Из чего состоит лампочка накаливания — схема и устройство

История изобретения лампочки

При покупке лампочки ориентируются в первую очередь на величину цоколя и мощность. Эти два параметра легко определить по старому, перегоревшему источнику света.

Если вы выберете устройство меньшей мощности, то световой поток будет слабее, если большей, то рискуете целостностью плафонов – они могут деформироваться из-за высокой температуры нагрева.

Кроме технических характеристик стоит обратить внимание на качество изготовления лампы. Предпочтение стоит отдать изделиям с широким контактом цоколя, пропаянным токопроводом, стабильно закрепленной нитью накала.

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.

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.

За свою более чем 100 – летнюю историю существования лампы накаливания с вольфрамовой спиралью, принцип работы и основные конструкторские элементы почти не претерпели изменений.А началось всё в 1840 году, когда была создана лампа, использующая для освещения принцип накаливания платиновой спирали.1854 год – первая практичная лампа.

Применялся сосуд с откачанным воздухом и бамбуковая обугленная нить.1874 год – используется в качестве тела накала угольный стержень, помещённый в вакуумный сосуд.1875 год – лампа с несколькими стержнями, которые раскаляются один за другим в случае сгорания предыдущего.1876 год – использование каолиновой нити накала, которая не требовала откачки воздуха из сосуда.

1878 год – использование угольного волокна в разрежённой кислородной атмосфере. Это позволяло получать яркое освещение.1880 год – создана лампа с угольным волокном, имеющая время свечения до 40 часов.1890 год – использование спиральных нитей из тугоплавких металлов (окиси магния, тория, циркония, иттрия, металлического осмия, тантала) и наполнение колб азотом.

1904 год – выпуск ламп с вольфрамовой спиралью.1909 год – наполнение колб аргоном.С тех пор прошло более 100 лет. Принцип работы, материалы деталей, наполнение колбы практически не изменились. Эволюции подверглось лишь качество используемых материалов при производстве ламп, технические характеристики и небольшие дополнения.

Конструкция лампы накаливания

Еще до недавнего времени лампы накаливания (ЛН) использовались повсеместно и сейчас их все еще покупают – они могут работать как “во всю силу”, ярко освещая помещение, так и снижать яркость с помощью диммера. Из-за распространенности традиционных лампочек среди населения с их конструкционными особенностями знакомы многие.

Причем часто приходилось «знакомиться» по причине выхода источника света из строя: перегорала вольфрамовая нить, лопалось стекло или колба вылетала из цоколя.

Некоторые производители использовали более надежные и проверенные материалы и относились к выпуску лампочек накаливания настолько ответственно, что их продукция работает уже на протяжении нескольких десятилетий. Но это скорее исключение, чем правило – сегодня никаких гарантий на продолжительный срок эксплуатации не дается.

Главный действующий элемент – так называемое тело накала, закрепленное на держателях и присоединенное к электродам. В момент подключения электроэнергии через него проходит напряжение, вызывающее одновременно нагрев и свечение. Чтобы излучение стало видимым, температура нагрева должна достигнуть 570 °С.

Наиболее устойчивым к высокой температуре металлом признан вольфрам. Он начинает плавиться при нагреве до 3422 °С. Чтобы максимально увеличить площадь излучения, но сократить объем тела накала внутри стеклянной колбы, его скручивают в спираль.

Для защиты вольфрама от процесса окисления, характерного для металлов, из колбы откачивают воздух и заменяют его вакуумом или газом (криптоном, аргоном и пр.). Технология наполнения вакуумом устарела, для бытовых ламп чаще всего применяют смесь азота и аргона или криптон.

В результате тестирования была выявлена минимальная продолжительность горения лампы – 1 тысяча часов. Но, учитывая случайные причины, выводящие приборы из строя раньше времени, допускается, что нормативы распространяются лишь на 50% продукции из каждой партии. Время работы второй половины может быть больше или меньше – в зависимости от условий использования.

Потребитель продолжает приобретать неэкономичные лампочки благодаря целому ряду плюсов, хотя некоторые из них весьма условны.

По отзывам, их выбирают из-за следующих качеств:

• невысокая стоимость;
• отсутствие пускорегулирующего оборудования;
• моментальное зажигание после включения;
• привычный «домашний» свет;
• отсутствие вредных веществ;
• нет реакции на низкую температуру и электромагнитные импульсы.

Однако мало кто оценивает качество светового потока или пульсацию, все же для большинства решающим оказывается первый фактор.

Но недостатки гораздо весомее, так как среди них сравнительно низкая световая отдача, ограниченный срок службы, небольшой диапазон цветовой температуры (только желтый свет), зависимость от перепадов напряжения в сети, пожароопасность.

Сейчас существует возможность сравнить на практике работу ламп накаливания, газоразрядных и светодиодных аналогов. Каждый, кто заметил разницу в энергопотреблении, давно перешел на энергосберегающие устройства.

Рассмотрев, из чего состоит лампочка, важно понять и принцип её работы:

• При включении света через донышко цоколя к телу накала проходит ток.
• Вольфрамовая нить сильно разогревается после замыкания электрической цепи, что приводит к её свечению.
• На этот момент температура нити достигает 570 градусов.
• Таким образом спектр свечения лампочек сдвинут в сторону теплых температур.

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.

В нынешнее время лампа накаливания мощностью 100 Вт имеет такую конструкцию:

1. Герметичная стеклянная колба грушевидной формы. Из неё частично выкачан воздух или заменён инертным газом. Это сделано для того, чтобы вольфрамовая нить накала не сгорала.
2. Внутри колбы находится ножка, к которой прикреплены два электрода и несколько держателей из металла (молибдена), которые подпирают вольфрамовую нить, не давая ей провисать и разрываться под собственным весом во время нагрева.
3. Узкая часть грушевидной колбы закреплена в металлическом корпусе цоколя, имеющего спиральную резьбу для вкручивания в штепсельный патрон. Резьбовая часть является одним контактом, к нему припаян один электрод.
4. Второй электрод припаян к контакту на донышке цоколя. Он имеет вокруг себя кольцевую изоляцию от резьбового корпуса.

В зависимости от особенных условий эксплуатации некоторые конструктивные элементы могут отсутствовать (например, цоколь или держатели), быть видоизменёнными (например, цоколь), дополнены другими деталями (дополнительная колба). Но такие части, как нить, колба и электроды являются основными частями.

Для освещения создана масса различных осветительных приборов. Многие из них изобретены в последние 20 – 30 лет с применением высоких технологий, но обычная лампа накаливания всё равно имеет ряд преимуществ или совокупность характеристик, которые являются более оптимальными при практичном использовании:

1. Дешевизна при производстве.
2. Нечувствительность к перепадам напряжения.
3. Быстрое зажигание.
4. Отсутствие мерцания. Этот фактор очень актуален при использовании переменного тока частотой 50 гц.
5. Наличие возможности регулировки яркости источника света.
6. Постоянный спектр светового излучения, близкий к естественному.
7. Резкость теней, как при солнечном освещении. Что тоже является привычным для человека.
8. Возможность эксплуатации в условиях высоких и низких температур.
9. Возможность производства ламп различной мощности (от нескольких Вт до нескольких кВт) и рассчитанных на различное напряжение (от нескольких Вольт до нескольких кВ).
10. Несложная утилизация в виду отсутствия токсичных веществ.
11. Возможность использования любого вида тока с любой полярностью.
12. Эксплуатация без дополнительных пусковых устройств.
13. Бесшумность работы.
14. Не создаёт радиопомех.

Наряду с таким большим перечнем положительных факторов, лампы накаливания обладают и рядом существенных недостатков:

1. Главный отрицательный фактор – это очень низкий КПД. Он достигает у лампы мощностью 100 Вт лишь 15 %, у прибора 60 Вт этот показатель составляет только 5 %. Одним из способов повышения КПД является повышение температуры накала, но при этом резко уменьшается срок службы вольфрамовой спирали.
2. Короткий срок службы.
3. Высокая температура поверхности колбы, которая может достигать у 100-Ваттной лампы 300°С. Это представляет угрозу для жизни и здоровья живых существ, и представляет пожарную опасность.
4. Чувствительность к встряске и вибрации.
5. Использование термостойкой арматуры и изоляции токоподводящих проводов.
6. Высокое энергопотребление (в 5 -10 раз больше номинального) во время запуска.

Из чего состоит лампа

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).

Виды и особенности применения ЛН

Каждая деталь в электролампе имеет своё предназначение и выполняет свои функции:

1. Колба. Изготавливается из стекла, достаточно дешёвого материала, отвечающего основным требованиям:
   – высокая прозрачность позволяет пропускать световую энергию и по минимуму поглощать её, избегая дополнительного нагревания (этот фактор имеет первостепенное значение для осветительных приборов);
   – жаропрочность даёт возможность выдерживать высокие температуры вследствие нагревания от раскалённой нити (например, в лампе 100 вт колба нагревается до 290°С, 60 Вт — 200°С; 200 Вт — 330°С; 25 Вт — 100°C, 40 Вт — 145°C);
   – твёрдость позволяет выдерживать внешнее давление при откачке воздуха, и не разрушаться при вкручивании.
2. Наполнение колбы. Сильно разрежённая среда позволяет минимизировать теплопередачу от раскалённой нити к деталям лампы, но усиливает испарение частиц раскалённого тела. Наполнение инертным газом (аргон, ксенон, азот, криптон) исключает сильное испарение вольфрама из спирали, не даёт возгораться нити и минимизирует теплопередачу. Использование галогенов позволяет испарившемуся вольфраму возвращаться обратно в спиральную нить.
3. Спираль. Изготавливается из вольфрама, выдерживающего 3400°С, рения – 3400°С, осмия — 3000°С. Иногда вместо спиральной нити, в лампе используется лента или тело другой формы. Используемая проволока имеет круглое сечение, для уменьшения габаритов и потерь энергии на теплоотдачу закручивается в двойную или тройную спираль.
4. Крючки-держатели изготавливаются из молибдена. Они не позволяют сильно провисать увеличившейся от нагрева во время работы спирали. Их количество зависит от длины проволоки, то есть от мощности лампы. Например, у лампы 100 Вт держателей будет 2 – 3 шт. У ламп накаливания мощностью поменьше держатели могут отсутствовать.
5. Цоколь изготавливается из металла с внешней резьбой. Он выполняет несколько функций:
   — соединяет несколько деталей (колбу, электроды и центральный контакт);
   — служит для крепления в штепсельном патроне с помощью резьбы;
   — является одним контактом.

Существует несколько видов и форм цоколей в зависимости от предназначения осветительного прибора. Есть конструкции, не имеющие цоколя, но с неизменным принципом работы лампы накаливания. Самыми распространенными видами цоколя являются Е27, Е14 и Е40.

Кроме различных видов цоколя есть и различные виды колб.

Кроме перечисленных конструктивных деталей, лампы накаливания могут иметь и некоторые дополнительные элементы: биметаллические переключатели, отражатели, цоколи без резьбы, различные напыления и др.

Качественные характеристики и маркировка вольфрамовых лампочек регламентирована ГОСТ Р 52712-2007. По типу наполнения колбы приборы ЛН делятся на вакуумные и газополные разновидности.

Первые служат меньше из-за неизбежного испарения вольфрамовой нити. Вдобавок вольфрамовые испарения оседают на стеклянной оболочке вакуумного источника, что ощутимо снижает прозрачность и способность стекла пропускать свет. Выпускают их с моноспиралью, в номенклатурном обозначении им присвоена литера В.

В газополных приборах минимизированы недостатки вакуумных лампочек. Газ сокращает процесс испарения и препятствует оседанию вольфрама на стенках колбы. Газополные моноспиральные виды обозначены буквой Г, а лампочки с дважды навитой спиралью, т.е. биспиральные, маркируются буквой Б. Если биспиральная разновидность имеет номенклатуру БК, значит, в ее наполнении был использован криптон.

В галогенных лампочках ГЛН к наполнителю стеклянной колбы добавляют бром или йод, благодаря которым испаряющиеся атомы вольфрама после испарения возвращаются снова на нить накала. Галогенки выпускают в двух форматах: в виде кварцевых трубок с длинной спиралью или в капсульном варианте с компактным рабочим элементом.

В государственных стандартах деление на группы происходит по сфере применения, однако затрагиваются и другие характеристики. Предположим, на одном уровне рассматриваются «ЛН электрические миниатюрные» (ЛН мн) и «ЛН инфракрасные зеркальные» (ЗК – приборы с концентрированным светораспределением, ЗД – со средним) – как видите, для обозначения категорий выбраны разные критерии.

Существуют группы, которые можно отнести к наиболее востребованным:

• общего назначения;
• для транспортных средств;
• прожекторные;
• миниатюрные и пр.

Рассмотрим сферы применения и особенности различных категорий, которые в некоторых случаях могут между собой пересекаться.

Описание  технических требований к каждой из перечисленных категорий можно найти в соответствующих разделах ГОСТ. Из-за особенностей конструкции и области применения маркировка устройств из различных групп отличается.

Лампу легче подобрать, если ориентироваться в условных обозначениях. Они отражают важные технические характеристики, возможную область использования, особенности конструкции и технологии изготовления.

Вначале указаны буквы в количестве от 1 до 4, которые отражают характерные конструктивные особенности. Для более легкой расшифровки за основу взята первая буква основополагающего критерия, например, Г – газополная моноспиральная лампа, В – вакуумная моноспиральная, К – криптоновая и др.

Затем следует указание назначения:

• Ж – железнодорожная;
• А – автомобильная;
• СМ – самолетная;
• ПЖ – для прожекторов и др.

За буквам расположены цифры, обозначающие технические характеристики – напряжение (В) и мощность (ВТ). Маркировка ламп специального типа отличается: мощность не указана, зато можно определить ток, световой поток или силу света. Если в устройстве две спирали, то мощность для каждой из них указывается отдельно.

Последняя цифра может обозначать номер разработки, если конструкция модифицировалась.

Основные технические характеристики

Самым главным параметром источников света с телом накала является мощность, определяемая в ваттах. Назначение ламп разнообразное, поэтому диапазон велик – от 0,1 Вт индикаторных «светлячков» до 23 тыс. Вт прожекторов для маяков.

Компании General Electric и Osram выпускают мощные светильники для театральных и кинематографических постановок.

В быту используют маломощные приборы, в основном, от 15 Вт до 150 Вт, а в промышленной сфере применяют лампы мощностью до 1500 Вт.

Качество светового потока и степень рассеивания регулируются материалом изготовления колбы. Максимальная светопередача характерна для ламп с прозрачным стеклом, тогда как два других типа поглощают часть света. Например, матовое стекло колбы крадет 3% светового потока, а белое – 20%.

Часто мощность бытовых ламп накаливания ограничена материалом светильников (абажуров, плафонов). Производители люстр и бра обычно указывают рекомендованные параметры – как правило, 40 Вт, реже 60 Вт.

В 2011 году лампы накаливания официально признаны низко экономичными и пожароопасными, поэтому был принят закон о прекращении выпуска источников света 100 Вт. На очереди – закон о запрете устройств мощнее 50 Вт.

Однако пользователь ничего не теряет, так как на современном рынке огромное количество более производительных и экономичных светодиодных ламп и других аналогов.

Сегодня многие отказываются от устаревшего вида ламп из-за большого потребления электроэнергии и короткого срока службы. Однако существуют категории людей, предпочитающие покупать дешевые и неэффективные источники – благодаря им производство лампочек накаливания продолжается.

Второй важный показатель, который обязательно нужно учитывать при покупке, – вид цоколя лампы накаливания, определяемый размером. У импортных и отечественных светодиодных ламп множество разновидностей цоколей, тогда как простые лампы ограничиваются тремя.

Сейчас производителей обязывают упаковывать каждое изделие в отдельную коробочку, так что технические характеристики можно отыскать на ней. Обычно указывают мощность, класс энергоэффективности (низкий – Е), тип цоколя, прозрачность колбы, срок службы в часах.

Преимущества и недостатки ламп накаливания

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.

Некоторые особенности и предназначение конструктивных элементов вольфрамовой лампы

Классифицируют все изделия по разным параметрам. По типу наполнения колбы различают такие лампы:

• самые простые вакуумные (при их изготовлении из колбы отсасывается весь воздух);
• наполненные газом аргоном;
• ксенон-галогенные;
• наполненные криптоном.

По типу предназначения лампочки делят на такие виды:

• Декоративные. Работают по привычному принципу. Колба выполнена в виде свечи или шара.
  

  Декоративные лампы накаливания

• Общего назначения. Это знакомые всем обычные элементы, которые вкручиваются в люстру или бра. Часто мастера волнует вопрос, сколько ватт потребляет лампочка. Можно купить изделие на 40, 60, 90, 100, 120, 150, 200 и более Вт. Чем больше показатель, тем ярче будет свечение.
• Лампы для локального освещения. Конструктивно они ничем не отличаются от обычных элементов. Но рабочее напряжение для них находится в диапазоне 12-42 В.
• Лампочки для иллюминации. Имеют окрашенную в яркие цвета колбу. Рабочая мощность в диапазоне 10-25 Вт.
• Сигнальные. Имеют предельно низкую мощность и используются для светосигнальных устройств. На сегодняшний день такие изделия уверенно вытесняются современными светодиодными лампами.
• Прожекторные. Тело накала здесь укладывается особым образом за счет удобной её подвески в колбе. В результате удается достичь лучшей фокусировки свечения. Мощность таких ламп достигает 10-50 киловатт.
  

  Зеркальная лампа 

• Зеркальные. Имеют особое покрытие колбы. Она частично обтянута пленкой распыленного термическим способом алюминия. Таким образом удается добиться узкой направленности светового луча. Зеркалки применяются для устройства локального освещения.
• Транспортные. Эти изделия отличаются повышенной прочностью, устойчивостью к вибрациям. Для транспортных ламп используют специальные цоколи, благодаря которым можно быстро заменить осветительный элемент в стесненных условиях машины. Работают такие элементы от электросети авто 6-220 В.
• Изделия для оптических приборов. Сегодня почти не выпускаются. Ранее использовались для кинопроекторов, медтехники. Лампы такого типа имеют колбу особой формы.
• Коммутаторная лампочка. Относятся к классу сигнальных. Имеют малый размер колбы, что позволяет размещать их под кнопками панелей различных установок.
  

  Двухнитевая сигнальная лампа 

По количеству нитей накаливания все элементы бывают:

• Двухнитевые. Имеют одно тело накала для дальнего (сильного) света и одно – для ближнего (слабого) освещения. Используются в авто, авиации, ж/д светофорах, в звездах Московского Кремля.
• Однонитевые. Привычные лампочки с вольфрамовым телом накала.

Выводы и полезное видео по теме

Еще больше познавательной и интересной информации о производстве, использовании и недостатках ламп накаливания – в видеороликах, снятых специалистами и любителями.

Потребитель сам вправе выбрать лампочку для использования в быту. Однако не стоит гнаться за дешевизной и обманчивой выгодой.

Учитывая, что освещением мы пользуемся постоянно, а лампочек в доме, как правило, более десятка, следует пересмотреть привычки. Многие пользователи давно уже перешли на более надежные, экономичные, безопасные светодиодные лампы.

Вы заметили в изложенном материале ошибки или неточности? Или хотите дополнить эту статью полезными рекомендациями? Напишите нам об этом, пожалуйста, в блоке комментариев.

Если вы предпочитаете использовать традиционные лампочки взамен более экономных энергосберегающих и хотите поделится своим мнением на их счет, пишите свою точку зрения о целесообразности использования обычных лампочек под этой статьей.

КПД и долговечность

https://www.youtube.com/watch?v=HcK4o24CXWk

Разбирая, как устроена лампа накаливания, важно понять коэффициент ее полезного действия. При световой температуре 3400 Кельвинов КПД элемента составляет 15%. Имеется в виду отношение потребляемой мощности к видимому человеческим глазом световому излучению. При температуре 2700 К (средняя нормальная для обычной бытовой лампы) коэффициент полезного действия равен всего 5%.

https://www.youtube.com/watch?v=EoEI7cOgfKs

Чем выше температура накала, тем большим будет КПД. Но при этом срок службы изделия снижается. К примеру, если повысить напряжение на 20%, яркость освещения станет сильнее – повысится КПД лампочки, однако срок эксплуатации сократится на 90-95%. Соответственно, снижение напряжения приводит к уменьшению коэффициента полезного действия изделия и увеличению срока его эксплуатации.