Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГОУ ВПО НГПУ ИФМИЭО
Кафедра общей физики
Курсовая работа
на тему: КПД тепловых источников излучения (ламп накаливания)
Выполнила: студентка 3 курса Махарынец Е.А.
Руководитель: кандидат физико-математических наук доцент Погожих С.А.
Лампа накаливания электрическая - источник света, в котором преобразование электрической энергии в световую происходит в результате накаливания электрическим током тугоплавкого проводника.
В 1898-1908 в качестве тела накала испытывались металлы (Os <http://Os-Osmium.info/>, Та, <http://W-Tungsten.info/>), и с 1909 стали применяться лампы накаливания с зигзагообразно расположенной вольфрамовой <http://W-Tungsten.info/> нитью. В 1912-13 появились лампы накаливания, наполненные азотом <http://N-Nitrogen.info/> и инертными газами (Ar <http://Ar-Argon.info/>, Kr <http://Kr-Krypton.info/>); вольфрамовую <http://W-Tungsten.info/> нить стали изготовлять в виде спирали. Дальнейшее совершенствование велось в направлении улучшения световой отдачи путём повышения температуры тела накала при сохранении срока службы лампы. Заполнение лампы накаливания высокомолекулярными инертными газами с добавками галогенов <http://bse.sci-lib.com/article008264.html> позволило уменьшить загрязнение колбы лампы частицами распылившегося вольфрама <http://W-Tungsten.info/> и снизило скорость его испарения. Использование тела накала в форме биспирали (спирали, навитой из спирали) и триспирали сократило потери тепла через газ. Все многочисленные разновидности ламп накаливания состоят из однотипных частей, различающихся размерами и формой.
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Incandescent_light_bulb.svg>
Конструкция современной лампы на схеме: 1 - колба; 2 - полость колбы (вакуумированная или наполненная газом); 3 - тело накала; 4, 5 - электроды (токовые вводы); 6 - крючки-держатели тела накала; 7 - ножка лампы; 8 - внешнее звено токоввода, предохранитель; 9 - корпус цоколя; 10 - изолятор цоколя (стекло); 11 - контакт донышка цоколя.
Конструкции ламп накаливания весьма разнообразны и зависят от назначения конкретного вида ламп. Однако общими для всех ламп являются следующие элементы: тело накала, колба, токовводы. В зависимости от особенностей конкретного типа лампы могут применяться держатели тела накала различной конструкции; лампы могут изготавливаться бесцокольными или с цоколями различных типов, иметь дополнительную внешнюю колбу и иные дополнительные конструктивные элементы.
В конструкции ламп предусматривается предохранитель - звено из ферроникелевого сплава, вваренное в разрыв одного из токовводов и расположенное вне колбы лампы накаливания, как правило, в ножке. Назначение предохранителя - предотвратить разрушение колбы лампы при обрыве тела накала в процессе работы. Дело в том, что при этом в зоне разрыва возникает электрическая дуга <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B4%D1%83%D0%B3%D0%B0>, которая расплавляет остатки тела накала, капли расплавленного металла могут разрушить стекло колбы и послужить причиной пожара. Предохранитель рассчитан таким образом, чтобы при зажигании дуги он разрушался под воздействием тока дуги, существенно превышающего номинальный ток лампы. Ферроникелевое звено находится в полости, где давление равно атмосферному, а потому дуга легко гаснет. Из-за малой эффективности в настоящее время отказались от их применения.
Колба
Колба защищает тело накаливания от воздействия атмосферных газов. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал тела накала распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.
Газовая среда
Колбы первых ламп были вакуумированы. Большинство современных ламп наполняются химически инертными газами (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Потери тепла, возникающие при этом за счёт теплопроводности, уменьшают путём выбора газа с большой молекулярной массой. Смеси азота <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B7%D0%BE%D1%82> N2 с аргоном <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D1%80%D0%B3%D0%BE%D0%BD> Ar являются наиболее распространёнными в силу малой себестоимости, также применяют чистый осушенный аргон, реже - криптон <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%80%D0%B8%D0%BF%D1%82%D0%BE%D0%BD> Kr или ксенон <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D1%81%D0%B5%D0%BD%D0%BE%D0%BD> Xe (молекулярные массы <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B0>: N2 - 28,0134 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D0%BC%D0%BC>/моль <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D1%8C>; Ar: 39,948 г/моль; Kr - 83,798 г/моль; Xe - 131,293 г/моль).
Тело накала
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Filament.jpg>
Двойная спираль
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Electric_bulb_filament.jpg>
Двойная спираль (биспираль) ЛН (Osram 200 Вт) с токовводами и держателями
Формы ТН весьма разнообразны и зависят от функционального назначения ЛН. Наиболее распространённым является ТН из проволоки круглого поперечного сечения, однако находят применение и ленточные ТН (из металлических ленточек). Поэтому использование выражения «нить накала <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B8%D1%82%D1%8C_%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D0%B0%D0%BB%D0%B0>» нежелательно - более правильным является термин «тело накала», включенный в состав Международного светотехнического словаря.
ТН первых лампах изготавливалось из угля <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D1%80%D0%B5%D0%B2%D0%B5%D1%81%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%83%D0%B3%D0%BE%D0%BB%D1%8C> (температура возгонки <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%83%D0%B1%D0%BB%D0%B8%D0%BC%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F> 3559 °C). В современных лампах применяются почти исключительно спирали <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B8%D1%80%D0%B0%D0%BB%D1%8C> из вольфрама, иногда осмиево-вольфрамового сплава <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D0%B2>. Для уменьшения размеров ТН ему обычно придаётся форма спирали, иногда спираль подвергают повторной или даже третичной спирализации, получая соответственно биспираль или триспираль. КПД таких ЛН выше за счёт уменьшения теплопотерь ТН из-за конвекции (уменьшается толщина ленгмюровского слоя <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9B%D0%B5%D0%BD%D0%B3%D0%BC%D1%8E%D1%80%D0%BE%D0%B2%D1%81%D0%BA%D0%B8%D0%B9_%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B9&action=edit&redlink=1>).
Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%BE%D0%B5_%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>. Сила тока <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BB%D0%B0_%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0> определяется по закону Ома <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%9E%D0%BC%D0%B0> и мощность <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%BE%D1%89%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C_(%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0)> по формуле
P=U·I , или P=U²/R.
Т. к. металлы <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB> имеют малое удельное сопротивление <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A3%D0%B4%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампах составляет 40-50 микрон <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B8%D0%BA%D1%80%D0%BE%D0%BD>.
Так как при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление на порядок меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в десять - четырнадцать раз больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу - при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.
В мигающих лампах последовательно с нитью накала встраивается биметаллический <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B8%D0%BC%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BB%D0%BB%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%BF%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%82%D0%B8%D0%BD%D0%B0> переключатель. За счёт этого такие лампы самостоятельно работают в мерцающем режиме.
Цоколь
Форма цоколя с резьбой <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B7%D1%8C%D0%B1%D0%B0> обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BD,_%D0%A2%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D1%81_%D0%90%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B0>. Размеры цоколей стандартизированы. У ламп бытового применения наиболее распространены цоколи Эдисона <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%BE%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D1%8C_%D0%AD%D0%B4%D0%B8%D1%81%D0%BE%D0%BD%D0%B0> E14 (миньон), E27 и E40. Также встречаются цоколи без резьбы (удержание лампы в патроне происходит за счёт трения или нерезьбовыми сопряжениями - например, байонетным <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%91%D0%B0%D0%B9%D0%BE%D0%BD%D0%B5%D1%82>), а также бесцокольные лампы, часто применяемые в автомобилях <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B2%D1%82%D0%BE%D0%BC%D0%BE%D0%B1%D0%B8%D0%BB%D1%8C>.
По функциональному назначению и особенностям конструкции ЛН подразделяют на:
· ЛН общего назначения (ЛОН, до середины 1970-х гг. применялся термин «нормально-осветительные ЛН» - НОЛ). Самая массовая группа ЛН, предназначенных для целей общего, местного и декоративного освещения. Начиная с 2008 <http://ru.wikipedia.org/wiki/2008> г. за счёт принятия рядом государств законодательных мер, направленных на сокращение производства и ограничение применения ЛОН с целью энергосбережения, их выпуск стал сокращаться;
· декоративные ЛН, выпускаемые в фигурных колбах. Наиболее массовыми являются свечеобразные колбы диаметром ок. 35 мм и сферические диаметром ок. 45 мм;
· ЛН местного освещения, конструктивно аналогичные ЛОН, но рассчитанные на низкое (безопасное) рабочее напряжение - 12, 24 или 36 (42) В. Область применения - ручные (переносные) светильники, а также светильники местного освещения в производственных помещениях (на станках, верстаках и т. п., где возможен случайный бой лампы);
· иллюминационные ЛН, выпускаемые в окрашенных колбах. Назначение - иллюминационные установки различных типов. Как правило, лампы этого вида имеют малую мощность (10-25 Вт). Окрашивание колб обычно производится за счёт нанесения на их внутреннюю поверхность слоя неорганического пигмента. Реже используются лампы с колбами, окрашенными снаружи цветными лаками <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%BA>, их недостаток - быстрое выцветание пигмента и осыпание лаковой плёнки из-за механических воздействий;
· зеркальные ЛН имеют колбу специальной формы, часть которой покрыта отражающим слоем (тонкая плёнка термически распылённого алюминия <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%BB%D1%8E%D0%BC%D0%B8%D0%BD%D0%B8%D0%B9>). Назначение зеркализации - пространственное перераспределение светового потока лампы с целью наиболее эффективного его использования в пределах заданного телесного угла. Основное назначение зеркальных ЛН - локализованное местное освещение;
· сигнальные ЛН используются в различных светосигнальных приборах (средствах визуального отображения информации). Это лампы малой мощности, рассчитанные на длительный срок службы;
· транспортные ЛН - чрезвычайно широкая группа ламп, предназначенных для работы на различных транспортных средствах (автомобилях, мотоциклах и тракторах, самолётах и вертолётах, локомотивах и вагонах железных дорог и метрополитенов, речных и морских судах). Характерные особенности: высокая механическая прочность, вибростойкость, использование специальных цоколей, позволяющих быстро заменять лампы в стеснённых условия и, в то же время, предотвращающих самопроизвольное выпадение ламп из патронов. Рассчитаны на питание от бортовой электрической сети транспортных средств (6-220 В);
· прожекторные ЛН обычно имеют большую мощность (до 10 кВт, ранее выпускались лампы до 50 кВт) и высокую световую отдачу. Используются в световых приборах различного назначения (осветительных и светосигнальных). ТН таких ламп, как правило, выполняется компактным (близким к точечному или прямоугольным), что обеспечивается как особой его конструкцией, так и специальной подвеской в колбе;
· ЛН для оптических приборов, к числу которых относятся и выпускавшиеся массово до конца XX в. лампы для кинопроекционной техники, имеют компактные тела накаливания, многие из них помещаются в колбы специальной формы. Используются в различных приборах (измерительные приборы, медицинская техника и т. п.);
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:KM-Lamp.jpg>
Коммутаторная лампа накаливания (24В 35мА)
· Коммутаторные ЛН служили индикаторами на коммутаторных панелях. Представляют собой узкие длинные миниатюрные лампы с гладкими параллельными контактами, что позволяет легко их заменять. Выпускались варианты: КМ 6-50, КМ 12-90, КМ 24-35, КМ 24-90, КМ 48-50, КМ 60-50, где первая цифра означает рабочее напряжение в вольтах, вторая - силу тока в миллиамперах. В настоящее время в качестве индикаторов чаще применяют светодиоды.
Особой группой ЛН являются галогенные лампы накаливания <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%B0>. Принципиальной их особенностью является введение в полость колбы галогенов <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D1%8B> или их соединений, за счёт чего удаётся существенно повысить рабочую температуру ТН, избегая, в то же время, его быстрого распыления.
Электрические источники света - детище XIX и главным образом XX века. Наиболее быстрое развитие они получили в последние 50 - 60 лет. Назовем в хронологическом порядке важнейшие события на пути совершенствования электрических источников света, позволяющие проследить развитие научной и конструкторской мысли.
В 1802 г. русский физик В. В. Петров открыл явление электрической дуги между угольными электродами и отметил ее световые свойства, подсказав тем самым возможность использования этого явления для целей освещения. Вскоре после открытия в 1800 г, теплового действия электрического тока начались опыты по получению света путем накаливания проводников током. Многочисленные работы в этой области многие годы не давали удовлетворительных результатов. Лишь в 1872 г. успех сопутствовал русскому изобретателю и конструктору А. Н. Лодыгину, который предложил источник света, в принципе схожий с современной лампой накаливания (рис. 1).
Он заключил в стеклянный баллон угольный стерженек, выпиленный из реторного угля (полученного при сухой перегонке дерева), и пропустил через него ток. Уголек разогревался и ярко светился. Кислород внутри баллона поглощался за счет сгорания части угля (вакуумной техники тогда не было). Оставшаяся часть угля относительно долго работала, излучая свет. Позже лампа была Усовершенствована В. Ф. Дидрихсоном (рис. 2), который разместил в баллоне несколько угольных стерженьков, автоматически переключавшихся по мере перегорания.
В 1876 г. русский изобретатель П. Н. Яблочков использовал для получения света электрическую дугу. В лампе Яблочкова, которая вошла в историю под названием «свеча Яблочкова» и представляла собой открытую угольную дугу, в качестве электродов были применены два угольных стержня, расположенных параллельно и разделенных промежутком из смеси каолина с магнезией.
В 1879 г. американский изобретатель Т.А. Эдисон усовершенствовал лампу А. Н. Лодыгина, применив для тела накала угольный волосок, полученный обугливанием длинных и тонких бамбуковых волокон, и откачав из баллона воздух (рис. В.2,а). Конструкция лампы оказалась достаточно технологичной, что позволило организовать промышленное производство ламп с угольной нитью (рис. В. 2,б). Лампы накаливания начинают широко внедряться в практику электрического освещения во многих странах, в том числе в России.
В 1890 г. А. Н. Лодыгин демонстрировал лампу с телом накала в виде нити из тугоплавкого металла - молибдена. Эта идея оказалась очень плодотворной. Для изготовления тела накала пытались применять платину, осмий, цирконий, тантал и, наконец, вольфрам, который вытеснил впоследствии все другие металлы. Первые образцы ламп с применением вольфрама появились в 1903 г., в 1906 г. начался промышленный выпуск вакуумных ламп с прямой вольфрамовой тянутой нитью (рис. 3).
В 1913 г. американский ученый И. Ленгмюр предложил наполнять лампу накаливания нейтральным газом и применять спирализованное тело накала вместо нитевидного. Эти меры позволили уменьшить температурное распыление вольфрамовой проволоки и за счет этого увеличить продолжительность горения (срок службы) лампы. И. Ленгмюру принадлежит теоретическая и практическая разработка спиральных вакуумных и газополных ламп (рис. 4,а, б).
В 1914 г. были изобретены газополные лампы накаливания с биспиральным (дважды спирализованным) телом накала. Но они долго не получали практического применения из-за сильного провисания тела накала. Только в 1935 г., после разработки технологии изготовления формоустойчивого вольфрама, началось их массовое производство. С 1936 г. в качестве газов-наполнителей лампы стали применять криптон (рис. В.4,е) и ксенон.
Практическое использование свечения электрического разряда в газе для целей освещения началось в 1893 г., когда американский инженер Ф. Мур предложил конструкции светящихся трубок, наполненных разреженными газами (азот и углекислота). Этому событию предшествовали исследования многих ученых в области создания источников тока, получения вакуума, изучения свойств и разновидностей газового разряда. В 1910 г. для светящихся трубок стали применять неон, аргон и другие газы, что позволило упростить их конструкцию. Параллельно создавались лампы и светящиеся трубки с парами металлов. Первой такой лампой, использующей свечение ртутных паров, была ртутная лампа И. Репьева, предложенная в 1879 г. В 1900-1901 гг. в эти лампы были введены конструктивные усовершенствования, которые сделали их Удобными для практического применения. В результате начатых в 1904 г. работ, связанных с использованием для ртутных ламп кварцевых колб, была создана надежная конструкция ламп с металлическими вводами (1912-1913 гг.) и твердыми оксидными катодами (1930-1932 гг.). Эти лампы были интенсивными источниками излучения в ультрафиолетовой области спектра.
г. ознаменовался крупным событием, открывшим новую страницу в развитии тепловых источников света, были созданы галогенные лампы накаливания в кварцевой колбе. Введение галогенов (например, йода) в лампу обеспечивало при определенных условиях обратный перенос испарившихся частиц вольфрама со стенок колбы на тело накала. При этом колба в процессе работы лампы остается прозрачной, световой поток - более стабильным, что позволяет существенно уменьшить размеры лампы по сравнению с обычными лампами той же мощности. Относительно малые размеры этих ламп и высокая прочность их кварцевых оболочек позволили повысить давление наполняющей лампы среды до 4 - 5*105 Па (3000-4000 мм рт. ст.) и тем самым существенно увеличить срок службы галогенных ламп (примерно в 2 раза) по сравнению с обычными лампами накаливания. В СССР в настоящее время создано и выпускается свыше 100 типоразмеров галогенных ламп накаливания, используемых для инфракрасного нагрева, прожекторного освещения, кино-, теле- и фотосъемок, автотранспорта, оптических приборов и других целей (рис. В.8).
Изобретение галогенных ламп накаливания навело на мысль использовать циклы в парах простейших химических соединений в газоразрядных лампах. Это позволяет создать лампы, сочетающие высокую световую отдачу и хорошую цветопередачу, присущие люминесцентным лампам, с высокой мощностью излучения, которой отличаются ртутные лампы высокого давления. За последние 10-15 лет много сделано для практической реализации этой идеи. Уже начали выпускаться так называемые металлогалогенные дуговые лампы (типа ДРИ), т. е. ртутные лампы высокого давления с введением йодидов натрия, таллия, индия и др. Световая отдача этих ламп достигает 80-90 лм/Вт, что в 1,5-2 раза больше, чем у аналогичных ламп типа ДРЛ.
Важным достижением последнего времени является разработка и освоение производства натриевых ламп высокого давления.
Создание таких ламп (типа ДНаТ), имеющих световую отдачу до 110-120 лм/Вт, срок службы около 20 тыс. ч и удовлетворительную цветопередачу, стало возможным в связи с созданием свето-' прозрачных трубок-колб из поликристаллической окиси алюминия. Такие колбы могут работать при более высокой температуре, чем кварцевые, и хорошо противостоят воздействию разряда в парах щелочных и щелочноземельных металлов.
Развитие источников света, совершенствование конструкций происходили на основе использования достижений фундаментальных наук, в тесной связи с развитием других отраслей науки и техники. Важнейшими научными предпосылками явилось открытие теплового действия электрического тока (1800 г.), открытие электрической дуги и возможности получения от нее света (1802 г.), исследование и формулирование законов теплового излучения тел (вторая половина XIX в.), развитие теории светящегося электрического разряда в газе (работы английского физика М. Фарадея, начатые в 1838 г.), развитие исследований в области техники освещения и облучения. К главным техническим предпосылкам развития источников света можно отнести изобретение гальванического элемента, электрификацию, создание вакуумной техники, получение вольфрамовой проволоки, развитие техники обработки стекла, получение кварцевого стекла, организацию промышленного получения азота, аргона, криптона и ксенона и снижение их стоимости и др. Отметим основные пути и направления дальнейшего развития электрических источников света. Главная проблема - повышение эффективности преобразования электрической энергии в световую, увеличение световой отдачи источников света. В тепловых источниках света это может быть достигнуто за счет отыскания новых материалов для тела накала, совершенствования конструкции тел накала и оптимизации окружающих их сред, дальнейшего исследования возвратных (регенеративных) циклов и совершенствования на этой основе галогенных ламп накаливания, развития работ по применению антистоксовых люминофоров в лампах накаливания и др.
Важными научно-техническими задачами в области газоразрядных ламп являются улучшение цветности натриевых ламп высокого давления; повышение срока службы ламп типа ДРИ; повышение стабильности светового потока практически всех типов газоразрядных ламп и прежде всего люминесцентных ламп низкого давления; создание люминесцентных ламп с улучшенной цветопередачей и в колбах специальной формы для жилых помещений; развитие люминесцентных ламп повышенной интенсивности; создание безбалластных газоразрядных ламп; расширение ассортимента ламп типов ДРЛ, ДРИ, ДНаТ и др.
Требование повышения эффективности преобразования электрической энергии в световую не является абсолютным. На него накладываются ограничения в связи с необходимостью обеспечить разумную долговечность источников, необходимый спектральный состав излучения, достаточно низкую стоимость ламп, удобство их эксплуатации в осветительных приборах и т. п. Поэтому оценка эффективности источников света как преобразователей энергии должна осуществляться по критериям, учитывающим эти ограничения. В области создания таких критериев сделано уже немало.
В настоящее время главенствующее положение в светотехнике занимают источники света, основанные на использовании различных свойств электричества. Известно, что при прохождении электрического тока через проводник последний нагревается; это свойство электричества легло в основу создания тепловых источников света - ламп накаливания. Если к двум электродам, помещенным в пространство, заполненное инертным газом, подвести напряжение, то при определенных условиях между электродами возникнет электрический разряд, сопровождающийся свечением. Это явление легло в основу создания разнообразных типов газоразрядных ламп. Открытие люминофоров - веществ, способных преобразовать поглощаемую ими энергию в видимое излучение (люминесцировать), позволило создать, например, люминесцентные и электролюминесцентные источники света, в которых на люминофоры воздействуют соответственно энергии ультрафиолетового излучения и электрического поля.
Лампы накаливания изготовляются на напряжения от долей до сотен в, мощностью до десятков квт. Например, прожекторная лампа мощностью 10 квт имеет длину 475 мм и диаметр 275 мм. Увеличение напряжения на лампах накаливания против номинального на 1% повышает световой поток на 4%, но снижает срок службы на 15%. Кратковременное включение на напряжение, превышающее номинальное на 15%. выводит лампу из строя. Срок службы ламп накаливания колеблется от 5 ч (например, самолётные фарные лампы) до 1000 ч и более (например, транспортные лампы), поэтому лампы должны устанавливаться в местах, обеспечивающих лёгкость их замены. Световая отдача ламп накаливания зависит от конструкции, напряжения, мощности и продолжительности горения и составляет 10-35 лм/вт. В табл. 1 и 2 приводятся значения световой отдачи некоторых ламп различных конструкций.
Табл. 1. - Световая отдача некоторых ламп
|
Тип лампы |
Световая отдача, лм/вт |
Примечание |
|
Керосиновая лампа Лампа накаливания: с угольной <http://C-Carbon.info/> нитью с танталовой <http://Ta-Tantalum.info/> нитью с вольфрамовой <http://W-Tungsten.info/> нитью (вакуумная) с вольфрамовой <http://W-Tungsten.info/> биспиралью (газополная, технический криптон) с вольфрамовой <http://W-Tungsten.info/> биспиралью (галогенная)<1 2-378-912,5-13,522-27345 Общее освещение зданий, средств транспорта Специальные оптические приборы Малогабаритные кинопроекторы |
По световой отдаче лампы накаливания уступают газоразрядным источникам света <http://bse.sci-lib.com/article008001.html>, однако они проще в эксплуатации (не требуют пусковых устройств и сложной арматуры) и для них практически нет ограничений по напряжению и мощности. Ежегодное производство ламп накаливания в мире достигает 10 млрд. штук, количество разновидностей более 2 тыс.
Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C> и конвекции <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D0%BD%D0%B2%D0%B5%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F> малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%BB%D0%B8%D0%BD%D0%B0_%D0%B2%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B> этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD> своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD> (обычная лампа на 60 Вт <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D1%82%D1%82>) КПД <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F> составляет 5 %.
С возрастанием температуры КПД <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F> лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD> время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD> всего лишь несколько часов. Как показано на рисунке справа, при увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F>, но зато увеличивает долговечность. Так понижение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) сильно уменьшает КПД <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%BE%D1%8D%D1%84%D1%84%D0%B8%D1%86%D0%B8%D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%B7%D0%BD%D0%BE%D0%B3%D0%BE_%D0%B4%D0%B5%D0%B9%D1%81%D1%82%D0%B2%D0%B8%D1%8F>, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BE%D0%B4>, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%98%D1%81%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5> материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
Преимущественная часть износа нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно используя разного рода плавные пускатели.
Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D1%82%D1%82> в момент включения потребляет свыше 700 Вт <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D1%82%D1%82>, а 100-ваттная - более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности. Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.
|
Тип |
КПД |
Светоотдача (Люмен <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%8E%D0%BC%D0%B5%D0%BD>/Ватт <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%B0%D1%82%D1%82>) |
|
Лампа накаливания 40 Вт |
1,9 % |
12,6 |
|
Лампа накаливания 60 Вт |
2,1 % |
14,5 |
|
Лампа накаливания 100 Вт |
2,6 % |
17,5 |
|
Галогенные лампы <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B5%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BB%D0%B0%D0%BC%D0%BF%D0%B0>2,3 %16 |
||
|
Металлогалогенная лампа (с кварцевым стеклом) |
3,5 % |
24 |
|
Высокотемпературная лампа накаливания |
5,1 % |
35 |
|
Абсолютно чёрное тело <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B1%D1%81%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%82%D0%BD%D0%BE_%D1%87%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%BE> при 4000 K7,0 %47,5 |
||
|
Абсолютно чёрное тело <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B1%D1%81%D0%BE%D0%BB%D1%8E%D1%82%D0%BD%D0%BE_%D1%87%D1%91%D1%80%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%BE> при 7000 K14 %95 |
||
|
Идеально белый источник света |
35,5 % |
242,5 |
|
Идеальный монохроматический 555 nm (зелёный) источник |
100 % |
683 |
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Spektrum_60W_ESL.jpg>
Спектр излучения <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BF%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80_%D0%B8%D0%B7%D0%BB%D1%83%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F>: непрерывный 60-ватной лампы накаливания (вверху) и линейчатый 11-ватной компактной люминесцентной лампы (внизу)
Преимущества:
· малая стоимость
· небольшие размеры
· ненужность пускорегулирующей аппаратуры
· при включении они зажигаются практически мгновенно
· отсутствие токсичных компонентов и как следствие отсутствие необходимости в инфраструктуре по сбору и утилизации
· возможность работы как на постоянном токе (любой полярности), так и на переменном
· возможность изготовления ламп на самое разное напряжение (от долей вольта до сотен вольт)
· отсутствие мерцания и гудения при работе на переменном токе
· непрерывный спектр излучения
· устойчивость к электромагнитному импульсу
· возможность использования регуляторов яркости <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B8%D0%BC%D0%BC%D0%B5%D1%80>
· нормальная работа при низкой температуре окружающей среды
Недостатки:
· низкая световая отдача
· относительно малый срок службы
· резкая зависимость световой отдачи и срока службы от напряжения
· цветовая температура <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0> лежит только в пределах 2300-2900 <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9A%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B2%D0%B8%D0%BD>, что придаёт свету желтоватый оттенок
· лампы накаливания представляют пожарную опасность. Через 30 минут после включения ламп накаливания температура наружной поверхности достигает в зависимости от мощности следующих величин: 40 Вт - 145 °C, 75 Вт - 250 °C, 100 Вт - 290 °C, 200 Вт - 330 °C. При соприкосновении ламп с текстильными материалами их колба нагревается еще сильнее. Солома, касающаяся поверхности лампы мощностью 60 Вт, вспыхивает примерно через 67 минут. Световой коэффициент полезного действия ламп накаливания, определяемый как отношение мощности лучей видимого спектра к мощности потребляемой от электрической сети, весьма мал и не превышает 4 %
лампа накаливание сигнальный колба
Значительная часть излучения лампы накаливания лежит в коротковолновой части инфракрасного спектра (длина волны 0,74-2,0 мкм). Для температуры излучающей поверхности 2700К выход радиации в диапазоне 0,74-2,0 мкм будет равняться 43 %. Это излучение, в отличие от полезного длинноволнового (длина волны 50-2000 мкм), является вредным для организма человека, особенно для глаз. При высокой плотности и продолжительности облучения наблюдаются следующие последствия:
судорожная болезнь, вызванная нарушением водно-солевого баланса, характеризуется появлением резких судорог, преимущественно в конечностях;
перегревание (тепловая гипертермия) возникает при накоплении избыточного тепла в организме; основным признаком является резкое повышение температуры тела;
тепловые удары возникают в результате проникновения коротковолнового инфракрасного излучения (до 1,5 мкм) через покровы черепа в мягкие ткани головного мозга;
катаракта (помутнение хрусталиков) - заболевание глаз, возникающее при длительном воздействии инфракрасных лучей с λ = 0,78-1,8 мкм. К острым нарушениям органов зрения относятся также ожог, конъюктивиты, помутнение и ожог роговицы, ожог тканей передней камеры глаза. Обычно плотность излучения в домашних условиях не способна причинить заметный вред человеку, однако это возможно если достаточно мощная лампа будет располагаться в непосредственной близости, либо если в помещении установлено слишком много ламп или они слишком мощные. К тому же люди могут проводить под лампами накаливания значительное время, так что, вероятно, даже не очень высокая яркость может негативно отразиться на здоровье в течение длительных промежутков времени.
· Фотолампа, перекальная лампа - разновидность лампы накаливания, предназначенная для работы в строго нормированном форсированном по напряжению режиме. По сравнению с обычными имеет повышенную световую отдачу <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BE%D1%82%D0%B4%D0%B0%D1%87%D0%B0> (до 30 лм/Вт), малый срок службы (4-8 часов) и высокую цветовую температуру <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A6%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D0%B5%D0%BC%D0%BF%D0%B5%D1%80%D0%B0%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B0> (3300-3400К, по сравнению с 2700К). В СССР выпускались фотолампы мощностью 300 и 500 Вт. Как правило, имеют матированную колбу. В настоящее время (XXI век) практически вышли из употребления, благодаря появлению более долговечных устройств сравнимой и более высокой эффективности. В фотолабораториях обычно осуществлялось питание таких ламп в двух режимах:
o Пилотное освещение <http://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=%D0%9F%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D0%BE%D1%81%D0%B2%D0%B5%D1%89%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5&action=edit&redlink=1> - напряжение снижено на 20-30 % с помощью ЛАТРа <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%90%D0%A2%D0%A0>. При этом лампа работает с недокалом и имеет низкую цветовую температуру.
· Номинальное напряжение.
· Проекционные лампы - для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную яркость (и соответственно, повышенную температуру нити и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.
· Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.
· Малоинерционная лампа накаливания, лампа накаливания с тонкой нитью - использовалась в системах оптической записи звука <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9E%D0%BF%D1%82%D0%B8%D1%87%D0%B5%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F_%D0%B7%D0%B0%D0%BF%D0%B8%D1%81%D1%8C_%D0%B7%D0%B2%D1%83%D0%BA%D0%B0> методом модуляции яркости источника и в некоторых экспериментальных моделях Фототелеграфа <http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84>. Благодаря малой толщине и массе нити подача на такую лампу напряжения, модулированного сигналом звукового диапазона частот (до примерно 5 кГц), приводила к изменению яркости в соответствии с мгновенным напряжением сигнала. К началу XXI века не находят применения благодаря наличию намного более долговечных твердотельных излучателей света и намного менее инерционных излучателей других типов.
Литература
1. ru.wikipedia.org <http://ru.wikipedia.org/wiki/Заглавная_страница>
. www.electro-mpo.ru <http://www.google.com/aclk?sa=L&ai=CSnoabKTaS8-8LYKm_gaKyJwis9XgvQG5m_nxD6aei_cBCAAQASDijKkXULXQzRtghI3thewdyAEBqQKGjmpscl9iPqoEHk_QfN-TKTGLAD2G4AdeEH5duOAwp7uTI95e_bKqsQ&sig=AGiWqty1hR21tceP2-mUAGhi3TwUMOft-Q&adurl=http://click02.begun.ru/click.jsp%3Furl%3DLr8WXC4sLSxPq8hYUYCbf0*tnQuQGRpuYtDUckXgIKN3JQqs8I*R4vzxnHbfMhWLcGhPTV2NWoOsn9tdMb8vXcKrk752Bqm*UxeM9T08ouXRhwoSkxUxjQnYS5kw7KsNBzS4QvL8lBxzBSizfWF1oQIlDG4neulv256fIw>
. otvet.mail.ru/question/10058789/