Лампы накаливания

По особенностям устройства и принципа действия лампы накаливания, применяемые для целей освещения можно разбить на 2 большие группы: общего применения (обычные лампы в традиционном исполнении) и галогенные лампы накаливания.

Устройство ламп, в принципе осталось таким же, как предложил Эдисон.

Лампы накаливания являются типичными теплоизлучателями.

Рис. 3. Относительное спектральное распределение плотности излучения лампы накаливания

В их запаянной, заполненной вакуумом или инертным газом, колбе вольфрамовая спираль под действием электрического тока накаляется до высокой температуры (около 2600-3000С), в результате чего излучается тепло и свет. Большая часть этого излучения находится в инфракрасном диапазоне.

Важнейшие свойства лампы накаливания - световая отдача и срок службы - определяются температурой спирали.

Рис.4. Характеристики лампы накаливания

Принцип работы лампы накаливания следующий:

При повышении температуры спирали возрастает яркость, но вместе с тем и сокращается срок службы. Сокращение срока службы является следствием того, что испарение материала, из которого сделана нить, при высоких температурах происходит быстрее, вследствие чего колба темнеет, а нить накала становится все тоньше и тоньше и в определенный момент расплавляется, после чего лампа выходит из строя.

Потемнение колбы можно значительно сократить за счет увеличения давления газов-наполнителей, преимущественно тяжелых (аргон, криптон, ксенон), ведущего к уменьшению скорости испарения атомов вольфрама.
Основными типами ламп накаливания являются лампы общего назначения, лампы специального назначения, декоративные лампы и лампы с отражателем. Световая отдача ламп накаливания в диапазоне от 25 до 1000 Вт составляет примерно от 9 до 19 лм/Вт для ламп со средним сроком службы 1000 ч.

Вольфрамо-галогенный цикл. Существенные характеристики лампы накаливания - световая отдача и срок службы - в основном определяются температурой спирали: чем выше температура спирали, тем выше световая отдача, но тем короче срок службы.
Сокращение срока службы является последствием быстро растущей c поднятием температуры скорости испарения вольфрама, которая приводит с одной стороны, к потемнению колбы, а с другой - к прожиганию спирали.

Потемнение колбы можно эффективно предотвратить с помощью галогенной добавки к газу-наполнителю, которая в процессе вольфрамо-галогенного цикла не дает уже испаренному вольфраму осесть на стенках колбы. Испаренный из спирали в процессе работы лампы вольфрам попадает в результате диффузии или конвекции в температурную область (Т < 1400K) вблизи стенки колбы, где образует стабильное вольфрамо-галогенное соединение. Вместе с тепловым потоком эти соединения снова перемещаются в зону горячей спирали (Т > 1400K) и там снова распадаются.
Часть вольфрама снова восстанавливается на спирали, но уже на новом месте. Нормальный вольфрамо - галогенный цикл приводит т.о. лишь к предотвращению потемнения колбы, но не к увеличению срока службы, который закончится в результате разрыва спирали на возникших " горячих ячейках".

Рис.5. Вольфрамово-галогенный цикл

Так называемый " регенеративный" цикл был бы возможен с участием Фтора. Но этот способ сегодня еще не разработан из-за агрессивности фтора по отношению к кварцевому и тугоплавкому стеклу, а также по причине его сопротивляемости к ныне используемым галогенам. Для повышения температуры тела накала и снижения его скорости распыления (это основные способы увеличения световой отдачи и срока службы ламп накаливания) вместо угольной нити в современных лампах используется спиральная или биспиральная (спираль из спирали) вольфрамовая проволока и в подавляющем большинстве типов ламп вместо вакуума применяется инертный газ: аргон или криптон. Появился также класс ламп с зеркальным отражателем, т.е. лампы светильники. Лампы очень чувствительны к колебаниям напряжения в сети: при перенапряжении резко снижается срок службы, а недостаточное напряжение ведёт к непропорционально большой потере светового потока (хотя срок службы при этом возрастает). Нормальная работа ламп обеспечивается при колебаниях напряжения не более чем на 5 %. Для сетей с постоянным перенапряжением в России выпускаются лампы с маркировкой 230-240 В. Лампы накаливания одинаково хорошо работают на переменном и постоянном токе.

Почти для всех типов ламп средний срок службы составляет 1000 ч. В реальных условиях он может быть меньшим в зависимости от условий эксплуатации и конструктивного исполнения светильника. При работе в среднем 8 ч в день лампа живёт обычно 3-5 месяцев.

Лампы имеют невысокую световую отдачу от 7 до 17 лм/Вт. Этот показатель растёт при увеличении мощности лампы и снижении напряжения, на которое она рассчитана. Например, лампа мощностью 40 Вт 220В имеет световую отдачу около 10 лм/Вт, а 100-ваттная - до 14 лм/Вт. Лампы одинаковой мощности на 127 и 220 В отличаются по световому потоку на 10-12%. Отличить лучшую по энергоэкономичности лампу можно по её белому излучению.

Лампы накаливания - традиционный источник света в помещениях жилых и общественных зданий. Они создают неповторимую обстановку праздничности или уюта и применяются во всех случаях, когда это необходимо по условиям дизайна. В функциональном отношении они очень эффективны при освещении картин и других, нестойких к воздействию света экспонатов. Их невысокий срок службы и световая отдача бывают не столь важны в помещениях с кратковременным пребыванием людей и при низких нормированных значениях освещённости.