Лампы накаливания — история создания

Сегодня сложно встретить человека, который бы ничего не знал о лампах накаливания, даже несмотря на прогресс и на изобилие других видов осветительных приборов. «Лампы Ильича» — так в народе прозвали самые обыкновенные и популярные осветительные приборы, которые по сей день пользуются большим спросом у народа. Безусловно, современный рынок светотехники предлагает огромный ассортимент альтернативных ламп, но даже новые устройства не могут в некоторых параметрах превзойти лампы накаливания. 

История

Процесс возникновения и распространения лампочек накаливания был довольно долгим и запутанным, а вклад в изобретение вложил не один ученый-изобретатель. Принятая с течением времени история появления повествует о том, что возникновение «лампочек Ильича» произошло в 1872 году благодаря русскому ученому Александру Николаевичу Лодыгину. Именно он впервые провел ток сквозь стержень из угля, который размещался в вакууме колбы, сделанной из стекла.

При этом происходила большая светоотдача из-за возрастания силы тока, превышение температур плавления с последующим угасанием лампочки. На основе данного опыта были определены подходящие для функционирования лампочек режимы, а 1873 году они впервые использовались на санкт-петербургских улицах.

Именно в этот же период времени к разработке лампочек приступил Томас Эдисон, который в дальнейшем получил на них патент. Именно после этого его стали называть «отцом» самых первых электрических ламп. Но нельзя точно утверждать, кто совершил данное открытие первым, поскольку прибор был изобретен одновременно в разных странах. Зато Александру Николаевичу Лодыгину с большой вероятностью принадлежит идея замены угольной нити на вольфрамовую, которая обладает высокой температурой плавления (3410 ⁰С). В этот же период времени Томас Эдисон внес свой вклад, создав резьбовую систему «патрон-цоколь», которая дожила до наших дней практические никак не изменившись. Именно буква E в маркировке современных цоколей говорит о том, что их изобретателем был американский ученый Эдисон (Е — Edison Screw).

Самыми популярными типами цоколя в России и Европе являются Е27 и Е14, а в Америке используются другие, поскольку напряжение сетей различается. Спустя 20 лет еще один американский ученый воплотил в жизнь идею замены нити спиралью, благодаря чему уменьшились габариты лампочки, улучшилась работа и увеличилась световая отдача.

Устройство 

Лампа накаливания только на первых порах для непрофессионального человека может показаться простой и незамысловатой, но это не так. Данный осветительный прибор – это совокупность различных научных достижений в области светотехники. На сегодняшний день спираль накаливания может быть не только вольфрамовой. Сейчас материалом изготовления также служит осмий, а также осмиевые соединения. Кроме того, колба сегодня перестает быть вакуумной и заполняется различными инертными газами. Именно данное нововведение помогло избежать сильное атмосферное давление на лампу, значительно увеличив продолжительность ее работы.

Ведь ток, проходя через спираль, провоцирует ее сильный нагрев (до 2900 ⁰С) и активное испарение вольфрама, с его последующим оседанием на стекле. Следовательно, колба со временем перестает быть прозрачной, уменьшается ее светоотдача, понижается срок службы нити.

Лампы накаливания отличаются слишком ярким светом желтого цвета, что вызывает дискомфорт. Именно поэтому производители выпускают не только с прозрачные лампочки, но и матовые. Такое стекло рассеивает свет, делая его мягким при небольшой потере интенсивности.

Правильный выбор лампочек накаливания

Несмотря на большую популярность данной лампочки, правильный ее выбор пока еще могут сделать не все. Нередко бывает, что после покупки прибор отработал пару суток и перегорел. Но бывает и такое, что лампочка может светить в течение нескольких лет. Все это зависит от того, насколько правильно вы выбираете осветительный прибор. При покупке необходимо обращать внимание на следующие аспекты: 

• стекло не должно иметь никаких микровключений, поскольку именно их отсутствие обеспечивает надежность колбы. Качество материала легко проверяется несильными постукиваниями пальцем по колбе. Издаваемый звук должен отличаться приглушенностью;
  
• металлический цоколь должен быть без любых повреждений. Нижний контакт может быть как широким (до 7 мм), так и узким (около 5 мм). Первый вариант наиболее приемлемый, поскольку обеспечивается наиболее плотный контакт. Но современные лампочки чаще всего производятся с наличием узкого контакта;
  
• в зонах приклеивания не должны образовываться отверстия;
  
• соединение внешнего токопровода и цоколя должно осуществлять обыкновенной пайкой. Также возможно применение точеной сварки;
  
• в пайке главное – маленькие размеры и аккуратность, а также надежность крепления;
  
• исключено провисание спирали (наличие провисания означает неоднократное использование лампы).

Кроме вышеперечисленных аспектов, необходимо уделить большое внимание обжиму спирали в области ее крепления к электродам. Если обжим был недостаточным, то срок службы прибора резко снижается. 

Обязательно следуйте вышеперечисленным рекомендациям при выборе лампы накаливания. Это поможет приобрести качественный прибор, который прослужит Вам долгое время.

Торговая сеть «Планета Электрика» рада предложить лампы накаливания, а также их прямую замену — светодиодные лампы. Торговые залы представлены во всех крупных городах Сибирского Федерального округа, например в Новосибирске, Барнауле, Омске. Список не весь — полный на этой странице.

Как устроена современная лампа накаливания, принцип действия

Несмотря на то что в последнее время все большую популярность набирают энергосберегающие лампы, лампы накаливания не сдают свои позиции и продолжают применяться в общественных и частных зданиях.

Возможно, это связано с привычкой или дешевизной, а, может быть, с цветовой температурой, которую дает лампа накаливания. Знание, как устроена лампа накаливания, поможет использовать ее в оптимальных режимах, а это, в свою очередь, продлит срок ее службы.

Принцип работы лампы накаливания

Физический принцип работы лампы накаливания заключается в следующем. При нагревании тела возникают электромагнитные волны, длина которых напрямую зависит от температуры: чем выше температура, тем волны становятся короче.

Чтобы получить видимый спектр, тело необходимо нагреть до 570 °C, в этом случае уже заметно красное свечение, которое можно увидеть, если тело находится в темноте.

Для получения такого же спектра, какое излучает солнце, тело необходимо нагреть до 5496,85 °C, однако, ученым неизвестен материал, способный оставаться в твердом состоянии при такой температуре. Обычно нить разогревается до температуры 2000–2800 °C, то есть спектр сдвинут в красную область.

Чтобы получить указанную температуру, выбирают тугоплавкий материал и нагревают его с помощью электрического тока.

Нагревание происходит из-за сопротивления электрическому току: чем больше сопротивление и протекающий ток, тем выше температура. Действие тока напрямую зависит от приложенного напряжения к нагреваемому элементу.

Поэтому при падении напряжения лампа начинает гореть красным цветом, а при повышенном напряжении свет становится белее.

Следует отметить, что вольфрам, как и другие чистые металлы, имеет положительный температурный коэффициент сопротивления, то есть при увеличении температуры сопротивление возрастает.

Сопротивление холодного и нагретого тела накала отличается в 10 раз. Прежде чем рассмотреть, как устроена лампа накаливания, уточним, видов ламп накаливания очень много, но устройства очень похожи, отличаются лишь небольшими добавлениями или отсутствием некоторых деталей.

Устройство лампы накаливания

Устройство лампы накаливания — рассмотрим на примере обычной цокольной. Основным элементом служить нить. Она может быть изготовлена из тугоплавкого

вольфрама, рения или осмия.

Последний используется редко, поскольку температура плавления у него примерно на 400 °C ниже, чем у предыдущих двух. Сама проволока скручивается в нить малого радиуса, а затем уже эта спираль скручивается в более крупную. Делается это для уменьшения длины нити. Крепится она с помощью двух токовводов и поддерживается крючками из молибдена.

Токовводы выходят наружу и крепятся один к донышку цоколя, другой к корпусу цоколя. Обычно в разрыв токоввода, идущего в ножке, впаивается предохранитель из ферроникелевого сплава. Он служит для предотвращения возникновения электрической дуги в момент разрыва нити накаливания.

Поскольку дуга имеет высокую температуру, она может раскалить частицы тела накала до такой степени, что металл прожигает стекло и капает вниз, что может привести к пожару. Однако в последнее время из-за малой эффективности предохранители не стали устанавливать.

Чтобы предотвратить окисление тела накала и защитить спираль от механического воздействия, используют колбу. В зависимости от назначения для колб могут использовать следующее стекло:

• натриево-кальциевое силикатное;
• боросиликатное;
• известковое;
• свинцовое.

Боросиликатное легче переносит высокие температуры. Для ламп с вольфрамовым телом саму колбу делают из известкового стекла, а изолятор из свинцового.

На открытом воздухе тело накала быстро окисляется, поэтому из колбы выкачивают воздух, либо заполняют инертным газом:

• аргоном;
• криптоном;
• смесью азота с аргоном.

По себестоимости смесь является более приемлемой, поэтому применяется чаще. Лампы мощностью до 25 Вт продолжают выпускать вакуумными.

Находящийся в колбе газ имеет давление, это увеличивает температуру тела накала и приближает шкалу цветопередачи к белому. Кроме того, газ замедляет оседание материала тела нити на внутреннюю часть колбы, что замедляет ее потемнение.

Маркировка лампочек и цоколя

Для специализированных ламп существует буквенно-цифровая кодировка.

Первая буква определяет конструкцию и физические свойства. Например: б – аргоновая без спирали;

Вторая говорит о назначении: а— автомобильная, пж — прожекторная. Далее, указывается номинальное напряжение и мощность.

На колбах ламп для бытовых целей проставляется только напряжение, мощность и год изготовления. Диаметр цоколя в миллиметрах может быть указан на упаковке: Е14, Е27 и Е40.

Маркировка стандартного патрона для обычной лампочки — Е27

Достоинства

Устройство лампы накаливания обладает большим рядом преимуществ, что делает ее такой востребованной, рассмотрим некоторые из них:

• дешевизна;
• компактность;
• малая чувствительность к качеству питающего напряжения;
• быстрота включения;
• нет эффекта мерцания с выключателями с подсветкой;
• легко поддается регулировке яркости освещения;
• простота конструкции;
• нет токсичных элементов;
• работает при любой температуре;
• работает на любом роде тока;
• отсутствие паразитного индуктивного сопротивления;
• отсутствие радиопомех;
• не реагирует на электромагнитные импульсы;
• из всех осветительных приборов обладает наименьшим уровнем ультрафиолетового излучения.

Особенно экономична в местах, где требуется кратковременное, периодическое освещение (санузел, кладовая, погреб).

Недостатки

К сожалению, есть и недостатки:

• малый срок службы;
• лишь небольшая часть мощности, потребляемая лампой, идет на освещение;
• долговечность лампы напрямую зависит от напряжения;
• пожароопасность – температура баллона может достигать 330 °C;
• при неисправности лампы возможен взрыв колбы;
• резкий скачок тока при включении;
• чувствительность к ударам и тряскам.

Еще один недостаток связан с отходом от стандарта некоторых производителей. Для изготовления цоколя использовалась плакированная цинком сталь, при этом создавались безопасные условия эксплуатации.

В последнее время стали использовать алюминий. Если посмотреть, как устроен патрон лампы накаливания, тогда будет понятна проблема. Дело в том, что контакты патрона выполнены из латуни, при соприкосновении с алюминием происходят окислительные процессы, которые нарушают контакт.

При искрении алюминий плавится и прикипает к ножкам патрона, после чего вывернуть лампу практически невозможно.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Соотношение светового потока к используемой мощности слишком мал, так, для лампы мощностью 40 Вт световая отдача составит приблизительно 1,9%. Для 100 Вт показатель поднимется до 2,6%.

Увеличение напряжения немного повышает световую отдачу, но при этом срок службы резко уменьшается. В некоторых лампах кпд повышают за счет использования трехразового скручивания нити.

Зачем лампу накаливания подключают через диод

Иногда можно увеличить срок службы лампы в несколько раз. Знания, как устроена лампа накаливания, помогают решить такую задачу двумя способами.

Первый способ – использование меньшего напряжения. Например, в люстре с 6 лампами на 220 В, включенных параллельно, можно поставить 6 ламп на 36 В включенных последовательно. Неудобством является отключение всего светильника при сгорании одной лампы.

Другой способ предусматривает использование диода, включенного последовательно лампе. При этом световой поток еще больше снижается и появляется мерцание, которое, впрочем, можно устранить, поставив между диодом и лампой конденсатор большой емкости.

При этом важно помнить, что ток при включении лампы может больше чем в 10 раз превосходить рабочий ток. Именно на этот ток нужно подбирать диод.

Похожие материалы на сайте:

Понравилась статья — поделись с друзьями!

 

Лампочки накала 220 В | Лампы накаливания

Лампа накаливания сегодня в ассортименте.

Cовременные лампы накаливания все еще не сдают позиции перед энергосберегающими и галогенными моделями. Они уже не содержат опасных для здоровья веществ — например, свинца — и представлены в различных формах и модификациях:

Свечеобразные лампы хорошо подходят для декоративного освещения в нестандартных люстрах и торшерах. Колбы могут быть как прозрачные, так и матовые для большего рассеивания света и создания мягких теней. Компания Osram выпускает лампы SUPERLUX криптон — в них содержится криптоновый наполнитель, благодаря которому значительно увеличена светоотдача. Покрытие высокого качества обеспечивает приятный свет и хороший внешний вид лампы.

Необычные лампы в виде «свечи на ветру» пожалуй, самые оригинальные — и это при том, что они подходят к любой люстре. Они выполнены в нескольких модификациях: с прозрачной, матовой и «золотой» колбой. Компания Osram производит лампы «мерцающий огонь» со специальной вставкой внутри основной колбы.

Базовые лампы «шарик» универсальны в применении — модели с прозрачной колбой излучают яркий свет, с матовой — более мягкий. Лампа шарик с зеркальным куполом производства компании General Electric дополняют основное освещение направленным светом для создания акцентного освещения.

Зеркальные лампы накаливания излучают направленный свет и широко используются в торговой сфере (витрины и торговые залы), музейном деле (витрины и выставочные залы), для освещения арт-объектов и интерьера. Форма колбы определяет, как распределятся лучи света — узко концентрированно или относительно широко.

Зеркальные лампы накаливания PAR38 выпускает компания Osram. Они имеют яркие защитные стекла четырех ярких цветов – зеленого, синего, красного и желтого. Применяются для акцентного освещения и пользуются популярностью благодаря надёжной конструкции.

Лампы-трубки LINESTRA с мягким рассеянным светом используются для подсветки, к примеру: картин в жилых и офисных помещениях.

Также в нашем каталоге на сайте shop220.ru вы можете найти различные лампы для бытовой техник: духовых шкафов, холодильников и швейных машин.

виды, характеристики, устройство лампы, строение, принцип работы

ЛН полюбились многим людям за счет легкости в использовании. Они имеют различные цветовые режимы, как холодные оттенки, так и теплые. В этой статье говорится о том, что такое лампа накаливания, где чаще применяется и из чего состоит.

Достоинства и недостатки

В настоящее время существует множество осветительных приборов. Большинство из них производятся в последние несколько лет с использованием высоких технологий, но классическая ЛН всё равно имеет множество плюсов или совокупность параметров, которые будут более подходящими при правильном использовании:

• достаточно низкая цена;
• устойчивость к различным температурам;
• моментальное зажигание;
• не мерцают;
• имеют разные режима света.

Как выглядит классическая ЛН

Но, к сожалению, лампы накаливания имеют свои минусы:

• основной недостаток — это достаточно пониженный КПД. У лампочек в 100 Вт КПД будет примерно 17 %, у изделий 60 Вт эта цифра будет всего лишь 5 %. Одним из методов увеличения КПД будет поднятие температуры накала, но в таком случае срок службы заметно снизится;

Спираль для лампы накаливания

• малый срок службы;
• повышенная температура поверхности сосуда, которая может быть у 100Вт лампочки до 250°С. Это повышает риск возникновения возгораний или взрыва ламп;
• чувствительность к окружающей среде;
• применение термостойкой арматуры.

Ниже подробно описаны виды и характеристики ламп накаливания.

Характеристики

Одним из основных параметров лампочек с телом накала будет мощность, указываемая в ваттах. Назначение ламп различное, поэтому диапазон выбора большой — от 0,1 Вт «светильник» до 23 тыс. Вт прожекторов для аэродромов.

В быту применяют слабомощные лампочки, обычно от 15 Вт до 200 Вт, а на производстве используют лампы мощностью до 2000 Вт.

Качество светового луча и уровень рассеивания регулируются материалом производства сосуда.

Автомобильная лампочка

Наибольшая светопередача присуща для изделий с прозрачным стеклом, потому что они не поглощают свет. Матовая поверхность лампы поглощает 5% световых лучей, а белая — 15%.

Размер лампочек накаливания может быть от 60 мм до 130 мм. Зависит от сферы применения.

Принцип работы

Во время прохождения электрическим током через спираль, она быстро раскаливается до высоких температур почти до 2500 градусов. Это происходит из-за того, что спираль обладает высоким сопротивлением току и на прохождение его уходит большое количество энергии.

Тепло нагревает металл (вольфрам), и начинается свечение лампы. Поскольку внутри лампы нет кислорода, то вольфрам не окисляется.

Таблица температуры цвета

КПД лампы накаливания 100 Вт старого образца, где роль тела накала играл стержень из угля, был намного меньше, чем у последних моделей. Это объясняется дополнительными расходами на конвекцию. Спиральные тела накала обладают более пониженным процентом таких потерь.

Температура лампы накаливания

Температура ламп накаливания может быть до 3200 градусов по Цельсию.

Обратите внимание! Температура, при которой вольфрам начинает плавиться, будет 3500 градусов. Стандартная температура ЛН не может привести в действие этот процесс. В случае, вольфрам начинает плавиться, то лампочка может взорваться, поэтому необходимо следить за этим.

Виды ламп

Лампы накаливания подразделяются на несколько видов:

Декоративные модели лампочек

• вакуумные;
• аргоновые либо азотно-аргоновые;
• криптоновые;
• галогенные с подключенным отражателем инфракрасного света внутри лампочки, что повышает КПД;
• с покрытием, необходимым для преобразования инфракрасного света в видимый спектр.

Общего, местного предназначения

Характеристики ЛН общего предназначения прописаны в ГОСТе 2239-79. Эти лампочки используются для подключения в светильники основного освещения бытовых и общественных мест, а также уличного пространства.

Основное напряжение может быть 127 и 220 В. Ассортимент изделий делится на группы в зависимости от типов тела накала (спираль либо биспираль) и среды (вакуумные, газовые).

Правильное хранение изделия

Форма сосуда, метод установки, марка изделия и вид цоколя подбираются из соображений стоимости, практичности технологи, минимум на 100 часов работы. Нужно подчеркнуть, что в последние годы эффективность таких ламп оценивается по множеству характеристик.

ЛН местного предназначения, выпускается под ГОСТом 1182-78, напряжение не должно быть выше 36 В, а для производственных помещений, где есть легкогорючие вещества — 12 В. Мощность лампочек местного назначения ограничена и будет 15, 25, 40 и 60 Вт. Время службы каждой лампы накаливания должен быть не меньше 75% средней продолжительности свечения.

Для уличного освещения берутся более мощные лампы, чтобы не приходилось каждый месяц-два менять их. Так как это достаточно трудоемкий процесс.

Иллюминационные лампы на 15 Вт

Декоративные

Декоративные лампочки могут быть различных форм, круглые, овальные, спиральные и так далее. Источником излучения будет вольфрамовая нить. С помощью него в помещении получается уютный и теплый свет. В основном на фабрике производят дизайнерские изделия под классический цоколь Е27, но бывают модели под цоколь Е22 и Е40.
Напряжение необходимое для корректной работы составляет 220 В. Срок использования декоративных изделий с вольфрамовой нитью может быть в диапазоне 2000-3400 часов, но не больше. Температура освещения характеризуется параметром 2700 К.

Такие изделия часто используют для украшения помещений, лестничных пролетов или новогодних елок. Большие торговые центры используют декоративные лампочки подвешенные к высокими потолкам. Выглядит это поистине красиво и в то же время уютно. Они будут гармонично сочетать со стилем Лофт в доме или квартире.

Иллюминационные

Эти лампы накаливания производятся с цветным внутренним слоем колбы и необходимы для новогодних гирлянд или подсветки лестниц, магазинов и витрин. Имеет большой спектр цветности, присутствуют холодные, белые, дневные и ночные оттенки. Достаточно высокий срок службы до 25000 часов, при правильной эксплуатации. Основным минусом будет тяжелая установка. Чем ближе конец срока изделия, тем слабее оно будет работать. Свет начнет плохо рассеиваться.

Передние огни самолета

Сигнальные

Сигнальные лампочки в основном используются в разной промышленности. Простота устройства и большой модельный ряд помогают выбрать изделия для работы в разных сферах производства. Лампы можно монтировать на станки, пульт управления, на специальный транспорт и так далее. Очень часто используются в машиностроении, деревообработке или металлургии.

Внимание! Можно подключить одну лампочку для выполнения нескольких операций, либо применять одновременно 2-3 изделия различного предназначения. Исходя из сферы использования, выбирается цвет и форма лампы.

Современные лампы накаливания производятся специально для использования в промышленных целях, что дает рядом плюсов перед обычными лампами световой сигнализации:

Лампа зеркальная r65

• разнообразные цветовые режимы, дающие более информативную сигнализацию;
• множество выборов плафонов;
• подходят под любую электросеть;
• легкая установка на станки при помощи системы винтового подсоединения;
• возможность заменять контакты;
• применение светодиодных лампочек повышенной яркости для улучшения обзора на любых промышленных территориях;
• удобный корпус с возможностью подбора нужного размера;
• энергосбережение;
• легкость в использовании.

Зеркальные

Изделие зеркального типа отличается от других ЛН редкой формой колбы, а также наличием покрытия с отражением света, которое похоже на тонкую фольгу.

Из чего состоит лампочка накаливания

Это покрытие распыляется на лампу для того, чтобы рассеять ее световое излучение в помещении, чтобы более правильно распределить его в пределах определенной точки, чтобы была возможность четко осветить определенное помещение.

Чтобы получить такую опция в обычной лампе, необходимо поставить позади нее большой отражатель света.

Зеркальные лампочки в основном подключают в светильники направленного излучения, используемые для точечного освещения магазинов, чтобы получилась подсветка необходимых зон. Также их используют для офисов, лестниц, памятников архитектуры.

Зеркальные лампы могут быть разноцветными и прозрачными, матовыми, либо с эффектом УФ лучей. Их производят все известные фабрики осветительных приборов.

Виды изделий

Транспортные

В качестве освещения для машин применяют транспортные лампы накаливания. В электрической цепи нить накала тела разогревается и на пике температуры начинается свечение. Энергия светового луча, воспринимаемого обычным глазом, будет небольшой. Основная масса энергии будет в виде тепла.

Транспортная лампа имеет в своем составе колбу, несколько нитей накала, цоколь и выводы.

Тела накала в двухнитевых изделиях могут работать по-разному. Двухнитевыми лампочками оснащены автомобильные фары, светильник в салоне.

Нить накала обязательно выдерживают повышенные температуры, а также достаточно маленькая. Поэтому ее производят из вольфрамовой проволоки среднего размера, завитой в вытянутую спираль.

 

Двухнитивые изделия

Спираль подсоединяется к электродам и в основном имеет форму прямой линии или дуги полукруга. Температура плавления вольфрама будет около 4000 градусов. Во время работы спираль греется до показателей 2500-2800 °С. С увеличением температуры вольфрама повышается яркость и световая эффективность лучей на ЛН. Но если показатели перевалили за 2500 °С вольфрам будет быстро испаряться и, оставаться на стенках стеклянного сосуда, из-за чего получается слой налета, который уменьшат качество освещения. Срок службы таких изделий обычно составляет от 4 месяцев до полугода. Зависит от производителя и качественности производственного сырья.

Двухнитевые

Такое изделие может быть трех видов:

Светофорные лампы

• для машин. Одна нить применяется для ближнего света, вторая — для дальнего. Если говорить о лампах для задних сигналов, то нити могут применяться для стоп-сигнала и габаритного света такие же. Дополнительный экран будет убирать лучи, которые в сигнале ближнего света могут ослепить владельцев встречных машин;
• для воздушного судна. В посадочной фаре первая нить применяется для малого освещения, вторая — для большого, но если вторая слишком долго работает, то может понадобиться охлаждение, иначе может произойти возгорание;
• для светофоров нажелезной дороге. Обе нити нужны для увеличения надежности— если сгорит одна, то будет работать другая.

Виды колб

Строение лампы накаливания

Конструкция различных типов лампочек накаливания не особо различается, но можно подчеркнуть три общих компонента, нить накаливания, стеклянная колба и электрические вводы. Они различаются конструкцией кронштейнов тела накала, видом цоколей, иногда бывают без цоколей.

Чтобы колба не деформировалась при перегреве спирали в процессе работы, лампа накаливания обустроена ферроникелевым предохранителем, он в основном располагается в ножке. В месте разрыва спирали появляется электрическая дуга, из-за которой кусочки спирали плавятся, попадают на колбу, что может повести за собой ее порчу. С помощью предохранителей этот процесс можно избежать. Но в последние 5 лет они редко применяются, так как не очень эффективны.

Аргоновая лампочка

Конструкция лампы накаливания:

• колба;
• спираль накаливания;
• электроды по двум сторонам тела;
• крючки, на которых удерживается спираль;
• ножка;
• токовый ввод;
• цоколь с изолятором;
• контакт на конце цоколя.

Колба

Стеклянная колба дает защиту спирали от пагубного воздействия воздуха, при ее деформации тело накала окисляется и быстро взрывается. Состав колбы лампы различается, она может быть наполнена вакуумом или газовой средой. Первые лампы накаливания производили с вакуумной емкостью, однако их мощность была не высокая. Для заполнения современных изделий применяется азотно-аргоновое вещество или исключительно аргон. Некоторые типы лампочек могут наполнять криптоном или ксеноном. Теплопередача лампочки зависит от молярной массы наполнителя.

Определение ЛН

Газовая середа

Газовая среда в лампе должна быть инертная. Поскольку температура спирали достигает 2500 градусов, то она может реагировать на любой газ, но только не инертный. Поэтому для заполнения чаще всего используют аргон.

Если вдруг вода попадет на горячую или работающую лампу, то она может разорваться под действием газа.

Иногда лампы наполняют ксеноном, но это будет относительно дорого стоить.

Во многих лампах газовая среда будет функцией защиты. В других благодаря электрическому разряду получается красивое цветное излучение. Оттенок будет завесить от свойств инертного газа.

Тело накала

Виды тел накала могут быть различные и зависят от функционального предназначение лампочек.

Виды источников света

Самими популярными будет из проволоки овального поперечного сечения, но иногда бывают и ленточные тела накала (состоят из металлической ленты).

Как уже было сказано, первые тела накала производили из угля. В современных ЛН используются только тела накала, изготовленные из вольфрама, реже из осмиево-вольфрамового вещества.

Чтобы уменьшить размер нити накала, ее обычно делай в виде спирали, иногда ее подвергают повторной обработке, из чего получается биспираль. Коэффициент полезного действия таких изделий выше из-за понижения теплопотерь во время конвекции.

Электротехнические параметры

Световая отдача таких изделий достаточно невысокая. Она будет самой низкой среди популярных электрических лампочек и находится в интервале от 5 до 10 лм/Вт. Повышенная яркость тела накала в сочетании с его маленькими размерами позволяет применять изделия в прожекторах.

Классические цоколя

ЛН имеют обширный диапазон средних напряжений и мощностей. Этот тип изделий может функционировать в большом диапазоне окружающих температур, который ограничен только термоустойчивостью сырья, применяемого при ее производстве (-100…+350 градусов). Световое излучение ЛН корректируется трансформацией рабочего напряжения.

При данном минусе будет повышенная рабочая температура и число выделяемого при горении тепла. Поскольку температура лампочек высокая, то они становятся язвимы под действием воды или резкого передача градусов (из минус в плюс и наоборот).

В современном мире многие уже давно отказались от использования ламп накаливания. В развитых городах, всего 20% людей используют такие изделия. Все переходят на галогеновые светильники.

Во время включения лампочки, тело накала находится при нормальной температуре, то сопротивление изделия будет намного меньше рабочего сопротивления. Во время включения, проходит большое количество тока. По мере раскалывания нити её сопротивление повышается, а ток понижается.

Процесс изготовления на фабрике

В отличие от новейших изделий, более старые модели ламп накаливания с угольными спиралями при включении имели обратный процесс с увеличением тока. Возрастающая функция сопротивления тела накала разрешала применение лампы в роли примитивного электростабилизатора.

Цоколь

Тип цоколя с резьбой для классической лампы накаливания был разработан Джозефом Уилсоном Суоном. Размеры цоколей имели свои стандарты. У изделий обычного типа (для дома) был цоколь E14, E27.

Иногда бывают цоколи без резьбы (в этом случае лампочка держится с помощью трения), а также бесцокольные светильники, чаще используются в машинах. Редким будет размер Е40, он применяется для более мощных изделий от 500 ВТ.

Срок годности

Срок службы изделия зависит от его качества. ЛН нужно хранить в картонной коробке. Это нужно для того, чтобы случайно не разбить ее или чтобы она не дала незаметную трещину, которая испортит всю работу. Из-за такой трещины газ будет испаряться, в итоге после того, как лампочка будет вкручена в плафон, она поработает не больше 2-3 часов. Нужно соблюдать правила безопасности при вкручивании лампы в плафон. Нельзя допускать детей к этому процессу, а также желательно полностью выключать подачу электричества в помещении.

Обратите внимание! Использованные лампочки необходимо правильно утилизироваться, выкидывать вместе с пищевыми отходами их не разрешается. В каждом городе есть специальные баки, для таких отходов.

Если соблюдать все правила хранения и использования, то лампа прослужит максимально долго, без дефектов.

Винтажная лампа Эдисона

Устройство лампы накаливания

Основные детали, из которых состоит конструкция ЛН это-цоколь, сосуд, электроды, держатели для ниток накаливания, тело накаливания, контакты и изоляция. На рисунке 10 можно увидеть строение лампочки.

Перед покупкой лампы желательно получить консультацию специалиста. Не рекомендуется отдавать выбор неизвестному производителю, так как могут попасться бракованные изделия, которые не будут работать положенный срок, или вообще разорвутся под напряжением. Качественные производители всегда дают гарантию не менее 30 дней на лампы накаливания. Покупатель имеет полное право обмена изделия или возврата средств, если работа лампы была менее 10 часов или она перегорела моментально.

В заключении нужно отметить, что лампы накаливания уже давно перестали быть популярными среди людей. Однако необходимо подчеркнуть, что среди таких изделий есть огромный выбор, для машин, уличного освещения, самолетов и так далее. К сожалению, ЛН нельзя использовать вблизи изделий, изготовленных из дерева. Так как иногда бывает сильный нагрев и разрыв спирали, из-за чего может возникнуть чрезвычайная ситуация.

Устройство и работа ламп накаливания. Вольфрамовая нить, Электроды.

Лампа накаливания используется в качестве источника освещения свыше ста лет и, несмотря на появление более совершенных, современных, передовых с технологической точки зрения решений, спроса не теряет. Ниже мы расскажем вам о ее устройстве и принципах работы.

Устройство

Каждая лампа накаливания состоит из стеклянной колбы и металлического цоколя – из колбы в результате нагрева вольфрамовой нити излучается свет, а цоколь (материал – металл) обеспечивает тесный и надежный контакт прибора с электросетью. Нить накала (или спираль) располагается в стеклянной колбе. При прохождении тока происходит ее нагревание до 3000 С.

Поскольку лампа накаливания постоянно работает при очень высоких температурах, для изготовления нити должен использоваться тугоплавкий материал. Вольфрам имеет высокую температуру плавления (она составляет 3422 С) и как нельзя лучше подходит для решения данной задачи. Нить накала закрепляется внутри колбы с помощью электродов и удерживается крючками из молибдена, располагающимися на стеклянном стержне. Электроды, в свою очередь, присоединяются к контактам. Типы контактов, схемы их расположения бывают разными и зависят от вида цоколя.

Электроды могут быть одинаковыми или разными, когда один делается с маленьким утоньшением. Утоньшение выполняет роль предохранителя, перегорая первым и не давая колбе взорваться.

Из колбы выходит небольшая стеклянная трубочка (штенгель) – при изготовлении лампы через нее откачивается воздух. Это необходимо, поскольку в воздухе содержится кислород, который сжег бы вольфрамовую нить в первые секунды работы. После откачки штенгель запаивают. В мощных лампах накаливания используются инертные газы, продлевающие срок службы нити накаливания и снижающие теплотери источника света в процессе эксплуатации (напоминаем, что КПД лампы накаливания итак не очень высокий).

Как это работает?

Сначала нить накала подключается к источнику тока, затем (практически моментально) раскаляется до максимальной температуры и начинает излучать свет. Таким образом, принцип работы лампочки основывается на явлении нагрева вольфрамового проводника под воздействием тока. Поток, который дает раскаленный проводник, близок к дневному свету и не вызывает дискомфорта.

При питании переменным током мерцания исключены. Лампа накаливания рассчитана на широкий диапазон напряжений.

Лампы накаливания – устройство, принцип работы

Лампа накаливания – это искусственный источник света, в котором свет испускает раскаленная электрическим током спираль из тугоплавкого металла.

Лампа накаливания

В 1874 году русский ученый Александр Лодыгин впервые представил несколько лампочек с телом накаливания из вольфрама. Его образцы стали прообразом всех современных ламп накаливания.

Все лампы накаливания, в том числе и галогеновые работают на принципе нагрева нити (тела) накаливания до температуры от 2700°К до 3000°К, в результате протекания через них электрического тока.

Конструкция ламп накаливания

Главным элементом любой лампы накаливания является нить, которая обычно изготавливается из тонкой, проволоки, реже ленточки, из вольфрама. Для того, чтобы нить была компактной, ее свивают в спираль, а свитую нить в спираль свивают еще раз, получается биспираль. Благодаря такой конструкции, при большой длине вольфрамовой проволочки, нить накала лампочки получается компактной.

Для долговечности спираль накала помещают в колбу, из которой откачан воздух. Иначе вольфрам быстро в воздухе окислится и перегорит. Для повышения коэффициента полезного действия (КПД) колбы ламп большой мощности заполняют смесью газов азота с инертным аргоном. Если требуется высокая надежность, то колбу заполняют чистым инертным газом — аргоном, криптоном или ксеноном под давлением, например галогенные лампочки и для автомобильных фар заполняют парами галогенов брома или йода. Но стоимость таких лампочек в несколько раз выше.

Для подвода электрического тока и фиксации нити накала в центре колбы служат токовводы, в которых с одной стороны обжата или приварена точечной сваркой нить накала, а другие их концы соединены пайкой или точечной сваркой с цоколем.

На резьбы цоколей для ламп распространяется ГОСТ Р МЭК 60238-99, согласно которого цоколи для сети 220 В выпускаются трех типов. Е27 – наиболее распространен. Е14 – в быту именуемый миньон (обычно такие лампочки устанавливают для подсветки в холодильниках, СВЧ печах). Е40 – для ламп уличных светильников. Число после буквы обозначает внешний диаметр резьбы цоколя. Автомобильные лампочки для фары Н4 производятся в основном с цоколем по британскому стандарту (цоколь лампочки для фары на фото по центру).

На капсульные галогенные лампы накаливания цоколь не устанавливается, питающее напряжение подается непосредственно на токовводы, выполненные в виде двух штырей. Иногда концы штырей имеют цилиндрическое утолщение, позволяющее более надежно фиксировать лампочку в светильнике и обеспечить лучший контакт с контактами патрона. Чтобы извлечь лампочку из патрона такой конструкции, нужно ее провернуть на несколько градусов против часовой стрелки. Цилиндры выйдут из зацепления и лампочка освободится.

Лампочка накаливания «Ильича»

Лампы накаливания быстро вытесняются энергосберегающими и светодиодными источники света, так как их стоимость стала сравнима со стоимостью лампочек «Ильича».

Принцип действия лампочки прост, через вольфрамовую нить проходит электрический ток. Так как удельное сопротивление нити накала в сотни раз больше, чем токоподводящих проводников, то она разогревается до температуры более 2000° и излучает тепловую и световую энергию. К сожалению, на долю светового излучения приходится в лучшем случае 4% от потребляемой мощности. Точнее было бы называть лампочку нагревательным элементом, чем источником света. Низкий КПД и является главным недостатком лампочек «Ильича». Средний срок службы лампочки составляет 1000 часов.

В России по закону от 23.11.2009 N261-ФЗ (ред. от 23.04.2018) «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», с 1 января 2014 года запрещено использование ламп накаливания мощностью двадцать пять ватт и более для освещения в цепях переменного тока.

Конечно лампочка «Ильича», благодаря появлению светодиодных источников света, доживает свой век и в недалеком будущем станет историей. К основным недостаткам ламп накаливания относятся низкий КПД, значительное выделение тепла, что предъявляет дополнительные требования к термостойкости арматуры светильников, большая зависимость светового потока и срока службы от величины питающего напряжения (при превышении напряжения на 10%, срок службы уменьшается на 95%), хрупкость. Хотя спектр излучения ламп накаливания и отличается от солнечного, но человеческий глаз к такому свету адаптировался, так как желто-красной спектр излучения имеет свеча, огонь костра с которыми человек прожил тысячи лет.

Галогенная лампа накаливания

Галогенная лампа от лампы накаливания отличается тем, что имеет меньшие габаритные размеры, более высокий КПД и в несколько раз больший срок службы. Практически это та же лампочка «Ильича», но улучшена с учетом последних достижений науки и техники. Колба галогенной лампочки сделана из кварцевого стекла и заполнена под давлением парами галогенов брома или йода, благодаря чему срок службы галогенных лампочек доведен до 4000 часов, а температура накала спирали достигает 3000°К.

В галогенной лампочке вольфрамовая нить тоже при нагреве испаряется, но в отличие от простой лампочки накаливания, облачко из вольфрама благодаря вступлению в химическую реакцию с галогенами при высокой температуре, возвращается опять на нить накала. Благодаря такому процессу, появилась возможность изготавливать миниатюрные лампочки большой мощности, повысить КПД до 15% и увеличить срок эксплуатации до 4000 часов, а с применением ограничителей броска тока при включении галогенной лампочки (сопротивление нити накала в холодном состоянии в десять раз меньше, чем в нагретом) до 12000 часов.

Спектр излучения галогенных лампочек более естественный, чем простых лампочек накаливания и они являются идеальным искусственным источником света для выполнения работ, связанных с цветом, например для художников. Так как колба лампочки сделана из кварцевого стекла, то она при свечении излучает ультрафиолетовые лучи, что позволяет под ней даже загорать.

Галогенные лампы в автомобиле

Галогенным лампочкам для автомобильных фар Н4 в настоящее время нет альтернативы. Большая мощность, устойчивость к тряске и вибрации, естественность света, малые габариты, работа при любой температуре окружающей среды, большой срок службы, низкая цена – практически идеальная лампочка. Есть, конечно, и более совершенные лампочки для фары автомобиля – ксеноновые (в них нет нити накала, свет излучает разряд между двумя электродами в газе ксеноне), биксеноновые и светодиодные, но цена их довольно высокая.

Такие лампочки нельзя установить вместо штатных, а требуется замена всего блока фар. В дополнение оптику фар с ксеноновыми лампами требуется поддерживать в идеально чистом состоянии, при малейшем загрязнении свет начинает рассеиваться и ослеплять водителей встречного автотранспорта.

В одной колбе галогенной лампочки для фар автомобиля смонтировано сразу две нити накала. Такое решение позволило вместо двух отдельных ламп использовать одну.

Напряжение на нити накала подают по очереди, в зависимости необходимости включения ближнего или дальнего света фар. В такой лампочке один вывод для двух нитей накала общий и цоколь лампочки имеет только три вывода.

Рекомендации по эксплуатации галогенных ламп

Галогенные лампочки, рассчитанные на напряжение 220 В, подключаются непосредственно к электрической сети, а так как в бытовой сети случаются броски напряжения, то лампочки быстро перегорают. Поэтому советую применять галогенные лампочки на напряжение 12 В с понижающим трансформатором или пускорегулирующим устройством.

Для исключения преждевременного выхода из строя галогенной лампочки, недопустимо загрязнение колбы, так как она разогревается до температуры 250°С, а грязь ухудшает отвод тепла и лампочка перегревается. При установке галогенной лампочки в светильник не допускается прикосновение к колбе руками, так как на ней остаются потожировые следы, которые обгорая, нарушают равномерность нагрева колбы, в результате происходит напряжение стекла и колба может разрушиться. Если случайно прикоснулись, то грязь с колбы необходимо удалить растворителем или моющим средством и обязательно просушить, прежде чем подключать лампочку к питающей сети.

Устройство светодиодных ламп

В данной статье мы рассмотрим основные характеристики светодиодных ламп, их устройство и преимущества перед классическими лампами накаливания. Также мы рассмотрим несколько самых популярных схем для ламп, подключенных к сетям 220 В.

Проблемы энергоснабжения

Сегодня в любом специализированном магазине можно купить прожектор светодиодный, лампу, другие приборы освещения, основанные на этой технологии. После мирового кризиса цена на ресурсы и конкретно на электроэнергию заметно выросли. С 2009 года в странах Европы запретили продавать лампы накаливания мощностью 100 Ватт и более. А уже с 2011 в силу вступили новые законы, которые запрещают продажу 60-ти Ваттные лампы (одни из наиболее популярных на рынке).

В будущем планируется вовсе отказаться от ламп накаливания и заменить их на более современные. К примеру, в США с начала 2013 года население обязано перейти на энергосберегающие источники света – светодиодные и люминесцентные лампы.

Какими преимуществами обладают такие лампы?

Плюсы энергосберегающих ламп широко известны. Прежде всего, это их высокая надежность, низкое потребление энергии и низкая стоимость. Сегодня наибольшее распространение получили светодиоды. Одна из разновидностей – светодиодная лента, купить которую можно через интернет или в обычном магазине. Такая лампа потребляет всего лишь 20 Ватт, которая по своему качеству аналогична стоваттной лампе накаливания. Таким образом, экономия возрастет минимум в пять раз!

Светодиоды – последнее слово в производстве осветительной техники. Показатели у них гораздо выше люминесцентных, а про лампы накаливания и говорить нечего. Количество сэкономленной энергии исчисляется десятками раз, а долговечность составляет пятьдесят и более тысяч часов.

Конечно, современные осветительные приборы оцениваются выше, чем классические лампы, но благодаря своей экономии и долговечности окупаются уже в течение нескольких месяцев.

Ещё десять лет назад светодиоды применяли только для индикаторов – на них сила света не достигала и двух микрокандел. Сегодня в продаже есть сверхъяркие светодиоды, сила излучения которых доходит до десятков кандел.

Мощные светодиоды преобразовали рынок осветительных приборов. Светодиодные лампы достигли своего развития благодаря применению современных микросхем. Преобразователь, включенный в сеть 220В, обеспечивает напряжение 5В при токе около 100 миллиампер. Устройство защищено предохранителем, а подключение к сети производится через выпрямитель и конденсатор. Они устраняют импульсные помехи.

Как показал опыт, лампы светодиодные Т8 помогают не только экономить электроэнергию, но и снижают затраты на техническое обслуживание и необходимости утилизации. Самые популярные модели таких светильников – модели «армстронг», которые имеют размеры 60 на 60 см, в которых находятся 4 лампы по 18 Вт каждая. При желании можно заменить как весь светильник, так и лампу внутри.

Лампа накаливания – обзор

VII.D Материальные ограничения, влияющие на рабочие характеристики

В отличие от ламп накаливания, в газоразрядных лампах нет единого механизма, определяющего срок службы лампы, и срок службы не обратно пропорционален эффективности. Более того, срок службы газоразрядных ламп невероятно долгий; расчетный срок службы большинства ртутных и натриевых ламп составляет 24 000 часов, в то время как у ламп MH номинальный срок службы составляет от 6 000 до 20 000 часов. Поскольку типичные часы работы на открытом воздухе от заката до рассвета или двухсменное коммерческое обслуживание в помещении составляют 4000 часов в год, эти показатели соответствуют сроку службы до 6 лет.Тем не менее, выбор конструкции, обеспечивающий более высокую эффективность, ограничивается материальными ограничениями, что приводит к сокращению срока службы. Электроды ртутных и натриевых ламп покрыты материалом-активатором, испускающим электроны, который со временем испаряется, что приводит к невозможности воспламенения или повторному воспламенению в каждом полупериоде. Все типы газоразрядных ламп подвержены чрезмерному почернению дуговой трубки из-за испарения или распыления материала с электродов. В натриевых лампах почернение стенок вблизи электродов может привести к повышению температуры амальгамы, а последующее увеличение давления газа вызывает рост напряжения. Это может привести к «зацикливанию» ближе к концу срока службы лампы, когда напряжение лампы возрастает до значения, которое больше не может поддерживаться балластом, и лампа гаснет. Затем лампа охлаждается до температуры, при которой импульса воспламенителя достаточно для перезапуска лампы, и процесс повторяется, что приводит к непрерывному циклу переключения, который повторяется каждые несколько минут. Эту проблему можно решить, уменьшив дозу амальгамы до такой степени, чтобы вся ртуть и натрий находились в паровой фазе при нормальной работе лампы.Этот принцип привел к разработке так называемых ламп HPS с «ненасыщенным паром». Для этих ламп крайне важно свести к минимуму потери натрия из-за химических реакций с компонентами дуговой лампы, поскольку для его замены нет запаса натрия.

Потеря натрия может происходить в результате электролитического процесса на стенке дуговой трубки в лампах M-H. В процессе эксплуатации в кварце, контактирующем с йодидом натрия, всегда находятся несколько миллионных долей ионов натрия в результате достижения термохимического равновесия в обратимой реакции между кварцем и йодидом. Это количество не вредно для кварца и не свидетельствует о значительном истощении натрия по сравнению с исходной дозой. Однако ионы натрия подвижны в кварце, и отрицательная зарядка внешней поверхности кварцевой дуговой трубки фотоэлектронами, испускаемыми из различных частей внешней оболочки, будет притягивать ионы натрия к внешней поверхности для нейтрализации и испарения. Истощение концентрации ионов на внутренней поверхности затем позволяет протекать прямой реакции, чтобы обеспечить больше ионов натрия, которые, в свою очередь, подвергаются электролизу, пока в конечном итоге не будет потеряна очень значительная часть исходной дозы натрия.Для смягчения этой проблемы используются конструкции внешней оболочки, обеспечивающие минимальное количество фотоэлектрических излучающих поверхностей, или поверхности с положительным смещением (например, кожух).

Химические реакции между кварцем и металлами и йодидами металлов могут привести к образованию стабильных оксидов металлов на стенке и высвобождению металлического кремния. Потеря металла в этом процессе снижает парциальное давление паров металла и, в конечном счете, изменяет мощность излучения лампы. Металлический кремний реагирует с йодом с образованием летучего тетрайодида кремния, который разлагается при температуре электрода и осаждает расплавленный кремний на электроде, резко искажая его форму и ухудшая его характеристики.Это становится одним из процессов, ограничивающих срок службы ламп MH, отрицательно влияя на процесс повторного зажигания каждые полпериода, до такой степени, что балласт больше не может повторно зажечь лампу. Эффективность газоразрядных ламп увеличивается по мере увеличения входной мощности на единицу длины, во-первых, из-за уменьшения доли мощности, теряемой на теплопроводность, а во-вторых, из-за повышения температуры дуговой трубки, что приводит к более высокому давлению паров излучающих частиц. Однако повышенная температура дуговой трубки приводит к сокращению срока службы лампы из-за усиленных химических реакций с материалом дуговой трубки, а в случае кварца — к изменению кристаллической структуры (расстекловыванию). Эти ограничения обычно воплощаются в виде эмпирических правил проектирования, касающихся допустимой нагрузки на стенку (входная мощность дуги на единицу площади поверхности стенки внутренней дуговой трубы). Приемлемый срок службы ртутных ламп достигается при нагрузке на стену 10–12 Вт/см ² , а кварцевых ламп M-H для общего освещения обычно составляет 13–22 Вт/см ² . Надежность PCA при более высоких температурах позволяет керамическим лампам M-H работать при ~40 Вт/см ² , а HPS может использовать конструкции с мощностью 15–20 Вт/см ² .Для некоторых применений, таких как автомобильные фары и проекционные лампы, допустим более короткий срок службы и может использоваться более высокая нагрузка на стену.

Уплотнения из молибденовой фольги как в ртутных, так и в М-Н лампах имеют достаточный срок службы при гораздо более высоких температурах, чем в Т-Н-лампах, поскольку они защищены от окисления вакуумом или инертной атмосферой во внешней оболочке. Электрический ввод в лампах HPS включает элемент из металла ниобия (также известного как колумбий), выбранного для согласования расширения в PCA и герметизированного смесью поликристаллических оксидов, плавких без плавления ниобия или PCA.Ниобий защищен от окисления вакуумом во внешней оболочке. В лампах ДНаТ максимальная температура уплотнения определяется устойчивостью герметика к воздействию натрия, что ограничивает температуру холодного пятна и, следовательно, максимальное давление паров натрия в дуговой трубке.

Безопасное зажигание миниатюрных ламп накаливания с помощью LTC2874

Лампы накаливания, описываемые как «обогреватели, излучающие мало света» ^[1] , являются мишенью правительств во всем мире из-за присущей им неэффективности.Лампы с более высокой мощностью могут быть обречены из-за меняющихся стандартов эффективности, но их миниатюрные собратья могут по-прежнему иметь блестящее будущее в промышленных условиях, таких как системы программируемого логического контроллера (ПЛК) на 24 В.

Включение лампы накаливания 24 В пост. тока — нетривиальная задача для драйвера микросхемы. Обычные вольфрамовые нити в холодном состоянии обладают примерно в 15 раз большей проводимостью, чем в горячем состоянии. Следовательно, при зажигании лампы драйвер должен справиться с состоянием, близким к короткому замыканию, без перегрева.

LTC2874 может безопасно работать с восемью лампами. Вот как.

LTC2874 — это Quad IO-Link Master, интерфейс питания и сигнализации для устройств, подключенных кабелями длиной до 20 м. Работая от 8 В до 30 В, каждый выходной сигнал драйвера CQ генерирует или потребляет 100 мА. Этого достаточно, чтобы зажечь миниатюрные лампочки мощностью 1 Вт (тип. 40 мА) или лампочки мощностью 2 Вт (тип. 80 или 85 мА), которые иногда используются в системах с напряжением 24 В постоянного тока.

Каждый из четырех выходов CQ может управлять лампой, а также дополнительно поддерживать IO-Link при подключении к смарт-устройству.Четыре выхода источника питания L+ с горячей заменой также могут работать, каждый из которых выдает ток до предела, установленного чувствительным резистором. Это означает, что один LTC2874 может работать с восемью лампами накаливания!

Выходы драйвера CQ LTC2874 (как и их аналоги с выходом источника питания L+) защищены автоматическими выключателями перегрузки по току и схемами автоматического повторного запуска с малым рабочим циклом, которые защищают от перегрева в случае неисправности или больших нагрузок. Как показано ниже, каждый вывод CQ легко зажигает лампочку мощностью 1 Вт, используя эти встроенные функции.В то время как нить накала потребляет большой пусковой ток по мере нагрева, драйвер включается и выключается. Даже при рабочем цикле <1% лампа включается после нескольких импульсов.

Соответствующие настройки битов регистра SPI:

Лампы большего размера с еще меньшим сопротивлением нити накала в холодном состоянии не нагреваются при импульсном включении с низким коэффициентом заполнения, определяемым функцией автоматического повтора LTC2874. Однако LTC2874 может их зажечь, если микроконтроллер (через интерфейс SPI) задаст более быстрый интервал выключения импульсов при включении.

Вот как это работает. Драйвер CQ включается и ограничивает ток до 160 мА TYP. Через 0,48 мс в состоянии перегрузки по току вывод /IRQ подает сигнал, и драйвер отключается. Отвечая на запрос прерывания, микроконтроллер выжидает интервал охлаждения TOFF, а затем очищает регистр 0 × 4, что снова позволяет драйверу начать новый импульс. Этот повторяющийся цикл изменяет выходной сигнал с рабочим циклом 0,48 мс/(0,48 мс + TOFF).

Во избежание чрезмерного нагрева микросхемы разумны две меры предосторожности:

1. Избегайте использования рабочего цикла выше 5–10 %.
2. Ограничьте общую продолжительность пульсации, возможно, до 1 секунды. Если контакт /IRQ к тому времени перестал сигнализировать, лампочка успешно зажглась. Если вывод /IRQ по-прежнему сигнализирует, мы должны принять меры против возможности жесткого короткого замыкания. Пришло время отключить драйвер и объявить неисправность.

Соответствующие настройки битов регистра SPI:

Чтобы увеличить гарантированный ток, расставьте точки на выводах CQ в любой комбинации. Просто не забудьте также объединить соответствующие входы драйвера (контакты TXD1-4) и элементы управления (контакты TXEN1-4 или биты регистра DVREN1-4).

Следующий пример кривой для лампы накаливания мощностью 2 Вт показывает, как более быстрый интервал импульсов и точечные выходы ускоряют время включения.

При таком подходе три или четыре контакта CQ с точками могут работать с лампами даже большего размера.

Выходы источника питания L+ могут управлять лампами аналогичным образом, либо с использованием режима автоматического повторного запуска, либо импульсного режима, синхронизированного с микроконтроллером. В этом приложении эти выходы добавляют гибкости (пределы тока устанавливаются резисторами, а время включения и выключения импульсов программируется) и ограничений (работа осуществляется только через интерфейс SPI).

Для этих выходов внешний МОП-транзистор с возможностью горячей замены не должен перегреваться. При определении рабочего цикла помните о безопасной рабочей зоне (SOA) этого устройства.

Соответствующие настройки битов регистра SPI:

LT3669/LT3669-2 также может включать лампы накаливания. Эти компоненты с двумя драйверами имеют встроенную импульсную схему, которая автоматически управляет рабочим циклом при превышении предела выходного тока.

LTC2874 может безопасно управлять миниатюрными лампами накаливания.Для приложений 24 В постоянного тока выводы драйвера CQ могут работать с лампами мощностью 1 Вт, используя встроенную функцию автоматического повтора импульсов, с лампами мощностью 2 Вт, используя микроконтроллер для управления рабочим циклом, и с несколько большими размерами при объединении выходов. Выходы L+ Hot Swap также могут включать лампы накаливания, что делает возможным управление восьмеричной лампой с микроконтроллером.

использованная литература

^[1] Рахим, Сакиб. «Лампа накаливания уходит за кулисы после столетней работы. New York Times , 28 июня 2010 г.

Знакомьтесь, микроскопическая лампочка

Этот танец, называемый динамическое масштабирование напряжения и частоты (DVFS) постоянно происходит в процессоре, называемом системой-на-чипе (SoC), который управляет вашим телефоном и ноутбуком, а также серверами, которые их поддерживают. Все это сделано для того, чтобы сбалансировать вычислительную производительность с энергопотреблением, что особенно сложно для смартфонов. Схемы, которые организуют DVFS, стремятся обеспечить стабильные часы и стабильный уровень напряжения, несмотря на скачки тока, но они также являются одними из самых сложных для проектирования.

В основном это связано с тем, что схемы генерации тактовых импульсов и схемы регулирования напряжения являются аналоговыми, в отличие от почти всего остального на SoC вашего смартфона. Мы привыкли к почти ежегодному выпуску новых процессоров со значительно большей вычислительной мощностью благодаря достижениям в производстве полупроводников. «Перенос» цифровой схемы со старого полупроводникового процесса на новый — это не пикник, но это ничто по сравнению с попыткой перенести аналоговые схемы на новый процесс. Аналоговые компоненты, которые обеспечивают DVFS, особенно схема, называемая регулятором напряжения с малым падением напряжения (LDO), не масштабируются, как цифровые схемы, и должны быть переработаны с нуля с каждым новым поколением.

Если бы вместо этого мы могли создавать LDO и, возможно, другие аналоговые схемы из цифровых компонентов, их было бы гораздо проще портировать, чем любую другую часть процессора, что значительно сэкономило бы затраты на проектирование и освободило инженеров для решения других проблем, которые решают современные микросхемы. имеет в запасе. Более того, получившиеся цифровые LDO могут быть намного меньше, чем их аналоговые аналоги, и в некоторых отношениях работать лучше. За последние несколько лет исследовательские группы в промышленности и академических кругах протестировали не менее дюжины проектов, и, несмотря на некоторые недостатки, вскоре может появиться коммерчески полезный цифровой LDO.

Регуляторы напряжения с малым падением напряжения (LDO) позволяют нескольким процессорным ядрам на одной шине входного напряжения (V _IN ) работать при разных напряжениях в зависимости от их рабочих нагрузок. В этом случае Core 1 предъявляет самые высокие требования к производительности. Его головной переключатель, на самом деле группа транзисторов, соединенных параллельно, закрыт, минуя LDO и напрямую подключая Core 1 к V _IN , который питается от внешней ИС управления питанием. Однако ядра со 2 по 4 имеют менее требовательные рабочие нагрузки.Их LDO задействованы для питания ядер напряжением, позволяющим экономить электроэнергию.

Базовый аналоговый регулятор напряжения с малым падением напряжения [слева] управляет напряжением через контур обратной связи. Он пытается сделать выходное напряжение (V _DD ) равным опорному напряжению, контролируя ток через мощный PFET. В базовой цифровой схеме [справа] независимые часы запускают компаратор [треугольник], который сравнивает опорное напряжение с V _DD . Результат сообщает логике управления, сколько мощных PFET следует активировать.

ТИПИЧНАЯ СИСТЕМА-НА-ЧИПЕ для смартфона — это чудо интеграции. На одном кусочке кремния он объединяет несколько процессорных ядер, графический процессор, процессор цифровых сигналов, нейронный процессор, процессор сигналов изображения, а также модем и другие специализированные логические блоки. Естественно, повышение тактовой частоты, управляющей этими логическими блоками, увеличивает скорость, с которой они выполняют свою работу. Но для работы на более высокой частоте им также требуется более высокое напряжение.Без этого транзисторы не могут включаться или выключаться до очередного такта процессора. Конечно, более высокая частота и напряжение достигаются за счет энергопотребления. Таким образом, эти ядра и логические блоки динамически изменяют свои тактовые частоты и напряжения питания — часто в диапазоне от 0,95 до 0,45 В — в зависимости от баланса энергоэффективности и производительности, которого они должны достичь для любой рабочей нагрузки, на которую они возложены — съемка видео, воспроизведение музыки. файл, передающий речь во время разговора и так далее.

Как правило, внешняя микросхема управления питанием генерирует несколько значений входного напряжения (V _IN ) для SoC телефона. Эти напряжения доставляются к областям чипа SoC по широким межсоединениям, называемым шинами. Но количество соединений между чипом управления питанием и SoC ограничено. Таким образом, несколько ядер SoC должны использовать одну и ту же шину V _IN .

Но не все они должны получать одинаковое напряжение благодаря регуляторам напряжения с малым падением напряжения.LDO вместе со специальными тактовыми генераторами позволяют каждому ядру на общей шине работать с уникальным напряжением питания и тактовой частотой. Ядро, требующее наивысшего напряжения питания, определяет общее значение V _IN . Микросхема управления питанием устанавливает V _IN на это значение, и это ядро ​​полностью обходит LDO через транзисторы, называемые головными переключателями.

Чтобы свести энергопотребление к минимуму, другие ядра могут работать при более низком напряжении питания. Программное обеспечение определяет, каким должно быть это напряжение, и аналоговые LDO довольно хорошо справляются с его подачей.Они компактны, недороги в изготовлении и относительно просто интегрируются в микросхему, поскольку не требуют больших катушек индуктивности или конденсаторов.

Но эти LDO могут работать только в определенном окне напряжения. На верхнем уровне целевое напряжение должно быть ниже, чем разница между V _IN и падением напряжения на самом LDO (одноименное «напряжение падения»). Например, если напряжение питания, которое было бы наиболее эффективным для ядра, равно 0,85 В, но V _IN равно 0.95 В, а падение напряжения LDO составляет 0,15 В, это ядро ​​не может использовать LDO для достижения 0,85 В и вместо этого должно работать при 0,95 В, теряя некоторую мощность. Точно так же, если V _IN уже был установлен ниже определенного предела напряжения, аналоговые компоненты LDO не будут работать должным образом, и схема не может быть задействована для дальнейшего снижения напряжения питания ядра.

Основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является медленная переходная характеристика.

Однако, если желаемое напряжение попадает в окно LDO, программное обеспечение включает схему и активирует опорное напряжение, равное целевому напряжению питания.

КАК LDO обеспечивает нужное напряжение? В базовой аналоговой конструкции LDO это осуществляется с помощью операционного усилителя, обратной связи и специализированного мощного p -канального полевого транзистора (PFET). Последний представляет собой транзистор, уменьшающий свой ток при увеличении напряжения на его затворе. Напряжение затвора для этой мощности PFET представляет собой аналоговый сигнал, поступающий от операционного усилителя, в диапазоне от 0 вольт до _В . Операционный усилитель постоянно сравнивает выходное напряжение схемы — напряжение питания ядра, или V _DD — с заданным опорным напряжением.Если выходное напряжение LDO падает ниже опорного напряжения, как это происходит, когда новая активная логика внезапно требует большего тока, операционный усилитель уменьшает напряжение затвора мощного полевого транзистора, увеличивая ток и поднимая V _DD до значения опорного напряжения. И наоборот, если выходное напряжение превышает опорное напряжение, как это происходит, когда логика ядра менее активна, операционный усилитель увеличивает напряжение затвора транзистора, чтобы уменьшить ток и снизить V _DD .

Базовый С другой стороны, цифровой LDO состоит из компаратора напряжения, управляющей логики и нескольких полевых транзисторов с параллельной мощностью.(LDO также имеет собственную тактовую схему, отдельную от тех, которые используются ядром процессора.) В цифровом LDO напряжения затвора силовых полевых транзисторов представляют собой двоичные значения, а не аналоговые, либо 0 В, либо В _IN .

С каждым тактом компаратор измеряет, находится ли выходное напряжение ниже или выше целевого напряжения, обеспечиваемого опорным источником. Выход компаратора управляет логикой управления при определении того, сколько мощных полевых транзисторов нужно активировать. Если выход LDO ниже целевого значения, логика управления активирует больше мощных PFET. Их суммарный ток поддерживает напряжение питания ядра, и это значение возвращается в компаратор, чтобы поддерживать его на заданном уровне. Если он выходит за пределы, компаратор сигнализирует логике управления, чтобы отключить некоторые из PFET.

НИ АНАЛОГОВЫЙ , ни цифровой LDO не идеальны, конечно. Основное преимущество аналоговой схемы заключается в том, что она может быстро реагировать на кратковременные провалы и выбросы напряжения питания, что особенно важно, когда эти события связаны с резкими изменениями.Эти переходные процессы возникают из-за того, что потребность ядра в токе может значительно увеличиваться или уменьшаться в течение нескольких наносекунд. В дополнение к быстрому отклику аналоговые LDO очень хорошо подавляют изменения в V _IN , которые могут исходить от других ядер на шинах. И, наконец, когда текущие требования не сильно меняются, он жестко контролирует выходной сигнал, не допуская постоянного превышения или недостижения цели, что приводит к пульсациям в V _DD .

Внезапное изменение потребности ядра в токе может привести к скачку или падению выходного напряжения LDO [вверху].Базовые цифровые схемы LDO плохо справляются с этим [внизу слева]. Однако схема, называемая адаптивной выборкой с пониженной динамической стабильностью (внизу справа), может уменьшить степень скачка напряжения. Это достигается за счет увеличения частоты дискретизации LDO, когда спад становится слишком большим, что позволяет схеме реагировать быстрее. Источник: С.Б. Насир и др., Международная конференция IEEE по твердотельным схемам (ISSCC), февраль 2015 г., стр. 98–99.

Эти свойства сделали аналоговые LDO привлекательными не только для питания процессорных ядер, но и почти для любой схемы, требующей тихого, стабильного напряжения питания.Тем не менее, есть некоторые критические проблемы, которые ограничивают эффективность этих конструкций. Первые аналоговые компоненты намного сложнее, чем цифровая логика, и для их реализации в передовых технологических узлах требуется длительное время проектирования. Во-вторых, они не работают должным образом, когда V _IN имеет низкий уровень, что ограничивает то, насколько низкий уровень V _DD они могут передать ядру. И, наконец, падение напряжения аналоговых LDO не так мало, как хотелось бы разработчикам.

Принимая во внимание эти последние пункты, аналоговые LDO предлагают ограниченное окно напряжения, в котором они могут работать.Это означает, что упущены возможности включения LDO для энергосбережения — достаточно больших, чтобы заметно увеличить время автономной работы смартфона.

Цифровые LDO устраняют многие из этих недостатков: не имея сложных аналоговых компонентов, они позволяют разработчикам использовать множество инструментов и других ресурсов для цифрового проектирования. Таким образом, масштабирование схемы для нового технологического процесса потребует гораздо меньше усилий. Цифровые LDO также будут работать в более широком диапазоне напряжений. На низковольтной стороне цифровые компоненты могут работать при значениях V _IN , которые недоступны для аналоговых компонентов. А в более высоком диапазоне падение напряжения цифрового LDO будет меньше, что приведет к значительной экономии энергии ядра.

Но ничего бесплатного не бывает, и цифровой LDO имеет ряд серьезных недостатков. Большинство из них возникают из-за того, что схема измеряет и изменяет свой выходной сигнал только в дискретные моменты времени, а не непрерывно. Это означает, что схема сравнительно медленно реагирует на провалы и выбросы напряжения питания. Он также более чувствителен к изменениям V _IN и имеет тенденцию создавать небольшие пульсации выходного напряжения, которые могут ухудшить производительность ядра.

Из них основным препятствием, которое до сих пор ограничивало использование цифровых LDO, является их медленная переходная характеристика. Ядра испытывают провалы и выбросы, когда ток, который они потребляют, резко меняется в ответ на изменение его рабочей нагрузки. Время отклика LDO на события спада имеет решающее значение для ограничения того, насколько сильно падает напряжение и как долго длится это состояние. Обычные сердечники добавляют запас прочности к напряжению питания, чтобы обеспечить правильную работу во время провалов. Более высокий ожидаемый спад означает, что запас должен быть больше, что снижает преимущества энергоэффективности LDO.Таким образом, ускорение реакции цифрового LDO на провалы и выбросы является основным направлением передовых исследований в этой области.

НЕКОТОРЫЕ ПОСЛЕДНИЕ ДОСТИЖЕНИЯ помогли ускорить реакцию схемы на провалы и выбросы. Один подход использует тактовую частоту цифрового LDO в качестве ручки управления для обмена стабильности и энергоэффективности на время отклика.

Более низкая частота улучшает стабильность LDO просто потому, что выходной сигнал не будет меняться так часто. Это также снижает энергопотребление LDO, поскольку транзисторы, из которых состоит LDO, переключаются реже.Но это происходит за счет более медленной реакции ядра процессора на переходные текущие требования. Вы можете понять, почему это так, если учесть, что большая часть переходных событий может произойти в течение одного тактового цикла, если частота слишком низкая.

И наоборот, высокая тактовая частота LDO уменьшает время отклика на переходный процесс, потому что компаратор достаточно часто производит выборку выходного сигнала, чтобы изменить выходной ток LDO раньше в переходном событии. Однако эта постоянная выборка ухудшает стабильность выходных данных и потребляет больше энергии.

Суть этого подхода заключается во введении часов, частота которых адаптируется к ситуации, схемы, называемой адаптивной частотой дискретизации с пониженной динамической стабильностью. Когда провалы или выбросы напряжения превышают определенный уровень, тактовая частота увеличивается для более быстрого уменьшения переходного эффекта. Затем он замедляется, чтобы потреблять меньше энергии и поддерживать стабильное выходное напряжение. Этот трюк достигается путем добавления пары дополнительных компараторов для обнаружения условий перерегулирования и спада и запуска тактового генератора.При измерениях на тестовой микросхеме с использованием этой методики падение напряжения V _DD уменьшилось с 210 до 90 мВ, что на 57% меньше по сравнению со стандартной конструкцией цифрового LDO. А время, необходимое для стабилизации напряжения, сократилось с 5,8 мкс до 1,1 микросекунды, что на 81 процент больше.

Альтернативный подход к улучшению переходного времени отклика состоит в том, чтобы сделать цифровой LDO немного аналоговым. В конструкцию интегрирована отдельная аналоговая петля, которая мгновенно реагирует на переходные процессы нагрузки.Аналоговая петля связывает выходное напряжение LDO с параллельными PFET LDO через конденсатор, создавая петлю обратной связи, которая срабатывает только при резком изменении выходного напряжения. Таким образом, когда выходное напряжение падает, оно снижает напряжение на активированных затворах PFET и мгновенно увеличивает ток в сердечнике, чтобы уменьшить величину падения. Было показано, что такая аналоговая петля уменьшает падение напряжения с 300 до 106 мВ, улучшение на 65 процентов, и перерегулирование с 80 до 70 мВ (13 процентов).

Альтернативный способ заставить цифровые LDO быстрее реагировать на падение напряжения — добавить аналоговый контур обратной связи в силовую часть схемы PFET [вверху]. Когда выходное напряжение падает или выходит за пределы диапазона, аналоговый контур срабатывает, чтобы поддерживать его [внизу], уменьшая степень отклонения. Источник: М. Хуанг и др., IEEE Journal of Solid-State Circuits, январь 2018 г., стр. 20–34.

Конечно, обе эти методики имеют свои недостатки.Во-первых, ни один из них не может сравниться по времени отклика с современными аналоговыми LDO. Кроме того, метод адаптивной выборки частоты требует двух дополнительных компараторов, а также генерирования и калибровки опорных напряжений для спада и выброса, поэтому схема знает, когда задействовать более высокую частоту. Аналоговая петля включает в себя некоторые аналоговые компоненты, что уменьшает время разработки полностью цифровой системы.

Развитие коммерческих процессоров SoC может помочь сделать цифровые LDO более успешными, даже если они не могут полностью соответствовать аналоговым характеристикам.Сегодня коммерческие процессоры SoC интегрируют полностью цифровые адаптивные схемы, предназначенные для смягчения проблем с производительностью при возникновении провалов. Эти схемы, например, временно растягивают тактовый период ядра, чтобы предотвратить ошибки синхронизации. Такие методы смягчения могут ослабить ограничения переходного времени отклика, позволяя использовать цифровые LDO и повышая эффективность процессора. Если это произойдет, мы можем ожидать более эффективных смартфонов и других компьютеров, а процесс их разработки станет намного проще.

7.2: Устройства со спонтанным излучением

Спонтанное излучение происходит во многих коммерчески доступных потребительских товарах. В этом разделе рассматриваются три категории устройств, преобразующих электричество в свет за счет спонтанного излучения: лампы накаливания, газоразрядные лампы и светодиоды.

Лампы накаливания

Лампа накаливания — это устройство, которое преобразует электричество в свет за счет излучения абсолютно черного тела. Эти устройства обычно изготавливаются из твердой металлической нити внутри вакуумной трубки со стеклянными стенками.Через нить проходит ток, который нагревает ее до температуры в тысячи градусов. Высокие температуры используются потому, что видимая спектральная характеристика дневного света близка к видимой спектральной характеристике излучателя черного тела при температуре 6500 К [87]. Основным ограничением ламп накаливания является их эффективность. Большая часть электромагнитного излучения, испускаемого излучателем черного тела, выходит за пределы видимого диапазона.

Основным преимуществом ламп накаливания перед другими технологиями является их простота.По этой причине лампы накаливания были одними из первых разработанных ламп. Хамфри Дэви продемонстрировал, что излучение абсолютно черного тела можно использовать для получения видимого света в 1802 г., а практические лампы накаливания появились в 1850-х гг. [88]. Для разработки этих практичных ламп накаливания необходимо было разработать технологию вакуумной откачки, а также технологию очистки металла, используемого для изготовления ламп накаливания [88].

В чем-то лампа накаливания похожа на антенну. В обоих случаях вход принимает форму электричества, и эта электрическая энергия преобразуется в электромагнитную энергию, проходя через проводящий провод. В антенне вход изменяется во времени для кодирования информации, а выход — на радио- или микроволновых частотах. Однако в лампе накаливания вход обычно переменного тока и не содержит информации. Желаемый выход лампы накаливания — видимый свет, но она также производит тепло и электромагнитное излучение на инфракрасных частотах и ​​на других невидимых частотах. Кроме того, антенны обычно предназначены для работы на длине волны, близкой к длине антенны, и такие антенны могут создавать волны с определенной электромагнитной поляризацией и диаграммами направленности.Однако спонтанное излучение ламп накаливания обязательно неполяризованное и некогерентное.

Газоразрядные лампы

Газовый разряд возникает при образовании проводящего пути через плазму, ионизированный газ [89]. Газоразрядные устройства преобразуют электричество в свет за счет самопроизвольного излучения, когда формируется этот тип проводящего пути. В 1802 г., помимо демонстрации излучения абсолютно черного тела и выдвижения идеи топливного элемента, Гемфри Дэви продемонстрировал газоразрядное устройство [3, с. 222] [88]. Примерно в это же время В. Петров продемонстрировал газовый разряд [88]. Одна из первых практичных газоразрядных ламп, угольная дуговая лампа, была построена Леоном Фуко в 1850 г. и использовалась для театрального освещения [88]. Разработка газоразрядных ламп потребовала возможности очистки газов в дополнение к развитию технологии вакуумной откачки [88]. Примеры используемых сегодня газоразрядных устройств включают натриевые лампы, ртутные дуговые лампы, люминесцентные лампы и неоновые рекламные вывески [89].5 Па\) для разных ламп [87, с. 206]. Типичное расстояние между электродами составляет порядка сантиметров [87]. Расстояние между электродами некоторых неоновых ламп составляет 1 мм, в то время как у многих люминесцентных ламп расстояние между электродами превышает 1 метр. На электроды подается напряжение от сотен до миллионов вольт [89]. Трансформаторы используются для достижения этих высоких уровней напряжения. Напряжение между электродами ионизирует газ внутри трубки и обеспечивает поступление свободных электронов, которые перемещаются по проводящему пути между электродами [89]. Газ может быть ионизирован и обеспечен электронами другими методами, такими как химические реакции, статическое электрическое поле или оптическое поле [87, гл. 5]. Электроны также могут поступать в газ за счет термоэлектронной эмиссии, выпаривая электроны с катода.

Оптические свойства лампы определяются газом внутри трубки. Энергия, подаваемая электрическим полем через электроды или другими способами, возбуждает электроны атомов газа до более высоких энергетических уровней. Спонтанное излучение происходит только между различными разрешенными уровнями энергии, поэтому излучение происходит в относительно узких диапазонах длин волн.Газы выбираются так, чтобы в них были разрешены переходы энергетических уровней в желаемом диапазоне длин волн. Типичные используемые газы включают гелий, неон, натрий и ртуть [87, с. 514].

Газоразрядные лампы классифицируются либо как устройства тлеющего разряда, либо как устройства дугового разряда. На рисунке \(\PageIndex{1}\) показан пример графика зависимости тока между электродами от напряжения. Как видно из рисунка, вольт-амперная характеристика газоразрядной трубки достаточно нелинейна. Однако его можно разбить на три основные области, обозначенные как темная область, область свечения и область дуги.Области отличаются изменением наклона ВАХ. Этот рисунок используется с разрешения [89], в которой содержится более подробная информация о физике газовых разрядов.

Темная область работы соответствует низким токам и напряжениям, и говорят, что устройства, работающие в этой области, имеют темновой разряд или разряд Таунсенда. Оптическое излучение устройств, работающих в этой области, не является самоподдерживающимся. Хотя атомы газа могут ионизироваться и сталкиваться с другими атомами, цепной реакции ионизации не происходит.Переход между темным и тлеющим разрядом называется искровым [87, с. 160]. На рис. \(\PageIndex{1}\) VS — напряжение зажигания. Вторая область, соответствующая более высоким токам, называется областью свечения, и эта область называется самоподдерживающейся, потому что ионы сталкиваются и ионизируют дополнительные атомы газа, образуя больше свободных электронов в лавинном процессе. Значительное спонтанное излучение происходит в области тлеющего разряда [87] [89]. Третья область, соответствующая еще более высокому току, называется областью дуги.Дуговые разряды также являются самоподдерживающимися [87, с. 290], и возникает спонтанное излучение. После установления дугового разряда для его поддержания требуются относительно низкие напряжения по сравнению с напряжениями, необходимыми для поддержания тлеющего разряда.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Пример вольт-амперной характеристики газоразрядной лампы. Рисунок использован с разрешения [89].

Люминесцентные лампы относятся к типу газоразрядных устройств, в которых используются химические вещества с заданными оптическими свойствами, называемые люминофорами [87, с.542]. Напряжение газа и электрода, используемое в люминесцентных лампах, выбирают таким образом, чтобы создаваемое спонтанное излучение имело ультрафиолетовые частоты. Эти УФ-фотоны могут создаваться дуговым или тлеющим разрядом. Образующиеся УФ-фотоны поглощаются молекулами люминофора, а молекулы люминофора излучают свет на более низких частотах. Примеры используемых люминофоров включают силикат цинка, вольфрамат кальция и сульфид цинка [87, с. 542].

Светодиоды

Светодиоды

— это устройства, преобразующие электричество в свет за счет спонтанного излучения.Они сделаны из p-n переходов в полупроводниках. Pn-переходы обсуждались в разделе 6.5. Когда к pn-переходу прикладывается прямое смещение, в него инжектируются электроны и дырки. Энергия источника питания переводит электроны из валентной зоны в зоны проводимости. Эти возбужденные электроны могут проходить через материал гораздо легче, чем невозбужденные электроны. Некоторые электроны и дырки вблизи перехода объединяются и при этом спонтанно излучают фотоны. Некоторые светодиоды имеют тонкий собственный нелегированный слой между слоями p-типа и n-типа на стыке для повышения эффективности.

Светодиоды

излучают свет в относительно узком диапазоне частот. Частота излучаемого света определяется энергетической щелью полупроводника. Полупроводники используются потому, что энергетическая щель полупроводников соответствует энергии ближнего ультрафиолетового, видимого или инфракрасного фотонов. В то время как свет, излучаемый светодиодом, имеет узкий диапазон частот, лазеры излучают свет с гораздо более узким диапазоном частот. Светодиоды излучают свет в узком диапазоне частот, но для таких приложений, как освещение жилых помещений, требуется белый свет с более широкой полосой пропускания.Одна из стратегий, используемых для получения белого света от светодиода, заключается в использовании люминофоров. В таком устройстве светодиод преобразует электричество в ближний ультрафиолетовый или синий свет. Люминофоры поглощают синий свет и излучают свет с более низкими энергиями, с длинами волн в видимом диапазоне. По этой причине синие светодиоды были особенно важны для генерации белого света. С момента изобретения красных светодиодов в 1960-х годах до разработки надежных синих светодиодов в 1980-х и 1990-х годах прошли десятилетия. В 2014 году Исаму Акасаки, Хироши Амано и Сюдзи Накамура были удостоены Нобелевской премии по физике за разработку синих светодиодов.Эти усилия потребовали разработки технологии осаждения новых материалов, таких как нитрид галлия, а также возможности наносить эти материалы очень чистыми слоями без механического напряжения, разрывающего материалы [90].

Родственное устройство, излучающее свет за счет спонтанного излучения, представляет собой органический светоизлучающий диод, OLED. В OLED напряжение возбуждает электроны в тонком слое органического материала толщиной 100-200 нм, а тип используемого органического материала определяет длину волны излучаемого света [91].Некоторые плоские дисплеи сделаны из массивов OLED. Белый свет в этих дисплеях достигается за счет комбинации красных, зеленых и синих OLED-дисплеев, расположенных рядом друг с другом [91].

Светодиоды

— это небольшие устройства, которые часто умещаются в кубический миллиметр. По этой причине их легче интегрировать в электронику, чем такие устройства, как лампы накаливания и газоразрядные лампы, для которых требуются вакуумные трубки. Для работы светодиодов требуется электричество низкого напряжения. Поскольку им требуется небольшое количество входной электрической мощности, они производят небольшое количество выходной оптической мощности.Лампы накаливания и газоразрядные лампы имеют преимущества в приложениях большой мощности, но в этих приложениях также можно использовать массивы светодиодов. Еще одним преимуществом светодиодов является то, что они имеют более длительный срок службы. В газоразрядных лампах электроды разбрызгиваются, откладывая материал на поверхность трубки, что ограничивает срок службы устройства.

Электрическая история: Освещение перед лампой накаливания

Еще в середине 1800-х спичка произвела революцию в использовании искусственного света.В то время в домах и на предприятиях масляные лампы были преобладающим источником света после захода солнца, но зажечь их было непросто, пока на сцену не прибыла спичка.

Перед совпадают, однако был предпринят ряд творческих попыток создать портативный и многоразовая зажигалка.

Платиновая губчатая зажигалка, ок. 1830 г.

Один такой Попыткой была зажигалка из платиновой губки, на которой был подвешен небольшой кусочек платина похожа на стальную вату в стеклянном корпусе.Когда газообразный водород был попадание в контейнер, платина самопроизвольно воспламенится, воспламенение водорода и создание небольшой струи пламени. Это пламя было тогда переносили в небольшую спиртовку и гасили водородный огонь. После этого спиртовку можно было нести по всему зданию, чтобы зажечь масло. лампы. Конечно, как вы могли догадаться, устройства могут быть немного привередливый. Неправильно смешайте смесь водорода и воздуха, и… бум. Может поэтому это так трудно найти образцы старых водородных ламп в наши дни.

Пока широкое распространение серных спичек сделало такие лампы-осветительные приборы устарело, набирало обороты другое изобретение, целью которого было поставить масляную лампу сам не при делах.

Углерод Дуговая лампа была изобретена в начале 1800-х годов британским химиком Хамфри Дэви. изобретатель. Устройство работало, посылая электрический ток через два углеродных электроды разделены воздушным зазором. Тепло испарило углерод на кончиках электродов, излучающих яркий свет.Со временем угольные электроды сгорит, что потребует регулировки устройства для поддержания надлежащего зазор.

В конце концов (начиная с 1870-х годов и продолжаясь в течение нескольких десятилетий после этого), дуга лампа будет широко использоваться для освещения улиц и больших зданий. Но получение потребовалось бы преодоление некоторых ограничений устройства.

Дуговая электрическая лампа Serrin производства Breguet, ок. 1857

К середине века многие люди оснастили дуговые лампы электромагнитными регуляторы, которые поддерживали бы дугу при сгорании угольных электродов.Однако для того, чтобы зажечь дугу, к угольным стержням все же нужно было прикоснуться. ненадолго вместе, а затем расстались. Механизмы для автоматизации этого процесса не существуют, поэтому это нужно было сделать вручную. Это было большой проблемой, особенно когда лампы находились в труднодоступных местах или когда они погасли после началось.

француз Виктор Серрин разработал первую самозапускающуюся и саморегулирующуюся дуговую лампу в 1850-е годы. Единственный известный образец этого устройства, построенный в 1857 году великим Французский производитель инструментов Луи Клеман Франсуа Бреге находится в SPARK. Музей.

Серрин популярный дизайн был принят в качестве основного выбора для французских маяков, где он служил много лет.

К тому времени Томас Эдисон начал серьезно работать над своими конструкциями ламп накаливания. лампочка в конце 1870-х годов, дуговое освещение прочно закрепилось на рынке (во многом благодаря изобретению динамо-машины, которая является темой для другой день). Лампа накаливания придет на смену дуговому освещению, конечно, но это история для другого дня.Эту историю лучше всего рассказал один из Удивительные доценты SPARK, пока вы смотрите на самую редкую из всех ламп Эдисона — один, показанный на демонстрации Эдисона в Менло-Парке в канун Нового года в 1879 году — в Музее электрических изобретений SPARK в Беллингеме.

Лампочка Эдисона | Институт Франклина

К январю 1879 года в своей лаборатории в Менло-Парке, штат Нью-Джерси, Эдисон построил свою первую электрическую лампу накаливания с высоким сопротивлением. Он работал, пропуская электричество через тонкую платиновую нить в стеклянной вакуумной колбе, которая задерживала плавление нити.Тем не менее, лампа горела всего несколько коротких часов. Чтобы улучшить лампочку, Эдисону потребовалось все упорство, которому он научился много лет назад в своей подвальной лаборатории. Он протестировал тысячи и тысячи других материалов для нити накала. Он даже подумывал об использовании вольфрама, из которого сейчас делают нити накала ламп, но он не мог работать с ним, учитывая доступные в то время инструменты.

Однажды Эдисон сидел в своей лаборатории и рассеянно перекатывал между пальцами кусок сжатого углерода.Он начал карбонизировать материалы, которые будут использоваться для нити. Он проверил карбонизированные нити всех мыслимых растений, включая лавровое дерево, самшит, гикори, кедр, лен и бамбук. Он даже связывался с биологами, которые присылали ему растительные волокна из мест в тропиках. Эдисон признал, что работа была утомительной и требовательной, особенно к его работникам, помогавшим в проведении экспериментов. Он всегда осознавал важность тяжелой работы и решимости.

«Прежде чем я добился успеха, — вспоминал он, — я проверил не менее 6000 растений и перерыл весь мир в поисках наиболее подходящего материала для нити.

«Электрический свет заставил меня очень много заниматься и потребовал самых сложных экспериментов, — писал он. Я не могу сказать то же самое обо всех своих коллегах».

«Гений — это один процент вдохновения и девяносто девять процентов пота». , он начал излучать мягкое оранжевое свечение.Примерно через пятнадцать часов нить накала наконец сгорела. Дальнейшие эксперименты позволили получить нити, которые могли гореть все дольше и дольше с каждым испытанием. Патент № 223 898 был выдан Эдисону на электрическую лампу.

Лампа Эдисона с нашего чердака датирована 27 января 1880 года. Это результат постоянных улучшений, которые Эдисон внес в лампу 1879 года. Несмотря на то, что ей более ста лет, эта лампочка очень похожа на лампочки, которые сейчас освещают ваш дом. Цоколь или патрон этой лампы 19 века аналогичен тем, которые используются до сих пор.Это была одна из самых важных особенностей лампы Эдисона и электрической системы. Этикетка на этой лампе гласит: «Лампа Эдисона нового типа. Запатентовано 27 января 1880 г. ДРУГИЕ ПАТЕНТЫ ЭДИСОНА».

В начале 1880-х годов Эдисон спланировал и руководил строительством первой коммерческой центральной электростанции в Нью-Йорке. В 1884 году Эдисон начал строительство новой лаборатории в Вест-Ориндже, штат Нью-Джерси, где он жил и работал до конца своей жизни. Объект West Orange теперь является частью Национального исторического памятника Эдисона, находящегося в ведении Службы национальных парков.

Перед смертью в 1931 году Эдисон запатентовал 1093 своих изобретения. Чудеса его ума включают микрофон, телефонную трубку, универсальный биржевой тикер, фонограф, кинетоскоп (используемый для просмотра движущихся изображений), аккумуляторную батарею, электрическую ручку и мимеограф. Эдисон также улучшил многие другие существующие устройства. Благодаря открытию, сделанному одним из его коллег, он запатентовал эффект Эдисона (теперь называемый термоэмиссионным диодом), который является основой для всех электронных ламп. Эдисона навсегда запомнят за его вклад в создание лампы накаливания.Несмотря на то, что Эдисон не придумал первую в мире лампочку, а технологии продолжают меняться каждый день, работа Эдисона с лампочками стала блестящей искрой на временной шкале изобретения. В самом начале своих экспериментов с лампой накаливания в 1879 году он сказал:

«Мы бьем ее большим электрическим светом, лучше, чем мое живое воображение сначала представило. Где эта штука остановится, одному Богу известно. »

Примечание. Объект, изображенный выше, является частью охраняемой коллекции объектов Института Франклина.Изображения © Институт Франклина. Все права защищены.

Они действительно имеют значение?

Если вы недавно оказались на рынке новых лампочек, вы, вероятно, столкнулись с тем, что кажется бесконечным выбором. Недавние инновации принесли нам всевозможные новые световые технологии. От лампочек, предназначенных реагировать на звуковые волны (да), до тех, что предназначены для борьбы со смертельными бактериями (серьезно, это реальная вещь), то, что раньше было простым источником света, продолжает развиваться.

Но когда вам просто нужна новая лампочка для прикроватной лампы, как понять, что вы принимаете правильное решение? Какие лампочки предназначены для защиты окружающей среды и помогают нам сократить счета за электроэнергию?

Ниже мы ответим на эти и другие часто задаваемые вопросы о лампочках.

Дело в том, что светодиодные лампы потребляют на 75% меньше энергии, чем лампы накаливания.

Каковы мои варианты, когда дело доходит до лампочек?

Одним словом: много! Но вот три самых популярных:

• Лампы накаливания — это старомодные, «типичные» лампочки, на которых выросли многие из нас.Они не очень энергосберегающие, и они не длятся долго.
• Компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) — это «спиральные» лампы, которые могут прийти на ум, когда мы думаем об энергосберегающих лампах.
• Светодиоды. Светодиодные лампы очень энергоэффективны, но при этом сохраняют внешний вид лампы накаливания.

Лампы накаливания, компактные люминесцентные лампы и светодиоды потребляют разное количество энергии. Но мы действительно думаем, что вам следует обратить внимание на светодиодные лампы.

Что такое светодиодные лампы?

Технически светодиодные лампы не являются лампами накаливания — светодиод означает «светоизлучающий диод».«Это крошечные полупроводники (диоды), завернутые в пластик, чтобы защитить элементы и сфокусировать свет. Согласно Dictionary.com, диод — это «полупроводниковое устройство с двумя выводами, обычно пропускающее ток только в одном направлении». Ток входит в анод (+) и вытекает из катода (-). У светодиодов даже нет проволочных нитей накала, как у лампочки.

Чем светодиод отличается от лампы накаливания?

Когда мы говорим об «обычной лампочке», мы имеем в виду лампу накаливания, которая существует с тех пор, как Томас Эдисон запатентовал свое изобретение в 1879 году.Эти лампы имеют нити, которые светятся, производя тепло и свет, когда энергия течет через них. Светодиоды, с другой стороны, имеют электроны, которые создают фотоны — свет, который мы можем видеть. Фотоны практически не выделяют тепла. Светодиоды также требуют гораздо меньше энергии для создания такой же яркости, как лампы накаливания, и служат гораздо дольше.

Экономят ли светодиоды энергию?

Светодиоды потребляют намного меньше энергии, чем лампы накаливания, потому что диодный свет гораздо более эффективен с точки зрения мощности, чем свет накаливания.

Светодиодные лампы потребляют на 75 % меньше энергии, чем лампы накаливания. При низких уровнях мощности разница еще больше. Яркие светодиодные прожекторы потребляют всего от 11 до 12 Вт, создавая световой поток, сравнимый с 50-ваттной лампой накаливания.

Еще одним преимуществом светодиодов является «фактор хлопот». Светодиоды служат намного дольше, чем обычная лампочка.

Как насчет ламп CFL?

Лампы компактных люминесцентных ламп также более эффективны, чем лампы накаливания, благодаря тому, как они излучают свет.Согласно Energy Star, «в КЛЛ электрический ток проходит через трубку, содержащую аргон и небольшое количество паров ртути. Это генерирует невидимый ультрафиолетовый свет, который возбуждает флуоресцентное покрытие (называемое люминофором) внутри трубки, которое затем излучает видимый свет».

Возможно, вы знаете, что КЛЛ — это лампочки, которые сначала тусклые и требуют времени, чтобы прогреться до полной яркости. Однако, как только электричество начинает двигаться внутри них, эти лампы потребляют примерно на 70% меньше энергии, чем лампы накаливания.Поэтому они не так эффективны, как светодиоды, и имеют более короткий срок службы.

Получите 8 бесплатных светодиодных ламп, чистую энергию и ежемесячную экономию

Проверьте наличие

Но разве светодиоды не стоят дороже?

Первоначальная стоимость светодиода примерно вдвое превышала стоимость лампы накаливания. Но цены снижаются, и теперь трудно найти лампы, в которых не являются светодиодами . Это потому, что они намного эффективнее ламп накаливания, что экономит деньги в долгосрочной перспективе.Это сделало их незаменимым продуктом для светотехнической промышленности.

В среднем американском доме около 40 лампочек. Замена всех их на светодиоды может привести к экономии 300 долларов в год на затратах на электроэнергию (если это лампы накаливания — если у вас есть компактные люминесцентные лампы, вы можете подождать, пока они перегорят, чтобы заменить их на светодиоды). Это более чем компенсирует немного более высокую начальную стоимость светодиодов.

Различаются ли лампочки как по качеству, так и по стоимости?

Первоначально многие люди предпочитали компактные люминесцентные лампы светодиодам, потому что они излучают более широкий пучок света, что делало их лучше в торшерах.Но светодиодные технологии постоянно совершенствуются, и теперь светодиоды излучают более широкий и теплый свет.

Что делает светодиоды и лампы компактных люминесцентных ламп намного более эффективными, чем лампы накаливания, так это то, сколько энергии они используют для создания определенного количества света. Когда мы говорим о мощности, нет двух одинаковых лампочек. В то время как 1000-ваттная лампа любого типа будет потреблять одинаковое количество энергии, она будет излучать совершенно другой уровень света с этой энергией. Вот почему так важно смотреть на яркость или люмен при сравнении ламп.

Люмен — это единица измерения света. Если светодиоды, компактные люминесцентные лампы и лампы накаливания имеют одинаковый световой поток, они имеют одинаковую яркость. Вы можете найти люмены, указанные на упаковке лампочки. Для наиболее эффективного освещения найдите желаемый световой поток (чем больше, тем ярче) и выберите лампочку с наименьшей мощностью. Светодиоды, вероятно, выиграют во всех случаях.

Еще одним преимуществом светодиодов является «фактор хлопот». Светодиоды служат намного дольше, чем обычная лампочка, а это означает, что вам не нужно искать ящик, в котором вы спрятали лампочки, не говоря уже о деньгах на новые лампочки.Производители говорят, что срок службы светодиода составляет примерно 10 лет или 100 000 часов непрерывного использования.

Можно ли сэкономить, используя светодиоды?

Большинство людей теперь понимают, что светодиоды экономят энергию, но все же могут не решиться платить за светодиоды более высокую цену. Но оно того стоит.

Давайте проведем простой расчет, чтобы сравнить эффективность и экономию от разных лампочек. Мы предположим, что у нас есть 100-ваттная лампа накаливания, просто для упрощения расчетов, и что кВтч энергии стоит 15 центов.

• Лампа накаливания: 100-ваттная лампа накаливания, работающая в течение всего года, потребляет 876 кВтч энергии, что обойдется в 131,40 доллара США в виде затрат на электроэнергию. Имейте в виду, что вам также потребуется заменить лампочку, вероятно, примерно раз в месяц.
• КЛЛ-лампа: 25-ваттная КЛЛ-лампа по яркости соответствует 100-ваттной лампе накаливания, но потребляет всего 216 кВтч энергии в течение года. Это составляет 32,40 доллара за электроэнергию, и вам, вероятно, нужно будет заменить лампочку только дважды.
• Светодиод: достаточно 16-ваттной лампы, чтобы излучать столько же света, сколько 100-ваттной лампы накаливания, и потреблять всего 140 кВтч энергии в течение года. Стоимость электроэнергии составит всего 21 доллар. Да, и одного светодиода хватит на весь год.

Цифры у всех будут немного различаться в зависимости от стоимости электроэнергии в их сообществе, но ознакомьтесь с этими диаграммами от Viribright и Eartheasy для более реальных сравнений. Тогда начните менять лампочки на светодиоды! Они делают имеют значение.

Если я заменю свои лампочки на светодиоды, что мне делать со старыми лампочками?

Не выбрасывайте! Вы всегда должны перерабатывать лампы, отчасти из соображений безопасности — лампы компактных люминесцентных ламп содержат пары ртути, которые могут быть выброшены в атмосферу и ливневые стоки, если лампа сломается на свалке, — а отчасти из соображений эффективности. Части лампы можно использовать повторно. Аккуратно соберите лампочки и отнесите их в местный центр утилизации опасных отходов.

Светодиоды не содержат ртути, поэтому по закону их можно выбрасывать в мусор, но все же лучше их переработать.