Устройство, обозначение и основные характеристики электрических ламп накаливания

На долю ламп накаливания приходится более 30% светового потока всех ламп. В некоторых особых случаях, например, в медицине такие лампы незаменимы. Использование ламп накаливания во многих сферах деятельности человека объясняется простотой их устройства, надежностью эксплуатации, возможностью непосредственного включения в сеть, отработанностью технологии производства и дешевизной. Сказанным объясняется простота устройства и надежность эксплуатации систем освещения (облучения) и сигнализации с использованием простой и надежной аппаратуры управления. [3,6]

Несмотря на всё многообразие ламп накаливания, конструктивно они имеют почти одни и те же элементы. Главным элементом для получения видимого излучения (света) является вольфрамовая нить (тело накала), выполненная из проволоки круглого сечения. Для уменьшения распыления вольфрама при высокой температуре свечения (2300...2800°С) тело накала делают спиральным или биспиральным (спираль из спирали). Биспиральные лампы имеют меньшие габариты и больший КПД, чем спиральные, что позволяет использовать их в мало-габаритной осветительной арматуре. Используют также лампы с зигзагообразной спиралью, работающие в условиях сотрясений.

Наиболее распространенная конструкция лампы накаливания представлена на рис. 1.12. Тело накала 9 подвешивают на крючках 7 и при помощи двух электродов 10 электрически соединяют с цоколем 11 и контактом 12. Сами электроды 10 также состоят из двух частей, что позволяет при нагревании электродов и стекла исключить разрушение лампы.

Для защиты тела накала от окислительного действия кислорода воздуха его помещают в стеклянную колбу 8. Форма колбы у лампы накаливания может быть различной. Чаще всего используют грушевидную и грибообразную формы, реже свечеобразную, пальцеобразную (для люстр и настенных светильников - "бра"), шаровую, специальной конструкции ("лампа-люстра" и т.п.), цилиндрическую для линейных галогенных ламп и т.д.

Кроме прозрачных колб используют матированные (мт), "молочные" (м), опаловые (о) и различные цветные колбы (д, бл, ж, з, к и др.), назначение которых уменьшить слепящую яркость тела накала. Однако, в таких колбах может теряться до 20% светового потока.

В лампах некоторых типов предусматривают дополнительный отражатель света, выполненный в виде зеркального или диффузного напыления на внутренней поверхности колбы, а также отражатель теплоты из слюды или других материалов, устанавливаемый в узкой части колбы со стороны цоколя.

Для включения лампы в электрическую сеть (с помощью резьбовых и штифтовых патронов, контактных колодок, зажимов и устройств) на колбе лампы установлен цоколь, который в зависимости от условий эксплуатации может быть резьбовым (р), штифтовым (ш), цилиндрическим (ц), фиксирующим (ф), софитным (сф) и др. Наиболее распространены "нормальные" резьбовые цоколи Е-27 (диам. 27 мм) и увеличенные (при мощности более 300 Вт) - Е-40 (40 мм). Для декоративных колб распространен цоколь E-14 (14 мм).

Для освещения изготавливают лампы накаливания в вакуумном и газополном исполнении. У вакуумных ламп из колбы откачан воздух до разрежения 1,33•10^-3 Па. Такие лампы выпускают мощностью до 40 Вт. В обозначение лампы включена буква В (вакуумная).

У газополных ламп колбу после откачки воздуха наполняют инертным газом - смесью аргона, ксенона или криптона (86%) с азотом (14%) до давления, близкого к атмосферному. Такое решение позволяет при уменьшении распыления вольфрама повысить температуру тела накала до 2600... 2700°С и увеличить в сравнении с вакуумными лампами в полтора раза световую отдачу. Газополные лампы изготовляют мощностью от 40 до 1500 Вт, причем в зависимости от типа наполнителя и конструкции спирали их подразделяют на три группы: газополные моноспиральные Г (150...1500 Вт), газополные биспиральные Б (40...200 Вт) и газополные биспиральные с криптоновым наполнителем БК (40...100 Вт).

Работы ученых и конструкторов по снижению распыления вольфрама привели к появлению галогенных ламп КГ, у которых внутрь колбы вводят определенное количество йода. При температуре 300...1200 °С пары йода соединяются у стенки колбы с оторвавшимися от спирали частицами вольфрама и образуют йод- вольфрам. Перемещаясь затем к телу накала при температуре 1400...1600°С, молекулы йод-вольфрама распадаются, и атомы вольфрама оседают на теле накала. В результате галогенные лампы накаливания в сравнении с лампами общего назначения имеют большую световую отдачу. "Йодно-вольфрамовый цикл", препятствуя осаждению вольфрама на колбе, значительно повышает стабильность излучения лампы за период эксплуатации. Если у обычных ламп накаливания световой поток к концу службы снижается на 20%, то у галогенных ламп за вдвое больший срок это снижение не превышает 2%.

Галогенные лампы внешне отличаются от обычных ламп накаливания (см. рис. 1.13). Они имеют кварцевую цилиндрическую колбу малого объема, внутри которой вольфрамовая спираль закреплена на держателях. Длинное спиральное тело накала обусловливает работу галогенных ламп в горизонтальном положении.

Обычные линейные галогенные лампы накаливания обозначаются буквами КГ (кварцевая галогенная), инфракрасные галогенные лампы - буквами КГТ (термическая).

В сельскохозяйственном производстве используются галогенные лампы на мощность 1;1,5;2 и 5 кВт и напряжение 220 В для освещения высоких производственных помещений и открытых пространств. Их можно использовать и для инфракрасного обогрева.

Рис.1.13. Линейная галогенная лампа: 1-тело накала;
2-держатели; 3-колба; 4-контактный вывод

Инфракрасные негалогенные лампы имеют колбу, по внешнему виду напоминающую перевернутый гриб с внутренним зеркальным отражением. Колба может быть прозрачной или изготовленной из цветного стекла. Пример обозначения: ИКЗК – инфракрасная (ИК), зеркальная (З), с колбой красного цвета (К); ИКЗ – то же с колбой прозрачного стекла; ИКЗС - то же с колбой синего цвета.

Очень похожи на негалогенные инфракрасные лампы ИКЗ зеркальные лампы З. Как и галогенные лампы, они предназначены для освещения высоких помещений, декораций и открытых пространств. Выпускаются концентрированного светораспределения (ЗК), среднего (ЗС), широкого (ЗШ), зеркальные из ниодимового стекла концентрированного (ЗКН) или широкого светораспределения (ЗШН). Ниодимовые лампы используют там, где требуется высокое качество цветопередачи (телестудии, концертные залы).

Начат выпуск металлогалогенных зеркальных ламп-светильников МГ, внешне похожих на лампы З и ИКЗ, но имеющих металлический "конус". Они используются для освещения пыльных сухих и влажных производственных помещений, а также в комплексных осветительных устройствах специального назначения. Мощность - от 250 до 700 Вт при напряжении 220 и 380 В, срок службы - до 7500 ч.

Помимо наиболее распространенных обозначений, используются следующие обозначения ламп накаливания: МО - местного освещения, МОД - местного освещения диффузная, МОЗ - то же с зеркальным слоем и т.д.

Выпускается целый ряд ламп специального назначения: железнодорожные (Ж, ЖТ, ЖСК, ЖМТ); судовые (С), автомобильные (А, АМН, АС, ТН), самолетные (СМ), сигнальные (СГ), лампы-фары (ЛФ), кинопроекционные (К) и кинопрожекторные (КПЖ), миниатюрные (МН) и сверхминиатюрные (СМН), рудничные (Р), медицинские синие (МДС), для швейных машин (ПШ) и др.

Общее обозначение ламп накаливания: в начале обозначения идет буква, определяющая тип лампы; затем номинальное напряжение лампы или допустимый интервал напряжения питания (В); далее указывается электрическая мощность лампы (Вт); может быть указан номер разработки; последней непосредственно на изделии указывается дата выпуска.

Например, БКМТ 215-225-60 расшифровывается так: лампа накаливания биспиральная криптоновая (БК) в матированной колбе (МТ), интервал допустимого напряжения питания - 215…225 В, мощность 60 Вт. Интервал напряжения определяет и напряжение сети - 220 В. Еще пример обозначения: ИКЗК 215-225-500-1 - инфракрасная (ИК) зеркальная (З), колба красная (К), интервал напряжения питания 215...225 В (напряжение сети 220 В), мощность 500 Вт, номер разработки 1.

Примеры обозначения галогенных ламп: КГ 220-1000 - кварцевая галогенная (КГ), напряжением 220 В, мощностью 1000 Вт; КГТ 220-2000 - галогенная инфракрасная лампа (КГТ), напряжением 220 В, мощностью 2000 Вт. Обозначение ламп накаливания местного освещения МО 12-60 и МОЗ 36-100 расшифровывается следующим образом: местного освещения (МО), с зеркальным слоем (З), напряжением 12 и 36 В, мощностью 60 и 100 Вт.

Основными параметрами ламп накаливания принято считать номинальное напряжение в вольтах (В); номинальную мощность в ваттах (Вт), которую лампа потребляет из сети; световой поток Ф в люменах (лм); световую отдачу η_v в люменах на ватт (лм/Вт) и средний срок службы t в часах (ч).

Электрическими параметрами ламп являются напряжение и мощность. Номинальное напряжение - это напряжение, на которое рассчитана лампа, когда она потребляет расчетную номинальную мощность . Номинальное напряжение и мощность указывают на колбе или цоколе лампы. В зависимости от области применения лампы накаливания выпускают на напряжение от 1 до 380 В и мощность от долей ватта до 20 киловатт.

Лампы накаливания общего назначения рассчитаны на включение в сеть напряжением 127 и 220 В и выпускаются в соответствии с международной классификацией на номинальные напряжения 130, 220, 225, 235 и 240 В с интервалами напряжений питания 125...135, 215...225, 220...230, 230...240, 235...245 В.

Лампы накаливания местного освещения МО и др. выпускаются для включения под напряжения 12, 24, 36 и 42 В с "нормальным" цоколем Е-27 и другими типами цоколей.

Светотехническими параметрами ламп накаливания являются световой поток и световая отдача. Последнюю, поскольку она определяет и экономический показатель работы лампы, относят также к эксплуатационным показателям. К эксплуатационным показателям относится и срок службы лампы.

Обладая высоким энергетическим КПД ( =14%), лампы накаливания имеют сравнительно низкий световой КПД, не превышающий 3,5%. У галогенных ламп этот показатель в последнее время доведен до 4%. Теоретически световой КПД ламп накаливания может составить около 6%, поскольку вольфрам при плавлении может обеспечить световой КПД только на 8,1% [3].

Световой поток лампы накаливания Ф_v зависит от электрической мощности Р, питающего напряжения U и температуры тела накала Т. Отклонение нормируемого в первые часы работы светового потока у различных ламп не должно превышать 5...10%. В процессе эксплуатации из-за распыления тела накала, уменьшения его рабочей температуры и снижения прозрачности колбы для ламп, проработавших 75% своего номинального срока, допускают уменьшение светового потока на 15...20%. Величина светового потока ламп накаливания различных типов мощностью от 40 до 1000 Вт находится в пределах от 400 до 20000 лм.

Световая отдача лампы h_v, лм/Вт, определяется отношением светового потока Ф_v, излучаемого лампой, к потребляемой ею мощности Р (см. выражение 1.14).

Световая отдача различных ламп накаливания находится в пределах 7...28 лм/Вт. В табл. 1.4 приведены параметры ламп накаливания некоторых типов.

Таблица 1.4 - Лампы накаливания общего назначения

Примечание: ОН - общего назначения; ПО - для прожекторного освещения; ИКО - для инфракрасного облучения.

Анализируя табл. 1.4, можно сказать, что световая отдача лампы Б 125-135-40 составляет 12,1 лм/Вт, а лампы такой же мощности Б 215-225-40 - 10,3 лм/Вт. У лампы Б 215-225-100 световая отдача 13,5 лм/Вт, т.е. больше, чем у лампы такого же типа, но мощностью 40 Вт. В обоих случаях большему диаметру тела накала соответствует более высокая световая отдача при равном сроке службы.

У инфракрасных ламп (ИКЗ, ИКЗК, КГТ) температура тела накала меньше, чем у обычных осветительных. Это позволяет в 6...10 раз увеличить срок их службы при инфракрасном КПД около 80%.

Исследования показывают, что световая отдача зависит не только от конструкции тела накала, но и от газового состава в колбе. При равной мощности и номинальном напряжении световая отдача криптоновых ламп выше, чем аргоновых.

Следует отметить, что в видимой части спектра у ламп накаливания преобладают оранжево-красные излучения с длинами волн = 600...780 нм. Синих излучений с длинами волн l = 380...450 нм в 10 раз меньше. Такой спектральный состав не обеспечивает правильной цветопередачи. В целом спектр излучения ламп накаливания считают неудовлетворительным для освещения, особенно при фотографировании и киносъемке.

Все показатели работы ламп накаливания зависят от отклонения напряжения сети , с которым связаны изменения температуры тела накала. Больше всего эти изменения температуры влияют на срок службы ламп.

Средняя продолжительность горения ламп накаливания установлена в 1000 ч (гарантированный срок службы каждой лампы - 700 ч). Полезный срок службы галогенных ламп - 2000 ч. Срок службы инфракрасных ламп составляет 6000...10000 ч.

При отклонениях напряжения сети на 5% от номинального продолжительность горения ламп накаливания общего назначения изменяется в 2 раза. Изменение напряжения лишь на 1% вызывает изменение светового потока в среднем на 3,2%, а световой отдачи - на 1,9%.

На рис. 1.14 приведена зависимость силы тока I, мощности Р, светового потока Ф, световой отдачи h и средней продолжительности горения t ламп накаливания от подводимого напряжения.

Рис. 1.14. Зависимость основных показателей работы ламп накаливания

от подводимомого напряжения

Лампы накаливания включают в электрическую сеть между фазным и нулевым проводами (рис.1.15). К центральному контакту патрона подключается фазный провод, а к боковой резьбе - нулевой. Выключатель S1 устанавливается в рассечку фазного провода (рис.1.15а). Для включения группы ламп, например, для освещения коридора, может быть использована схема управления из двух мест (рис. 1.15б) с переключателями S1 и S2. Схема включения люстры предполагает применение сдвоенного выключателя (рис. 1.15в), а при большой мощности ламп - двух отдельных выключателей S1 и S2.

На рис.1.16 показана схема соединений в ответвительной коробке К с присоединением электрического ввода, состоящего из фазного провода L1, рабочего N и защитного Pe нулевых проводов; электрического патрона лампы накаливания и розетки с заземляющим контактом ШР. Соединения концов должны быть выполнены скруткой с последующей пропайкой или сваркой. При наличии контактной колодки соединения выполняются с помощью винтов с шайбами.

При монтаже выключателей следует обращать внимание на то, чтобы включение осветительных приборов производилось нажатием на верхнюю часть клавиши или верхнюю кнопку выключателя.