От лампы накаливания к люминесцентной лампе

Министерство образования Российской Федерации Министерство образования Томской области Негосударственное образовательное учреждение гимназия «Томь»

Ул. Карташова 68/1

От лампы накаливания к люминесцентной лампе Томск, 2009

Введение

Нажимая на рубильник, мы редко задумываемся о том, как зажигается лампочка, и кто же придумал столь хитроумное устройство. В этом я и попыталась разобраться в своей исследовательской работе.

Лампа накаливания возникла в 1876 году, и только спустя почти 20 лет появились первые задатки люминесцентной лампы. Хотя распространение она (люминесцентная лампа) получила только в наши дни.

Цель работы: изучить историю возникновения и устройство ламп.

Задачи

1. что такое лампа накаливания?

2. изучить историю происхождения;

3. определить достоинства и недостатки ламп накаливания;

4. изучить принцип действия;

5. просмотреть и понять устройство;

6. какие обозначения используются для ламп накаливания;

7. разновидности;

8. как отличить качественные лампы;

9. особенности;

10. как определить срок службы лампы;

11. что такое люминесцентная лампа?

12. просмотреть на историю возникновения;

13. изучить особенности;

14. сравнить электронный и электромагнитный балласт;

15. определить причины выхода из строя;

16. изучить спектр люминесцентной лампы;

17. рассмотреть все виды люминесцентных ламп.

1. Лампа накаливания Определения Лампа накаливания — источник света, преобразующий энергию проходящего по спирали лампы электрического тока в тепловую и световую. По физической природе различают два вида излучения: тепловое и люминесцентное.

Тепловым называют световое излучение, возникающее при нагревании тел. На использовании теплового излучения основано свечение электрических ламп накаливания.

Под вечер, когда сгущаются сумерки, мы привычно щелкаем выключателем, и под потолком загорается «маленькое солнце» — электрическая лампочка. И редко кто вспоминает при этом об изобретателе простого, надежного и удобного источника света.

История возникновения В 1802 г русский ученый В. В. Петров зажег первый электрический источник света — электрическую дугу с «огромной наипаче батареей» из 2100 медно-цинковых элементов, названную в честь одного из создателей электричества Вольты, «вольтовой». Петров взял два угольных стержня. Один соединил проволокой с плюсом гальванической батареи, а другой с минусом. Когда он сблизил концы стержней, ток перепрыгнул через воздушный промежуток с одной на другую. Концы стержней при этом раскалились добела, и между ними появилась огненная дуга.

Но угольные стержни сгорали быстро и неравномерно. Да и дуговую лампу не поставишь на стол — слишком жарко и ярко.

В 1872 году русский изобретатель Александр Николаевич Лодыгин подал заявку, а затем получил привилегию (патент) (№ 1619, от 11 июля 1874) на устройство — лампу накаливания и способ дешевого электрического освещения. Это изобретение он запатентовал также в Австрии, Великобритании, Франции, Бельгии. В лампе Лодыгина телом накала служил тонкий стерженёк из ретортного угля, помещенный под стеклянный колпак. В августе 1873 года Лодыгин продемонстрировал образцы изобретённой им электрической лампы накаливания в физической аудитории Петербургского технологического института, а в 1874 Петербургская Академия Наук присудила ему Ломоносовскую премию. В 1875 г новыми усовершенствованными лампочками Лодыгина был освещен магазин Флорана на Большой Морской улице в Петербурге. Это был первый в мире магазин с электрическим освещением. Первая в России установка наружного электрического освещения дуговыми лампами была введена в работу 10 мая 1880 года на Литейном мосту в Петербурге. 10 сентября 1880 года Московская городская дума решила устроить «электрическое освещение в местности вокруг храма Христа Спасителя». Лампы были слишком маломощные, светили тускло, но все равно успех на их долю выпал огромный. Новые лампочки Лодыгина были долговечнее прежних: они служили целых два месяца. Но их недостатком была большая сложность устройства. В каждой лампочке было четыре уголька. Когда перегорал один уголек, на его место заступал другой.

Русский ученый Павел Николаевич Яблочков расположил угольные стержни параллельно, разделив их слоем глины, который постепенно испарялся. В 1876 году на Парижской выставке Яблочков получает первый в мире патент на изобретение электрической дуговой лампы без регулятора — электрической «свечи» — «Свечи» Яблочкова горели красивым розовым и фиолетовым цветом. В 1877 г ими была освещена одна из главных улиц в Париже. А электрическое освещение стали называть «la lumiere russe» — «русский свет» .

Принято считать, что более простую и долговечную лампочку изобрел Эдисон.

1 января 1880 г. три тысячи человек присутствовали в Менло-Парке (США) на демонстрации электрического освещения для домов и улиц, предложенного Томасом Эдисоном. Эдисон внес в конструкцию лампы накаливания Лодыгина важнейшие усовершенствования. Он добился значительно лучшего удаления воздуха из лампы, благодаря чему накаленная нить светилась, не перегорая, в течение многих недель, поместил в лампочку не угольный стерженек, а волосок из обугленного бамбукового волокна, соединил воедино лампу накаливания, электрогенератор, розетку и вилку.

Однако, задолго до Эдисона, американец К. В. Штарр подал в 1845 году в Великобритании заявку на патент, в описании которой говорится о том, как, поместив тело накала вакууме и подведя к нему два электрода, можно довести его до свечения.

А в 1854 г, то есть за 25 лет до Эдисона владелец часового магазина в Нью-Йорке, германский эмигрант Генрих Гебель представил в Нью-Йорке первые, подходящие для практического применения лампы накаливания с угольными нитями со сроком горения около 200 часов. В качестве нити накаливания он применил обугленную бамбуковую нить толщиной 0,2 мм, помещенную в вакуум. Вместо колбы Гебель из соображений экономии использовал сначала флаконы от одеколона, а позднее — стеклянные трубки. Вакуум в стеклянной колбе он создавал путем заполнения и выливания ртути, то есть с помощью метода, применявшегося при строительстве барометров. Созданные лампы накаливания Гебель использовал для освещения своего часового магазина. Чтобы привлечь к своему магазину внимание покупателей, Гебель устанавливает аппаратуру на крыше и получает такие яркие световые дуги, что соседи вызывают пожарных. После нескольких выездов пожарных, суд запрещает Гебелю подобные эксперименты. Чтобы улучшить свое финансовое положение, Гебель разъезжал по Нью-Йорку на коляске и предлагал всем желающим посмотреть на звезды в подзорную трубу. Свою коляску он украсил лампами накаливания. Таким образом, Гебель был первым, кто использовал свет в рекламных целях. Из-за отсутствия денег и связей германский эмигрант не смог зарегистрировать патент на свою лампу с угольной нитью. Только в 1882 году Гебель написал в прессе о своей работе. Но к этому времени на международной выставке в Париже в 1881 году Эдисон уже представил свою лампу накаливания с угольной нитью и резьбовым цоколем и успел завоевать славу изобретателя лампы накаливания. Эдисон зарегистрировал патент на свою систему освещения и продавал права на ее изготовление в США и Европе. В Германии лицензией на изготовление ламп накаливания по патенту Эдисона, начиная с 1883 года, обладали фирма Deutsche Edison — Gesellschaft (позднее AEG) и фирма Siemens & Halske. Фирма General Electric Company, являясь наследницей прав фирмы Edison — Gesellschaft в США, вела многочисленные процессы против своих конкурентов, выдвигая против них обвинения в незаконном использовании патентов. Среди обвиняемых ею фирм была и фирма Beacon Vacuum Pump and Electrical Company. Эта фирма сослалась на работы Генриха Гебеля и добилась его участия в процессе в качестве свидетеля. Экспертам поручили оценить работоспособность его лампы с угольной нитью. В качестве доказательства под руководством Гебеля были изготовлены несколько ламп с угольными нитями. Во время тестирования срок горения ламп Гебеля с угольными нитями составил от 190 до 254 часов. Суд подтвердил, что лампа накаливания Гебеля с угольной нитью «действительно является подходящим для использования источником света» и что «он использовал и прилюдно показывал подходящую для практического применения лампу накаливания еще за несколько десятилетий до Эдисона». Американский патент Эдисона пришлось признать недействительным до окончания срока действия охранных прав. Таким образом, в возрасте 75 лет Генрих Гебель получил признание, как изобретатель первой пригодной для использования лампы накаливания с угольной нитью.

До середины ХХ века лампы накаливания оставались единственным источником света. Но моральное старение уже привычных вещей — явление столь же древнее, как сама жизнь. В процессе работы вольфрамовая нить лампы накаливания частично испаряется, сечение нити становиться меньше, при длительном горении колба чернеет, и, наконец, нить перегорает. Средняя продолжительность горения лампы накаливания 1000 часов. Лампы накаливания чувствительны даже к относительно небольшим повышениям напряжения. Так при повышении напряжения всего на 6% срок службы лампы накаливания снижается вдвое. Световая отдача их составляет 10−15 лм/Вт.

Достоинства и недостатки ламп накаливания Достоинства: — при включении они зажигаются практически мгновенно;

— имеют незначительные размеры;

— стоимость их невысока.

Основные недостатки:

— лампы обладают слепящей яркостью, отрицательно отражающейся на зрении человека, поэтому требуют применения соответствующей арматуры, ограничивающей ослепление;

— обладают незначительным сроком службы (порядка 1000 часов);

— срок службы ламп существенно снижается при повышении напряжения питающей электросети.

Световой КПД ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4%.

Таким образом, основной недостаток ламп накаливания — низкая светоотдача. Ведь лишь незначительная часть потребляемой ими электрической энергии превращается в энергию видимых излучений, остальная часть энергии переходит в тепло, излучаемое лампой.

Принцип действия Принцип действия ламп накаливания основан на преобразовании электрической энергии, проходящей через нить, в световую. Температура разогретой нити достигает 2600…3000 °С. Но нить лампы не плавится, потому что температура плавления вольфрама (3200…3400 °С) превышает температуру накала нити. Спектр ламп накаливания отличается от спектра дневного света преобладанием желтого и красного спектра лучей.

Колбы ламп накаливания вакуумируются или заполняются инертным газом, в среде которого вольфрамовая нить накала не окисляется: азотом; аргоном; криптоном; смесью азота, аргона, ксенона.

Рис. 4.1. Устройство и включение ламп накаливания Устройство и работа ламп накаливания Лампа накаливания (рис. 4.1) светится потому, что нить из тугоплавкой вольфрамовой проволоки раскаляется проходящим через нее током. Чтобы спираль быстро не перегорела, из стеклянного баллона выкачан воздух либо баллон заполнен инертным газом. Спираль укреплена на электродах. Один из них припаян к металлической гильзе цоколя, другой — к металлической контактной пластине. Их разделяет изоляция. Один из проводов присоединен к гильзе цоколя, а другой — к контактной пластине, как показано на рис. 4.1. Тогда ток, преодолевая электрическое сопротивление НИТИ, раскаляет ее.

Обозначения ламп накаливания В обозначении ламп накаливания буквы означают: В — вакуумная; Г — газонаполненная; Б — биспиральная; БК — биспиральная криптоновая (имеет повышенную светоотдачу и меньшие размеры по сравнению с лампами В, Б и Г, но стоит дороже); ДБ — диффузная (с матовым отражательным слоем внутри колбы); МО — местного освещения.

За буквами следуют две группы цифр. Они указывают диапазон напряжений и мощность лампы.

Пример. «В 220…230−25» обозначает напряжение 220…230 В, мощность 25 Вт. В обозначении может также присутствовать дата выпуска лампы, например, IX2005.

Лампы мощностью до 150 Вт выпускаются:

— в бесцветных прозрачных баллонах (световой поток ламп не уменьшается);

— в матированных изнутри баллонах (световой поток ламп уменьшается на 3%);

— в опаловых колбах;

— окрашенных в молочный цвет баллонах (световой поток ламп уменьшается на 20%).

Лампы мощностью до 200 Вт изготавливают как с резьбовыми, так и со штифтовыми нормальными цоколями. Лампы мощностью более 200 Вт выпускаются только с резьбовыми цоколями. Лампы мощностью более 300 Вт выпускаются с цоколем диаметром 40 мм.

Примеры исполнения стандартных ламп накаливания Рис. 4.2. Примеры исполнения ламп накаливания Примеры исполнения ламп накаливания приведены на рис. 4.2. На рис. 4.2.а, б — лампы одинаковой мощности, но на рис. 4.2.а — газонаполненная с аргоновым, а на рис. 4.2.6 — с криптоновым наполнителем (криптоновая). Размеры криптоновой лампы меньше. Лампа на рис. 4.2.в. напоминает свечу. Такие лампы часто применяют в люстрах и настенных светильниках. На рис. 4.2.г, д, е изображены, соответственно, биспиральная, биспиральная криптоновая и зеркальная лампы.

Нормальные лампы накаливания Нормальные лампы накаливания это лампы общего назначения напряжением 220 В, мощностью до 1000 Вт в силикатных баллонах. Цветовая температура колеблется в зависимости от мощности и газозаполненности от 2500 до 2950К. 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. Световая отдача такой лампы крайне невысока — всего 17 люмен/ватт.

Зеркальные и декоративные лампы Лампы в зеркальных колбах, или зеркальные лампы, имеют колбу специальной формы, на которую нанесен со стороны цоколя зеркальный слой. Остальная часть колбы матирована. Зеркальные лампы предназначены для освещения высоких помещений и открытых пространств, декоративного освещения. Неодимовые лампы используются там, где необходимо высокое качество цветопередачи.

Выпускаются также специальные лампы накаливания с зеркальным отражателем: термоизлучатели; кварцевые галогенные (КГ-220−1200); ИКЗК-220−500. Обозначения декоративных ламп специального назначения: БЛ — белые; Ж — желтые; 3 — зеленые; К — красные; О — опаловые.

Обозначения зеркальных ламп: ЗК — концентрированного светораспределения; ЗС — среднего светораспределения; ЗШ — широкого светораспределения; ЗКН — зеркальные из неодимового стекла концентрированного светораспределения; ЗШН — зеркальные из неодимового стекла широкого светораспределения.

Зеркальные лампы Имеют параболоидную форму баллона, верхняя часть которого имеет зеркальное покрытие. Вольфрамовая нить свернута в спираль. Купол баллона слабо матирован для сглаживания бликов в световом пятне. В зависимости от типа колбы делятся на два семейства: зеркальные лампы SPOT с колбой из дутого стекла и зеркальные лампы типа PAR с колбой из прессованного стекла. Зеркальные лампы, излучающие направленный свет, являются самым простым светильником. Лампы имеют цветовую температуру 3200К.

Лампы — фары Зеркальные лампы накаливания с определенной кривой светорассеивания при концентрации светового потока в угле порядка 20 градусов и большой осевой силой света. Выполнены они из двух сваренных стеклянных чечевицеобразных элементов, зеркального параболоидного отражателя и прозрачного рассеивателя с резко выраженным рифлением. Сваренный баллон наполнен инертным газом криптоном. Различают три вида ламп-фар: первый — в фокусе отражателя расположена вольфрамовая нить (цветовая температура 2900К), второй — в фокусе отражателя в качестве источника света расположена галогенная лампа (цветовая температура 3200К), третийгалогенная лампа в баллоне и рассеиватель с интерференционным покрытием для повышения цветовой температуры до 5000К.

Галогенная лампа (tungsten-halogen lamp)

Не надо путать эту лампу с металлогалоидной (metal-halide lamp).

Кварцевогаллогенные лампы — представляют собой лампы накаливания с телом накала из вольфрама, расположенным внутри кварцевой колбы, заполненной инертным газом или газами из группы галогенов. Выпускаются в двух исполнениях — компактные и протяженные. Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия сравнимы с лампами накаливания, но они содержат в газе-наполнителе незначительные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их соединения. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть сильно уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газе-наполнителе, и с другой стороны становится возможным применение дорогих инертных газов криптон и ксенон в качестве газов-наполнителей.

Присутствие галогенов тормозит испарение вольфрама, что увеличивает срок службы до 2000 часов. Кроме того, увеличивается светоотдача (около 25 люмен/ватт), а цветовую температуру можно поднять до 3400К (в номинальном режиме 3200К). Питание ламп осуществляется переменным или постоянным током. Номинальные напряжения 12, 24, 36 или 220 В. По форме лампы бывают прожекторного типа с телом накала в виде компактной спирали и трубчатые с телом накала в виде длинной спирали.

Криптоновая, неодимовая и т. д. лампа Чтобы уменьшить скорость испарения вольфрама с нити накаливания, лампы накаливания наполняются газом. В дешевых лампах — смесью азота и аргона, в более дорогих — вместо аргона используется криптон, который имеет более низкую теплопроводность, или ксенон, который имеет еще более низкую теплопроводность. Если лампа — галогенная, то иодиды составляют примерно 1%, все остальное — инертные газы. Не путайте ксеноновые и т. д. лампы накаливания с ксеноновыми газоразрядными лампами — те из совершенно другой области.

Использование криптона или ксенона позволяет увеличить яркость спирали примерно на 10% при использовании криптона. Ксенон обычно используется в лампочках для карманных фонариков, яркость которых может быть почти в два раза больше яркости обычной лампы (вспомните, крупные буквы Xenon FlashBulb на упаковке). Помимо ксенона, эти лампочки работают на более высоком токе, чем обычные и т. д. Поскольку теплопроводность криптона/ксенона меньше, то лампочку можно сделать меньшего размера, что позволяет использовать ее в более тесном пространстве.

Во всем остальном эти лампы — все те же лампы накаливания.

Прогресс коснулся и стекла, из которого делаются колбы ламп. Один из последних писков моды — использование неодимового стекла. Многие фирмы производят подобные лампы, указывая, что это лампы для растений (Osram Flora, Chromalux Neodym, Eurostar Neodymium и т. д.).

Неодим и другие редкоземельные элементы добавляются к стеклу (в том числе и в активном теле лазера), чтобы поглотить желто-зеленую часть спектра. При этом улучшается видимая окраска растений, глазу кажется, что освещение ярче и т. д. Однако эта лампа не дает больше света, чем обычная лампа накаливания. Весь ее эффект — чисто визуальный. С аналогичным успехом можно было использовать тонкопленочное покрытие на колбе, которое вырезает желто-зеленую часть спектра. Никакого излучения в ультрафиолетовой области (также как и обычная лампа накаливания) эта лампа не производит.

Разновидности ламп накаливания по заполнению баллона Лампы накаливания изготовляются на напряжение от единиц до сотен вольт и на мощности от долей ватта до киловатт. Лампы накаливания, из колбы которых удален воздух, называются вакуумными. Лампы, колбы которые заполнены инертными газами, называются газонаполненными. Преимущества газонаполненных ламп ощутимы: газонаполненные лампы выгодно отличаются от вакуумных ламп. Объясняется это тем, что в среде инертного газа нить лампы не разрушается даже при более высокой температуре, чем в вакуумной лампе накаливания. Значит, они служат дольше. Газонаполненные лампы при прочих равных условиях имеют большую светоотдачу, чем вакуумные лампы, потому что газ, находящийся в колбе под давлением, препятствует испарению нити накала. Это позволяет повысить рабочую температуру нити. Таким образом, при одной и той же мощности они: меньше по размеру, обладают большей светоотдачей, в несколько раз дольше служат.

Недостатком газонаполненных ламп является дополнительная потеря тепла нити накала вследствие конвекции газа, заполняющего внутреннюю полость колбы. В целях снижения тепловых потерь газонаполненные лампы заполняют малотеплопроводными газами. Другим способом снижения тепловых потерь является уменьшение размеров и изменение конструкции нити накала. Так, например, нити накала выполняют в виде плотной винтообразной спирали (моноспирали) или двойной спирали (биспирали).

Как отличить качественные лампы Рынок светотехнической продукции сейчас переполнен некачественными подделками. Отличить фирменную продукцию от подделки зачастую непросто. Простейший способ определения качества — визуальный: по маркировке на упаковке и самой колбе, где указываются фирма и страна-производитель (например, должно быть Made in Germany, a не Germany). Согласно правилам торговли, на упаковке дается адрес производителя на русском языке. Продавец обязан иметь сертификат на каждый из товаров. Покупатель может потребовать такой сертификат и убедиться, что товар завезен легально и не является подделкой.

Особенности галогенных ламп накаливания Лампы накаливания со временем теряют яркость, и происходит это по простой причине: испаряющийся с нити накаливания вольфрам осаждается в виде темного налета на внутренних стенках стеклянной колбы. Современные галогенные лампы не имеют этого недостатка, благодаря добавлению в газ-наполнитель галогенных элементов (йода или брома). Последние способны «собирать» осевшие на колбе испарившиеся частицы вольфрама и «возвращать» их снова на вольфрамовую нить.

Кроме того, колба такой лампы выполняется из тугоплавкого кварцевого стекла, которое более устойчиво к высокой температуре и химическим воздействиям, и может быть заполнена газом под повышенным давлением. В итоге это позволяет повысить температуру спирали, в результате чего увеличивается в 2 раза световая отдача и срок службы галогенной лампы, а размеры ее уменьшаются в несколько раз по сравнению с лампами накаливания такой же мощности.

Галогенные лампы применяются повсюду. Лампы, имеющие цилиндрическую или свечеобразную колбу и рассчитанные на сетевое напряжение 220 В, можно использовать вместо обычных (особенно там, где необходимы лампы небольшого размера). Зеркальные лампы, рассчитанные на низкое напряжение, практически незаменимы при акцентированном освещении мебели, картин, а также жилых помещений.

Используя галогенные лампы, полезно помнить об их особенностях. Трубчатые лампы (особенно мощные) лучше располагать горизонтально с отклонением от горизонтали не более 10 градусов. Температура колбы может достигать 500 °C, поэтому следует соблюдать нормы противопожарной безопасности при установке ламп (например, обеспечить достаточное расстояние между поверхностью перекрытия и подвесным потолком).

Полезный совет До стеклянной поверхности галогенной лампы лучше не дотрагиваться голыми руками, так как на ней остаются жирные пятна, что может привести к оплавлению в этом месте стекла колбы. Лампу необходимо брать, используя кусок чистой ткани.

Если колба чем-то испачкана, то нужно протереть ее медицинским спиртом.

Галогенные лампы очень чувствительны к скачкам напряжения сети, поэтому их следует включать через стабилизатор напряжения, а некоторые типы — через понижающий трансформатор.

Учет диапазона напряжений приобретаемой лампы В настоящее время выпускаются лампы, на которых указан диапазон напряжений: 125…135 В; 215…225 В; 220…230 В; 230…240 В. Эту маркировку на отечественные лампы наносят по кругу. Надпись может быть расположена и в три строчки. Цифры перед буквой В определяют диапазон напряжений данной лампы. Надо внимательно смотреть на эту маркировку при покупке ламп.

Внимание!

Если вам приходится менять электрические лампы чаще одного раза в год, значит у вас в квартире повышенное или нестабильное напряжение. Если же лампы служат более двух лет, значит они горят с недостаточным накалом и их эксплуатация неэфсрективна. В этом случае применяйте лампы, рассчитанные на более низкое рабочее напряжение.

Внимание!

В продаже встречаются лампы как на 127 В, так и на 220 В, и вы можете купить их случайно или по причине некомпетентности продавца. У лампы на 127 В, вкрученной в патрон, к которому подано напряжение 220 В, может не просто перегореть нить накаливания. Очень часто сама колба взрывается и разлетается на мелкие кусочки. Особенно опасно купить лампочки на 36 В, применяющиеся в промышленности. При выборе ламп можно воспользоваться рекомендацией завода-изготовителя, которые вкладываются в упаковочную коробку осветительного прибора.

Внимание!

Покупая лампы, необходимо обратить внимание на маркировку, которая определяет оптимальное напряжение эксплуатации. При нормальном напряжении сети применяйте лампы с маркировкой 215…225 В и 220…230 В. Если эти лампы часто перегорают, покупайте лампы с маркировкой 230…240 В. При замене ламп 230…240 Вив труднодоступных местах, где часто приходится пользоваться электрическим освещением, применяйте лампы с маркировкой 235…245 В.

Если напряжение электросети вашей квартиры лежит в пределах диапазона, указанного на приобретенной лампе, то она хорошо светит и достаточно долговечна. Значение напряжения, лежащее примерно в середине диапазона, является расчетным. Например, для диапазона 230…240 В расчетное напряжение 235 В, а для диапазона 215…225 В — 220 В.

Таким образом, для сетей на одно номинальное напряжение (220 В) выпускаются лампы с несколькими диапазонами напряжений (215/225 … 230/240 В). Необходимость в нескольких диапазонах объясняется тем, что рабочее напряжение в сети всегда отличается от номинального:

— ближе к источнику электропитания напряжение выше;

— вдали от источника питания — ниже.

Пример 1: При освещении длинного туннеля, если подстанция расположена в его начале, ближнюю к подстанции часть освещают лампами на 230…240 В, затем диапазон снижают. В конце туннеля используют лампы диапазона 215…225 В.

Пример 2: В квартирах с устойчивым и нормальным напряжением сети оптимально использовать лампы диапазона 215…225 В, на лестничных клетках — на 230…240 В.

Важный вывод: Чтобы лампы и ярко светили, и не перегорали преждевременно, нужно правильно выбрать диапазон напряжений приобретаемых ламп. В пределах каждого диапазона лампа накаливания дает хороший световой поток и достаточно долговечна. Наличие нескольких диапазонов объясняется тем, что рабочее напряжение в сети отличается от номинального: у источника питания (подстанции) оно выше, а вдали от источника питания ниже.

Для лестничных площадок домов можно рекомендовать лампы с номинальным напряжением 230…240 В. В этом случае при номинальном напряжении сети 220 В: напряжение на лампе — 92%, ток — 96%, мощность — 88%, световой поток — 75%, срок службы — 350%, т. е. имеют место как экономия электроэнергии, так и увеличение срока службы лампы накаливания.

Сопротивление нити накала лампы Экспериментальная проверка наиболее распространенных бытовых ламп накаливания мощностью 25, 40, 60, 75, 100 Вт показывает, что их сопротивление в холодном состоянии составляет 155,5; 103,5; 61,5; 51,5; 40 Ом, а в рабочем — 1936; 1210; 815; 650; 490 Ом, соответственно. Тогда отношение «горячего» сопротивления к «холодному» равняется 12,45; 11,7; 13,25; 12,62; 12,4, а в среднем оно составляет 12,5.

В результате лампа накаливания при включении работает в экстремальных условиях при токах, которые превышают номинальный, что приводит к ускоренному износу нити накала и преждевременному выходу лампы из строя, особенно при превышениях напряжения в питающей сети. Последнее обстоятельство при длительных превышениях напряжения относительно номинального приводит к резкому сокращению срока службы лампы.

Процесс старения и срок службы лампы.

Срок службы лампы накаливания колеблется в широких пределах, потому что зависит:

— от качества соединений в электропроводке и светильнике;

— от стабильности номинального напряжения;

— от наличия или отсутствия механических воздействий на лампу, толчков, сотрясений, вибраций;

— от температуры окружающей среды;

— от типа примененного выключателя и скорости нарастания величины тока при подаче питания на лампу.

При продолжительной работе лампы накаливания ее нить накала под воздействием высокой температуры нагрева постепенно испаряется, уменьшаясь в диаметре, рвется (перегорает).

Чем выше температура нагрева нити накала, тем больше света излучает лампа. При этом интенсивнее протекает процесс испарения нити, и сокращается срок службы лампы.

Средняя продолжительность горения лампы накаливания при расчетном напряжении не превышает 1000 часов. После 750 часов горения световой поток снижается в среднем на 15%.

Внимание!

Лампы накаливания очень чувствительны даже к относительно небольшим повышениям напряжения: при повышении напряжения всего на 6% срок службы снижается вдвое. По этой причине лампы накаливания, освещающие лестничные клетки, довольно часто перегорают, так как ночью электросеть мало нагружена и напряжение повышено.

Причины быстрого перегорания ламп накаливания В одном из немецких городов есть фонарь, в который вкручена одна из первых ламп накаливания. Ей уже больше 100 лет. Но она сделана с огромным запасом надежности, поэтому горит до сих пор. В наше время лампочки накаливания выпускаются массово, но с очень малым запасом надежности. Бросок тока, возникающий при включении освещения, часто выводит лампочку из строя из-за малого сопротивления в холодном состоянии. Поэтому при включении освещения лампочку надо разогреть малым током, а затем включить на полную мощность. Лампа накаливания выходит из строя, как правило, при включении из-за малого сопротивления холодной нити накала. Рассмотрим небольшие хитрости по продлению жизни лампам накаливания. Учет номинального напряжения

В настоящее время промышленность производит лампы накаливания, на которых указано не одно напряжение (127 или 220 В), а диапазон напряжений (125…135, 215…225, 220…230, 230…240 В).

В пределах каждого диапазона лампа накаливания дает хороший световой поток и достаточно долговечна. Наличие нескольких диапазонов объясняется тем, что рабочее напряжение в сети отличается от номинального: у источника питания (подстанции) оно выше, а вдали от источника питания ниже.

В связи с этим, чтобы лампы долго служили и хорошо светили, необходимо правильно выбрать необходимый диапазон. Очевидно, что если напряжение в вашей квартирной сети равно 230 В, то покупать и устанавливать лампы накаливания, на которых указан диапазон 215…225 В, не имеет смысла. Такие лампы работают с перекалом и долго служить не будут — они перегорают преждевременно.

Влияние вибрации на срок службы ламп Лампы накаливания, которые работают в условиях вибрации и подвергаются толчкам, выходят из строя чаще, чем работающие в спокойном состоянии. Если возникает необходимость пользоваться переноской, то лучше осуществлять ее перемещение в выключенном состоянии.

Профилактика патрона, в котором часто перегорают лампы Иногда бывает, что в люстре перегорает одна и та же лампа, причем при работе лампы патрон очень горячий. В этом случае необходимо почистить и подогнуть центральный и боковые контакты, подтянуть контактные соединения проводов, подходящих к патрону. Желательно все лампы в люстру установить одинаковой мощности.

Зависимость срока службы ламп накаливания от напряжения в сети Если вы думаете, что колебания напряжения в сети не отражаются на лампах накаливания, то вы ошибаетесь. Отражаются, да еще как.

Красная линия на графике слева — зависимость срока службы лампы от величины напряжения в сети (относительно номинального значения). Выразить это можно формулой, приблизительно верной для большинства ламп и ориентации нити накала:

Lifetime=(U0 /U)13.

Впечатляет, правда? Если у вас напряжение в сети 230V вместо 220V, то средний срок службы ламп составляет, по сравнению с номинальным (220/230)13=0.56, т. е. примерно половина от номинального срока службы. Однако, если вы живете на большом расстоянии от электрической станции и, пока до вас «дойдет» электричество, оно растеряет по дороге десять вольт, то срок службы ламп составит (220/221)13=1.83, т. е. почти в два раза больше.

Световой поток при этом выражается формулой:

Light=(U/U0)3.4.

В первом случае, лампа будет давать света (230/220)3.4=1.16, чуть больше пятнадцати процентов. Во втором — (210/220)3.4=0.85, на пятнадцать процентов меньше.

Из всего вышесказанного следует, что имеет смысл позаботиться о стабильности напряжения в сети, особенно, если вы используете дорогие криптоново-неодимовые лампы.

Другим фактором, который может повысить срок службы, является использование схем для плавного включения ламп. Чаще всего лампа перегорает в момент включения тока, когда спираль холодная и ток максимальный. При использовании таких схем можно «оттянуть» не очень приятный момент перегорания лампы. Но нужно отметить, что если напряжение скачет, то пользы от таких выключателей нет.

Но на электрической лампочке завоевание света не остановилось. Задача в том, чтобы как можно больше энергии превращать в свет и как можно меньше энергии терять в виде тепла. Для этого надо отказаться от высоких температур, выбросить нить накаливания, то есть от лампочек накаливания перейти к лампочкам без накаливания. К люминесцентным лампам.

2. Люминисцентная лампа Люминесцентная лампа — газоразрядный источник света, световой поток которого определяется в основном свечением люминофоров под воздействием ультрафиолетового излучения разряда; видимое свечение разряда не превышает нескольких процентов. Люминесцентные лампы широко применяются для общего освещения, при этом их световая отдача в несколько раз больше, чем у ламп накаливания того же назначения. Срок службы люминесцентных ламп может до 20 раз превышать срок службы ламп накаливания при условии обеспечения достаточного качества электропитания, балласта и соблюдения ограничений по числу коммутаций, в противном случае быстро выходят из строя. Наиболее распространённой разновидностью подобных источников является ртутная люминесцентная лампа. Она представляет собой стеклянную трубку, заполненную парами ртути, с нанесённым на внутреннюю поверхность слоем люминофора.

Область применения Коридор, освещенный люминесцентными лампами.

Люминесцентные лампы — наиболее распространённый и экономичный источник света для создания рассеянного освещения в помещениях общественных зданий: офисах, школах, учебных и проектных институтах, больницах, магазинах, банках, предприятиях. С появлением современных компактных люминесцентных ламп, предназначенных для установки в обычные патроны E27 или E14 вместо ламп накаливания, они стали завоёвывать популярность и в быту. Применение электронных пускорегулирующих устройств (балластов) вместо традиционных электромагнитных позволяет ещё более улучшить характеристики люминесцентных ламп — избавиться от мерцания и гула, ещё больше увеличить экономичность, повысить компактность.

Главными достоинствами люминесцентных ламп по сравнению с лампами накаливания являются высокая светоотдача (люминесцентная лампа 23 Вт даёт освещенность как 100 Вт лампа накаливания) и более длительный срок службы (2000;20 000 часов против 1000 часов). В некоторых случаях это позволяет люминесцентным лампам экономить значительные средства, несмотря на более высокую начальную цену.

Применение люминесцентных ламп особенно целесообразно в случаях, когда освещение включено продолжительное время, поскольку включение для них является наиболее тяжёлым режимом, и частые включения-выключения сильно снижают срок службы.

История Первым предком лампы дневного света была лампа Генриха Гайсслера, который в 1856 году получил синее свечение от заполненой газом трубки, которая была возбуждена при помощи соленоида. В 1893 году на всемирной выставке в Чикаго, штат Иллинойс, Томас Эдисон показал люминесцентное свечение. В 1894 году М. Ф. Моор создал лампу, в которой использовал азот и углекислый газ, испускающий розово-белый свет. Эта лампа имела умеренный успех. В 1901, Питер Купер Хьюитт демонстрировал ртутную лампу, которая испускала свет синего-зелёного цвета, и таким образом была непригодна в практических целях. Это было, однако, очень близко к современному дизайну, и имело более высокую эффективность, чем лампы Гайсслера и Эдисона. В 1926 году Эдмунд Джермер и его сотрудники предложили увеличить операционное давление в пределах колбы и покрывать колбы флуоресцентным порошком, который преобразовывает ультрафиолетовый свет, испускаемый возбужденной плазмой в более однородный белоцветный свет. Э. Джермер в настоящее время признан как изобретатель лампы дневного света. General Electric позже купила патент Джермера, и под руководством Джорджа Э. Инмана довела лампы дневного света до широкого коммерческого использования к 1938 году.

Принцип работы При работе люминесцентной лампы между двумя электродами, находящимися в противоположных концах лампы, возникает электрический разряд. Лампа заполнена парами ртути и проходящий ток приводит к появлению УФ излучения. Это излучение невидимо для человеческого глаза, поэтому его преобразуют в видимый свет с помощью явления люминесценции. Внутренние стенки лампы покрыты специальным веществом — люминофором, которое поглощает УФ излучение и излучает видимый свет. Изменяя состав люминофора можно менять оттенок свечения лампы.

Особенности подключения С точки зрения электротехники люминесцентная лампа — устройство с отрицательным дифференциальным сопротивлением (чем больший ток через неё проходит — тем меньше её сопротивление, и тем меньше падение напряжения на ней). Поэтому при непосредственном подключении к электрической сети лампа очень быстро выйдет из строя из-за огромного тока, проходящего через неё. Чтобы предотвратить это, лампы подключают через специальное устройство (балласт).

В простейшем случае это может быть обычный резистор, однако в таком балласте теряется значительное количество энергии. Чтобы избежать этих потерь при питании ламп от сети переменного тока в качестве балласта может применяться реактивное сопротивление (конденсатор или катушка индуктивности).

В настоящее время наибольшее распространение получили два типа балластов — электромагнитный и электронный.

Электромагнитный балласт Произведенный в СССР электромагнитный балласт «1УБИ20». Недостатком являлся низкий cosф, так как реактивная мощность балласта зачастую больше мощности лампы Электромагнитный балласт представляет собой индуктивное сопротивление (дроссель) подключаемое последовательно с лампой. Для запуска лампы с таким типом балласта требуется также стартер. Преимуществами такого типа балласта является его простота и дешевизна. Недостатки — мерцание ламп с удвоенной частотой сетевого напряжения (частота сетевого напряжения в России = 50 Гц), что повышает утомляемость и может негативно сказываться на зрении, относительно долгий запуск (обычно 1−3 сек, время увеличивается по мере износа лампы), большее потребление энергии по сравнению с электронным балластом. Дроссель также может издавать низкочастотный гул.

Помимо вышеперечисленных недостатков, можно отметить ещё один. При наблюдении предмета вращающегося или колеблющегося с частотой равной или кратной частоте мерцания люминесцентных ламп с электромагнитным балластом такие предметы будут казаться неподвижными из-за эффекта стробирования. Например этот эффект может затронуть шпиндель токарного или сверлильного станка, циркулярную пилу, мешалку кухонного миксера, блок ножей вибрационной электробритвы.

Во избежание травмирования на производстве запрещено использовать люминесцентные лампы для освещения движущихся частей станков и механизмов без дополнительной подсветки лампами накаливания.

Электронный балласт Электронный балласт представляет собой электронную схему, преобразующую сетевое напряжение в высокочастотный (20−60 кГц) переменный ток, который и питает лампу. Преимуществами такого балласта является отсутствие мерцания и гула, более компактные размеры и меньшая масса, по сравнению с электромагнитным балластом. При использовании электронного балласта возможно добиться мгновенного запуска лампы (холодный старт), однако такой режим неблагоприятно сказывается на сроке службы лампы, поэтому применяется и схема с предварительным прогревом электродов в течение 0,5−1 сек (горячий старт). Лампа при этом зажигается с задержкой, однако этот режим позволяет увеличить срок службы лампы.

Механизм запуска лампы с электромагнитным балластом В классической схеме включения с электромагнитным балластом для автоматического регулирования процесса зажигания лампы применяется пускатель (стартер), представляющий собой миниатюрную газоразрядную лампочку с неоновым наполнением и двумя металлическими электродами. Один электрод пускателя неподвижный жёсткий, другой — биметаллический, изгибающийся при нагреве. В исходном состоянии электроды пускателя разомкнуты. Пускатель включается параллельно лампе.

В момент включения к электродам лампы и пускателя прикладывается полное напряжение сети, так как ток через лампу отсутствует и падение напряжения на дросселе равно нулю. Электроды лампы холодные и напряжение сети недостаточно для её зажигания. Но в пускателе от приложенного напряжения возникает разряд, в результате которого ток проходит через электроды лампы и пускателя. Ток разряда мал для разогрева электродов лампы, но достаточен для электродов пускателя, отчего биметаллическая пластинка, нагреваясь, изгибается и замыкается с жёстким электродом. Ток в общей цепи возрастает и разогревает электроды лампы. В следующий момент электроды пускателя остывают и размыкаются. Мгновенный разрыв цепи тока вызывает мгновенный пик напряжения на дросселе, что и вызывает зажигание лампы. Параллельно стартеру подключен миниатюрный конденсатор небольшой емкости, служащий для уменьшения создаваемых радиопомех. Кроме того, он оказывает влияние на характер переходных процессов в стартере так, что способствует зажиганию лампы. Конденсатор вместе с дросселем образует колебательный контур, который контролирует пиковое напряжение и длительность импульса зажигания (при отсутствии конденсатора во время размыкания электродов стартера возникает очень короткий импульс большой амплитуды, генерирующий кратковременный разряд в стартере, на поддержание которого расходуется большая часть энергии, накопленной в индуктивности контура). К моменту размыкания стартера электроды лампы уже достаточно разогреты. Разряд в лампе возникает сначала в среде аргона, а затем, после испарения ртути, приобретает вид ртутного. В процессе горения напряжение на лампе и пускателе составляет около половины сетевого за счёт падения напряжения на дросселе, что устраняет повторное срабатывание пускателя. В процессе зажигания лампы пускатель иногда срабатывает несколько раз подряд вследствие отклонений во взаимосвязанных между собой характеристиках пускателя и лампы. В некоторых случаях при изменении характеристик пускателя иили лампы возможно возникновение ситуации когда стартер начинает срабатывать циклически. Это вызывает характерный эффект когда лампа периодически вспыхивает и гаснет, при погасании лампы видно свечение катодов накаленных током протекающим через сработавший стартер.

Механизм запуска лампы с электронным балластом В отличие от электромагнитного балласта для работы электронного баласта зачастую не требуется отдельный специальный стартер т.к. такой балласт в общем случае способен сформировать необходимые последовательности напряжений сам. Существуют разные технологии запуска люминесцентных ламп электронными балластами. В наиболее типичном случае электронный балласт подогревает катоды ламп и прикладывает к катодам напряжение, достаточное для зажигания лампы, чаще всего — переменное и высокочастотное (что заодно устраняет мерцание лампы характерное для электромагнитных балластов). В зависимости от конструкции балласта и временных параметров последовательности запуска лампы такие балласты могут обеспечивать например плавный запуск лампы с постепенным нарастанием яркости до полной за несколько секунд или же мгновенное включение лампы. Часто встречаются комбинированные методы запуска когда лампа запускается не только за счет факта подогрева катодов лампы, но и за счет того что цепь в которую включена лампа является колебательным контуром. Параметры колебательного контура подбираются так, чтобы при отсутствии разряда в лампе в контуре возникает явление электрического резонанса, ведущее к значительному повышению напряжения между катодами лампы. Как правило это ведет и к росту тока подогрева катодов поскольку при такой схеме запуска спирали накала катодов нередко соединены последовательно через конденсатор, являясь частью колебательного контура. В результате за счет подогрева катодов и относительно высокого напряжения между катодами лампа легко зажигается. После зажигания лампы параметры колебательного контура изменяются, резонанс прекращается и напряжение в контуре значительно падает, сокращая ток накала катодов. Существуют вариации данной технологии. Например, в предельном случае балласт может вообще не подогревать катоды, вместо этого приложив достаточно высокое напряжение к катодам что неизбежно приведет к почти мгновенному зажиганию лампы за счет пробоя газа между катодами. По сути этот метод аналогичен технологиям применяемым для запуска ламп с холодным катодом (CCFL). Данный метод достаточно популярен у радиолюбителей поскольку позволяет запускать даже лампы с перегоревшими нитями накала катодов которые не могут быть запущены обычными методами из-за невозможности подогрева катодов. В частности этот метод нередко используется радиолюбителями для ремонта компактных энергосберегающих ламп, которые являются обычной люминесцентной лампой с встроенным электронным балластом в компактном корпусе. После небольшой переделки балласта такая лампа может еще долго служить невзирая на перегорание спиралей подогрева и ее срок службы будет ограничен только временем до полного распыления электродов.

Балласт от перегоревшей энергосберегающей лампы подключён к лампе Т5

Причины выхода из строя Электроды люминесцентной лампы представляют собой вольфрамовые нити, покрытые пастой (активной массой) из щелочноземельных металлов. Эта паста и обеспечивает стабильный тлеющий разряд, если бы ее не было, вольфрамовые нити очень скоро перегрелись бы и сгорели. В процессе работы она постепенно осыпается с электродов, выгорает, испаряется, особенно при частых пусках, когда некоторое время разряд происходит не по всей площади электрода, а на небольшом участке его поверхности, что приводит к перегреву электрода. Отсюда потемнение на концах лампы, часто наблюдаемое ближе к окончанию срока службы. Когда паста выгорит полностью, ток лампы начинает падать, а напряжение, соответственно, возрастать. Это приводит к тому, что начинает постоянно срабатывать стартер — отсюда всем известное мигание вышедших из строя ламп. Электроды лампы постоянно разогреваются и в конце концов одна из нитей перегорает, это происходит примерно через 2 — 3 дня, в зависимости от производителя лампы. После этого на минуту-две лампа горит без всяких мерцаний, но это последние минуты в ее жизни. В это время разряд происходит через остатки перегоревшего электрода, на котором уже нет пасты из щелочноземельных металлов, остался только вольфрам. Эти остатки вольфрамовой нити очень сильно разогреваются, из-за чего частично испаряются, либо осыпаются, после чего разряд начинает происходить за счет траверсы (это проволочка, к которой крепится вольфрамовая нить с активной массой), она частично оплавляется. После этого лампа вновь начинает мерцать. Если ее выключить, повторное зажигание будет невозможным. На этом все и закончится. Вышесказанное справедливо при использовании электромагнитных ПРА (балластов). Если же применяется электронный балласт, все произойдет несколько иначе. Постепенно выгорит активная масса электродов, после чего будет происходить все больший их разогрев, рано или поздно одна из нитей перегорит. Сразу же после этого лампа погаснет без мигания и мерцания за счет предусматривающей автоматическое отключение неисправной лампы конструкции электронного балласта.

Люминофоры и спектр излучаемого света Типичный спектр люминесцентной лампы.

Многие люди считают свет излучаемый люминесцентными лампами грубым и неприятным. Цвет предметов освещенных такими лампами может быть несколько искажён. Отчасти это происходит из-за синих и зеленых линий в спектре излучения газового разряда в парах ртути, отчасти из-за типа применяемого люминофора.

Во многих дешевых лампах применяется галофосфатный люминофор, который излучает в основном жёлтый и синий свет, в то время как красного и зелёного излучается меньше. Такая смесь цветов глазу кажется белым, однако при отражении от предметов свет может содержать неполный спектр, что воспринимается как искажение цвета. Однако такие лампы как правило имеют очень высокую световую отдачу.

В более дорогих лампах используется «трехполосный» и «пятиполосный» люминофор. Это позволяет добиться более равномерного распределения излучения по видимому спектру, что приводит к более натуральному воспроизведению света. Однако такие лампы как правило имеют более низкую световую отдачу.

Также существуют люминесцентные лампы, предназначенные для освещения помещений, в которых содержатся птицы. Спектр этих ламп содержит ближний ультрафиолет, что позволяет создать более комфортное для них освещение, приблизив его к естественному, так как птицы, в отличие от людей, имеют четырехкомпонентное зрение.

Варианты исполнения По стандартам лампы дневного света разделяются на колбные и компактные.

Колбные лампы Советская люминесцентная лампа мощностью 20 Вт («ЛБ-20»). Современный европейский аналог этой лампы — T8 18W

Представляют собой лампы в виде стеклянной трубки. Различаются по диаметру и по типу цоколя, имеют следующие обозначения:

T5 (диаметр 5/8 дюйма=1.59 см),

T8 (диаметр 8/8 дюйма=2.54 см),

T10 (диаметр 10/8 дюйма=3.17 см) и

T12 (диаметр 12/8 дюйма=3.80 см). Компактные лампы Универсальная лампа Osram для всех типов цоколей G24