму є можливість його сплавів. Деталі їх зберігають стійку форму за високої температури. При нагріванні вольфрамового дроту, у процесі термічної обробки тіла розжарення та наступних нагріваннях відбувається зміна її внутрішньої структури, яка називається термічною рекристалізацією. Залежно від характеру рекристалізації тіло напруження може мати більшу чи меншу формостійкість. Вплив на характер рекристалізації надають домішки та присадки, що додаються до вольфраму в процесі його виготовлення.
Добавка до вольфраму окиси торію ThO 2 уповільнює процес його рекристалізації і забезпечує дрібнокристалічну структуру. Такий вольфрам є міцним при механічних трясіннях, проте він сильно провисає і тому не придатний для виготовлення тіл розжарювання у вигляді спіралей. Вольфрам з підвищеним вмістом окислу торію використовується для виготовлення катодів газорозрядних ламп через його високу емісійну здатність.
Для виготовлення спіралей застосовують вольфрам з присадкою оксиду кремнію SiO 2 разом із лужними металами - калієм і натрієм, а також вольфрам, що містить, крім зазначених, присадку оксиду алюмінію Al 2 O 3 . Останній дає найкращі результати під час виготовлення біспіралей.
Електроди більшості ламп розжарювання виконують із чистого нікелю. Вибір обумовлений хорошими вакуумними властивостями цього металу, що виділяє сорбовані в ньому гази, високими властивостями струмопровідними і зварюваністю з вольфрамом та іншими матеріалами. Ковкість нікелю дозволяє замінювати зварювання з вольфрамом обтисканням, що забезпечує хорошу електро- та теплопровідність. У вакуумних лампах розжарювання замість нікелю використовують мідь.
Тримачі виготовляють, як правило, з молібденового дроту, що зберігає пружність при високій температурі. Це дозволяє підтримувати тіло розжарення у розтягнутому стані навіть після його розширення в результаті нагрівання. Молібден має температуру плавлення 2890 К та температурний коефіцієнт лінійного розширення (ТКЛР), в інтервалі від 300 до 800 К дорівнює 55 × 10 -7 К -1 . З молібдену роблять також введення в тугоплавкі стекла.
Висновки ламп розжарювання виготовляють із мідного дроту, який приварюють торцевим зварюванням до вводів. У лампи розжарювання малої потужності окремі висновки відсутні, їх роль виконують подовжені вводи, виготовлені з платініту. Для припаювання висновків до цоколя застосовують олов'яно-свинцевий припій марки ПОС-40.
скло
Штабики, тарілочки, штенгелі, колби та інші скляні деталі, що застосовуються в одній лампі розжарювання, виготовляють із силікатного скла з однаковим температурним коефіцієнтом лінійного розширення, що необхідно для забезпечення герметичності місць зварювання цих деталей. Значення температурного коефіцієнта лінійного розширення лампового скла повинні забезпечувати отримання узгоджених спаїв з металами, які використовуються для виготовлення вводів. Найбільшого поширення набуло скло марки СЛ96-1 зі значенням температурного коефіцієнта, що дорівнює 96 × 10 -7 К -1 . Це скло може працювати при температурах від 200 до 473 К.
Одним із важливих параметрів скла є інтервал температур, у межах якого воно зберігає зварюваність. Для забезпечення зварюваності деякі деталі виготовляють зі скла марки СЛ93-1, що відрізняється від скла марки СЛ96-1 хімічним складом і більшим інтервалом температур, в якому воно зберігає зварюваність. Скло марки СЛ93-1 відрізняється підвищеним вмістом окису свинцю. При необхідності зменшення розмірів колб застосовують тугоплавкіші скла (наприклад, марки СЛ40-1), температурний коефіцієнт яких становить 40 × 10 -7 К -1 . Ці скла можуть працювати при температурах від 200 до 523 К. Найбільш високу робочу температуру має кварцове скло марки СЛ5-1, лампи розжарювання з якого можуть працювати при 1000 К і більше протягом кількох сотень годин (температурний коефіцієнт лінійного розширення кварцового скла 5,4 × 10 -7 К -1). Скло перерахованих марок прозоре для оптичного випромінювання в інтервалі довжин хвиль від 300 нм до 2,5 - 3 мкм. Пропуск кварцового скла починається від 220 нм.
Введення
Вводи виготовляють з матеріалу, який поряд з гарною електропровідністю повинен мати тепловий коефіцієнт лінійного розширення, що забезпечує отримання узгоджених спаїв із застосовуваним для виготовлення ламп розжарювання склом. Узгодженими називають спаї матеріалів, значення теплового коефіцієнта лінійного розширення яких у всьому інтервалі температур, тобто від мінімальної до температури відпалу скла, відрізняються лише на 10 - 15%. При впаї металу в скло краще, якщо тепловий коефіцієнт лінійного розширення металу дещо нижчий, ніж у скла. Тоді при охолодженні впаю скло обтискає метал. За відсутності металу, що має необхідне значення теплового коефіцієнта лінійного розширення, доводиться виготовляти не узгоджені впаї. У цьому випадку вакуумно-щільне з'єднання металу зі склом у всьому діапазоні температур, а також механічна міцність упаю забезпечуються спеціальною конструкцією.
Узгоджений спай зі склом марки СЛ96-1 одержують при використанні платинових вводів. Дорожнеча цього металу призвела до необхідності розробки замінника, який отримав назву "платініт". Платініт являє собою дріт із залізонікелевого сплаву з температурним коефіцієнтом лінійного розширення меншим, ніж у скла. При накладенні на такий дріт шару міді можна отримати добре проводить біметалічну дріт з великим температурним коефіцієнтом лінійного розширення, що залежить від товщини шару накладеного шару міді і теплового коефіцієнта лінійного розширення вихідного дроту. Очевидно, що такий спосіб узгодження температурних коефіцієнтів лінійного розширення дозволяє здійснювати узгодження переважно по діаметральному розширенню, залишаючи неузгодженим температурний коефіцієнт поздовжнього розширення. Для забезпечення кращої вакуумної щільності спаїв скла марки СЛ96-1 з платинитом та посилення змочуваності поверх шару міді, окисленого по поверхні до закису міді, дріт покривається шаром бури (натрієва сіль борної кислоти). Досить міцні упаї забезпечуються при використанні платинового дроту діаметром до 0,8 мм.
Вакуумно-щільний упай у скло СЛ40-1 отримують при використанні молібденового дроту. Ця пара дає більш узгоджений пай, ніж скло марки СЛ96-1 з платінітом. Обмежене застосування цього впаю пов'язане з дорожнечею вихідних матеріалів.
Для отримання вакуумно-щільних вводів у кварцове скло необхідні метали з дуже малим тепловим коефіцієнтом лінійного розширення, яких немає. Тому необхідний результат отримую завдяки конструкції введення. Як метал використовують молібден, що відрізняється гарною змочуваністю кварцовим склом. Для ламп розжарювання у кварцових колбах застосовують прості фольгові вводи.
Гази
Наповнення ламп розжарювання газом дозволяє підвищити робочу температуру тіла розжарення без зменшення терміну служби через зниження швидкості розпилення вольфраму в газовому середовищі, порівняно з розпиленням у вакуумі. Швидкість розпилення знижується зі зростанням молекулярної маси та тиску газу, що наповнює. Тиск газів становить близько 8 × 104 Па. Який газ для цього використати?
Використання газового середовища призводить до появи теплових втрат через теплопровідність через газ та конвекцію. Для зниження втрат вигідно заповнювати лампи важкими інертними газами або їх сумішами. До таких газів відносяться азот, аргон, криптон і ксенон. У таблиці 3 наведено основні параметри інертних газів. Азот у чистому вигляді не застосовують через великі втрати, пов'язані з його відносно високою теплопровідністю.
Таблиця 3
Основні параметри інертних газів
Лампа розжарювання – освітлювальний прилад, штучне джерело світла. Світло випромінюється нагрітою металевою спіраллю при протіканні через неї електричного струму.
Принцип дії
У лампі розжарювання використається ефект нагрівання провідника (нитки розжарювання) при протіканні через нього електричного струму. Температура вольфрамової нитки напруження різко зростає після включення струму. Нитка випромінює електромагнітне випромінювання відповідно до закону Планка. Функція Планка має максимум, положення якого на шкалі довжин хвиль залежить від температури. Цей максимум зсувається з підвищенням температури у бік менших довжин хвиль (закон усунення Вина). Для отримання видимого випромінювання необхідно, щоб температура була близько кількох тисяч градусів, в ідеалі 6000 K (температура поверхні Сонця). Чим менша температура, тим менша частка видимого світла і тим «червонішим» видається випромінювання.
Частина споживаної електричної енергії лампа розжарювання перетворює на випромінювання, частина йде в результаті процесів теплопровідності та конвекції. Тільки мала частка випромінювання лежить у області видимого світла, основна частка посідає інфрачервоне випромінювання. Для підвищення ККД лампи та отримання максимально «білого» світла необхідно підвищувати температуру нитки розжарення, яка, у свою чергу, обмежена властивостями матеріалу нитки — температурою плавлення. Ідеальна температура в 6000 K недосяжна, тому що за такої температури будь-який матеріал плавиться, руйнується і перестає проводити електричний струм. У сучасних лампах розжарювання застосовують матеріали з максимальними температурами плавлення - вольфрам (3410 ° C) і дуже рідко осмій (3045 ° C).
При практично досяжних температурах 2300-2900 ° C випромінюється далеко не біле і не денне світло. З цієї причини лампи розжарювання випромінюють світло, яке здається більш «жовто-червоним», ніж денне світло. Для характеристики якості світла використовується т.з. кольорова температура.
У звичайному повітрі за таких температур вольфрам миттєво перетворився б на оксид. З цієї причини вольфрамова нитка захищена скляною колбою, заповненою нейтральним газом (зазвичай аргоном). Перші лампочки робилися із вакуумованими колбами. Однак у вакуумі при високих температурах вольфрам швидко випаровується, роблячи нитку тоншою і затемняючи скляну колбу при осадженні на ній. Пізніше колби почали наповнювати хімічно нейтральними газами. Вакуумні колби зараз використовують лише для ламп малої потужності.
Конструкція
Лампа розжарювання складається з цоколя, контактних провідників, нитки розжарення, запобіжника та скляної колби, що захищає нитку розжарювання від навколишнього середовища.
Колба
Скляна колба захищає нитку від згоряння в навколишньому повітрі. Розміри колби визначаються швидкістю осадження матеріалу нитки. Для ламп більшої потужності потрібні колби більшого розміру, для того щоб матеріал нитки розподілявся на велику площу і не надавав сильного впливу на прозорість.
Буферний газ
Колби перших ламп були вакуумовані. Сучасні лампи заповнюються буферним газом (крім ламп малої потужності, які, як і раніше, роблять вакуумними). Це зменшує швидкість випаровування матеріалу нитки. Витрати тепла, що виникають при цьому, за рахунок теплопровідності, зменшують шляхом вибору газу по можливості з найбільш важкими молекулами. Суміші азоту з аргоном є прийнятим компромісом щодо зменшення собівартості. Більш дорогі лампи містять криптон або ксенон (атомні ваги: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)
Нитка напруження
Нитка накалу в перших лампочках робилася з вугілля (точка сублімації 3559 ° C). У сучасних лампочках застосовуються майже виключно спіралі з осмієво-вольфрамового сплаву. Провід часто має вигляд подвійної спіралі, з метою зменшення конвекції рахунок зменшення ленгмюровского шару.
Лампи виготовляють для різних робочих напруг. Сила струму визначається за законом Ома (I = U / R) і потужність за формулою P = U \ cdot I, або P = U2 / R. При потужності 60 Вт і робочій напрузі 230 В через лампочку повинен протікати струм 0,26 А, т. е. опір нитки розжарення має становити 882 Ома. Т. до. метали мають малий питомий опір, для досягнення такого опору необхідний довгий і тонкий провід. Товщина дроту у звичайних лампочках становить 40-50 мікрон.
При включенні нитка розжарення знаходиться при кімнатній температурі, її опір набагато менше робочого опору. Тому при включенні протікає дуже великий струм (в два-три рази більше за робочий струм). У міру нагрівання нитки її опір збільшується та струм зменшується. На відміну від сучасних ламп, ранні лампи розжарювання з вугільними нитками при включенні працювали за зворотним принципом — при нагріванні їх опір зменшувався, і повільно наростало свічення.
У миготливих лампочках послідовно з ниткою розжарювання вбудовується біметалічний перемикач. За рахунок цього такі лампочки самостійно працюють у миготливому режимі.
Цоколь
Форму цоколя з різьбленням звичайної лампи розжарювання було запропоновано Томасом Альвою Едісоном. Розміри цоколів стандартизовані.
Запобіжник
Плавкий запобіжник (відрізок тонкого дроту) розташований у цоколі лампи розжарювання, призначений для запобігання виникненню електричної дуги в момент перегорання лампи. Для побутових ламп з номінальною напругою 220 В такі запобіжники зазвичай розраховані струм 7 А.
ККД та довговічність
Майже вся енергія, що подається в лампу, перетворюється на випромінювання. Втрати за рахунок теплопровідності та конвекції малі. Для людського ока, однак, доступний лише малий діапазон довжин хвиль цього випромінювання. Основна частина випромінювання лежить у невидимому інфрачервоному діапазоні і сприймається у вигляді тепла. Коефіцієнт корисної дії ламп розжарювання досягає при температурі близько 3400 K свого максимального значення 15%. При практично досяжних температурах 2700 K ККД становить 5%.
Зі зростанням температури ККД лампи розжарювання зростає, але при цьому суттєво знижується її довговічність. При температурі нитки 2700 K час життя лампи становить приблизно 1000 годин, при 3400 K лише кілька годин. При збільшенні напруги на 20% яскравість зростає вдвічі. Водночас зменшується час життя на 95%.
Зменшення напруги вдвічі (напр. при послідовному включенні) хоч і зменшує ККД, зате збільшує час життя майже тисячу разів. Цим ефектом часто користуються, коли треба забезпечити надійне чергове освітлення без особливих вимог до яскравості, наприклад, на сходах.
Обмеженість часу життя лампи розжарювання обумовлена меншою мірою випаровуванням матеріалу нитки під час роботи, і переважно виникають у нитки неоднорідностями. Нерівномірне випаровування нитки призводить до виникнення витончених ділянок з підвищеним електричним опором, що в свою чергу веде до ще більшого нагрівання і випаровування матеріалу в таких місцях. Коли одне з цих звужень стоншується настільки, що матеріал нитки в цьому місці плавиться або повністю випаровується, струм переривається і лампа виходить з ладу.
Галогенні лампи
Додавання до буферного газу галогенів брому чи йоду підвищує час життя лампи до 2000—4000 годин. При цьому робоча температура становить приблизно 3000 К. Ефективність галогенних ламп досягає 28 лм/Вт.
Йод (спільно з залишковим киснем) вступає в хімічну сполуку з атомами вольфраму, що випарувалися. Цей процес є оборотним — за високих температур з'єднання розпадається на складові речовини. Атоми вольфраму вивільняються таким чином або на самій спіралі або поблизу неї.
Додавання галогенів запобігає осадженню вольфраму на склі за умови, що температура скла більше 250 °C. Через відсутність почорніння колби, галогенні лампи можна виготовляти в дуже компактному вигляді. Маленький обсяг колби дозволяє, з одного боку, використовувати більший робочий тиск (що знову ж таки веде до зменшення швидкості випаровування нитки) і, з іншого боку, без істотного збільшення вартості заповнювати колбу важкими інертними газами, що веде до зменшення втрат енергії за рахунок теплопровідності. Все це подовжує час життя галогенних ламп та підвищує їх ефективність.
Через високу температуру колби будь-які забруднення поверхні (наприклад, відбитки пальців) швидко згоряють у процесі роботи, залишаючи почорніння. Це веде до локальних підвищення температури колби, які можуть спричинити її руйнування. Також через високу температуру колби виготовляються з кварцу.
Новим напрямком розвитку ламп є т.з. IRC-галогенні лампи (скорочення IRC означає «інфрачервоне покриття»). На колби таких ламп наноситься спеціальне покриття, яке пропускає видиме світло, але затримує інфрачервоне (теплове) випромінювання та відбиває його назад до спіралі. Завдяки цьому зменшуються втрати тепла і, як наслідок, збільшується ефективність лампи. За даними фірми OSRAM, споживання енергії знижується на 45%, а час життя подвоюється (порівняно зі звичайною галогенною лампою).
Хоча IRC-галогенні лампи не досягають ефективності ламп денного світла, їхня перевага полягає в тому, що вони можуть використовуватися як пряма заміна звичайних галогенних ламп.
Спеціальні лампи
Проекційні лампи для діа- і кінопроекторів. Мають підвищену температуру нитки (і відповідно, підвищену яскравість та зменшений термін служби); зазвичай нитку розміщують так, щоб область, що світиться, утворила прямокутник.
Двохниткові лампи для автомобільних фар. Одна нитка для далекого світла, інша для ближнього. Крім того, такі лампи містять екран, який у режимі ближнього світла відсікає промені, які могли б засліплювати зустрічних водіїв.
Історія винаходу
1854 р. німецький винахідник Генріх Гебельрозробив першу «сучасну» лампочку: обвуглену бамбукову нитку у вакуумованій посудині. У наступні 5 років він розробив те, що багато хто називає першою практичною лампочкою.
11 липня 1874 року російський інженер Олександр Миколайович Лодигінодержав патент за номером 1619 на ниткову лампу. Як нитка розжарювання він використовував вугільний стрижень, поміщений у вакуумовану посудину
Англійський винахідник Джозеф Вільсон Сванотримав у 1878 р. британський патент на лампу з вугільним філаментом. У його лампах філамент був у розрідженій кисневій атмосфері, що дозволяло отримувати дуже яскраве світло.
У другій половині 1870-х років американський винахідник Томас Едісонпроводить дослідницьку роботу в якій він пробує як нитки різні метали. Врешті-решт він повертається до вугільного волокна і створює лампочку з часом життя 40 годин. Незважаючи на такий нетривалий час життя його лампочки витісняють газове освітлення, що використовувалося до того часу.
У 1890-х роках Лодигін винаходить кілька типів ламп із металевими нитками розжарення.
У 1906 р. Лодигін продає патент на вольфрамову нитку компанії General Electric. Через високу вартість вольфраму патент знаходить лише обмежене застосування.
У 1910 р. Вільям Девід Куліджвинаходить покращений метод виробництва вольфрамової нитки. Згодом вольфрамова нитка витісняє всі інші види ниток.
Проблема з швидким випаром нитки у вакуумі, що залишається, була вирішена американським вченим. Ірвінгом Ленгмюром, який, працюючи з 1909 р. у фірмі General Electric, вигадав наповнювати колби ламп інертним газом, що суттєво збільшило час життя ламп.
Всім привіт. Радий вас бачити у себе на сайті. Тема сьогоднішньої статті: влаштування лампи розжарювання. Але для початку хотілося б сказати кілька слів про історію цієї лампи.
Найпершу лампочку розжарювання придумав англійський вчений Деларю ще 1840 року. Вона була із платиновою спіраллю. Трохи пізніше, у 1854 році, німецький вчений Генріх Гебель представив лампу з бамбуковою ниткою, яка знаходилася у вакуумній колбі. Тоді ще дуже багато було представлених різних ламп, різними вченими. Але всі вони мали дуже короткий термін служби і були не ефективними.
У 1890 році вчений Лодигін А. Н. вперше представив лампу, у якої нитка розжарювання була з вольфраму, і мала вигляд спіралі. Також цей учений робив спроби відкачування з колби повітря, і заповнення її газами. Що значно збільшувало термін служби ламп.
А ось серійне виробництво ламп розжарювання почалося вже у 20 столітті. Тоді це був реальний прорив у технології. Зараз же, у наш час, багато підприємств, і просто звичайні люди відмовляються від цих ламп через те, що багато споживають електроенергії. А в деяких країнах навіть заборонили випускати лампи розжарювання, потужністю яких понад 60 Ватів.
Влаштування лампи розжарювання.
Така лампа складається з таких деталей: цоколь, колба, електроди, гачки для тримання нитки розжарювання, нитка розжарювання, штенгель, ізолюючий матеріал, контактна поверхня.
Для того, щоб вам було зрозуміліше, я зараз напишу про кожну деталь окремо. Також дивіться малюнок і відео.
Колба – виготовляється зі звичайного скла та потрібна для захисту нитки розжарювання від зовнішнього середовища. У неї вставляється штенгель з електродами та гачками, які тримають саму нитку. У колбі спеціально створюється вакуум або вона заповнюється спеціальним газом. Зазвичай це аргон, оскільки він не піддається нагріванню.
З того боку, де знаходяться виведення електродів, колба заплавляється склом і приклеюється до цоколя.
Цоколь потрібний для того, щоб лампочку можна було вкрутити в патрон. Зазвичай він виготовляється із алюмінію.
Нитка розжарювання – деталь, що випромінює світло. Виготовляється з вольфраму.
А тепер для закріплення своїх знань, пропоную вам подивитися дуже цікаве відео, в якому розповідається, і показується, як робляться лампи розжарювання.
Принцип дії.
Принцип дії лампи розжарювання ґрунтується на нагріванні матеріалу. Адже не дарма нитка розжарювання має таку назву. Якщо пропустити через лампочку електричний струм, то вольфрамова нитка загострюється до дуже високої температури і починає випромінювати світловий потік.
Чи не розплавляється нитка, тому що вольфрам має дуже високу температуру плавлення, десь 3200-3400 градусів Цельсія. А під час роботи лампи нитка розжарюється десь до 2600—3000 градусів Цельсія.
Переваги та недоліки ламп розжарювання.
Основні переваги:
Чи не висока ціна.
Невеликі габарити.
Легко переносять перепади напруги у мережі.
При включенні миттєво запалюється.
Для людського ока практично непомітне мерехтіння під час роботи від джерела змінного струму.
Можна використовувати пристрій для налаштування яскравості.
Можна використовувати як за низьких, так і при високих температурах навколишнього середовища.
Такі лампи можна випускати практично на будь-яку напругу.
У своєму складі не містить небезпечних речовин, і тому не потребує спеціальної утилізації.
Для запалювання лампи не потрібно жодних пристроїв запуску.
Може працювати на змінному та на постійній напрузі.
Працює дуже тихо і не створює радіоперешкод.
І це далеко не повний перелік переваг.
Недоліки:
Має дуже короткий термін служби.
Дуже невеликий ККД. Зазвичай вона не перевищує 5 відсотків.
Світловий потік та термін служби безпосередньо залежить від напруги мережі.
Корпус лампи під час роботи дуже сильно нагрівається. Тому така лампа вважається пожежонебезпечною.
При розриві нитки колба може вибухнути.
Дуже тендітна, і чутлива до ударів.
В умовах вібрації дуже швидко виходить з ладу.
І на закінчення статті хотілося б написати про один дивовижний факт. У США в одній з пожежних частин міста Лівермор є лампа потужністю 60 ват, яка світитися безперервно вже понад 100 років. Її запалили ще 1901 року, а 1972 року її занесли до Книги рекордів Гінесса.
Секрет її довговічності у цьому, що вона працює у глибокому недокалі. До речі, роботу цієї лампи безперервно фіксує веб-камера. Тож комусь цікаво можете пошукати пряму трансляцію в інтернеті.
На цьому маю все. Якщо стаття була вам корисною, поділіться її зі своїми друзями в соціальних мережах і підписуйтесь на оновлення. Бувай.
З повагою, Олександр!
Функція Планка має максимум, положення якого на шкалі довжин хвиль залежить від температури. Цей максимум зсувається з підвищенням температури у бік менших довжин хвиль (закон усунення Вина). Для отримання видимого випромінювання необхідно, щоб температура була близько кількох тисяч градусів в ідеалі 5770 (температура поверхні Сонця). Чим менша температура, тим менша частка видимого світла і тим «червонішим» видається випромінювання.
Лампа розжарювання на 36 Вт
Частина споживаної електричної енергії лампа розжарювання перетворює на випромінювання, частина йде в результаті процесів теплопровідності та конвекції. Тільки мала частка випромінювання лежить у сфері видимого світла, основна частка посідає інфрачервоне випромінювання . Для підвищення ККД лампи та отримання максимально «білого» світла необхідно підвищувати температуру нитки розжарення, яка у свою чергу обмежена властивостями матеріалу нитки – температурою плавлення. Ідеальна температура в 5770 K недосяжна, тому що за такої температури будь-який відомий матеріал плавиться, руйнується і перестає проводити електричний струм. У сучасних лампах розжарювання застосовують матеріали з максимальними температурами плавлення - вольфрам (3410 ° C) і дуже рідко осмій (3045 ° C).
При практично досяжних температурах 2300-2900 ° C випромінюється далеко не біле і не денне світло. Тому лампи розжарювання випромінюють світло, яке здається більш «жовто-червоним», ніж денне світло. Для характеристики якості світла використовується т.з. кольорова температура .
У звичайному повітрі за таких температур вольфрам миттєво перетворився б на оксид . З цієї причини вольфрамова нитка захищена скляною колбою, заповненою нейтральним газом (зазвичай аргоном). Перші лампи робилися із вакуумованими колбами. Однак у вакуумі при високих температурах вольфрам швидко випаровується, роблячи нитку тоншою (що призводить до її швидкого перегорання) і затемняючи скляну колбу при осадженні на ній. Пізніше колби почали наповнювати хімічно нейтральними газами. Вакуумні колби зараз використовують лише для ламп малої потужності.
Конструкція
Лампа розжарювання складається з цоколя, контактних провідників, нитки розжарювання, запобіжника та скляної колби, заповненої буферним газом і що захищає нитку розжарювання від навколишнього середовища.
Колба
Скляна колба захищає нитку від згоряння в навколишньому повітрі. Розміри колби визначаються швидкістю осадження матеріалу нитки. Для ламп більшої потужності потрібні колби більшого розміру, для того щоб матеріал нитки розподілявся на велику площу і не надавав сильного впливу на прозорість.
Буферний газ
Колби перших ламп були вакуумовані. Сучасні лампи заповнюються буферним газом (крім ламп малої потужності, які, як і раніше, роблять вакуумними). Це зменшує швидкість випаровування матеріалу нитки. Втрати тепла, що виникають у своїй рахунок теплопровідності, зменшують шляхом вибору газу, наскільки можна, з найбільш важкими молекулами . Суміші азоту з аргоном є прийнятим компромісом щодо зменшення собівартості. Більш дорогі лампи містять криптон або ксенон (молярні маси: азот: 28,0134/моль; аргон: 39,948/моль; криптон: 83,798/моль; ксенон: 131,293/моль)
Нитка напруження
Подвійна спіраль лампи розжарювання (Osram 200 Вт) з контактними провідниками та тримачами нитки
Так як при включенні нитка розжарення знаходиться при кімнатній температурі, її опір набагато менше робочого опору. Тому при включенні протікає дуже великий струм (у десять - чотирнадцять разів більше за робочий струм). У міру нагрівання нитки її опір збільшується та струм зменшується. На відміну від сучасних ламп, ранні лампи розжарювання з вугільними нитками при включенні працювали за зворотним принципом - при нагріванні їх опір зменшувався, і повільно наростало свічення.
У миготливих лампах послідовно з ниткою розжарювання вбудовується біметалічний перемикач. За рахунок цього такі лампи самостійно працюють у миготливому режимі.
Цоколь
Для того, щоб розімкнути ланцюг при загорянні дуги і не допустити перевантаження ланцюга живлення, в конструкції лампи передбачений плавкий запобіжник . Він є відрізком тонкого дроту і розташований в цоколі лампи розжарювання. Для побутових ламп з номінальною напругою 220 такі запобіжники зазвичай розраховані струм 7 .
ККД та довговічність
Довговічність та яскравість залежно від робочої напруги
Майже вся енергія, що подається в лампу, перетворюється на випромінювання. Втрати за рахунок теплопровідності та конвекції малі. Для людського ока, однак, доступний лише малий діапазон довжин хвиль цього випромінювання. Основна частина випромінювання лежить у невидимому інфрачервоному діапазоні та сприймається у вигляді тепла. Коефіцієнт корисної дії ламп розжарювання досягає при температурі близько 3400 свого максимального значення 15%. При практично досяжних температурах 2700 ККД становить 5%.
Зі зростанням температури ККД лампи розжарювання зростає, але при цьому суттєво знижується її довговічність. При температурі нитки 2700 час життя лампи становить приблизно 1000 годин, при 3400 лише кілька годин. Як показано малюнку справа, зі збільшенням напруги на 20 %, яскравість зростає вдвічі. Водночас час життя зменшується на 95%.
Зменшення напруги живлення хоч і знижує ККД, зате збільшує довговічність. Так зниження напруги вдвічі (напр. при послідовному включенні) сильно зменшує ККД, зате збільшує час життя майже тисячу разів. Цим ефектом часто користуються, коли необхідно забезпечити надійне чергове освітлення без особливих вимог до яскравості, наприклад, на сходах. Часто при цьому при живленні змінним струмом лампу підключають послідовно з діодом , завдяки чому струм в лампу йде тільки протягом половини періоду.
Обмеженість часу життя лампи розжарювання обумовлена меншою мірою випаровуванням матеріалу нитки під час роботи, і переважно виникають у нитки неоднорідностями. Нерівномірне випаровування нитки призводить до виникнення витончених ділянок з підвищеним електричним опором, що в свою чергу веде до ще більшого нагрівання і випаровування матеріалу в таких місцях. Коли одне з цих звужень стоншується настільки, що матеріал нитки в цьому місці плавиться або повністю випаровується, струм переривається і лампа виходить з ладу.
Переважна частина зносу нитки розжарення відбувається при різкій подачі напруги на лампу, тому значно збільшити термін її служби можна за допомогою різного роду плавних пускачів. Вольфрамова нитка розжарювання має в холодному стані питомий опір, який всього в 2 рази вищий, ніж опір алюмінію. При перегоранні лампи часто буває, що згоряють мідні проводки, що з'єднують контакти цоколя із тримачами спіралі. Так, звичайна лампа на 60 Вт у момент включення споживає понад 700 Вт, а 100-ватна - більше кіловата. Принаймні прогріву спіралі її опір зростає, а потужність падає до номінальної.
Для згладжування пікової потужності можуть використовуватися терморезистори з сильно падаючим опором у міру прогріву, реактивний баласт у вигляді ємності або індуктивності. Напруга на лампі зростає в міру прогріву спіралі і може використовуватися для автоматизації шунтування баласту. Без відключення баласту лампа може втратити від 5 до 20% потужності, що може бути вигідно збільшення ресурсу.
| тип | ККД | Світловіддача (Люмен / Ватт) |
|---|---|---|
| 40 W Лампа розжарювання | 1.9 % | 12.6 |
| 60 W Лампа розжарювання | 2.1 % | 14.5 |
| 100 W Лампа розжарювання | 2.6 % | 17.5 |
| Галогенні лампи | 2.3 % | 16 |
| Металогалогенная лампа (з кварцовим склом) | 3.5 % | 24 |
| Високотемпературна лампа розжарювання | 5.1 % | 35 |
| Абсолютно темне тіло при 4000 K | 7.0 % | 47.5 |
| Абсолютно темне тіло при 7000 K | 14 % | 95 |
| Ідеально біле джерело світла | 35.5 % | 242.5 |
| Ідеальний монохроматичний 555 nm (зелений) джерело | 100 % | 683 |
Галогенні лампи
Галогенна лампа
Новим напрямком розвитку ламп є т.з. IRC-галогенні лампи (скорочення IRC означає «інфрачервоне покриття»). На колби таких ламп наноситься спеціальне покриття, яке пропускає видиме світло, але затримує інфрачервоне (теплове) випромінювання та відбиває його назад до спіралі. Завдяки цьому зменшуються втрати тепла і, як наслідок, збільшується ефективність лампи. За даними фірми.
Хоча IRC-галогенні лампи не досягають ефективності ламп денного світла, їхня перевага полягає в тому, що вони можуть бути використані як пряма заміна звичайних галогенних ламп.
Спеціальні лампи
- Проекційні лампи - для діа- та кінопроекторів. Мають підвищену яскравість (і відповідно, підвищену температуру нитки та зменшений термін служби); зазвичай нитку розміщують так, щоб область, що світиться, утворила прямокутник.
- Двохниткові лампи для автомобільних фар. Одна нитка для далекого світла, інша для ближнього. Крім того, такі лампи містять екран, який у режимі ближнього світла відсікає промені, які могли б засліплювати зустрічних водіїв.
Історія винаходу
Томас Альва Едісон
Завантаження...
