Конструкция, технические параметры и разновидности ламп накаливания

Разновидности световых элементов

Типы колб ламп

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.
   

• 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.
   
• 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.

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.

КПД и долговечность

Влияние напряжения на срок службы лампочки

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%.

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.

Достоинства и недостатки ламп накаливания

Лампы накаливания имеют как достоинства, так и недостатки. К основным минусам относится низкий коэффициент полезного действия. Для источников света под КПД подразумевается отношение интенсивности видимого светового потока к мощности, потребляемой для его производства. Его уровень не превышает 15% при температуре накала 3126°С. Но срок службы устройства при этом составляет всего несколько часов. При снижении нагрева эксплуатационный период повышается, но снижается КПД. При 2427°С коэффициент полезного действия составляет всего 5%, но светит такая лампочка на протяжении около 1000 часов. (Расчеты взяты для обычной грушевидной лампы накаливания мощностью 60 Вт). Это значит, что львиная доля энергии уходит в тепло (инфракрасное излучение), и только незначительная часть переходит в видимый для человеческого глаза спектр.

Еще имеются и такие недостатки у ламп накаливания:

• светоотдача напрямую зависит от напряжения;
• относительная пожароопасность – пространство вокруг колбы может нагреваться до +300°С;
• неэкономичность;
• хрупкость;
• существует вероятность взрыва колбы;
• незначительная величина срока службы лампы накаливания, особенно по сравнению с новейшими видами.

Но все эти недостатки перекрываются многочисленными достоинствами:

• доступная цена;
• компактность;
• широкий диапазон мощности;
• непрерывный светопоток с близкой к естественной светопередачей;
• не мерцает на переменном токе;
• не требуют дополнительных пускорегулирующих устройств и специальной утилизации;
• не теряют яркости.

Благодаря этим достоинствам лампы накаливания остаются лидерами продаж в сегменте осветительных элементов.

Вместо заключения

К преимуществам ламп накаливания можно отнести и их «всепогодность». Был проведен интересный эксперимент, в котором включение осветительных элементов различных видов осуществлялось при экстремально низкой температуре — -150°С. И только обычна лампа накаливания выдержала и работала стабильно, обойдя галогеновую, светодиодную и люминесцентную.

Основные технические характеристики

Чтобы ориентироваться в многообразии ламп, которые можно встретить в магазине и выбрать лампу наиболее подходящую для конкретного помещения или осветительного прибора, необходимо знать, какие характеристики определяют их потребительские качества.

Мощность энергосберегающих ламп и световой поток

Мощность, измеряемая в ватах (Вт), характеризует, сколько электрической энергии потребуется, чтобы обеспечить требуемую норму освещенности, измеряемую в люксах (лк). Санитарными нормами установлены различные нормы освещенности жилых, офисных и производственных помещений.

Чтобы ориентироваться в выборе эконом лампы по мощности следует ознакомиться с документами:

• СНиП 23-05-95;
• СанПин 2.2.1/2.1.1.1278-03.

И составленной на их основе таблицей:

ТАБЛИЦА 1

Норма освещенности жилых и бытовых помещений

Наименование помещения	Освещенность поверхности искусственными источниками света (лк)
Жилые комнаты, спальни, гостиные	150
Столовые, кухни	150
Детские комнаты	200
Кабинеты, мастерские, библиотеки	300
Холлы, коридоры	50
Ванные комнаты, туалеты	50
Кладовые, подсобные помещения	30

Цветовая температура

Человеческий глаз различает цвета благодаря тому, что способен улавливать световые волны различной длины. В видимой части спектра они распределяются от фиолетового до красного цветов. Соответственно оттенку, который дает электрическая лампа, определяется ее цветовая температура, измеряемая в градусах Кельвина (К°).

• холодный голубоватый свет дают лампы с цветовой температурой от 6 600 до 5 400 К°;
• привычный дневной свет имеет световую температуру 5 400 – 4 600 К°;
• свет свечи или камина имеют световую температуру 2 200 – 1 800 К°.

Большинство бытовых энергосберегающих ламп имеют три градации цветовой температуры:

 Индекс цветопередачи

Большинство бытовых энергосберегающих ламп имеют три градации цветовой температуры:

• холодный белый свет (резкое голубоватое освещение, искажающее цветопередачу, придающее коже бледный, болезненный оттенок);
• дневной свет (максимально приближенный к свету Солнца, находящегося в зените);
• теплый белый свет (самый комфортный, не раздражающий сетчатку глаза свет).

Соответственно им человек воспринимает окружающий его мир и окраску предметов. Холодный свет преимущественно используют в производственных и офисных помещениях.

Форма цоколя и регулировка яркости

Большинство энергосберегающих ламп адаптированы к стандартным цоколям, которые используются для галогенных и ламп накаливания.

Самыми распространенными разновидностями лампочек являются с резьбовым цоколем E27  и Е14, Патронами с таким диаметром оснащено большинство бытовых осветительных приборов. В точечных источниках света, используемых в натяжных и подвесных потолках популяре штырьковый цоколь, обозначаемый в миллиметрах между контактами, а также, в зависимости от напряжения лампы:

ТАБЛИЦА 2

Размеры и обозначения штырьковых цоколей галогенных и светодиодных ламп

Регулировка мощности лампочки энергосберегающей представляет сложности. В отличие от ламп накаливания, для работы этих устройств используются электронные схемы, чувствительные к перепаду напряжения. При падении напряжения на 10% люминесцентные лампы перестают работать, а светодиодные работают нестабильно.

В настоящее время разработаны устройства – регуляторы мощности (диммеры), которые могут работать совместно со светодиодными лампами. Однако, они сильно удорожают и без того недешевые лампы.

Срок службы энергосберегающих ламп

Рекордсменом в рейтинге энергосберегающих ламп по продолжительности работы являются лампы LED энергосберегающие лампы с качественными светодиодами: Cree, Osram, Philips.  Они имеют срок службы 50 000-100 000 часов. Китайские производители заявляют на свои лампы срок эксплуатации 25 000 – 30 000 часов.

Ориентироваться на эти данные, размещаемые на упаковке, не следует. Светодиоды имеют свойство «выгорать» прогрессивно снижая светоотдачу. При падении светового потока на 15-20% лампу приходится менять. Поэтому надо ориентироваться на то, что эффективный срок службы лампы будет составлять не более 20% срока, заявленного на упаковке.

Таким образом, выбирайте лампочку для дома, ориентируясь на реальный срок службы китайской светодиодной лампы стоимостью 80 – 250 рублей — около 5 000 часов, что сопоставимо со сроком службы лампы накаливания, стоимостью от 9 до 20 рублей.

IRC-галогенные лампы

Новым направлением развития ламп является так называемые IRC

-галогенные лампы (сокращение «IRC» обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность (КПД) лампы. По данным фирмы OSRAM потребление энергии снижается на 45 %, а срок службы удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой). Такая галогенная лампа мощностью 65 Вт даёт световой поток 1700 , то есть имеет световую отдачу 26 лм/Вт. Это примерно вдвое меньше световой отдачи компактной люминесцентной лампы мощностью 30 Вт (1900 лм), требующейся для создания аналогичного светового потока, и вдвое больше световой отдачи простой лампы накаливания.

Конструкция и принцип действия современных типов ламп

К современным устройствам освещения можно отнести галогенные, люминесцентные, энергосберегающие и светодиодные устройства. Рассмотрим каждый тип индивидуально.

Галогенные

Такие устройства представляют собой модернизированную версию классических ЛН. Колба такого устройства заполнена галогеном, который реагирует с испаряющимся по мере нагревания вольфрамом. Это позволяет продлить срок службы устройства. Кроме того, в галогенных лампах используется кварц. Галогенные осветительные приборы обычно обладают более высокими эксплуатационными характеристиками, нежели обычные ЛН.

Люминесцентные

Эти устройства именуют также лампами дневного света. Они имеют высокое качество цветопередачи, что позволяет использовать их в освещении витрин магазинов и стеллажей. В сравнении с ЛН люминесцентное устройство потребляет в 4–5 раз меньше энергии и имеет более высокий срок службы. Есть у них и свои недостатки — плохая работа при низких температурах и содержание вредных веществ (в т. ч. ртути) в некоторых моделях.

Энергосберегающие

Главная особенность энергосберегающих осветительных приборов – электронный блок, обеспечивающий как загорание, так и работу лампы. Такое устройство отличается более стабильной работой, пониженным энергопотреблением, огромным сроком службы и широким ассортиментом доступной цветовой гаммы.

Светодиодные

В конструкции таких ламп используются полупроводниковые кристаллы: именно они создают свечение при пропускании через себя электрического тока. В сравнении с теми же галогенными устройствами, светодиодные примерно в 4–7 раз более эффективны, а по сроку службы такое устройство может «дотянуть» до 50 000 часов. Единственным недостатком светодиодных ламп принято считать их высокую стоимость, однако, учитывая экономию на обслуживание и потребление, в долговременной перспективе их приобретать гораздо выгодней.

Вот мы и узнали, что такое лампочка, рассмотрели большинство типов современных и не очень вариантов. Надеемся, что теперь вы имеете общее представление об особенностях их эксплуатации.

Варианты подключений

Подключение с использованием электромагнитного баланса (ЭмПРА)

Наиболее распространенный тип подключения люминесцентного источника света — схема со стартером, где используется ЭмПРА.

Принцип действия схемы базируется на том, что в результате подключения питания в стартере возникает разряд и происходит замыкание биметаллических электродов.

Ток в электроцепи проводников и стартера ограничивается только внутренним дроссельным сопротивлением. В результате рабочий ток в лампочке увеличивается почти в три раза, происходит стремительный нагрев электродов, а после потери температуры проводниками возникает самоиндукция и зажигание лампы.

Недостатки схемы:

1. В сравнении с другими способами это довольно затратный вариант с точки зрения расхода электроэнергии.
2. Пуск занимает не меньше 1 – 3 секунд (в зависимости от степени износа источника света).
3. Невозможность работы при низкой температуре воздуха (например, в условиях неотапливаемого подвального или гаражного помещения).
4. Имеется стробоскопический эффект мигания лампочки. Этот фактор отрицательно действует на человеческое зрение. Такое освещение нельзя применять в производственных целях, потому что быстро движущиеся предметы (например, заготовка в токарном станке) кажутся неподвижными.
5. Неприятное гудение дроссельных пластинок. По мере износа устройства звук нарастает.

Схема включения устроена таким образом, что в ней есть один дроссель на две лампочки. Индуктивности дросселя должно хватать на оба источника света. Используются стартеры на 127 Вольт. Для одноламповой схемы они не подходят, там нужны устройства на 220 Вольт.

На картинке внизу показано бездроссельное подключение. Стартер отсутствует.

Схема используется в случае перегорания у ламп нитей накала. Используется повышающий трансформатор Т1 и конденсатор С1, ограничивающий ток, идущий через лампочку от 220-вольтной сети.

Следующая схема используется для лампочек с перегоревшими нитями. Однако отсутствует необходимость в повышающем трансформаторе, благодаря чему конструкция устройства становится проще.

Ниже показан способ использования диодного выпрямительного моста, который нивелирует мерцание лампочки.

На рисунке внизу та же методика, но в более сложном исполнении.

Две трубки и два дросселя

Чтобы подключить лампу дневного света, можно использовать последовательное подключение:

1. Фаза от проводки направляется на вход дросселя.
2. От дроссельного выхода фаза идет на контакт источника света (1). Со второго контакта направляется на стартер (1).
3. Со стартера (1) отходит на вторую контактную пару этой же лампочки (1). Оставшийся контакт стыкуют с нулем (N).

Тем же образом подключают вторую трубку. Вначале дроссель, затем один контакт лампочки (2). Второй контакт группы направляется на второй стартер. Выход стартера объединяется со второй парой контактов источника света (2). Оставшийся контакт следует подсоединить к нулю ввода.

Схема подключения двух ламп от одного дросселя

Схема предусматривает наличие двух стартеров и одного дросселя. Наиболее дорогостоящий элемент схемы — дросселя. Более экономный вариант — двухламповый светильник с дросселем.

О том, как реализовать схему, рассказывается в видео.

Устройство и принцип работы

Как устроена лампа накаливания?

Лампа накаливания обычно состоит из стеклянного корпуса, содержащего вольфрамовую нить накаливания. Электрический ток проходит через эту нить, нагревая ее до температуры, которая производит свет. Также в лампах есть стержень или стеклянное крепление, прикрепленное к основанию лампы. Оно позволяет электрическим контактам проходить через оболочку без утечек газа или воздуха.

Небольшие провода, встроенные в стержень, поддерживают нить накала и/или ее подводящие провода. Стеклянный корпус содержит либо вакуум, либо инертный газ для сохранения и защиты нити накала от испарения.

Пример лампы накаливания со схемой, показывающей основные части современной лампы накаливания

Что внутри лампы накаливания:

1. Стеклянная колба.
2. Инертный газ.
3. Вольфрамовая нить накала.
4. Контактный провод.
5. Контактный провод (идет к основанию).
6. Опорные провода.
7. Крепление/опора для стекла.
8. Базовый контактный провод.
9. Винтовые резьбы.
10. Изоляция.
11. Электрический контакт.

Как работает лампа накаливания?

Принцип работы лампы накаливания заключается в нагреве некоего объекта. Атомы внутри него становятся термически возбужденными. Если объект не плавится, атомные электроны переходят на более высокий энергетический уровень за счет подаваемой энергии. Электроны высвобождают свою дополнительную энергию в виде фотонов. Затем эти фотоны испускаются с поверхности объекта в виде электромагнитного излучения.

Это излучение будет иметь разные длины волн. Часть длин волн находится в видимом диапазоне спектра, а значительная часть длин волн находится в инфракрасном диапазоне. Электромагнитная волна с длинами волн в инфракрасном диапазоне — это энергия тепла, а в видимом диапазоне — это энергия света. Лампа накаливания получает видимый свет путем нагрева.

Как расходуется электроэнергия в лампе накаливания?

Нить накала крепится через два подводящих провода. Один подводящий провод присоединен к ножному контакту, а другой заканчивается на металлическом основании лампы. Оба подводящих провода проходят через стеклянную опору, установленную в нижней середине лампы.

Два опорных провода, также прикрепленные к стеклянной опоре, используются для поддержки нити накала в ее средней части. Ножной контакт изолирован от металлического основания изоляционными материалами. Вся система заключена или в цветную, или покрытую фазой, или прозрачную стеклянную колбу. Она может быть заполнена инертными газами или в ней поддерживается вакуум в зависимости от мощности лампы накаливания.

Нить накаливания герметично откачивается с помощью стеклянной колбы подходящей формы и размера. Эта стеклянная колба используется для изоляции нити накала от окружающего воздуха, чтобы предотвратить ее окисление и свести к минимуму окружающий ее ток, и тем самым поддерживать высокую температуру нити накала. 

Нить накаливания не обладает постоянным сопротивлением. Действие тока в лампе накаливания увеличивается вместе с напряжением. Лампочка становится достаточно горячей, чтобы светиться.

Чем наполнены лампы накаливания?

Стеклянная колба либо находится в вакууме, либо заполнена инертными газами, такими как аргон, с небольшим процентом азота при низком давлении. Инертные газы используются для минимизации испарения нити накала во время эксплуатации ламп. Но из-за конвекционного потока инертного газа внутри колбы будет больше шансов потерять тепло нити накала во время работы.

Вакуум является отличной теплоизоляцией, но он ускоряет испарение нити накала во время работы. В случае газонаполненных ламп накаливания используется 85% аргона, смешанного с 15% азота. Иногда криптон можно использовать для уменьшения испарения нитей накала, поскольку молекулярный вес криптонового газа значительно выше. Газ заливается в колбу мощностью более 40 Вт. Но для лампы мощностью менее 40 Вт, газ не используется.

Современные применения

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Металлокерамический генераторный триод ГС-9Б с воздушным охлаждением (СССР)

Высокочастотная и высоковольтная мощная техника

• В мощных радиовещательных передатчиках (от 100 Вт до единиц мегаватт) в выходных каскадах применяются мощные и сверхмощные лампы с воздушным или водяным охлаждением анода и высоким (более 100 А) током накала. Магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечивают сочетание высоких частот, мощностей и приемлемой стоимости (а зачастую другая элементная база в принципе неосуществима).
• Магнетрон можно встретить не только в радаре, но и в микроволновой печи.
• При необходимости выпрямления или быстрой коммутации нескольких десятков киловольт, которую невозможно осуществлять механическими ключами, необходимо использовать радиолампы. Так, кенотрон обеспечивает приемлемую динамику на напряжениях до миллиона вольт.

Военная промышленность

Из-за принципа действия электронные лампы являются устройствами, значительно более устойчивыми к таким поражающим факторам, как электромагнитный импульс. В единственном устройстве может быть несколько сотен ламп. В СССР для применения в бортовой военной аппаратуре в 1950-е годы были разработаны стержневые лампы, отличавшиеся малыми размерами и большой механической прочностью.

Миниатюрная лампа типа «жёлудь» (пентод 6Ж1Ж, СССР, 1955 г.).

Космическая техника

Радиационная деградация полупроводниковых материалов и наличие естественного вакуума межпланетной среды делает применение некоторых типов ламп средством повышения надёжности и долговечности космических аппаратов. Применение в АМС Луна-3 транзисторов было связано с большим риском.

Повышенная температура среды и радиация

Ламповое оборудование может быть рассчитано на больший температурный и радиационный диапазон условий, нежели полупроводниковое.

Звукотехническая аппаратура

Основная статья: Ламповый звук

Электронные лампы до сих пор находят применение в звукотехнике, как любительской, так и профессиональной. Конструирование ламповых звукотехнических устройств является одним из направлений современного радиолюбительского движения.

Различие по типу используемого светодиода

При изготовлении светодиодных ламп могут использоваться различные типы светодиодов. В зависимости от используемого типа светодиода различаются технические параметры светодиодных ламп.

Лампы на основе светодиодов SMD

SMD — точечные светодиоды, представляют собой LED-излучатели, которые монтируются на поверхность подложки. Поверх подложки устанавливается линза. Такой тип светодиодов имеет широкое распространение благодаря возможности разместить на подложке от одного до трех кристаллов. В конструкции SMD-светодиодов предусмотрен хороший теплоотвод, что значительно продляет срок эксплуатации. В маркировке после букв SMD используются четыре цифры, которые указывают на размеры диода в миллиметрах.

SMD светодиод в увеличенном виде.

Лампы на основе светодиодов COB

COB – тип светодиодов с размещением кристаллов непосредственно на плате. Излучатели COB (Chip on Board) получили в последнее время широкое распространение в области бытового освещения. Они обладают повышенной долговечностью, надежностью и хорошим теплоотводом. Единая оптическая система обеспечивает равномерность светового потока. Новые технологии и уменьшение габаритов конструкции позволили значительно снизить себестоимость изделия.

Излучатель с COB светодиодами.

К отдельной разновидности COB относятся светодиодные нити (led filament). Из которых изготавливают так называемые филаментные лампы. В конструкции филаментных ламп предусмотрено размещение большого количества нитевидных светодиодов на полоске, покрытой люминофором. Полосы могут быть выполнены из металла, стекла или сапфира.

Основным отличием от обычных диодов, в которых кристаллы помещаются в отдельные корпуса, является последовательное соединение кристаллов. При этом они запаиваются в стеклянную или пластиковую трубку. Благодаря инновационной конструкции яркость свечения и угол рассеивания увеличиваются во много раз.

Филаментные светодиоды.

Технология изготовления филаментных ламп еще достаточно нова, но имеет широкие перспективы в применении. Равномерное рассеивание светового потока позволяет освещать помещение полностью, затененных участков не остается. Внешне филаментные светильники почти не имеют отличий от традиционных ламп накаливания, и многие пользователи считают это большим преимуществом.

Кроме того, популярности добавляет этим лампочкам высокая энергоэффективность. При одинаковой мощности с другими лампами COB, филаментные дают более высокую степень освещенности.

Филаментная лампа.

Еще одно новое решение в технологии изготовления светодиодов — светодиоды Crystal Ceramic MCOB. Большое количество кристаллов размещается на прозрачной керамической подложке. Люминофор наносится на обе стороны подложки, что обеспечивает равномерность освещения по всем сторонам.

Лампа с светодиодами MCOB.