Электрические лампы накаливания настолько прочно вошли в нашу жизнь, что трудно себе представить, что было бы, если бы их не было... Весь мир до 80-х годов 20-го века погрузился бы в сумерки чада керосиновых ламп или ослепительный блеск дуговых свечей Яблочкова, от губительного ультрафиолета которого можно ослепнуть, а кожа получает ожоги.

    Итак, устройство обыкновенной бытовой лампы накаливания достаточно просто - стеклянный баллон, наполненный смесью азота, и находящихся с ним при его получении из воздуха, инертными газами (неон, аргон, ксенон). Примерно посреди баллона вольфрамовая спираль, выводы от которой идут к цоколю. Лампы на 220 Вольт имеют еще и несколько опор для поддержки спирали, что уменьшает ее чувствительность к механическим воздействиям и тем самым продлевает срок службы. Также в лампах на 220 Вольт имеется предохранитель, предотвращающий короткое замыкание в сети в случае возникновения дуги внутри лампы. Обычно он выполняется в виде участка с уменьшенным диаметром провода на одном из выводов, соединяющих спираль и цоколь.

    У ламп накаливания есть одно достоинство, отличающее их от других видов ламп - они включаются в источник соответствующего напряжения непосредственно - им не нужны дроссели, как для газоразрядных люминесцентных ламп (дневного света), или дуговых, или источники постоянного тока (электронные драйверы), как для светодиодных. Конечно, есть и недостатки.

    Материал нити накала - вольфрам - самый тугоплавкий из металлов (температура плавления 3422 °C, температура кипения 5555 °C) - имеет свойство: даже при температурах, меньших, чем температура плавления, вольфрам может испаряться со своей поверхности! Это является основной причиной выхода из строя (сгорания) электрических ламп накаливания. Именно поэтому электрические лампы накаливания являются приборами с принципиально ограниченным сроком службы! Это явление является поводом для противоречия между коэффициентом полезного действия (КПД) и сроком службы - если температура спирали низкая - большая доля энергии расходуется на нагревание всего окружающего (излучение более интенсивно в невидимой инфракрасной части спектра). А если повысить температуру спирали - вольфрам будет испаряться интенсивнее, особенно в наиболее горячих местах, спираль быстрее будет становиться тоньше и быстрее сгорит. Поэтому КПД обычных ламп накаливания, как правило не превышает 15 %. Еще замечено, что в среднем, при снижении напряжения питания лампы на 20 %, а, следовательно и температуры спирали, срок службы увеличивается на 50 %, т. е. вдвое. На срок службы ламп влияет качество изготовления - чистота газовой смеси, чистота вольфрама спирали, точность намотки и расположения спирали. Именно от последнего фактора зависит, насколько равномерно будет происходить износ спирали. Если спираль изношена неравномерно - в наиболее тонких местах в первую очередь будет происходить ее разогрев в момент включения, и именно в этих зонах происходит ее перегорание. Иногда разогрев в момент включения настолько интенсивный, что мало того, что в этом месте вольфрам плавится, образуется достаточно паров для возникновения дуги между электродами. Отсюда другой вывод о долговечности ламп накаливания - чаще сгорают те лампы, которые чаще включаются. В этом случае существенно продлевают срок службы устройства плавного включения, регуляторы мощности и т. п.

    Для увеличения КПД ламп накаливания не уменьшая срок службы, применяют ксеноновое наполнение баллона лампы (не путать с дуговыми ксеноновыми лампами белого свечения). Ксенон - тяжелый инертный газ, который до известной степени препятствует испарению вольфрама с поверхности спирали. Но ксенон - редкий в атмосфере и достаточно дорогой газ, к тому же жадно потребляемый промышленностью, для медицинских (наркоз) и военных целей (изготовление взрывчатки). Поэтому получило распространение дальнейшее развитие этого направления - создание галогенных ламп. Его принцип заключается в следующем: кроме ксенона в баллон добавляют еще немного галогена (обычно йод). Кроме этого, колбу делают гораздо меньших размеров и из жароустойчивого, кварцевого стекла. В такой лампе пары вольфрама, долетая до колбы при рабочей температуре колбы 300-800 °C, соединяются с йодом и на колбе не оседают. Соединение вольфрама и йода разлагается обратно при температуре спирали, выделяя таким образом чистый вольфрам опять на спираль. Таким образом, йод собирает и возвращает испарившийся вольфрам опять на спираль! Гениальное решение сродни изобретению шариковой ручки. Таким образом, в конечно итоге удается высокой температурой спирали при том же сроке службы приблизить цвет свечения лампы к более естественному белому, повысить КПД до 25-30 % и в несколько раз снизить потребление ксенона. Но эта технология имеет свои ограничения: она более чувствительна к качеству изготовления ламп и особенно к равномерности намотки и укладки спирали. Дело в том, что вольфрам быстрее испаряется с наиболее горячих участков, а обратно оседает быстрее на наружные участки спирали, которые ближе к баллону. Поэтому и спираль со временем становится бугристой и неравномерной по длине (см. рис. 3 и 4 Сравнение новой галогенной лампы накаливания фотооптической серии и проработавшей порядка 50-ти часов)

Рисунок 3 новая галогеновая фотооптическая лампа накаливания 6 Вольт 10 Ватт и ее спираль.	Рисунок 4 галогеновая фотооптическая лампа накаливания 6 Вольт 10 Ватт, проработавшая порядка 50 часов. На спирали отчетливо видны структурные изменения. Вольфрамовая спираль деградирует.

Рисунок 5 фото еще одной спирали фотооптической лампы накаливания 6 Вольт 10 Ватт, проработавшей порядка 50 часов. Спираль также подверглась деградации. Увеличение - 60 крат.

    Этот фактор оказался настолько значимым, что галогенные лампы на 220 вольт приемлемой долговечности выпускаются только в виде трубок (так легче обеспечить равномерность спирали) и с мощностью от 150 Ватт. Точность изготовления спирали затруднена из-за того, что вольфрам - металл, тяжело поддающийся обработке: твердый и хрупкий, а из него необходимо вытянуть тонкую проволоку, да еще и смотать в спираль. Поэтому все галогенные лампы на 220 Вольт с рефлектором и без, рассчитаные на мощности ниже 150 Ватт, имеют очень малый срок службы! Если необходима мощность меньше 150 Ватт, то гораздо экономически эффективнее соответствующую по мощности лампу на 12 Вольт включить через понижающий трансформатор (независимо, классический или электронный).

    Люминесцентные газоразрядные лампы обладают, конечно, более высоким КПД, доходящим до 70 %, могут изготавливаться разного оттенка, но также имеют ограниченный срок службы. Кроме того им для работы обязательно требуются дросселя. Главными причинами выхода из строя являются перегорание спиралей поджига и изменение газового состава внутри лампы. В какой-то мере эти проблемы решаются применением электронных дросселей, многие из которых способны зажечь лампы с обеими сгоревшими спиралями поджига, но сами являются иногда источниками выхода из строя. Страсти под видом борьбы за экономию электричества, подогреваемые некоторыми крупными компаниями, заключающиеся в переходе на "долговечные" люминесцентные лампы, вкручивающиеся в обычный патрон Е27, уже утихли. Лампы оказались дорогими и не такими уж долговечными, как о них заявляли, а те же представители экологических организаций готовы ополчиться уже против производства этих ламп за ртуть, которую содержит каждая такая лампа. Да и насколько известно, на данный момент производство люминесцентных газоразрядных ламп в мире стремительно падает, а предприятия переоснащаются для производства светодиодных полупроводниковых систем освещения

    В заключении хотелось бы отметить, что при современных темпах развития светодиодных систем освещения, они скоро вытеснят как лампы накаливания, так и люминесцентные газоразрядные. Так, например, такая консервативная в плане конструкторских решений медицинская отрасль также интенсивно переходит на светодиоды (подсветка кольпоскопов, микроскопов, биохимические анализаторы, хирургические осветители и т. д.)

    Как сказал однажды мой хороший знакомый - полупроводники будут править миром!

    Мои наилучшие пожелания!        Игорь Лысоконь        г. Одесса        01/04/2012

    Эксклюзивно для Теле- РадиоМастер 2007