История изобретения
По мере широкого внедрения электричества в различные отрасли хозяйства и быт, начали появляться первые осветительные устройства. Электрическая лампочка – это великое достижение человечества. В 18 веке появились 2 типа ламп: дуговая и с нитью накала. Первые осветительные элементы появились раньше, они работали за счет явления дугового разряда. Оно выражается в появлении электрического разряда между двумя слегка разведенными проводниками (металлические или из угля). Это явление исследовал ученый В. Петров, а чуть позже – английский физик Деви.
Однако дуговое устройство было способно светить максимум 5 минут, именно поэтому его не использовали на практике. Лампочка была оснащена большим количеством электродов между двумя стержнями, которые приходилось часто двигать друг к другу, так как они быстро выгорали. Кроме того, изделие периодически излучало мерцание.
В 1844 году Фуко изобрел конструкцию с проводниками из твердого кокса. Такую лампочку начали применять для освещения улиц. Однако высокомощная батарея требовала больших материальных затрат, поэтому ее применение был кратковременным. Чуть позже было создано устройство с часовым механизмом, которое автоматически приближает электроды через определенное время по мере их сгорания. Однако и такие лампы не нашли широкого применения, в это время ученые занимались изобретением более привлекательного источника света.
Далеко не все люди знают, кто на самом деле изобрел действующую электрическую лампочку. Большинство из них присваивает звание изобретателя Томасу Эдисону, однако над созданием осветительного элемента трудилось много ученых (в том числе русских).
Изобретатели из разных стран проводили эксперименты, во время которых нити накаливания помещались в разные типы среды. Они стремились создать лампочку, которую можно было использовать для освещения жилых помещений. Для этого исследовался эффект накаливания разных материалов, по ним пускали ток, они разогревались и давали свечение
Изобретателям важно было не позволить проводникам перегреваться, плавиться или гореть, а также найти баланс между нитью накала и средой, в которой она находиться. Нужно было защитить проводник от разрушительного воздействия воздуха, для этого использовали емкость, то есть колбу лампы
Одна из первых ламп накала появилась в первой половине 18 века, ее электроды были вылиты из платины. Однако такой проводник был достаточно хрупкий и дорогостоящий, поэтому не пользовался популярностью.
Конструкция с угольной нитью тоже не стала популярной, так как она быстро сгорала из-за наличия в колбе кислорода. Потом в устройстве стали использовать проводники из обугленного бамбука, а из колбы выкачали кислород. Это первая лампа современного образца, но и она еще не идеальна.
Ближе к концу 18 века ученые изобрели лампочку с молибденовой и вольфрамовой спиралью. Она способна была работать на протяжении 30 минут. Потом конструкция была дополнена несколькими угольными волосками, которые горели по очереди.
Затем за доработку уже существующих технологий взялись американские ученые.
Характеристики, достоинства и недостатки
В XXI веке многие постепенно переходят на энергосберегающие и светодиодные лампы, но у ламп накаливания есть и свои преимущества:
- Мгновенное возгорание и отсутствие перебоев в работе;
- Они могут работать как от постоянного, так и от переменного тока;
- Широкий ассортимент: можно выбрать лампочку с подходящей температурой, напряжением, яркостью;
- Небольшие размеры;
- Экологичность;
- Невысокая цена.
Лампы могут выглядеть по-разному
К недостаткам устройств относятся:
- Невысокий КПД;
- Хрупкость;
- Низкий срок службы;
- Пожароопасность.
Несмотря на недостатки, лампы накаливания были крайне популярны несколько десятков лет и быстро заменили привычные источники освещения.
Основные достоинства и недостатки
Постоянно растущий спрос на светодиодные лампы свидетельствует об их явном превосходстве над остальными источниками искусственного света. Действительно, если взглянуть на их технические характеристики, то станет понятно, что люминесцентные и спиральные лампы проигрывают светодиодным практически по всем показателям. И это при том что светодиодные технологии продолжают совершенствоваться и ещё не достигли своего пика. Преимуществ у светодиодных ламп действительно много:
- Относительная световая отдача уже достигает 30% (теоретический максимум для светодиодов – 40%). Для люминесцентных источников света этот показатель равен 15%, а для ЛН не превышает 3%.
- Низкое энергопотребление (в 7–9 раз меньше, чем ЛН).
- Срок службы от 10 тыс. часов и выше. Заявленный срок службы ЛН – 1 тыс. часов.
- Стойкость к механическим повреждениям и вибрации.
- Мгновенное включение. Причем количество переключений не влияет на работу светодиодов.
- Отсутствие вредных веществ, что позволяет их безопасно эксплуатировать и утилизировать.
- Возможность производства лампочек разной мощности и с любым оттенком света (холодным, нейтральным, тёплым). А в «умных» светодиодных лампах цвет света и его яркость можно задавать дистанционно с помощью смартфона.
- Во время работы рассеиватель практически не нагревается, а температура цоколя не превышает 85 °C.
Стоит признать, что LED-лампы не идеальны, а значит, им присущи определённые недостатки:
- Сравнительно высокая стоимость. Даже с учётом того, что за последние 2 года цены на них снизились более чем в 2 раза и сравнялись с ценами на КЛЛ, многие люди по привычке продолжают покупать «прожорливые» ЛН. Убедиться в том, что покупка светодиодной лампы, с экономической точки зрения, полностью оправдана можно путем проведения несложных расчётов, которые сведены в отдельную статью.
- Вредное мерцание, невидимое невооруженным глазом и приводящее к общей усталости и головным болям. Данный недостаток присущ дешёвым светодиодным лампам, драйвер которых не имеет стабилизации по току.
- Необходимость в понижающем преобразователе, вследствие чего возрастает стоимость изделия и снижается его надёжность.
- Светодиодные лампы, подключенные через выключатель с подсветкой и находясь в выключенном состоянии, могут мерцать или слабо светиться. Проблема решается заменой выключателя или доработкой схемы подключения.
- Высокий процент брака, особенно среди дешёвых LED-ламп. Данный недостаток объясняется ускоренными темпами производства светодиодной продукции и отсутствием должного технического контроля на всех стадиях изготовления.
Разновидности световых элементов
Типы колб ламп
Классифицируют все изделия по разным параметрам. По типу наполнения колбы различают такие лампы:
- самые простые вакуумные (при их изготовлении из колбы отсасывается весь воздух);
- наполненные газом аргоном;
- ксенон-галогенные;
- наполненные криптоном.
По типу предназначения лампочки делят на такие виды:
- Декоративные. Работают по привычному принципу. Колба выполнена в виде свечи или шара.
- Общего назначения. Это знакомые всем обычные элементы, которые вкручиваются в люстру или бра. Часто мастера волнует вопрос, сколько ватт потребляет лампочка. Можно купить изделие на 40, 60, 90, 100, 120, 150, 200 и более Вт. Чем больше показатель, тем ярче будет свечение.
- Лампы для локального освещения. Конструктивно они ничем не отличаются от обычных элементов. Но рабочее напряжение для них находится в диапазоне 12-42 В.
- Лампочки для иллюминации. Имеют окрашенную в яркие цвета колбу. Рабочая мощность в диапазоне 10-25 Вт.
- Сигнальные. Имеют предельно низкую мощность и используются для светосигнальных устройств. На сегодняшний день такие изделия уверенно вытесняются современными светодиодными лампами.
- Прожекторные. Тело накала здесь укладывается особым образом за счет удобной её подвески в колбе. В результате удается достичь лучшей фокусировки свечения. Мощность таких ламп достигает 10-50 киловатт.
- Зеркальные. Имеют особое покрытие колбы. Она частично обтянута пленкой распыленного термическим способом алюминия. Таким образом удается добиться узкой направленности светового луча. Зеркалки применяются для устройства локального освещения.
- Транспортные. Эти изделия отличаются повышенной прочностью, устойчивостью к вибрациям. Для транспортных ламп используют специальные цоколи, благодаря которым можно быстро заменить осветительный элемент в стесненных условиях машины. Работают такие элементы от электросети авто 6-220 В.
- Изделия для оптических приборов. Сегодня почти не выпускаются. Ранее использовались для кинопроекторов, медтехники. Лампы такого типа имеют колбу особой формы.
- Коммутаторная лампочка. Относятся к классу сигнальных. Имеют малый размер колбы, что позволяет размещать их под кнопками панелей различных установок.
По количеству нитей накаливания все элементы бывают:
- Двухнитевые. Имеют одно тело накала для дальнего (сильного) света и одно – для ближнего (слабого) освещения. Используются в авто, авиации, ж/д светофорах, в звездах Московского Кремля.
- Однонитевые. Привычные лампочки с вольфрамовым телом накала.
Этапы открытия
В основу изобретения лампочек положили способ свечения проводников, когда через него проходил электрический ток. Его знали еще задолго до того, как создали лампочку. Но главная проблема эффективного, продолжительного и доступного освещения от электрической сети был поиск материала, который бы использовался для изготовления спирали накаливания.
Тогда когда электричество уже являлось реальностью, а современные лампы накаливания еще не были изобретены, учеными практиковались лишь несколько видов материалов, среди которых был уголь, платин и вольфрам. Последние два материала считались редкими и дорогими. Уголь относился к более доступному материалу.
Начиная с XIX столетия имели место события, способствовавшие созданию первой электрической лампочки. В 1820 году французский ученый Деларю создал лампочку с платиновой проволокой.
Проволока согревалась и светилась, однако это был всего лишь опытный экземпляр. Но спустя 18 лет исследователь из Бельгии Жобар показал угольную лампу накаливания. В 1854 году немецкий ученый Генрих Гебель как источник для освещения использовал бамбук.
Вид первой лампы накаливания
Что такое светодиодная лампа
Светодиод (англ. LED — light-emitting diode — «светоизлучающий диод») — полупроводниковый прибор, излучающий видимый свет при пропускании тока, за счет электронно-дырочного перехода при прямом протекании напряжения. Если выражаться менее заумно — это прибор, который светится от того, что пропущенное через его сердцевину напряжение приводит к рождению фотонов (частиц, переносящих свет).
Лампочка накаливания светится от того, что ее спираль раскаляется добела, до сверхвысоких температур (более 3000 градусов). Из-за этого до 97-99 % энергии уходит в тепло, и только 1-3 % — превращается в свет. У диода свечение возникает при протекании тока через полупроводниковый кристалл, который излучает фотоны, и каждый электрон генерирует свой фотон. Поэтому таких колоссальных потерь энергии у LED нет. КПД светодиодов составляет 10-30 % (в 10 раз выше, чем у лампы накаливания), и этот показатель растет из года в год.
Светодиодные лампы по сути и не являются лампами в том понимании, что вкладывают в этот термин физики. Это название досталось им «по наследству» от электровакуумных приборов, излучающих свет. Те, в свою очередь, более 100 лет назад, позаимствовали имя у осветительных приборов, работающих на жидком (керосин, масло) или твердом (карбид) топливе.
Современная светодиодная лампа — это электронный осветительный прибор, состоящий из массива светодиодов и миниатюрного блока управляющей электроники. Светодиоды могут быть точечными и нитевидными (филаментными). Иногда подложка для светодиодов может выполнять и функции материнской платы (с одной стороны — диоды, а с другой — преобразователь и стабилизатор), но такое решение — не самое удачное, из-за паразитного нагрева диодов, сокращающего их срок службы.
Немного истории
В теории светодиоды были изобретены советским инженером Олегом Лосевым в 20-х годах прошлого века (он обнаружил, что карбид кремния светится при пропускании тока). Но до создания первых работоспособных образцов, излучающих видимый свет, оставалось еще 35 лет. Американскому профессору Нилу Холоньяку это удалось только в 1962 году. Первые образцы светодиодов были непригодны для практического использования, так как стоили дорого (200 долларов тех времен, или 1500 современных долларов, с учетом инфляции) и излучали тусклый красный свет. Лишь 10 лет спустя ученик Холоньяка, Джордж Крафорд, изобрел желтые диоды и повысил в 10 раз яркость их свечения.
Только в начале 90-х японские ученые смогли создать дешевые синие диоды, а также существенно удешевить технологию производства LED. За это коллектив был удостоен Нобелевской премии в 2014 году. Комбинация красного, зеленого и синего излучения дала возможность получить чисто белый свет. И лишь в конце 90-х — начале 2000-х стало возможным массовое производство дешевых белых светодиодов, пригодных на роль осветительного прибора, а не индикатора.
Автор статьи помнит, как на рубеже тысячелетий начали массово появляться в продаже китайские фонарики, использующие диод вместо лампы, а также компактные устройства с LED-подсветкой. К примеру часы Montana, мечта мальчиков в 80-х — 90-х годах, еще не имели качественной подсветки: при нажатии кнопки их дисплей подсвечивался тусклым желтым светом.
Только в середине 2000-х компании стали массово производить дешевые диоды высокой яркости, светящиеся в том диапазоне, что и Солнце. Тем самым они ознаменовали начало эпохи LED-освещения, ударив по древним лампам накаливания и не очень экологичным люминесцентным лампам.
Характеристики ламп
Сравнения разных видов ламп обеспечивают сопоставлением их параметров. Характеристики делятся на такие большие группы:
Электрические параметры
К ним относятся рабочее напряжение и мощность. Рабочее напряжение, единица измерения В (вольт) – это номинальное напряжение, при котором работающая лампа потребляет от питающей сети или источника (блока) питания расчетную мощность, Вт (ватт). При этом лампа обеспечивает поток света, Лм (люмен) с расчетными характеристиками.
Обычно номинальные (рабочие) напряжение и мощность указываются надписями на верхней части колбы и на боковой поверхности цоколя.
Светотехнические параметры
Основные светотехнические параметры:
- Световой поток. Эта характеристика измеряется в люменах, Лм (lm). Суть понятия – количество единиц света, попадающего на единицу освещаемой площади.
- Световая отдача. Единица измерения Лм/Вт. Суть понятия – количество света или световой поток в Лм, который получают от лампы при потреблении ею от питающей сети мощности в 1 Вт (ватт), т. е. Лм/Вт.
Эксплуатационные параметры
Главный параметр этой группы – срок службы. Для ламп разного типа этот срок разный. У обыкновенных ламп накаливания – 1 000 часов. А у люминесцентных – от 3-5 до 12-15 тысяч часов. Срок зависит от производителя, вида лампы, ее ЭПРА – электронно-пускового регулирующего аппарата и количества включений/выключений. Для обычных люминесцентных ламп число включений примерно соответствует количеству номинальных часов ее работы.
Наибольший срок работы имеют светодиодные лампы. Производители декларируют их его от 15-20 до 100 тыс. часов. При 3-6 часах работы в сутки это несколько лет эксплуатации. За эти годы лампа морально устареет. Или деградирует с потерей 30-50% яркости, а часто, и с изменением оттенка свечения или спектра излучения.
Тип и размер цоколя
Назначение цоколя в лампе:
- обеспечить надежное подключение светоизлучающего элемента лампы к цепям первичного электропитания, обычно это первичная сеть переменного тока, проложенная в здании;
- удерживать конструкцию лампы в плафоне светильника в определенном положении и не допускать ее прикосновения к плафону, например, бра или люстры;
- гарантировать быструю смену перегоревшей лампы и замену ее новой и т. п.
Видов цоколей очень много. На картинке представлены наиболее применяемые в светотехнике.
Часто используемые:
- резьбовые цоколи Эдисона, обозначаются буквой Е и числом, показывающим наружный диаметр резьбы в миллиметрах, он меняется от Е5 – цоколи для микроминиатюрных лампочек до Е40 – для самых мощных ламп, в основном промышленного освещения;
- штыревые цоколи – обозначаются буквой G, от слова glass – стекло, т. к. штырьки «вварены» прямо в стекло колбы, цифры в маркировке цоколя – расстояние в миллиметрах между осями штырьков;
- байонетные или штифтовые – название произошло от французского слова «багинет» или штык, характеризуются не выпадением из патрона при вибрациях, применяются на транспортных средствах – автомобилях, самолетах, кораблях и судах, поездах и трамваях и пр. Одно из названий – цоколь Свана – по имени изобретателя.
Основные виды цоколей – Эдисона, штыревые, байонетные Свана, они же штифтовые.
Байонетные цоколи в маркировке имеют первым элементом латинскую букву B.
Есть еще с десяток других разновидностей цоколей, но они применяются значительно реже.
Форма колбы
Формы колб осветительных приборов определяются не только ее технической сутью, но иногда связана и с ее происхождением. Например, колбы А, С, СА и CF – произошли: от груши, от свечи для люстры или бра. И получили букву C в аббревиатуру, например, от латинского слова «candela», в переводе – «свеча». СА – «свеча на ветру», и CF – «витая свеча».
Для наглядности рекомендуем серию тематических видеороликов.
Ответы на частые вопросы
Покупатели часто задают интересующие их вопросы. Это связано с отсутствием полной информации на упаковке.
Срок службы, стоимость
На лампу накаливания влияет множество факторов, которые способствуют сокращению ее срока службы.
За последнее время качество производимых лампочек упало. Часто дефект заметен сразу. Поэтому большинство покупателей перешли на покупку товара от иностранных производителей.
Часто снижение времени работы совершается из-за высокого напряжения в сети. При этом происходит перегрев нити накаливания, она уменьшается в толщине, колба начинает темнеть. Происходит разрыв спирали. При отклонении величины напряжения всего на один процент, срок службы лампы сокращается на 14 процентов.
Стоимость лампочки зависит от вида, мощности, производителя. Она колеблется от 7 рублей до 100 рублей (для домашнего потребления).
Как увеличить срок службы
Существует несколько способов, увеличивающих срок службы лампочки:
- Установка диммера. Это простой прибор может продлить срок эксплуатации в несколько раз. Для этого после подключения регулируется процент освещения. При освещении кладовых, подъездов и пр. достаточно выставить работоспособность лампы на 75 процентов.
- Так как часто выход из строя обусловлен скачками напряжения, то достаточно установить стабилизатор.
Какой газ в лампе
В колбах изделия не может содержаться воздух или любой газ. Там должен быть только инертный газ (ксенон, криптон, аргон). Это связано с тем, что температура спирали прогревается больше 2000 градусов.
При таких температурах вольфрамовая нить будет реагировать со всеми газами, кроме инертных. Гелий и неон дорого стоят, поэтому их не используют.
Температура
Световая температура зависит от вида закаченного газа. Так, без газовая вакуумная среда способствует прогреванию до 2700 К. При этом излучается теплый белый свет. При прогревании до 4200 излучается естественный белый свет. При закачивании ксенона, галогена криптона температура прогревания от 4000 до 6400 К. При этом излучается холодный белый свет.
Из-за чего рвется спираль
Вольфрамовая нить очень тонкая и хрупкая. Ее обрыв случается из-за уменьшения диаметра, по причине испарения материала при воздействии высокой температуры. Также часто нить обрывается при механическом воздействии – встряхивании.
Световой поток
Назначение светового потока – освещение. Создается преобразованием тепловой энергии. Единицей измерения считается Люмен (Лм). Увеличение потока зависит от мощности лампы
Лампы накаливания одинаковой мощности излучают разный световой поток. Чем выше напряжение, тем выше значение светового потока.
Сколько потребляет
Мощность 60 Вт — энергопотребление составит 60 Вт или 0,06 киловатт за 1 час
Мощность 95 Вт — потребляет электричества 95 Вт 0,095 киловатт за 1 час
Мощность 100 Вт — израсходует 100 или 0,1 киловатт Вт электроэнергии за 1 час.
Советуем посмотреть видео:
Дальнейшие изобретения
С момента создания первых осветительных электроприборов постоянно проводились изучения свойств газоразрядных ламп, однако вплоть до начала 20-го столетия ученые проявляли к ним слабый интерес. Примером может послужить тот факт, что первейшие примитивные прототипы ртутных ламп были сконструированы в Великобритании еще в 1860-х годах, однако лишь в 1901 году Петер Хьюит изобрёл ртутную лампу низкого давления. Через пять лет в производство вышли аналоги высокого давления. А в 1911 году Жорж Клауди, инженер-химик из Франции, показал миру неоновую лампочку, которая тут же стала центром внимания всех рекламщиков.
В 1920-40-е гг. были изобретены натриевые лампы, люминесцентные и ксеноновые. Часть из них стали массово производить даже для использования в быту. На сегодняшний день в известно порядка 2 тысяч разновидностей источников света.
В СССР разговорным названием лампы накаливания стало словосочетание «лампочка Ильича». Именно эта идиома стала родной для крестьян и колхозников во времена всеобщей электрификации. В 1920 г. Владимир Ленин посетил одну из деревень для запуска электростанции, тогда-то и появилось крылатое выражение. Впрочем, изначально данное выражение применялось для обозначения плана по электрификации сельского хозяйства, поселков и деревень. Лампочка Ильича представляла собой патрон, свободно подвешиваемый за провод к потолку и свисающий вниз без плафона. В конструкцию патрона также входил выключатель, а проводка прокладывалась открытым способом по стенам.
Светодиодные лампы были разработаны в 60-х гг. для промышленных целей. Они имели небольшую мощность и не могли освещать территорию как следует. Однако сегодня именно это направление считается самым перспективным.
В 1983 г. появились компактные люминесцентные лампочки
Их изобретение было особенно важно в условиях необходимости экономии электроэнергии. К тому же, они не требуют дополнительной пусковой аппаратуры и подходят к стандартным патронам для ламп накаливания.
Не так давно сразу две фирмы из Америки создали для потребителей флуоресцентные лампы с возможностью очищения воздуха и удаления неприятных запахов
Поверхность их покрыта двуокисью титана, которая, облучаясь, запускает фотокаталитическую реакцию.
Видео как делают лампы накаливания на старых заводах.
Особенности, достоинства и недостатки
Лампа накаливания представляет собой стеклянный сосуд, обычно грушевидной формы, в основании которого находится металлический цоколь. При помощи этого цоколя происходит соединение с патроном осветительного прибора, в котором лампочка будет использоваться.
Внутри стеклянного сосуда находится металлическая нить, чаще всего она изготавливается из вольфрама, при включении освещения через нее проходят разряды электричества, которые нагревают нить до высоких температур, что и вызывает свечение. Однако данный принцип актуален исключительно для ламп, мощность которых не превышает 20-25 ватт.
Для получения большей мощности, а значит, и большей яркости свечения, в колбу запускается специальный газ, например, ксенон, и здесь свечение обусловлено уже не только нагреванием вольфрамовой пружины, но и горением инертного газа внутри стеклянного сосуда. Кроме того, что газ увеличивает характеристики яркости и мощности, он также способен продлить срок службы используемой модели. Помимо ксенона, производители добавляют и другие инертные газы, такие как криптон и аргон, однако яркость таких лампочек будет несколько меньше, нежели с добавлением ксенона.
Как и любой другой тип ламп, лампа накаливания имеет свой определенный набор плюсов и минусов.
К плюсам можно отнести:
- Пожалуй, одним из главных преимуществ данных моделей является их стоимость. Среди всего ассортимента на рынке лампы накаливания имеют самую низкую стоимость. Так, например, одни из самых качественных моделей от компании General Electric стоят в среднем 30-40 рублей за штуку.
- Данная модель снабжена мгновенной способностью к включению и выключению.
- Работа возможна как от переменного, так и постоянного тока.
- Конструкция данного типа исключает световое мерцание, поэтому данная модель ламп не оказывает пагубного влияния на человеческое зрение.
- Кроме того, данный тип обладает максимально высоким уровнем цветопередачи.
- При помощи специального диммера возможно изменение интенсивности светового потока.
Среди минусов можно выделить:
- Короткий срок службы;
- Высокий уровень энергопотребления;
- Чувствительность к перепадам энергии.
Лампы накаливания и галогенная лампочка
Однако галогенные лампы не рекомендуется трогать руками за колбу. Поэтому они должны идти упакованными в отдельный пакетик.
Когда горит галогенка, она разогревается до очень высокой температуры. И если вы будете жирными руками касаться ее колбы, то на ней образуется остаточное напряжение. В результате этого, спираль в ней перегорит значительно быстрее, уменьшив тем самым срок ее службы.
Кроме того, они очень чувствительны к скачкам напряжения и часто из-за этого перегорают. Поэтому их ставят вместе с приспособлениями плавного запуска или подключают через диммеры.
Галогенные лампы в большинстве своем производятся для работы от однофазной сети с напряжением 220-230 Вольт. Но существуют и низковольтные на 12 Вольт, которые требуют подключения через трансформатор для соответствующего типа ламп.
Галогенка светит ярче чем обычная, примерно на 30%, а мощность потребляет ту же самую. Это достигается за счет того, что внутри нее содержится смесь инертных газов.
Кроме того, в процессе работы частички элементов вольфрама возвращаются обратно на нить накаливания. В обычной лампе происходит постепенное испарение с течением времени и оседание этих частиц на колбе. Лампочка тускнеет и работает вдвое меньше, чем галогенная.
