Устройство ламп накаливания

Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от их назначения. Однако общими являются (рис.1): 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4 - крючки-держатели тела накала; 5 – штабик, являющийся частью ножки; ножка состоит из тарелочки 9, токовых вводов (электродов) 6 и откачной трубки 10, называемой штенгелем.Между тарелочкой и штабиком находится лопатка 7 из платинита 8, которая соединяет нижнюю часть токовых вводов (обычно из меди) и верхнюю – из меди в вакуумных и из никеля в газонаполненных.

Один из токовых вводов 11 припаян к центральному контакту 14, который изолирован от цоколя 13, а второй 12 – к цоколю через плавкий предохранитель. Цоколь прикреплен к горловине лампы с помощью цоколевочной мастики.

Платинит представляет собой проволоку из биметалла, сердечник которого состоит из никелевой стали, а оболочка из меди. Он имеет коэффициент расширения близкий стеклу платинитовой группы (температурный

коэффициент линейного расширения (ТКЛР) лежит в пределах от 87 до 97*10 ^-7 1/К) и после специальной обработки внешней поверхности (борирование) хорошо смачивается стеклом.

Тело накала у современных ЛН изготавливается из вольфрамовой нити, которая свивается в спираль или биспираль. Толщина нити в обычных лампочках составляет 40—50 микрон. Переход на спиральное тело накала в лампах накаливания стал возможен благодаря появлению формоустойчивого вольфрама с кремнещелочной присадкой. Конструкции тел накала: а) проек-ционные –высоковольтные, б) низковольтные; г) равнояркого диска.

Основными геометрическими параметрами, характеризующими спираль, являются диаметры нити d_H, керна d_{К ,} шаг S и длина L, а также коэффициент шага k_ш и коэффициент спирали k_с: k_ш = s/ d_H ; k_с = d_к / d_H.

В спирали происходит уменьше-ние излучения ТН вследствие его экранирования витками спирали.

Энергетический поток, излучаемый спиралью: Ф_е.сп = δ Ф_е.н, где δ- коэффициент излучения, <1 и зависящий от k_{с ;} Ф_е.н - энергетический поток, излучаемой нитью, из которой свита спираль. В видимой области спектра наблюдается уменьшение световой отдачи спирали и характеризуется коэффициентом видимого излучения спирали:

где Ф_н - световой поток, излучаемой нитью, из которой свита спираль; где Ф_сп - световой поток, излучаемой спиралью.

Приблизительно коэффициент видимого излучения спирали определяется соотношением

Газопоглотители. В процессе работы лампы из ее элементов конструкции может происходить выделение различных остаточных газов. Наиболее вредными являются пары воды, которые взаимодействуют с раскаленным телом накала, образуют водород и вызывают почернение стенок колбы. Этот процесс называется водяным циклом Ленгмюра и происходит по схеме

Вблизи тела накала реакция идет вправо, то есть разложение воды и окисление вольфрама и, соответственно, разрушение тела накала, а на поверхности колбы реакция идет влево, то есть происходит восстановление вольфрама, который оседает на поверхности колбы, и образование воды. Поэтому для связывания активных газов в ЛН применяются различные газопоглотители. В вакуумных лампах газопоглотители улучшают вакуум, в газонаполненных – поглощают вредные примеси, занесенные с наполняю-щим газом, а также газы, выделяющиеся из деталей в процессе работы ламп. Газопоглотители подразделяются на испаряющиеся (красный фосфор, углекислый барий и др.) и неиспаряющиеся (металлический цирконий, титан, алюминий и др.).

Испарение вольфрама. Увеличение световой отдачи ЛН возможно за счет повышения температуры тела накала. Но увеличение температуры ТН приводит к резкому росту скорости испарения атомов вольфрама. Скоростью испарения называют количество вещества, испаряющегося с 1 кв. м поверх-ности за 1 с:

где: q – масса вещества, испаряющегося за время t с поверхности S.

В интервале температуры 2400-2600 К, характерном для вакуумных ламп накаливания, повышение температуры нити на 1% приводит к удвоению скорости испарения вольфрама.

Основная технологическая трудность состоит в изготовлении вольфрамовых нити строго постоянного диаметра и однородного удельного сопротивления.

Буферный газ.Увеличение световой отдачи ЛН возможно за счет повыше-ния температуры тела накала. Но увеличение температуры ТН приводит к резкому росту скорости испарения атомов вольфрама. Для уменьшения скорости испарения ТН современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Возникающие при этом, за счёт теплопроводности и конвекции, потери тепла уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Теплопроводность осуществляется через застойный (стационарный) слой, возникающий вокруг ТН. Толщина застойного слоя слабо растет с диаметром ТН и с увеличением его температуры и уменьшается при увеличении давления газа и с ростом его молекулярной массы. По мере удаления от ТН температура и вязкость газа уменьшаются и возрастает роль конвекции в отводе тепла.

Цоколь. Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Эдисоном. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи E14 (миньон), E27 и Е40. Также встречаются цоколи без резьбы.

Классифиация и обозначение ламп накаливания. Лампы накаливания делятся на две большие группы: лампы общего назначения и специального назначения. Лампы общего назначения— это те, которые используются в быту, для освещения административных и промышленных помещений, улиц и т.п. Лампы общего назначения изготавливаются на напряжение 127 и 220В (для местного освещения—на12 или 36В) мощностью от 15 до1000Вт. Все такие лампы снабжены резьбовыми цоколями Е14, Е27 или Е40. С цоколями Е14 выпускаются лампы мощностью до 60Вт, с цоколями Е40 мощностью от 300Вт и более, с цоколем Е27—от15 до 200Вт. Лампы мощностью 15 и 25Вт делаются вакуумными, большей мощности—газополными.

Для установи в многоламповые люстры или в бытовые светильники различного назначения делают лампы со свечеобразной, пламяобразной, цилиндрической и другими формами колб.

1.2 Принцип действия

Принцип действия осветительных ламп накаливания основан на испускании электромагнитных волн за счет внутренней энергии раскаленного тела.

Теоретические основы теплового излучения создал М.Планк в 1900 году. Используя статистические методы и представления о квантовом характере теплового излучения, он вывел формулу спектральной плотности энергетической светимости для абсолютно черного тела.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела, численно равная площади под распределением r(λ, Т)

Тело накала можно принять за серое тело с коэффициентом поглощения α(Т), тогда его энергетическая светимость

Максимум спектральной плотности энергетической светимости определяется законом смещения Вина

где

На рисунке 1 показаны распределения r(λ,Т) для разных температур; пунктирные линии указывают границы видимого участка спектра (380-760 нм). Из графиков следует: 1) с повышением температуры максимум спектральной плотности энергетической светимости смещается в область коротких длин волн, в соответствии с законом смещения Вина; 2) с повышением температуры увеличивается энергетическая светимость абсолютно черного тела; 3) с повышением температуры увеличивается энергетическая светимость в видимой части спектра; 4) энергетическая светимость тела накала для, например, Т=3500К меньше чем у черного тела в α раз; 5) максимум r(λ,Т)тела накала при Т=3500К находиться в коротковол-новой инфракрасной области; 6) световой поток, излучаемый площадью S тела накала, равен