Лампы накаливания и галогеновые
Лампы накаливания
В 1890 году Александр Лодыгин впервые представил несколько лампочек с телом накаливания из тугоплавкого металла вольфрама. Его лампочка и является прообразом всех современных лампочек накаливания. Сегодня конструктивное многообразие лампочек накаливания стремится к бесконечности.
Видео: Светодиод против галогенной лампы (what better led, or halogen bulb?)
Но все лампочки накаливания объединяет принцип работы – нагрев нити (тела) накаливания до температуры от 2700°К до 3000°К, в результате протекания через нее электрического тока.
Конструкция ламп накаливания
Главным элементом любой лампы накаливания является нить накаливания, которая обычно изготавливается из тонкой, проволочки, реже ленточки, из вольфрама. Для того, чтобы нить была компактной, ее свивают в спираль, а свитую нить в спираль свивают еще раз, получается биспираль. Благодаря такой конструкции, при большой длине вольфрамовой проволочки, нить накала лампочки получается компактной.
Для долговечности спираль накала помещают в колбу, из которой откачан воздух. Иначе вольфрам быстро в воздухе окислится и перегорит. Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) колбы лампочек большой мощности заполняют смесью газов азота с инертны аргоном. Если требуется высокая надежность, то колбу заполняют чистым инертным газом - аргоном, криптоном или ксеноном под давлением, например галогенные лампочки и для автомобильных фар заполняют парами галогенов брома или йода. Но стоимость таких лампочек в несколько раз выше.
Видео: галогенные лампы накаливания 12v
Для подвода электрического тока и фиксации нити накала в центре колбы служат токовводы, в которых с одной стороны обжата или приварена точечной сваркой нить накала, а другие их концы соединены пайкой или точечной сваркой с цоколем.
На резьбы цоколей для ламп распространяется ГОСТ Р МЭК 60238-99, согласно которого цоколи для сети 220 В выпускаются трех типов. Е27 – наиболее распространен. Е14 – в быту именуемый миньон (обычно такие лампочки устанавливают для подсветки в холодильниках, СВЧ печах). Е40 – для ламп уличных светильников. Число после буквы обозначает внешней диаметр резьбы цоколя. Автомобильные лампочки для фар Н4 производятся в основном с цоколем по британскому стандарту (цоколь лампочки для фары на фото по центру).
На капсульные галогенные лампы накаливания цоколь не устанавливается, питающее напряжение подается непосредственно на токовводы, выполненные в виде двух штырей. Иногда концы штырей имеют цилиндрическое утолщение, позволяющее более надежно фиксировать лампочку в светильнике и обеспечить лучший контакт с контактами патрона. Чтобы извлечь лампочку из патрона такой конструкции, нужно ее провернуть на несколько градусов против часовой стрелки. Цилиндры выйдут из зацепления и лампочка освободится.
Лампочка накаливания "Ильича"
Хотя традиционные лампочки накаливания начинают вытеснять энергосберегающие и светодиодные источники света, но из за высокой цены последних, в России лампочек "Ильича" в эксплуатации в настоящее время подавляющее большинство.
Принцип действия лампочки прост, через вольфрамовую нить проходит электрический ток. Так как удельное сопротивление нити накала в сотни раз больше, чем токоподводящих проводников, то она разогревается до температуры более 2000° и излучает тепловую и световую энергию. К сожалению, на долю светового излучения приходится в лучшем случае 4% от потребляемой мощности. Точнее было бы называть лампочку нагревательным элементом, чем источником света. Низкий КПД и является главным недостатком лампочек "Ильича".
В России по закону «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», с июля 2011 года запрещено производство и реализация ламп накаливания мощностью 100 ватт и более, а с 2013 года ламп накаливания мощностью 75 ватт и более, с 2014 - 25 ватт. В Еврозоне подобный закон введен еще раньше. От себя замечу, что закон в части ограничения применения лампочек накаливания, является не до конца продуманным на перспективу и в настоящее время больше приносит убытков и вреда человечеству, чем экономии. Каждая люминесцентная энергосберегающая лампочки содержат до 5 миллиграммов ртути в парообразном состоянии. Экологически безопасной системы по утилизации таких ламп не только в России, но и в других странах практически нет. Миллиарды вышедших из строя лампочек бесконтрольно разбрасываются по просторам земли во всех странах мира. Разбитых потребителями лампочек в своем жилье тоже не мало. В «Санитарно-эпидемиологических требованиях к жилым зданиям и помещениям» (СанПиН 2.1.2.1002-00) содержание паров ртути в жилом помещении не должно превышать 0,3 мг на 1 м3. Таким образом, одна разбитая лампочка сделает опасным для здоровья человека помещение, если его объем меньше 15 м3. Полагаю, не далек тот день, когда запрещающие выпуск мощных лампочек накаливания закон будет пересмотрен в части переноса сроков, так как общество еще не готово к его эффективной реализации в части экологии. Основными потребителем электроэнергии в современных домах и квартирах являются бытовые приборы, на долю освещения приходится не более 5% от общего потребления, по этому, даже если снизить эту цифру до 1%, то экономия будет малозаметна, а с учетом стоимость современных источников света, то вероятнее всего убыточной. Так что, с моей точки зрения, закон «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» в части освещения скорее является данью моде, а не реально ведущий к экономическому эффекту.
Средний срок службы лампочки составляет 1000 часов, и это число определено не физическими возможностями вольфрамовой нити, а монополистами, производителями лампочек. Для ограничения срока службы на вольфрамовой проволоке специально делаются надсечки, которые в разы сокращают срок службы лампочки. В этом легко убедиться, посмотрев на нить через микроскоп. Если нить делать гладкой, то срок службы может составить несколько тысяч часов.
Конечно лампочка "Ильича", благодаря появлению светодиодных источников света, доживает свой век и в недалеком будущем станет историей. К основным недостаткам ламп накаливания относятся низкий КПД, значительное выделение тепла, что предъявляет дополнительные требования к термостойкости арматуры светильников, большая зависимость светового потока и срока службы от величины питающего напряжения (при превышении напряжения на 10%, срок службы уменьшается на 95%), хрупкость. Хотя спектр излучения ламп накаливания и отличается от солнечного, но человеческий глаз к такому свету адаптировался, так как желто-красной спектр излучения имеет свеча, огонь костра с которыми человек прожил тысячи лет.
Галогенная лампа накаливания
Галогенная лампа от лампы накаливания отличается тем, что имеет меньшие габаритные размеры, более высокий КПД и в несколько раз больший срок службы. Практически это та же лампочка "Ильича", но улучшена с учетом последних достижений науки и техники. Колба галогенной лампочки сделана из кварцевого стекла и заполнена под давлением парами галогенов брома или йода, благодаря чему срок службы галогенных лампочек доведен до 4000 часов, а температура накала спирали достигает 3000°К.
В галогенной лампочке вольфрамовая нить тоже при нагреве испаряется, но в отличие от простой лампочки накаливания, облачко из вольфрама благодаря вступлению в химическую реакцию с галогенами при высокой температуре, возвращается опять на нить накала. Благодаря такому процессу, появилась возможность изготавливать миниатюрные лампочки большой мощности, повысить КПД до 15% и увеличить срок эксплуатации до 4000 часов, а с применением ограничителей броска тока при включении галогенной лампочки (сопротивление нити накала в холодном состоянии в десять раз меньше, чем в нагретом) до 12000 часов. Спектр излучения галогенных лампочек более естественный, чем простых лампочек накаливания и они являются идеальным искусственным источником света для выполнения работ, связанных с цветом, например для художников. Так как колба лампочки сделана из кварцевого стекла, то она при свечении излучает ультрафиолетовые лучи, что позволяет под ней даже загорать.
Галогенные лампы в автомобиле
Галогенным лампочкам для автомобильных фар Н4 в настоящее время нет альтернативы. Большая мощность, устойчивость к тряске и вибрации, естественность света, малые габариты, работа при любой температуре окружающей среды, большой срок службы, низкая цена – практически идеальная лампочка. Есть, конечно, и более совершенные лампочки для фар автомобиля – ксеноновые (в них нет нити накала, свет излучает разряд между двумя электродами в газе ксеноне), биксеноновые и светодиодные, но цена их довольно высокая. Такие лампочки нельзя установить вместо штатных, а требуется замена всего блока фар. В дополнение оптику фар с ксеноновыми лампами требуется поддерживать в идеально чистом состоянии, при малейшем загрязнении свет начинает рассеиваться и ослеплять водителей встречного автотранспорта.
В одной колбе галогенной лампочки для автомобиля смонтировано сразу две нити накала. Такое решение позволило вместо двух отдельных лампочек использовать одну.
Напряжение на нити накала подают по очереди, в зависимости необходимости включения ближнего или дальнего света фар. В такой лампочке один вывод для двух нитей накала общий и цоколь лампочки имеет только три вывода.
Рекомендации по эксплуатации галогенных лампочек
Галогенные лампочки, рассчитанные на напряжение 220 В, подключатся непосредственно к эклектической сети, а так как в бытовой сети случаются броски напряжения, то лампочки быстро перегорают. Поэтому советую применять галогенные лампочки на напряжение 12 В с понижающим трансформатором или пускорегулирующим устройством.
Для исключения преждевременного выхода из стоя галогенной лампочки, недопустимо загрязнение колбы, так как она и так разогревается до температуры 250°С, а грязь ухудшает отвод тепла и лампочка перегревается. При установке галогенной лампочки в светильник не допускается прикосновение к колбе руками, так как на ней остаются потожировые следы, которые обгорая, нарушают равномерность нагрева колбы, в результате происходит напряжение стекла и колба может разрушиться. Если случайно прикоснулись, то грязь с колбы необходимо удалить растворителем или моющим средством и обязательно просушить, прежде чем подключать лампочку к питающей сети.
