Электрические лампы накаливания
Электрическая вольфрамовая лампа накаливания - осветительные прибор (рис.3.2), искусственный источник света.
Рис. 3.2. Электрическая лампа накаливания
Рис. 3.3. Лампа накаливания при напряжении 36В
В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накалива- ния) при протекании через него электрического тока (тепловое излучение – см.раздел 3.1.1). Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное тепловое излучение в соответствии с законом Планка. Как было описано выше, функция Планка имеет максимум, положение которого на шка- ле длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением темпе- ратуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000K (температура поверхности Солнца). Чем меньше температура, тем мень- ше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение (рис. 3.3.).
Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излу- чение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только ма- лая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на ин- фракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограни- чена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000K недостижима, т. к. при такой температуре любой известный материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накали- вания 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 бе- лый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет.
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 и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.
Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предо- хранителя и стеклянной колбы, заполненной буферным газом и ограждающей нить на- кала от окружающей среды.
Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощно- сти требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Колбы первых ламп были вакуумированые. Современные лампы заполняются бу- ферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумны- ми). 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 компро- миссом 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 в первых лампах делалась из угля - точка сублимации (испарения) 3559 °C. В современных лампах применяются почти исключительно спирали из осмиево- ольфрамового сплава.
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампу должен протекать ток 0,26 А, т. е. по закону Ома сопротивление нити накала должно составлять 882 Ом. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод (именно поэтому нить накаливания изготавливается в виде спирали из провода толщиной 40-50 микрон).
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопро- тивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается.
КПД, долговечность и световая отдача (отношение светового потока к мощности) яр- кость света лампы накаливания зависят от рабочего напряжения (табл.3.2.).
Таблица 3.2.
| Мощность лампы | КПД | Световая отдача, Лм/Вт |
| 40 W | 1,9% | 12,6 |
| 60 W | 2,1% | 14,5 |
| 100 W | 2,6% | 17,5 |
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 невиди- мом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максималь- ного значения 15 % (в лампах-софитах). В бытовых лампах при практически достижимых температурах в 2700K КПД составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом суще- ственно снижается её долговечность. При температуре нити 2700K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400K 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 в два раза (например, при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эф-
фектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого же лампу подключают последовательно с диодом.
Галогенные лампы (рис.3.4) за счет добавления в буферный газ паров галогенов (брома или йода) имеют значительно продолжительное время жизни лампы (до 2000…4000 часов). При этом рабочая температура спи- рали составляет примерно 3000 К. Световая отдача галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.
Добавление галогенов предотвращает осаждение
вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла выше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компакт- ном виде. Малый объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее ра- бочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжёлыми инерт- ными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность.
Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпе- чатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её раз- рушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварцевого стек- ла.
Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокра- щение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится спе- циальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются поте- ри тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по срав- нению с обычной галогенной лампой).
Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут быть использованы как прямая замена обыч- ных галогенных ламп.