Принцип работы лампы накаливания

Лампой накаливания называется искусственный источник света, в котором свет даёт нагреваемое электрическим током до высокой температуры тело накала. В качестве этого тела накала чаще всего применяется спираль из тугоплавкого металла (обычно это вольфрам), либо угольная нить (использовалась в прошлом). Чтобы не допускать окисления тела накала при его контакте с воздухом, спираль размещается в вакуумированной либо же в заполненной инертными газами или парами колбе.

Первооткрывателем лампочки накаливания считается знаменитый американский изобретатель, инженер и коммерсант Томас Эдисон. Патент на это своё изобретение он получил 20 декабря 1879 года.

Конструкция лампочки накаливания

Из каких составных частей состоит лампа накаливания? Конструкция этого достаточно нехитрого устройства довольно проста. На цоколе расположены контакты, которые соединены с электродами. При помощи специальных держателей, между электродами устанавливается нить накала.

Как уже было отмечено в первом абзаце, в подавляющем большинстве лампочек, нить накала производится из вольфрама. Поскольку это — условно самый дешёвый материал, который плавится только при экстремально высоких температурах.

Ещё раз подробнее подробнее разберём, зачем все «внутренности» лампы накаливания закрывают колбой. Зачем она нужна? Стеклянная колба выполняет две функции: во-первых, она является защитным барьером, ведь температура раскаленной нити может достигать более двух тысяч градусов Цельсия; а во-вторых – из колбы откачивают воздух, что позволяет исключить окисление нити накала.

Бывают еще варианты, когда в колбу закачивают некоторые «благородные» газы, такие как азот либо аргон. Присутствие этих газов в лампе приводит к предотвращению быстрого испарения металла, из которого сделана нить. Таким образом стараются продлить срок эксплуатации лампы накаливания.

Конструкции ламп весьма разнообразны и зависят от назначения. Однако общими являются тело накала, колба и токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы, могут применяться держатели тела накала различной конструкции. Крючки-держатели тела накала ламп накаливания (в том числе ламп накаливания общего назначения) изготовляются из молибдена. Лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.

В зависимости от типа лампы, используются различные виды стекла. Для изготовления колб ламп накаливания и люминесцентных ламп обычно используют натриево-кальциевое силикатное стекло.

В высокотемпературных лампах используют боросиликатное стекло, в то время как в газоразрядных лампах высокого давления — либо кварц, либо керамику для дуговой трубки и боросиликатное стекло для наружного баллона. Свинцовое стекло (содержащее от 20 % до 30 % свинца) обычно используется для герметизации концов ламповых баллонов.

Принцип действия лампы накаливания

Если объяснить простыми словами, то принцип работы лампы состоит в преобразовании электрической энергии в световую. Электрический ток от контактов на цоколе проходит по электродам и разогревает нить накала. За счет высокой температуры вольфрамовой нити, от неё начинает излучаться свет.

Нить накала не плавится, за счёт порога температурного плавления вольфрама (температура нити накала составляет около 2-х тысяч градусов Цельсия, а вольфрам плавится при 3,4 тысячах градусов Цельсия).

В лампе накаливания используется эффект нагревания тела накаливания при протекании через него электрического тока (тепловое действие тока). Температура тела накаливания повышается после замыкания электрической цепи.

В атмосферном воздухе при высоких температурах вольфрам быстро окисляется в триоксид вольфрама (образуя характерный белый налёт на внутренней поверхности лампы при потере ею герметичности). По этой причине вольфрамовое тело накала помещают в герметичную колбу, из которой в процессе изготовления лампы откачивается воздух, и колба заполняется инертным газом — обычно аргоном, реже криптоном.

На заре индустрии ламп их изготавливали с вакууммированными колбами; в настоящее время только лампы малой мощности (для ламп общего назначения — до 25 Вт) изготавливают в вакуумированной колбе. Колбы более мощных ламп наполняют инертным газом (азотом, аргоном или криптоном).

Повышенное давление в колбе газонаполненных ламп уменьшает скорость испарения вольфрамовой нити. Это не только увеличивает срок службы лампы, но и позволяет повысить температуру тела накаливания. Таким образом, световой КПД повышается, а спектр излучения приближается к белому. Внутренняя поверхность колбы газонаполненной лампы медленнее темнеет при распылении материала тела накала в процессе работы, чем у вакуумированной лампы.

Все чистые металлы и их многие сплавы (в частности, вольфрам) имеют положительный температурный коэффициент сопротивления, что означает увеличение электрического удельного сопротивления с ростом температуры.

Эта особенность автоматически стабилизирует электрическую потребляемую мощность лампы на ограниченном уровне при подключении к источнику напряжения (источнику с низким выходным сопротивлением), что позволяет подключать лампы непосредственно к электрическим распределительным сетям без использования ограничивающих ток балластных реактивных или активных двухполюсников, что экономически выгодно отличает их от газоразрядных люминесцентных ламп.

Для нити накаливания осветительной лампы типично сопротивление в холодном состоянии в десять раз меньше, чем в нагретом до рабочих температур.

В конструкции ламп накаливания общего назначения предусматривается плавкий предохранитель — утоньшённый участок токовывода от тела накала из ковара, и расположенное вне герметичной колбы лампы — как правило, в стеклянной ножке.

Назначение предохранителя — предотвратить разрушение колбы при обрыве нити накала в процессе работы и в момент включения. При этом в зоне разрыва тела накала возникает электрическая дуга, которая расплавляет остатки металла тела накала, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и вызвать пожар. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при возникновении дуги он разрушался током дуги, который существенно превышает номинальный ток лампы. Проволочка предохранителя находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга, возникающая при плавлении предохранителя легко гаснет.

Лампочки накаливания чаще всего перегорают именно в момент включения, когда нить холодная, и у неё низкое сопротивление. Чтобы при перегорании спирали не поддерживался дуговой разряд, который может вызвать перегрузку электросети, взрыв колбы и пожар, внутри многих лампочек есть плавкий предохранитель в виде участка более тонкой проволоки, идущего от цоколя внутри колбы. В перегоревшей лампочке часто наблюдаем прилипшие изнутри к стеклу шарики расплавленного металла в зоне, где проходил этот участок.

Особой группой являются галогенные лампы накаливания. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов или их соединений. В такой лампе испарившийся с поверхности тела накала металл в холодной зоне лампы вступает в соединение с галогенами, образуя летучие галогениды.

Галогениды металла разлагаются на раскалённом теле накаливания на металл и галоген, таким образом возвращая на тело накала испарившийся металл и освобождая галоген, таким образом происходит непрерывная циркуляция металла. Эта мера продлевает срок службы лампы и позволяет увеличить рабочую температуру.

Формы тел накала весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ламп. Наиболее распространённым является проволока круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные тела накала из тонкой металлической ленты. Поэтому использование выражения «нить накала» нежелательно — более правильным является термин «тело накала», включённый в состав Международного светотехнического словаря. В лампах общего назначения тело накала закреплено в форме половины шестиугольника для равномерности светового потока по направлениям.

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей стандартизованы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона E27, E14 (миньон) и E40 (число обозначает наружный диаметр в мм).

Причины частого перегорания ламп накаливания

Как это ни странно, но причин выхода из строя ламп накаливания может быть много. Производители заявляют, что примерный срок службы лампочки накаливания составляет около одной тысячи часов. Однако львиная доля лампочек всё-таки не дотягивает до такой времени работы.

Почему так происходит? Есть важные моменты, которые отрицательно воздействуют на время эксплуатации ЛОН.

Это нестабильное и (или) повышенное напряжение в электросети. В нашей электрической сети есть установленные нормы предельно — допустимого напряжения, согласно ГОСТ 29322-2014. В ней указано, что сетевое напряжение должно составлять 230 В ± 10 %.

Однако на практике, этот показатель может варьироваться в пределах 190-250 В. Обычно производители ламп накаливания указывают номинальное напряжение, в пределах которого, работает лампочка. При увеличении питающего напряжения на лампочку, увеличивается температура нити накала. Следовательно, увеличивается износ вольфрамовой нити, что влечет за собой уменьшение срока эксплуатации лампочки.

Это дефекты и неисправности патрона. Не лишним будет взглянуть на сам патрон, а также контакты, которые в нем находятся. Наличие окислительных процессов, либо нагара на контактах патрона, может создать условия для еще большего нагрева лампочки. Естественно, её ресурс может сократиться вдвое.

Это частое включение и выключение лампы. Если говорить вкратце, то сопротивление холодной нити накала и горячей — отличается в несколько раз. Что это означает? Выходит, что в момент, когда вы включаете лампочку, через нить накала проходит ток значительно превышающий рабочий показатель. Частые включения приводят к дополнительному износу вольфрамовой нити.

Это плохой контакт выключателя. В процессе эксплуатации электрических выключателей происходит постепенный износ их контактной базы. На контактах появляются потемнения и даже могут быть следы нагара от перегрева.

Проверить выключатель довольно просто – необходимо открыть корпус выключателя и визуально осмотреть его «внутренности». Также следует обратить внимание на провода, которые подходят к выключателю. Естественно, перед выполнением таких работ, надо обесточить сеть. Безопасность никто не отменял.

Это воздействие внешних механических факторов. Лампы накаливания крайне подвержены влиянию вибраций, а также ударов. Нить накала довольно хрупкая и от резких встрясок она может просто оборваться. Производители стараются решить данную проблему путем установки дополнительных держателей для нити, а также за счет уменьшения ее длины. К слову, светодиодные лампы менее чувствительны к воздействию вибраций, в сравнении с ЛОН.

Это окружающая температура вокруг источника света. Сильные перепады температур оказывают крайне губительное воздействие на срок службы лампочки. Эксплуатация такого источника света при отрицательной температуре означает, что пусковой ток будет значительно превышать рабочий. Этот фактор также приводит к быстрому перегоранию ЛОН.

В заключении к этому пункту не лишним будет сказать о банальном заводском браке. Часто именно из-за дефектов на производстве, лампа досрочно выходит из строя.

Способы продления срока эксплуатации лампы

В предыдущих пунктах были приведены наиболее распространённые причины выхода из строя ламп накаливания. Назревает вопрос: какие предпринять меры, чтобы лампа накаливания послужила вам подольше?

Проблемы связанные со скачками напряжения, а также с высоким пусковым током при включении лампы, можно решить двумя способами: установкой блока защиты либо заменой выключателя на диммер.

Основное достоинство такого защитного устройства состоит в том, что пусковой ток наращивается постепенно, обеспечивая плавный пуск лампы. Подключение блока осуществляется последовательно с лампой. Второй способ – установка диммера. Диммер – это регулятор мощности. Зачастую используется для регулирования уровня яркости светового потока. Установить диммер можно вместо выключателя, последовательно с лампой.

Неисправности, связанные с патроном и его контактами можно устранить путем зачистки потемневших контактов при помощи надфиля, а также по возможности подогнуть их, что обеспечит лучший электрический контакт между лампой и патроном. В случае если патрон имеет трещины либо другие признаки деформации – его необходимо будет заменить.

Проблемы, связанные с выключателем, можно решить аналогично предыдущему пункту с патроном. В некоторых случаях, проще будет его просто заменить на новый.

Что касается воздействия механических факторов, такие как вибрации и удары – то по необходимости можно использовать низковольтные лампы, поскольку нить накала у них короче. В любом случае, любые условия эксплуатации, связанные с воздействием вибрации — негативно скажутся на сроке работы лампочки.

С воздействием отрицательной температуры — особо ничего не сделаешь. Можно только посоветовать установить на ЛОН блок защиты и по возможности, перенести источник света в менее холодное помещение.

В заключение – о современном месте ламп накаливания на рынке источников света

Лампа накаливания существует более 140 лет. За свою долгую историю, этот источник света стал неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. Постепенно их место начинают занимать энергоэффективные лампы с более высоким рабочим ресурсом.

Современные LED-лампы рассчитаны на значительно больший срок эксплуатации. Однако несмотря на все свои недостатки, лампы накаливания имеют два неоспоримых преимущества: простота изготовления, а также низкую стоимость. Поэтому они все равно будут пользоваться спросом, даже с учетом меньшего срока службы, повышенного энергопотребления, а также высокой теплоотдачи.

В связи с необходимостью экономии электроэнергии и сокращения выброса углекислого газа в атмосферу во многих странах введён или планируется к вводу запрет на производство, закупку и импорт ламп накаливания с целью вынуждения замены их на энергосберегающие (компактные люминесцентные, светодиодные, индукционные и другие) лампы.