Когда появилась первая лампа накаливания?

В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью). В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания. В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу – обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой. В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому, что лампа Суона работала недолго и неэффективно.

Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.

В 1875 году В. Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, осуществив откачку воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из них следующий включался автоматически).

Английский изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни, его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

Первые лампы накаливания.

В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом).

С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна). В 1904 году венгры д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric.

В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в производство наполнение колбы ламп инертными, точнее тяжёлыми благородными, газами (в частности, аргоном), что существенно увеличило время их работы и повысило светоотдачу.

КПД и долговечность

Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла.

Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.

Схема включения лампы накаливания.

С возрастанием температуры КПД лампы накаливания увеличивается, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов, при увеличении напряжения на 20 % яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.

Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность. Так, понижение напряжения в два раза (при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.

Так как стоимость потребленной лампой накаливания за время службы электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.

Примеры ламп накаливания.

Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно, используя разного рода устройства плавного запуска.

Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.

Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

Виды ламп и световая эффективность.

Низковольтные лампы накаливания при той же мощности имеют больший ресурс и светоотдачу благодаря большему сечению тела накаливания. Поэтому в многоламповых светильниках (люстрах) целесообразно применение последовательного включения ламп на меньшее напряжение вместо параллельного включения ламп на напряжение сети. Например, вместо параллельно включенных шести ламп 220В 60Вт применить шесть последовательно включенных ламп 36 В 60Вт, то есть заменить шесть тонких спиралей одной толстой.

Разновидности ламп

Схема устройства для продления срока службы ламп накаливания.

Лампы накаливания делятся на (расположены по порядку возрастания эффективности):

• вакуумные (самые простые);
• аргоновые (азот-аргоновые);
• криптоновые (примерно +10% яркости от аргоновых);
• ксеноновые (в 2 раза ярче аргоновых);
• галогенные (наполнитель I или Br, в 2,5 раза ярче аргоновых, большой срок службы, не любят недокала, так как не работает галогенный цикл);
• галогенные с двумя колбами (более эффективный галогенный цикл за счет лучшего нагрева внутренней колбы);
• ксенон-галогенные (наполнитель Xe + I или Br, наиболее эффективный наполнитель, до 3х раз ярче аргоновых);
• ксенон-галогенные с отражателем ИК излучения (так как большая часть излучения лампы приходится на ИК диапазон, то отражение ИК излучения внутрь лампы заметно повышает КПД, производятся для охотничьих фонарей);
• накаливания с покрытием, преобразующим ИК излучение в видимый диапазон. Ведутся разработки ламп с высокотемпературным люминофором, который при нагреве излучает видимый спектр.