Лампа накаливания: устройство, характеристики и принцип работы

Современный мир невозможно представить без электричества. А ведь сравнительно недавно, каких-то двести лет назад, о нем можно было только мечтать. Освещение домов в темное время суток было доступно лишь состоятельным людям: жизнь простых крестьян и горожан зависела от солнечного света. Изобретение лампочки положило конец этому неравенству. Привычный для нас прибор сконструировали далеко не сразу. Давайте вспомним, какой путь прошли изобретатели, чтобы в домах было всегда светло.

Кто и когда первым в мире изобрел электрическую лампочку.

Все изменилось с изобретением электричества. Постепенно изобретатели нашли способ безопасно, ярко и дешево осветить дома всех людей.

В вопросе первенства изобретения лампочки, как и во многих других, отечественная и мировая точка зрения различаются. В России принято считать первооткрывателями Павла Николаевича Яблочкина и Александра Николаевича Лодыгина. Ученые придумали разные типы осветительных приборов. Яблочкин в 1875-1876 годах первым сконструировал дуговую лампу. Однако в дальнейшем ее признали неэффективной. Лодыгин же двумя годами ранее (1874 год) получил первый патент на лампу накаливания.

В мире же считается, что первая лампочка изобретена Томасом Эдисоном. Свой патент американский ученый получил в 1879 году, на пять лет позже Лодыгина. Эдисон после долгих экспериментов сконструировал прибор, горевший почти 40 часов — максимально возможный срок для того времени. Кроме этого, изобретатель добился удешевления производства, чтобы лампочку мог позволить себе каждый человек.

В вопросе первенства изобретения лампы нет однозначного ответа. Множество ученых в разных странах трудились над ней, но далеко не все патентовали свои открытия. Электрическую лампочку однозначно можно назвать коллективным детищем мирового научного сообщества.

Сфера использования

Не так давно лампы накаливания присутствовали в различных сферах жизни, в быту и на предприятиях. Это обуславливается простой их монтажа, эксплуатации и обслуживания. Используются в таких сферах:

• Общего предназначения для внутреннего и наружного освещения в частных домах, квартирах, офисах.
• Местного применения – для подсветки рабочих мест.
• Также есть специальные автомобильные лампы накаливания.
• Устанавливаются в поездах, на судах, и в самолетах.
• Миниатюрные ЛН применяются в фонариках, шкалах приборов.
• Сверхминиатюрные в отдельных медприборах, пультах управления.
• Также есть коммутационные, маячные, кинопроекционные.

Достоинства и недостатки ламп накаливания.

Достоинства:

• невысокая стоимость;
• мгновенное зажигание при включении;
• небольшие габаритные размеры;
• широкий диапазон мощностей.

Недостатки:

• большая яркость (негативно воздействует на зрение);
• небольшой срок службы — до 1000 часов;
• низкий КПД. (только десятая часть потребляемой лампой электрической энергии преобразуется в видимый световой поток) остальная энергия преобразуется в тепловую.

Характеристики

Лампы накала обладают такими характеристиками:

1. Разлет мощностей. Зависит от сферы использования, так для бытовых целей применяются лампы от 25 до 150 Ватт, для других – до 1000 Вт.
2. Нить накаливается до 2000–2800 градусов.
3. Напряжение – 220–330 В.
4. Световая отдача – 9–19 Лм/1Вт.
5. Размеры цоколя – Е 14, Е 27 и Е 40, что соответствует 14, 27 и 40 мм. Тип цоколя – резьбовой и штифтовой. Последний может быть одно- или двухконтактным.
6. Ресурс функционирования – 1000 часов при оптимальных условиях.
7. Выделяют в процессе горения много тепла, имеют чувствительность к частым выключениям.
8. По цене они самые доступные из предложенных в магазинах ламп.
9. Средний вес – 15 г.

Принцип действия

Суть работы всех ЛН в использовании принципа нагревания вещества при прохождении сквозь него тока. В этом случае повышается температура нити накала после замыкания электрической цепи. Как результат запускается эффект электромагнитного теплового излучения. Чтобы оно стало видимым для человека, температура нагревания должна превышать 570 ⁰C – это начало красного свечения.

Внутри лампы нить накаливания разогревается до 2000–2800 ⁰С. При разогревании до такой температуры на воздухе вольфрам превращается в оксид – на нем образуется белый налет, поэтому внутрь колбы закачиваются нейтральные газы. На заре развития данной технологи освещения в лампочке создавался вакуум, сейчас это практикуют только для изделий минимальной мощности. При закручивании в патрон цоколя лампы и замыкании цепи запускается процесс накаливания нити, и она дает свет.

Конструкция

Устройство всех ЛН схоже, в них содержаться:

1. Рабочая часть – нить из вольфрамовой проволоки, свернутая в спираль. Удельное сопротивление этого металла в 3 раза больше, чем у меди. Вольфрам используется, потому что он тугоплавкий и можно максимально уменьшить сечение нити. За счет этого повышается электрическое сопротивление. Питание спираль получает от электродов.
2. Спираль удерживают элементы из молибдена. Он также тугоплавкий, имеет низкий коэффициент теплового расширения.
3. Колба из стекла. Внутри ее инертный газ, что не дает сгореть нити накала. Именно поэтому такие лампы не вакуумные, именно газ создает давление внутри колбы.
4. Электроды соединяются с контактными элементами цоколя с помощью медных проводников.
5. Цоколь. Такой элемент есть во всех рассматриваемых лампочках, за исключением специальных автомобильных. Резьба на цоколе и его размер могут быть различными.

Цоколь

Самые привычные для нас лампочки с резьбовым цоколем, размеры их стандартизированы. Для моделей, что используются в бытовых условиях, востребованы Е 14, Е 27 и Е 40. Реже используются для таких источников света без резьбы, но они распространены в автомобильном деле.

Интересно! В Америке и Канаде используются другие стандарты цоколей по причине иного напряжения в сети. Для них привычные размеры резьбы в мм: 12, 17, 26 и 39. При отражении размера цоколя на лампочке перед цифрами стоит так же как и у нас литера Е.

Маркировка

Разобраться в маркировке ламп накаливания несложно, основные обозначения, которые можно встретить:

• Специфика конструкции и свойства. «Б» указывает на аргоновую биспиральную ЛН, «В» – на содержание внутри вакуума, «Г» – на то, что в лампу закачан газ, «БК» – биспиральная криптоновая, «МЛ» – молочный цвет колбы, «МТ» – матовая, «О» – опаловая.
• О назначении лампочки расскажет вторая часть маркировки. «Ж» – железнодорожная, «КМ» – коммутационная, «СМ» – для самолетов, «А» – для автомобилей, «ПЖ» – лампа высокой мощности для использования в прожекторах.
• Форму обозначают так: «А» – абажур, «Д» – декоративная, «В» – витая.
• Первые цифры – это номинальное напряжение.

Коэффициент полезного действия и долговечность

Существенные недостатки таких ламп – это небольшой срок эксплуатации и низкий коэффициент полезного действия. Под КПД подразумевается соотношение мощности и заметного человеку излучения. Как помним, нить разогревается до 2700 К, в этом случае ее КПД около 5%. Вся остальная энергия, которая, кстати, в полном объеме превращается в излучение, припадает на инфракрасный спектр, который невидим для человека. Мы воспринимаем его как тепло.

Теоретические повысить КПД до 20% можно, для этого следует увеличить температуру нити накала до 3400 К, получаемый свет в этом случае будет в 2 раза ярче, правда, срок эксплуатации уменьшается на 95%.

Если мощность снижать, то период эксплуатации ламп накаливания может увеличиваться в 5 и более раз. Уменьшение напряжения при этом снижает КПД, но использовать лампочку получиться в 1000 раз дольше. Этот эффект используется при создании надежного дежурного освещения. Конечно, это возможно, только если нет критических требований к освещенности.

Виды ламп и их функциональное назначение

Существует много ламп накаливания, классификация их происходит по функциональному назначению и конструкционным особенностям.

Общего, местного предназначения

Вплоть до 1970 года их называли нормально-осветительными. Эта группа является самой массовой среди обычных ЛН. Ранее успешно использовались как для общего, так и для декоративного освещения дома, в офисах, других учреждениях. На данный момент во многих странах, в том числе в России, их выпуск ограничивается.

Что касается лампочек местного назначения, то они по конструкции такие же, как и общего, но рассчитаны они на пониженное рабочее напряжение. Использоваться могут в ручных переносных светильниках, для освещения станков, верстаков и т. д.

Декоративные

Основная их особенность – это фигурная колба, размеры ее могут быть очень разными, также как и расположение внутри нити накаливания. Подобные модели сегодня очень востребованы, но выполняют не так роль освещения, как декора, в особенности в винтажных или ретро дизайн-проектах. Внешний вид подобной лампы очень оригинален.

Иллюминационные

Колба у них окрашена в разные цвета, в зависимости от целевого использования. Удобны для оснащения иллюминационных установок. Краска в основном наносится на колбу внутри, для этого применяются неорганические пигменты. Значительно реже такие лампы красят снаружи. Мощность их небольшая, варьируется в пределах 10–25 Вт. Необходимый эффект они дают только первое время, далее цвет их меняется, теряет яркость.

Сигнальные

Применялись в разных светосигнальных приборах. На данный момент из этой сферы их вытесняют светодиодные лампы.

Зеркальные

Колба такой лампы имеет специфическую форму, внутри она покрыта тонким слоем алюминия. За счет этого создается зеркальный эффект, также есть прозрачная часть. Основная задача таких ламп – распределение светового потока с целью сосредоточения в пределах определенной зоны. Удобно их использовать в витринах магазинов, в торговых залах. Именно такие лампы используются для обогрева новорожденных птенцов и других животных.

Транспортные

Эта группа очень обширная, используется в разных транспортных средствах, для фар или другой подсветки. Востребованы для:

• Автомобилей.
• Мотоциклов.
• Тракторов.
• Самолетов и вертолетов.
• Речных и морских судов.

Такие лампы имеют ряд особенностей, среди них:

1. Высокая прочность.
2. Стойкость к воздействию вибрации.
3. Специальные цоколи, за счет чего удается быстро менять вышедшую из строя лампу.
4. Они рассчитаны на питание от электрической сети ТС.

Двухнитевые

Это подтип специальной лампы накаливания, которые используются в:

• Автомобилях. Так, лампы для фар могут иметь 2 нити накала. Одна из них идет на ближний свет, вторая – на дальний. Аналогичная ситуация и для задних фонарей, только тут отдельные нити для габаритов и для стоп-сигналов.
• Самолетах. В отдельных моделях в посадочно-рулежной фаре.
• Ж/д светофорах. Тут двухнитевые лампы – это элемент безопасности и подстраховки, если перегорит одна, то вторая сможет продолжать подавать сигнал.

Характеристики ламп накаливания.

Световой поток – это физическая величина, характеризующая количество «световой» мощности в соответствующем потоке излучения.

Световая отдача – это отношение излучаемого источником светового потока к потребляемой им мощности измеряется в люменах на ватт (лм/Вт). Является показателем эффективности и экономичности источников света.

Люмен – это единица измерения светового потока, световая величина.

Световой поток и световая отдача ламп накаливания.

Тип, мощность, Вт	Световой поток (люмен)	Световая отдача (лм/ватт)
Лампа накаливания 5 Вт	20	4
Лампа накаливания 10 Вт	50	5
Лампа накаливания 15 Вт	90	6
Лампа накаливания 25 Вт	220	8
Лампа накаливания 40 Вт	420	10
Лампа накаливания 60 Вт	710	11
Лампа накаливания 75 Вт	935	12
Лампа накаливания 100 Вт	1350	13
Лампа накаливания 150 Вт	1800	12
Лампа накаливания 200 Вт	2500	13
Солнце	3,63•1028	93
Идеальный источник света		683,002

Сравнительная таблица соотношения светового потока к потребляемой мощности различных типов ламп.

Лампа  накаливания,  мощность,  Вт	Л.Л лампа, мощность, Вт	Светодиод. лампа,  мощность  Вт	Световой поток, Лм
20 Вт	5-7 Вт	2-3 Вт	Около 250 Лм
40 Вт	10-13 Вт	4-5 Вт	Около 400 Лм
60 Вт	15-16 Вт	8-10 Вт	Около 700 Лм
75 Вт	18-20 Вт	10-12 Вт	Около 900 Лм
100 Вт	25-30 Вт	12-15 Вт	Около 1200 Лм
150 Вт	40-50 Вт	18-20 Вт	Около 1800 Лм
200 Вт	60-80 Вт	25-30 Вт	Около 2500 Лм

Характеристики различных видов ламп по светопередаче.

• ЛН — лампы накаливания;
• ГЛН — галогенный лампы;
• КЛЛ — компактно люминесцентные лампы;
• МГЛ — металлогалогенные лампы;
• ЛЛ — люминисцентные лампы;
• Светодиоды — светодиодные лампы.

Характеристики различных типов ламп накаливания.

Напряжение на лампе — U, Вольт;

Мощность лампы — W, Вт;

Световой поток – Лм, Люмен.

Лампы накаливания общего назначения (стандартные).

Тип лампы	U, В	W, Вт	Лм	Срок службы ч.	Длина мм	Диам. мм	Тип цоколя
Б 220-230-25-1	225	25	200	1000	105	61	E27
Б 220-230-40-1	225	40	430	1000	105	61	E27
Б 220-230-60-1	225	60	730	1000	105	61	E27
Б 220-230-75-1	225	75	960	1000	105	61	E27
Б 220-230-100	225	100	1380	1000	105	61	E27
Б 220-235-40-2	230	40	335	1000	98	51	E27
Б 225-235-60-2	230	60	655	1000	98	51	E27
Б 225-235-100-2	230	100	1203	1000	98	51	E27
Б 235-245-150-1	240	150	2180	1000	130	71	E27
РН 220-230-15-4	225	15	90	600	65	22	E14
РН 220-230-200-1	225	200	2950	1000	145	71	E27
РН 220-230-300	225	300	3350	1000	140	91	E27
РН 230-240-300	235	300	4800	1000	200	200	E40
РН 215-225-500	220	500	8400	1000	240	132	E40

Лампы накаливания общего назначения (миньоны).

Тип лампы	U,В	W,Вт	Лм	Срок Службы Ч.	Длина мм	Диам. мм	Тип цоколя
ДС 220-230-40	225	40	400	1000	103	36	E14
ДС 220-230-60	225	60	680	1000	103	36	E14
ДСО 235-245-40	240	40	395	1000	103	31	E14
ДСО 235-245-60	240	60	670	1000	103	36	E14

Лампы накаливания общего назначения (зеркальные).

Тип лампы	U,В	W,Вт	Лм	Срок службы Ч.	Длина мм	Диам. мм	Тип цоколя
3К 220-230-40(R63)	225	40	450	1000	102,5	63,5	E27
3Д 220-230-60(R80)	225	60	200	1000	116	81	E27
3Д 220-230-75(R80)	225	75	280	1000	116	81	E27
3Д 220-230-100(R80)	225	100	410	1000	116	81	E27

Лампы накаливания общего назначения (матовые).

Тип лампы	U,В	W,Вт	Лм	Срок Службы Ч.	Длина мм	Диам. мм	Тип цоколя
БО 230-240-40	235	40	420	1000	105	61	E27
БО 230-240-60	235	60	710	1000	105	61	E27
БО 230-240-100	235	100	1360	1000	105	61	E27

Лампы накаливания для местного освещения.

Тип лампы	U,В	W,Вт	Лм	Срок Службы ч	Длина мм	Диам. мм	Тип цоколя
МО 36-25	36	25	300	1000	108	61	E27
МО 12-40	12	40	620	1000	108	61	E27
МО 36-40	36	40	580	1000	108	61	E27
МО 36-60	36	60	950	1000	108	61	E27
МО 36-100	36	100	1590	1000	108	61	E27

Лампы кварцевогалогенные (КГ).

Тип лампы	U,В	W,Вт	Лм	К	Срок службы Ч.	Длина мм	Диам. мм	Тип цоколя
КГ 220-500-1	220	500	14000	3200	2000	132	11	R7s
КГ 220-1000-5	220	1000	22000	3200	2000	189	12	R7s
КГ 220-1500	220	1500	33000	3200	2000	254	12	R7s
КГ 220-2000-4	220	2000	44000	3200	2000	335	12	R7s

Схемы включения ламп накаливания.

Монтажная схема включения однолампового светильника с розеткой.

Принципиальная схема включения одной лампы с выключателем и штепсельной розеткой.

Принципиальная схема включения двух ламп с индивидуальными выключателями.

Срок годности

Срок службы изделия зависит от его качества. ЛН нужно хранить в картонной коробке. Это нужно для того, чтобы случайно не разбить ее или чтобы она не дала незаметную трещину, которая испортит всю работу. Из-за такой трещины газ будет испаряться, в итоге после того, как лампочка будет вкручена в плафон, она поработает не больше 2-3 часов. Нужно соблюдать правила безопасности при вкручивании лампы в плафон. Нельзя допускать детей к этому процессу, а также желательно полностью выключать подачу электричества в помещении.

Если соблюдать все правила хранения и использования, то лампа прослужит максимально долго, без дефектов.

Перед покупкой лампы желательно получить консультацию специалиста. Не рекомендуется отдавать выбор неизвестному производителю, так как могут попасться бракованные изделия, которые не будут работать положенный срок, или вообще разорвутся под напряжением. Качественные производители всегда дают гарантию не менее 30 дней на лампы накаливания. Покупатель имеет полное право обмена изделия или возврата средств, если работа лампы была менее 10 часов или она перегорела моментально.

Источники: https://vamfaza.ru/istoria-lampi/; https://lampaexpert.ru/vidy-i-tipy-lamp/nakalivaniya/nakalivaniya-i-eyo-osobennosti; https://rusenergetics.ru/svet/lampa-nakalivaniya