Лампы накаливания

       За 140 лет со времени появления первой лампы А. Н. Лодыгина с телом накала в виде угольного стержня лампы накаливания прошли несколько революционных этапов развития: снабжение ламп резьбовым цоколем (Эдисон, 1879 год); использование вольфрама для тела накала (1909 год); наполнение ламп инертным газом и спирализация тела накала (1913 год); создание ламп с биспиральным телом накала и криптоновым наполнением (1936 год); создание ламп с вольфрамово-галогенным циклом (1959 год). Можно сказать, что к настоящему времени технические параметры ламп накаливания близки к теоретическим пределам, и ожидать какого-либо существенного прорыва здесь не приходится. В последние годы правительства ряда стран, в том числе и России, приняли постановления о постепенном запрете производства и продажи ламп накаливания из-за их низкой энергоэффективности. Но несмотря на это, сегодня в мире ежегодно производится более 5 миллиардов ламп накаливания: примерно 5000 типоразмеров – значительно больше, чем всех газоразрядных источников света вместе взятых.   

      Чем же объясняется столь широкое распространение ламп накаливания, параметры которых значительно хуже, чем у лучших разрядных и светодиодных ламп? Например, световая отдача обычных осветительных ламп не превышает 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов, в то время как световая отдача последних разработок линейных люминесцентных ламп превысила 100 лм/Вт при сроке службы 18 000 часов.

        Главными причинами этого, безусловно, являются относительная дешевизна ламп и простота их конструкции и схем включения. Для ламп накаливания не требуется использование какой-либо пускорегулирующей аппаратуры, как для всех без исключения разрядных ламп и светодиодов – они просто ввинчиваются или вставляются в патроны и включаются обыкновенными выключателями.

        К другим важным достоинствам ламп накаливания относятся: компактность, позволяющая легко управлять распределением светового потока в пространстве; мгновенное включение – номинальный световой поток ламп устанавливается сразу же после подачи на них напряжения;  практическая независимость параметров от температуры окружающей среды; достаточно высокая надежность; устойчивость к внешним механическим воздействиям; сплошной спектр излучения, обеспечивающий хорошую цветопередачу (общий индекс цветопередачи Rа для всех ламп накаливания равен 100).

      Основные недостатки ламп накаливания: низкая световая отдача; относительно небольшой срок службы; сильная зависимость световых и эксплуатационных параметров от колебаний сетевого напряжения; большая доля теплового излучения в спектре ламп; большие броски тока в момент  включения.

       Чем же обусловлены эти достоинства и недостатки? Свет ламп накаливания создается за счет нагрева до высокой температуры тела накала протекающим через него электрическим током. Законы теплового излучения очень сложны и исследовались несколькими поколениями физиков на примере реально не существующего «абсолютно черного тела» как наиболее простого излучателя. Значительный вклад в их изучение сделал немецкий физик Макс Планк, именно на основе законов теплового излучения создавший совершенно новую науку – квантовую физику. Не вдаваясь в подробности открытых Планком законов, отметим моменты, необходимые для понимания особенности работы ламп накаливания:

1. Интенсивность излучения любого нагретого тела пропорциональна четвертой степени его температуры.

2. Спектр теплового излучения – сплошной.

3. Положение максимума интенсивности излучения однозначно определяется температурой нагретого тела и связано с ней простым соотношением:

 где λmax – длина волны в области максимума излучения в микрометрах;

Т – температура тела в кельвинах.

        Из этих трех моментов следует – чем выше температура тела, тем интенсивнее, то есть ярче оно светит. 

где λmax – длина волны в области максимума излучения в микрометрах;

Т – температура тела в кельвинах.

Из этих трех моментов следует – чем выше температура тела, тем интенсивнее, то есть ярче оно светит.

     Видимый диапазон длин волн – от 380 до 760 нм (0,38–0,76 мкм). Очевидно, что для наибольшей эффективности излучения его максимум должен лежать внутри видимой части спектра. Из приведенной выше формулы легко можно найти, что это получается при температурах от 3800 до 7200 К. Но на Земле нет металлов, которые оставались бы твердыми при столь высоких температурах: температура плавления самого тугоплавкого металла – вольфрама – около 3600 К. Рассчитано, что световая отдача излучения вольфрама при его температуре плавления равна 53,5 лм/Вт – это тот теоретический предел световой отдачи, которую могли бы иметь лампы накаливания при полном отсутствии потерь и «жидком» теле накала.

    Именно потому, что вольфрам – самый тугоплавкий металл, нити накала всех современных ламп накаливания делают только из него. При этом очевидно: чем выше температура тела накала, тем более эффективной будет лампа, то есть тем выше будет ее световая отдача. Но, с другой стороны, чем выше температура, тем быстрее испаряется вольфрам, даже не переходя в расплавленное состояние, и тем меньше срок службы лампы. Поэтому конструкции ламп и параметры тела накала (его длина и диаметр) всегда выбираются в результате компромисса между двумя желаниями – увеличить эффективность (световую отдачу), и обеспечить требуемый срок службы. Из-за этого компромисса лампы накаливания работают фактически на пределе своих возможностей. 

      На рисунке показана зависимость основных параметров ламп от колебания напряжения относительно номинального. Из рисунка видно, что, повышая световую отдачу на несколько процентов за счет повышения напряжения, мы проигрываем в сроке службы гораздо больше. В первом приближении можно считать, что при увеличении напряжения на лампе на 1% ток через лампу увеличится на 0,5% мощность – на 1,5%, световой поток – на 4,7%, световая отдача – на 3,1%, а срок службы снизится на 13%! Всего при пятипроцентном повышении напряжения, что в наших сетях происходит довольно часто, срок службы ламп снижается почти в три раза.

     Следует также отметить, что удельное сопротивление вольфрама, как и всех чистых металлов, растет с температурой и при 2500–3200 К отличается от значений при комнатной температуре в 12–20 раз. Это вызывает резкие броски тока при включении – в момент включения ток в 12–20 раз превышает установившиеся значения. Длится такой бросок недолго – всего 0,1–0,2 секунды, но создает большие нагрузки на электрические сети. Именно из-за таких бросков тока выход ламп из строя почти всегда происходит в момент включения. 

    На рисунке показано устройство лампы накаливания. Хотя существует великое множество конструктивных исполнений ламп, принцип устройства их одинаков и хорошо виден на приведенном рисунке. «Сердцем» всех ламп служит тело накала 1. Тело накала – это тонкая проволока из вольфрама. При прохождении по такой проволоке электрического тока расчетной величины она нагревается до температуры 2000–3200 К (примерно 1700–2900 °С) и начинает светиться. При таких высоких температурах на воздухе вольфрам соединяется с кислородом (как известно, в составе воздуха содержится 21% кислорода) и, если бы нить работала на воздухе, она мгновенно бы окислилась и разрушилась. Поэтому тело накала помещается в герметично запаянную стеклянную или кварцевую колбу 2, из которой воздух удален полностью. Пространство без воздуха называется вакуум (в переводе на русский – пустота). Однако вольфрам при высоких температурах в вакууме начинает испаряться, а испаряющиеся с нити атомы вольфрама оседают на стенках колбы, вызывая ее потемнение. Поэтому вакуумными делают лампы только небольшой мощности – до 25 Вт, у которых тело накала работает при температурах не выше 2500 К.

       Для уменьшения испарения вольфрама колбы более мощных ламп после тщательной откачки наполняют инертным газом 3. Такое наполнение значительно снижает скорость испарения вольфрама, причем этот эффект проявляется тем сильнее, чем тяжелее наполняющий газ. Лампы с колбой, наполненной инертным газом, называются газополными.

        Из шести существующих на Земле инертных газов (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон) для наполнения колб ламп накаливания используются три – аргон, криптон и ксенон, которые добываются из воздуха. Более 95% всех газополных ламп наполняется аргоном, а точнее –техническим аргоном (86% аргона и 14% азота), до давления 600–650 мм ртутного столба. Менее 5% ламп делается с криптоновым наполнением, и только кварцевые галогенные лампы наполняют ксеноном.

        Наполнение колб инертным газом уменьшает скорость испарения вольфрама, но увеличивает тепловые потери от тела накала, и поэтому требует подвода к лампе дополнительной мощности для того, чтобы нагреть тело накала до такой же температуры, которая была бы при отсутствии таких потерь. Количество тепла, отводимого через газ, прямо пропорционально длине тела накала. Для сокращения длины тела накала вольфрамовую нить свивают в спираль, а в некоторых типах ламп (особенно с криптоновым наполнением) делают еще «спираль из спирали», то есть двойную спираль или биспираль.  

       Естественно, что тело накала в колбе должно быть закреплено, и к нему необходимо подвести электрический ток. Для подвода тока в лампе имеются электроды (4), которые чаще всего делаются из никеля. Электроды выполняют функцию и основных крепящих элементов, поддерживающих тело накала. Дополнительно тело накала поддерживается еще специальными крючками или держателями 5, которые делаются из молибдена. Электроды и держатели вмонтированы в стеклянную трубочку, называемую тарелкой. На месте спая горловины колбы с тарелкой с помощью специальной мастики крепится цоколь 6. У обычных осветительных ламп цоколь делается резьбовым с наружным диаметром 14, 27 или 40 мм и специальной резьбой с крупным шагом. Такие цоколи называются соответственно Е14, Е27 и Е40. К резьбовой части цоколя припаян один из электродов лампы, другой электрод припаян к центральному контакту цоколя.

     Для обеспечения герметичности ламп электроды обычно делаются из трех звеньев – внутреннего (никель), наружного (медь) и промежуточного, герметично впаянного в расплющенную часть тарелки – лопатку 11. Наиболее ответственное – промежуточное – звено электродов чаще всего изготавливается из специально обработанной стальной проволоки с медным покрытием, называемой платинитом. Сложность структуры промежуточных звеньев электродов обусловлена необходимостью обеспечения герметичности в широком диапазоне температур и несовпадением тепловых коэффициентов расширения стекла и металлов.     

       В последнее время очень большое распространение получили малогабаритные зеркальные лампы. От обычных осветительных ламп они отличаются только формой колбы, на часть которой нанесено отражающее (алюминиевое) покрытие. Особенно широко такие лампы используются в так называемых точечных поворотных и неповоротных светильниках, встраиваемых в подвесные потолки.  

     Несколько иначе устроены галогенные лампы накаливания, хотя все основные элементы обычных ламп присутствуют и здесь. В этих лампах, появившихся в сентябре 1959 года в США и почти одновременно в СССР, для уменьшения испарения вольфрама и осветления стенок колбы используется вольфрамово-галогенный цикл. В состав наполняющего газа вводится небольшое количество галогенов – элементов седьмой группы таблицы Менделеева. К этим элементам относятся фтор, хлор, бром и йод. В первые годы после изобретения использовались только соединения йода, поэтому все галогенные лампы накаливания в популярной литературе до сих пор часто называют йодными. В настоящее время чаще используют более технологичные соединения брома – бромистый метан СН2Вr2 и бромистый метилен СН3Вr. При температурах от 300 до 1200 °С, но наиболее активно при 500–600 °С, эти вещества образуют с вольфрамом летучие соединения, которые при температуре выше 1600 °С разлагаются на вольфрам и галоген. Получается замкнутый цикл: на стенках колбы, куда оседают атомы вольфрама, происходит их взаимодействие с галогенами с образованием летучих соединений, при попадании которых на горячую спираль с температурой выше 1600 °С они разлагаются на вольфрам и галоген. Вольфрам остается на теле накала, а галоген снова входит в состав наполняющего газа, чтобы на стенках вновь соединиться с осевшими там атомами вольфрама. Благодаря такому циклу, происходит очищение стенок колбы от вольфрама и частичное возвращение вольфрама со стенок на тело накала. 

       Из сказанного ясно, что для осуществления вольфрамово-галогенного цикла необходимы два условия: температура тела накала должна быть не ниже 1600 °С, а температура стенок колбы – не ниже 300, а лучше всего 500–600 °С. Первое условие в лампах накаливания выполняется всегда, так как даже в самых маломощных лампах температура тела накала не ниже 1700 °С. Для выполнения второго условия ученым и инженерам пришлось найти принципиально новые конструкторские и технологические решения.

        Прежде всего, пришлось значительно уменьшить габариты ламп. Первые галогенные лампы имели форму цилиндра с наружным диаметром 12 мм и длиной, зависящей от мощности лампы. Тело накала было сделано в виде спирали, расположенной строго по оси лампы.

        Так как лампа работает при температуре колбы 500–600 °С, а иногда и выше, пришлось заменить материал колбы – вместо стекла колбы галогенных ламп делают из более термостойкого кварца. Малые габариты ламп позволили использовать для наполнения самый тяжелый и самый дорогой из инертных газов – ксенон, давление которого в холодной лампе составляет 5–7, а в работающей – 10–12 атмосфер. 

         Очищение колбы за счет вольфрамово-галогенного цикла и наполнение колбы тяжелым ксеноном под большим давлением позволили значительно повысить температуру тела накала и, тем самым, световую отдачу ламп при одновременном увеличении срока их службы. Если у нормальных осветительных ламп мощностью 500 Вт на напряжение 220 В световая отдача равна 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов, то у галогенной лампы такой же мощности эти параметры равны 19 лм/Вт и 1500 часов.

        Сейчас в мире выпускаются сотни типов галогенных ламп накаливания мощностью от 3-х до 20 000 Вт. Кроме линейной конструкции, разработаны и изготавливаются компактные или малогабаритные лампы. Высокая температура на колбах галогенных ламп заставила отказаться от использования привычных резьбовых цоколей. Линейные лампы цоколюются с двух сторон специальными торцевыми цоколями R7s, выдерживающими высокие температуры. Лампы вставляются в патроны, изготовленные чаще всего из керамики. Некоторыми иностранными фирмами выпускаются линейные лампы, помещенные во внешнюю вакуумную колбу с резьбовым цоколем. В малогабаритных лампах, как правило, в качестве цоколя используется сама колба с жестко фиксированными выводами из вольфрамовой проволоки. Автомобильные и самолетные галогенные лампы делаются со специальными цоколями.

        Несмотря на физическое отсутствие какого-либо цоколя у малогабаритных ламп, в каталогах и другой технической документации такое оформление внешних выводов называется «цоколем типа G…,GY…»; цифры после букв обозначают расстояния между выводами в мм (например, G 6,35). Линейные галогенные лампы накаливания выпускаются на номинальное напряжение 127 или 220 В (за рубежом – 230 В), малогабаритные – в основном на низкое напряжение (6,3; 12; 24 и 27 В).

          Малые габариты светящего тела галогенных ламп позволяют формировать различные световые пучки с помощью отражателей достаточно малых размеров. Благодаря этому, разработан обширный ассортимент зеркальных галогенных ламп, очень широко используемых в последние годы. Отражатель в таких лампах жестко соединен с колбой спе-циальной высокотемпературной мастикой. Цоколь у них физически также отсутствует, элементами электрического соединения служат жесткие выводы ламп. Обозначения в каталогах «цоколь типа GU…, G…» показывают расстояния между ножками и некоторые отличительные признаки горловины отражателя (наличие или отсутствие «скоса» –смотри рисунок).

        Зеркальные галогенные лампы изготавливаются с отражателями диаметром 35, 51 или 63 мм. Отражатель может быть алюминиевым или стеклянным. Основными параметрами таких ламп являются осевая сила света и угол рассеяния, то есть угол, на границах которого сила света равна половине осевой. Наиболее типичные углы рассеяния – 8,12, 20, 24, 38 и 60°.      

          Особый интерес представляют лампы со стеклянным интерференционным отражателем, в популярной и рекламной литературе называемые «лампами холодного света». Отражатель в таких лампах хорошо отражает видимый свет и также хорошо пропускает инфракрасное (тепловое) излучение. Поскольку доля теплового излучения составляет около 90% от мощности ламп, то при больших углах охвата количества тепла в световом пучке такой лампы действительно значительно меньше, чем у ламп с металлическим или стеклянным алюминированным отражателем. Однако при использовании таких ламп не следует забывать о том, что выходящие сквозь отражатель «назад» тепловое излучение никуда не исчезает и при установке ламп «холодного света» в небольшие по размерам светильники может нагревать их до недопустимо высоких температур. 

        В связи с развернувшимися во всем мире кампаниями за снижение энергопотребления правительствами ряда стран (Англии, Австралии, Китая, Кубы и некоторых штатов США) приняты решения о постепенном изъятии из обращения ламп накаливания общего назначения. Надо сказать,что эти постановления принимались часто поспешно, под сильным нажимом «зеленых», так как никакой равноценной замены лампам накаливания не предлагалось. По последним сведениям из Интернета, в некоторых странах начали отменять или смягчать «антиламповые» законы. В других странах производители ламп накаливания ищут пути обхода принятых постановлений: вместо запрещенных ламп мощностью 100 Вт стали выпускать лампы мощностью 95 Вт или те же самые лампы под названием «тепловые шарики». 

       Необходимо иметь в виду, что из-за специфики физикохимических процессов большинство линейных галогенных ламп может работать только в горизонтальном положении с максимальным углом наклона 4°. При других положениях горения верхний конец ламп быстро темнеет и срок службы значительно сокращается. Малогабаритные галогенные лампы могут работать в любом положении.

       Наконец, следует сказать, что галогенные лампы накаливания значительно (в 10 и более раз) дороже обычных, так как в них используются более дорогие материалы (кварц, ксенон) и, кроме того, технология их изготовления гораздо сложнее и требует исключительно высокой культуры производства. Поэтому применять кварцевые галогенные лампы следует только там, где это действительно необходимо, несмотря на то, что их параметры значительно превосходят параметры обычных ламп.

        Несколько слов надо сказать о лампах в колбах из прессованного стекла с отражателем на внутренней поверхности (так называемых PAR-лампах). В этих лампах совмещаются функции источника света и светильника. Как правило, лампы типа PAR предназначены для работы на напряжении 220 В, снабжены цоколем Е27 и могут вкручиваться в обычные патроны. Внутренний отражатель формирует требуемую кривую силы света, поэтому применение какой-либо внешней оптики не требуется. Параметры таких ламп уступают параметрам малогабаритных ламп с отражателем, но, поскольку они могут включаться прямо в сеть 220 В без понижающего трансформатора, то спрос на них достаточно велик. Основная область применения зеркальных ламп в колбах из прессованного стекла – акцентирующее освещение витрин и торговых залов.

        Значительно раньше ламп PAR появились автомобильные и самолетные лампы-фары, также совмещающие функции источников света и осветительных приборов. Лампы-фары изготавливаются в колбах из прессованного стекла с отражателем на наружной стороне колбы. Эти лампы предназначены для работы на низком напряжении (12 или 27 В) и снабжены специальными цоколями.