Из чего состоит и как устроена лампа накаливания: особенности конструкции, принцип работы, схема подключения

Обновлено: 14.05.2024

Для создания искусственного освещения часто используют обычную лампу накаливания. Этот элемент знаком всем еще со времен СССР. Стеклянная колба, патрон и спираль — основные видимые части продукта. Как устроена лампа накаливания изнутри, интересно и мастеру-новичку, и профессионалу.

История изобретения лампочки

Изделие проектировалось и дорабатывалось многими учеными в разные периоды. Первая электрическая дуга была зажжена ученым Петровым В.В. в 1802 году. Изобретение состояло из двух угольных стержней, которые подключались к полюсам гальванической батареи. В момент их сближения возникал электрический разряд, и над элементами формировалась светящаяся дуга. Применение такой лампы в быту было невозможным по ряду причин - неудобство конструкции, быстрое перегорание угольных стержней. Зато мировые ученые начали понимать, из чего сделать лампу.

Спустя 70 лет в 1872 году Лодыгин А.Н. получил патент на лампу накаливания. В качестве спирали в ней был использован стержень ретортного угля, который находился под стеклянным колпаком.

Уже в 1880 году 10 мая лампочкой Лодыгина было обустроено уличное освещение в Санкт-Петербурге на Литейном мосту. Срок службы источника света составлял всего 2 месяца (пока не перегорал угольный стержень).

В 1880 году в США Томас Эдисон представил усовершенствованную лампу накаливания Лодыгина. Он сумел добиться устранения воздуха из стеклянной колбы, что обеспечило более длительное горение спирали и более яркое её свечение. Эдисон также разработал цоколь с резьбой для ввинчивания лампы в патрон.

В 1910 году было принято решение скручивать вольфрамовую нить в спираль для увеличения ресурса её службы. Таким образом, изделие теперь работает вместо первоначальных 50-100 часов целых 1000 ч.

Принцип теплового получения излучения используют и при производстве галогеновых ламп дневного света.

Из чего состоит лампа

Строение и схема лампы накаливания выглядят так:

стеклянная колба грушевидной или округлой формы;
тело накала (вольфрамовая или угольная нить), расположенное в ней на двух держателях-крючках;
два электрода;
предохранитель;
ножка;
цоколь (корпус) с изолятором;
его контакт (донышко).

Окисление вольфрамовой нити (спирали, тела накала) исключается за счет её помещения в вакуум или газообразную среду. Ими наполняют стеклянную колбу.

Электротехнические параметры

Все лампочки производятся для разных напряжений. Поскольку тугоплавкий металл вольфрам имеет малое удельное сопротивление, для устройства светового элемента нужен длинный провод. Таким образом, нить накаливания в электрической лампочке часто достигает 50 микрометров. При включении света через тело накала проходит ток, превышающий рабочий в 10-14 раз. Чем больше прогревается нить, тем сильнее увеличивается сопротивление нити и снижается сила тока.

Принцип работы электрической лампы накаливания

Рассмотрев, из чего состоит лампочка, важно понять и принцип её работы:

При включении света через донышко цоколя к телу накала проходит ток.
Вольфрамовая нить сильно разогревается после замыкания электрической цепи, что приводит к её свечению.
На этот момент температура нити достигает 570 градусов.
Таким образом спектр свечения лампочек сдвинут в сторону теплых температур.

Для справки: чем ниже градус вольфрамовой/угольной нити, тем ниже будет доля энергии, которая подходит к телу накала и провоцирует его видимое излучение. Ретро-лампы тем и отличаются, что медленнее и слабее прогревают спираль.

Разновидности световых элементов

Классифицируют все изделия по разным параметрам. По типу наполнения колбы различают такие лампы:

самые простые вакуумные (при их изготовлении из колбы отсасывается весь воздух);
наполненные газом аргоном;
ксенон-галогенные;
наполненные криптоном.

По типу предназначения лампочки делят на такие виды:

По количеству нитей накаливания все элементы бывают:

Двухнитевые. Имеют одно тело накала для дальнего (сильного) света и одно - для ближнего (слабого) освещения. Используются в авто, авиации, ж/д светофорах, в звездах Московского Кремля.
Однонитевые. Привычные лампочки с вольфрамовым телом накала.

Тело накала малоинерционных изделий имеет крайне тонкую спираль. Ранее они применялись для систем оптической записи звука. Существуют также нагревательные лампы, которые используют для устройства сушильных камер, электроплит, оргтехники и др.

Преимущества и недостатки

Лампы накаливания имеют ряд своих достоинств:

приемлемую стоимость;
компактные габариты;
мгновенную реакцию на включение/выключение;
отсутствие мерцания, неблагоприятно воздействующего на глаза;
инертность к скачкам напряжения;
мягкая гамма свечения, способствующая расслаблению, созданию атмосферы уюта;
хороший индекс цветопередачи, равный Ra 90;
работа в любых условиях (в том числе при высокой влажности);
постоянная доступность для потребителя;
экологичность;
отсутствие шума при работе;
инертность к ионизирующей радиации.

К недостаткам ламп накаливания относят такие моменты:

хрупкость, чувствительность к механическим повреждениям;
сравнительно малый срок эксплуатации;
низкий КПД, не превышающий 5-7% (отношение расходуемой мощности к видимому излучению);
пожарная опасность при прямом контакте лампы с горючими веществами (текстиль, солома и др.);
вероятность взрыва при термическом ударе или разрыве спирали под напряжением.

Несмотря на все перечисленные недостатки, привычные лампочки уверенно сохраняют за собой занятые позиции. Более 70% населения СНГ все еще пользуются ими.

КПД и долговечность

Разбирая, как устроена лампа накаливания, важно понять коэффициент ее полезного действия. При световой температуре 3400 Кельвинов КПД элемента составляет 15%. Имеется в виду отношение потребляемой мощности к видимому человеческим глазом световому излучению. При температуре 2700 К (средняя нормальная для обычной бытовой лампы) коэффициент полезного действия равен всего 5%.

Чем выше температура накала, тем большим будет КПД. Но при этом срок службы изделия снижается. К примеру, если повысить напряжение на 20%, яркость освещения станет сильнее — повысится КПД лампочки, однако срок эксплуатации сократится на 90-95%. Соответственно, снижение напряжения приводит к уменьшению коэффициента полезного действия изделия и увеличению срока его эксплуатации.

Как увеличить срок службы лампы накаливания

В среднем обычная бытовая лампочка накаливания служит 700-1000 часов. Но на деле элемент перегорает гораздо быстрее. Чтобы продлить срок службы лампочки, нужно предотвратить провоцирующие перегорание спирали факторы.

Учитывать диапазон напряжений. Его указывают на колбе изделия. Как правило, он равен 125-135 Вт, 220-230 Вт, 2,3-2,4 кВт. При превышенном напряжении в доме изделие будет перегорать скорее. К примеру, в квартире максимальное напряжение 220 В, а лампа куплена с диапазоном 125-135 В. Здесь нить накала перегорит однозначно быстрее, поскольку увеличивается КПД изделия.
Устранить неисправность патрона. Если лампы перегорают часто, стоит осмотреть его, перепроверить контакты. При необходимости патрон меняют.
Исключить вибрации. Они приводят к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. Поэтому перенос мобильных светильников лучше выполнять с выключенной лампочкой.

Для продления срока службы лампы накаливания можно снизить напряжение в сети всего на 7-8%. В этом случае изделие проработает дольше в 3-3,5 раза при экономном расходе электроэнергии.

Первый электрический осветительный прибор, который изобрели в конце 18 века - лампа накаливания (ЛН). Этот источник света до сих пор пользуется популярностью при организации освещения жилых, производственных помещений, улиц и т. д.

Это устройство имеет простую конструкцию и принцип работы.

На рынке осветительных приборов представлены разные виды лампочек с нитью накала.

Несмотря на то, что сейчас все большую популярность приобретают энергосберегающие лампочки, приборы с нитью накаливания не спешат сдавать позиции.

Конструкция лампы накаливания

Устройство разных видов ламп накаливания незначительно отличается, однако можно выделить 3 общих элемента: тело накаливания, стеклянная колба и токовые вводы. Они отличаются конструкцией держателей (крючки) тела накала, типом цоколей, некоторые из них могут быть бесцокольными.

Чтобы избежать разрушения колбы при разрыве спирали во время работы, ЛН оснащена ферроникелевым предохранителем, который обычно располагают в ее ножке. На участке разрыва тела накала образуется электродуга, из-за которой остатки спирали расплавляются, попадают на стеклянную поверхность, тогда повышается риск нарушения ее целостности. Предохранители помогают остановить процесс плавления. Однако сейчас они используются редко, так как их эффективность низкая.

Электрическая лампа имеет такие основные элементы:

колба;
тело накаливания;
электроды (токовводы) по обеим сторонам спирали;
крючки, которые удерживают спираль;
ножка;
токовый ввод;
цоколя;
изолятор цоколя;
контакт на дне цоколя.

Колба из стекла защищает спираль от разрушительного действия воздуха, при ее разрушении нить накала окисляется и быстрее разрывается. Состав колбы устройства отличается, ее полость может быть заполнена вакуумом или смесью газов. Первые ЛН выпускали с безвоздушной емкостью, однако их мощность низкая. Для наполнения современной лампочки используется азотно-аргоновая смесь или только аргон. Некоторые виды устройств могут содержать криптон или ксенон. Теплоотдача прибора зависит от молярной массы вещества, которым наполнена колба.

Это интересно! В отдельную категорию входят галогеновые лампочки, колба которых заполнена специальными газами. Во время работы устройства из спирали испаряется металл, который вступает в реакцию с галогенами. Полученное в результате их взаимодействия вещество разрушается под влиянием высокой температуры, и оседает на поверхность тела накала. Как следствие, увеличивается КПД, а также срок эксплуатации устройства.

В зависимости от функционального назначения, форма спирали ЛН отличается: проволока с круглым сечением или ленточный проводник.

Накал и свечение первых устройств обеспечивали угольные стержни, современные лампы накала оснащены вольфрамовой спиралью. Проводник может быть создан из сплава металлов (осмий и вольфрам).

Боле новые модели оснащены биспиралями или триспиралями, которые получают в результате повторного закручивания. Такие устройства имеют высокий КПД и выделяют меньше тепла.

Форма и размер цоколя лампы накаливания стандартные, поэтому проблем с заменой осветительного элемента после его поломки обычно не возникает. Чаще всего применяются источники света с цоколем Е14, Е27, Е40. Буква Е в маркировке обозначает фамилию изобретателя (Эдисон), а цифра после - наружный диаметр в мм.

Принцип работы

Работает лампочка накаливания за счет нагревания вещества во время протекания тока сквозь него. Электричество проходит через тугоплавкий проводник, разогревая его. Температура нагрева зависит от того, какое напряжение подведено к лампочке. Согласно закону Планка, разогретый излучающий проводник может создавать электромагнитное излучение. Чем выше температура, тем меньше длина волн. Видимое излучение, которое способен уловить человеческий глаз, появляется, когда проводник нагревается до нескольких тысяч градусов. Если прибор разогреть до 5000 К (Кельвин), то появиться нейтральный свет, при снижении температуры в спектре преобладают излучения от желтого до красного.

Большая часть энергии приборов с нитью накала преобразуется в тепло, а незначительное количество в свет. Однако человек способен уловить свет только определенного спектрального состава. Чтобы повысить ярость освещения, нужно повышать температуру тела накала, которое имеет свой максимум (3000°С). При дальнейшем нагреве спираль начнет деформироваться и плавиться. Однако даже предельной температуры удается достигнуть не всегда, особенно, если определенные условия окружающей среды во время работы лампочки накаливания не соблюдены.

Это интересно! Когда лампа теряет герметичность, то вольфрамовая спираль при контакте с воздухом окисляется и появляется белый налет. Поэтому тело накала заключают в воздухонепроницаемую колбу, и заполняют ее инертными газами, которые замедляют скорость его разрушения. Вольфрамовая нить маломощных лампочек (до 25Вт) находится в вакуумной среде.

Разновидности

Прежде чем ознакомиться с видами ЛН, нужно изучить их характеристики:

Мощность бытовых ламп колеблется от 25 до 150 Вт, а других - до 1000 Вт.
Температура разогрева тела накала - до 2900 - 3000° С.
Светоотдача - от 9 до 19 Лм/1 Вт. Эта характеристика имеет свой диапазон, например, лампочка на 40 Вт может излучать световой поток 415 - 460 Лм.
Напряжение 220 - 230 В и 127 В.
Диаметр цоколя - 14 мм для Е14, 27 мм для Е27, 40 мм для Е40.
Тип цоколя - винтовой, штырьковый (с одним или двумя контактами).
Срок эксплуатации - 1000 часов (если напряжение 220В) или 2500 часов (при 127В).

Основные параметры разных видов ламп накаливания отличаются.

В продаже имеются устройства разного виды, которые различают по форме, наполнению или покрытию колбы, назначению и т. д.

С учетом наполнителя и покрытия внутренней поверхности колбы выделяют такие разновидности лампочек:

Вакуумные - это самые простые устройства с низкой мощностью.
Аргоновые - наполненные аргоном.
Криптоновые - закачан одноименный газ.
Ксенон-галогенная с инфракрасным отражателем.
Лампы с покрытием из люминофора, который преобразует инфракрасные лучи в видимый свет.

В зависимости от функционального излучения различают такие типы ламп:

общего назначения. Это самая большая группа устройств, которые применяются для общего, местного и декоративного освещения. Прибор местного назначения имеет такую же конструкцию, как общего. Отличается он тем, что рассчитан на меньше напряжение. Устанавливают местные лампочки в переносные светильники, станки и т. д.;

Это интересно! Сейчас производство ламп накаливания сокращается с целью экономии электроэнергии.

декоративные лампочки отличаются от обычных формой колб и размещением тела накаливания. Часто применяются для украшения дизайна в стиле ретро;
иллюминационные. Колбы этих устройств окрашены в разные цвета с помощью неорганического пигмента или цветных лаков. Обычно их мощность низкая - до 25 Вт;
зеркальные. Колба лампы накаливания имеет особую форму, изнутри она частично покрыта тонким слоем распыленного алюминия. Эти устройства излучают более направленный световой поток;
сигнальные. Это маломощные лампочки, которые устанавливают в светосигнальные приборы. Сейчас их заменяют светодиодами;
транспортные. Это большая группа ламп, которые используются для установки в автомобили, мотоциклы, самолеты, морские судна и т. д. Они прочные, имеют специальный цоколь и рассчитаны на электрическую сеть от 6 до 220 В;
двухспиральные. Их применяют в автомобилях (одна нить отвечает за ближний свет, а вторая за дальний), самолетах, железнодорожных светофорах.

Известно еще несколько видов специальных ламп накаливания (прожекторные, коммутаторные, фотолампа и т. д.), которые сейчас все больше замещаются экономками.

Маркировка

Все виды ламп имеют свое буквенное обозначение, но не стоит его путать с типом цоколей, например, Е27.

Маркировка лампочек с нитью накала содержит:

Первые буквы (от 1 до 4) обозначают важные физические свойства или особенности конструкции: В-вакуумная, Г - газополная моноспиральная с аргоновым наполнением, Б - газополная биспиральная, К - наполненная криптоном, МТ - колба с матовым покрытием и т. д. Специальные лампы накаливания не имеют этих букв в маркировке.
Вторая часть обозначения состоит из 1 - 2 букв и указывает на предназначение прибора: А - автомобильная лампа, Ж - железнодорожная, КМ - коммутаторная, ПЖ - прожекторная и т. д.
Первая циферная часть указывает на номинальное напряжение и мощность, а вторая - номер разработки, если она осуществлена повторно. Например, Б235 - 245 - 60 обозначает, что лампа биспиральная, питается от напряжения 245 В, рассчитана на 60 Вт.

Если человек умеет расшифровать маркировку, то он сможет подобрать подходящую лампочку накаливания.

Достоинства

Лампы накаливания имеют такие преимущества:

Низкая стоимость по сравнению с другими видами ламп (люминесцентные, светодиодные).
Компактные размеры.
Работают при незначительных перепадах напряжения.
Функционируют без специального оборудования, излучают свет сразу после включения (не нужно время на разогрев).
При работе на переменном токе мерцание присутствует, но человеческий глаз его не улавливает.
Излучают свет, который приятен для человеческого зрения, коэффициент цветопередачи на высоком уровне.
Обычная лампочка может работать при низких температурах, поэтому ее применяют для освещения улицы.
Не содержит токсических веществ в колбе, поэтому ее можно выбрасывать в мусор.
Работают беззвучно (нет шума, треска, гула), отсутствуют радиопомехи.
Прибор не чувствителен к полярности подключения.
Нить накала прибора испускает сравнительно мало УФ-лучей.

Это основные преимущества ламп накаливания.

Недостатки

Минусов у лампочки накаливания тоже достаточно:

Прибор излучает много тепла и мало света.
Срок службы сравнительно короткий, особенно при скачках напряжения.
При низком напряжении свет становиться тусклым.
Израсходует большое количество электрической энергии.
Существует риск пожара, так как поверхность вокруг лампочки может повышаться до 330°С.
Колба может взорваться и травмировать осколками рядом находящихся людей.
Обычные лампочки хрупкие к вибрациям и очень громким звукам.

Важно! Недостатки ламп накаливания объясняют снижение их популярности в последнее время. Теперь их заменяют более прочные, долговечные и экономные светодиоды.

До недавнего времени лампы с нитью накала широко применялись в разных сферах жизни, но сейчас их активно вытесняют современные источники света. Однако многие потребители до сих пор остаются верными ЛН. Если вы из их числа, то при выборе лампочки учитывайте ее важные характеристики и маркировку. Также вам следует учитывать, что приборы с телом накала отличаются формой колбы, ее покрытием, наполнением, а также функциональным назначением. К основным плюсам лампочки накаливания относят низкую цену, простоту использования, приятную цветовую температуру, а к недостаткам - короткий ресурс работы, большие траты электроэнергии, ЛН выделяет много тепла и мало света. Использовать лампочку накаливания для освещения жилого помещения или нет - выбор за вами.

Сегодня сложно представить жизнь людей без электрической лампы. Этот довольно простой прибор используется для освещения различных помещений и улиц. Существует большое количество видов лампочек, отличающихся мощностью свечения и принципом работы. В последнее время все чаще пользователи обращают внимание на энергосберегающие устройства, но и обычная лампа накаливания не спешит сдавать позиции.

Принцип действия

Принцип работы лампы накаливания довольно прост, как и конструкция этого устройства. Электроток проходит через тугоплавкий проводник и разогревает его до высокой температуры. Следует заметить, что температура нагрева зависит от подведенного к устройству напряжения. В соответствии с законом Планка, разогретый проводник способен генерировать электромагнитные волны.

Чем выше температура, тем короче длина волны испускаемого излучения. Волны видимого спектра появляются при нагреве проводника до нескольких тысяч градусов по шкале Кельвина. Если спираль электрической лампочки нагреть до 5000 К, то она будет светиться нейтральным светом (аналогично тому, что излучает Солнце). По мере снижения температуры цвет свечения начнет меняться сначала на желтый, а затем на красный.

В лампах преобладающая часть энергии трансформируется в тепловую и лишь незначительное ее количество преобразуется в световой поток. Также следует помнить, что органы зрения человека способны воспринимать только определенный диапазон световых волн. Чтобы увеличить освещенность помещения, приходится повышать температуру спирали. Однако это возможно лишь до определенного показателя, который ограничен свойствами материала проводника.

Таким образом, максимальная температура лампочки составляет 3410 градусов по шкале Цельсия. Дальнейший нагрев вольфрама приведет к деформации и расплавлению материала. Однако даже такая температура может быть достигнута только при определенных условиях окружающей среды. Если вольфрам контактирует с кислородом, то он превращается в оксид. Когда из колбы выкачивается воздух, появится возможность создать лампу мощностью максимум в 25 Вт. Более мощные устройства содержат в колбе инертные газы.

Особенности конструкции

Хотя лампы и отличаются конструкцией, они имеют три общих элемента — выводы, проводник и стеклянную колбу. У некоторых устройств специального назначения может отсутствовать цоколь, так как используются держатели другого типа. Также иногда в лампочки встраивается ферроникелевый предохранитель. Чаще всего он монтируется в ножке, поэтому после выхода из строя проводника колба не разрушается.

Когда нить накала обрывается, появляется электродуга, которая расплавляет остатки материала. Вещество в расплавленном состоянии падает на стеклянную емкость и может нарушить ее целостность. Предохранитель способен предотвратить процесс плавления спирали. Однако такая технология не получила широкого распространения по причине малой эффективности.

Если говорить о том, из чего состоит лампочка, то необходимо отметить основные элементы конструкции. К ним относятся:

колба, изготовленная из стекла;
излучающий проводник;
электроды;
цоколь;
газовая среда;
держатели излучающего проводника.

Колба и газовая среда

Благодаря стеклянной емкости нить накаливания защищена от процесса окисления, возникающего при взаимодействии материала излучающего проводника с кислородом. Первые электрические лампы накаливания производились с вакуумной колбой. Сейчас по такой технологии выпускаются только устройства малой мощности. Для производства более мощных устройств чаще всего используется азотно-аргонная смесь или один аргон. Также в колбах некоторых ламп может содержаться ксенон либо криптон. Показатель теплового излучения материала нити накаливания зависит от молярной массы газа.

Отдельной группой являются галогенные лампочки, в стеклянную емкость которых закачан газ группы галогенов. При нагреве материал излучающего проводника испаряется и вступает в реакцию с этими газами. Получившееся во время химического процесса вещество быстро расщепляется под воздействием высокой температуры и возвращается на нить накала. В результате не только повышается КПД устройства, но и увеличивается срок его эксплуатации.

Излучающий проводник

Форма нити накала может быть любой и зависит от специфики устройства. Чаще всего в обычной лампочке проводник имеет круглое сечение, но можно встретить и ленточное. Следует заметить, что в первых лампах использовался даже уголь, способный нагреться до температуры 3559 градусов по шкале Цельсия. Однако в современных приборах основным материалом нити накаливания является вольфрам.

Также этот элемент может быть изготовлен из сплава осмия с вольфрамом. Выбор вида спирали не является случайным, так как от этого зависят ее габариты. В современных лампах могут использоваться биспирали и даже триспирали. Они получаются благодаря повторному закручиванию. Это позволяет увеличить КПД устройства благодаря снижению показателя тепловыделения.

Цоколь лампы

Этот элемент стандартизован и имеет определенную форму и габариты. В результате можно легко заменить лампочку после ее выхода из строя. Сегодня чаще всего используются устройства с цоколем Е14, Е27, а также Е40. Расшифровка этой маркировки крайне проста — цифры после литеры Е указывают на наружный диаметр элемента.

Так как сейчас существует большое количество видов ламп, то некоторые из них отличаются конструкцией цоколя. Например, есть приборы, которые удерживаются в патроне благодаря силе трения. Также следует заметить, что цоколь в устройстве лампы накаливания выполняет следующие функции:

соединяет несколько элементов;
представляет собой один из контактов;
позволяет надежно крепить прибор в патроне.

Все технические устройства имеют не только преимущества, но и недостатки. Лампочки накаливания не стали исключением.

Положительные качества

Одним из главных плюсов этих устройств является простота конструкции, что делает стоимость изделия невысокой. Сейчас без труда можно приобрести прибор желаемой мощности и габаритов. Не менее важным преимуществом классических электролампочек является спектр свечения их излучающего элемента. Так как он максимально близок к солнечному свету, то не может негативно влиять на органы зрения.

Разогретая нить накала обладает тепловой инерцией, поэтому испускаемый ею свет практически лишен пульсации. Это выгодно отличает обычные лампочки накаливания от изделий другого типа (например, люминесцентных ламп). При производстве этих устройств не используются вредные вещества, благодаря чему для их утилизации не требуются специальные технологии.

Негативные свойства

Одним из основных недостатков устройств можно считать зависимость от показателя питающего напряжения. Если он увеличивается и превышает допустимые пределы, то спираль быстро изнашивается. Когда напряжение падает, то уменьшается и световой поток, излучаемый устройством.

Кроме этого, следует помнить, что излучающий элемент предназначен для работы на протяжении продолжительного временного отрезка. Показатель сопротивления холодной спирали значительно ниже в сравнении с рабочим режимом.

Из-за этого в момент включения возникает сильный скачок силы тока, что приводит к испарению материала нити накала. Таким образом, срок службы устройства зависит от количества включений.

Однако с этим недостатком можно бороться, используя специальные устройства плавного пуска — диммеры. Также с их помощью можно регулировать и показатель светового потока в довольно широком диапазоне.

Наиболее серьезным недостатком ламп накаливания является низкий КПД. Основная часть электроэнергии преобразуется в тепло, которое рассеивается в окружающей среде. Сейчас все чаще используются светодиодные лампы, позволяющие экономить на электричестве.

Читайте также: