Лампы накаливания. Особенности излучения тела накала

В основе создания ламп накаливания лежит использование для получения света теплового излучения, нагретого электрическим то­ком проводника, которое подчиняется определенным законам (эти законы смотри в билете по основам светотехнике вопрос: законы излучения черного тела).

Главной частью любой лампы накаливания является тело накала 1, нагревание которого проходящим через него электрическим током приводит к излучению света. Тело накала может быть выполнено из нити, спирали, биспирали, триспирали, иметь раз­ные размеры и форму. Для того чтобы тело накала в процессе работы сохраняло исход­ную форму, его фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов — вводов 2 и держателей 3 (их изготавливают в газонаполненных лампах из молибденовой проволоки (в вакуумных из меди), сохраняющей упругость при высоких температурах; это свойство используется для того чтобы с помощью поддержек сохранять тело накала в натянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева). В зависимости от типа ламп электроды могут быть одно-, двух- и трехзвенными. На рис.1 показаны трехзвенные электроды, состоящие из ввода 2, изго­товляемого из никеля, ферроникеля, меди или платинита в зависимо­сти от типа ламп, среднего звеня - платинитового впая 4 (платинит - представляет собой биметалл сердечник которого выполнен из ферроникеля, а внешняя оболочка из меди, подбором соотношений толщины оболочки и диаметра сердечника достигается величины ТКЛР= 90*10-7 град^-1) и внешнего звена — вывода 5, обычно медного, которая является хорошим проводником. В газополненных лампах один из электродов имеет внешнее звено 5 из ферроникеля которое в этом случае выполняет роль плавкой вставки (предохранителя).

Электроды и держатели являются частью так называемой ножки. Это стеклянный конструктивный узел лампы, который кроме электро­дов 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. Эти детали соединены между собой путем сплавления стеклянных эле­ментов в зоне лопатки 11. Ножка служит опорой для тела накала и вместе с колбой 12 обеспечивает герметизацию лампы.

Для нормальной работы раскаленного тела накала, которое в большинстве случаев представляет собой вольфрамовую спирализованную нить, недопустимо присутствие кислорода. Поэтому тело накала размещают либо в безвоздушной среде (такие лампы называются ва­куумными), либо в среде так называемых инертных газов или их сме­сей, не реагирующих с материалом тела накала (газополные лампы). Конструктивно эта задача решается следующим образом: ножку с те­лом накала помещают в стеклянный баллон (колбу) 12; горло колбы 13 герметично спаивают с разверткой тарелки; через штенгель и откачное отверстие 14 из колбы откачивают воздух, и в газополную лампу после этого вводят инертный газ; наконец, запаивают штенгель, герметично закрывая тем самым внутреннее пространство лампы.

Для удобства эксплуатации на горловине лампы 15 с помощью цоколевочной мастики укрепляют цоколь, к корпусу 16 и контактной пластине 17 которого припаиваются или привариваются выводы элект­родов. В зависимости от назначения лампы применяются разные типы цоколей.

Под влиянием высокой температуры материал тела накала распыляется. Нить тела накала становится тоньше, электрическое сопротивление её увеличивается, а излучение света уменьшается как из-за снижения температуры так и в связи с потемнением колбы вследствие оседания на ней частиц испарившегося вольфрама.

Процесс распыления тела накала определяется рядом факторов, и на самом деле гораздо сложнее, чем здесь описано. Однако при прочих равных условиях всегда спра­ведливо утверждение: чем меньше скорость испарения вольфрама, тем больше продолжительность горения лам­пы. Поэтому одной из главных задач конструктора явля­ется создать условия, обеспечивающие наименьшую ско­рость испарения материала тела накала в лампе. Этого можно достигнуть, например, подбором соот­ветствующего материала для спирали, однако, как мы уви­дим позже, резервы здесь хотя и имеются, но весьма огра­ниченны. Другой путь — создать внутри лампы (вокруг тела накала) такую среду, которая препятствовала бы ис­парению вольфрама. Такой средой обычно являются газы или их смеси, находящиеся при каком-то давлении. Харак­теристики наполняющих газов, их процентное содержание и давление — важнейшие параметры среды, окружающей тело накала в лампе.

В вакуумной лампе атомы вольфрама, отрываясь от поверхности тела накала, не встречают никаких препятст­вий и поэтому двигаются в пространстве по прямым лини­ям. Достигая поверхности колбы, они образуют на ней тем­ный, относительно равномерный осадок. В газополной лампе тело накала окружено инертным газом или смесью газов, находящихся при определенном давлении. Молекулы инертного газа препятствуют диффузии испарившихся ато­мов вольфрама и отбрасывают часть «оторвавшихся» ато­мов обратно на спираль. В связи с этим испарение тела накала в газополной лампе идет медленнее и потемнение колб менее выражено, чем в вакуумной лампе. В умень­шении скорости испарения материала тела накала и со­стоит основное назначение наполняющего лампу газа.

Однако газ в лампе играет не только положитель­ную, но и отрицательную роль. При горении газополных ламп в газовой среде, окружающей тело накала, имеют место явления теплопроводности и конвекции. Теплопроводность обусловлена разностью температур тела накала и газа и способностью газовых молекул передавать друг дру­гу при соударениях теплоту. Результат теплопроводности— передача теплоты от тела накала к внешней границе окру­жающего его так называемого стационарного (застойно­го) слоя и далее к колбе. Конвекция представляет собой направленное перемещение в разной степени нагретого газа под влиянием силы тяжести. Примерная схема кон­векционных потоков в лампе показана на рис. 2. Кон­векционные потоки увлекают с собой часть оторвавшихся от тела накала атомов вольфрама преимущественно вверх, что обусловливает неравномерное потемнение колб газо­полных ламп. Наличие процессов теплопроводности и кон­векции газов в газополных лампах приводит к тому, что температура колб у них выше (при прочих равных усло­виях), чем у вакуумных, где действует только нагрев из­лучением; другим получается и распределение температу­ры по поверхности колб. У вакуумных ламп раз­личные участки колбы нагреваются тем сильнее, чем ближе они к телу накала, а у га­зополных степень нагрева от­дельных участков колбы зави­сит еще от теплопроводности и конвекции газов.

Наполняющий лампу газ отводит часть теплоты от тела накала, увеличивая тем самым потери энергии в лампе. По­тери энергии, вызванные теп­лопроводностью и конвекцией, носят название тепловых по­терь или потерь мощности че­рез газ и обозначаются Рг. Для оценки таких потерь вводят понятие относительных тепловых потерь через газ: К=Рг/Р, где Р—мощность лампы.

Отличие друг от друга вакуумных и газополных ламп наглядно представляется уравнением баланса мощностей. Для газополной лампы баланс мощности имеет следую­щий вид:

Рл.г.=Фе.г.+Рд+Рг (1)

где Рл.г—подводимая к лампе мощность; Фег—поток из­лучения тела накала; Рд—мощность, отводимая держа­телями (поддержки и электроды). Для вакуумных ламп потери через газ Рг=О, поэтому

Рл,в=Фе.в+Рд. (2)

Из (1) и (2) легко получить вывод, что при одина­ковых температуре, размерах и форме тела накала свето­вая отдача газополной лампы, будет меньше, чем вакуумной

Следует, что для повышения световой отдачи газополной лампы нужно поднять температуру тела нака­ла до значения выше того, которое оно имело в вакууме, и снизить потери мощности через газ. Последнее может быть достигнуто в основном двумя приемами: обеспечени­ем максимальной компактности тела накала, иначе говоря, уменьшением площади поверхности соприкосновения тела накала со средой лампы, и выбором для наполне­ния лампы такого состава и давления газов, которое обес­печило бы наименьшую теплопроводность среды. Исходя из назначения и роли наполняющих лампу на­каливания газов можно сформулировать основные требо­вания к ним. Первое обязательное требование — газ не должен вступать в химические соединения с материалом.тела накала и другими внутренними деталями лампы как в нерабочем состоянии лампы, так и во время ее горения. Таким свойством обладают инертные газы аргон, криптон, ксенон, а также азот и их смеси.

Чем больше молекулярная масса газа (чем «тяжелее» газ), тем в большей степени он замедляет испарение вольф­рама. Выбор газов с большей молекуляр­ной массой предпочтительнее также с точки зрения сокра­щения тепловых потерь через газ. С ростом молекулярной массы газов снижается их теплопроводность и соответст­венно уменьшаются тепловые потери. В связи с изложенным совершенствование газополных ламп шло по линии применения все более «тяжелых» газов (от азота к арго­ну, а затем к криптону и ксенону). В настоящее время азот применяется преимущественно лишь в качестве добавки к другим газам-наполнителям для предотвращения возникновения в лампе электрического пробоя через газ, а ксенон из-за высокой стоимости используется только для наполнения некоторых специальных ламп. Применение в лампах криптона и ксенона, имеющих малую теплопроводность, позволяет значительно уменьшить размеры ламп, при этом сохранив прежними температуру колбы и цоколя и обеспечив экономию дорогостоящих газов. Колбам крип­тоновых ламп придают форму грибка, что позволяет разместить тело накала на достаточном удале­нии от стекла колбы.

Приложенное к телу накала напряжение создает элек­трическое поле, а раскаленное тело накала эмитирует электроны. Ускоренные электрическим полем, они могут ионизировать атомы газа, что может привести к возникно­вению электрического разряда между концами тела нака­ла. Опыт эксплуатации ламп и многочисленные экспери­менты говорят о том, что вследствие падающей вольт-ам­перной характеристики этого разряда ток его возрастает и в конечном итоге тело накала перегорает и оплавляются вводы, а иногда растрескиваются ножка и колба. Поэтому к наполняющим лампу газам предъявляется еще одно тре­бование: они должны иметь достаточно высокий потенциал ионизации для того, чтобы напряжение зажигания разря­да в лампе Uз превышало максимально возможные значе­ния напряжения на лампе. Значение Uз можно легко про­верить путем постепенного повышения напряжения на лам­пе до возникновения разряда.

К сожалению, указанному требованию в меньшей степени удовлетворяют аргон, криптон и ксенон — именно те газы, которые, как отмечалось выше, предпочтительны для ламп накаливания по световой отдаче и сроку службы. В связи с этим лам­пы, как правило (особенно на напряжение выше 36 В), не наполняют чистым аргоном, криптоном и ксеноном. Для уменьшения опасности возникновения разряда в лампе к указанным газам добавляют небольшое количество азота, который повышает напряжение зажигания разряда Ua. Однако легкий и теплопроводный азот увели­чивает тепловые потери, поэтому добавка азота должна быть минимальной. Чем меньше рабочее напряжение и температура тела накала, тем меньшее количество азота следует вводить в лампу.

Давление наполняющих газов существенно влияет на скорость испарения вольфрама, критичес­кую потерю массы тела накала, потерю мощности че­рез газ Рг, а значит и на световую отдачу ламп и их срок службы. Поэтому при разработке ламп накалива­ния важно не только выбрать состав окружающей тело накала газовой смеси, но и оптимальное давление ее.

При решении этой задачи необходимо исходить преж­де всего из уже установленных многочисленных расчетных и экспериментальных зависимостей. При любых газах скорость испарения вольфра­ма снижается с увеличением давления в лампе, причем эта зависимость наиболее ярко выражена в области от­носительно малых давлений, лежащих в пределах до 200 гПа (150 мм рт. ст.). Понятно, что замедление испа­рения вольфрама при увеличении давления газа сопровож­дается повышением срока службы ламп (при неизменной световой отдаче).

Однако повышение давления в лампах не всегда воз­можно и не всегда целесообразно. Прежде всего прихо­дится считаться с технологическими ограничениями. Так, у лампы, наполненной до давления выше атмосферного, при принятой технологии невозможно отпаять штенгель и герметизировать лампу, поскольку штенгель, будучи разо­гретым до размягчения, не сплющивается, а раздувается и прорывается. Предложен ряд способов отпайки ламп при давлении газа в лампе выше атмосферного, но они существенно усложняют и удорожают технологию и по­этому не нашли большого распространения. При высоком внутреннем давлении появляется большая возможность разрыва колбы. Возможности повышения давле­ния в лампе ограничены также другим обстоятельством: с увеличением давления теплопроводность любого газа возрастает, в связи с чем растут тепловые потери через газ (Рг). Поэтому повышать давление газа в лампе целесо­образно лишь до тех пор, пока отрицательные последствия этого (уменьшение прочности ламп и увеличение тепловых потерь через газ) с избытком компенсируются положитель­ным эффектом (уменьшение скорости испарения вольфра­ма с тела накала).

Вообщем лампы наполняют техническим аргоном (86%Ar+14%N2) до давления.

Тампература плавления вольфрама 3663 К. Световая отдача газополных ламп до 16 лм/вт, у вакумных до 11 лм/Вт

Коэфф. видимого изл-ия равен отн-ию видимого излучения спирали к видимому излучению нити из которой спираль изготовлена. Коэфф. полного изл-ия равен отн-ию потока излучения спирали к потоку излучению нити из которой спираль изготовлена.Стекла используются молибденовые и платинитовые.Вольфрам дает наибольшую яркость при наблюдении под углом 70 град к нормали.

Требования предъявляемые к телу накала(материалу) 1). высокую температуру плавления только при этом условии можно придать телу накала высокую температуру и получить приемлемые световой КПД, световую отдачу и срок службы.

2) малую скорость испарения; of этого зависит срок службы, степень загрязнения колб испарившимися частица­ми, стабильность светового потока в процессе горения ламп;

3) селективность (избирательность) излучения, при которой раскаленное тело-накала излучало бы возможно большую долю энергии излучения в видимой области стектоа. обеспечивая более высокую световую отдачу;

4) достаточную формоустойчивость при высокой рабочей температуре, т. е. способ­ность сохранять заданную исходную фор­му и размеры в процессе горения лампы. Наиболее типичным отклонением от перво­начальной формы является провисание те­ла накала при высокой температуре под влиянием собственного веса

5) устойчивость к механическим (вибрационным и ударным) нагрузкам в том диапазоне их значений, кото­рые имеют место при транспортировке и эксплуатации ламп. При воздействии таких нагрузок тело накала не должно разрушаться, а также изменять свои размеры и форму сверх допустимых пределов.

Основное конструктивное требование для большинства ламп (за исключением некоторых специальных) заклю­чается в том, чтобы тело накала имело как можно мень­шие размеры, было компактным. При этом условии мож­но уменьшить размеры колб, а значит и 'расход наполняю­щих лампу газов, сократить размеры внутренних деталей ламп и количество держателей тела накала, снизить тепловые потери через газ в газополных лампах за счет уменьшения поверхности соприкосновения тела накала с газовой средой.

Повышение компактности тела накала достигается прежде всего переходом от прямой нити к спирали, биспирали и даже триспирали. При этом как бы уменьшает­ся длина и увеличивается диаметр светящего тела, а значит уменьшается поверхность охлаждения тела накала. Свивание проволоки в спираль приводит к замедлению испарения материала, так как некоторая доля атомов, ис­паряющихся с внутренней поверхности спирали, встречает на своем пути витки спирали и оседает на них. Переход на спирализованное тело накала облегчил его монтаж в лампе и позволил механизировать эту операцию. Для спирализованного тела накала характерны эффект экраниро­вания излучения (часть излучения, испускаемого внутрен­ней поверхностью спирали, поглощается самой спиралью, ослабляя общее излучение лампы) и эффект почернения излучения (после многократных отражений от витков спи­рали излучение, выходящее наружу, содержит меньше ви­димых лучей, чем при непосредственном излучении). Это объясняется меньшим коэффициентом отражения вольф­рама в видимой области спектра по сравнению с ИК-об­ластью. В результате при одинаковой температу­ре спираль излучает меньше света, чем прямая нить. Однако спираль без ущерба может работать при более высокой температуре, чем нить, имея малые скорость ис­парения и долю потерь мощности через газ. Поэтому све­товая отдача у спирализованного тела накала выше, чем у нити.

Лампам с биспиральным телом накала свойственны некоторые недостатки: повышенная чувствительность к механическим нагрузкам; большая по сравнению с моно-' спиральными лампами склонность к перегоранию с явле­нием электрической дуги; повышенное провисание тела накала при рабочих температурах. Все это ограничивает применение биспиралей для ряда специальных ламп.

Компактность тела накала обеспечивается не только степенью спирализации нити, но и выбором рациональной формы тела накала. В форме должны разумно сочетаться технологичность и требования, диктуемые назначением лампы. Эти требования иногда бывают настолько важны­ми, что приходится в той или иной мере отказываться даже от принципа максимальной компактности. Напри­мер, в лампах, испытывающих большие механические на­грузки, в ряде светоизмерительных и пирометрических ламп нередко отдают предпочтение прямой нити.

Кроме компактности к телу накала предъявляются и Другие конструктивные требования, например, наличие конструктивных элементов, облегчающих монтаж тела на­кала на ножке лампы («тире»' на концах спирали и на участках крепления в держателях секционных тел нака­ла); обязательное соответствие размеров и формы тела

Геометрические параметры тела накала. К основным геометрическим параметрам вольфрамового тела накала относятся (рис. 3): диаметр d и длина l вольфрамовой проволоки, из которой дол­жно быть изготовлено тело накала; шаг спирали s, т.е. расстояние между осевыми линиями проволоки двух соседних витков; диаметр сердечника (керна) dc (ме­таллический проволочный стержень, на который на­вивается вольфрамовая проволока); коэффициент шага kш и коэффициент керна кс,; диаметр и длина спирали (.dсп, lсп). К геометрическим размерам относятся также форма, габаритные, при­соединительные и другие размеры тела накала, размещен­ного в лампе.

Геометрические параметры тела накала взаимосвяза­ны. Из вольфрамовой проволоки заданной длины и диа­метра можно получить спирали самых разных размеров, но чем меньше длина спирали, тем меньше должен быть ее шаг и больше диаметр керна.

Не менее важно определить затем значения коэффи­циентов шага и сердечника:

Для этих коэффициентов практикой установлены до­вольно узкие диапазоны значений, при которых спирали получаются наиболее жесткими, формоустойчивыми и удобными в изготовлении