3. Лампы накаливания (тепловые источники излучения)

3.1. Применение ламп накаливания

Основными достоинствами ламп накаливания являются: низкая себестоимость, простота электрической схемы включения, не критичность к воздействию окружающей температуры и возможность проектирования на любое напряжение. Наиболее заметными недостатками ламп накаливания являются: низкая светоотдача и малый срок службы.

В настоящее время лампы накаливания применяются преимущественно для следующих целей:

а) общее освещение жилых и производственных помещений;

б) кинопроекционные установки малой и средней мощности;

в) кино- и фотосъемка (обычно со светоотражающими устройствами);

г) лампы-фары и другие элементы осветительной и сигнальной систем автомобилей, самолетов и других подвижных объектов;

д) источники инфракрасного излучения (T = 2200…2500 К);

е) системы сигнализации в промышленных помещениях, на железной дороге, на улицах и проспектах;

ж) прожектора.

Во многих из указанных случаев наблюдается вытеснение ламп накаливания газоразрядными и твердотельными источниками излучения.

3.2. Конструктивные особенности ламп накаливания

Как уже отмечалось, первыми лампами практического применения были лампы с угольной нитью (рис. 1.1, в). Выяснились и принципиальные недостатки таких ламп: сложность технологического цикла производства угольной нити и низкая светоотдача. В период освоения этих ламп были проработаны основные вспомогательные средства их эксплуатации: конструкции цоколя и патрона, выключатели, счетчики электроэнергии, система электропроводки и т.д.

После создания технологического цикла производства вольфрамовой проволоки перешли целиком на этот материал светящегося тела накала (рис. 1.1, г). С переходом на вольфрам появилась возможность сократить технологический цикл производства нити накала, механизировать основные этапы сборочных операций. Выяснились также специфические особенности излучательных свойств вольфрама, определивших возможность заметно повысить световую отдачу лампы накаливания. Как показали исследования, спектральный коэффициент излучения вольфрама уменьшается с увеличением длины волны излучения (табл. 3.1), благодаря чему при нагреве вольфрамовой нити до температур порядка 2500 – 3000 К доля излучения в видимой области заметно превосходит долю видимого излучения тел со свойствами абсолютно черного тела.

Была освоена технология спирализации вольфрамовой проволоки. Преимущества ламп со спирализированной нитью по сравнению с лампами с прямолинейной нитью следующие:

1. монтаж спирали лучше поддается механизации;

2. меньше габариты ламп, сокращаются расходы на изготовление;

3. более целесообразно распределяется поток излучения;

4. держатели нити лишь поддерживают ее, но не натягивают;

5. уменьшаются испарение нити и потери тепла на теплопроводность через газовую среду в лампах с газовым наполнением.

Иногда применяется биспиральная конструкция, при изготовлении которой предварительно спирализованная нить проходит повторную спирализацию с большим радиусом. Биспиральный вариант несколько улучшает эксплуатационные параметры лампы за исключением того, что такие лампы имеют меньшую вибропрочность по сравнению с моноспиральным вариантом и более сложны в изготовлении.

О собенности конструктивного исполнения основных элементов лампы накаливания средней и малой мощности поясняются на рис. 3.1.

Основные элементы конструкции ламп накаливания: баллон, составляющими частями которого являются колба, горловина и ножка. Излучение обеспечивается нагретой спиральной либо биспиральной вольфрамовой нитью диаметром от 0,02 до 0,06 мм в зависимости от мощности. Спираль поддерживается несколькими проволочными держателями из молибдена. Откачка и наполнение баллона осуществляются через стеклянный штенгель, вмонтированный в ножку. Баллон выполняется обычно из легкоплавкого стекла. Электрическими выводами являются многозвенные проводники из никеля (внутренняя часть), платинитовые участки для спая со стеклом и медные участки для соединения с внешними контактирующими элементами (цоколь и нижний спай).

Таблица 3.1

Спектральная характеристика вольфрама при температуре 2600 К

λ, мкм	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	2,0
ελ	0,465	0,461	0,447	0,426	0,411	0,394	0,376	0,360	0,248

До сих пор неизменными остались основные варианты цоколя резьбовой конструкции, имеющие теперь обозначения E27, Е14 (миньон) и E10 (микро). Отечественная система обозначений цоколей резьбовой конструкции включает следующие варианты: Р10-1, Р10-2, Р14-1, Р14-2, Р27-1, Р27-2, Р40-1, Р40-2 [2]. Первая цифра обозначает диаметр резьбы, вторая определяет особенности соотношения между высотой и диаметром цоколя. Помимо резьбовых конструкций, в настоящее время применяются также фланцевые, двухцокольные, байонетные, бесцокольные (с проволочными выводами), штифтовые и фокусирующие. Конструкция штифтовых и фокусирующих цоколей обеспечивает быструю смену ламп и устойчивое положение их при воздействии вибраций. Кроме того, цоколи фокусирующей конструкции в процессе сборочных операций обеспечивают возможность расположить излучающую нить в фокусе соответствующей оптической системы. Указанные особенности закреплены отечественными стандартами: ГОСТ 6042-51 на резьбу для цоколей, ГОСТ 2520-63 на цоколи резьбовые и штифтовые, ГОСТ 6129-52 на цоколи фокусирующие.

В лампах повышенной мощности (прожекторных, кинопроекционных, лампа-фарах и т.д.) в качестве материала баллона применяются стекла молибденовой группы, соответственно материалом выводов служит молибден.

Температура вольфрамовой спирали ламп накаливания составляет 2600…3000 К. Чем выше температура, тем лучше светоотдача, но одновременно падает срок службы и ниже надежность. Основной причиной выхода лампы из строя является перегорание вольфрамовой нити. Вероятность перегорания растет в процессе эксплуатации лампы, поскольку, во-первых, уменьшается диаметр нити из-за испарения материала и, во-вторых, сказывается рекристаллизация вольфрамовой структуры. Эти явления неравномерны по длине нити и преимущественно развиваются в местах, где толщина нити минимальна, поскольку в этих местах температура изначально несколько выше, чем в остальной части проволоки.

Для снижения процесса рекристаллизации предусмотрены специальные меры по формированию соответствующего структурного состава. Снижение скорости испарения обеспечивается переходом от вакуумной лампы к газонаполненной. В качестве газового наполнения используется инертный газ, иногда для снижения цены – с добавкой азота. Из инертных газов самым дешевым является аргон. Это связано с тем, что этот газ составляет в воздушной среде достаточно большую долю – порядка 0,9 % (основную часть атмосферы составляют азот – 78 % и кислород – 21 %, остальные компоненты заметно меньше 0,1 %). Кроме того, аргон имеет сравнительно высокую температуру кипения – 78 К (азот имеет температуру кипения 77 К), что облегчает его получение из атмосферного воздуха.

К ак видно из табл. 3.2, коэффициент теплопроводности тем меньше, чем больше массовое число молекулы. Существенный выигрыш по снижению тепловых потерь обеспечивает замена аргона на тяжелые инертные газы – криптон и ксенон. Наилучших результатов можно ожидать от ксенона, однако этот газ чрезвычайно дорог, поэтому в качестве рабочего газа в лампах накаливания не применяется. Помимо уменьшения тепловых потерь теплопроводностью, в лампах с криптоновым наполнением уменьшается также тепловая нагрузка баллона, благодаря чему размеры баллона могут быть уменьшены (рис. 3.2).

Таблица 3.2