1.1 Тело накала

ТН представляет собой главную часть лампы. Оно собственно и является источником оптического излучения. Все остальные детали лампы служат для того, чтобы обеспечить ТН необходимые условия для нормальной работы. Требования, предъявляемые к ТН, можно условно разделить на физические и конструктивные.

Физические требования относятся к материалу, из которого изготовлено ТН. Этот материал должен иметь:

- высокую температуру плавления; только при этом условии можно придать ТН высокую температуру и получить приемлемые световую отдачу и срок службы;

- малую скорость испарения; от этого зависит срок службы и стабильность светового потока в процессе горения ламп из-за загрязнения колб испарившимися частицами;

- селективность (избирательность) излучения, при которой раскаленное ТН излучало бы возможно большую долю энергии излучения в видимой области спектра, обеспечивая более высокую световую отдачу;

- достаточную формоустойчивость при высокой рабочей температуре, т.е. способность сохранять заданную исходную форму и размеры в процессе горения лампы;

- устойчивость к механическим (вибрационным и ударным) нагрузкам в том диапазоне их значений, которые имеют место при транспортировке и эксплуатации ламп. При воздействии таких нагрузок тело накала не должно разрушаться, а также изменять свои размеры и форму сверх допустимых пределов.

Основное конструктивное требование для большинства ламп заключается в том, чтобы ТН имело как можно меньшие размеры, было компактным. При этом условии можно уменьшить размеры колб, а значит и расход наполняющих лампу газов, сократить размеры внутренних деталей ламп и количество держателей тела накала, снизить тепловые потери через газ в газополных лампах за счет уменьшения поверхности соприкосновения ТН с газовой средой. Повышение компактности тела накала достигается, прежде всего, переходом от прямой нити к спирали, биспирали и даже триспирали. При этом как бы уменьшается длина и увеличивается диаметр светящего тела, а значит, уменьшается поверхность охлаждения тела накала. Переход на спиральное ТН в ЛН стал возможен благодаря появлению формоустойчивого вольфрама марки ВА.

Основными геометрическими параметрами, характеризующими вольфрамовое ТН, являются диаметр, и длина вольфрамовой проволоки, из которой изготовлено ТН; шаг спирали, т.е. расстояние между осевыми линиями проволоки двух соседних витков; диаметр сердечника (керна) (металлический проволочный стержень, на который навивается вольфрамовая проволока); коэффициент шага (отношение шага спирали к диаметру нити) и коэффициент сердечника (керна) (отношение диаметра керна к диаметру нити); диаметр и длина спирали. Эти параметры представлены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Геометрические параметры спирали

Спиральное ТН имеет следующие преимущества перед прямолинейным: уменьшается средняя скорость испарения вольфрама, что позволяет при том же сроке службы повысить температуру нити накала и, соответственно, световую отдачу; концентрация ТН уменьшает тепловые потери, т.к. длина ТН меньше и меньше число крючков, поддерживающих его.

Недостатки спирального ТН: световая отдача спирального ТН ниже прямолинейного при одинаковой температуре; изготовление спиралей значительно сложнее, чем цилиндрических нитей; формоустойчивость спирали хуже, чем цилиндрической нити.

Под формоустойчивостью спирали понимают ее способность сохранять приданную ей форму при высоких температурах и небольших сотрясениях и оценивается коэффициентом провисания, т.е. отношение стрелы прогиба к половине начальной длины участка ТН, расположенного между двумя поддерживающими элементами.

В тоже время следует учитывать, что в результате многократных отражений потока излучения между отдельными участками поверхности спирали яркость различных участков ее будет различной.

При конструировании ТН важными являются вопросы монтажа на ножке лампы. Выбор конструкции монтажа может повлиять на конструкцию самой спирали, так как может потребовать заранее предусмотренных пропусков спирали, называемых "тире".

Уменьшение светового потока в лампах со спиральным ТН связано с его экранированием витками спирали. Полное излучение спирали состоит из излучения с ее внешней поверхности, а также излучения с внутренней поверхности, выходящего наружу между витками. Излучательность спирали, т.е. отношение потока излучения к поверхности излучающего тела, таким образом, оказывается меньшей, чем у прямолинейной нити. Излучение внутренних частей спирали, падая на противоположные части витков, претерпевает многократное отражение. Это отражение, так же как и излучение вольфрама, имеет селективный характер, т.е. его коэффициент отражения меньше в видимой области, чем в инфракрасной. В результате многократно отраженное излучение обогащено инфракрасной составляющей, т.е. по своему спектральному составу приближается к излучению черного тела ("почернение" излучения), что также приводит к уменьшению световой отдачи спирали по сравнению с прямой нитью при одинаковой температуре. Уменьшение светового потока вследствие экранирования характеризуется коэффициентом видимого излучения спирали.

У любого реального ТН, закрепленного электродами и крючками в ЛН, имеются потери энергии на нагревание электродов и крючков. Электроды ЛН обычно выполняются из никеля. Для уменьшения нагревания электродов током они выбираются с достаточно большим сечением.

Крючки имеют диаметр значительно меньший, чем электроды, и выполняются из молибденовой проволоки. Охлаждающее действие электродов и крючков зависит не только от их размеров, но и от длины ТН. Чем длиннее ТН, тем слабее сказывается охлаждающее действие электродов, но тем больше появляется крючков. Распределение температуры вдоль прямолинейного ТН, закрепленного на электродах и держателях, приведено на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Распределение температуры ТН