Принципы работы и характеристики тепловых источников света

Лампа накаливания – тепловой электрический источник света, который массово применяется уже более столетия. Разработанная А.Н. Лодыгиным в 1873 году лампа имела в качестве тела накала угольный стержень, помещенный в стеклянную колбу. Кислород в ней сгорал в первые моменты горения угольного стержня.

Если тело накала будет находиться в воздушной среде, то его взаимодействие с кислородом воздуха при сильном нагреве приведёт к быстрому окислению и разрушению тела накала. Поэтому откачивание воздуха из колбы значительно увеличивает его срок службы. В 1879 году американский изобретатель Т. Эдисон создал лампу серийного производства с угольным стержнем и откачиваемой колбой. Лампы с вольфрамовой нитью накала появились в 1903 году.

Вольфрам – самый тугоплавкий и при этом доступный металл, по этой причине он по сей день применяется для производства ламп накаливания. Температура плавления вольфрама около 3400 ºС, поэтому рабочие температуры вольфрамовых тел накала находятся в пределах 2000-2800 ºС, что соответствует цветовым температурам до 2900 К (белый «теплый» свет). Поверхность колбы лампы накаливания в процессе работы может нагреваться до 150 ºС (ЛН мощностью 100 Вт) и до 250 ºС (ЛН мощностью 1000 Вт).

В настоящее время выпускаются вакуумные лампы накаливания, их мощность не превышает 25 Вт, а также газополные лампы, мощностью более 25 Вт. Газополные лампы после предварительной откачки воздуха наполняют инертным газом (аргоном, криптоном или ксеноном, но наиболее распространено аргоновое заполнение) для уменьшения испарения вольфрама с тела накала и предотвращения его осаждения на внутренней поверхности колбы. При этом часть энергии, подводимой к телу накала, уходит на нагрев наполняющего газа, что ведёт к необходимости нагревать тело накала до более высоких температур. От длины тела накала пропорционально зависит количество тепловых потерь на нагрев газа, поэтому тонкую вольфрамовую нить тела накала свивают в спираль (рис. 1).

Устройство лампы накаливания (рис. 2):

В стеклянную или кварцевую колбу 1 помещена вольфрамовая нить накала 2, которая фиксируется держателями 3, закрепленными на стеклянном штабике 4. Никелевые электроды 5, впаянные в лопатку 6, подводят ток к нити накала. Специальной мастикой 7 колба крепится к цоколю 9. Через штенгель 8 из колбы откачивается воздух и закачивается инертный газ.

Удельное сопротивление вольфрама предсказуемо меняется при изменении температуры от комнатной до 2500-3200 К, возрастая в 12-20 раз. Во столько же раз возрастает ток в цепи лампы при ее включении. Возрастание тока длится всего 0,1-0,2 с, но создаёт большие нагрузки на электрическую сеть. Поэтому в большинстве случаев лампы накаливания выходят из строя в момент включения.

Параметры ламп накаливания сильно зависят от питающего напряжения. На рисунке 3 показана зависимость светового потока (Ф), световой отдачи (η), электрической мощности (Р), силы тока (I) и срока службы (τ) от напряжения в процентном соотношении.

Из рисунка видно, что световой поток и световая отдача могут быть значительно повышены за счет увеличения питающего напряжения, однако это приведет к резкому сокращению срока службы.

Достоинства ламп накаливания:

• компактность излучателя и высокая яркость, что позволяет перераспределять световой поток, создавая различные формы кривых силы света;
• простота конструкции и низкая стоимость;
• не требуют пускорегулирующей аппаратуры;
• сплошной спектр излучения (рис. 4) – высокий индекс цветопередачи (Ra=99-100);
• мгновенный выход на рабочий режим, нет времени разгорания;
• независимость от температуры окружающей среды;
• при необходимости легко диммируются;
• низкий коэффициент пульсаций (около 5%).
• экологическая безопасность (отсутствие ртути и других вредных веществ).

Недостатки ламп накаливания:

• низкая световая отдача (10-12 лм/Вт);
• короткий срок службы (до 1000 часов у бытовых ламп, несколько сотен часов у ламп повышенной мощности);
• большая доля ИК излучения
• малая механическая прочность колбы и крепления тела накала;
• сильный нагрев колбы;
• поверхность колбы необходимо оберегать от влаги и загрязнений;
• повышенная нагрузка на электрическую сеть в момент включения лампы.

 

Галогенные лампы накаливания отличаются от обычных и по конструкции (рис. 5), и по нескольким параметрам. Тело накала – вольфрамовая спираль 4 – находится в кварцевой трубке 5. Внутри колбы тело накала закреплено вольфрамовыми держателями 7. Токовводы 3 и выводы 1 соединены впаянной в колбу молибденовой фольгой 2. 6 – отпай штенгеля.

В состав наполняющих газов введены галогены (элементы VII группы таблицы Менделеева), обычно йод и бром. Это делается для увеличения срока службы лампы за счёт галогенно-вольфрамового цикла. Причиной малого срока службы ламп накаливания является испарение вольфрама с тела накала и осаждение его на стенках колбы.

В галогенной лампе испарившийся вольфрам вблизи стенок колбы образует летучие галогениды (соединения с галогенами), которые при приближении к нити накала разлагаются на вольфрам и галоген, при этом вольфрам осаждается на нити накала, восстанавливая её. Процесс повторяется вновь. Для эффективного осуществления галогенно-вольфрамового цикла температура нити накала должна быть не менее 2900 °С, а температура колбы 500-600 °С. Поэтому колбы галогенных ламп изготавливают из жаропрочного кварцевого стекла и часто помещают в дополнительную защитную колбу из обычного стекла. В качестве наполняющего инертного газа используют ксенон. Возможность нагревать нить накала до более высокой температуры и ксеноновое наполнение повышает световую отдачу (в некоторых ГЛН она достигает 40 лм/Вт), также повышается цветовая температура до 3200-3400 К, приближая цвет свечения к белому нейтральному. Срок службы ГЛН также повышается до 2-3 тыс. часов за счёт восстановления вольфрамовой нити накала. Это не относится к лампам высокой мощности, срок службы которых составляет несколько сотен часов. Сложная технология изготовления ГЛН делает их стоимость более высокой, по сравнению с обычными лампами накаливания. Из-за присутствия в составе галогенов, рекомендуется утилизировать лампы специальным образом.

Остальные параметры, достоинства и недостатки ГЛН аналогичны обычным лампам накаливания.

Возможные варианты исполнения ГЛН представлены на рисунке 6.

С 2009 года в странах Евросоюза действует запрет на производство и продажу ламп накаливания мощностью более 100 Вт, вследствие их низкой энергоэффективности. Однако, на лампы специального назначения данный запрет не распространяется. США и некоторые другие страны также ввели подобный запрет. Российская Федерация поддерживает систему постепенного отказа от производства ламп накаливания. С 2011 года в РФ запрещено производство ламп накаливания мощностью 100 Вт и более.