Создание сайтов. Качественно, недорого.

Как работает лампа накаливания

Излучает свет нагретая нить накала. Примерно так, как светится стальная заготовка, нагретая в печи кузнеца.

Нить накала лампы (изготовленная обычно из тугоплавкого вольфрама) светится тем ярче, чем больший ток по ней проходит. Но, кроме яркости, изменяется также спектр - чем ярче светит лампа, тем больше спектр сдвигается в синюю (или ультрафиолетовую) область.

На практике яркая лампа воспринимается источником белого света, а тусклая - розового. Для того, чтобы цвет излучения был по-настоящему белым, температура нити накала должна составлять более 5000 градусов! А это невозможно, поскольку уже при 3410 градуах вольфрам плавится.

Разновидностью лампы накаливания является галогенная лампа.

 
Галогенные лампы

Это та же лампа накаливания, только в ее колбе находится инертный газ. Эксплуатационные характеристики галогенной лампы чуть выше, чем у обычной лампы накаливания. Кстати, галогенная лампа с колбой из кварцевого стекла излучает и часть ультрафиолетового спектра. Под такой лампой можно даже загорать :)

Спектр излучения

Поскольку температура нагретой нити накала достаточно невысокая, спектр излучения лампы смещен в красную область. Кроме того, если колба лампы изготовлена из обычного (а не кварцевого) стекла, она почти не пропускает ультрафиолет. Это означает например, что загорать под такой лампой явно не получится. И в качестве единственного источника света (например для птиц или рептилий) такая лампа не годится.

Однако смещение спектра - далеко не самый главный показатель качества света. Посмотрите на следующие картинки:


Спектр солнечного света


Спектр лампы накаливания


Спектр люминесцентной лампы

 

Мы видим, что спектр лампы накаливания весьма близок к солнечному. Немного не хватает лишь фиолетовой части излучения. А вот так называемая "энергосберегающая" лампа имеет ужасный прерывистый спектр. Именно прерывистость спектра виной тому, что от такой лампы сильно устают глаза. Причем качество спектра мало зависит от стоимости люминесцентной лампы.

Сеть 220В

Наша электросеть выдает нам переменное напряжение частотой 50 герц и величиной 220 вольт. Что это значит? Смотрите на картинку.


Напряжение в сети

Напряжение в сети непрерывно изменяется от нуля (центр графика) до 310 вольт. Т.е. если мгновенное напряжение в какой-то момент времени равно нулю, то через 5 миллисекунд оно станет равным 310В, затем, еще через 5 миллисекунд снова станет равным нулю и т.д. Напряжение в нагрузке (например на лампе, включенной в розетку) таким образом непрерывно скачет от нуля до +310В, а затем опускается до -310В.

Но почему тогда считается, что наша сеть имеет напряжение 220 вольт? Потому что 220В - это действующее напряжение. А амплитудное значение напряжения сети равно 310В.

Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называют величину постоянного тока, действие которого произведёт такую же работу (тепловой или электродинамический эффект), что и рассматриваемый переменный ток за время одного периода. В современной литературе чаще используется математическое определение этой величины - среднеквадратичное значение силы переменного тока.

Почему мы не замечаем мерцания лампы? Потому что во-первых, изменение напряжения на лампе происходит достаточно быстро, а во-вторых лампа накаливания довольно инерционна. Об этом ниже.

Инерционность, пульсации

Раскаленная нить накала не остывает моментально. Благодаря этому интенсивность излучения лампы накаливания не имеет выраженного импульсного характера.

Из всех популярных источников света (в том числе люминесцентных и светодиодных) лампа накаливания наиболее инерционная, и потому не раздражает зрение.

Существует расхожее мнение, что так называемые "энергосберегающие" лампы не мерцают. Это совершенно не так.

Посмотрите на типичную схему такой лампы.

Напряжение сети, выпрямленное мостом на диодах 1007, сглаживается конденсатором, выделенным на схеме красным цветом. Даже в хорошей лампе OSRAM емкость этого конденсатора равна всего 10 микрофарад, что совершенно недостаточно для сглаживания питающего напряжения. А в более дешевых лампах емкость этого конденсатора может быть и в несколько раз меньше.

Что имеем в итоге? Пульсацию питающего напряжения частотой 100Гц (удвоенная частота сети). А значит такая лампа будет мерцать с частотой 100Гц. (На самом деле мерцание происходит и на других, более высоких частотах - 200Гц и выше).

Почему производители не устанавливают в лампу сглаживающие конденсаторы большей емкости? Китайцы - потому что экономят. Нормальные производители - потому что размеры самой лампы не позволят вместить такой конденсатор.

Как это влияет на глаза? Очень отрицательно. Коэффициент пульсации любой лампы в идеале не должен быть более 5%. А многие "энергосберегающие" лампы имеют коэффициент пульсаций до 50%! И хотя кажется, что лампа светит ровно (потому что пульсации происходят с частотой 100Гц и выше), пульсации все-таки есть, и наше зрение реагирует на них.

А есть ли пульсации у лампы накаливания? Конечно есть. Но даже в худшем случае коэффициент пульсаций не превысит 18% при питании лампы от сети переменного тока.

Можно ли уменьшить пульсации лампы? Можно. Рецепт один для ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп - питание ламп постоянным, а не пульсирующим током. Для "энергосберегающих" ламп можно посоветовать увеличить раз в 10 емкость сглаживающего конденсатора. Для ламп накаливания можно использовать приблизительно такую схему:

Конденсатор C1 должен иметь максимально возможную емкость. Чем больше - тем меньшими будут пульсации. Резистор R1 подбирается так, чтобы напряжение на лампе было равным тому, на какое рассчитана лампа. Лампу можно даже питать повышенным напряжением для того, чтобы несколько повысить температуру нити и, тем самым сделать спектр "белее". Многие лампы на 220В хорошо работают при питании до 250В. Хотя при этом уменьшается срок службы.

КПД

Коэффициент полезного действия лампы накаливания в лучшем случае достигает 15%. А для типичной лампы в 60Вт КПД составляет всего 5%. Галогенные лампы имеют чуть лучший показатель.

КПД лампы дневного света - до 20%. В среднем люминесцентная лампа светит в 4-5 раз ярче лампы накаливания такой же мощности. Светодиодные лампы тоже экономны. Их теоретический КПД достигает 40%.

Из-за низкого КПД ламп накаливания многие страны ограничивают продажу таких ламп. Запрет на продажу вводится сначала на мощные (100Вт и более) лампы и постепенно переходят к ограничениям для более маломощных ламп. Ограничения вполне понятны и оправданы с точки зрения экономии электроэнергии, потребление которой возрастает год от года. Однако на мой взгляд экономить нужно не на нас с вами, а на действительно энергоемких потребителях. К примеру, алюминиевый завод с электрическими печами может потреблять электроэнергии в 10-50 раз больше, чем миллионный город! Так стоит ли экономить "на спичках"?

Долговечность

Лампы накаливания (те, которые есть в продаже) довольно недолговечны. Типичный срок службы такой лампы - около 1000 часов. Все остальные типы ламп имеют гораздо больший срок службы. Например, люминесцентные лампы могут служить до 10000 часов.

Однако не все так просто. Например, известна лампа накаливания, которая светит уже 100 лет. А дешевые китайские "энергосберегающие" лампы могут выйти из строя через неделю.

Можно ли увеличить срок службы лампы? Можно, и значительно.

К сожалению увеличить срок службы "энергосберегающей" лампы сложно - для этого нужно изменять ее схему. А вот срок службы лампы накаливания очень просто увеличить в несколько раз, включив ее через схему плавной подачи напряжения. Простейшая такая схема показана на предыдущем рисунке (питание лампы постоянным током). Суть ее в том, что конденсатор C1 не может зарядиться мгновенно (этому мешает наличие резистора R1). А значит напряжение на лампе будет возрастать постепенно. Скорость возрастания напряжения тем ниже, чем больше емкость конденсатора и сопротивление резистора. Подобную схему стоит применять в настольных лампах. Однако конструкция получится громоздкой из-за необходимости применения конденсатора большой емкости.

Существуют и другие схемы плавного включения. Одну из таких схем я использовал для питания всех лампочек в квартире. И я забыл о том, когда в последний раз менял перегоревшую лампочку.

Что мы будем экономить: электроэнергию, деньги или здоровье?

Казалось бы, лампа накаливания проигрывает по всем показателям лампам других типов. Но по всем ли? Вы еще не забыли о прерывистом спектре, характерном для всех ламп, кроме ламп накаливания?

Не знаю, как кого, а меня лично сильно беспокоит качество света в квартире. И поэтому я не стану применять ламп других типов по крайней мере до тех пор, пока производители не приблизят их спектр хотя бы к спектру лампы накаливания.

Теперь про экономию электроэнергии и денег. Простые подсчеты показывают, что лампа со сроком службы в 10000 часов обойдется потребителю электроэнергии дешевле, чем лампа накаливания, даже при том, что "энергосберегающая" лампа стоит гораздо дороже обычной. Однако в реальности никакой экономии денег не получится. По нескольким причинам. Одна из них: "энергосберегающие" лампы не любят частых включений/выключений. Поэтому устанавливать их в туалете, ванной, кухне не имеет смысла - они выйдут из строя намного раньше заявленного производителем срока. Для того, чтобы почувствовать "экономию", такую лампу нужно включить и не выключать 10000 часов :)

Так можно сэкономить деньги? Я проводил на себе такой эксперимент. Я покупал "энергосберегающие" лампы разных производителей (в том числе дорогие) и пытался получить экономию. Увы, мои счета за электроэнергию не изменились. Я не знаю, почему. Возможно из-за того, что доля энергопотребления ламп в квартире мала по сравнению с энергопотреблением холодильника, утюга и стиральной машины.

Вы знаете, чем закончился мой эксперимент? Закончился он тем, что однажды при включении света в кухне взорвалась "энергосберегающая" лампа. А в ней, между прочим, имеются пары ртути. Такие лампы просто созданы для того, чтобы взрываться рядом с пищей и травить население. Как бы там ни было, больше в моей квартире никогда не будет никаких люминесцентных ламп.

В масштабах страны или планеты экономия электроэнергии вероятно есть. Но стоит ли она того? Кто может оценить загрязнение окружающей среды от паров ртути? Ведь многие (если не большинство) просто выбрасывают такие лампы после выхода их из строя. Ни о какой утилизации и речи нет. Так что мы на самом деле экономим?

Регулирование яркости

Простейший способ уменьшить яркость лампы накаливания - включить последовательно с ней резистор. Изменяя сопротивление резистора можно менять яркость свечения.

Чем плох этот способ? Тем, что мощность резистора должна быть очень большой. Такой резистор будет греться, и КПД такого регулятора очень низкий.

Другой способ - использование тиристорного (или симисторного) регулятора.

Посмотрите на схему.

Тиристор (VS1) может находиться в одном из двух состояний: полностью закрытом или полностью открытом. Именно поэтому потери мощности в этой схеме малы, а КПД высок.

Напряжение на лампе будет иметь весьма причудливую форму. При малой яркости лампа светится на протяжении времени t3. Чем выше яркость (чем меньше сопротивление резистора R1), тем время свечения будет больше (t1 при почти максимальной яркости).

Всё хорошо в этой схеме, кроме формы напряжения на лампе. И как следствие - огромные пульсации яркости, что совсем нехорошо для глаз. Поэтому подобные схемы нельзя применять в принципе.

К счастью имеются и другие способы регулирования яркости. Вот один из них.

Напряжение сети выпрямляется диодным мостом и сглаживается конденсатором C1. Если емкость этого конденсатора достаточно велика, пульсации питающего напряжения минимальны. Регулирование яркости производится с помощью высоковольтного полевого транзистора VT1. Когда он открыт, на лампу подается напряжение, когда закрыт - напряжение на лампе равно нулю. Если на затвор транзистора подать прямоугольные импульсы, то транзистор будет открыт на протяжении времени t1 и закрыт на протяжении времени t2. Чем больше t1 и меньше t2, тем ярче будет светить лампа.

Коэффициент полезного действия такой схемы очень высок, поскольку в открытом состоянии транзистор имеет почти нулевое сопротивление. Как следствие - транзистор абсолютно не греется.

Однако, скажете вы, на лампе ведь присутствуют пульсации? Да, это так. Однако никто не мешает подавать на затвор транзистора импульсы такой высокой частоты, при которой лампа просто не успеет так быстро изменять свою яркость (вспомните, лампа ведь инерционна). Поэтому никакого мерцания лампы не будет. Представьте, что мы подаем на затвор транзистора импульсы частотой 1000Гц. Для простоты предположим, что длина положительного импульса равна половине периода. Тогда продолжительность нахождения лампы под напряжением = 1/1000/2 сек = 0,0005 сек. Т.е. каждые 0,0005 секунд на лампу то подается, то снимается напряжение. Никакая лампа накаливания не способна так резко изменять свою яркость - она просто будет светить с постоянной интенсивностью, как будто на нее подали постоянное напряжение в половину от питающего.

Заключение

Нецелесообразность использования ламп накаливания сильно преувеличена. На сегодняшний день лампы накаливания имеют наиболее благоприятный для зрения непрерывный спектр. Одного только этого достаточно для того, чтобы не использовать лампы других типов в своей квартире.

Если кому-то недостаточно ультрафиолета, вполне можно включить дополнительные лампы, имеющие в своем спектре ультрафиолетовую часть. Но в качестве основного источника света такие лампы использовать нельзя! В первую очередь из-за их прерывистого спектра.

Преимуществами ламп накаливания можно считать их невысокую стоимость и простоту регулирования яркости. Недостатком - низкий КПД. С этим увы, ничего не поделать.

 

 



Электроника

Лампа подсветки
Для чего она нужна?
Как работает лампа накаливания
Схемы модулей
Инструкция пользователя
Программа управления лампой

www.000webhost.com