Устройство лампы накаливания

Устройство и назначение основных частей ламп накаливания

Разбирая строение лампы накаливания (рисунок 1, а) мы обнаруживаем, что основной частью ее конструкции является тело накала 3, которое под действием электрического тока накаливается вплоть до появления оптического излучения. На этом собственно и основан принцип действия лампы. Крепление тела накала внутри лампы осуществляется при помощи электродов 6, обычно удерживающих его концы. Через электроды также осуществляется подвод электрического тока к телу накала, то есть они являются еще внутренними звеньями выводов. При недостаточной устойчивости тела накала, используют дополнительные держатели 4. Держатели посредством впайки устанавливают на стеклянном стержне 5, именуемым штабиком, который имеет утолщение на конце. Штабик сопряжен со сложной стеклянной деталью – ножкой. Ножка, она изображена на рисунке 1, б, состоит из электродов 6, тарелочки 9, и штенгеля 10, представляющего собой полую трубочку через которую откачивается воздух из колбы лампы. Общее соединение между собой промежуточных выводов 8, штабика, тарелочки и штенгеля образует лопатку 7. Соединение производится путем расплавления стеклянных деталей, в процессе чего проделывается откачное отверстие 14 соединяющее внутреннюю полость откачной трубки с внутренней полостью колбы лампы. Для подвода электрического тока к нити накала через электроды 6 применяют промежуточные 8 и внешние выводы 11, соединяемые между собой электросваркой.

Рисунок 1. Устройство электрической лампы накаливания (а) и ее ножки (б)

Для изоляции тела накала, а также других частей лампочки от внешней среды, применяется стеклянная колба 1. Воздух из внутренней полости колбы откачивается, а вместо него закачивается инертный газ или смесь газов 2, после чего конец штенгеля нагревается и запаивается.

Для подвода к лампе электрического тока и ее крепления в электрическом патроне лампа оборудуется цоколем 13, крепление которого к горлу колбы 1 осуществляется при помощи цоколевочной мастики. На соответствующие места цоколя припаивают выводы лампы 12.

От того как расположено тело накала и какой оно формы зависит светораспределение лампы. Но касается это только ламп с прозрачными колбами. Если представить, что нить накала представляет собой равнояркий цилиндр и спроецировать исходящий от нее свет на плоскость перпендикулярную наибольшей поверхности светящей нити или спирали, то на ней окажется максимальная сила света. Поэтому для создания нужных направлений сил света, в различных конструкциях ламп, нитям накала придают определенную форму. Примеры форм нитей накала приведены на рисунке 2. Прямая неспирализированная нить в современных лампах накаливания почти не применяется. Связано это с тем, что с увеличением диаметра тела накала уменьшаются потери тепла через газ наполняющий лампу.

Рисунок 2. Конструкция тела накала:
а – высоковольтной проекционной лампы; б – низковольтной проекционной лампы; в – обеспечивающая получение равнояркого диска

Большое количество тел накала подразделяют на две группы. Первая группа включает в себя тела накала, применяемые в лампах общего назначения, конструкция которых изначально задумывалась как источник излучения с равномерным распределением силы света. Целью конструирования таких ламп является получение максимальной световой отдачи, что достигается путем уменьшения числа держателей, через которые происходит охлаждение нити. Ко второй группе относят так называемые плоские тела накала, которые выполняют либо в виде параллельно расположенных спиралей (в мощных высоковольтных лампах), либо в виде плоских спиралей (в маломощных лампах низкого напряжения). Первая конструкция выполняется с большим числом молибденовых держателей, которые крепятся специальными керамическими мостиками. Длинная нить накала размещается в виде корзиночки, тем самым достигается большая габаритная яркость. В лампах накаливания, предназначенных для оптических систем, тела накала должны быть компактными. Для этого тело накала свертывают в дужку, двойную или тройную спираль. На рисунке 3 приведены кривые силы света, создаваемые телами накала различных конструкций.

Рисунок 3. Кривые силы света ламп накаливания с различными телами накала:
а – в плоскости, перпендикулярной оси лампы; б – в плоскости, проходящей через ось лампы; 1 – кольцевая спираль; 2 – прямая биспираль; 3 – спираль, расположенная по поверхности цилиндра

Требуемые кривые силы света ламп накаливания можно получить применением специальных колб с отражающими или рассеивающими покрытиями. Использование отражающих покрытий на колбе соответствующей формы позволяет иметь значительное разнообразие кривых силы света. Лампы с отражающими покрытиями называют зеркальными (рисунок 4). При необходимости обеспечить особо точное светораспределение в зеркальных лампах применяют колбы, изготовленные методом прессования. Такие лампы называются лампами-фарами. В некоторых конструкциях ламп накаливания имеются встроенные в колбы металлические отражатели.

Рисунок 4. Зеркальные лампы накаливания

Применяемые в лампах накаливания материалы

Металлы

Основным элементом ламп накаливания является тело накала. Для изготовления тела накала наиболее целесообразно применять металлы и другие материалы с электронной проводимостью. При этом пропусканием электрического тока тело будет накаливаться до требуемой температуры. Материал тела накала должен удовлетворять ряду требований: иметь высокую температуру плавления, пластичность, позволяющую тянуть проволоку различного диаметра, в том числе весьма малого, низкую скорость испарения при рабочих температурах, обуславливающую получение высокого срока службы, и тому подобных. В таблице 1 приведены температуры плавления тугоплавких металлов. Наиболее тугоплавким металлом является вольфрам, что наряду с высокой пластичностью и низкой скоростью испарения обеспечило его широкое использование в качестве тела накала ламп накаливания.

Таблица 1

Температура плавления металлов и их соединений

Скорость испарения вольфрама при температурах 2870 и 3270°С составляет 8,41×10^-10 и 9,95×10^-8 кг/(см²×с).

Из других материалов перспективным можно считать рений, температура плавления которого немного ниже, чем у вольфрама. Рений хорошо поддается механической обработке в нагретом состоянии, стоек к окислению, имеет меньшую скорость испарения, чем вольфрам. Имеются зарубежные публикации о получении ламп с вольфрамовой нитью с добавками рения, а также покрытия нити слоем рения. Из неметаллических соединений интерес представляет карбид тантала, скорость испарения которого на 20 – 30% ниже, чем у вольфрама. Препятствием к использованию карбидов, в частности карбида тантала, является их хрупкость.

В таблице 2 приведены основные физические свойства идеального тела накала, изготовленного из вольфрама.

Таблица 2

Основные физические свойства вольфрамовой нити

Важным свойством вольфрама является возможность получения его сплавов. Детали из них сохраняют устойчивую форму при высокой температуре. При нагреве вольфрамовой проволоки, в процессе термической обработки тела накала и последующих нагревах происходит изменение ее внутренней структуры, называемое термической рекристаллизацией. В зависимости от характера рекристаллизации тело накала может иметь большую или меньшую формоустойчивость. Влияние на характер рекристаллизации оказывают примеси и присадки, добавляемые в вольфрам в процессе его изготовления.

Добавка к вольфраму окиси тория ThO₂ замедляет процесс его рекристаллизации и обеспечивает мелкокристаллическую структуру. Такой вольфрам является прочным при механических сотрясениях, однако он сильно провисает и поэтому не пригоден для изготовления тел накала в виде спиралей. Вольфрам с повышенным содержанием окиси тория используется для изготовления катодов газоразрядных ламп из-за его высокой эмиссионной способности.

Для изготовления спиралей применяют вольфрам с присадкой оксида кремния SiO₂ вместе со щелочными металлами – калием и натрием, а также вольфрам, содержащий, кроме указанных, присадку оксида алюминия Al₂O₃. Последний дает наилучшие результаты при изготовлении биспиралей.

Электроды большинства ламп накаливания выполняют из чистого никеля. Выбор обусловлен хорошими вакуумными свойствами этого металла, выделяющего сорбированные в нем газы, высокими токопроводящими свойствами и свариваемостью с вольфрамом и другими материалами. Ковкость никеля позволяет заменять сварку с вольфрамом обжатием, обеспечивающим хорошую электро- и теплопроводность. В вакуумных лампах накаливания вместо никеля используют медь.

Держатели изготавливают как правило, из молибденовой проволоки, сохраняющей упругость при высокой температуре. Это позволяет поддерживать тело накала в растянутом состоянии даже после его расширения в результате нагрева. Молибден имеет температуру плавления 2890 К и температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), в интервале от 300 до 800 К равный 55 × 10^-7 К^-1. Из молибдена делают также вводы в тугоплавкие стекла.

Выводы ламп накаливания изготавливают из медной проволоки, которую приваривают торцевой сваркой к вводам. У ламп накаливания малой мощности отдельные выводы отсутствуют, их роль выполняют удлиненные вводы, изготовленные из платинита. Для припаивания выводов к цоколю применяют оловянно-свинцовый припой марки ПОС-40.

Стекла

Штабики, тарелочки, штенгели, колбы и другие стеклянные детали, применяемые в одной и той же лампе накаливания, изготовляют из силикатного стекла с одинаковым температурным коэффициентом линейного расширения, что необходимо для обеспечения герметичности мест сварки этих деталей. Значения температурного коэффициента линейного расширения ламповых стекол должны обеспечивать получение согласованных спаев с металлами, используемыми для изготовления вводов. Наибольшее распространение получило стекло марки СЛ96-1 со значением температурного коэффициента, равным 96 × 10^-7 К^-1. Это стекло может работать при температурах от 200 до 473 К.

Одним из важных параметров стекла является интервал температур, в пределах которого оно сохраняет свариваемость. Для обеспечения свариваемости некоторые детали изготовляют из стекла марки СЛ93-1, отличающегося от стекла марки СЛ96-1 химическим составом и более широким интервалом температур, в котором оно сохраняет свариваемость. Стекло марки СЛ93-1 отличается повышенным содержанием окиси свинца. При необходимости уменьшения размеров колб применяют более тугоплавкие стекла (например, марки СЛ40-1), температурный коэффициент которых составляет 40 × 10^-7 К^-1. Эти стекла могут работать при температурах от 200 до 523 К. Наиболее высокую рабочую температуру имеет кварцевое стекло марки СЛ5-1, лампы накаливания из которого могут работать при 1000 К и более в течение нескольких сотен часов (температурный коэффициент линейного расширения кварцевого стекла 5,4 × 10^-7 К^-1). Стекла перечисленных марок прозрачны для оптического излучения в интервале длинн волн от 300 нм до 2,5 – 3 мкм. Пропускание кварцевого стекла начинается от 220 нм.

Вводы

Вводы изготовляют из материала, который наряду с хорошей электропроводностью должен иметь тепловой коэффициент линейного расширения, обеспечивающий получение согласованных спаев с применяемыми для изготовления ламп накаливания стеклами. Согласованными называют спаи материалов, значения теплового коэффициента линейного расширения которых во всем интервале температур, то есть от минимальной до температуры отжига стекла, отличаются не более чем на 10 – 15%. При впае металла в стекло лучше, если тепловой коэффициент линейного расширения металла несколько ниже, чем у стекла. Тогда при остывании впая стекло обжимает металл. При отсутствии металла, обладающего требуемым значением теплового коэффициента линейного расширения, приходится изготовлять не согласованные впаи. В этом случае вакуумно-плотное соединение металла со стеклом во всем диапазоне температур, а также механическая прочность впая обеспечиваются специальной конструкцией.

Согласованный спай со стеклом марки СЛ96-1 получают при использовании платиновых вводов. Дороговизна этого металла привела к необходимости разработки заменителя, получившего название "платинит". Платинит представляет собой проволоку из железоникелевого сплава с температурным коэффициентом линейного расширения меньшим, чем у стекла. При наложении на такую проволоку слоя меди можно получить хорошо проводящую биметаллическую проволоку с большим температурным коэффициентом линейного расширения, зависящим от толщины слоя наложенного слоя меди и теплового коэффициента линейного расширения исходной проволоки. Очевидно, что такой способ согласования температурных коэффициентов линейного расширения позволяет осуществлять согласование в основном по диаметральному расширению, оставляя несогласованным температурный коэффициент продольного расширения. Для обеспечения лучшей вакуумной плотности спаев стекла марки СЛ96-1 с платинитом и усиления смачиваемости поверх слоя меди, окисленного по поверхности до закиси меди, проволока покрывается слоем буры (натриевая соль борной кислоты). Достаточно прочные впаи обеспечиваются при использовании платиновой проволоки диаметром до 0,8 мм.

Вакуумно-плотный впай в стекло СЛ40-1 получают при использовании молибденовой проволоки. Эта пара дает более согласованный впай, чем стекло марки СЛ96-1 с платинитом. Ограниченное применение этого впая связано с дороговизной исходных материалов.

Для получения вакуумно-плотных вводов в кварцевое стекло необходимы металлы с весьма малым тепловым коэффициентом линейного расширения, которых не существует. Поэтому необходимый результат получаю благодаря конструкции ввода. В качестве металла используют молибден, отличающийся хорошей смачиваемостью кварцевым стеклом. Для ламп накаливания в кварцевых колбах применяют простые фольговые вводы.

Газы

Наполнение ламп накаливания газом позволяет повысить рабочую температуру тела накала без уменьшения срока службы из-за снижения скорости распыления вольфрама в газовой среде по сравнению с распылением в вакууме. Скорость распыления снижается с ростом молекулярной массы и давления наполняющего газа. Давление наполняющих газов составляет около 8 × 104 Па. Какой газ для этого использовать?

Использование газовой среды приводит к появлению тепловых потерь из-за теплопроводности через газ и конвекции. Для снижения потерь выгодно заполнять лампы тяжелыми инертными газами или их смесями. К таким газам относятся получаемые из воздуха азот, аргон, криптон и ксенон. В таблице 3 приведены основные параметры инертных газов. Азот в чистом виде не применяют из-за больших потерь, связанных с его относительно высокой теплопроводностью.

Таблица 3

Основные параметры инертных газов

Источник: Афанасьева Е. И., Скобелев В. М., "Источники света и пускорегулирующая аппаратура: Учебник для техникумов", 2-е издание переработанное – Москва: Энергоатомиздат, 1986 – 272с.