Принцип дії, будова, характеристики та ККД лампи розжарювання

Клацання вимикача - і темна кімната вмить перетворилася, стали видимі деталі найдрібніших елементів інтер'єру. Так миттєво поширюється енергія від маленького пристрою, заливаючи світлом все навколо. Що ж змушує створювати таке потужне випромінювання? Відповідь криється в назві освітлювального приладу, який іменується лампою розжарювання.

Історія створення перших освітлювальних елементів

Витоки виникнення перших ламп розжарювання сходять до початку XIX століття. Вірніше сказати, лампа з'явилася трохи пізніше, але ефект світіння платини і вугільних стрижнів під дією електричної енергії вже намагалися спостерігати. Перед вченими виникло два складні питання:

знаходження матеріалів високого опору, здатних розжарюватися під впливом струму до стану випромінювання світла;

запобігання швидкого згоряння матеріалу в повітряному середовищі.

Найбільш плідними в цій галузі стали дослідження та винаходи російського вченого Олександра Миколайовича Лодигіна і американця Томаса Едісона. Лодигін запропонував використовувати в якості елемента розжарювання вугільні стрижні, які перебували в герметичною колбі. Недоліком конструкції була складність викачування повітря, залишки якого сприяли швидкому спалюванню стрижнів. Але все ж його лампи горіли кілька годин, а розробки і патенти стали основою для створення більш довговічних пристроїв. Американський вчений Томас Едісон, ознайомившись з роботами Лодигіна, зробив ефективну вакуумну колбу, в яку помістив вугільну нитку з бамбукового волокна. Едісон також забезпечив цоколь лампи різьбовим з'єднанням, властивим сучасним лампам, і винайшов безліч електротехнічних елементів, таких як: штепсельний роз'єм, плавкий запобіжник, поворотний вимикач і багато іншого. ККД лампи розжарювання Едісона був маленьким, хоча вона могла працювати до 1000 годин часу і отримала практичне застосування.


Згодом замість вугільних елементів було запропоновано використовувати тугоплавкі метали. Нитка з вольфраму, застосовувана в сучасних лампах розжарювання, також була запатентована Лодигіним.

Пристрій і принцип дії лампи

Конструкція лампи розжарювання принципово не змінюється вже більше сотні років. Вона включає в себе:

Герметичну колбу, що обмежує робочий простір і наповнений інертним газом.

Цоколь, який має спіральну форму. Він служить для утримання лампи в патроні і електричного з'єднання її з струмоведучими частинами.

Провідники, ведучі ток від цоколя до спіралі і утримують її.

Спіраль розжарювання, нагрівання якої і створює випромінювання світлової енергії.

Коли електричний струм проходить через спіраль, вона миттєво нагрівається до високих температур аж до 2700 градусів. Це обумовлено тим, що спіраль має великий опір току і на подолання цього опору витрачається багато енергії, яка виділяється як тепло. Тепло раскаляет метал (вольфрам), і він починає випромінювати фотони світла. Завдяки тому що колба не містить кисень, в процесі нагрівання не відбувається окислення вольфраму, і він не перегорає. Інертний газ утримує частинки розпеченого металу від випаровування.

Що таке ККД лампи розжарювання

Коефіцієнт корисної дії показує, який відсоток витраченої енергії перетворюється в корисну роботу, а який ні. У разі ККД лампи розжарювання невеликий, так як лише 5-10% енергії йде на випромінювання світла, решта виділяється в якості тепла. ККД перших ламп розжарювання, де тілом напруження виступав вугільний стрижень, був ще меншим порівняно з сучасними пристроями. Це зумовлено додатковими втратами на конвекцію. Спіральні нитки розжарення мають більш низький відсоток цих втрат. ККД лампи розжарювання безпосередньо залежить від температури нагріву спіралі. Стандартно спіраль лампи 60 Вт нагрівається до 2700 ° С, при цьому ККД всього 5%. Можна підняти величину нагрівання до 3400 ?С, підвищивши напруга, але це знизить термін служби пристрою більш ніж на 90%, хоча лампа засвітить яскравіше, і ККД зросте до 15%. Неправильно думати, що збільшення потужності лампи (100200300 Вт) веде до збільшення ККД тільки тому, що підвищилася яскравість пристрою. Лампа стала світити яскравіше за рахунок більшої потужності самої спіралі, а внаслідок і більшою світлової віддачі. Але витрати енергії також зросли. Тому ККД лампи розжарювання 100 Вт також в межах 5-7%.

Різновиди ламп розжарювання

Лампи розжарювання бувають різного конструктивного виконання і функціонального призначення. Вони поділяються на освітлювальні прилади:

Загального застосування. До них відносяться лампи побутового використання різної потужності, розраховані на мережеве напруга в 220 Ст.

Декоративного виконання. Мають нестандартні типи колб у вигляді свічок, сфер і інших форм.

Иллюминационного типу. Малопотужні лампи з кольоровим покриттям для створення барвистих ілюмінацій.

Місцевого призначення. Пристрої безпечної напруги до 40 В. Застосовують на виробничих столах, для освітлення робочих місць верстатів.

З дзеркальним покриттям. Лампи, що створюють направлений світло.

Сигнального типу. Служать для роботи в приладових панелях різних пристроїв.

Для транспорту. Широка лінійка ламп підвищеної зносостійкості і надійності. Характеризуються зручною конструкцією, що передбачає швидку заміну.

Для прожекторів. Лампи підвищеної потужності, яка доходить до 10000 Вт.

Для оптичних пристроїв. Лампи для кінопроекторів і аналогічних пристроїв.

Комутаторні. Застосовувані в якості сегментів індикатора цифрового відображення вимірювальних приладів.

Позитивні і негативні сторони ламп з тілом напруження

Освітлювальні пристрої накального типу мають свої особливості. До позитивних можна віднести:

миттєвий розпал спіралі;

екологічну безпека;

невеликі розміри;

прийнятну ціну;

можливість створювати пристрої різної потужності і величини робочої напруги як змінного, так і постійного струму;

універсальність застосування.

До негативних:

низький ККД лампи розжарювання;

чутливість до перепадів напруги, що знижує термін експлуатації;

малий час робочих годин, не перевищують 1000;

пожежонебезпека ламп з-за сильного нагрівання колби;

крихкість конструкції.

Інші типи освітлювальних приладів

Існують освітлювальні лампи, принцип дії яких докорінно відрізняється від роботи ламп розжарювання. До них відносяться газорозрядні та світлодіодні лампи. Дугових або газорозрядних ламп існує велика безліч, але всі вони засновані на світінні газу при виникненні дуги між електродами. Світіння відбувається в спектрі ультрафіолету, який потім перетворюється у видиме людському оку допомогою проходження через люмінофорне покриття. Процес, що відбувається в газорозрядної лампи, включають два етапи роботи: створення дугового розряду і підтримання іонізації і світіння газу в колбі. Тому всі типи таких освітлювальних приладів мають систему керування струмом. Пристрої люмінесцентні мають більш високий коефіцієнт корисної дії порівняно з ККД лампи розжарювання, але небезпечні, так як містять пари ртуті. Світлодіодні освітлювальні пристрої є найбільш сучасними системами. ККД лампи розжарювання і світлодіодним лампи непорівнянні. У останньої воно досягає 90%. Принцип дії світлодіода заснований на світінні певного типу напівпровідника під впливом напруги.

Чого не любить лампа розжарювання

Термін служби звичайної лампи розжарювання буде скорочений, якщо:

Напруга в мережі постійно завищено від номінального, на яке розрахований освітлювальний прилад. Це пов'язано зі збільшенням робочої температури тіла напруження і, як наслідок, підвищене випаровування сплаву металу, що приводить до виходу його з ладу. Хоча ККД лампи розжарювання при цьому буде більше.

Різко труснути лампу під час роботи. Коли метал розжарений до стану близького до плавленню, а відстань між витками спіралі зменшено внаслідок розширення речовини, будь-яке механічне, різкий рух може призвести до непомітного для ока міжвиткові замикання. Це зменшує загальний опір спіралі струму, сприяє її більшого розігріву і швидкому перегорання.

Відбудеться попадання вологи на розігріту колбу. У місці попадання виникає перепад температур, який виробляє руйнування скла.

Доторкнутися пальцями до колби галогенової лампи. Галогенна лампа є різновидом лампи розжарювання, але має значно більшу світлову та теплову віддачу. При торканні на колбі залишається невидиме жирне пляма від пальця. Під впливом температури жир згоряє, утворюючи нагар, що перешкоджає тепловіддачі. В результаті цього в місці дотику скло починає плавитися і може лопнути або роздутися, порушуючи газовий режим всередині, що призводить до перегорання спіралі. Галогенні лампи розжарювання мають ККД вище, ніж звичайні.

Як замінити лампу

Якщо лампа перегоріла, але не зруйнувалася колба, то замінити її можна після повного остигання. При цьому слід відключити живлення. При укрученні лампи очі не потрібно направляти в її бік, особливо якщо вимкнути електрику не представляється можливим. Коли колба лопнула, але зберегла форму, бажано взяти бавовняну тканину, згорнути у кілька шарів і, обхопивши нею лампу, постаратися видалити скло. Далі пасатижами з ізольованими ручками обережно викрутити цоколь і вкрутити нову лампу. Всі операції необхідно проводити при відключеній напрузі живлення.

Висновок

Незважаючи на те що ККД лампи розжарювання складає мало відсотків і у неї з'являється все більше конкурентів, вона актуальна у багатьох сферах життя. Існує навіть сама стара лампочка, безперервно працює більше ста років. Чи це не підтвердження і увічнення геніальності думки людини, яка прагне змінити світ?