Типы ламп накаливания

Задачи стандартизации

Широкое распространение ламп накаливания во всех областях промышленности и в быту требует обеспечения их взаимозаменяемости и одинаковости параметров одних и тех же ламп, выпускаемых различными заводами. Применение методов выборочного контроля основных параметров ламп также требует жесткой регламентации и не только номинальных параметров, но и возможных технологических отклонений. И, наконец, развивающаяся международная торговля ставит задачу унификации параметров ламп накаливания в пределах международных требований. В связи с указанным параметры ламп накаливания как массовой продукции определяются государственными стандартами.

Система ГОСТов на лампы накаливания включает стандарты на основные технические требования и методы испытания, а также стандарты на отдельные типы ламп накаливания, в основном по признаку области применения. Методы измерения электрических и светотехнических параметров ламп накаливания стандартизированы, что обеспечивает возможность сравнения параметров отдельных ламп и воспроизводимость результатов.

Электрические параметры ламп измеряют при стабилизированном напряжении, равном номинальному (или расчетному) напряжению лампы. Световой поток ламп накаливания оценивают сравнением его со световым потоком ламп эталонов. Для этого испытуемую и эталонную лампы накаливания поочередно помещают в светомерный шар. Силу света измеряют на фотометрической скамье также путем сравнения измеряемой и эталонной ламп. Кривую силы света определяют на распределительном фотометре.  Подробно об измерениях световых и электрических параметров рассказано в курсе основ светотехники.

Множество областей применения, конструктивных и других особенностей ламп накаливания затрудняет проведение их четкой классификации на основе какого-либо одного из возможных признаков. Вместе с тем классификация имеет большое значение для создания удобной системы обозначения ламп, необходимой для правильного планирования производства, распределения ламп и учета потребностей рынка в лампах накаливания.

Исходя из сказанного в качестве одного из основных признаков классификации взята область применения ламп накаливания, которая в значительной степени совпадает с областью промышленности и быта, в которых эти лампы используются. Так как от основного конструктивного признака лампы зависит технология ее изготовления, а следовательно, оборудование, применяемое для ее сборки, то конструктивный признак является вторым элементом классификации. Иногда по конструктивному признаку лампы накаливания выделяются в самостоятельный тип (например, галогенные лампы накаливания). Для ламп накаливания общего назначения особенно важны дополнительные признаки. Потребность в таких лампах настолько велика, что их производство имеется практически на всех ламповых заводах, что способствует также сокращению перевозок для поставки ламп потребителям.

Исходя из этих соображений установлена система маркировки ламп по их основным признакам, определяющим их классификацию. Группы ламп, объединяемые первым признаком классификации, принято объединять названием "ассортимент". Такая классификация ламп накаливания имеет преимущество, заключающееся в возможности объединять в общих технических условиях требования, которым должны удовлетворять лампы данного ассортимента, а следовательно, не создавать на каждый ассортимент технических условий. Перечень государственных стандартов на различные ассортименты ламп накаливания, выпускаемые ламповой промышленностью, приведен в таблице 1.

Таблица 1

Государственные стандарты на лампы накаливания

Маркировка ламп накаливания содержит:

• первые буквы (от одной до четырех), характеризующие лампы по важнейшим физическим и конструктивным особенностям (В – вакуумная моноспиральная, Г – газополная моноспиральная, Б – газополная биспиральная, К – криптоновая, МТ – с матированной колбой и тому подобные); ряд специальных ламп этих букв в обозначении не имеет;
• буквенное обозначение (из одной или двух букв) назначения лампы (А – автомобильная, Ж – железнодорожная, КМ – коммутаторная, ПЖ – прожекторная, СМ – самолетная и тому подобные);
• цифры, определяющие номинальное напряжение в вольтах и через дефис номинальную мощность в ваттах. Для специальных ламп вместо мощности указывают силу света в канделах, ток в амперах или световой поток в люменах. Для двухспиральных ламп через знак плюс указывают мощность первой и второй спиралей;
• цифру, указывающую порядковый номер разработки, если разработка осуществлена повторно.

Лампы общего назначения и местного освещения

Параметры ламп накаливания общего назначения нормируются ГОСТ 2239-79. Эти лампы предназначены для установки в светильники общего освещения бытовых и общественных помещений, а также открытых пространств. Лампы рассчитаны на включение в электрическую сеть с номинальным напряжением 127 и 220 В. Установившаяся шкала мощностей этих ламп, построенная на основе ряда предпочтительных чисел, приведена в таблице 2, в которой указаны значения световых потоков при напряжении 220 В.

Таблица 2

Номинальные световые потоки ламп накаливания общего назначения по ГОСТ 2239-79

Ассортимент ламп разбивается на группы в зависимости от видов тела накала (спираль или биспираль) и наполнения (вакуумные, газополные).

Форма колбы, способ монтажа, марка стекла и тип цоколя выбираются из соображений дешевизны, удобства технологи с учетом получения оптимальной световой отдачи при сроке службы 1000 часов. Отметим, что в последнее время эффективность конструкции ламп накаливания оценивается по большому числу факторов, в том числе эксплуатационных.

Никаких специальных требований к светораспределению или механической прочности этих ламп не предъявляется, кроме прочности крепления цоколя. Температурные и другие климатические требования выполняются благодаря правильному выбору материалов. Наибольшего внимания в этом отношении требует материал цоколя и цоколевочной мастики. Так как лампы не предназначены для длительного хранения, их цоколи изготовляют из ленточной стали с последующим цинкованием и пассивированием. Прочность крепления цоколя к колбе нормируется значением крутящего момента (в пределах 0,05 – 5 Н × м). После испытания ламп на срок службы допускается его снижение в 2 раза.

Лампы снабжаются, как правило, резьбовыми цоколями, но допускается их изготовление и со штифтовыми цоколями.

Лампа накаливания местного освещения, выпускается по ГОСТ 1182-77, отличаются напряжением питания, которое согласно технике безопасности не должно превышать 36 В, а для особо опасных помещений – 12 В. Мощности ламп местного освещения ограничены и составляют 15, 25, 40 и 60 Вт. Срок службы каждого экземпляра лампы должен составлять не менее 70% средней продолжительности горения.

Лампы для транспортных средств

Лампы этого ассортимента подразделяются на четыре группы: лампы накаливания железнодорожные (ГОСТ 1181-74), лампы накаливания судовые (ГОСТ 1608-88), лампы накаливания самолетные и лампы накаливания автомобильные (ГОСТ 2023.1-88). Развитие средств транспорта привело к тому, что этот ассортимент по массовости почти не уступает ассортименту ламп накаливания общего назначения. Лампы указанных групп различаются прежде всего напряжением сети, для которой они предназначены. Объединяет их наличие специальных требований по механической прочности.

Лампы накаливания для железнодорожного транспорта имеют сравнительно низкое номинальное напряжение (50 В), облегчающее изготовление ламп с повышенной механической прочностью. Электрические параметры и размеры железнодорожных ламп для подвижного состава приведены в таблице 3, а характерные конструкции – на рисунке 1.

Таблица 3

Параметры железнодорожных ламп накаливания по ГОСТ 1181-74

Рисунок 1. Лампы железнодорожные а – типа Ж54-25 для общего освещения вагонов; б – типа Ж54-15 для индивидуального освещения

Проверка механической прочности ламп предусматривает их испытание на вибропрочность при частоте 25 Гц и амплитуде 1 мм в течение 6 часов, из которых 3 часа во включенном состоянии. Кроме того, лампы должны выдержать 1000 ударов с ускорением 3g частотой 40 – 100 ударов в минуту.

Судовые лампы накаливания сначала выполнялись только для сети постоянного тока напряжением 110 и 220 В. В настоящее время на судах применяется также переменное напряжение 127 В, что вызвало необходимость разработки новых ламп. В число судовых ламп помимо осветительных входят лампы для судовой сигнализации. Укажем, что лампы, применяемые на морском и речном транспорте, должны иметь конструкцию, обеспечивающую их большую механическую прочность, так как при эксплуатации на судах лампы подвергаются вибрации, вызванной работой судовых машин, и ударам, происходящим при швартовке и других маневрах. Это привело к необходимости увеличить число держателей тела накала. Механическая прочность ламп проверяется на вибропрочность при частоте 25 Гц амплитудой 1 мм и ударом на специальном копре, используемом для испытания и других видов судового оборудования. Судовые лампы выпускают на напряжение от 13 до 220 В мощностью от 25 до 220 Вт.

Большое число типов ламп имеется в ассортименте самолетных ламп. Общим для него является номинальное напряжение 27 В. Ассортимент самолетных ламп включает в себя самые разнообразные лампы – от миниатюрных с бусинковой ножкой до фарных с колбой, имеющей отражающее покрытие, и даже ламп-фар с колбой, сваренной из двух отдельно штампуемых частей. Конструкции самолетных ламп являются, как правило, малогабаритными, что связано с ограниченностью объемов, в которых они размещаются, а также необходимостью максимального уменьшения массы. Эти же требования привели к появлению в номенклатуре самолетных ламп накаливания с галогенным циклом. Механическая прочность самолетных ламп обусловлена главным образом вибрациями при их эксплуатации. Вибростойкость ламп испытывается на вибростендах при заданных частотах.

Ассортимент автомобильных ламп включает в себя также лампы для мотоциклов и тракторов. Ввиду экономической целесообразности применения однопроводной системы электрического питания на этих видах транспорта, а также использования аккумуляторных батарей напряжения ламп имеют малые значения. Они равняются 6, 12 и 24 В. Однако из-за особенностей электрического режима аккумуляторных батарей расчетные напряжения ламп приняты отличными от номинальных – соответственно 6,7; 13,5 и 28 В. Большинство автомобильных ламп работает в оптических системах и требует фиксированного положения тела накала относительно цоколя. Особые требования предъявляют к лампам, применяемым в автомобильных фарах. Лампа имеет два тела накала, к каждому из которых предъявляются специальные требования, главным из которых является точность монтажа по отношению к деталям цоколя. В таблице 4 приведены параметры автомобильных ламп для фар.

Таблица 4

Параметры ламп для фар автомобилей по ГОСТ 2023.1-88

Рисунок 2. Двухнитевая головная автомобильная лампа-фара: 1 – рассеиватель; 2 – отражатель; 3 – нити накала

Кроме двухнитевых ламп для фар выпускаются специальные лампы-фары, представляющие собой лампы накаливания с заданным распределением светового потока, требующим высокой его концентрации, достигаемой большой точностью изготовления оптических элементов. Высокая точность обеспечивается применением сварной колбы, состоящей из штампованных стеклянных деталей. Преимущество такой системы по сравнению со световым прибором прожекторного типа, в котором устанавливается соответствующая прожекторная лампа или лампа фара, заключается в том, что точность взаимного расположения тела накала и оптических элементов светораспределения обеспечивается при сборке ламп-фар на заводе-изготовителе и не может быть нарушена в процессе эксплуатации.  Кроме того, отражающее покрытие оказывается запаянным в оболочку, наполненную инертным газом, то есть защищено от каких-либо внешних воздействий, и сохраняет тем самым свои отражающие свойства в течение всего срока службы лампы. Лампы-фары нашли применение в тех областях, в которых вышеперечисленные преимущества окупают их большую стоимость по сравнению со стоимостью обычных ламп или прожекторных ламп. Надо помнить, что при перегорании лампа-фара подлежит замене целиком независимо от состояния отражающего покрытия и других оптических элементов. Даже при этих условиях применение ламп-фар получило распространение в тех странах, где созданы хорошо механизированные и автоматизированные их производства. На рисунке 2 приведена конструкция автомобильной лампы-фары, предназначенной для головных огней автомобиля.

У ламп-фар отсутствует цоколь в обычном представлении. Для присоединении к сети питания у ламп-фар на тыльной стороне рефлектора находятся контактные детали, представляющие собой ламели или винтовые контакты.

Прожекторные лампы

Рисунок 3. Лампы кинопроекционные: а – типа К6-30; б – типа К40-750

Ассортимент прожекторных ламп подразделяют на три группы: лампы для киноаппаратуры (ГОСТ 4019-74), лампы для прожекторов общего назначения (ГОСТ 7874-76) и лампы маячные (ГОСТ 16301-80). Все эти лампы имеют фиксировано расположенное концентрированное тело накала, которому стремятся придать максимальную габаритную яркость. Поэтому для большинства  ламп нормируют габаритные размеры тела накала и используют фокусирующие цоколи. Для большинства ламп этого ассортимента, кроме того, оговаривают положение их горения.

Для ламп, работающих в кинопроекционной аппаратуре (рисунок 3), приняты, как правило, небольшие напряжения, позволяющие изготовлять тело накала из фольфрамовой проволоки большого диаметра, что обеспечивает соответствие срока службы каждой лампы установленной средней продолжительности горения. У ламп, предназначенных для горения цоколем вверх, тело накала конструктивно удалено от ножки для исключения перегрева цоколя.

Прожекторные лампы изготовляют на напряжения: 50 В (для железнодорожного транспорта), 110 В (для судов речного и морского флота) и 127 и 220 В (общего назначения).  Типичные конструкции прожекторных ламп со слабо ограниченным положением при горении приведены на рисунке 4. На рисунке 5 показаны характерные конструкции прожекторных ламп в рабочем положении, имеющие ограничение по этому признаку. Некоторые лампы снабжены фокусирующими цоколями. На рисунках 4 – 6 дана принятая в стандартах на лампы накаливания система обозначения их основных размеров.

Рисунок 4. Лампы накаливания прожекторные общего назначения со слабо ограниченным положением при горении:
а – для железнодорожных прожекторов на напряжение 50 В; б и в – для прожекторов общего назначения

Рисунок 5. Лампы прожекторные с вертикальным положением горения:
а – типа ПЖ110-500-2 в цилиндрической колбе с фокусирующим цоколем; б – типа ПЖ110-1000 с резьбовым цоколем; в – то же типа ПЖ220-500

Маячные лампы (рисунок 6) отличаются от прожекторных тем, что они используются в линзовых оптических системах с большими углами охвата, что исключает необходимость располагать тело накала в одной плоскости. При этом требуется лишь его достаточная компактность. Маячные лампы рассчитаны на напряжение от 6 до 110 В и мощности от 3 до 1000 Вт. Контроль правильности расположения тела накала относительно фиксирующих элементов фокусирующих цоколей осуществляется проектированием изображения тела накала в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Для всех типов маячных ламп нормируется срок службы каждой лампы, что связано с труднодоступностью их замены в аппаратуре.

Рисунок 6. Лампы маячные с резьбовыми и штифтовыми цоколями:
а – на напряжение 6 В; б – на напряжение 110 В

Миниатюрные и сверхминиатюрные лампы

Совершенствование технологии производства тонких вольфрамовых проволок (менее 10 мкм) позволило создать широкий ассортимент миниатюрных и сверхминиатюрных ламп. Последние нашли большое применение в медицинских приборах, в качестве индикаторов в электронной аппаратуре, в вычислительной технике и летательных аппаратах. Все лампы рассчитаны на низкое напряжение, обеспечивающее возможность применения тела накала малой длины, и изготовляются на малые мощности. В требованиях к лампам часто вместо нормируемой мощности указывается ток. Требования к миниатюрным лампам накаливания объединены в ГОСТ 2207-74. Хотя лампы имеют различные области применения, объединение их в один стандарт оправдано тем, что их изготовление требует использования специального технологического оборудования. Для ламп используются самые маленькие резьбовые и штифтовые цоколи. Типичная конструкция миниатюрных ламп представлена на рисунке 7, сверхминиатюрных – на рисунке 8.

Рисунок 7. Миниатюрные лампы накаливания	Рисунок 8. Лампа сверхминиатюрная

Некоторые специальные типы ламп

Рисунок 9. Инфракрасная зеркальная лампа накаливания: 1 – внутренний алюминированный отражатель; 2 – участок колбы, матированный снаружи

Рисунок 10. Светофорная лампа

Рисунок 11. Лампа коммутаторная: 1 – колба; 2 – тело накала; 3 – контакты; 4 – цоколь

Кроме описанных выше выпускается большое число типоразмеров ламп накаливания. Остановимся только на тех, на которые имеются стандарты, что свидетельствует об их достаточно широком применении. К таким лампам относятся: лампы накаливания в цилиндрической колбе (ГОСТ 5011-77), лампы накаливания инфракрасные зеркальные (ГОСТ 13874-76), лампы для железнодорожных светофоров (ГОСТ 11085-79), лампы накаливания рудничные (ГОСТ 12123-76) и лампы накаливания коммутаторные (ГОСТ 6940-74).

Объединение в одном стандарте ламп накаливания в цилиндрических колбах, предназначенных для разных потребителей, позволило унифицировать большинство стеклянных деталей этих ламп. По конструкции лампы аналогичны судовым лампам в цилиндрических колбах и имеют невысокую световую отдачу вследствие применения большого числа держателей для крепления тела накала.

Инфракрасные зеркальные лампы имеют колбы, аналогичные по форме колбам, применяемым в осветительных зеркальных лампах. Конструкция лампы показана на рисунке 9.

Лампы для железнодорожных светофоров имеют простую конструкцию, снабжены фокусирующим цоколем и рассчитаны на напряжение 10 – 12 В, обеспечивающее их повышенную надежность, необходимую в условиях транспорта. Лампы выпускаются мощностью 15, 25, 35 Вт и отвечают повышенным требованиям к механической прочности. Конструкция лампы для железнодорожных светофоров представлена на рисунке 10. Специальный цоколь с фиксаторами позволяет устанавливать лампу с поворотом на требуемый угол 45°, что исключает ее случайное выпадывание из патрона.

Ассортимент рудничных ламп объединяет лампы, предназначенные для применения в рудничных аккумуляторных светильниках. Особенностью ламп является наличие запасного тела накала, используемого в случае перегорания основного. Запасное тело накала имеет самостоятельный вывод и для большей надежности меньший рабочий ток.

Коммутаторные лампы используются в качестве сигнальных источников света в телефонных коммутаторах. Их ассортимент состоит из ламп, рассчитанных на различные напряжения от 6 до 60 В, а параметры нормируются по току и силе света в направлении оси лампы. Дополнительным регламентируемым параметром является превышение температуры колбы, которое не должно быть более 120 °С после 5 минут горения. Лампы рассчитывают на минимальный диаметр (рисунок 11). В лампе применена бусинковая ножка, цоколь крепится без использования цоколевочной мастики.

Лампы-светильники

Кроме ламп-фар к типу ламп светильников относят  и инфракрасные зеркальные лампы, предназначенные для направленного лучистого нагрева (смотрите рисунок 9). Для преимущественно инфракрасного излучения тело накала у таких ламп рассчитывают на более низкие температуры, чем у осветительных ламп. Одновременно это позволило в настоящее время повысить срок службы инфракрасных ламп до 5000 часов. Для направления потока излучения на нагреваемую поверхность тело накала размещают в фокусе зеркализуемой поверхности колбы. Зеркализация обычно осуществляется методом вакуумного алюминирования. Купол колбы матируется для исключения бликов, неизбежных при технологических допусках на взаимное расположение тела накала и отражающей поверхности и на отклонение формы самой поверхности. Зеркальные лампы выпускаются на стандартные напряжения 127 и 220 В, а также на напряжение 240 В мощностью от 40 до 1000 Вт в бесцветных и темно-красных колбах. Последние применяются при необходимости ограничения видимого излучения.

В таблице 5 приведены параметры некоторых типов инфракрасных зеркальных ламп накаливания, выпускаемых по ГОСТ 13874-76. Обозначение ламп содержит: первую букву З – зеркальные, вторую – тип кривой светораспределения (К – концентрированное, С – среднее, Ш – широкое), значение номинального напряжения и мощности лампы в ваттах. Для ламп концентрированного и среднего светораспределения сила света нормируется по оси лампы, для ламп широкого светораспределения – под углом (70±5)° к оси.

Таблица 5

Параметры инфракрасных зеркальных ламп по ГОСТ 13874-76

Галогенные лампы

Открытие галогенового цикла в лампах накаливания, вызвало появление в производстве принципиально новых конструкций ламп. Основной эффект от применения галогенов состоит в возможности создания ламп накаливания значительно меньших габаритных размеров со значительно большей световой отдачей при тех же мощностях. Средняя световая отдача галогенных ламп, предназначенных для общего освещения, составляет 22 лм/Вт при сроке службы 2000 часов. Применение галогенного цикла привело к разработке ламп накаливания, позволяющих сконцентрировать на сравнительно небольшой площади излучение большой мощности и применить их в ряде специальных технологических процессов, например для нагрева различных материалов.

Устройство прямой галогенной лампы показано на рисунке 12. Колба лампы 1 представляет собой трубку из кварцевого стекла, по оси которой расположено тело накала в виде спирали или биспирали 2. Вводы в кварц представляют собой полоски молибденовой фольги 4, заштампованные в сплошные концы кварцевой трубки. Внутренняя часть электродов выполнена из вольфрама 3, внешние выводы – из молибдена 5. В лампах большой мощности, имеющих длинную спираль, для устранения ее провисания применяют держатели 7 из вольфрама. Для откачки, вакуумной обработки и наполнения лампы в средней части колбы припаивается штенгель из кварцевого стекла, после отпайки которого остается утолщение 6. Для крепления и присоединения к сети на концы лампы надеты цоколи 8.

Рисунок 12. Конструкция трубчатой галогенной лампы накаливания

В настоящее время технология изготовления галогенных ламп накаливания настолько отработана, что это позволило создать целую гамму ламп: для светильников общего, киносъемочного и телевизионного вещания, прожекторов, инфракрасных облучателей, автомобильных фар, аэродромных огней и тому подобных.

По конструктивным признакам галогенные лампы делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала (аналогично конструкции на рисунке 12) и с концентрированным телом накала. Первая группа ламп имеет выводы с двух сторон, вторая – с одной стороны.

Обозначение типа галогенных ламп накаливания включает: первая буква – материал колбы (К – кварц); вторая буква – вид галогенной добавки (И – чистсый йод, Г – галогенные смеси); третья буква – область применения (О – облучательная), или конструктивная особенность (М – малогабаритная, К – концентрированное тело накала), либо то и другое вместе; первая группа цифр – мощность в ваттах (или сила света, ток или световой поток в зависимости от назначения лампы); последняя цифра – номер разработки, если эта разработка не произведена впервые. Для автомобильных ламп первой ставится буква А.

Номенклатура галогенных ламп накаливания насчитывает более 150 наименований. В таблице 6 приведены параметры различных галогенных ламп. Галогенные лампы общего применения имеют срок службы 2000 часов, то есть в 2 раза выше, чем обычные лампы накаливания; у других типов галогенных ламп срок службы колеблется в зависимости от назначения лампы. Лампы для инфракрасного облучения благодаря низкой температуре тела накала (2400 – 2700 К) обладают повышенным сроком службы (до 5000 часов). Облучательные лампы предназначены для эксплуатации, как правило, в горизонтальном положении.

Таблица 6

Параметры галогенных ламп накаливания

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