Ла?мпочка
або
ла?мпа розжа?рювання
[2]
[3]
? осв?тлювальний прилад, в якому
св?тло
випром?ню?ться тугоплавким
пров?дником
, нагр?тим
електричним струмом
до розжарення
[4]
.
Лампа розжарювання 220
В
, 60
Вт
, 720
лм
, цоколь
E27
, висота приблизно 110 мм
У ламп? розжарювання використову?ться ефект нагр?вання
пров?дника
(
нитки розжарення
) при прот?канн? через нього електричного струму.
Температура
вольфрамово?
нитки розжарення р?зко зроста? п?сля ув?мкнення струму. Нитка випром?ню?
електромагн?тне випром?нювання
в?дпов?дно до
закону Планка
. Функц?я Планка ма? найвище значення, положення якого на шкал? довжин хвиль залежить в?д температури. Це найвище значення зм?ню?ться з п?двищенням температури у б?к менших довжин хвиль (
закон зм?щення В?на
). Для отримання видимого випром?нювання необх?дно, щоб температура була порядку дек?лькох тисяч градус?в, в ?деал? 6000
K
(температура поверхн? Сонця). Чим менша температура, тим менша частка видимого св?тла ? тим б?льше ≪червоним≫ зда?ться випром?нювання. Частину спожито? електрично? енерг?? лампа розжарення перетворю? у випром?нювання, частину ? на вид?лення тепла. Лише мала частка випром?нювання лежить в област? видимого св?тла, основна частка припада? на ?нфрачервоне випром?нювання. Для п?двищення
ККД
лампи та отримання ≪найб?л?шого≫ св?тла необх?дно п?двищувати температуру нитки розжарювання, яка у свою чергу обмежена властивостями матер?алу нитки ? температурою плавлення. ?деальна температура 6000 K недосяжна, оск?льки при так?й температур? будь-який матер?ал плавиться, руйну?ться ? переста? проводити електричний струм. У сучасних лампах розжарювання застосовують матер?али з найвищими температурами плавлення ?
вольфрам
(3410 °C) ?, дуже р?дко,
осм?й
(3045 °C).
При практично досяжних температурах 2300?2900 °C випром?ню?ться далеко не б?ле ? не денне св?тло. Лампи розжарювання випускають св?тло, яке зда?ться б?льш ≪жовто-червоним≫, н?ж денне св?тло. Для характеристики якост? св?тла використову?ться так звана
кол?рна температура
. У звичайному пов?тр? за таких температур вольфрам митт?во перетворився б на оксид. З ц??? причини вольфрамова нитка захищена скляною колбою, заповненою нейтральним газом (зазвичай
аргоном
). Перш? лампочки робилися з вакуумованими колбами. Проте у
вакуум?
при високих температурах вольфрам швидко випарову?ться, роблячи нитку тоншою ? затемнюючи скляну колбу осадом. П?зн?ше колбу стали заповнювати х?м?чно нейтральними газами. Вакуумн? колби зараз використовують лише для ламп мало? потужност?.
Частка електрично? енерг??, яка перетворю?ться на св?тло, тим б?льша, чим б?льша температура розжарення сп?рал? у ламп?. ? дв? причини, як? заважають п?двищувати температуру:
- випаровування вольфраму, унасл?док якого чорн?? скляний балон ? потоншу?ться нитка розжарення;
- повзуч?сть нитки п?д д??ю сили ваги, магн?тних та електростатичних сил.
Щоб зменшити випаровування вольфраму, до балону додають композиц?йний газ (наприклад
аргон
з дом?шкою галогену йоду).
Пара йоду реагу? з парою вольфраму та конденсатом вольфраму. Сполука потрапля? на розжарену сп?раль, розклада?ться. Вольфрам ос?да? на др?т, в?дновлюючи його д?аметр до початково? величини ? знову почина?ться д?я йоду.
Щоб зменшити повзуч?сть нитки, до вольфраму вводять частинки двоокису
тор?ю
. Вони блокують рух дислокац?й за площинами ковзання, а також ускладнюють поширення м?кротр?щин. Тому сп?раль ста? менш крихкою. Довгов?чн?сть лампи зроста? в 2?3 рази, теплов?ддача ? на 20?30%. Економ?я в межах Укра?ни ? 50?100 млн грн
[
джерело?
]
.
Лампа розжарення склада?ться з цоколя, контактних пров?дник?в, нитки розжарення, запоб?жника та скляно? колби, яка захища? нитку розжарення в?д навколишнього середовища.
|
- Скляна колба
- Вакуум або ?нертний газ
- Нитка розжарення
- Контактний пров?д (з'?дну?ться з н?жкою)
- Контактний пров?д (з'?дну?ться з цоколем)
- Тримач?
- Скляна н?жка (лопатка)
- Вив?д контакту на цоколь
- Цоколь лампи
- ?золяц?йний матер?ал
- Контактний носик
|
Скляна колба захища? нитку в?д згорання у навколишньому пов?тр?. Розм?ри колби визначаються швидк?стю ос?дання матер?алу нитки. Для ламп б?льшо? потужност? потр?бн? колби б?льшого розм?ру, для того, щоб матер?ал нитки, який ос?да?, розпод?лявся на велику площу ? не робив сильного впливу на прозор?сть.
Колби перших ламп були вакуумован?. Сучасн? лампи заповнюються ?нертним газом (окр?м ламп мало? потужност?, як? як ? ран?ше роблять вакуумними). Це зменшу? швидк?сть випаровування матер?алу нитки, яке виника? при цьому. Втрати тепла за рахунок теплопров?дност? зменшують шляхом вибору газу до складу якого входять
молекули
з великими значеннями молекулярно? маси. Сум?ш азоту з
аргоном
? прийнятим компром?сом у сенс? зменшення соб?вартост?. Дорожч? лампи м?стять
криптон
чи
ксенон
(
атомн? маси
:
азот
: 28,0134
г
/
моль
;
аргон
: 39,948
г
/
моль
;
криптон
: 83,798
г
/
моль
;
ксенон
: 131,293
г
/
моль
).
Подв?йна сп?раль
Лампи розжарення (Osram 200 Вт) з контактними пров?дниками ? п?дтримувачами нитки
Гор?ння вольфрамово? нитки на пов?тр? з утворенням оксиду вольфраму при розгерметизац?? колби лампи. При в?дносно ц?л?й колб?, але при наявному в н?й пов?тр? лампа раптово ста? матовою, з жовтуватим в?дт?нком.
Розгерметизац?я лампи розжарення
Нитка розжарення у перших лампочках робилася з
вуг?лля
(точка
субл?мац??
3559 °C). В сучасних лампочках застосовуються майже виключно
сп?рал?
з осм??во-вольфрамового
сплаву
. Др?т часто ма? вигляд подв?йно? сп?рал?, з метою зменшення конвекц?? за рахунок зменшення
ленгмюр?вського шару
. Лампи виготовляють для р?зних робочих
напруг
.
Сила струму
визнача?ться за
законом Ома
(
) ?
Потужн?сть
за формулою
, або
. При потужност? 60
Вт
? робоч?й напруз? 220
В
через лампочку повинен прот?кати струм 0,26
А
, тобто оп?р нитки розжарення повинен становити 882
Ом
. Для досягнення такого опору необх?дно використовувати довгий та тонкий др?т, оск?льки
метали
характеризуються малими значеннями
питомого опору
. Товщина дроту у звичайних лампочках становить 40?50
м?крон
. При к?мнатн?й температур? оп?р нитки розжарення набагато менший робочого опору. Тому, безпосередньо при ув?мкненн?, прот?ка? електричний струм, що у два-три рази б?льше робочого струму. У м?ру нагр?вання нитки ?? оп?р зроста?, а струм зменшу?ться. На в?дм?ну в?д сучасних ламп, ранн? лампи розжарення з вуг?льними нитками при ув?мкненн? працювали за зворотним принципом ? при нагр?ванн? ?х оп?р зменшувався, ? св?т?ння потроху наростало. У миготливих лампочках посл?довно з ниткою розжарювання вбудову?ться
б?металевий
перемикач. За рахунок цього так? лампочки самост?йно працюють в миготливому режим?.
Враховуючи високу робочу температуру ламп розжарення, у холодному стан? оп?р нитки розжарювання пом?тно нижчий в?д робочого, що часто ста? причиною раптового перегорання нитки розжарювання в момент включення лампи, особливо, коли на момент включення напруга струму сяга? максимального значення синусо?ди
зм?нного струму
.
Приблизний оп?р нитки розжарення ламп розжарення на 220/230В ?з цоколем
E27
:
| Вт
|
Ом
|
| 25
|
136
|
| 40
|
102
|
| 60
|
65
|
| 100
|
37
|
Форма цоколя з р?зьбою звичайно? лампи розжарення була запропонована
Томасом Ед?соном
. Розм?ри цокол?в стандартизован?. У ламп побутового застосування найпоширен?ш?
цокол? Ед?сона
E14 (
м?ньйон
),
E27
та
E40
. Також зустр?чаються цокол? без р?зьби.
Перегоряння лампи в?дбува?ться п?д час ?? роботи, тобто в той час, коли одночасно нитка розжарення нагр?та ? через нитку прот?ка? електричний струм. Якщо в цей час в?дбува?ться розрив нитки, то м?ж розведеними к?нцями нитки зазвичай спалаху?
електрична дуга
. У побут? це можна в?дм?тити за яскравим синювато-б?лим спалахом у момент перегоряння лампи. Оск?льки нитка, як правило, ? в?дносно тонким дротом, з?гнутим у сп?раль, то
електричний оп?р
в нитц? може бути б?льшим, ан?ж оп?р йон?зованого газу в дуз?. Тому к?нц? дуги починають розходитись в?д м?сця розриву нитки, а
сила струму
в ланцюз? зроста?.
При подальшому розвитку цього процесу дуга може зажевр?ти вже м?ж утримувачами нитки, оп?р яких в?дносно малий, унасл?док чого сила струму в ланцюз?, який живиться, може набагато перевищити допустим? меж?, що приведе або до спрацьовування
запоб?жник?в
у ланцюз?,
автоматичного вимикача
або до розплавлення дрот?в та, можливо, спровоку?
пожежу
.
Для того, щоб роз?мкнути ланцюг при спалаху дуги ? не допустити перевантаження ланцюга, у конструкц?? лампи передбачений плавкий запоб?жник. В?н ? частиною тонкого дроту ? розташований у цокол? лампи розжарення. Для побутових ламп з ном?нальною напругою 220
В
так? запоб?жники зазвичай розрахован? на струм в 6
А
.
За статистикою б?льш?сть ламп розжарювання виходять ?з ладу в момент ув?мкнення внасл?док стрибка струму. Зменшення напруги живлення ламп на 10% (наприклад, за допомогою
д?мер?в
або
автотрансформатор?в
) зб?льшу? терм?н ?х використання у 10 раз?в. Бажано використовувати системи плавного старту, як? поступово зб?льшують напругу на ламп? п?д час запуску.
Р?зновиди ламп розжарювання
[
ред.
|
ред. код
]
Лампи розжарювання под?ляються на (розташован? у порядку зростання ефективност?):
- Вакуумн?
- Аргонов?
- Криптонов? (приблизно на 10% яскрав?ш? за аргонов?)
- Ксенонов? (в 2 рази яскрав?ш? за аргонов?)
- Галогенн? (наповнювач I або Br, в 2,5 рази яскрав?ш? за аргонов?, великий терм?н служби, не люблять недонакалу, так як не мають галогенного циклу)
- Галогенн? з двома колбами (ефективн?ший галогенний цикл за рахунок кращого нагр?ву внутр?шньо? колби)
- Ксенон-галогенн? (наповнювач Xe + I або Br, найб?льш ефективний наповнювач, до 3-х раз?в яскрав?ше за аргонов?)
- Ксенон-галогенн? з в?дбивачем
?Ч
випром?нювання (так як б?льша частина випром?нювання лампи припада? на IX д?апазон, то в?дображення ?Ч випром?нювання всередину лампи пом?тно п?двищу? ККД, виробляються для мисливських л?хтар?в)
- Лампи розжарювання з покриттям, що перетворю? ?Ч випром?нювання у видимий д?апазон. Проводяться розробки ламп з високотемпературним
люм?нофором
, який при нагр?ванн? випром?ню? видимий спектр.
Переваги ? недол?ки ламп розжарювання
[
ред.
|
ред. код
]
Пор?вняння осв?тленост? за потужн?стю
120-вольтових ламп
|
Потужн?сть
Вт
|
Св?тловий пот?к
лм
|
Ефективн?сть
lm/W
|
| 15
|
110
|
7,3
|
| 25
|
200
|
8,0
|
| 35
|
350
|
10,3
|
| 40
|
500
|
12,5
|
| 50
|
700
|
13,5
|
| 55
|
800
|
14,2
|
| 60
|
850
|
14,5
|
| 65
|
1000
|
15,0
|
| 70
|
1100
|
15,7
|
| 75
|
1200
|
16,0
|
| 90
|
1450
|
16,1
|
| 95
|
1600
|
16,8
|
| 100
|
1700
|
17,0
|
| 135
|
2350
|
17,4
|
| 150
|
2850
|
19,0
|
| 200
|
3900
|
19,5
|
| 300
|
6200
|
20,7
|
Спектр випром?нювання: безперервний 60-ватно? лампи розжарювання (вгор?) ? л?н?йчастий 11-ватно? компактно?
люм?несцентно?
лампи (внизу)
- високий ?ндекс передач? кольору, Ra 100
- безперервний спектр випром?нювання
- низька ц?на
- в?дсутн?сть пускорегулювально? апаратури
- нечутлив?сть до ?он?зуючо? рад?ац??
- чисто активний електричний оп?р (одиничний
коеф?ц??нт потужност?
)
- невисока чутлив?сть до збо?в в живленн? ? стрибк?в напруги
- в?дсутн?сть токсичних компонент?в ? як насл?док в?дсутн?сть необх?дност? в ?нфраструктур? по збору та утил?зац??
- можлив?сть роботи на будь-якому вид? струму
- можлив?сть виготовлення ламп на р?зн? напруги (в?д долей до сотень вольт)
- ст?йк?сть до електромагн?тного ?мпульсу
- низька св?тлова в?ддача
- в?дносно малий терм?н служби
- крихк?сть, чутлив?сть до удару ? в?брац??
- р?зка залежн?сть св?тлово? в?ддач? ? терм?ну служби в?д напруги
- кидок струму при ув?мкненн? (приблизно десятикратний)
- при термоудар? або розрив? нитки п?д напругою можливий вибух балону
- лампи розжарювання представляють пожежну небезпеку. Через 30 хвилин п?сля ув?мкнення температура зовн?шньо? поверхн? тако? лампи досяга?, залежно в?д потужност?, таких величин:
- 25 Вт ? 100 °C
- 40 Вт ? 145 °C
- 75 Вт ? 250 °C
- 100 Вт ? 290 °C
- 200 Вт ? 330 °C
При з?ткненн? ламп з текстильними матер?алами ?х колба нагр?ва?ться ще сильн?ше. Солома, яка торка?ться поверхн? лампи потужн?стю 60 Вт, спалаху? приблизно через 67 хвилин.
[5]
- нагр?вання частин лампи вимага? термост?йко? арматури св?тильник?в
- св?тловий коеф?ц??нт корисно? д?? ламп розжарювання, який визнача?ться в?дношенням потужност? промен?в видимого спектра до потужност?, що спожива?ться в?д електромереж?, досить малий ? не перевищу? 4%. Ув?мкнення електролампи через
д?од
, що часто використову?ться з метою продовження ресурсу на сходових площадках, в тамбурах та ?нших м?сцях з ускладненою зам?ною, ще б?льше посилю? недол?к ламп: значно зменшу?ться ККД, а також з'явля?ться значне мерехт?ння св?тла.
- A. Zukauskas, M.S. Shur and R. Caska
, Introduction to solid-state lighting, John Willey & Sohn, 2002
- K. Bando
, Symp. Proc. Of the 8th Int. Symp. on the Sci. & Tech. of Light Sources 1998, 80