Лекция № 4. Электрические вольфрамовые лампы накаливания

Содержание лекции:

- основные этапы развития ЛН;

- устройство ЛН;

- галогенные лампы накаливания.

Цели лекции:

- знакомство с лампами накаливания и их основными параметрами.

4.1 Основные этапы развития ЛН. Опыты по получению света путем накаливания проводников током начались вскоре после открытия в 1800 г. теплового действия электрического тока. Многочисленные работы в этой области многие годы не давали удовлетворительных результатов. Лишь в 1873 г. успех сопутствовал русскому изобретателю А. Н. Лодыгину (1847 - 1923), который предложил источник света, в принципе схожий с современной лампой накаливания. Угольный стержень в стеклянном баллоне, из которого кислород удалялся за счет сгорания части угля при прохождении через него тока, благодаря чему оставшаяся часть угля работала относительно долго, излучая свет. В 1879 г. американский изобретатель Т. А. Эдисон (1847 - 1931) на основе принципиальных идей, заложенных в лампе Лодыгина, создал лампу серийного производства, применив для тела накала угольную нить, полученную обугливанием длинных и тонких бамбуковых волокон. Кроме того, он ввел откачку воздуха из баллона. В 1913 г. американский физик И. Ленгмюр предложил наполнять ЛН нейтральным газом и применять спирализованное тело накала вместо нитевидного. Эти меры позволили уменьшить высокотемпературное распыление вольфрамовой проволоки и за счет этого увеличить срок службы лампы. Крупным событием, открывшим новую страницу в развитии тепловых источников света, явилось создание в 1959 г. галогенных ЛН в кварцевой колбе (ГЛН), получивших в настоящее время широкое распространение.

4.2 Устройство ЛН показано на рисунке 4.1. Главной частью является тело накала 1. Оно может представлять собой нить, спираль, биспираль, триспираль, иметь разнообразные размеры и форму. Тело накала изготавливается из вольфрамовой проволоки, имеющей высокую температуру плавления (3650±50 К) и малую скорость испарения 9.9-10^-3 г/(м²с) при 3000 К, он формоустойчив при высокой рабочей температуре и устойчив к механическим нагрузкам; обладает высокой пластичностью в горячем состоянии, что позволяет получать из него нити весьма малых диаметров путем протяжки проволоки через калиброванные отверстия; гонкие проволоки хорошо спирализуются.

Тело накала 1 фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев токовых вводов (электродов) 2 и держателей 3. В зависимости от типа ламп вводы могут быть одно-, двух- и трехзвенными. Трех-звенные вводы состоят из внутреннего звена, изготовленного из никеля, ферроникеля, меди или платинита - в зависимости от вида ламп, среднего звена, впаиваемого в стекло (большей частью из платинита) 4 и внешнего звена (вывода) 5, обычно медного или платинового.

Вводы и держатели являются частью так называемой ножки. Это стеклянный конструктивный узел лампы, который, кроме вводов и держателей, включает в себя стеклянный цельный или пустотелый штабик 6 с линзой 7, стеклянный пустотелый штенгель 8 и стеклянную трубку-тарелку 9, развернутую в нижней части (развертка 10), соединенные в единую конструкцию расплавлением и заштамповкой стеклянных элементов в зоне лопатки 11. Ножка служит опорой для тела накала лампы и вместе с колбой 12 обеспечивает герметизацию лампы.

Для обеспечения нормальной работы ножку с телом накала помещают в стеклянную колбу 12; горло колбы 1 3 герметично спаивают с разверткой тарелки; через штенгель и откачное отверстие 14 из пространства внутри колбы откачивают воздух (в случае газополной лампы затем вводят инертный газ); на конец запаивают штенгель, обеспечивая полную герметичную изоляцию внутреннего пространства лампы от окружающей среды.

Для удобства эксплуатации на горле лампы 15 с помощью цоколевочной мастики укрепляют цоколь, к корпусу 16 и контактной пластине 17 которого припаивают или приваривают выводы электродов.

Приведенные на рисунке 4.1 узлы и детали имеют все ЛН, но в некоторых типах ЛН отдельные узлы и детали упрощены или отсутствуют. Однако главные функции отдельных узлов и деталей для всех электрических ЛН остаются неизменными.

Классификация ЛН чаще всего производится по двум признакам: по назначению и по конструкции (технологии изготовления). Все ЛН разделяют обычно на лампы общего назначения и лампы специального назначения. В основе классификации по конструкции лежит принцип группировки ламп, которые можно изготавливать на однотипном технологическом оборудовании. Это, прежде всего, определяется размером и формой колб, от которых зависят размер и конструкция ножек, тела накала, вводов, тип цоколя, а значит, и характер соответствующего технологического оборудования.

Лампы накаливания могут классифицироваться и по другим признакам, например, по напряжению, мощности, по характеру среды, окружающей тело накала (вакуумные, газополные, т.е. аргоновые, криптоновые, ксеноновые с разным содержанием азота, галогенные - с добавкой к наполняющему газу определенной доли галогенов).

Спектральные и цветовые параметры. ЛН имеют сплошной (непрерывный) спектр излучения. Из-за относительно невысоких рабочих температур тела накала (2400 - 2600 К, при этом Т_цв» 2500¸2700 К) в видимом излучении ЛН преобладают оранжево - красные лучи. Поэтому при освещении такими лампами усиливаются «теплые» цветовые тона и ослабляются «холодные», что не позволяет обеспечить высокое качество цветопередачи.

Геометрические и конструктивные параметры - это габаритные размеры (полная длина лампы l, диаметр колбы d_K); присоединительные размеры, определяемые выбранными цоколем и патроном; высота светового центра h; форма и расположение тела накала; конструкция ножки; форма колбы; тип цоколя.

4.3 Галогенные лампы накаливания. Принцип действия ГЛН заключается в образовании на стенке колбы летучих соединений - галогенидов вольфрама, которые испаряются со стенки, разлагаются на теле накала и возвращают ему, таким образом, испарившиеся атомы вольфрама.

Галогенные ЛН по сравнению с обычными лампами имеют более стабильный по времени световой поток и, следовательно, повышенный полезный срок службы, а также значительно меньшие размеры, более высокие термостойкость и механическую прочность благодаря применению кварцевой колбы. Малые размеры и прочная оболочка позволяют наполнять лампы до высоких давлений дорогостоящим ксеноном и получать на этой основе более высокую яркость и повышенную световую отдачу (либо увеличенный физический срок службы).

Галогенная добавка в ЛН с вольфрамовым телом накала вызывает замкнутый химический цикл. Пример такого цикла показан схематично на рисунке 4.2 на примере йода. Для йодно-вольфрамового цикла требуются следующие условия:

а) температура внутренней стенки колбы повсюду должна быть не ниже 250 и не выше 1200 °С; наиболее предпочтительна температура 500 – 600 °С, поэтому колбу изготавливают из кварца и придают ей необходимую форму для обеспечения лучшей равномерности температуры;

б) минимальная температура тела накала должна быть выше 1600°С;

в) йод не должен образовывать на стенке лампы какие-либо другие химические соединения, кроме WI₂, поэтому в галогенной лампе недопустимо применение никеля и молибдена, алюминиевого, циркониевого и фосфорного газопоглотителей, с которыми йод активно взаимодействует;

г) количество йода дозировано; излишек йода для компенсации потерь не допускается, так как пары йода заметно поглощают видимое излучение, особенно в области 500 - 520 нм.

Йодно-вольфрамовый цикл препятствует осаждению вольфрама на колбе, но не обеспечивает возвращения его частиц в дефектные участки тела накала. Поэтому механизм перегорания тела накала в йодных лампах остается таким же, как и в обычных ЛН. Применение йода в ГЛН выявило некоторые его недостатки: агрессивность по отношению к металлическим деталям, трудность дозировки, некоторое поглощение излучения в желто-зеленой области. Другие галогены (бром, хлор, фтор), будучи более агрессивными, в чистом виде не могли его заменить. В настоящее время в подавляющем большинстве ГЛН применяют химические соединения галогенов.

Устройство ГЛН показано на рисунке 4.3. Колба лампы - длинная узкая кварцевая трубка 1; тело накала - прямолинейная вольфрамовая спираль 2, закрепленная на вольфрамовых держателях 3 по оси колбы. Расположенные по обоим концам трубки вольфрамовые вводы 4 соединены с выводами 5 впаянной в кварц молибденовой фольгой 6. Место отпая штенгеля 7 расположено на боковой стенке колбы. Диаметр трубки-колбы, и расположение тела накала в ней выбираются так, чтобы при горении ГЛН температура стенки была равна 500 – 600 °С, не менее 250 и не более 1000°С.

Рисунок 4.3 - Трубчатая лампа накаливания с йодно-вольфрамовым циклом

Тело накала ГЛН изготавливается из специальных марок вольфрамовой проволоки, преимущественно в виде спирали, которой в лампе с помощью электродов и держателей придается необходимая форма.

Основные типы ГЛН. Галогенные лампы применяются для светильников общего освещения и прожекторов; инфракрасного облучения; кинофотосъемочного и телевизионного освещения; автомобильных фар; аэродромных огней; оптических приборов; специальных применений. По конструктивным признакам ГЛН делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала при соотношении длины ГЛН к диаметру более 10 - линейные или трубчатые лампы; с компактным телом накала при отношении длины ГЛН к диаметру менее 8 - эти ГЛН подразделяются, в свою очередь, на мощные и малогабаритные, в которых электроды размещены обычно с одной стороны.

Лампы для светильников и прожекторов выпускаются преимущественно на 220 В мощностью от 1 до 20 кВт; световая отдача 22÷26 лм/Вт; срок службы 2000 ч; лампы трубчатые; положение горения горизонтальное.

Лампы для инфракрасного облучения выпускаются на напряжения 127÷380 В мощностью 0,5÷5 кВт; срок службы повышенный (2500÷5000 ч), так как тела накала этих ламп работают при низких температурах 2400÷2700 К; лампы трубчатые; положение горения горизонтальное.

Малогабаритные лампы разного назначения выпускаются на напряжения до 30 В мощностью 15÷650 Вт; лампы имеют компактную форму тела накала. Поскольку от большинства этих ламп требуется высокая яркость, они выпускаются с температурой тела накала 3000÷3200 К, и имеют срок службы несколько десятков или сотен часов; положение горения любое.

Дата добавления: 2014-01-05