http://lharmony.ru/library/

Электрические лампы

Молния в пробирке

Т ак уж сложилась история, что в момент открытия электричества его возможные применения оставались за плотной завесой неизвестности. Небольшие искры, которые удавалось получить от первых накопителей электроэнергии - лейденских банок, не могли даже в шутку рассматриваться как источники света: настолько они были слабы и кратко­временны. Этот способ получения света не получил развития еще в течение многих лет. Видимо, это произошло потому, что электрический разряд отложился в опыте исследова­телей как кратковременное и нестабильное явление. Самые мощные природные искры - молнии - также вписались в это ошибочное правило (рис. 1).

Е сли пользоваться современной светотехнической терминологией, искры и молнии представляют собой газовые разряды в воздухе. Слово разряд (<расход электроэнер­гии>) возникло в противоположность слову заряд (<накопление электроэнергии>) и обо­значает протекание электрического тока через газ или пар, сопровождающееся выделе­нием неэлектрической энергии (тепла и света). Как ни странно, но несмотря на все прак­тические сложности именно это явление послужило основой для первых электрических источников света - <электрических свечей>, которые даже не являлись, строго говоря, лампами.

Новаторская для середины XIX века идея электрического разряда в воздухе быстро исчерпала себя. Оказалось, что этот источник света не поддается усовершенствованию. Для дуги требовались строго угольные электроды с ограниченным набором возможных примесей. Разряд происходил в открытом воздухе, при определенном напряжении на сан­тиметр длины между электродами. Одни из самых важных параметров любой лампы - цвет (5000 К) и световая отдача (2:4 лм/Вт) разряда - практически не поддавались измене­нию. Экономическая целесообразность электрической дуги балансировала на одном уровне с газовым освещением. Поэтому взгляд разработчиков вновь обратился к уже из­вестному тепловому принципу получения света. Но в качестве источника тепла было ре­шено использовать электричество.

В конце 1870-х годов практически одновременно Лодыгиным в России и Эдисоном в Северной Америке были предложены электрические тепловые источники света - лампы накаливания (рис. 2). Эта лампа представляет собой специальный участок проводника с повышенным сопротивлением, находящийся в вакуумной стеклянной колбе. При прохож­дении тока проводник нагревается и в качестве побочного продукта излучает свет. Ваку­умное окружение предохраняет проводник от химической реакции с воздухом и мгновен­ного выгорания.

Несмотря на то, что Эдисон продемонстрировал свой вариант несколько позже Ло­дыгина, именно он считается изобретателем лампы накаливания. Дело в том, что Лоды­гину удалось создать лишь лабораторный экземпляр этой лампы, в то время как Эдисон представил ее коммерческий образец, с полностью продуманными вопросами удобства ее использования. Например, всем известный резьбовой цоколь бытовых ламп был придуман именно Эдисоном и поэтому назван в его честь (от полного названия в наши дни осталась только первая буква в обозначении, например Е27).

Появление практически применимых ламп накаливания открыло большое поле деятельности по их усовершенствованию, часть которого сохранилась и до начала XXI века. Первые лампы накаливания страдали характерными для всего этого класса ламп взаимосвязанными недостатками. Во-первых, накаливаемый материал (в первых лампах - уголь, далее - вольфрам) от нагрева испарялся и оседал на более холодных стенках колбы. От этого лампа начинала становиться темнее и, следовательно, давала все меньше и меньше света. Во-вторых, испарение накаливаемого материала достаточно быстро приво­дило к его разрушению, и в этот момент лампа перегорала. Первые лампы работали не бо­лее 50 часов. Кроме этого, было установлено две важные зависимости: лампа давала тем больше света, чем выше температура накала и чем больше накаливаемое тело.

П овышение температуры накала заметно ускоряет испарение нагреваемого мате­риала. А удлинение накальной нити повышает ее хрупкость и громоздкость внутренней конструкции лампы (рис. 3).

Таким образом, попытка улучшить световые характеристики ламп только за счет этих факторов неизбежно приводила к снижению ее срока службы. Решение было найдено в начале XX века. Нити накала ламп стали делать из слабо испаряющегося металла - вольфрама, для увеличения длины закручивать их в многократно повторяющиеся спирали (би- и триспирали, рис. 4), а для снижения потемнения колбы - наполнять ее азотом и инертными газами. Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до стандартного значения 1000 ч.

О современных лампах накаливания и их возможностях можно прочитать в специальном разделе. Тепловой принцип получения света также нашел свое продолжение в галогенных лампах накаливания, появившихся в 60-х годах XX века. Как уже упоми­налось ранее, его потенциал далеко не исчерпан и вполне возможно, что в ближайшие де­сятилетия мы увидим новые разновидности ламп накаливания (например, люминесцент­ную лампу накаливания с антистоксовым люминофором) с революционно улучшен­ными характеристиками (например, со световой отдачей до 200 лм/Вт).

В ернемся тем временем к нашему историческому экскурсу. Несмотря на победо­носное шествие ламп накаливания, захвативших в первые же годы практически все осве­тительные применения, некоторые исследования продолжались и в отношении уже прой­денного этапа - газового разряда. Была сделана попытка выяснить, насколько в действи­тельности он является неизменным в своих свойствах. Оказалось, что неизменность све­товых характеристик разряда - миф, рассыпающийся в тот момент, когда речь идет о газе, в котором происходит разряд. И цвет, и световая отдача разряда зависят от того, в каком газе и при каком давлении происходит разряд (рис. 5). Так появились первые разрядные лампы - прообразы знакомых нам неоновых и аргоновых трубок. Любопытно, что одним из первых <полигонов> для испытания разрядных ламп стало здание католического храма.

Первые разрядные лампы были сопоставимы по эффективности с лампами накали­вания (световая отдача 6-10 лм/Вт). Если неэффективность получения света в последних была связана со значительным выделением тепла (96% от потребляемой электроэнергии, то в газовом разряде основная доля энергии излучалась в ультрафиолетовой области спек­тра. На первых порах попытки отыскать газ или пар, дающий максимум светового излуче­ния, не увенчались успехом. Всерьез о разрядных лампах как об экономичном источнике света заговорили лишь в 1930-х годах, с изобретением люминесцентных ламп и ртутных ламп высокого давления. С этого момента началось вытеснение ламп накаливания прак­тически из всех областей их применения.

В настоящее время развитие разрядных ламп практически достигло своей вер­шины. Несмотря на появление так называемой серной лампы, имеющей световую отдачу до 200 лм/Вт (рис. 6), она обладает всеми признаками тупиковой ветви развития - чрез­мерно сложной конструкцией, низкой надежностью и ограниченной областью примене­ния. Вполне вероятно, что в ближайшие годы место разрядных ламп начнут постепенно занимать новые, более эффективные источники света.

Рис. 6 Новейшая серная безэлектродная лампа.

О дними из таких возможных источников являются светодиоды, не относящиеся ни к тепловым, ни к разрядным лампам. Принцип действия светодиода основан на электро­люминесценции кристалла полупроводника при протекании через него тока. Первые све­тодиоды появились еще в период становления полупроводниковой техники (60-70-е годы XX в.). Существовавшие тогда технологии позволяли изготавливать небольшие кри­сталлы, дающие практически монохромный красный, желтый или зеленый свет (рис. 7).

Рис. 7 Светодиоды и светодиодные панели

Отсутствие в спектре светодиодов синего света делало невозможным их использо­вание для общего освещения. В таком виде они нашли широкое применение в качестве индикаторов.

Решение проблемы синего света было найдено в середине 1990-х годов, когда од­новременно были разработаны кристаллы синего свечения и люминофоры, преобразую­щие красный свет в синий. Появились белые и синие светодиоды; впервые серьезно стали говорить о <светодиодных лампах designtimesp=17544> как серьезной альтернативе всем существующим источникам света. Дело в том, что светодиоды практически не выделяют тепла и посторонних (несветовых) излучений, следовательно, имеют высокую светоот­дачу. В них отсутствуют изнашивающиеся части (спирали, электроды и т.п.), а значит, срок службы может быть очень большим (до 100000 ч). Современные технологии позво­ляют делать светящиеся кристаллы размерами до 10 х 10 мм, а из них можно набирать ли­нии, поверхности и тела любой формы. И, наконец, для своего включения светодиоды не требуют специальной аппаратуры, а значит, их применение просто и удобно. Первые об­разцы светильников со светодиодами уже свободно продаются, правда их цена пока соот­ветствует новизне идеи и очень высока. Однако не исключено, что в ближайшие годы нас ждет своего рода <светодиодный бум>. В первую очередь придется потесниться областям применения люминесцентных и компактных люминесцентных ламп.

Заканчивая обзор возможных способов получения электрического света, пригла­шаем Вас узнать более подробно о современных лампах, их ассортименте и применениях.

Лампы накаливания

И зобретение электротеплового принципа получения света произошло практически одновременно с появлением электрической дуги, в начале XIX в. Однако электрический разряд в воздухе на тот момент представлял куда больший практический интерес, чем не­стабильные и тусклые образцы накальных источников света. Только в середине XIX в. были запатентованы первые реально работающие образцы ламп накаливания.  Серьезное развитие этих ламп началось намного позднее, так как на тот момент еще не существовало пригодных для их питания источников электроэнергии.

В конце 1870-х годов практически одновременно Лодыгиным в России и Эдисоном в Северной Америке были предложены похожие по внутреннему устройству лампы нака­ливания (рис. 8). В качестве тела накала лампы Лодыгина использовался графитовый стержень, а в лампе Эдисона - угольная нить, колба первой лампы была заполнена азотом, а из второй был откачан воздух. Несмотря на то, что Эдисон продемонстрировал свой ва­риант несколько позже Лодыгина, именно он считается изобретателем лампы накалива­ния. Дело в том, что по ряду причин Лодыгину удалось создать лишь лабораторный обра­зец этой лампы, в то время как Эдисон представил ее коммерческий вариант, с полностью продуманными вопросами удобства ее использования.

Например, всем известный резьбовой цоколь бытовых ламп был придуман именно Эдисоном и поэтому назван в его честь (от полного названия в наши дни осталась только первая буква "E" в обозначении). Помимо самих ламп и аксессуаров для них, Эдисон предложил и целую систему производства и распределения электроэнергии для освеще­ния.

П оявление практически применимых ламп накаливания открыло большое поле деятельности по их усовершенствованию, часть которого сохранилась и до начала XXI века. Вместо угля нити накала стали изготавливать из термостойких металлов - осмия и тантала, а затем и из вольфрама. Начиная с 1910-х годов, для снижения испарения и по­вышения прочности металлическую нить научились закручивать в одинарные и много­кратно повторяющиеся спирали (би- и триспирали, рис. 9), а для уменьшения потемнения колбы - наполнять ее азотом и инертными газами.

Все это позволило увеличить световую отдачу ламп накаливания с первоначальных 4-6 до 10-15 лм/Вт, а срок службы с 50-100 до привычного теперь значения 1000 ч. Разви­тие теплового принципа получения света нашло применение в галогенных лампах накалива­ния.

Техническая информация

С ветовая отдача этого класса ламп невысока и является самой низкой среди совре­менных электрических ламп. Она лежит в интервале от 4 до 15 лм/Вт. Высокая яркость нити накала в сочетании с ее миниатюрными размерами позволяет использовать лампы накаливания в оптических системах и прожекторах. Диапазон номинальных напряжений и мощностей ламп накаливания необычайно широк, а рабочая температура и количество выделяемого при работе тепла велики.

Лампы накаливания очень чувствительны к попаданию воды (из-за резкого охлаж­дения части колбы произойдет ее разрушение) и потенциально пожароопасны. Если в све­тильнике используются горючие детали, они должны быть удалены от колбы лампы на безопасное расстояние.

Диапазон окружающих температур, при которых может работать этот вид ламп, чрезвычайно широк и ограничивается лишь термостойкостью материалов, из которых сделана лампа (-100...+300°С). Схема включения ламп накаливания в подавляющем боль­шинстве случаев представляет собой прямое подключение лампы к сети соответствую­щего напряжения. Лампы, рассчитанные на низкие напряжения, могут питаться от батарей либо включаться в обычные сети через мощный трансформатор.

Световой поток ламп накаливания легко регулируется изменением рабочего на­пряжения, что может быть достигнуто светорегулятором (диммером) любой конструкции.

Среднее время непрерывного горения каждой лампы этого вида составляет 1000 ч, независимо от фирмы-производителя. Важно заметить, что приводящее к перегоранию распыление спирали максимально в момент включения лампы, из-за чего в режиме частых включений лампы служат намного меньше. Механическая прочность спирали (а значит, и срок службы) обычных ламп сильно снижается при тряске и вибрации.

Цветовая температура ламп накаливания в обычных колбах составляет 2700-2800 К, то есть принадлежит к группе "тёплых" цветов. Она поддается корректировке за счет изменения цвета колбы, но при этом снижается светоотдача лампы. Индекс цветопередачи R_a, согласно принятой системе его определения, у всех тепловых ламп максимален и равен 100. Несмотря на это обстоятельство, в их свете преобладают желто-красные излучения и, следовательно, он несколько скрадывает синие оттенки освещаемых предметов. Если ис­пользовать для оценки цветопередачи этих ламп "холодный" эталон излучения, например, свет идеального облачного неба, получившийся индекс цветопередачи будет невысок.

Несмотря на все упомянутые недостатки, лампы накаливания до сих пор находят обширное применение в целях освещения, в первую очередь на рынке бытовых светиль­ников. Этому способствует некоторая консервативность массового потребителя, иногда сопровождающаяся недостаточной осведомленностью о существовании альтернативных источников света. Дополнительным фактором, способствующим сохранению рынка ламп накаливания, является простота (а следовательно, и дешевизна) обслуживания светильни­ков с ними.

В мировой практике отмечается устойчивая тенденция к снижению доли тепловых источников в общем объеме электрических ламп. В профессиональном секторе рынка све­тотехники развитых стран эта доля уже сегодня не превышает 10%.