Історія винаходу лампи розжарювання

А. Н. Лодигін

У 1840 році англієць Де ла Рю створює першу лампу розжарювання з платинової спіраллю. Але через високу вартість використовуваної платини, така лампа виявилася не доцільною. Однак в майбутньому послужила прототипом для сучасних ламп розжарювання.

11 липня 1874 року російський інженер Олександр Миколайович Лодигін отримав патент за номером 1619 на Стек гілок лампу. Як нитки напруження він використовував вугільний стрижень, поміщений в вакуумований посудину.

• У 1875 році В. Ф. Дідріхсон удосконалив лампу Лодигіна, здійснивши відкачування повітря з неї і застосувавши в лампі кілька волосин (в разі перегоряння 1-го з них, наступний включався автоматом).
• Англійський винахідник Джозеф Вілсон Суон отримав в 1878 році англійський патент на лампу з вугільним волокном. У його лампах волокно знаходилося в розрідженій кисневій атмосфері, що дозволяло отримувати дуже яскраве світло.
• У 2-ій половині 1870-х років американський винахідник Томас Едісон проводить дослідницьку роботу, в якій він намагається як нитки різні метали. У 1879 році він патентує лампу з платинової ниткою. У 1880 році він повертається до вугільного волокна і створює лампу з часом життя 40 годин. Відразу Едісон винайшов побутової поворотний вимикач. Незважаючи на настільки нетривалий час життя його лампи тіснять використовувалося до того часу газове освітлення.
• У 1890-х роках А. Н. Лодигін винаходить кілька типів ламп з нитками розжарення з тугоплавких металлов.Лодигін запропонував використовувати в лампах нитки з вольфраму (конкретно такі використовуються у всіх сучасних лампах) і молібдену і закручувати нитка розжарення в формі спіралі. Він зробив 1-і проби відкачувати з ламп повітря, що зберігало нитку від окислення і збільшувало їх термін служби в багато разів. 1-ша американська комерційна лампа з вольфрамовою спіраллю потім виконувалася за патентом Лодигіна. Також їм були зроблені і газонаповнені лампи (з вугільною ниткою і наповненням азотом).
  
• З кінця 1890-х років з`явилися лампи з ниткою розжарювання з окису магнію, торію, цирконію і ітрію (лампа Нернста) або нитка з залізного осмію (лампа Ауера) і танталу (лампа Больтона і Фейерлейна)
• У 1904 році угорці Д-р Шандор Юст і Франьо Ханаман отримали патент за № 34541 на впровадження в лампах вольфрамової нитки. В Угорщині ж були зроблені 1-і такі лампи, що вийшли на ринок через угорську фірму Tungsram в 1905 році.
• У 1906 році Лодигін продає патент на вольфрамову нитку компанії General Electric. У тому ж 1906 році в США він вибудував і пустив в хід завод за хімічним отримання вольфраму, хрому, титану. Через високу вартість вольфраму патент знаходить тільки обмежене застосування.
• У 1910 році Вільям Девід Кулідж винаходить удосконалений спосіб виробництва вольфрамової нитки. Потім шляхом утворення тіснить всі інші види ниток.
• Що залишається проблема з жвавим випаровуванням нитки у вакуумі була вирішена американським вченим, відомим фахівцем в області вакуумної техніки Ирвингом Ленгмюром, який, працюючи з 1909 року в фірмі «General Electric», ввів в створення заповнення пробірки ламп інертними, точніше - важкими благородними газами (в зокрема - аргоном), що значно збільшило час їх роботи і підвищило світловіддачу.

ККД і довговічність

Практично вся подається в лампу енергія перетворюється у випромінювання. Втрати за рахунок теплопровідності і конвекції малі. Для людського ока, але, доступний тільки малий діапазон довжин хвиль цього випромінювання. Основна частина випромінювання лежить в невидимому інфрачервоному спектрі і сприймається у вигляді тепла. Коефіцієнт корисної дії ламп розжарювання домагається при температурі близько 3400 K свого максимального значення 15%. При фактично досяжних температурах в 2700 K (звичайна лампа на 60 Вт) ККД становить 5%.

Із зростанням температури ККД лампи розжарювання зростає, але при цьому значно знижується її довговічність. При температурі нитки 2700 K час життя лампи становить приблизно 1000 годин, при 3400 K всього лише кілька годин, при збільшенні напруги на 20%, яскравість зростає вдвічі. Одночасно з цим тривалість життя зменшується на 95%.

Зменшення напруги харчування хоча і знижує ККД, але зате нарощує довговічність. Так зниження напруги вдвічі (напр. При почерговому включенні) зменшує ККД приблизно в 4-5 разів, але зате нарощує час життя практично в тисячу разів. Цим ефектом нерідко користуються, коли потрібно забезпечити надійне чергове освітлення без особливих вимог до яскравості, наприклад, на сходових площадках. Нерідко для цього при харчуванні змінним струмом лампу підключають по черзі з діодом, з цього ток в лампу йде виключно протягом половини періоду.

Тому що ціна спожитої за час служби лампою розжарювання електроенергії в 10-ки разів перевищує вартість самої лампи, існує найкраще напруга, при якому ціна світлового потоку мала. Найкраще напруга трохи вище номінального, тому методи збільшення довговічності методом зниження напруги харчування з економічної точки зору повністю збиткові.

Обмеженість часу життя лампи розжарювання обгрунтована в найменшій мірі випаровуванням матеріалу нитки під час роботи, і в основному виникають в нитки неоднородностями. Нерівномірний випаровування матеріалу нитки призводить до появи стоншена ділянок з підвищеним електронним опором, що в свою чергу веде до ще більшого нагрівання і випаровування матеріалу в таких місцях. Коли одна з цих звужень стоншується так, що матеріал нитки в цьому місці плавиться або повністю випаровується, ток переривається, і лампа виходить з ладу.

Більший знос нитки напруження відбувається при різкій подачі напруги на лампу, тому істотно збільшити термін її служби можна використовуючи різного роду пристрої плавного пуску.

Вольфрамова нитка розжарення має в холодному стані питомий опір, яке всього в 2 рази вище, ніж опір алюмінію. При перегорання лампи нерідко буває, що згорають мідні проводки, що з`єднують контакти цоколя з власниками спіралі. Так, звичайна лампа на 60 Вт в момент включення споживає понад 700 Вт, а 100-ватна - більш кв. У міру прогріву спіралі її опір зростає, а потужність падає до номінальної.

Для згладжування пікової потужності можуть використовуватися терморезистори з дуже падаючим опором в міру прогріву, реактивний баласт у вигляді ємності або індуктивності, диммери (автоматичні або ручні). Напруга на лампі виростає в міру прогріву спіралі і може вживатися для шунтування баласту автоматикою. Без відключення баласту лампа може втратити від 5 до 20% потужності, що теж може бути прибутково для зростання ресурсу.

Низьковольтні лампи розжарювання при тій же потужності мають більший ресурс і світловіддачу завдяки більшому перетину тіла розжарювання. Тому в багатолампових світильниках (люстрах) доцільно застосування почергового включення ламп на найменше напруження замість паралельного включення ламп на напругу мережі. Наприклад, замість паралельно включених 6 ламп 220В 60Вт застосувати 6 по черзі включених ламп 36 В 60 Вт, іншими словами поміняти 6 тонких спіралей однієї товстої.

різновиди ламп

Лампи розжарювання діляться на (розміщені по порядку зростання ефективності):

• Вакуумні (найпростіші)
• Аргонові (азот-аргонові)
• Криптонові (приблизно + 10% яскравості від аргонових)
• Ксенонові (в 2 рази яскравіше аргонових)
• Галогенні (наповнювач I або Br, в 2,5 рази яскравіше аргонових, великий термін служби, не люблять недокала, тому що не працює галогенний цикл)
• Галогенні з 2-ма пробірками (більш дієвий галогенний цикл за рахунок найкращого нагріву внутрішньої пробірки)
• Ксенон-галогенні (наповнювач Xe + I або Br, більш дієвий наповнювач, до 3х раз яскравіше аргонових)
• Ксенон-галогенні з відбивачем ІК випромінювання (тому що велика частина випромінювання лампи доводиться на ІК спектр, то відображення ІК випромінювання всередину лампи помітно збільшує ККД, виконуються для мисливських ліхтарів)
• Розжарювання з покриттям модифицирующим ІК випромінювання у видиме спектр. Ведуться розробки ламп з високотемпературним люмінофором, який при нагріванні випромінює видимий діапазон.