Строение лампочки. Какое действие тока используется в электрических лампах. Плюсы и минусы

Лампа накаливания – это источник искусственного света, который в процессе работы выделяет много тепла. Внутри ее металлическая спираль, чаще всего из тугоплавкого вольфрама. Этот элемент помещен в колбу, которая заполнена инертным газом, реже – вакуумная. Подобное наполнение не дает окисляться металлу. Такие лампы популярны благодаря низкой цене.

Путь создания

История этих ламп длинная и тернистая, не один создатель принял участие в ее творении. Разделить процесс создания можно на такие этапы:

Изобретение Лодыгина. Русский ученый придумал, как засветить угольный стержень в стеклянном сосуде без доступа воздуха. Проблема была в том, что нить стала быстро перегорать. Чуть позже именно он предложил заменить угольный стержень вольфрамовым.
Вклад Томаса Эдисона. Ему удалось создать недорогую и относительно долговечную модель подобной лампы. Он наладил потоковое производство, изготовить лампу можно было в нужных объемах. Почти всю жизнь он совершенствовал лампу, применяя разные материалы для достижения лучшего эффекта.

Со временем лампы начали наполнять инертными газами, что в разы увеличивало срок эксплуатации.

С момента появления она не очень сильно изменилась

Сфера использования

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

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

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Задать вопрос эксперту

Важно! Во многих сферах сегодня используются экономичные лампы, но все же потребительский интерес применения ЛН не снижается.

Лампы накала обладают такими характеристиками:

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

Характеристики ламп разной мощности

Принцип действия

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

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

Конструкция ламп накаливания

Устройство всех ЛН схоже, в них содержаться:

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

Цоколь

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

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

Цоколи ламп накаливания

Маркировка

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

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

Коэффициент полезного действия и долговечность

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

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

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

Процесс перегорания лампы накаливания

Виды ламп и их функциональное назначение

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

Общего, местного предназначения

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

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

Лампа общего назначения

Декоративные

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

Варианты исполнения декоративных ламп

Иллюминационные

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

Иллюминационная лампа может быть разной мощности

Сигнальные

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

Вариант исполнения сигнальной лампы

Зеркальные

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

Зеркальная лампа накаливания

Транспортные

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

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

Такие лампы имеют ряд особенностей, среди них:

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

Автомобильные лампы накаливания

Двухнитевые

Это подтип специальной лампы накаливания, которые используются в:

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

Мнение эксперта

Алексей Бартош

Специалист по ремонту, обслуживанию электрооборудования и промышленной электроники.

Задать вопрос эксперту

Важно! Есть и другие варианты ламп, например, имеющие специальный спектр излучения, нагревательные, проекционные и другие. Но сегодня они активно вытесняются другими типами лампочек.

Двухнитевая автомобильная лампа накаливания

Преимущества и недостатки

Самые популярные в мире лампы имеют как преимущества, так и много недостатков, особенно с развитием новых технологий освещения. Начать стоит с достоинств, конкретней:

Доступная цена. Это самый бюджетный вариант на данный момент. Правда, это касается только стоимости, но не счетов за электроэнергию.
Компактные размеры.
Практически не страдают от перепадов напряжения в сети.
Не требуется время для разогрева.
При функционировании на переменном токе мерцания невидимо.
Можно использовать электронные диммеры для контроля и экономии потребления электроэнергии.
Спектр отлично воспринимается человеческим глазом, тип его непрерывный.
Индекс цветопередачи на высоком уровне.
Можно использовать в любом температурном режиме, независимо от разновидности.
Большой разлет вольтажа, от долей до сотен Вольта.
Не требуют специальной утилизации, так как не содержат внутри токсических компонентов. То есть не несут вред людям и другим живым существам.
Не нужна дополнительная пускорегулирующая аппаратура, что в сравнении с современными источниками света большой плюс.
Во время работы не гудят и не создают радиопомех.
Нечувствительность к полярности – она все равно будет работать.
Создают минимальный уровень излучения УФ лучей, если сравнивать с другими современными лампочками.

Основные плюсы и минусы

Ни для кого не секрет, что даже сейчас, с появлением множества новых энергосберегающих источников света, лампа накаливания (еще ее называют «лампочка Ильича» или вольфрамовая лампа), остается очень востребованной, и многие пока не готовы от нее отказаться. Скорее всего, пройдет еще немного времени и этот световой прибор практически уйдет с рынка электротехники, но, естественно, забыт он не будет. Ведь по сути, с открытием обычной лампы накаливания началась новая эра в освещении.

Из чего состоит вольфрамовая лампочка?

Конструкция лампы накаливания с вольфрамовой нитью очень проста. Она состоит из:

колбы, т. е. самой стеклянной сферы, либо вакуумированной, либо наполненной газом;
тела накала (нить накаливания) – спирали из сплава вольфрама;
двух электродов, по которым на спираль подается напряжение;
крючков – держателей вольфрамовой нити, выполненных из молибдена;
ножки лампочки;
внешнего звена токоввода, служащего предохранителем;
корпуса цоколя;
стеклянного изолятора цоколя;
контакта донышка цоколя.

Принцип работы лампы накаливания также несложен. Свет вырабатывается по причине того, что вольфрамовая нить нагревается от подаваемого на нее напряжения. Подобное свечение, хоть и в более малых объемах, можно увидеть при работе электрической плитки с открытым нагревательным элементом из нихрома. Свет от спирали выделяется очень слабый, но на этом примере становится ясно, как работает лампа накаливания.

Кроме привычной формы, эти световые приборы могут быть и декоративными, в виде свечи, капли, цилиндра или шара. Так как свет от вольфрама всегда одного цвета, производители выпускают такие осветительные приборы с различными, иногда окрашенными стеклами.

Интересны в работе лампочки с нитями накаливания с зеркальным покрытием. Принцип действия лампы накаливания можно сравнить с точечными светильниками, так как освещают они направленно определенную площадь.

Достоинства

Конечно, основные преимущества ламп накаливания – это минимальная сложность при их изготовлении. Отсюда, естественно, и низкая цена, ведь на сегодняшний день более простого электрического прибора и представить нельзя. Та же история и с включением такого элемента в сеть. Для этого не нужно устанавливать какое-то дополнительное оборудование, достаточно простейшего патрона.

В некоторых случаях даже при его отсутствии люди подключают лампы накаливания, на скорую руку соорудив патрон из дерева, пластика, либо вовсе соединяя лампу с проводом при помощи изоляционной ленты. Конечно, такие подключения в форс-мажорных обстоятельствах имеют право на существование, но они небезопасны в смысле пожарной и электрозащиты (необходимо следить, чтобы основание не нагрелось).

Также лампочки с нитью накаливания больших мощностей (150 Вт) очень широко применяются в освещении теплиц. Ведь помимо того, что они дают свет, в результате накаливания вольфрамовой нити лампы сильно нагреваются. К тому же освещение от них наиболее близко к солнечному свету, современная лампочка на светодиодах или люминесцентная энергосберегающая этим похвастаться не могут. По этой же причине лампа накаливания имеет преимущество и в вопросе влияния на зрение человека.

Недостатки

К недостаткам ламп накаливания можно отнести недолговечность работы таких приборов, это напрямую зависит от такого параметра, как напряжение в сети. Если повысить ток, то спираль начнет быстрее изнашиваться, что и приведет к перегоранию в самом тонком месте. Ну а если же понизить напряжение, то освещение станет намного слабее, хотя, конечно, это увеличит срок службы лампы.

К основным недостаткам ламп накаливания можно также отнести и негативное действие на нить накала резких скачков напряжения. Но от этого недостатка можно избавиться путем установки вводного стабилизатора. Конечно, остается вопрос с включением освещения. Ведь в момент подачи напряжения нить накала холодная, а значит, сопротивление ее ниже. Решается эта проблема установкой простейшего поворотного диммера. Тогда с поворотом рукоятки нить будет накаливаться плавнее, (т. е. будет отсутствовать краткая резкая подача напряжения), а значит и прослужит она много дольше.

Но все же главным минусом этих приборов, конечно же, можно считать их низкий КПД, а именно то, что работающая лампа расходует подавляющую части энергии на тепло, в результате чего начинает сильно нагреваться. Эти потери составляют до 95%, но такой уж алгоритм работы вольфрамовых лампочек. Так что при приобретении этого светового прибора следует учитывать все преимущества и недостатки лампы накаливания.

Виды ламп накаливания

Лампочки с использованием вольфрамовой нити могут быть не только вакуумными. Устройство лампы накаливания различает несколько видов подобных осветительных приборов, каждый из которых используется в определенных отраслях. Они могут быть:

вакуумными, т. е. самыми простыми;
аргоновыми, либо азотно-аргоновыми;
криптоновыми, которые светят на 13–15% сильнее аргоновых;
ксеноновыми (чаще применяемыми в последнее время в фарах автомобилей и светящими в 2 раза ярче аргоновых);
галогенными – колба в лампе накаливания наполнена галогеном брома или йода. Свет в 3 раза ярче, чем у аргоновой, но эти лампы не терпят снижения напряжения и внешнего загрязнения стекла колбы;
галогенными с двойной колбой – с повышенной эффективностью работы галогенов по сбережению вольфрама в нити накаливания;
ксенон-галогенными (еще более яркими) – они наполнены помимо галогенов йода или брома еще и ксеноном, т. к. от того, какой газ находится в колбе, напрямую зависит то, сколько градусов составит нагрев лампы а, следовательно, зависит и ее яркость.

Коэффициент полезного действия

Как уже говорилось, ввиду того, что строение лампы накаливания подразумевает разогрев спирали, 95% подающейся на осветительный прибор энергии уходит в тепло, выделяемое при ее работе, и лишь 5% идет непосредственно на освещение. Это тепло является инфракрасным излучением, которое глаза человека не воспринимают. Потому коэффициент полезного действия таких осветительных приборов при повышении температуры лампы накаливания до 3 400 К составит 15%. При снижении ее до 2 700 К (что соответствует температуре работы лампы в 60 Ватт) КПД ламп составит уже 5%. Получается, что с повышением температурных режимов повышается и КПД, но при этом значительно падает срок службы. Значит, при условии понижения тока падает и коэффициент полезного действия, зато долговечность прибора возрастет в тысячи раз. Такой способ увеличения срока службы ламп часто используется в подъездах многоквартирных домов, где питание на источники подается последовательно на два осветительных прибора, либо к лампе последовательно подключается диод, что позволяет понизить ток сети.

Что выбрать: светодиоды или вольфрамовые лампы?

Это вопрос, ответ на который каждый находит для себя сам, оценив для себя лампы накаливания, их достоинства и недостатки. Советов здесь быть не может. С одной стороны, светодиоды потребляют во много раз меньше электроэнергии и более долговечны в работе, чего нельзя сказать о «лампочках Ильича», а с другой – лампы накаливания оказывают более щадящее действие на зрение человека.

И все же есть статистика, а согласно ей, продажи светодиодов и энергосберегающих ламп в последнее время возросли более чем на 90%, т. к. человеку свойственно идти в ногу с прогрессом, а значит, недалеко время, когда лампы накаливания уйдут в прошлое.

Щелчок выключателя - и темная комната вмиг преобразилась, стали видны детали мельчайших элементов интерьера. Так мгновенно распространяется энергия от маленького устройства, заливая светом все вокруг. Что же заставляет создавать такое мощное излучение? Ответ сокрыт в названии осветительного прибора, который именуется лампой накаливания.

История создания первых осветительных элементов

Истоки возникновения первых ламп накаливания восходят к началу XIX столетия. Вернее сказать, лампа появилась чуть позже, но эффект свечения платины и угольных стержней под действием электрической энергии уже пытались наблюдать. Перед учеными возникло два сложных вопроса:

нахождение материалов высокого сопротивления, способных раскаляться под воздействием тока до состояния излучения света;
предотвращение быстрого сгорания материала в воздушной среде.

Наиболее плодотворными в этой области стали исследования и изобретения русского ученого Александра Николаевича Лодыгина и американца Томаса Эдисона.

Лодыгин предложил использовать в качестве элемента накаливания угольные стержни, которые находились в герметичной колбе. Недостатком конструкции была сложность выкачки воздуха, остатки которого способствовали быстрому сгоранию стержней. Но все же его лампы горели несколько часов, а разработки и патенты стали основой для создания более долговечных устройств.

Американский ученый ознакомившись с работами Лодыгина, сделал эффективную вакуумную колбу, в которую поместил угольную нить из бамбукового волокна. Также Эдисон снабдил цоколь лампы резьбовым соединением, присущим современным лампам, и изобрел множество электротехнических элементов, таких как: штепсельный разъем, плавкий предохранитель, поворотный выключатель и многое другое. КПД лампы накаливания Эдисона был маленьким, хотя она могла работать до 1000 часов времени и получила практическое применение.

Впоследствии вместо угольных элементов было предложено использовать тугоплавкие металлы. Нить из в современных лампах накаливания, также была запатентована Лодыгиным.

Устройство и принцип действия лампы

Конструкция лампы накаливания принципиально не изменяется уже более сотни лет. Она включает в себя:

Герметичную колбу, ограничивающую рабочее пространство и наполненную инертным газом.
Цоколь, который имеет спиральную форму. Он служит для удержания лампы в патроне и электрического соединения ее с токоведущими частями.
Проводники, ведущие ток от цоколя к спирали и удерживающие ее.
Спираль накаливания, нагревание которой и создает излучение световой энергии.

Когда электрический ток проходит через спираль, она мгновенно нагревается до высочайших температур вплоть до 2700 градусов. Это обусловлено тем, что спираль имеет большое сопротивление току и на преодоление этого сопротивления расходуется много энергии, которая выделяется как тепло. Тепло раскаляет металл (вольфрам), и он начинает излучать фотоны света. Благодаря тому что колба не содержит кислород, в процессе нагрева не происходит окисление вольфрама, и он не перегорает. Инертный газ удерживает частички раскаленного металла от испарения.

Что такое КПД лампы накаливания

Показывает, какой процент затраченной энергии преобразуется в полезную работу, а какой нет. В случае лампы накаливания КПД невелик, так как всего 5-10% энергии идет на излучение света, остальная выделяется в качестве тепла.

КПД первых ламп накаливания, где телом накала выступал угольный стержень, был еще меньшим по сравнению с современными устройствами. Это обусловлено дополнительными потерями на конвекцию. Спиральные нити накала имеют более низкий процент этих потерь.

КПД лампы накаливания напрямую зависит от температуры нагрева спирали. Стандартно спираль лампы 60 Вт нагревается до 2700 ºС, при этом КПД всего 5%. Можно поднять величину нагрева до 3400 ºС, повысив напряжение, но это снизит срок службы устройства более чем на 90%, хотя лампа засветит ярче, и КПД возрастет до 15%.

Неправильно думать, что увеличение мощности лампы (100, 200, 300 Вт) ведет к увеличению КПД только потому, что повысилась яркость устройства. Лампа стала светить ярче за счет большей мощности самой спирали, а вследствие и большей световой отдачи. Но затраты энергии также возросли. Поэтому КПД лампы накаливания 100 Вт будет также в пределах 5-7%.

Разновидности ламп накаливания

Лампы накаливания бывают различного конструктивного исполнения и функционального назначения. Они делятся на осветительные приборы:

Общего применения. К ним относятся лампы бытового использования разной мощности, рассчитанные на сетевое напряжение в 220 В.
Декоративного исполнения. Имеют нестандартные типы колб в виде свечей, сфер и других форм.
Иллюминационного типа. Маломощные лампы с цветным покрытием для создания красочных иллюминаций.
Местного назначения. Устройства безопасного напряжения до 40 В. Применяют на производственных столах, для освещения рабочих мест станков.
С зеркальным покрытием. Лампы, создающие направленный свет.
Сигнального типа. Служат для работы в приборных панелях различных устройств.
Для транспорта. Широкая линейка ламп повышенной износостойкости и надежности. Характеризуются удобной конструкцией, предполагающей быструю замену.
Для прожекторов. Лампы повышенной мощности, доходящей до 10 000 Вт.
Для оптических устройств. Лампы для кинопроекторов и аналогичных устройств.
Коммутаторные. Применяемые в качестве сегментов индикатора цифрового отображения измерительных приборов.

Положительные и отрицательные стороны ламп с телом накала

Осветительные устройства накального типа имеют свои особенности. К положительным можно отнести:

мгновенный розжиг спирали;
экологическую безопасность;
небольшие размеры;
приемлемую цену;
возможность создавать устройства разной мощности и величины рабочего напряжения как переменного, так и постоянного тока;
универсальность применения.

К отрицательным:

низкий КПД лампы накаливания;
чувствительность к скачкам напряжения, снижающим срок эксплуатации;
малое время рабочих часов, не превышающих 1000;
пожароопасность ламп из-за сильного нагрева колбы;
хрупкость конструкции.

Другие типы осветительных приборов

Существуют принцип действия которых в корне отличается от работы ламп накаливания. К ним относятся газоразрядные и светодиодные лампы.

Дуговых или существует большое множество, но все они основаны на свечении газа при возникновении дуги между электродами. Свечение происходит в спектре ультрафиолета, который потом преобразуется в видимый человеческому глазу посредством прохождения через люминофорное покрытие.

Процесс, происходящий в газоразрядной лампе, включают два этапа работы: создание дугового разряда и поддержание ионизации и свечения газа в колбе. Поэтому все типы таких осветительных приборов имеют систему управления током. Устройства люминесцентные имеют более высокий коэффициент полезного действия по сравнению с КПД лампы накаливания, но небезопасны, так как содержат пары ртути.

Светодиодные осветительные устройства являются наиболее современными системами. КПД лампы накаливания и светодиодной лампы несравнимы. У последней оно достигает 90%. Принцип действия светодиода основан на свечении определенного типа полупроводника под воздействием напряжения.

Чего не любит лампа накаливания

Срок службы обычной лампы накаливания будет сокращен, если:

Напряжение в сети постоянно завышено от номинального, на которое рассчитан осветительный прибор. Это связано с увеличением рабочей температуры тела накала и, как следствие, повышенное испарение сплава металла, приводящего к выходу его из строя. Хотя КПД лампы накаливания при этом будет больше.
Резко тряхнуть лампу во время работы. Когда металл раскален до состояния близкого к плавлению, а расстояние между витками спирали уменьшено вследствие расширения вещества, любое механическое, резкое движение может привести к незаметному глазу межвитковому замыканию. Это уменьшает общее сопротивление спирали току, способствует ее большему разогреву и быстрому перегоранию.
Произойдет попадание влаги на разогретую колбу. В месте попадания возникает перепад температур, который производит разрушение стекла.
Дотронуться пальцами до колбы является разновидностью лампы накаливания, но имеет значительно большую световую и тепловую отдачу. При касании на колбе остается невидимое жирное пятно от пальца. Под воздействием температуры жир сгорает, образуя нагар, препятствующий теплоотдаче. В результате этого в месте прикосновения стекло начинает плавиться и может лопнуть или вздуться, нарушая газовый режим внутри, что приводит к перегоранию спирали. Галогенные лампы накаливания КПД имеют выше, чем обыкновенные.

Как заменить лампу

Если лампа перегорела, но не разрушилась колба, то заменить ее можно после полного остывания. При этом следует отключить питание. При вкручивании лампы глаза не нужно направлять в ее сторону, особенно если выключить электричество не представляется возможным.

Когда колба лопнула, но сохранила форму, желательно взять хлопчатобумажную ткань, свернуть в несколько слоев и, обхватив ею лампу, постараться удалить стекло. Далее пассатижами с изолированными ручками аккуратно выкрутить цоколь и вкрутить новую лампу. Все операции необходимо проводить при отключенном напряжении питания.

Заключение

Несмотря на то что КПД лампы накаливания составляет мало процентов и у нее появляется все больше конкурентов, она актуальна во многих сферах жизни. Существует даже самая старая лампочка, непрерывно работающая более ста лет. Это ли не подтверждение и увековечивание гениальности мысли человека, стремящегося изменить мир?

Электричество, на котором работают осветительные лампы, телевизоры и другие бытовые электроприборы, состоит из движущихся электронов или электрического тока. Если свободный электрон приведен в движение, он со временем столкнется с атомом и переведет его в возбужденное состояние, другими словами - передаст атому часть своей энергии.

Возбужденный атом затем высвобождает эту дополнительную энергию в виде электромагнитного излучения. Когда электроны перемещаются по металлической нити лампы накаливания, нагрев нити приводит к тому, что она раскаляется добела и начинает испускать интенсивное электромагнитное излучение.

В люминесцентной лампе электрический ток вместо нити накала течет через газ. Когда электрический ток проходит по газоразрядной трубке, он заставляет газ испускать ультрафиолетовое излучение, которое возбуждает фосфор, покрывающий внутреннюю поверхность трубки, запуская цепную реакцию, в результате которой электромагнитное излучение высвобождается в области видимого света.

Длина волны излучения, испускаемого горячими телами, больше всего зависит от их температуры. Солнце при 6000°К испускает основную часть своего излучения в видимом спектре, в то время как 100-ваттная лампа накаливания, излучающая при температуре около 3000°К, выделяет основную часть своей энергии в виде инфракрасного излучения и совсем немного - в видимом диапазоне.

Удивительная нить

Электричество нагревает нить накала - свернутую спиралью проволоку внутри лампы накаливания - примерно до 3000°К (5000°F). Эта тонкая проволочка может выдерживать столь высокую температуру, потому что сделана из вольфрама, металла с высокой температурой плавления.

Люминесцентный свет из газа

В люминесцентных лампах в производстве света участвуют электроны, газ и химическое вещество, называющееся фосфором. Электроны, протекающие через полость стеклянной трубки, сталкиваются с атомами газа, отдавая им свою энергию. Возбужденные атомы газа высвобождают невидимые ультрафиолетовые лучи, которые бомбардируют фосфорное покрытие трубки. Фосфор поглощает это излучение и вновь его испускает, но уже в видимом диапазоне спектра

Тепловыделение в лампе накаливания

Лампа накаливания разогревается, потому что свободные электроны (голубые шарики) движутся по ее металлической нити (коричневая трубка) и сталкиваются на своем пути со стационарными атомами (красные шарики). Возбужденные атомы начинают совершать интенсивные колебания, увеличивая температуру металлической нити и заставляя ее светиться.

Задача снижения количества потребляемой энергии перестала быть только технической проблемой и перешла в область стратегического направления политики государств. Для рядового потребителя эта титаническая борьба выливается в то, что его просто насильно заставляют переходить от привычной и простой как яйцо лампы накаливания к другим источникам света. Например, к светодиодным лампам. Для большинства людей вопрос о том, как устроена светодиодная лампа сводится только к возможности ее практического применения – можно ли ее вкрутить в стандартный патрон и подключить к бытовой сети 220 вольт. Небольшой экскурс по принципам ее действия и устройству поможет сделать вам осознанный выбор.

Принцип работы светодиодной лампы основан на гораздо более сложных физических процессах, чем той, которая испускает свет посредством раскаленной металлической нити. Он настолько интересен, что есть смысл познакомиться с ним поближе. В его основе феномен испускания света, возникающем в точке соприкосновения двух разнородных веществ при прохождении через них электрического тока.

Самое парадоксальное в этом то, что материалы, используемые для провокации эффекта излучения света, вообще не проводят электрического тока. Один из них, например, кремний – вещество вездесущее и перманентно попираемое нашими ногами. Эти материалы пропустят ток, да и то в одну сторону (потому они и названы полупроводниками), только если их соединить вместе. Для этого в одном из них должны преобладать положительно заряженные ионы (дырки), а в другом – отрицательные (электроны). Их наличие или отсутствие зависит от внутренней (атомной) структуры вещества и неспециалисту не стоит заморачиваться вопросом разгадывания их природы.
Возникновение электрического тока в соединении веществ с преобладанием дырок или электронов – только половина дела. Процесс перехода одного в другое сопровождается выделением энергии в виде тепла. Но в середине прошлого века были найдены такие механические соединения веществ, у которых выделение энергии сопровождалось еще и свечением. В электронике устройство, которое пропускает ток в одном направлении, принято называть диодом. Полупроводниковые приборы, созданные на основе материалов, которые умеют испускать свет, названы светодиодами.

Первоначально эффект испускания фотонов из соединения полупроводников был возможен лишь в узкой части спектра. Они светились красным, зеленым или желтым. Сила этого свечения была чрезвычайно мала. Светодиод использовался лишь как индикаторная лампа очень долго. Но сейчас найдены материалы, соединение которых излучает свет гораздо большей силы и в широком диапазоне, почти полном видимом спектре. Почти, потому что какая-то длина волны в их свечении преобладает. Поэтому есть лампы с преобладанием синего (холодного) и желтого или красного (теплого) свечения.

Теперь, когда вам в общих чертах понятен принцип работы светодиодной лампы, можно перейти к ответу на вопрос про устройство светодиодных ламп на 220 В.

Конструкция ламп на светодиодах

Внешне источники света, использующие эффект испускания фотонов при прохождении электрического тока через полупроводник, почти не отличаются от ламп накаливания. Главное то, что у них есть привычный металлический цоколь с резьбой, который в точности повторяет все типоразмеры ламп накаливания. Это позволяет ничего не менять в электрооборудовании помещения для их подключения.
Однако внутреннее устройство светодиодной лампы 220 вольт очень сложное. Она состоит из следующих элементов:

1) контактного цоколя;

2) корпуса, одновременно играющего роль радиатора;

3) платы питания и управления;

4) платы со светодиодами;

5) прозрачного колпака.

Плата питания и управления

Разбираясь как устроены светодиодные лампы 220 вольт, в первую очередь стоит понять, что полупроводниковые элементы не могут быть запитаны от переменного тока и напряжения такой величины. Иначе они попросту сгорят. Поэтому в корпусе этого источника света обязательно находится плата, которая снижает напряжение и выпрямляет ток.

От устройства этой платы во многом зависит долговечность лампы. Точнее, какие элементы стоят на ее входе. В дешевых, кроме резистора перед выпрямляющим диодным мостом, ничего нет. Нередко случаются чудеса (обычно в лампах из Поднебесной), когда нет даже этого резистора и диодный мост напрямую подключен к цоколю. Такие лампы светят очень ярко, но срок их службы чрезвычайно низок, если они не подключены через стабилизирующие устройства. Для этого можно использовать, например, балластные трансформаторы.

Наиболее распространены схемы, в которых в цепи питания управляющей схемы лампы создан сглаживающий фильтр из резистора и конденсатора. В самых дорогих светодиодных лампах блок питания и управления построен на микросхемах. Они хорошо сглаживают броски напряжений, но их рабочий ресурс не слишком высок. В основном, из-за невозможности наладить эффективное охлаждение.

Плата светодиодов

Как бы ученые ни старались, изобретая все новые вещества с высокой эффективностью излучения в видимой части спектра, принцип работы светодиодной лампы остается прежним, и каждый её отдельный светящийся элемент очень слаб. Чтобы достичь требуемого эффекта, их группируют по несколько десятков, а иногда и сотен штук. Для этого используется плата из диэлектрика, на которую нанесены металлические токопроводящие дорожки. Она очень похожа на те, что используются в телевизорах, материнских платах компьютеров и других радиотехнических устройствах.
Плата светодиодов выполняет еще одну важную функцию. Как вы уже заметили, в блоке управления нет понижающего трансформатора. Поставить его, конечно, можно, но это приведет к увеличению габаритов лампы и ее стоимости. Проблема понижения питающего напряжения до номинала, являющегося безопасным для светодиода, решается просто, но экстенсивно. Все светящиеся элементы включены последовательно, как в елочной гирлянде. Например, если в цепь 220 вольт включить последовательно 10 светодиодов, то каждому достанется 22 V (правда, величина тока при этом останется прежней).
Недостатком этой схемы является то, что перегоревший элемент обрывает всю цепь и лампа перестает светить. У нерабочей лампы из десятка светодиодов могут быть неисправными лишь один или два. Есть умельцы, которые перепаивают их и живут спокойно дальше, но большинство неискушенных пользователей выбрасывают всё устройство на помойку.

Кстати, утилизация светодиодных ламп – отдельная головная боль, поскольку смешивать их с обычным бытовым мусором нельзя.

Прозрачный колпак

В основном этот элемент играет роль защиты от пыли, влаги и шаловливых ручек. Однако есть у него и утилитарная функция. Большинство колпаков светодиодных ламп выглядят матовыми. Это решение могло бы показаться странным, ведь сила излучения светодиода ослабляется. Но его полезность для специалистов очевидна.

Колпак матовый потому, что на его внутреннюю стороны нанесен слой люминофора – вещества, начинающего светиться под воздействием квантов энергии. Казалось бы, тут, что называется, масло масляное. Но люминофор имеет спектр излучения в несколько раз более широкий, чем у светодиода. Он приближен к естественному солнечному. Если оставить светодиоды без такой «прокладки», то от их свечения глаза начинают уставать и болеть.

В чем выгода таких ламп

Теперь, когда вы уже многое знаете о том, как работает светодиодная лампа, стоит остановиться и на ее преимуществах. Главное и бесспорное – низкое энергопотребление. Десяток светодиодов дает излучение той же силы, что и традиционная лампа накаливания, но при этом полупроводниковые приборы потребляют в несколько раз меньше электричества. Есть и еще одно преимущество, но оно не столь очевидно. Лампы с таким принципом работы более долговечны. Правда, при условии, что питающее напряжение будет максимально стабильно.

Нельзя не упомянуть и о недостатках таких ламп. В первую очередь это касается спектра их излучения. Он значительно отличается от солнечного – того, что человеческий глаз привык воспринимать тысячелетиями. Поэтому для дома выбирайте те лампы, которые светят желтым или красноватым (теплым) и имеют матовые колпаки.