Конструкция, преимущество и недостатки ламп накаливания

Виды

Сегодня существует большое количество разнообразных ламп, которые делятся по форме и покрытию колбы, назначению и наполнителю. Бывает шарообразной, цилиндрической, трубчатой и шароконической; прозрачной, зеркальной и матовой. Также есть световые источники общего, местного и кварцевогалогенного назначения. Кроме того, имеются вакуумные, аргоновые, ксеноновые, криптоновые и галогенные модели.


Прозрачные являются распространенными вариантами. Такие элементы считаются самыми дешевыми и эффективными, имеют неравномерный светопоток. Зеркальные модели являются наиболее результативными в плане освещения, поскольку покрытие формирует направленные светопоток. Матовые способны создавать мягкое и рассеивающее освещение для благоприятных условий работы и отдыха. Изделия, имеющие местное освещения, функционируют при двенадцати вольтном напряжении, что нужно, чтобы создать безопасные условия труда.

Обратите внимание! Подобные светильники нужны, чтобы освещать смотровые ямы в момент монтажа электрической гаражной проводки. Таблица типов ламп накаливания

Лампы общего назначения

Источники, имеющие общее назначения, самые массовые светоисточники, которые применяются, для того чтобы осветить квартиру или завод в сети с переменным током в 220 вольт и частотой до 50 герц. Бывают вакуумными, аргоновыми и криптоновыми. Эта же группа бывает неодимовой и криптоновой. По существу это обычные осветительные лампы. Стоит указать, что в момент изготовления неодимовых источников применяется неодимовая окись, поглощающая спектр света. Это улучшает световое качество.

Прожекторные лампы

Прожекторные источники ставятся на судовом, железнодорожном, театральном и другом прожекторе. Отличаются тем, что имеют увеличенный светопоток, могут быть дополнены светоотражателями, чтобы улучшать концентрацию светопучка.

Прожекторные светильники как один из видов

Зеркальные лампы

Зеркальные светоисточники отличаются тем, что имеют обычную форму колбы и специальное внутреннее покрытие балонной части. Это помогает собрать весь светопоток, который направлен в нужное русло. Они используются в промышленности, видеосъемке, фермерском хозяйстве и потолочном освещении ванной комнаты.

Галогенные лампы

Галогенные лампы работают от инертного газа, в который добавляется бром с йодом, чтобы защитить нить накаливания и повысить срок работы. Такие светоисточники обладают небольшим размером для применения их как наполнитель дорогостоящего инертного газа. Отличаются яркостью свечения, естественной цветопередачей, хорошим сроком службы и значительной световой отдачей, имеющей меньшие размеры.

Обратите внимание! Единственный минус в чувствительности и значительных перепадах сетевого напряжения. Галогенные светильники как один из видов

Советы по выбору и подключению

Выбирая светодиодную лампочку стоит учитывать не только мощность, но и вырабатываемый световой поток. Данные характеристики можно найти на упаковке. К примеру, лампа мощностью 60 Вт излучает поток 800 Лм, а на 100 Вт – 1600 Лм. Также рекомендуется учесть следующее:

  • цвет освещения. Перед покупкой нужно понять, какая лампа нужна, с теплым или холодным оттенком. Лампочка накаливания имеет характеристики 2700-2800К (теплые тона). Свечение с показателями 4000К имеет белый цвет. Для дома рекомендуется подбирать теплые тона, так как они подчеркнут домашний уют;
  • частота включения и выключения. Частое включение может повлиять на срок службы лампочки. Она может перегореть из-за некачественной электронной схемы. Существует мнение о том, что светодиодную лампу не стоит устанавливать в комнаты, в которых свет будет часто включаться и выключаться. Например, если нужна лампочка для санузла, стоит приобрести дорогую модель, так как дешевый аналог перегорит достаточно быстро;
  • совместимость с диммером. Диммер – это регулятор, с помощью которого можно регулировать интенсивность света. Далеко не все лампы совместимы с этим устройством.

Температура свечения LED-лампочки.

Чтобы не прогадать, перед покупкой лампочки её нудно внимательно осмотреть и проверить на наличие видимых дефектов

Также стоит обратить внимание не радиатор, он не должен быть наборным. От этого зависит срок службы изделия

Если он будет покрыт термопластиком, это лучший из вариантов. В момент включения лампа не должна мерцать. Если на глаз это незаметно, на неё следует посмотреть через камеру телефона. Мерцающую лампочку покупать не стоит.

Конструкция и принцип действия современных типов ламп

К современным устройствам освещения можно отнести галогенные, люминесцентные, энергосберегающие и светодиодные устройства. Рассмотрим каждый тип индивидуально.

Галогенные

Такие устройства представляют собой модернизированную версию классических ЛН. Колба такого устройства заполнена галогеном, который реагирует с испаряющимся по мере нагревания вольфрамом. Это позволяет продлить срок службы устройства. Кроме того, в галогенных лампах используется кварц. Галогенные осветительные приборы обычно обладают более высокими эксплуатационными характеристиками, нежели обычные ЛН.

Люминесцентные

Эти устройства именуют также лампами дневного света. Они имеют высокое качество цветопередачи, что позволяет использовать их в освещении витрин магазинов и стеллажей. В сравнении с ЛН люминесцентное устройство потребляет в 4–5 раз меньше энергии и имеет более высокий срок службы. Есть у них и свои недостатки — плохая работа при низких температурах и содержание вредных веществ (в т. ч. ртути) в некоторых моделях.

Энергосберегающие

Главная особенность энергосберегающих осветительных приборов – электронный блок, обеспечивающий как загорание, так и работу лампы. Такое устройство отличается более стабильной работой, пониженным энергопотреблением, огромным сроком службы и широким ассортиментом доступной цветовой гаммы.

Светодиодные

В конструкции таких ламп используются полупроводниковые кристаллы: именно они создают свечение при пропускании через себя электрического тока. В сравнении с теми же галогенными устройствами, светодиодные примерно в 4–7 раз более эффективны, а по сроку службы такое устройство может «дотянуть» до 50 000 часов. Единственным недостатком светодиодных ламп принято считать их высокую стоимость, однако, учитывая экономию на обслуживание и потребление, в долговременной перспективе их приобретать гораздо выгодней.

Вот мы и узнали, что такое лампочка, рассмотрели большинство типов современных и не очень вариантов. Надеемся, что теперь вы имеете общее представление об особенностях их эксплуатации.

Излучение и КПД лампочки накаливания

Прежде чем разобраться с вопросом применимости формулы для обсчета режимов “малого напряжения”,  следует акцентировать внимание на один момент. Лампочка представляет собой почти идеальный преобразователь электрической мощности в лучистую  энергию

Лампочка представляет собой почти идеальный преобразователь электрической мощности в лучистую  энергию.

То обстоятельство, что разработчики лампочек упорно бьются за повышение КПД лампочки, никоим  образом не влияет на данное утверждение. Лампа накаливания – идеальный преобразователь электрической мощности в излучение.

Дело в том, что разработчики стремятся повысить выход СВЕТОВОЙ энергии, и именно в этом смысле  вычисляют КПД. Разработчик стремится повысить коэффициент преобразования электрической  мощности именно в СВЕТОВОЕ излучение, в излучение, находящееся в видимом диапазоне.


Этот КПД у лампочки действительно МАЛ. Однако лампочка прекрасно излучает ВО ВСЕМ спектре и очень много в инфракрасном диапазоне, там, где наш глаз не видит.

Для расчета сугубо электрических параметров нам совершенно не важно, В КАКОМ диапазоне излучает лампочка. Нам важно лишь помнить, что лампочка ИЗЛУЧАЕТ ВСЕГДА, если только на нее подано хоть какое-то (пусть даже самое малое) напряжение

И важно помнить, что подводимая мощность рассеивается именно в форме излучения.

Сколько электрической мощности подано на лампу, именно ТАКАЯ мощность и рассеется в форме излучения.

Закон сохранения энергии никто не отменял и второй закон термодинамики тоже никто не отменял. А значит, сколько прибыло – столько и убыть должно. И убудет именно в форме излучения, ибо больше энергии деваться просто НЕКУДА – только в излучение

Это очень важное обстоятельство

Конструктивно нить накаливания представляет собой тонюсенькую вольфрамовую проволочку диаметром порядка 50 микрон и длиной порядка полуметра, свернутую в в спиральку замысловатой конфигурации.

Вакуум в колбе исключает возможность конвекционного теплообмена – ТОЛЬКО ЧЕРЕЗ ИЗЛУЧЕНИЕ.

Конечно, какая то доля тепла уходит через усики лампы, на которой крепится спиралька, но это мизер.

Чтобы наглядно представить себе эту малость, можно провести аналогию.

Повторю, сама вольфрамовая ниточка – аккурат размером с волосок из косички первоклассницы 50 см  в длину и 50 микрон в диаметре.

Если наглядно увеличить этот волосок.… это как если мы имеем проводочек диаметром 1 мм и длиной  10 метров! Здравый смысл подсказывает, что охлаждаться этот проводок вовсе НЕ путем теплообмена на краях. Да, что-то уйдет и в местах контакта, но основная мощность рассеется по всей длине проводка.

Для случая спирали, расположенной в вакууме, вся мощность уйдет В ИЗЛУЧЕНИЕ и не важно в каком  диапазоне спектра…

Мощность излучения по отношению к окружающему фону

Оценим мощность излучения лампы, соответствующую температуре окружающего фона.

Известно, что постоянная Стефана-Больцмана  σ = 5,670373·10-8 , тогда мощность излучения с квадратного метра

Р = σ SТ4

В качестве произвольного оценочного значения примем диаметр спирали 40 микрон, а длину 50 см. Температура нормальных условий 293К (20С). Подставив эти данные в формулу Стефана-Больцмана, получим мощность излучения при температуре 0,026258 Ватт.

Для интереса вычислим мощность при некоторых различных температурах окружающей среды:

Минус 40   (233К)                              0,0105 Ватт

Минус 20   (253К)                             0,0146 Ватт

Нуль           (273К)                              0,0198 Ватт

Плюс 20     (293К)                            0,026258 Ватт (норм.условия)

Плюс 40     (313К)                             0,0342 Ватт


Для курьеза можно привести расчет излучения лампы, когда температура окружающей среды равна 2300К:

Р =  99,7 Ватт.

Что вобщем неплохо согласуется с реальным положением вещей – лампа, расчитанная на 100 ватт нагревается до температуры 2300К.

Можно с высокой долей уверенности заявить, что данная геометрия спирали соответствует  «стоваттной» лампочке, рассчитанной на 220 вольт.

А теперь пересчитаем эти величины мощностей к «приведенному» напряжению. Как если бы температура окружающей среды соответствовала Абсолютному Нулю, а к лампе было приложено некоторое напряжение, нагревающее спираль.

Для пересчета используем полученное соотношение что напряжения и мощности соответствуют степеням «три» и «два».

Из таблицы видно, что “токовая” мощность лампочки при напряжении  на ней 0,902…Вольт нагревает спираль до температуры 293К. Аналогично, “токовая” мощность при напряжении 1,0758 Вольт нагреет спираль до температуры 313К (на 20 градусов выше).

Повторю еще раз, это при условии, что температура окружающей среды равна Абсолютному Нулю.

Вывод. Весьма малое изменение напряжения оказывает значительное влияние на температуру нити. Изменили напряжение на каких то семнадцать сотых Вольта (1,0758 – 0,902 = 0,1738) а температура возросла на 20 градусов.

Эти расчеты  весьма условны, но в качестве ОЦЕНОЧНЫХ величин их можно использовать.

Оценка естественно очень грубая, ибо закон Стефана-Больцмана описывает излучение «идеального» излучателя – абсолютно черного тела (АЧТ), а спираль весьма отличается от АЧТ, но, тем не менее, получили «цифирь» весьма правдоподобную…

Из экселовской таблички видно, что уже при напряжении на лампе 1 вольт, температура спирали будет 40 градусов по Цельсию. Приложим больше, будет больше.

Напрашивается естественный вывод, что при напржении 10-15 вольт нить будет достаточно горячая, хотя визуально это не будет видно.

На глаз нить будет казаться «ЧЕРНОЙ» (холодной) вплоть до температур 600 градусов (начало излучения в видимом диапазоне).

Желающие «погонять цифирь» могут это сделать самостоятельно, используя формулу Стефана- Больцмана.

Результаты будут условными, ввиду того что (как было сказано выше) спираль имеет некоторое альбедо и не соответствует излучателю АЧТ, НО(!)  оценка температур будет вполне достоверной…

Повторю – именно ОЦЕНКА. Нить начинает светиться примерно с 20 вольт.

Дополнительно хотел бы обратить внимание на разброс параметров лампочек. На фотографии с тестером, маленькие лампочки (гирляндные) были мной отобраны и откалиброваны весьма тщательно

Для разных измерительных целей и опытов. Потому то они и показывают одинаковое сопротивление, что называется «пуля в пулю»

На фотографии с тестером, маленькие лампочки (гирляндные) были мной отобраны и откалиброваны весьма тщательно. Для разных измерительных целей и опытов. Потому то они и показывают одинаковое сопротивление, что называется «пуля в пулю».

А вот большие лампочки, я их просто принес из магазина, не отбирая по параметрам и хорошо видно, что разброс магазинных лампочек наблюдается в весьма широком диапазоне. Вплоть до 10%.


Это обстоятельство дополнительно указывает, что погрешности расчета оказываются МЕНЬШЕ чем реальный разброс лампочек.

Светодиодные лампы

Их также называют LED.

Этот тип источников имеет один существенный недостаток: высокая стоимость. Однако, они позволяют в дальнейшем значительно сократить энергетические затраты. В экономическом плане подобные осветительные приборы очень привлекательны, так как имеют большой период эксплуатации.

В данный момент светодиоды используются для освещения улиц, на общедомовых территориях (часто вместе с датчиками движения), для освещения музейных экспонатов.

Плюсы:

  1. Экологичность.
  2. Длительный срок службы (30 000–50 000 ч.).
  3. Небольшие габариты.
  4. Малый нагрев источника.
  5. Устойчивость к механическому воздействию.

Минусы:

  1. Стоимость.
  2. Узконаправленность луча света.
  3. К концу срока службы яркость таких источников уменьшается (так называемое выгорание светодиодов).

Характеристики:

Цоколь Е, G
Мощность 2 – 2000 Вт
Светоотдача  40 – 120 лм/Вт
Цветопередача Ra 60 – 89
Световая температура 4000 – 6000 К
Стоимость от 200 р.
Срок службы 30 000 – 50 000 ч.

Сравнительная таблица:

Тип Цена,р Мощность, Вт Светоотдача, лм/Вт ЦветопередачаRa Световая температура,К Срок службы, ч Основные особенности
вакуумные от 10 5 – 500 7 – 17 более 90 2 700 500 –  1000 пожароопасность
галогенные от 20 20 – 1500 14 – 30 более 90 3 700 2000 –  4000 можно монтировать в гипсокартон, высокая чувствительность к загрязнению поверхности колбы
криптоновые от 40 5 – 500 8 – 19 более 90 2 700 1000 – 2000 пожароопасность
ДРИ от 500 20 – 2000 70 – 95 более 90 3500 – 6000 8000 – 10 000 длительное время включения, токсичность, колба не нагревается (люминесц.)
люминесцент от 100 4 – 140 40 – 90 60 – 90 3000 – 6000 30 000
натриевые от 200 50 – 100 150 – 200 от менее 39 до 59 3000 – 6000 30 000 подсветка растений
светодиодные от 200 2 – 2000 40 – 120 60 – 89 3000 – 6000 30 000 – 50 000 энергоэффективные

При выборе источников освещения необходимо учитывать их эксплуатационные характеристики.

Правильный выбор поможет сэкономить Ваши средства и продлить срок службы осветительного прибора.

Формула зависимости напряжения и мощности лампочки

Это основная формула статьи, вывод которой будет приведён ниже. Формула  выглядит так:

Для любой лампы накаливания существует параметр, стабильный в широком диапазоне электрических режимов. Этим параметром является отношение куба напряжения к квадрату мощности.

Методика использования формулы проста.

Берем лампочку, читаем на колбе или на цоколе параметры,  на которые она расчитана  – напряжение и мощность, рассчитываем константу, потом вставляем в формулу любое произвольное напряжение и вычисляем мощность, которая выделится на лампочке.

Зная мощность, несложно вычислить ток.

Зная ток, несложно вычислить сопротивление нити накаливания.

Вот и рассмотрим вопросы, связанные с правильной эксплуатацией формулы, а так же с теми ограничениями, котрые неизбежны ввиду того что «абсолютных» формул просто не бывает.

Однако, сначала немножко «теории»…


С этим читают