Устройство и принцип действия лампы накаливания
Первую электрическую лампу накаливания (или лампа Лодыгина) для освещения изобрел русский электротехник Лодыгин Александр Николаевич (1847-1923 гг.) в 1872 году. Он также в 1890 году изобрел первую электрическую лампу накаливания с вольфрамовой нитью, по сути прототип современной лампочки. Американский изобретатель Томас Эдисон (1847-1931 гг.) в 1879 году усовершенствовал лампу накаливания Лодыгина — угольный стержень заменил нитью бамбука и также усовершенствовал способ откачки воздуха из колбы лампы. В 1913 году американский физико-химик Ленгмюр Ирвинг (1881-1957 гг.) предложил наполнять лампы накаливания инертным газом, что повысило температуру и яркость свечения накала лампы (температура накала более 3000 0C).
Почему спираль лампы накаливания изготавливают из вольфрама?
Потому что температура нити лампы накала достигает высоких температур более 2400 0C, такую температуру может выдержать только тугоплавкий металл, то есть вольфрам (температура плавления вольфрама 3387
Устройство лампы накаливания
Стеклянная колба, нить накаливания (вольфрамовая реже осмиевая однородная в виде спирали тонкая нить), вакуум (или инертный газ), держатели нити накаливания (изготавливаются из молибдена), электроды, штенгель, цоколь, изолятор цоколя, токовводы, плавкий предохранитель, отверстие (трубка) для выкачивания воздуха.
Принцип действия современной лампы накаливания
При пропускании тока через вольфрамовую нить лампы накаливания, нить раскаляется до высокой температуры и дает свет. Воздух из стеклянной колбы откачивается, создается вакуум или наполняется инертным газом (аргон, криптон, азот, ксенон). Коэффициент расширения стекла и внутренней проволоки, находящийся внутри стекла должен быть одинаков, в целях предупреждения растрескивания стекла. Температура накала лампы составляет около 2400 
Таблица температура лампочки накаливания после получаса работы в зависимости от мощности.
| Мощность, Вт | Температура лампочки после получаса работы, 0С |
| 25 | 100 |
| 40 | 145 |
| 75 | 250 |
| 100 | 290 |
| 200 | 330 |
Как работает лампа накаливания
Ранее мы уже рассказывали вам об истории создания ламп накаливания и основных принципах её работы. В этой статье мы подробнее остановимся на устройстве этого светового прибора, узнаем какие виды ламп представлены сегодня на рынке и детально разберем принцип генерации света.Содержание статьи:
Устройство лампы накаливания
В данном приборе освещения всего 8 составных деталей и про каждый мы расскажем подробно:
-
Колба лампы. Чаще всего используется обычное стекло, главная функция заключается в защите внутренних деталей от внешнего воздействия. Внутри искусственно создается вакуум или заполняется инертными газами, которые не подвержены нагреванию.
-
Металлическое основание с резьбой — это цоколь. Систему «цоколь-патрон» еще в XIV веке придумал Томас Эдисон.
Нить накала — та самая часть лампы, которая при нагревании излучает свет.
-
Для крепления нити используются два специальных крючка.
-
Крючки, в свою очередь, крепятся к двум электродам.
-
Электроды держатся на штенгеле — своего рода ножка, которая вставлена в цоколь. На ней, внутри стеклянной колбы, и держится все это устройство.
Конечно, сегодня на рынке электротехнических товаров представлены и различные модификации ламп накаливания, с измененным цоколем, без держателей, с колбой не из обычного стекла, а из матового для более мягкого рассеивания света, но так или иначе они все используют один принцип работы.
Принцип работы ламп накаливания
Электрический ток проходит через цоколь и все остальные элементы, достигая нити накала из вольфрама. Использование этого металла обусловлено тем, что из тугоплавких токопроводящих материалов он самый дешевый. А из-за созданного внутри колбы вакуума, нить может гореть очень долгое время.
Длина и толщина самой нити напрямую влияет на мощность изделия. Чем длиннее и шире вольфрамовая нить, тем ярче светит лампа.
Виды ламп накаливания
Есть несколько основных видов ламп накаливания, которые все мы видим каждый день вокруг себя. Они отличаются только формой колбы, ее покрытием и наполнением, а также назначением.
-
Лампы могут быть в форме шара, цилиндра или трубки. Это никак не влияет на качество изделия, все зависит от светильника, в который вам нужно вставить лампу, а также общего дизайна интерьера.
-
Основные виды покрытия — прозрачные (обычное стекло), матовые и зеркальные. Классическое покрытие отлично подойдет для бытовых нужд, в то время как зеркальные наоборот, создают некий акцент, поэтому хорошо подойдут для витрин магазинов и других дизайн-решений, а матовые, как мы уже сказали ранее, повышают мягкость рассеивания света.
Экс Строй — Электрик :: Статьи по электрике
Устройство ламп. Электрические лампы накаливания представляют собой источники света, работающие по принципу температурного излучения. Они являются наиболее распространёнными источниками электрического света. В качестве нити накала в современных лампах используют спираль из тугоплавкого металла – чаще всего из вольфрама.
Световым КПД источника света называют отношение мощности, которая превращает в видимые и воспроизводимые глазом лучи, к мощности, расходуемой на полный диапазон излучения. Световой КПД электрических ламп накаливания не превышает 3 – 3,5%. Промышленность выпускает различные типы ламп, отличающиеся размерами, формой колб, материалом цоколей и т. д.
Основные параметры ламп накаливания: номинальное напряжение, номинальная мощность, которую лампа потребляет от сети, световой поток, световая отдача и средний срок службы. Ниже охарактеризованы некоторые из них.
Номинальное напряжение – это напряжение, на которое рассчитана лампа и при котором она потребляет из сети расчётную номинальную мощность.
Срок службы, или нормированная продолжительность горения лампы накаливания – это расчётное время горения электро лампы при заданном напряжении до выхода её из строя.
Так как температура нити зависит от фактически подводимого напряжения, то с изменением напряжения резко меняются все характеристики лампы. Срок службы лампы накаливания существенно сокращается при использовании её на напряжении большем номинального. Снижение же напряжения приводит к резкому снижению светового потока.
Номинальная световая отдача – величина, которая характеризует экономичность электрической лампы. Она в значительной мере зависит от значения подводимого к лампе напряжения. Световая отдача ламп одинаковой мощности, но выполненных на разные номинальные напряжения, изменяется в сторону увеличения для ламп с меньшим номинальным напряжением. Это обусловлено тем, что у ламп накаливания одинаковой мощности нить накала имеет тем большую площадь поверхности излучения, чем меньше напряжение (нить накала толще при меньшем напряжении).
Цоколи и патроны. Электрический контакт и механическая связь лампы с патроном осуществляется через цоколь. Обычно для электро ламп применяют резьбовые и штырьковые или штифтовые цоколи. Металлические части цоколей выполняют из латуни или стали с антикоррозийным покрытием. Патроны для электрических ламп накаливания подразделяются так же на две основные группы: резьбовые и штифтовые. Патроны резьбовые выполняют с резьбовыми гильзами Е-14, Е-27, Е-40, где цифра означает диаметр в мм. По форме исполнения патроны подразделяются на патроны для навинчивания на ниппель, патроны с фланцем и патроны для подвеса. Изготовляются они из цветных металлов, стали, фарфора и пластмасс.
Продление срока службы ламп. В холодной лампе у нити накала ток включения в 12 – 16 раз больше номинального. В спирали нити накаливания возникают динамические перегрузки, витки спирали сближаясь замыкаются и лампы перегорают. Поэтому очень важно напряжение на лампы подавать и снимать постепенно или ступенями, при этом срок их службы возрастает в 3 – 4 раза. При плавном включении срок службы увеличивается в 2 – 2,5 раза.
На рисунке показана схема простейшего выключателя, обеспечивающего ступенчатую подачу напряжения на лампу накаливания с использованием двойного выключателя. Сначала цепь лампы замыкается выключателем (1) и через лампу протекает однополупериодный ток. Мощность лампы примерно в 4 раза меньше номинальной. Затем диод, выбранный по типу лампы, замыкается выключателем (2). Лампа включена полностью. Могут быть использованы и другие схемы, а так же промышленные ручные и сенсорные регуляторы и устройства плавного включения.
Какой газ в лампе накаливания. Устройство лампы накаливания, как она работает, из чего состоит. Преимущества и недостатки ламп накаливания
Нагретое электрическим током тело может, оказывается, не только излучать тепло, но и светиться.
Первые источники света функционировали именно на этом принципе. Рассмотрим, как работает лампа накаливания – самый массовый осветительный прибор в мире. И, хотя его со временем предстоит полностью заместить на компактные люминесцентные (энергосберегающие) и светодиодные источники света, без этой технологии человечеству еще долго не обойтись.
Галогенные лампы: советы по покупке. Существует несколько типов галогенных ламп, но во время покупки вам следует не только учитывать лампу, но и структуру, на которой должен использоваться сам лампа. Фактически, учетная запись должна использовать галогенную лампу для люстры или настенного светильника, другая — использовать ее для платформы или настольной лампы. Фактически, стабильность структуры, на которой установлена лампа, очень важна; проблема не существует, конечно, в случае настенных светильников или настенных светильников, но если вы покупаете настольную лампу или напольную подставку, вам нужно сосредоточиться на объектах, которые устойчивы и устойчивы к небольшим ударам; Настольные лампы или очень легкие доски, например, могут легко разливаться.
Конструкция лампы накаливания
Основным элементом лампочки является спираль из тугоплавкого материала – вольфрама. Для увеличения ее длины и, соответственно, сопротивления, она скручена в тонкую спираль. Это не видно невооруженным глазом.
Спираль укреплена на поддерживающих элементах, крайние из которых служат для присоединения ее концов к электрической цепи. Они изготовлены из молибдена, температура плавления которого выше температуры разогретой спирали. Один из молибденовых электродов соединяется с резьбовой частью цоколя, а другой – с его центральным выводом.
Светодиодные электрические лампы
Прежде чем покупать галогенную лампу, желательно спросить, правильно ли она проверена; поэтому он должен иметь двойную изоляцию, основную и ту, которая действует как запасная, если первый идет на провал. Изоляция служит для снижения риска поражения электрическим током; если вы покупаете завод, убедитесь, что он имеет землю; в противном случае вы захотите его купить.
Другое дело, чтобы проверить, что они не стесняются звучать, если выбранная модель имеет вариатор интенсивности света или трансформатор напряжения. Попросите розничного продавца запустить модель перед продолжением покупки. Еще одна вещь, которую нужно проверить, когда работает модель, заключается в том, что тепло, излучаемое лампой, не является чрезмерным; существует риск перегрева и увеличивается риск случайного пожара.
Молибденовые держатели удерживают вольфрамовую спираль
Из колбы, сделанной из стекла, выкачан воздух. Иногда внутрь вместо воздуха закачивают инертный газ, например, аргон или его смесь с азотом. Это необходимо для снижения теплопроводности внутреннего объема, в результате чего стекло менее подвержено нагреву. Дополнительно эта мера препятствует окислению нити накала. При изготовлении лампы воздух выкачивается через часть колбы, скрытую затем цоколем.
Люминесцентные лампы дневного света
В зависимости от типа модели, которую вы выбираете, убедитесь, что живые детали недоступны; это особенно верно, если на дому есть маленькие дети; затем убедитесь, что живые детали надежно защищены и закрыты специальной винт-пластиковой заглушкой. Преимущества и недостатки галогенных ламп.
Как мы уже говорили, галогенные лампы, если их обрабатывать должным образом, имеют гораздо более продолжительный средний срок службы, чем обычные лампы. Еще один момент в пользу галогенных ламп — это, безусловно, вид света, гораздо теплее и интенсивнее; среди прочего, в бытовой среде галогенные лампы могут управляться диммерными переключателями, которые, регулируя яркость света, позволяют улучшить некоторые точки дома; Однако, пока они работают, светящая способность галогена остается неизменной, в отличие от других типов ламп.
Принцип работы лампы накаливания основан на разогреве электрическим током ее нити до температуры, при которой она начинает излучать свет в окружающее пространство.
Лампы накаливания можно изготовить на мощность от 15 до 750 Вт.
В зависимости от мощности применяются разные типы резьбовых цоколей: Е10, Е14, Е27 или Е40. Для декоративных, сигнальных и ламп подсветки используются цоколи ВА7S, ВА9S, ВА15S. Такие изделия при установке втыкаются внутрь патрона и поворачиваются на 90 градусов.
Есть только преимущества, когда речь идет о галогенных лампах; их цена покупки в среднем выше, чем у обычных ламп накаливания; Другой потенциальной проблемой является чрезвычайно высокая теплоотдача, поэтому лучше не размещать лампу вблизи легковоспламеняющихся материалов или с некоторой тепловой чувствительностью.
Неположительная особенность галогенных ламп заключается в том, что компоненты, которые их характеризуют, делают их загрязняющими объектами, тогда они должны быть утилизированы отдельно и не могут быть выброшены в обычные стеклянные коллекторы. По этой причине он должен быть развеян легендой о том, что галогенные лампы с вариатором яркости света обеспечивают процентное энергосбережение, идентичное снижению интенсивности света; другими словами, неправда, что, понижая интенсивность света 60%, это экономит 60% электроэнергии; экономия там, но меньше.
Помимо обычной, грушеобразной формы, выпускаются и декоративные лампы, у которых колба выполняется в форме свечи, капли, цилиндра, шара.
Лампа с колбой, не имеющей покрытия, светится желтоватым светом, по составу наиболее напоминающим солнечный. Но при нанесении на внутреннюю поверхность стекла специальных покрытий она может стать матовой, красной, желтой, синей или зеленой.
Объем движения объекта — это векторный размер, определяемый как произведение массы объекта на его скорость. Количество общего движения изолированной системы постоянно со временем. Закон сохранения количества движения очень полезен при изучении ударов между телами или для расчета отдачи винтовки. Перед выстрелом сумма количества движения винтовки и пули ничто. При заданной скорости основная масса пули будет больше и больше будет отдача; Аналогично, чем больше вес винтовки и тем ниже скорость, с которой она будет двигаться назад.
Благодаря их высокой эффективности наши курсы позволяют нам создать прочную основную культуру по многим важным темам. Поддержание списка всех курсов уже в режиме онлайн, мы предлагаем вам наши курсы. Для самых ласковых друзей. Исследовательская группа Массачусетского технологического института разработала новую систему, которая позволила бы сделать классические лампы накаливания более эффективными, чем те, которые мы использовали уже более века, и были запрещены на несколько лет в Европе, США и других странах потому что они потребляют слишком много энергии по сравнению с фактически произведенным светом.
Интерес представляет устройство зеркальной лампы накаливания. На часть ее колбы нанесен отражающий слой. В результате, за счет отражения от него, световой поток перераспределяется в одном направлении.
Достоинства ламп накаливания
Самым важным плюсом в пользу применения лампочек накаливания является простота их изготовления и, соответственно, цена. Проще осветительного прибора придумать невозможно.
Как следует из названия, лампы накаливания работают путем нагрева нити накала, как правило, вольфрама, благодаря прохождению электрического тока. Проблема с этой системой заключается в том, что она крайне неэффективна с точки зрения энергии: до 95 процентов используемой энергии рассеивается в виде тепла, поэтому запрет на многие страны в пользу более эффективных решений для сокращения потребляет тот же самый свет. Первый этап не очень отличается от классического: в колбе есть нить, которая согревается с прохождением электрического тока, становясь яркой.
Лампы изготавливают на широкий диапазон мощностей и габаритных размеров. Все остальные современные источники света содержат устройства, преобразующие напряжение питания в необходимую для их работы величину. Хотя их и ухитряются впихнуть в стандартные габаритные размеры лампочки, но при этом усложняется конструкция, увеличивается количество деталей в составе устройства. А это не всегда улучшает показатели стоимости и надежности.
Схема же включения лампы накаливания не требует никаких дополнительных элементов.
Вторая фаза, однако, предусматривает специальную систему для предотвращения тепла, выделяющегося в виде инфракрасного излучения, рассеивающего в окружающей среде: нить покрыта определенной структурой, которая останавливает излучение и отбрасывает его против самой нити так что это поможет сохранить его сияние.
Структура, которая делает возможным этот процесс, основана на конкретном типе фотонного кристалла, материала, который пропускает некоторые длины волн света, сохраняя при этом другие, такие как инфракрасные, которые отражаются по отношению к нити накала. Таким образом создается своего рода добродетельный круг: тепло возвращается и помогает сохранить накаливание накаливания, создаваемый таким образом видимый свет перемещается из структуры, а остальная часть — назад и так далее. Решение позволяет нам иметь самый горячий и естественный свет, к которому мы все привыкли, и в то же время требует гораздо меньше электрической энергии, чем обычная лампа накаливания.
Светодиодные лампы вытеснили обычные из портативных устройств: переносных источников света, питающихся от батареек и аккумуляторов. При той же светоотдаче они потребляют меньший ток, а габаритные размеры светодиода еще меньше, чем лампочек, использующихся ранее в фонариках. Да и в составе елочных гирлянд они работают успешнее.
Исследователи объясняют, что их система очень перспективна с точки зрения светостойкости, т.е. отношения светового потока к входной мощности. Новая двухфазная система допускает теоретически теоретическую эффективность до 40 процентов. В настоящее время ожидаемый результат только теоретический, но первый прототип лаборатории достиг 6, 6%, что по-прежнему является замечательным достижением по сравнению с классической лампой накаливания.
Цель: повышение эффективности. Небольшая эффективность, но так много урожайности. Известно, что старые лампы работали на нагрев нити накаливания, как правило, вольфрама, после прохождения электрического тока.
Использование вольфрама было связано с тем, что среди чистых металлов вольфрам — тот, который имеет самую высокую температуру плавления, с низкой скоростью испарения. Смесь инертного газа в колбе препятствовала быстрому сгоранию металла и после нескольких сотен часов использования нить сломалась, что потребовало замены лампы.
Стоит отметить еще одно достоинство, присущее лампочкам накаливания – их спектр свечения наиболее близок к солнечному, чем у всех остальных искусственных источников света. А это – большой плюс для зрения, ведь оно адаптировано именно к солнцу, а не монохромным светодиодам.
Во встроенной лампе, как и в традиционной технологии, есть нить, которая нагревается с прохождением электрического тока, становится яркой, но во второй фазе происходит вмешательство конкретной системы, реализуемой с нанокристаллами фотонов, окружающих нить и предотвращающими что тепло, выделяемое в виде инфракрасного излучения, рассеивается в окружающей среде.
Этот результат возможен, основывая структуру лампы на конкретном типе фотонного кристалла, который позволяет пропускать некоторые длины волн света, сохраняя при этом другие, такие как инфракрасное излучение, направленное в направлении нити: таким образом, тепло он не рассеивается и не уходит назад, и полученный таким образом видимый свет перемещается из структуры луковицы, в то время как остальное возвращается назад, вызывая круг, который повторяется в цикле.
Из-за тепловой инерции разогретой нити накала свет от нее практически не пульсирует. Чего нельзя сказать об излучении от остальных устройств, особенно люминесцентных, использующих в качестве пускорегулирующего устройства обычный дроссель, а не полупроводниковую схему. Да и электроника, особенно дешевая, не всегда подавляет пульсации от сети должным образом. От этого тоже страдает зрение.
Однако первый прототип лаборатории достиг 6, 6%.
Пока законодательство фактически не запретило лампы накаливания из-за их высокого потребления энергии, ни один производитель не начал исследования и исследования, чтобы повысить их эффективность.
Лампы оставались неизменными на протяжении десятилетий без каких-либо обновлений или технологических усовершенствований.
Однако в течение нескольких лет было проведено несколько исследований для повышения эффективности ламп накаливания, все с целью выбора и «пропускания» только видимого излучения, содержащего инфракрасное излучение, которое не служит, и, следовательно, представляет собой энергию впустую.
Но не только здоровью может повредить пульсирующий характер работы полупроводниковых устройств, использующихся в современных лампочках. Массовое их применение приводит к резкому изменению формы потребляемого от сети тока, что сказывается в итоге и на форме напряжения. Она настолько изменяется по отношению к изначальной (синусоидальной), что это сказывается на качестве работы других электроприборов в сети.
Новая обработка также будет работать с очень переменными углами падения и точными длинами волн, поэтому весь свет, излучаемый нитью, должен пройти, а тот, который не служит, будет оттолкнут назад на нить. Это большой шаг вперед. Исследователи объявили о огромных количествах: 40% световой эффективности сегодня — очень высокая и чисто теоретическая ценность, еще не достигнутая прототипами. Но это все еще хороший предиктор, который дает возможность лампам накаливания.
Поэтому возможно ли, что они вернутся? Но проблему можно было бы преодолеть, как только возникнет реальная заинтересованность в создании колбы с непрерывным спектром и хорошей цветопередачей через промышленный процесс. По конкретной теме, что вы слышите о дизайнерах и дизайнерах освещения?
Недостатки ламп накаливания
Существенный недостаток лампочек накаливания, сокращающий их срок службы – зависимость его от величины питающего напряжения. При повышении напряжения износ нити накала происходит быстрее. Выпускают лампы на разные величины этого параметра (вплоть до 240 В), но при номинальном значении они светят хуже.
Трудно делать точные прогнозы о временном развитии этой технологии, но настоятельно призываем их внимательно следить за рынком.
Возможно, что отсюда до нескольких лет появятся новые продукты, которые будут иметь лампы накаливания с отличной светоотдачей и меньшим потреблением, чем в прошлом.
Тогда дизайнеры освещения будут иметь дополнительную доступность, с несколькими различными инструментами, которые откроют свои двери для расширения возможностей для удовлетворения многочисленных потребностей клиента. Традиционное прощание: мнение ассоциации производителей.
Понижение напряжения приводит к резкому изменению интенсивности свечения. А еще хуже воздействуют на осветительный прибор его колебания, при резких скачках лампа может и перегореть.
Но самое худшее – то, что нить накала рассчитана на длительную работу в нагретом состоянии. При нагревании ее удельное сопротивление увеличивается. Поэтому в момент включения, когда нить холодная, ее сопротивление намного меньше того, при котором происходит свечение. Это приводит к неизбежному скачку тока в момент зажигания, приводящему к испарению вольфрама. Чем больше количество включений – тем меньше проживет лампа.
Исправить ситуацию помогают устройства для плавного запуска или , позволяющие регулировать яркость свечения в широких пределах.
Самым главным недостатком лампочек накаливания считается их низкий коэффициент полезного действия. Подавляющая часть электроэнергии (до 96 %) расходуется на бесполезный нагрев окружающего воздуха и излучение в инфракрасном спектре. С этим поделать ничего нельзя – таков принцип действия лампы накаливания.
Ну и еще: стекло колбы легко разбить. Но в отличие от компактных люминесцентных, содержащих внутри небольшое количество паров ртути, разбитая лампа накаливания кроме возможного пореза ничем владельцу не угрожает.
Галогенные лампы
Причиной перегорания лампы накаливания является постепенное испарение фольфрама, из которого сделана нить. Она становится тоньше, а затем очередной скачок тока при включении расплавляет ее в самом тонком месте.
Этот недостаток призваны устранить галогенные лампы, заполняемые парами брома или йода.
При горении испаряющийся вольфрам вступает в соединение с галогеном. Получившееся вещество не способно осаждаться на стенках колбы или других, относительно холодных, внутренних поверхностях.
Вблизи же нити накала вольфрам под действием температуры извлекается из соединения и возвращается на место.
Применением галогенов решается еще одна задача: температуру спирали можно поднять, увеличивая световую отдачу и уменьшить размеры осветительного прибора. Поэтому при той же мощности габариты галогенных ламп оказываются меньше.
Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а ) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3 , которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6 , обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4 . Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5 , именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б , состоит из электродов 6 , тарелочки 9 , и штенгеля 10 , представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8 , штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7 . Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11 , соединяемые между собой электросваркой.
Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а ) и ее ножки (б )
Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1 . Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2 , после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.
Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13 , крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12 .
От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.
Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а — высоковольтной проекционной лампы; б — низковольтной проекционной лампы; в — обеспечивающая получение равнояркого диска
Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити.
Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.
Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а — в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б — в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 — кольцевая спираль; 2 — прямая биспираль; 3 — спираль, расположенная по поверхности цилиндра
Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.
Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания
Применяемые в лампах накаливания материалы
Металлы
Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры.
Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.
Таблица 1
Температура плавления металлов и их соединений
| Металлы | T , °С | Карбиды и их смеси | T , °С | Нитриды | T , °С | Бориды | T , °С |
| Вольфрам Рений Тантал Осмий Молибден Ниобий Иридий Цирконий Платина | 3410 3180 3014 3050 2620 2470 2410 1825 1769 | 4TaC + + HiC 4TaC + + ZrC HfC TaC ZrC NbC TiC WC W2C MoC VnC ScC SiC | 3927 3887 | TaC + + TaN HfN TiC + + TiN TaN ZrN TiN BN | 3373 3087 | HfB ZrB WB | 3067 2987 2927 |
Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41×10 -10 и 9,95×10 -8 кг/(см²×с).
Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 — 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.
В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.
Таблица 2
Основные физические свойства вольфрамовой нити
| Температура, К | Скорость испарения, кг/(м²×с) | Удельное электрическое сопротивление, 10 -6 Ом×см | Яркость кд/м² | Световая отдача, лм/Вт | Цветовая температура, К |
| 1000 1400 1800 2200 2600 3000 3400 | 5,32 × 10 -35 2,51 × 10 -23 8,81 × 10 -17 1,24 × 10 -12 8,41 × 10 -10 9,95 × 10 -8 3,47 × 10 -6 | 24,93 37,19 50,05 63,48 77,49 92,04 107,02 | 0,0012 1,04 51,2 640 3640 13260 36000 | 0,0007 0,09 1,19 5,52 14,34 27,25 43,20 | 1005 1418 1823 2238 2660 3092 3522 |
Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов.
Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.
Добавка к вольфраму окиси тория ThO 2 замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.
Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO 2 вместе со щелочными металлами — калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al 2 O 3 . Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.
Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.
Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 × 10 -7 К -1 .
Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.
Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.
Стекла
Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 × 10 -7 К -1 . Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.
Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 × 10 -7 К -1 . Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 × 10 -7 К -1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 — 3 мкм.
Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.
Вводы
Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 — 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.
Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название «платинит». Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты).
Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.
Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.
Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.
Газы
Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 × 104 Па. Какой газ для этого использовать?
Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.
Таблица 3
Основные параметры инертных газов
Общие характеристики и принципы работы разных видов ламп
Наиболее знакомым видом ламп являются лампы накаливания. Однако все чаще в руках даже рядовых потребителей появляются не они.
Лампы накаливания
Всем известные грушевидные лампочки накаливания с привычным теплым светом на сегодняшний день являются для многих главным, а для некоторых и единственным источником искусственного освещения.
Устройство таких ламп и схема их работы известна всем со школьных лет – спираль из вольфрама, помещенная в стеклянную сферу, из которой выкачан воздух, нагревается под действием электроэнергии до свечения. Это простая конструкция, хоть и действенна, но не настолько эффективна, как технологии других осветительных устройств. Помимо того, лампы накаливания уступают другим типам ламп и по ряду других параметров. Спектральный ряд этих ламп сильно искажает цветопередачу, что является серьезным недостатком. Но их низкая стоимость и многообразие размеров и форм (от грушевидной лампы для люстры и уличного прожектора до маленькой лампочки для новогодней гирлянды) приводят к тому, что спрос на них наиболее велик и с годами не уменьшается. Существуют и декоративные лампы накаливания: в виде свечи, груши, спирали, шара и т.д.
Галогенные лампы
При всей своей массовости и простоте лампы накаливания все же пытаются модифицировать, улучшать, добавляя к их свойствам некоторые изменения и улучшая их технологические свойства. Всем известные галогенные лампы, встречающиеся обычно во встроенных светильниках – это, в своем роде, усовершенствованный вид лампы накаливания. В галогенных лампах используются специальные типы стекла из кварца, а пространство внутри лампы заполняют парами одного из галогенов.
Галогенные лампы имеют свойства, выгодно отличающие их от традиционных ламп накаливания. Это, например, свет постоянной яркости в течение всего срока эксплуатации, чего нельзя сказать о лампах накаливания, которые с износом тускнеют и теряют яркость. Также галогенные лампы обеспечивают насыщенный контрастный свет, чем достигается отменная передача цветов, галогенные лампы компактнее при той же мощности, имеют усиленную светоотдачу. Все перечисленное, в свою очередь, обеспечивает больший срок эксплуатации и экономичность (приходится реже покупать новые для замены). К слову сказать, при пониженном напряжении в электрической сети к спектру ламп в таком случае добавятся цвета из красного сегмента.
При использовании галогенных ламп в комнатах создается эффект лакированных и глянцевых поверхностей объектов, что создает интересный визуальный эффект. Свет от таких ламп переливается и играет, что обусловлено встроенными отражателями, плюс ко всему к достоинствам галогенных ламп можно отнести их огромный ассортимент и варианты размеров и форм, что дает оформителям дополнительный простор для фантазий. Главный и серьезный недостаток галогенных лампочек – нагревание в ходе эксплуатации, поэтому их нельзя использовать в детских спальнях, игровых комнатах и в помещениях, где хранятся произведения изобразительного искусства и другие легковоспламеняющиеся предметы.
Люминесцентные лампы
Люминесцентные (разрядные) лампы с низким давлением выполнены в виде полой цилиндрической трубы разной длины и диаметра с электродами по краям. В трубки под давлением нагнетены ртутные испарения. Когда происходит разряд электричества, эти испарения начинают излучать ультрафиолет, под действием которого нанесенный изнутри люминофор начинает излучать уже не ультрафиолетовый, а видимый свет. Лампы такого типа имеют повышенную цветопередачу и светоотдачу. Такие лампы могут исполняться с тремя и пятью полюсами люминофора, причем в первом случае лампы имеют большую экономичность (макс. 100 Лм\Вт) и меньшую цветопередачу (макс. 80 Ra), а во втором наоборот, передача цвета велика при низкой экономичности (88 ЛМ\ВТ).
Люминесцентные лампы, впрочем, равно как и лампы накаливания, также передают цвета некорректно.
По причине большой осветительной площади этих ламп, насыщенностью света в пределах помещения довольно проблематично управлять, хотя сами лампы распределяют равномерный и мягкий свет. Однако на рынке существуют люминесцентные лампы, выполненные в виде закручивающейся спирали, которые, кстати, по большинству характеристик приближены к обычным линейным лампам, зато имеют меньшую площадь, что помогает решить проблему распределения света в пределах помещения.
Эти спиралевидные компактные лампы, между прочим, зачастую используют для замены лампочек «Ильича».
Люминесцентные лампы потребляют меньшее количество энергии и имеют более длительный срок эксплуатации, чем традиционные лампочки накаливания. И именно этот тип ламп в силу долговечности и экономичности чаще всего используется на предприятиях и в офисах.
Помимо перечисленного выше, эти лампы излучают свет с разными оттенками и цветами, что дает дополнительные возможности к их применению. Стоит упомянуть также и об огромном количестве форм исполнения люминесцентных ламп, которые выполняются в U-форме, L-форме, круговых вариантах.
Разумеется, у этих ламп есть и свои недостатки, среди которых большие размеры и хрупкость, необходимость в специализированных светильниках с регулирующим запуск устройством и особая чувствительность к температуре воздуха – при низких температурах ниже 15 градусов по Цельсию лампа может не загореться. Также в этих лампах присутствует мерцательный эффект стробоскопа, не ощутимый для человека и возникающий от колебаний напряжения в электросети, который приводит к нарушению восприятия пространства и скорости у человека и может вызывать мигрени. Мало того, люминесцентные лампы могут создавать помехи, если расположены вблизи радиоприемников и телевизоров.
От выбора типа лампы зависят итоги работы осветительного прибора в целом. Диапазон возможностей ламп различен, но у каждой есть особое преимущество перед другими. Наибольший интерес вызывают металлогалогенные лампы и светодиоды.
Лампа накаливания | Физика
Открытие теплового действия тока привело к изобретению лампы накаливания — источника света, без которого немыслима современная жизнь.
Лампа накаливания была изобретена в 1872 г. русским электротехником А. Н. Лодыгиным. Основным элементом первой лампы был тонкий угольный стерженек, нагреваемый током до температуры, при которой он начинал светиться. Стерженек размещался под стеклянным колпаком.
Срок службы первых ламп Лодыгина составлял всего лишь 30—40 мин. Однако путем совершенствования конструкции (откачивание воздуха из колбы, использование нескольких стерженьков, поочередно сгорающих в лампе) Лодыгину удалось существенно увеличить продолжительность их работы.
В 1877 г. о работах Лодыгина узнал знаменитый американский изобретатель Т. А. Эдисон. Он решил усовершенствовать новый источник света. Чтобы как можно сильнее замедлить процесс горения угольного стержня в лампе, Эдисон с помощью сконструированного им же насоса добился такого разрежения в лампе, что давление воздуха в ней оказалось в миллион раз меньше атмосферного.
Несколько месяцев у него ушло на поиски нового материала для тела накаливания. Он пробовал все, что попадалось ему на глаза. Более шести тысяч веществ было проверено Эдисоном в поисках того материала, который мог бы не перегорать в лампе дольше всего. Когда выяснилось, что в качестве такового можно использовать бамбук, агенты Эдисона стали искать нужное растение в Японии, на Кубе, Ямайке, в Китае, Бразилии, Индии и Эквадоре. Некоторые из них погибли от укусов ядовитых змей, другие — от желтой лихорадки, но необходимый материал все-таки был найден. Обуглив и обработав волокна бамбука специальными химическими растворами, Эдисон получил тонкую нить, дававшую под действием тока яркий и ровный свет. Попутно он усовершенствовал систему ввода проводов в лампу, изобрел очень удобную вставку для нее (эдисоновский патрон) и сконструировал выключатель, с помощью которого можно было включать и выключать свет. Продолжительность работы лампы достигла 800 ч, и она стала удобной и практичной.
В ночь на 1 января 1880 г. семьсот эдисоновских ламп осветили здание с лабораторией, где работал изобретатель, а также двор, ворота и окружающий забор. Сотни людей с изумлением наблюдали этот чудесный свет, озаривший все вокруг в эту новогоднюю ночь. Весть об эдисоновском свете быстро распространилась по всей Америке. А еще через некоторое время первая партия ламп (1800 штук) была отправлена в Европу.
Новые и удобные источники света стали использовать для электрического освещения улиц, домов и кораблей.
Тем временем Лодыгин тоже не переставал думать над улучшением лампы. В 1890 г. он внес существенное усовершенствование в ее конструкцию: вместо угольной нити он применил вольфрамовую, которая и используется поныне. Вольфрам является самым тугоплавким металлом (tпл = 3400 °С), и сделанная из него нить оказалась очень долговечной. Через несколько лет этой нити придали зигзагообразную, а затем и спиральную форму (рис 48), и лампа приобрела современный вид.
Устройство современной лампы накаливания показано на рисунке 49. Концы нити накала (вольфрамовой спирали) 1 приварены к двум проволокам (вводам), которые проходят сквозь стеклянную ножку 2 и припаяны к металлическим частям цоколя 3 лампы: одна проволока — к его винтовой нарезке, а другая — к изолированному от нарезки центральному выводу 4. Патрон 7 служит для включения лампы в сеть. Ввинчивание лампы в патрон осуществляется благодаря винтовой нарезке 6. Внутри патрона основание цоколя лампы касается пружинящего контакта 5. Этот контакт, а также винтовая нарезка патрона соединены с зажимами, к которым прикрепляют провода от сети.
При прохождении тока через вольфрамовую спираль она нагревается до температуры около 3000 °С. При этом нить достигает белого каления и начинает ярко светить. Чтобы замедлить испарение нити, лампу наполняют каким-либо инертным газом (например, аргоном или криптоном).
На каждой лампе указываются электрическая мощность P и напряжение U, на которые она рассчитана. Например, для освещения в квартирах обычно используются лампы мощностью 40, 60 и 100 Вт при напряжении 220 В. Для сравнения укажем, что лампа мощностью 100 Вт дает столько же света, сколько тысяча стеариновых свечей. По значениям мощности и напряжения, указанным на лампе, можно определить ее рабочее сопротивление (т. е. сопротивление нагретой лампы):
R = U2/P (20.1)
Если напряжение на лампе окажется меньше номинального, то выделяющаяся мощность уменьшится и свечение лампы станет менее ярким.
И наоборот, при увеличении напряжения по сравнению с номинальным на 1 % лампа начнет светить ярче, но срок ее службы сократится на 15%. Если же напряжение превысит номинальное на 15%, лампа тут же выйдет из строя.
В настоящее время мировое производство ламп накаливания составляет свыше 10 млрд штук в год, а количество разновидностей ламп превышает 2000. Эти лампы отличаются друг от друга назначением (осветительные, проекционные, для фар и т. д.), а также формой тела накала и размерами колбы. Последние составляют от нескольких миллиметров (у сверхминиатюрных ламп) до нескольких десятков сантиметров (у крупногабаритных прожекторных ламп). Рассчитаны они на напряжения от долей до сотен вольт при мощности, достигающей десятков киловатт. Срок службы современных ламп может превышать 1000 ч.
??? 1. Как устроена осветительная лампа накаливания? 2. Кто и когда изобрел эту лампу? 3. Почему нить накала лампы делают из вольфрама? 4. Выведите формулу (20.1).
Заметки для мастера — Защита ламп накаливания от перегораний
Защита лампы накаливания при включении
Предлагаемое простое устройство (рис.1), лишено многих недостатков перед подобными схемами и обеспечивает плавное зажигание бытовой лампы накаливания.
Рис.1
Подбирая соответствующие емкости и диоды, можно здесь подключить лампочку практически любой мощности и любого напряжения без понижающего трансформатора. Например, для сети 220В и 60 – ваттной лампы с теми же полупроводниковыми вентилями нужны конденсаторы, соответственно, по 5 мкФ.
Кружков.В
г. Орел
Ограничитель броска тока при включении лампы
Устройство, собранное по схеме на рис.2, задерживает подачу на лампу полного напряжения сети приблизительно на 0,2 секунды – продолжительность зарядки установленного в нем конденсатора.
Рис.2
Этого вполне достаточно для эффективного ограничения броска тока через холодную спираль лампы.
Остаточное падение напряжения на огарничителе – около 5 В.
Первоначально в ограничителе применялись резисторы МЛТ – 0,5, транзистор КТ940А, диода КД105Б, симистора КУ208Г. В дальнейшем в схеме использовались малогабаритные детали, типы которых указаны на схеме, и резисторы меньшей мощности. Такой вариант ограничителя можно смонтировать на печатной плате изображенной на рис.2.
При мощности лампы EL1 более 100 Вт симистор МАС97 необходимо заменить на более мощным ВТ137 или ВТА12-600. Если такой тиристор снабдить теплоотводом, а вместо транзистора MJE13001 установить MJE13003, допустимая мощность нагрузки достигнет 2 кВт. Емкость конденсатора С1 можно увеличить до 470 мкФ.
Штепенко Е.
г. Северодонецк
Луганской обл.
Двухступенчатое включение лампы
Резкое включение лампы накаливания при помощи обычного выключателя вредно как для глаз (резкий скачок света), так и для самой лампы, разрушающее воздействуя на ее нить накала.
Рис.3
Схема показанная на рисунке 3 обеспечивает двухступенчатое включение лампы. При включении S1, первые 1-2 секунды лампа HL1 горит в пол накала, потому что через нее протекает ток только одной полуволны сетевого напряжения (через VD1). Одновременно, начинает заряжаться С1 через VD2 и R2, и, примерно, через 1-2 секунды напряжение на нем достигает порога открывания тиристора VS1, что и происходит. Через тиристор начинает на лампу поступать и вторая полуволна сетевого напряжения, — лампа зажигается в полный накал.
Мизин С.
Чтобы лампа стала «вечной»
Известно, что осветительная лампа чаще всего выходит из строя в момент зажигания. Именно в этот момент сопротивление нити лампы мало (примерно в 10 раз меньше раскаленной), и на ней рассеивается мощность, значительно превышающая номинальную. Нить не выдерживает и перегорает. Особенно часто такое случается с лампами до 500 Вт.
Чтобы продлить срок службы лампы, нужно сначала подать на нее пониженное напряжение и немного разогреть нить лампы, а через некоторое время довести напряжение до номинального. Для этой цели используют автомат двухступенчатой подачи напряжения, который включают последовательно с сетевым выключателем, не нарушая остальной проводки. В квартирах и рабочих помещениях автомат может быть вмонтирован в той же коробке, что и выключатель.
Схема автомата приведена на рис.4.
Рис.4
При налаживании автомата, сначала отключают от деталей анод тиристора VS1. Подбором резистора R3 (вместо него удобно временно установить переменный резистор сопротивлением 15 кОм) добиваются на лампе напряжения примерно 200В (точнее всего измерения можно провести прибором тепловой системы) – несколько пониженное по сравнению с сетевым напряжение питания которое продлевает срок службы лампы. Затем измеряют сопротивление введенной части переменного резистора и впаивают в устройство постоянный резистор такого же или ближайшего номинала.
Далее подключают тиристор VS1 и подбором резистора R1 добиваются, чтобы тиристор VS1 открывался раньше VS2. Это нетрудно определить по зажиганию лампы – сначала она должна гореть «вполнакала». Если автомат работает неустойчиво (лампа мигает), значит установлен очень «чувствительный» тиристор VS1 (включается при малом токе через управляющий электрод). В этом случае между управляющим электродом и катодом тиристора нужно включить резистор 1…2 кОм либо заменить тиристор.
В схеме можно использовать тиристор VS1 — любой серии КУ201, КУ202, VS2 – КУ202К, КУ202Н. Диоды серии КД105Б. С этими деталями автомат способен управлять лампой мощностью до 60 Вт. Если же заменить диоды более мощными, например Д247, и установить их и тиристор VS2 на радиаторы, автомат можно использовать с лампами мощностью до 1 кВт.
Першиков В.
г. Белорецк
Нанофотонное возвращение ламп накаливания? | MIT News
Традиционные лампочки, которые, как считается, уже давно уже давно забыты, могут получить отсрочку благодаря технологическому прорыву.
Лампа накаливания и ее теплое, знакомое свечение существует уже более века назад, но практически без изменений сохраняется в домах по всему миру. Однако это быстро меняется, поскольку правила, направленные на повышение энергоэффективности, постепенно заменяют старые лампы на более эффективные компактные люминесцентные лампы (CFL) и новые светодиодные лампы (LED).
Лампы накаливания, коммерчески разработанные Томасом Эдисоном (и до сих пор используемые художниками-карикатуристами как символ изобретательской проницательности), работают путем нагрева тонкой вольфрамовой проволоки до температур около 2700 градусов Цельсия. Этот горячий провод излучает так называемое излучение черного тела, очень широкий спектр света, который обеспечивает теплый вид и точную передачу всех цветов в сцене.
Но эти лампочки всегда страдали от одной серьезной проблемы: более 95 процентов энергии, которая идет в них, тратится впустую, в основном в виде тепла.Вот почему страна за страной запрещали или постепенно отказываются от неэффективных технологий. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Университета Пердью, возможно, нашли способ все это изменить.
Новые открытия опубликованы в журнале Nature Nanotechnology тремя профессорами Массачусетского технологического института — Марином Солячичем, профессором физики; Джон Джоаннопулос, профессор физики Фрэнсиса Райта Дэвиса; и Ганг Чен, профессор энергетики Карла Ричарда Содерберга, а также главный научный сотрудник Массачусетского технологического института Иван Целанович, постдок Огнен Илич и профессор физики Purdue (и выпускник Массачусетского технологического института) Питер Бермел, доктор философии ’07.
Переработка света
Ключевым моментом является создание двухэтапного процесса, сообщают исследователи. На первом этапе используется обычная нагретая металлическая нить со всеми вытекающими отсюда потерями. Но вместо того, чтобы позволить отходящему теплу рассеиваться в форме инфракрасного излучения, вторичные структуры, окружающие нить накала, улавливают это излучение и отражают его обратно в нить, чтобы повторно поглотить и переизлучить в виде видимого света.
Эти структуры, представляющие собой форму фотонного кристалла, сделаны из элементов, которыми много на Земле, и могут быть изготовлены с использованием традиционной технологии осаждения материалов.
Этот второй шаг существенно влияет на то, насколько эффективно система преобразует электричество в свет. Одна величина, которая характеризует источник освещения, — это так называемая световая отдача, которая учитывает реакцию человеческого глаза. В то время как световая отдача обычных ламп накаливания составляет от 2 до 3 процентов, люминесцентных ламп (включая КЛЛ) — от 7 до 15 процентов, а у большинства коммерческих светодиодов — от 5 до 20 процентов, новые двухступенчатые лампы накаливания могут достичь эффективности. команда заявляет, что достигает 40 процентов.
Первые испытательные блоки, созданные командой, еще не достигли этого уровня, достигая эффективности около 6,6%. Но даже этот предварительный результат соответствует эффективности некоторых современных КЛЛ и светодиодов, отмечают они. И это уже трехкратное повышение эффективности по сравнению с современными лампами накаливания.
Команда называет свой подход «рециркуляцией света», — говорит Илич, поскольку их материал принимает нежелательные, бесполезные длины волн энергии и преобразует их в желаемые длины волн видимого света.«Он перерабатывает энергию, которая в противном случае была бы потрачена впустую», — говорит Солячич.
Лампы и не только
Одним из ключей к их успеху была разработка фотонного кристалла, который работает в очень широком диапазоне длин волн и углов. Сам фотонный кристалл представляет собой стопку тонких слоев, нанесенных на подложку. «Когда вы складываете слои с правильной толщиной и последовательностью», — объясняет Илич, вы можете получить очень эффективную настройку того, как материал взаимодействует со светом. В их системе желаемые видимые длины волн проходят прямо через материал и выходят из лампы, но инфракрасные волны отражаются, как будто от зеркала.
Затем они возвращаются к нити, добавляя больше тепла, которое затем преобразуется в больше света. Поскольку выходит только видимое, тепло продолжает возвращаться к нити накала, пока в конечном итоге не превратится в видимый свет.
«Результаты впечатляют, демонстрируя яркость и энергоэффективность, сопоставимые с показателями традиционных источников, включая люминесцентные и светодиодные лампы», — говорит Алехандро Родригес, доцент кафедры электротехники Принстонского университета, который не принимал участия в этой работе.По его словам, полученные данные «предоставляют дополнительные доказательства того, что применение новых фотонных конструкций для решения старых проблем может привести к созданию потенциально новых устройств. Я верю, что эта работа придаст новый импульс и подготовит почву для дальнейших исследований излучателей накаливания, проложив путь для будущего дизайна коммерчески масштабируемых структур ».
Используемая технология имеет потенциал для многих других применений, помимо ламп накаливания, — говорит Солячич. Тот же подход может «иметь драматические последствия» для работы схем преобразования энергии, таких как термофотовольтаика.В термофотовольтаическом устройстве тепло от внешнего источника (химического, солнечного и т. Д.) Заставляет материал светиться, заставляя его излучать свет, который преобразуется в электричество с помощью фотоэлектрического поглотителя.
«Светодиоды — замечательная вещь, и люди должны их покупать», — говорит Солячич. «Но понимание этих основных свойств» о том, как свет, тепло и материя взаимодействуют и как можно более эффективно использовать энергию света, «очень важно для самых разных вещей».
Он добавляет, что «способность контролировать тепловые выбросы очень важна.Это реальный вклад этой работы ». Что касается того, в каких именно практических приложениях с наибольшей вероятностью будет использоваться эта базовая новая технология, по его словам, «пока рано говорить».
Работа была поддержана Исследовательским офисом армии через Институт солдатских нанотехнологий Массачусетского технологического института и исследовательский центр S3TEC Energy Frontier, финансируемый Министерством энергетики США.
Что такое лампа накаливания?
Лампа накаливания или источник света — это любое устройство, использующее электричество для нагрева нити или провода до тех пор, пока он не станет достаточно горячим, чтобы светиться белым.Если бы это было сделано на открытом воздухе, в присутствии кислорода, металлическая нить накала бы сгорела до того, как стала бы настолько горячей.
Лампы накаливания работают, потому что нагретая нить накала находится внутри стеклянной оболочки или шара, который откачивается и либо остается в вакууме, либо заполнен инертным газом. Провод не может гореть в вакууме, и он не может гореть, если единственный газ внутри колбы инертен и не реагирует с ним.
Кто изобрел лампочку накаливания?
Два более ранних изобретателя, Генри Вудворд и Мэтью Эванс, изобрели лампочку накаливания, патент на которую был куплен Томасом Эдисоном.К 1879 году Эдисон перешел на угольную нить и бескислородный кожух и создал лампу, которая прослужила сорок часов. С тех пор лампа накаливания прошла долгий путь.
Почему перегорают лампы накаливания?
Происходит то, что проволочная нить медленно испаряется. В обычной лампе накаливания эти молекулы просто теряются. Они оседают на внутренней стороне стеклянной оболочки, поэтому старая лампа накаливания будет выглядеть более желтой и тусклой, чем новая идентичная в остальном.Это также означает, что нить накала сжимается, поскольку теряет молекулы. В какой-то момент он становится настолько тонким, что больше не может проводить ток, перегревается и ломается. Вот когда мы говорим, что лампочка «перегорела», и заменяем ее.
Почему я не могу их купить?
Они неэффективны. Чтобы продлить срок службы стандартных ламп накаливания, производители делают их менее горячими, чем оптимальная температура для излучения чистого белого света. В результате лампы накаливания излучают много энергии в инфракрасной части спектра.Это, конечно, не приносит нам пользы для зрения и в значительной степени является пустой тратой энергии — если только мы не хотим тепла, которое они излучают.
Были ли они запрещены?
Одним словом, нет. Лампы накаливания не запрещены. Произошло то, что все лампочки теперь должны соответствовать минимальному стандарту эффективности, который был принят в Законе об энергетической независимости и безопасности 2007 года. Большинство стандартных ламп накаливания не могут соответствовать этим стандартам, но одна из них все еще может соответствовать изготовлены и проданы.Тем не менее, многие лампы накаливания не подпадали под действие стандартов. Примерами могут служить трехходовые лампы, лампы грубого обращения и лампы для бытовых приборов.
Тем временем производители работают над выпуском альтернативных лампочек, которые соответствуют стандартам, излучают хороший, приятный свет и не стоят три состояния. Замена стандартной лампы мощностью 60 Вт, которая была одной из первых затронутых ламп, прошла долгий путь к соответствию этим стандартам.
Безопасно легкие миниатюрные лампы накаливания с использованием LTC2874
Лампы накаливания, описываемые как «нагреватели, излучающие немного света» [1] , являются мишенью правительств во всем мире из-за присущей им неэффективности.Лампы с более высокой мощностью могут быть обречены развивающимися стандартами эффективности, но их миниатюрные собратья все еще могут иметь светлое будущее в промышленных установках, таких как системы программируемых логических контроллеров (ПЛК) на 24 В.
Включение лампы накаливания 24 В постоянного тока — непростая задача для драйвера микросхемы. Обычные вольфрамовые нити в холодном состоянии примерно в 15 раз более проводящие, чем в горячем состоянии. Следовательно, при зажигании лампы водитель должен справляться с состоянием, близким к короткому замыканию, без перегрева.
LTC2874 может безопасно работать с восемью лампами. Вот как.
LTC2874 — это интерфейс питания и сигнализации Quad IO-Link Master для устройств, подключенных кабелями длиной до 20 м. Работая от 8 В до 30 В, каждый выходной сигнал драйвера CQ принимает или потребляет 100 мА.
Этого достаточно, чтобы зажечь миниатюрные лампочки мощностью 1 Вт (тип 40 мА) или 2 Вт (тип 80 или 85 мА), которые иногда используются в системах 24 В постоянного тока.
Каждый из четырех выходов CQ может управлять лампой, дополнительно поддерживая IO-Link при подключении к интеллектуальному устройству.Четыре выхода источника питания L + Hot Swap также могут быть задействованы, каждый из которых обеспечивает ток до предела, установленного чувствительным резистором. Это означает, что один LTC2874 может работать с восемью лампами накаливания!
Выходы драйвера CQ LTC2874 (как и их выходные аналоги источника питания L +) защищены автоматическими выключателями максимального тока и схемами автоповтора с малым рабочим циклом, которые защищают от перегрева в случае неисправности или больших нагрузок. Как показано ниже, каждый вывод CQ легко зажигает лампочку мощностью 1 Вт, используя эти встроенные функции.В то время как нить накала потребляет высокий пусковой ток при нагревании, драйвер включается и выключается. Даже при рабочем цикле <1% лампа включается всего за несколько импульсов.
Соответствующие биты регистра SPI:
Лампы большего размера, имеющие еще меньшее сопротивление холодной нити накаливания, не нагреваются при импульсном воздействии в низком рабочем цикле, определяемом функцией автоповтора LTC2874. Однако LTC2874 может их зажигать, если микроконтроллер (через интерфейс SPI) определяет более быстрый интервал отключения при включении.
Вот как это работает. Драйвер CQ включается и ограничивает ток до 160 мА TYP. После 0,48 мс в состоянии перегрузки по току вывод / IRQ сигнализирует и драйвер отключается. Отвечая на запрос прерывания, микроконтроллер ожидает интервала охлаждения TOFF, а затем очищает регистр 0 × 4, что позволяет драйверу снова начать новый импульс. Этот повторяющийся цикл генерирует импульс на выходе с коэффициентом заполнения 0,48 мс / (0,48 мс + TOFF).
Чтобы избежать чрезмерного нагрева ИС, следует соблюдать две меры предосторожности:
- Избегайте использования рабочего цикла выше 5–10%.
- Ограничьте общую продолжительность импульса, возможно, до 1 секунды. Если к этому времени вывод / IRQ перестал сигнализировать, лампочка успешно загорелась. Если вывод / IRQ по-прежнему сигнализирует, мы должны принять меры против возможности жесткого короткого замыкания. Пора выключить водителя и объявить о неисправности.
Соответствующие настройки битов регистра SPI:
Чтобы увеличить гарантированный ток, расставьте точки над контактами CQ в любой комбинации. Просто не забудьте также объединить соответствующие входы драйверов (контакты TXD1-4) и элементы управления (контакты TXEN1-4 или биты регистра DVREN1-4).
Следующий пример кривой для лампы мощностью 2 Вт показывает, как более быстрый интервал импульсов и точечный выход ускоряют время включения.
Используя этот подход, три или четыре пунктирных контакта CQ могут работать с лампами даже большего размера.
Выходы источника питания L + могут управлять лампами аналогичным образом, используя режим автоповтора или синхронизируемые микроконтроллером импульсы. В этом приложении эти выходы добавляют гибкости (ограничения по току устанавливаются резисторами, время включения и выключения импульсов программируются) и ограничения (работа осуществляется только через интерфейс SPI).
Для этих выходов не должен перегреваться внешний МОП-транзистор с горячей заменой. При определении рабочего цикла учитывайте безопасную рабочую зону (SOA) этого устройства.
Соответствующие биты регистра SPI:
LT3669 / LT3669-2 также может включать лампы накаливания. Эти компоненты с двойным драйвером имеют встроенную схему импульсов, которая автоматически управляет рабочим циклом при превышении предела выходного тока.
LTC2874 может безопасно работать с миниатюрными лампами накаливания.Для приложений 24 В постоянного тока контакты драйвера CQ могут работать с лампами мощностью 1 Вт с использованием встроенной функции автоповтора импульсов, с лампами мощностью 2 Вт с использованием микроконтроллера для управления рабочим циклом и несколько большего размера при объединении выходов.
Выходы L + Hot Swap могут также включать лампы накаливания, что делает возможным использование восьмеричного драйвера лампы с микроконтроллером.
Рекомендации
[1] Рахим, Сакиб. «Лампа накаливания уходит за кулисы после столетнего выступления.» New York Times , 28 июня 2010 г.Дизайн MIT более эффективен, чем светодиоды
Хотя лампы накаливания используются для освещения домов более сотни лет и до сих пор используются в большинстве стран мира, они до смешного неэффективны. Это побудило многие правительства полностью отказаться от них, в том числе ЕС, Австралия, Канада, Россия, а также США. Их место заняли люминесцентные лампы (КЛЛ) и еще более эффективные светодиоды.Однако у команды из Массачусетского технологического института есть блестящая идея, которая могла бы обновить неблагополучные лампы. Они разработали новый вид лампы накаливания, в которой используется фотонный кристалл для утилизации отработанной энергии. Полученные в результате лампы могут быть более мощными и светоотражающими, чем что-либо на рынке прямо сейчас.
Пробное устройство, созданное Массачусетским технологическим институтом. Эта новая лампа накаливания уже более эффективна, чем большинство светодиодов и КЛЛ на рынке. Изображение: MITМного тепла для небольшого количества света
Лампа накаливания была вторым видом электрического света, который был разработан для коммерческого использования после угольной дуговой лампы.Сегодня это вторая по популярности лампа в мире после люминесцентных ламп.
В 1879 году Томас Эдисон и его исследователи из Менло-Парка экспериментировали с различными нитями, такими как углерод, затем платина, прежде чем наконец вернуться к углеродной нити. К октябрю 1879 года команда Эдисона изготовила лампочку с карбонизированной нитью из хлопковой нити без покрытия, которая могла работать 14,5 часов. В конце концов они сорвали джекпот, когда зажгли лампочку, в которой использовалась обугленная бамбуковая нить.
Это могло длиться более 1200 часов.
Несмотря на доработку и модернизацию, конструкция лампы накаливания мало изменилась со времен Эдисона. Лампы накаливания работают, пропуская электрический ток через резистивный материал. Естественно, эта резистивная нить накала будет выделять много тепла. Атомы в материале поглощают энергию, которая возбуждает электроны вокруг атомов, временно прыгая на орбиту дальше от ядра. Неизбежно он коллапсирует до более низкой орбитальной энергии выброса в виде фотона.
Вокруг нас постоянно излучается тепло.Нет объекта, который бы не излучал. Однако мы не можем видеть тепло, пока оно не достигнет нужной интенсивности и нужной длины волны. В лампе накаливания большая часть тепловой энергии (95% и более) излучается в инфракрасном спектре, который находится чуть ниже видимого света. Остальную часть энергии (менее 5%) можно увидеть, поскольку она излучается в видимом спектре. Это базовое объяснение, и оно помогает увидеть лампочку накаливания как радиатор, который просто дает свет.Это определенно так же неэффективно, как кажется. С другой стороны, светодиоды как минимум в 10 раз более эффективны, потому что они производят свет, а тепло — это всего лишь побочный продукт.
В статье, опубликованной в журнале « Nature Nanotechnology », описывается новый способ избавиться от этой ужасающей неэффективности и вернуть лампу накаливания на карту. Их конструкция включает в себя типичную нагретую металлическую нить накала, тепловые потери и все такое. Загвоздка в том, что он окружен специально созданным материалом, который поглощает инфракрасную энергию и излучает ее обратно в нить, где она повторно поглощается и повторно излучается.
Материал представляет собой фотонный кристалл, состоящий из множества элементов, иными словами дешевый. По сути, он состоит из стопки тонких слоев, нанесенных на подложку. «Когда вы соединяете слои с правильной толщиной и последовательностью, — объясняет постдок MIT Огнен Илич, — можно получить очень эффективную настройку того, как материал взаимодействует со светом».
«Результаты впечатляют, демонстрируя яркость и энергоэффективность, сопоставимые с показателями обычных источников, включая люминесцентные и светодиодные лампы», — говорит Алехандро Родригес, доцент кафедры электротехники Принстонского университета, который не принимал участия в этой работе.По его словам, полученные данные «предоставляют дополнительные доказательства того, что применение новых фотонных конструкций для решения старых проблем может привести к созданию потенциально новых устройств. Я верю, что эта работа придаст новый импульс и подготовит почву для дальнейших исследований излучателей накаливания, проложив путь для будущего дизайна коммерчески масштабируемых структур ».
Помимо энергоэффективности, источники света также оцениваются по световой отдаче — показателю того, насколько хорошо источник света излучает видимый свет. Это отношение светового потока к мощности.Обычная световая отдача лампы накаливания составляет от 2 до 3 процентов, светодиоды — от 5 до 20 процентов, в зависимости от качества изготовления. Теоретически у фотонно-кристаллических ламп накаливания может доходить до 40 процентов.
Однако в лаборатории команде удалось достичь эффективности только 6,6%. Однако это предварительный результат, и при дальнейшей настройке он может быть значительно увеличен. Уже сейчас вроде лучше, чем у большинства КЛЛ и светодиодов.
Исследователи Массачусетского технологического института утверждают, что этот метод «рециркуляции света» может быть применен к другим тепловым системам, таким как термофотовольтаика.Эти устройства поглощают энергию солнца или какого-либо другого источника, а затем излучают это тепловое излучение в виде света, который улавливается обычной фотоэлектрической (ФЭ) системой. Приложения для освещения, по крайней мере, на данный момент, кажутся наиболее многообещающими. Кто бы мог подумать, что мы напишем об исследованиях в области лампы накаливания в 2016 году. Я думаю, это просто показывает, что все еще существует огромное сокровище, похороненное в, казалось бы, устаревших технологиях.
Раздел D: Энергоэффективность и второй закон термодинамики — Энергетическое образование: концепции и практика
Первый закон термодинамики гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, ее можно только преобразовать из одной формы в другую.Это может означать, что мы всегда можем преобразовывать энергию в любую нужную нам форму, даже не беспокоясь об использовании наших энергетических ресурсов.
Однако не вся энергия преобразуется в желаемую форму энергии (например, в свет). Хотя количество энергии одинаково до и после преобразования, качество отличается. Внутри лампы накаливания закреплена тонкая проволочная нить.Когда лампочка включена, электрический ток проходит через нить накала, нагревая ее настолько, что она излучает свет. Тепловую энергию, производимую лампочкой, часто называют потраченным впустую теплом, потому что эту форму энергии трудно использовать для выполнения работы.
Энергия, которая тратится впустую, когда светит лампочка, иллюстрирует второй закон термодинамики, который гласит, что при каждом преобразовании энергии из одной формы в другую часть энергии становится недоступной для дальнейшего использования.Применительно к лампочке второй закон термодинамики гласит, что 100 единиц электрической энергии не могут быть преобразованы в 100 единиц световой энергии. Вместо 100 единиц, которые используются для генерации света, 95 необходимы для нагрева нити. ПРИМЕЧАНИЕ: Есть и другие соображения при разработке и использовании эффективных устройств преобразования, такие как затраты и государственные субсидии.
Энергоэффективность
С точки зрения энергии, эффективность означает, какая часть заданного количества энергии может быть преобразована из одной формы в другую полезную форму.То есть, сколько энергии используется для того, что предназначено (например, для получения света), по сравнению с тем, сколько теряется или «тратится впустую» в виде тепла. Формула энергоэффективности — это количество полезной энергии, полученной в результате преобразования, деленное на энергию, которая ушла на преобразование (эффективность = полезная выходная энергия / входная энергия). Например, большинство ламп накаливания имеют КПД только 5 процентов (КПД 0,05 = f единиц света / 100 единиц электроэнергии).
Из-за неизбежного соблюдения второго закона термодинамики ни одно устройство преобразования энергии не является эффективным на 100 процентов.Даже природные системы должны соответствовать этому закону (см. «Энергия через нашу жизнь» — Раздел D. Поток энергии в экосистемах )
Большинство современных устройств преобразования, таких как лампочки и двигатели, неэффективны. Количество полезной энергии, получаемой в результате процесса преобразования (выработка электроэнергии, освещение, обогрев, движение и т. Д.), Значительно меньше первоначального количества энергии. Фактически, из всей энергии, которая используется в таких технологиях, как электростанции, печи и двигатели, в среднем только около 16 процентов преобразуется в практические формы энергии или используется для создания продуктов.Куда подевались остальные 84 процента? Большая часть этой энергии теряется в виде тепла в окружающую атмосферу.
Вам может быть интересно, почему не произошло улучшений, если есть много возможностей для повышения эффективности? |
Одна из причин заключалась в том, что, когда впервые были изобретены лампочки и другие устройства преобразования, источники энергии казались обильными, и не было особой озабоченности по поводу отходящего тепла, которое они производили, поскольку их основное предназначение (свет , движение и электричество).
Однако, поскольку становится очевидным, что источники энергии — в первую очередь ископаемое топливо — которые мы используем, действительно ограничены, одна из целей технологии заключалась в том, чтобы сделать устройства и системы преобразования более эффективными.
Лампочка — это один из примеров преобразователя, для которого были разработаны более эффективные альтернативы. Одна альтернатива, компактная люминесцентная лампа (КЛЛ), была коммерчески представлена в 1980-х годах. Вместо использования электрического тока для нагрева тонких нитей в КЛЛ используются трубки, покрытые флуоресцентными материалами (называемыми люминофорами), которые излучают свет при электрическом возбуждении.Несмотря на то, что они излучают одинаковое количество света, 20-ваттная лампа CFL кажется более прохладной, чем 75-ваттная лампа накаливания. КЛЛ преобразует больше электроэнергии в свет и меньше — в отходящее тепло. Типичные лампы накаливания имеют КПД от 55 до 70 процентов, что делает их в три-четыре раза более эффективными, чем обычные лампы накаливания с КПД менее 20 процентов. Другая альтернатива, светоизлучающий диод (LED), стала более распространенной и доступной в последние годы. Светодиоды объединяют токи с положительным и отрицательным зарядом, создавая энергию, выделяемую в виде света.Светодиоды имеют КПД от 75 до 95 процентов, что делает их в четыре-пять раз более эффективными, чем лампы накаливания. Светодиодные лампы также могут прослужить от 20 000 до 50 000 часов, что в пять раз дольше, чем у любой сопоставимой лампочки.
Одна компактная люминесцентная лампа (КЛЛ) мощностью 20 Вт по сравнению с лампой накаливания мощностью 75 Вт экономит около 550 кВтч электроэнергии в течение всего срока службы. Если электричество производится на угольной электростанции, эта экономия составляет около 500 фунтов угля.Если каждое домашнее хозяйство в Висконсине заменит одну 75-ваттную лампу накаливания на 20-ваттную компактную люминесцентную лампу, будет сэкономлено достаточно электроэнергии, чтобы электростанцию, работающую на угле, мощностью 500 мегаватт вывести из эксплуатации.
Представьте, что сэкономит, заменив их все на светодиоды!
Установка эффективных лампочек — это всего лишь одно действие, которое люди могут предпринять для повышения эффективности системы. Другие эффективные электрические приборы, такие как водонагреватели, кондиционеры и холодильники, доступны и становятся все более доступными.Вы можете легко распознать энергоэффективные приборы по этикетке EnergyStar ® . Выключение света и других устройств, когда они не используются, также снижает нагрузку на систему. Таким образом, люди — будь то инженеры, улучшающие устройство преобразования энергии, или дети, выключающие свет в доме, — могут внести значительный вклад в энергосбережение. (Взято из KEEP Energy Education Activity Guide «Уменьшение прибыли»)
Тепло передается в окружающую среду во время всех преобразований энергии.
Примеры включают:
При каждом преобразовании энергии передаваемое тепло приводит к небольшому увеличению тепловой энергии в окружающей среде. Другими словами, эта тепловая энергия «теряется» в окружающей среде (в конечном итоге теряется в космосе!) И непригодна для использования.
Второй закон термодинамики
Во время передачи энергии может показаться, что энергия уходит или уменьшается. Например, прыгающий мяч перестает подпрыгивать, батарея умирает или в машине заканчивается топливо.Энергия все еще существует, но она настолько разрослась, что практически недоступна. При сжигании куска дерева высвобождается световая и тепловая энергия (обычно называемая теплом). Свет и тепло рассеиваются и становятся менее полезными. Другой способ описать этот процесс — сказать, что энергия концентрируется в древесине (химическая энергия) и становится менее концентрированной в формах тепловой и световой энергии.
Вернемся к обезумевшему коту в комнате с загадкой. Хотя вы можете найти все части головоломки после действий кошки, вы не сможете собрать ее полностью.
Некоторые части были согнуты, другие разорваны, а некоторые — кота, ну, дайте волю своему воображению. Другими словами, хотя количество головоломки осталось прежним, ее качество было скомпрометировано. Эта история о кошке — грубая аналогия второму закону термодинамики.
Следующий набор утверждений представляет собой различные способы выражения второго начала термодинамики:
Намного легче проиллюстрировать примеры второго начала термодинамики. Простое включение лампочки показывает, что помимо света выделяется тепло.Также попробуйте уловить свет или тепло, чтобы проделать дополнительную работу. Тяжело, не правда ли?
Рассмотрим цитату Пола и Энн Эрлих:
«Энергия наиболее пригодна для использования там, где она наиболее сконцентрирована — например, в сильно структурированных химических связях (бензин, сахар) или при высокой температуре (пар, падающий солнечный свет [sic] ). Поскольку второй закон термодинамики гласит, что Общая тенденция во всех процессах — это уход от концентрации, от высокой температуры, это говорит о том, что в целом все больше и больше энергии становится все менее и менее пригодным для использования.»
Ученые и изобретатели на протяжении многих лет осознавали эту тенденцию к «потере энергии» и стремились ее преодолеть. Они всегда терпели поражение. Распространенное изобретение, которое пытаются противостоять законам термодинамики, называется вечным двигателем. Идея, лежащая в основе этой машины, заключается в том, что движение машины обеспечивает энергию для продолжения движения машины. (А?) Другими словами, как только машина начинает работать, никакой дополнительной энергии не требуется (машина вырабатывает свою собственную энергию).Думаешь, это сработает? Следующий раздел — Энергетические правила ! В разделе E. Действия и эксперименты будут рассмотрены вечные двигатели.
Последние мысли об энергетических правилах
Энергию часто называют валютой жизни.
Он проходит через процессы Земли, создавая ветер, обеспечивая свет и позволяя растениям создавать пищу из воды и воздуха (углекислый газ). Люди подключились к этому потоку, чтобы производить электричество, заправлять наши автомобили и обогревать наши дома.Солнце обеспечивает Землю большей частью своей энергии. Студентам важно распознавать и ценить этот источник энергии и исследовать преобразования, которые приносят солнечный свет в их дом в форме света, тепла, пищи и топлива. Нам повезло, что у нас много «концентрированных» источников энергии. Помимо солнца, химическая энергия содержится в ископаемых видах топлива, таких как уголь и нефть, а также в ядерных ресурсах.
В то время как количество энергии в нашем мире остается постоянным, по мере того, как мы ее используем (передаем ее из одной формы в другую), она становится все менее полезной.Энергия также дает нам возможность работать. Благодаря образованию и осознанию того, что такое энергия и как мы ее используем, мы можем научиться (т. Е. Работать) более разумно использовать наши сконцентрированные ресурсы и гарантировать, что они будут доступны для будущих поколений.
Электроэнергия лампы накаливания
Лампа накаливания, также известная как лампа накаливания, представляет собой электрический свет с проволочной нитью накаливания, которая дает свет, когда через нее проходит ток. Лампы накаливания дешево производить, но они очень неэффективны, так как они преобразуют в свет только 5% энергии.
Нажмите кнопку «Рассчитать», чтобы узнать стоимость электроэнергии одной лампочки накаливания, работающей на 60 Вт за 5 часов в день по 0,10 доллара США за кВт · ч. Помните, что вы можете редактировать числа в калькуляторе.
Часов в день: Введите, сколько часов устройство используется в среднем в день, если потребление энергии меньше 1 часа в день, введите десятичное число. (Например: 30 минут в день — 0,5)
Power Use (Watts): Введите среднее энергопотребление устройства в ваттах.
Цена (кВтч): Введите стоимость, которую вы платите в среднем за киловатт-час, наши счетчики используют значение по умолчанию 0,10 или 10 центов. Чтобы узнать точную цену, проверьте свой счет за электроэнергию или взгляните на Глобальные цены на электроэнергию.
Сравнение светодиодных, КЛЛ и ламп накаливания:
| LED | CFL | Лампа накаливания | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Срок службы в часах | 10,000 | 9,000 | 1,000 | ||||
| Ватт (эквивалент 60 Вт) 1416 6010 9020 | 902 9020 | 902 9020 Стоимость лампочки | 2 доллара.50 | 2,40 долл. США | 1,25 долл. США | ||
| Суточная стоимость * | 0,005 долл. США | 0,007 долл. США | 0,03 долл. США | ||||
| Годовая стоимость * | долл. США 1,83 | 6долл. | $ 50 | $ 70 | 300 $ | ||
| Лампы, необходимые на 50 тыс. Часов | 5 | 5,5 | 50 | ||||
| Общая стоимость 50 тыс. Часов с ценой лампы | 62 доллара.50 | 83,20 долл. США | 362,50 долл. США |
* При условии 5 часов в день по цене 0,10 долл. США за кВтч.
Лампы накаливания больше определенной мощности сняты с продажи во многих регионах, так как они не очень энергоэффективны. Если вы все еще используете лампы накаливания, настоятельно рекомендуется переключиться на светодиодное или CFL-освещение, чтобы сэкономить электроэнергию и продлить срок службы ваших лампочек.
Большая книга о лампочках в Интернете, часть I
Большая книга о лампочках в Интернете, часть IБольшая книга о лампочках в Интернете, часть I
Лампы накаливания, включая галогенные лампы
Авторские права (C) 1996, 2000, 2005, 2006 Дональд Л.Клипштейн (младший) ([email protected])Бесплатное распространение копий всего документа или текста без HTML их версии разрешены и приветствуются.
История ламп накаливания
Считается, что Томас Альва Эдисон изобрел первый разумно практичная лампа накаливания, использующая углеродную нить в колба, содержащая вакуум. Первое успешное испытание Эдисона произошло в 1879 году.Были и более ранние лампы накаливания, такие как одна из произведений Генриха Гебеля. с углеродной нитью в 1854 году.Эта лампа накаливания имела карбонизированный бамбуковая нить и была упомянута как срок службы до 400 часов. По меньшей мере некоторые источники считают Гебеля изобретателем лампы накаливания.
Джозеф Уилсон Свон начал делать лампы накаливания на углеродной основе в 1850 году и сделал один в 1860 году, который был работоспособен, за исключением чрезмерно короткая жизнь из-за плохого вакуума. Он сделал более удачные лампы накаливания. после того, как в середине 1870-х годов стали доступны более совершенные вакуумные насосы.
С тех пор лампа накаливания была усовершенствована за счет использования тантала.
а позже — вольфрамовые нити, которые испаряются медленнее, чем углерод.
В наши дни лампы накаливания по-прежнему производятся с вольфрамовой нитью.
Основные принципы
Нить лампы накаливания — это просто резистор. Если При подаче электроэнергии она преобразуется в нити накала в тепло. В температура нити накала повышается до тех пор, пока она не избавится от тепла с той же скоростью это тепло генерируется в нити накала. В идеале нить накаливания получает избавиться от тепла, только излучая его, хотя небольшое количество тепла энергия также удаляется из нити за счет теплопроводности.Температура нити очень высокая, обычно более 2000 градусов. Цельсия, или, как правило, более 3600 градусов по Фаренгейту. В «стандарте» Лампа на 75 или 100 ватт, 120 вольт, температура нити примерно 2550 градусов Цельсия, или примерно 4600 градусов по Фаренгейту. При высоких температурах таким образом, тепловое излучение нити накала включает в себя значительную количество видимого света.
Для получения дополнительной информации о лампах накаливания посетите эти страницы на Bulbs.com:
Лампа накаливания Работа лампы
В лампа накаливания главная страница в «Университете Лампочки» в Лампочке.com.
Световая отдача
В «стандартной» лампе 120 В, 100 Вт с номинальной светоотдачей 1750 люмен, эффективность — 17,5 люмен на ватт. Это сравнивает плохо до «идеала» 242,5 люмен на ватт для одного идеализированного типа белого света, или 683 люмен на ватт в идеале для желтовато-зеленого длина волны света, к которой человеческий глаз наиболее чувствителен.Другие типы ламп накаливания имеют различную эффективность, но все они обычно имеют эффективность около 35 люмен на ватт или ниже.Большинство бытовых ламп накаливания имеют эффективность от 8 до 21 люмен на каждый. ватт. Более высокая эффективность около 35 люмен на ватт достигается только с фотографические и проекционные лампы с очень высокой температурой нити накала и короткий срок службы от нескольких часов до примерно 40 часов.
Причина такой низкой эффективности заключается в том, что вольфрамовые нити излучать в основном инфракрасное излучение при любой температуре, которую они могут выдержать. Идеальный тепловой радиатор излучает больше всего видимого света. эффективно при температурах около 6300 по Цельсию (6600 по Кельвину или 11500 градусов Цельсия). градусов по Фаренгейту).Даже при такой высокой температуре многие излучение либо инфракрасное, либо ультрафиолетовое, и теоретическое светоотдача 95 люмен на ватт.
Конечно, ничто, известное людям, не является прочным и пригодным для использования в качестве лампочки. нить накала при температурах, близких к этой. Поверхность солнца не совсем так жарко.
Существуют и другие способы эффективного излучения теплового излучения с использованием более высокие температуры и / или вещества, которые лучше излучают в видимой области длин волн, чем невидимые.Это описано в Части II Великого Интернет-магазин лампочек, газоразрядные лампы. Эффективность лампы накаливания можно повысить, увеличив температура нити, из-за чего она быстрее выгорает.
Вакуумные и газонаполненные лампы
Сначала делали лампы накаливания с вакуумом внутри. Воздуха окисляет нить при высоких температурах. Позже было обнаружено, что заполнение колбы инертным газом, например аргон или смесь аргона с азотом замедляют испарение нити.Атомы вольфрама, испаряющиеся из нити, могут возвращаться обратно в филамент атомами газа. Нить может работать при более высоких температурах. с наполняющим газом, чем с вакуумом. Это приводит к более эффективному излучению видимого света. Так почему же некоторые лампы все еще производятся с использованием вакуума? Причина заключается в том, что наполняющий газ отводит тепло от нити накала. Это проводимое тепло это энергия, которая не может излучаться нитью накала и теряется или тратится впустую. Этот механизм снижает эффективность лампы накаливания по выработке излучения.Если это не компенсируется преимуществом эксплуатации нити накала при более высокой температура, то колба более эффективна с вакуумом. Одним из свойств теплопроводности нити накала в газ является
странный факт, что количество проводимого тепла примерно пропорционально
длина нити, но не сильно зависит от диаметра нити. В
причина, по которой это происходит, выходит за рамки этого документа.
Однако это означает, что лампы с тонкими нитями и меньшими токами
более эффективен с вакуумом и более мощными лампами с более толстыми нитями
более эффективны с наполняющим газом.Точка безубыточности кажется очень
примерно 6-10 Вт на сантиметр нити накала. (Это может варьироваться в зависимости от
температура нити и другие факторы. Точка безубыточности может быть выше
в лампах большего размера, где конвекция может увеличить отвод тепла от нити
за счет газа.)
Иногда используются высококачественные заправочные газы, такие как криптон или ксенон. Эти
у газов есть более крупные атомы, которые лучше отскакивают от испаренных атомов вольфрама
обратно к нити. Эти газы также проводят меньше тепла, чем аргон.Из этих
два газа, лучше ксенон, но дороже. Любой из этих газов будет
значительно продлить срок службы лампы или привести к некоторым улучшениям
по эффективности, или и то, и другое. Часто стоимость этих газов делает его неэкономичным.
использовать их.
Как перегорают лампочки
Из-за высокой температуры, при которой эксплуатируется вольфрамовая нить, часть вольфрама испаряется во время использования. Кроме того, поскольку нет света колба идеальна, нить не испаряется равномерно. Некоторые пятна будут испаряются сильнее и становятся тоньше, чем остальная нить.Эти тонкие пятна вызывают проблемы. Их электрическое сопротивление больше чем у средних частей нити. Поскольку ток равен во всех частях нити накала выделяется больше тепла там, где нить тоньше. Тонкие детали также имеют меньшую площадь поверхности для излучения тепла. прочь с. Этот «двойной удар» заставляет тонкие пятна иметь более высокий температура. Теперь, когда тонкие пятна стали горячее, они испаряются сильнее. быстро.
Становится очевидным, что как только часть нити становится значительно тоньше, чем остальная часть, эта ситуация усугубляется на увеличивающейся скорости, пока тонкая часть нити не расплавится или становится слабым и ломается.
Почему часто перегорают лампочки при включении
Многие люди задаются вопросом, что происходит, когда вы включаете свет. Это часто обидно, что слабая стареющая лампочка не перегорит до следующего раз ты его включишь.Ответ здесь с этими тонкими пятнами на нити накала. Поскольку у них есть меньше массы, чем у менее испаренных частей нити, они нагреваются быстрее. Частично проблема заключается в том, что вольфрам, как и большинство металлов, имеет меньшее сопротивление в холодном состоянии и большее сопротивление в холодном состоянии. горячей.Это объясняет скачок тока, который тянут лампочки, когда они впервые включил.
Когда тонкие пятна достигнут температуры, пробегая, более толстые и тяжелые части нити еще не достигли их конечная температура. Это означает, что сопротивление нити по-прежнему немного слабый и чрезмерный ток все еще течет. Это вызывает более тонкий части нити накаливания, чтобы она стала еще горячее, в то время как остальная часть нити накаливается. все еще разогревается.
Это означает, что тонкие точки, которые в любом случае становятся слишком горячими, становятся еще горячее. когда более толстые части нити еще не полностью прогрелись.Вот почему слабые стареющие лампочки не выдерживают включения.
Почему выгорание иногда бывает настолько впечатляющим
При обрыве нити иногда образуется дуга. Поскольку нынешний протекающий через дугу также протекает через нить накала в это время, на двух частях нити накала есть градиент напряжения. Этот градиент напряжения часто вызывает расширение этой дуги, пока она не пройдет через целая нить.Теперь рассмотрим немного неприятную характеристику большинства электрических дуг.Если вы увеличиваете ток, проходящий через дугу, она нагревается, что делает он более проводящий. Очевидно, это может сделать ситуацию немного нестабильной, поскольку более проводящая дуга потребляет еще больше тока. Дуга легко становится достаточно проводящим, чтобы потреблять несколько сотен ампер тока. В этот момент дуга часто плавит те части нити, которые заканчиваются. дуги горят, и дуга светится очень яркой голубой вспышкой. Большинство бытовых лампочек имеют встроенный предохранитель, состоящий из тонкой область в одном из внутренних проводов.Чрезвычайный ток, потребляемый перегорающая дуга часто перегорает этот встроенный предохранитель. Если бы не этот предохранитель, люди часто перегорают предохранители или срабатывают автоматические выключатели из-за света лампочки перегорают.
Хотя внутренний предохранитель лампочки обычно защищает дом предохранители и автоматические выключатели, он может не защитить более деликатные электроника, часто встречающаяся в диммерах и электронных переключающих устройствах от скачков тока, вызванных «дугами перегорания».
Насколько сильно тянутся электрические лампочки при включении
Хорошо известно, что нить накаливания холодной лампочки меньше сопротивление, чем горячее.Следовательно, лампочка потребляет чрезмерный ток. пока нить не нагреется.Так как нить накала может потреблять в десять раз больше тока, чем обычно когда холодно, некоторых беспокоит излишняя энергия расход от включения лампочек.
Степень этого явления стала предметом городского фольклора. Тем не менее нить очень быстро нагревается. Количество энергии, затрачиваемой на разогревание простуды. нити накала меньше, чем она потребляла бы за одну секунду нормальной работы.
Увеличение срока службы ламп
Долговечные лампы
Многие лампочки предназначены для работы с немного более низкой нитью накала. температура, чем обычно. Это продлевает срок службы ламп с небольшим снижение КПД.Пониженная мощность
Уменьшение напряжения, подаваемого на лампочку, приведет к уменьшению нити накала. температура, что приводит к резкому увеличению продолжительности жизни.Для этого было продано одно устройство — обычный кремниевый диод, встроенный в колпачок. это сделано, чтобы приклеиться к основанию лампочки.Диод пропускает ток только в одном направлении, в результате чего лампа получает мощность только 50 процентов времени, если он работает от переменного тока. Это эффективно снижает приложенное напряжение примерно на 30 процентов. (Уменьшение напряжения до исходного значение, умноженное на квадратный корень из 0,5, дает такое же энергопотребление при подаче полного напряжения в половину времени.) Ожидаемый срок службы увеличивается очень драматично. Однако потребление энергии снижается примерно на 40 процентов (не 50, так как более холодная нить имеет меньшее сопротивление) и свет производительность снижается примерно на 70 процентов (более холодные волокна меньше эффективен при излучении видимого света).
Устройства плавного пуска
Поскольку лампочки обычно перегорают во время скачка тока, который возникает, когда они включены, можно было бы ожидать, что устранение всплеска спасет лампочки.На самом деле такие устройства есть. Как и диодные, они доступен в форме, которая встроена в колпачки, которые можно наклеить на кончик цоколя лампочки. Эти устройства имеют «отрицательную температуру». «термисторы с коэффициентом» «, которые представляют собой резисторы с сопротивлением, равным уменьшаются при нагревании.
Когда лампа запускается в первый раз, термистор холодный и имеет умеренное высокое сопротивление, ограничивающее ток, протекающий через лампочку. Электрический ток протекая через сопротивление термистора, вырабатывается тепло, и сопротивление термистора уменьшается. Это позволяет току увеличиваться в довольно постепенно, и нить нагревается равномерно.
Однако это продлевает срок службы ламп меньше, чем можно было бы подумать. Если на нити есть тонкие пятна, которые не выдерживают скачка тока, возникает при включении лампочки, значит, нить накала уже очень плохая форма.В это время тонкие пятна значительно горячее, чем более толстые части нити и довольно быстро испаряются. В качестве описанный ранее, этот процесс ускоряется. Если тонкие пятна защищенная от скачков, срок службы лампы будет продлен только на несколько процентов.
Дополнительное продление срока службы происходит только потому, что термистор сохраняет достаточно сопротивление, чтобы привести к достаточному количеству тепла, чтобы поддерживать его в достаточной степени проводящим. Этот сопротивление немного снижает мощность лампы, несколько продлевая срок ее службы и сделав его немного тусклее.
Работа постоянного и переменного тока
Поскольку атомы вольфрама испаряются из нити, очень небольшой процент из них ионизируются небольшим количеством коротковолнового ультрафиолетового света. излучение нитью накала, электрическое поле вокруг нити или свободными электронами, которые покидают нить за счет термоэлектронной эмиссии. Эти ионы вольфрама заряжены положительно и, как правило, оставляют положительный конец нити накала и притягиваются к отрицательному концу нити. В результате лампочки, работающие на постоянном токе, имеют этот специфический механизм. это может вызвать неравномерное испарение нити.Этот механизм обычно не имеет значения, хотя о нем сообщалось что у лампочек иногда есть небольшое измеримое сокращение срока службы от постоянного тока в противоположность от переменного тока.
В некоторых случаях работа от сети переменного тока может сократить срок службы лампы, но это редко. В редких случаях переменный ток может вызвать достаточно сильную вибрацию нити, чтобы значительно сократить срок его службы. В некоторых других редких случаях, связанных с очень тонкие нити, температура нити значительно варьируется на всем протяжении каждый цикл переменного тока, а пиковая температура нити значительно выше чем средняя температура нити накала.
Обычно ожидаемый срок службы лампочки составляет примерно одинаковы для постоянного и переменного тока.
Почему за продление срока службы ламп часто не окупается
Возможно, вы слышали, что срок службы лампочки составляет примерно обратно пропорционально 12-й или 13-й степени приложенного напряжения. И эта потребляемая мощность примерно пропорциональна напряжению на От 1,4 до 1,55 мощности, и этот световой поток примерно пропорционален мощности От 3,1 до 3,4 мощности подаваемого напряжения. Это сделало бы светящийся КПД примерно пропорционален приложенному напряжению до 1.55 в 2-й степени приложенного напряжения.Теперь, если небольшое снижение приложенного напряжения приводит к небольшому умеренная потеря эффективности и значительное увеличение срока службы, как это могло стоить вам дороже?
Ответ в том, что электричество, потребляемое обычным бытовая лампочка в течение срока службы обычно стоит во много раз дороже, чем лампочка делает. Лампочки настолько дешевы по сравнению с потребляемой ими электроэнергией в течение их жизни, чтобы сделать их более эффективными, нити становятся достаточно горячими, чтобы сгореть всего за несколько сотен до около тысячи часов или около того.
Вот пример с реальными цифрами (в долларах США в 1996 году):
Предположим, у вас есть 10 «стандартных» лампочек на 100 Вт и 120 В с номинальным сроком службы. 750 часов. Такие лампы обычно стоят около 75 центов в США. электричество, используемое всеми десятью лампочками, составляет 1 киловатт, что обычно стоит около 9 центов в час (примерно в среднем по США).За 750 часов это будет стоить (в среднем) 67,50 долларов за электричество. плюс 7,50 долларов за 10 лампочек или 75 долларов.
Теперь предположим, что вы используете эти лампочки с напряжением 110 вольт вместо 120.
Эти лампы потребляют около 87,8 Вт вместо 100. Однако они
будет производить только 76 процентов своей нормальной светоотдачи (и это
слегка оптимистичная цифра). Чтобы восстановить исходную светоотдачу, вам потребуется
13 таких лампочек. (И это будет немного короче.) Использование 13 лампочек
которые потребляют 87,8 Вт каждая, потребляемая мощность составляет 1141 Вт.
Более 750 часов по цене 9 центов за киловатт-час, это будет стоить 77 долларов. Это больше чем
стоимость работы 10 лампочек на полном напряжении в 75 долларов, даже если лампочки никогда не
перегорят при 110 вольт.
При 110 В вместо 120 ожидаемый срок службы лампочек может быть меньше.
утроился. Одна треть от 13 умноженных на 75 центов составляет около 3,25 доллара, что добавляет к 77 долларам.
затраты на электроэнергию, в результате чего средняя общая стоимость составит 80,25 долларов за 750
часы.
Этот пример должен объяснить, почему вы часто получаете больше света с наименьшими затратами.
деньги, используя стандартные лампочки, а не более долговечные.
Как минимизировать затраты на освещение
Лампы с более высокой мощностью обычно более эффективны, чем лампы с меньшей мощностью.Одна из причин этого заключается в том, что более толстые нити могут работать при более высокая температура, которая лучше для излучения видимого света.Другая причина заключается в том, что, поскольку лампы с более высокой мощностью заставят вас использовать меньше лампочек, вы покупаете меньше лампочек, и стоимость ламп становится меньше важный. Для оптимизации затрат в случае более высокой мощности лампочки, нити накаливания рассчитаны на еще более высокую температуру, чтобы улучшить энергию эффективность для снижения затрат на электроэнергию.
Лампы меньшего размера потребляют меньше электроэнергии на штуку, что увеличивает стоимость лампочки. важный.Вот почему лампы с меньшей мощностью часто рассчитаны на 1500 часов. до нескольких тысяч часов вместо 750 — 1000 часов. Дизайн лампочек более длительный срок службы снижает их светоотдачу и энергоэффективность.
Чтобы свести к минимуму затраты на электричество и лампочки, вы должны использовать как можно меньше по возможности используйте лампы большей мощности. Чтобы получить такое же количество свет с лампами меньшей мощности, вам нужно больше электричества и больше луковицы.
Еще лучший способ сократить расходы на освещение — использовать люминесцентные лампы, компактные люминесцентные или HID (ртутные, металлогалогенные или натриевые) лампы, так как они в 3-5 раз эффективнее ламп накаливания.
Галогенные лампы
Галогенный цикл, Что такое галогенные лампы?
Галогенная лампа — это обычная лампа накаливания с некоторыми модификациями. Наполняющий газ содержит следы галогена, часто, но не обязательно, йода. Назначение этого галогена — возвращать испаренный вольфрам в нить накала.Поскольку вольфрам испаряется из нити накала, он обычно конденсируется на внутренней поверхность колбы. Галоген химически активен и соединяется с это осаждение вольфрама на стекле с образованием галогенидов вольфрама, которые довольно легко испаряются.Когда галогенид вольфрама достигает нити накала, сильный нагрев нити вызывает разрушение галогенида, высвобождая вольфрам обратно в нить накала.
Этот процесс, известный как цикл галогена, продлевает срок службы нити накала. в некотором роде. Проблемы с неравномерным испарением нити и неравномерным отложением вольфрам на нити за счет галогенного цикла, что ограничивает способность галогенного цикла продлевать срок службы лампы. Тем не менее галогенный цикл сохраняет внутреннюю поверхность лампы чистой.Это позволяет галогенам лампы остаются близкими к полной яркости с возрастом.
Для работы галогенного цикла поверхность лампы должна быть очень горячей, обычно выше 250 градусов по Цельсию (482 градуса по Фаренгейту). Галоген может не испаряются должным образом или не реагируют должным образом с конденсированным вольфрамом если лампочка слишком холодная. Это значит, что лампочка должна быть маленькой и сделанной кварца или известного высокопрочного жаростойкого стекла как «твердое стекло».
Поскольку колба маленькая и обычно довольно прочная, ее можно заполнять с газом до более высокого давления, чем обычно.Это замедляет испарение нити. К тому же небольшой размер колбы иногда делает ее экономично использовать заправочные газы премиум-класса, такие как криптон или ксенон, вместо более дешевый аргон. Более высокое давление и лучшие заполняющие газы могут продлить срок службы лампы и / или допускайте более высокую температуру нити накала, что приводит к в более высокой эффективности. Любое использование заправочных газов премиум-класса также приводит к меньшему нагреву проводится от нити накала заполняющим газом, что означает, что больше энергии уходит нить накала из-за излучения, что означает небольшое повышение эффективности.
Срок службы и эффективность галогенных ламп
Галогенная лампа часто на 10-20 процентов эффективнее обычной лампа накаливания с таким же напряжением, мощностью и продолжительностью жизни. Галоген лампы также могут иметь в два-три раза больший срок службы, чем обычные лампы, иногда также с повышением эффективности до 10 процентов. Сколько срок службы и эффективность улучшаются во многом зависит от того, используется наполняющий газ (обычно криптон, иногда ксенон) или аргон.Режимы отказа галогенной лампы
Галогенные лампы обычно выходят из строя так же, как и обычные лампы накаливания. это происходит, как правило, из-за плавления или разрыва тонкого пятна стареющей нити.На нитях галогенных ламп могут образовываться тонкие пятна, так как нити могут испаряться неравномерно, и цикл галогена не откладывается повторно испаренный вольфрам безупречно, равномерно и не всегда в частях нить накала, испарившаяся больше всего.
Однако существуют и дополнительные виды отказов.
Один из видов отказа — образование надрезов или сужение нити. С конца нить накала немного крутая там, где нить прикреплена к выводу проводов, галоген атакует нить накала в этих точках. Тонкие пятна становятся более горячими, что останавливает эрозию в этих точках. Однако часть нити накаливания даже ближе к конечным точкам остаются холодными и продолжают страдать эрозия. Это не так уж и плохо при непрерывной работе, так как тонкий пятна не перегреваются. Если этот процесс будет продолжаться достаточно долго, тонкий пятна могут стать достаточно слабыми, чтобы порваться под тяжестью нити.
Одна из основных проблем с «загнутыми» концами нити накала заключается в том, что они нагреваются быстрее, чем остальная часть нити, когда колба включенный. «Шеи» могут перегреться и оплавиться или сломаться во время протекания тока. всплеск, возникающий при включении лампочки. Использование устройства «плавного пуска» предотвращает перегрев «шейки», улучшая выживаемость лампочки «сужение». Устройства плавного пуска не сильно продлят срок службы галогенов. лампы, которые выходят из строя из-за более обычных «тонких пятен» нити накала, которые чрезмерно бегут горячей.
Некоторые галогенные лампы обычно перегорают из-за перегиба концов нити накала, а некоторые другие обычно могут выгорать из-за тонких горячих точек, образующихся на нити из-за к неравномерному испарению / восстановлению филамента. Поэтому некоторые модели могут иметь значительно увеличен срок службы от «мягкого пуска», а некоторые другие модели могут нет.
Обычно не рекомендуется прикасаться к галогенным лампам, особенно компактные, более горячие кварцевые. Органические вещества и соли не подходят для горячего кварца. Органические вещества, например жир, могут обугливаться, оставляя темный пятно, которое поглощает излучение нити накала и становится слишком горячим.Соли и щелочные материалы (например, зола) иногда могут «выщелачиваться» в горячие кварц, который обычно ослабляет кварц, так как щелочь и щелочь Ионы земельных металлов малоподвижны в горячих стеклах и горячем кварце. Загрязняющие вещества также могут вызвать кристаллизацию горячего кварца, ослабляя его. Любой из эти механизмы могут вызвать трещину или даже резкое разрушение лампы. Если прикоснулись к кварцевой галогенной лампе, ее следует очистить спиртом, чтобы удалите все следы смазки. Следы соли также будут удалены, если в спирте содержится немного воды.
Так как более горячие кварцевые галогенные лампы могут сильно при разрушении, их следует эксплуатировать только в подходящих полностью закрытых приспособлениях.
Использование галогенных ламп с диммерами
Затемнение галогенной лампы, как и любой другой лампы накаливания, значительно замедляет образование тонких пятен на нити из-за неровностей испарение филамента. Однако «сужение» или «надрез» на концах нить накала остается проблемой. Если вы приглушаете галогенные лампы, вам может понадобиться устройства «плавного пуска» для значительного увеличения срока службы лампы.Еще одна проблема с затемнением галогенных ламп заключается в том, что галогенные лампы Цикл лучше всего работает с лампой и нитью накала на определенном оптимальном уровне или близком к нему. температуры. Если лампа потускнела, галоген может не «очистить» внутренняя поверхность колбы. Или галогенид вольфрама, который может не верните вольфрам в нить накала. Галогенные лампы иногда известно, что он делает странные и пугающие вещи в сильном затемнении.
Галогенные лампы должны нормально работать при напряжении до 90% от номинального. для чего они были созданы.Если лампа находится в корпусе, сохраняющем тепла и устройства «плавного пуска», вероятно, будет хорошо работать даже при более низкие напряжения, такие как 80 процентов или, возможно, 70 процентов от номинального Напряжение. Однако не ожидайте значительного продления жизни, если только используется мягкий пуск. Даже при плавном пуске не ожидайте большего чем удвоить или, возможно, утроить срок службы любой уже рассчитанной галогенной лампы на 2000 часов и более. Даже при мягком пуске жизнь этих лампы, вероятно, не будут продолжать улучшаться, когда напряжение снизится до менее 90 процентов номинального напряжения лампы.
Диммеры можно использовать в качестве устройств плавного пуска, чтобы продлить срок службы любого
особые галогенные лампы, которые обычно выходят из строя из-за «сужения» концов
нить. Лампу можно прогреть за пару секунд.
секунд, чтобы избежать перегрева «суженных» частей нити из-за
скачок тока, возникающий при подаче полного напряжения на холодную нить накала.
После того, как лампа выживает после запуска, она работает на полную мощность или
независимо от уровня мощности, оптимизирующего цикл галогена (обычно почти на полную мощность)
Диммер может одновременно «плавно запускать» лампу и управлять ею при небольшой мощности.
пониженная мощность, комбинация, которая часто увеличивает срок службы галогенных ламп.Многие диммеры вызывают некоторое снижение мощности лампы, даже если они установлены.
на максимум.
(Предложение человека, который заводит дорогие медицинские лампы
включает диммер и сообщает об успехе в продлении срока службы дорогих
специальные лампочки от этого.)