Классические лампы накаливания

Во всех лампах накаливания (ЛН) источником видимого света является раскаленная

металлическая нить, по которой протекает электрический ток. При этом, чем выше температура

этой нити, тем ярче светит лампа, и тем больше света она излучает. Однако, температуру нити

накаливания нельзя увеличивать выше тех значений, при которых наступает ухудшение

технологической прочности металла, из которого она изготовлена. Самым тугоплавким и

устойчивым к воздействию тепла является вольфрам – металл, температура плавления которого

равна 3650±50 К. В работающей электролампе температура нити накаливания достигает 2300-

2800 К. При более высоких температурах увеличивается световой поток, но катастрофически

сокращается срок службы лампы, прежде всего из-за ускоренного испарения вольфрама из тела

нити.

При названных оптимальных температурах нити накаливания срок службы классических ЛН

может достигать 2,5 тыс. часов. Однако средний срок службы этих ламп, как правило, не

превышает 1000 часов.

Чтобы повысить значения светового потока ЛН без заметного повышения температуры и

сокращения срока службы, в современных лампах увеличивают площадь поверхности

светящегося тела, изготавливая нить накаливания в виде спирали (одинарной, двойной и даже

тройной). Кроме того, колбы ламп вакуумируют или заполняют инертным газом, азотом или их

смесью. Погружение раскаленной нити накаливания в такой газ существенно уменьшает скорость

испарения вольфрама, что положительно сказывается на сроке службы и эффективности

газополной лампы накаливания, по сравнению с вакуумной.

Человеческий глаз имеет максимальную чувствительность к желто-зеленому свету, который

преобладает в излучении Солнца, температура которого близка к 6000 К. Естественно, что в свете

вольфрамовой спирали ЛН, имеющей температуру менее 2800 К, желто-зеленый свет,

практически, отсутствует. Вернее, максимум энергии в спектре ее излучения смещен в область

инфракрасного света (70-76%), а на видимый свет приходится всего 7-13% излученной энергии, да

и то в области красно-оранжевого света. Поэтому эффективность светового потока ламп

накаливания относительно невелика, а коэффициент полезного действия не превышает 13%.

Светоотдача современных ЛН находится в пределах 10-20 лм/Вт, цветовая температура их света

равна Тс = 2300-2800 К, а индекс цветопередачи Ra ≈ 100, для соответствующего диапазона

цветовых температур. Спектр излучения сплошной.

Основными элементами конструкции всех классических ламп накаливания являются:

- вольфрамовая нить накаливания;

- герметичная колба из силикатного стекла, заполненная инертным газом или его смесью с

азотом;

- металлический цоколь, обеспечивающий подключение лампы к источнику электричества,

- держатель нити накаливания с токоведущими элементами.

Интересно, что в качестве газа для заполнения колбы лампы могут использоваться азот (N2), аргон

(Ar), криптон (Kr) и ксенон (Xe). У этих газов различная теплопроводность: самая высокая – у азота,

самая низкая – у ксенона. Поэтому, при прочих равных условиях лампы, заполненные смесью

Xe+N2, светят ярче, чем лампы со смесями Kr+N2 и Ar+N2. Точно так же, лампы со смесью Kr+N2,

светят ярче ламп с Ar+N2. Это объясняется различной температурой нитей накаливания,

погруженных в газы с разной теплопроводностью. Инертные газы смешивают с азотом для

снижения стоимости ламп (чистые Xe и Kr весьма дороги) и повышения напряжения

электрического пробоя газового наполнения ламп.

У газополных ламп скорость испарения вольфрама из тела нити накаливания ниже, чем у

вакуумных, это позволяет разогревать эту нить до более высоких температур и, тем самым,

повышать цветовую температуру их света до значения Тс = 2800 К, в то время как у вакуумных

ламп Тс < 2600 К.

Световой поток, светоотдача и срок службы ламп накаливания в значительной степени зависят от

температуры нити накаливания. Причем с ростом этой температуры относительно номинальной

световой поток увеличивается приблизительно в 11 раз, а светоотдача в 6 раз быстрее. В то же

время, срок службы сокращается в 40 раз быстрее, чем растет температура нити накаливания

относительно номинального значения.

В свою очередь, увеличение температуры нити накаливания прямо пропорционально зависит от

потребляемой мощности лампы (например, при увеличении напряжения в электросети), и эта

зависимость такова, что температура нити накаливания растет почти в пять раз быстрее, чем рост

потребляемой мощности. Практически это означает, что с ростом потребляемой мощности лампы,

например, в 1,1 раза, температура ее нити накаливания вырастет в 5.5 раз, а средний срок службы

сократиться в 240 раз относительно номинального. То есть до значения 4,5 часа, если

номинальный срок службы этой лампы 1000 часов.

Срок службы лампы накаливания ограничивается не только тем временем, в течение которого

остается целой нить накаливания, но и уровнем светового потока, излучаемого лампой. Принято

считать, что эксплуатация лампы остается экономически обоснованной пока ее световой поток

выше 80% от исходного. Поэтому, если в результате снижения прозрачности колбы лампы, чаще

всего из-за конденсации на ней паров вольфрама, свет ее становиться тусклым, а световой поток

падает более, чем на 20%, такая лампа считается непригодной к эксплуатации и подлежит замене.

Классические лампы накаливания общего назначения, в зависимости от формы колбы, бывают

грушевидными, грибовидными, сферическими, Т-образными и цилиндрическими. Колбы ЛН

изнутри могут иметь светорассеивающие покрытия белого цвета (опаловые) или матироваться

(матовые лампы). Зеркальные лампы накаливания имеют, как правило, грибовидную форму и

зеркальный отражающий слой на тыльной стороне колбы, позволяющий направлять почти весь

световой поток ламп во фронтальную полусферу.