СВЕТОТЕХНИКА

Тепловые источники света

К тепловым источникам света относятся все лампы накали­вания, втом числе галогенные и зеркальные.

За 130 лет со времени появления первой лампы А. Н. Лодыгина с телом накала в виде угольного стержня лампы накаливания прошли несколько революционных этапов развития: снабжение ламп резьбо­вым цоколем (1879 год); использование вольфрама для тела накала (1909 год); наполнение ламп инертным газом и спирализация тела накала (1913 год); создание ламп с биспиральным телом накала и криптоновым наполнением (1936 год); создание ламп с вольфрамо­во-галогенным циклом (1959 год). Можно сказать, что к настоящему времени технические параметры ламп накаливания близки к теоре­тическим пределам, и ожидать какого-либо существенного прорыва здесь не приходится.

Сейчас в мире ежегодно производится более 4 миллиардов ламп накаливания примерно 5000 типоразмеров — значительно больше, чем всех газоразрядных источников света вместе взятых.

Чем же объясняется столь широкое распространение ламп на­каливания, параметры которых значительно хуже, чем у лучших газо­разрядных ламп? Например, световая отдача обычных осветитель­ных ламп не превышает 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов, в то время как световая отдача последних разработок линейных люми­несцентных ламп превысила 100 лм/Вт при сроке службы 18000 ча­сов.

Главными причинами этого, безусловно, являются относитель­ная дешевизна ламп и простота их включения. Для ламп накалива­ния не требуется использование какой-либо пускорегулирующей ап­
паратуры, как для всех без исключения газоразрядных ламп — они просто ввинчиваются или вставляются в патроны и включаются обык­новенными выключателями.

Другими важными достоинствами ламп накаливания являются: компактность, позволяющая легко управлять распределением све­тового потока в пространстве; мгновенное включение — номиналь­ный световой поток ламп устанавливается сразу же после подачи на них напряжения; практическая независимость параметров от темпе­ратуры окружающей среды; достаточно высокая надежность; устой­чивость к внешним механическим воздействиям; сплошной спектр излучения, обеспечивающий хорошую цветопередачу (как было ска­зано выше, общий индекс цветопередачи Ra для всех ламп накалива­ния равен 100).

Основные недостатки ламп накаливания: низкая световая отда­ча; относительно небольшой срок службы; сильная зависимость све­товых и эксплуатационных параметров от колебаний сетевого напря­жения; большая доля теплового излучения в спектре ламп; большие броски тока в момент включения.

Чем же обусловлены эти достоинства и недостатки?

Свет ламп накаливания создается за счет нагрева до высокой температуры тела накала протекающим через него электрическим током. Законы теплового излучения очень сложны и исследовались несколькими поколениями физиков на примере реально не существу­ющего «абсолютно черного тела» как наиболее простого излучателя. Значительный вклад в их изучение сделал немецкий физик Макс Планк, именно на основе законов теплового излучения создавший совер­шенно новую науку — квантовую физику. Не вдаваясь в подробнос­ти открытых Планком законов, отметим моменты, необходимые для понимания особенности работы ламп накаливания:

1. Интенсивность излучения лю­бого нагретого тела пропорциональна четвертой степени его температуры.

2. Спектр теплового излучения — сплошной и имеет вид, показанный на рис. 7.

3. Положение максимума интен­сивности излучения однозначно оп­ределяется температурой нагретого тела и связано с ней простым соот­ношением:

Кпах = 2900/Т, абсолютно черного тела

где Атах — длина волны в области максимума излучения в мик­рометрах, а Т — температура тела в кельвинах.

Из этих трех моментов следует — чем выше температура тела, тем интенсивнее, то есть ярче оно светит.

Видимый диапазон длин волн — от 380 до 760 нм (0,38 - 0,76 мкм). Очевидно, что для наибольшей эффективности излучения его максимум должен лежать внутри видимой части спектра. Из приве­денной выше формулы легко можно найти, что это получается при температурах от 3800 до 7600 К. Но на Земле нет металлов, которые оставались бы твердыми при столь высоких температурах: темпера­тура плавления самого тугоплавкого металла — вольфрама — около 3600 К. Рассчитано, что световая отдача излучения вольфрама при его температуре плавления равна 53,5 лм/Вт — это тот теоретичес­кий предел световой отдачи, которую могли бы иметь лампы накали­вания при полном отсутствии потерь и «жидком» теле накала.

Именно потому, что вольфрам — это самый тугоплавкий ме­талл, нити накала всех современных ламп накаливания делают толь­ко из него. При этом очевидно: чем выше температура тела накала, тем более эффективной будет лампа, то есть тем выше будет ее све­товая отдача. Но, с другой стороны, чем выше температура, тем быс­трее испаряется вольфрам, даже не переходя в расплавленное со­стояние, и тем меньше будет срок службы лампы. Поэтому конструк­ции ламп и параметры тела накала (его длина и диаметр) всегда вы­бираются в результате компромисса между двумя желаниями — уве­личить эффективность (световую отда­чу) и обеспечить требуемый срок служ­бы. Из-за этого компромисса лампы ра­ботают фактически на пределе своих возможностей.

На рис. 8 показана зависимость основных параметров ламп от колеба­ния напряжения относительно номи­нального. Из этого рисунка видно, что, повышая световую отдачу на несколько процентов за счет повышения напряже­ния, мы проигрываем в сроке службы гораздо больше. В первом приближе­нии можно считать, что при увеличении напряжения на лампе на 1 % ток через лампу увеличится на 0,5 %, мощность — на 1,5 %, световой поток — на 4,7 %, световая отдача — на 3,1 %, а срок служ­бы снизится на 13 %! Всего при пяти­
процентном повышении напряжения, что в наших сетях происходит довольно часто, срок службы ламп снижается вдвое.

Следует также отметить, что удельное сопротивление вольфра­ма, как и всех чистых металлов, растет с температурой и при темпе­ратурах 2500 - 3200 К отличается от значений при комнатной темпе­ратуре в 12-20 раз. Это вызывает резкие броски тока при включе­нии — ток в момент включения в 12-20 раз превышает установив­шиеся значения. Длится такой бросок недолго — всего 0,1 - 0,2 се­кунды, но создает большие нагрузки на электрические сети. Именно из-за таких бросков тока выход ламп из строя почти всегда происхо­дит в момент включения.

На рис. 9 показано устройство лампы накаливания. Хотя существует великое мно­жество конструктивных исполнений ламп, принцип устройства всех их одинаков и хо­рошо виден на приведенном рисунке.

«Сердцем» всех ламп служит тело на­кала 1. Тело накала — это тонкая прово­лока из самого тугоплавкого металла, из­вестного в настоящее время — вольфрама.

При прохождении по такой проволоке элек­трического тока расчетной величины она на­гревается до температуры 2000 - 3200 К (примерно 1700 - 2900 оС) и начинает све­титься. При таких высоких температурах на воздухе вольфрам соединяется с кислоро­дом (как известно, в составе воздуха со­держится 21 % кислорода) и, если бы нить работала на воздухе, она мгновенно бы окислилась и разрушилась. Поэтому тело накала помещается в герметично запаянную стеклянную или кварце­вую колбу 2, из которой воздух удален полностью. Пространство без воздуха называется вакуумом (в переводе на русский — пустота). Однако в вакууме вольфрам при высоких температурах начинает испаряться, а испаряющиеся с нити атомы вольфрама оседают на стенках колбы, вызывая ее потемнение. Поэтому вакуумными де­лают лампы только небольшой мощности — до 25 Вт, у которых тело накала работает при сравнительно низких температурах (не выше 2500 К).

Для уменьшения испарения вольфрама колбы более мощных ламп после тщательной откачки наполняют инертным газом 3. Такое наполнение значительно снижает скорость испарения вольфрама, причем этот эффект проявляется тем сильнее, чем тяжелее наполня-

ром 14, 27 или 40 мм и специальной резьбой с крупным шагом (рис. 11). Такие цоколи называются соответственно Е14, Е27 и Е40. К резь­бовой части цоколя припаян один из электродов лампы, другой элек­трод припаян к центральному контакту цоколя (10на рис. 9).

Для обеспечения герметичности ламп электроды обычно дела­ются из трех звеньев — внутреннего (никель), наружного (медь) и промежуточного, герметично впаянного в расплющенную часть та­релки, — лопатку 11. Наиболее ответственное — промежуточное — звено электродов чаще всего изготавливается из специально обра­ботанной стальной проволоки с медным покрытием, называемой пла­тинитом. Сложность структуры промежуточных звеньев электродов обусловлена необходимостью обеспечения герметичности в широ­ком диапазоне температур и несовпадением тепловых коэффициен­тов расширения стекла и металлов.

В последнее время очень большое распространение получили малогабаритные зеркальные лампы. От обычных осветительных ламп они отличаются только формой колбы, на часть которой нанесено от­ражающее (алюминиевое) покрытие. Особенно широко такие лампы используются в так называемых «точечных» поворотных и неповорот­ных светильниках, встраиваемых в подвесные потолки.

Несколько иначе устроены галогенные лампы накаливания, хотя все основные элементы обычных ламп присутствуют и здесь. В этих лампах, появившихся в сентябре 1959 года в США и почти одно­временно в СССР, для уменьшения испарения вольфрама и осветле­ния стенок колбы используется вольфрамово-галогенный цикл. В состав наполняющего газа вводится небольшое количество галоге­нов — соединений элементов седьмой группы таблицы Менделеева. К этим элементам относятся фтор, хлор, бром и йод. В первые годы после изобретения использовались только соединения йода, поэто­му все галогенные лампы накаливания в популярной литературе до сих пор часто называют йодными. В настоящее время чаще исполь­зуют более технологичные соединения брома — бромистый метан СН2ВГ2 и бромистый метилен СН3ВГ. При температурах от 300 до 1200 оС, но наиболее активно при 500 — 600 оС, эти вещества обра­зуют с вольфрамом летучие соединения, которые при температуре выше 1600 оС разлагаются на вольфрам и галоген. Получается замк­нутый цикл: на стенках колбы, куда оседают атомы вольфрама, про­исходит их взаимодействие с галогенами с образованием летучих со­единений; при попадании на горячую спираль с температурой выше 1600 оСэти соединения разлагаются на вольфрам и галоген. Вольф­рам остается на теле накала, а галоген снова входит в состав напол­няющего газа, чтобы на стенках вновь соединиться с осевшими там атомами вольфрама. Благодаря такому циклу происходит очищение
стенок колбы от вольфрама и частичное возвращение вольфрама со стенок на тело накала.

Из сказанного ясно, что для осуществления вольфрамово-гало­генного цикла необходимы два условия: температура тела накала должна быть не ниже 1600 оС, а температура стенок колбы — не ниже 300, а лучше всего 500 - 600 оС. Первое условие в лампах накалива­ния выполняется всегда, так как даже в самых маломощных лампах температура тела накала не менее 1700 оС. Для выполнения второго условия ученым и инженерам пришлось найти принципиально новые конструкторские и технологические решения.

Прежде всего пришлось значительно уменьшить габариты ламп. Первые галогенные лампы имели форму цилиндра с наружным диа­метром 12 мм и длиной, зависящей от мощности лампы. Тело накала было сделано в виде спирали, расположенной строго по оси лампы

(рис. 12). Так как лампа работает при тем - ________

пературе колбы 500 - 600 °С, а иногда и ^-1''' выше, пришлось заменить материал кол­бы — вместо стекла колбы галогенных ламп делают из более термостойкого кварца. Малые габариты ламп позволили использовать для наполне­ния самый тяжелый и самый дорогой из инертных газов — ксенон, давление которого в холодной лампе составляет 5 - 7, а в работаю­щей — 10 - 12 атмосфер.

Очищение колбы за счет вольфрамово-галогенного цикла и на­полнение колбы тяжелым ксеноном под большим давлением позво­лили значительно повысить температуру тела накала и, тем самым, световую отдачу ламп при одновременном увеличении срока их служ­бы. Если у нормальных осветительных ламп мощностью 500 Вт на напряжение 220 В световая отдача равна 15 лм/Вт при сроке службы 1000 часов, то у галогенной лампы такой же мощности эти парамет­ры равны 19 лм/Вт и 1500 часов.

Сейчас в мире выпускаются сотни типов галогенных ламп нака­ливания мощностью от 3-х до 20000 Вт. Кроме линейной конструк­ции, показанной на рис. 12, разработаны и изготавливаются компактные или мало­габаритные лампы (рис. 13). Принцип ра­боты таких ламп не отличается от линей­ных; для поддержания вольфрамово-гало-
лампы цоколюются с двух сторон специаль­ными торцевыми цоколями R7s, выдержива­ющими высокие температуры. Лампы встав­ляются в патроны, изготовленные чаще всего из керамики. Некоторыми иностранными фир­мами выпускаются линейные лампы, помещенные во вне­шнюю вакуумную колбу с резьбовым цоколем (рис. 14).

В малогабаритных лампах, как правило, в качестве цоко­ля используется сама колба с жестко фиксированными выводами из вольфрамовой проволоки (рис. 15). Автомобильные и самолетные галогенные лампы делаются со специаль­ными цоколями.

Несмотря на физическое отсутствие Рис. 15. Цоколи галогенных какого-либо цоколя у малогабаритных ламп

ламп, в каталогах и другой технической документации такое оформ­ление внешних выводов называется «цоколем типа G...,GY...»; цифры после букв обозначают расстояния между выводами в мм (например, G 6,35). Линейные галогенные лампы накаливания выпускаются на номинальное напряжение 127 или 220 В, малогабаритные — в основ­ном на низкое напряжение (6,3; 12; 24и 27 В).

Малые габариты галогенных ламп позволяют формировать раз­личные световые пучки с помощью отражателей достаточно малых размеров. Благодаря этому разработан обширный ассортимент зер­кальных галогенных ламп, очень широко используемых в последние годы. Отражатель в таких лампах жестко соединен с колбой специ­альной высокотемпературной мастикой. Цоколь у них физически так­же отсутствует, элементами электрического соединения служат жест­кие выводы ламп. Обозначения в каталогах «цоколь типа GU...,G...» показывают расстояния между

(в) О

ножками и некоторые отличи­тельные признаки горловины отражателя (наличие или отсут­ствие «скоса» — смотри п п *—

рис. 16.). Рис. 16. Цоколи зеркальных галогенных ламп

Зеркальные галогенные лампы изготавливаются с отражателя­ми диаметром 35, 51 или 63 мм. Отражатель может быть алюминие­вым или стеклянным. Основными параметрами такихламп являются осевая сила света и угол рассеяния, то есть угол, на границах которо­го сила света равна половине осевой. Наиболее типичные углы рас­сеяния — 8, 12, 20, 24, 38 и 60о.

Особый интерес представляют лампы со стеклянным интер­ференционным отражателем, в популярной и рекламной литерату­
ре называемые «лампами холодного света». Отражатель в таких лампах хорошо отражает видимый свет и также хорошо пропускает инфракрасное (тепловое) излучение. Поскольку доля теплового излу­чения составляет около 90 % от мощности ламп, то при больших уг­лах охвата количества тепла в световом пучке такой лампы действи­тельно значительно меньше, чем у ламп с металлическим или стек­лянным алюминированным отражателем. Однако при использовании таких ламп не следует забывать о том, что выходящее сквозь отража­тель «назад» тепловое излучение никуда не исчезает и при установке ламп «холодного света» в небольшие по размерам светильники мо­жет нагревать их до недопустимо высоких температур.

Классификация и обозначение ламп накаливания

Лампы накаливания делятся на две большие груп­пы: лампы общего назначения и специального назначе­ния.

Лампы общего назначения — это те, которые используются в быту, для освещения административ­ных и промышленных помещений, улиц и т. п. По объ­ему выпуска — это самый массовый источник света прак­тически во всех странах. По количеству типоразмеров лампы общего назначения составляют лишь небольшую долю в общей номенклатуре ламп накаливания.

Лампы общего назначения изготавливаются на напряжение 127 и 220 В (для местного освещения — на 12 или 36 В) мощностью от 15 до 1000 Вт. Все такие лампы снабжены резьбовыми цоколями Е14, Е27 или Е40. С цоколями Е14 выпускаются лампы мощностью до 60 Вт, с цоколями Е40 мощностью от 300 Вт и более, с цоколем Е27 — от 15 до 200 Вт.

Лампы мощностью 15 и 25 Вт делаются вакуумными, большей мощности — газополными.

Колбы большинства ламп общего назначения — каплевидные. Однако для установки в многоламповые люстры или в бытовые све­тильники различного назначения делают лампы со свечеобразной, пламяобразной, цилиндрической и другими формами колб (рис.17). Для ламп с криптоновым наполнением делают колбы грибовидной

Рис. 17. Формы колб ламп накаливания

формы и уменьшенных размеров. Ряд мощностей такихламп содер­жит всего 4 номинала: 40, 60, 75и 100 Вт.

В обозначениях ламп общего назначения обязательно присут­ствуют номинальное напряжение и мощность. В России такие лампы выпускаются по Государственному стандарту ГОСТ 2239. В соот­ветствии с этим стандартом на лампах указывается не номинальное напряжение, а диапазон рабочих напряжений (например, 215 - 225 В), при этом номинальным напряжением является среднее из указан­ных. В маркировке ламп присутствуют одна или две буквы, обознача­ющие тип лампы (В — вакуумная со спиральным телом накала, Б — с аргоновым наполнением и биспиральным телом накала, БК— с крип­тоновым наполнением и биспиральным телом накала, МО — для ме­стного освещения). После букв указывается диапазон рабочих напря­жений в вольтах и через дефис — мощность в ваттах.

К лампам общего освещения можно отнести и зеркальные лампы в колбах специальной формы с отражателем на внутренней или наружной поверх­ности части колб, цоколями Е14, Е27 или Е40 (в за­висимости от мощности ламп). В России в марки­ровке таких ламп присутствует буква З.

Номенклатура ламп специального назначе­ния значительно шире, чем ламп общего назначе­ния. К специальным относятся лампы для различ­ных видов транспорта (автомобильные, самолетные, железнодо­рожные, судовые, трамвайные), для использования в оптических приборах, прожекторные, кинопроекционные, миниатюрные, сверхминиатюрные, коммутаторные, декоративные, светоизме­рительные и многие другие — более 4000 типономиналов. Большей частью такие лампы выпускаются не по Государственным, а по отрас­левым стандартам или по техническим условиям предприятий-изго- товителей. Типы цоколей, формы колб, конструкции тел накала, но­минальные напряжения и мощности — самые разнообразные.

Галогенные лампы накаливания также делятся на две боль­шие группы — линейные и малогабаритные (компактные).

Линейные лампы, как правило, имеют двухстороннюю цоколев­ку с торцевыми цоколями R7s. Лампы мощностью 2000 Вт и более часто делают без цоколей с гибкими проволочными выводами или плос­кими контактами для зажима «под винт». Диапазон мощностей линей­ных ламп — от 100 до 20000 Вт; номинальное напряжение — 110, 127, 220 В (лампы зарубежного производства часто делают на 130 и 230 В). Линейные лампы российского производства маркируются буквами КГ или КИ (кварцевые галогенные или йодные) и цифрами, обознача­ющими номинальное напряжение и мощность. Иногда после мощнос-
ти через дефис ставится еще одна цифра, указывающая модификацию лампы. Например, КГ 220-1000-5 — кварцевая галогенная лампа мощ­ностью 1000 Вт на напряжение 220 В, пятая модификация.

Компактные галогенные лампы накаливания на напряжение 220 В мощностью от 500 до 5000 Вт делаются для прожекторов, используе­мых при кино - и телевизионных съемках. Эти лампы имеют специ­альную конструкцию и различные типы специальных цоколей. В по­следние годы производство таких ламп постоянно сокращается, так как на смену им пришли разрядные металлогалогенные лампы с ред­коземельными элементами, имеющие лучшие светотехнические па­раметры. В России компактные галогенные лампы накаливания на высокое напряжение не производились.

Как уже было сказано, малогабаритные лампы накаливания де­лаются на низкие напряжения (от 6 до 36 В); диапазон мощностей таких ламп — от3до 200 Вт.

В России в обозначении малогабаритных галогенных ламп при­сутствуют буквы КГМ или КГМН (кварцевая галогенная малогабарит­ная или миниатюрная), АКГ (автомобильная кварцевая галогенная), КГСМ (кварцевая галогенная самолетная малогабаритная), далее — цифры, указывающие номинальное напряжение, и через дефис — мощность. У автомобильных ламп с двумя телами накала («ближний» и «дальний» свет) указывается мощность каждого из них.

У ламп с отражателями в обозначении, кроме напряжения и мощности, должны указываться угол рассеяния и диаметр отража­теля.

Наиболее широкий ассортимент ламп накаливания как общего, так и специального назначения, в том числе и галогенных, произво­дится фирмами Osram (Германия), Philips (Голландия), General Electric (США).

Наилучшие качественные показатели галогенных ламп достиг­нуты фирмой ВіУ(Германия).

В России производство галогенных ламп накаливания осуще­ствляется Саранским производственным объединением ЛИСМА, Уфимским электроламповым заводом и Опытным заводом ВНИИ источников света (г. Саранск).

Линейные галогенные лампы, в основном, применяются в про­жекторах для освещения открытых пространств, фасадов зданий, рек­ламных щитов и т. п. Малогабаритные галогенные лампы с отражателя­ми или в светильниках используются для акцентирующего освещения музейных и выставочных экспонатов, торговых витрин, в настольных светильниках и т. п. Лампы без отражателей, кроме акцентирующих и «точечных» светильников, используются во всевозможных оптических и светосигнальных приборах.

Необходимо иметь в виду, что из-за специфики физико-хи­мических процессов большинство линейных галогенных ламп мо­жет работать только в горизонтальном положении с максималь­ным углом наклона 40. При других положениях горения верхний конец ламп быстро темнеет и срок службы значительно сокраща­ется. Малогабаритные галогенные лампы могут работать в любом положении.

Наконец, следует сказать, что галогенные лампы накаливания значительно (в 10 и более раз) дороже обычных, так как в них исполь­зуются более дорогие материалы (кварц, ксенон), и, кроме того, тех­нология их изготовления гораздо сложнее и требует исключительно высокой культуры производства. Поэтому применять кварцевые га­логенные лампы следует только там, где это действительно необхо­димо, несмотря на то, что их параметры значительно превосходят параметры обычныхламп.

Несколько слов необходимо сказать о лампах в колбах из прес­сованного стекла с отражателем на внутренней поверхности (так называемых PAR-лампах). В этих лампах совмещаются функции ис­точника света и светильника. Как правило, лампы типа PAR предназ­начены для работы на напряжении 220 В, снабжены цоколем Е27 и могут вкручиваться в обычные патроны. Внутренний отражатель фор­мирует требуемую кривую распределения силы света, поэтому при­менение какой-либо внешней оптики не требуется. Параметры таких ламп уступают параметрам малогабаритных ламп с отражателем, но, поскольку они могут включаться прямо в сеть 220 В без понижающе­го трансформатора, то спрос на нихдостаточно велик. Основная об­ласть применения зеркальных ламп в колбах из прессованного стек­ла — акцентирующее освещение витрин и торговых залов.

Значительно раньше ламп PAR появились автомобильные и са­молетные лампы-фары, также совмещающие в себе функции источ­ников света и осветительных приборов. Лампы-фары изготавливают­ся в колбах из прессованного стекла с отражателем на наружной сто­роне колбы. Эти лампы предназначены для работы на низком напря­жении (12 или 27 В) и снабжены специальными цоколями.

В таблицах 2, 3, 4 даны параметры некоторых типов ламп нака­ливания. Параметры отечественных и зарубежных ламп общего на­значения различаются незначительно. Параметры галогенных ламп зарубежного производства несколько выше, чем российских. Напри­мер, срок службы некоторых типов низковольтных ГЛН фирмы BLV (Германия) достигает 10000 часов при световой отдаче 22 лм/Вт, та­ких же ламп фирмы Philips — 4000 часов, в то время как у аналогич­ных ламп российского производства — 2000 часов.