Типы ламп освещения – экскурс в многообразие светового оборудования

Сегодня очень часто можно наткнуться в интернете на материалы, рассказывающие о многообразии ламп, но ни один из виденных вариантов автором статьи нельзя назвать полным, а зачастую и вовсе приведенная информация не соответствует действительности. Именно по этой причине мы решили выпустить статью про современные лампы освещения.

Мы рассмотрим их классификацию, назовем основные принципы функционирования, не забыв указать на отдельные преимущества и недостатки.

Лампы накаливания

Начнем мы наш список со всем известных ламп накаливания, которые верой и правдой служат человечеству уже больше ста лет.

Представляет собой лампа накаливания искусственный источник света, который испускается за счет сильного нагрева тела накала, в качестве которого чаще всего выступает вольфрамовая нить. Первые модели таких лам имели угольные нити, которые служили значительно меньше.

Чтобы избежать окисления тела накала от воздействия воздуха, ее помещают в колбу, которая может быть:

• Вакууумированной;
• Заполненной парами галогенов (17-я группа периодической таблицы Менделеева);
• Наполненной инертными газами.

По этим признакам соответственно различают типы ламп: вакуумные, галогеновые, газовые (например, криптоновые). Все они имеют несколько отличные свойства, о чем вы узнаете дальше.

Принцип функционирования

Нагревание тела накала происходит за счет протекания через него электрического тока.

Совет! Если вам интересно узнать о тепловом воздействии тока, то ознакомьтесь с физическим законом Джоуля-Ленца.

Как только происходит замыкание электрической цепи, происходит моментальное повышение температуры. Сильно вдаваться в физические процессы, протекающие в веществах в это время, не будем, скажем лишь, что для получения видимого человеческим глазом свечения, их температура должна превысить отметку в 570ºС, что соответствует температуре красного свечения видимого спектра.

Как известно, самым удобным для физиологического восприятия человека является спектр свечения, который испускает  абсолютно черное тело, температура которого будет равна нагреву поверхности фотосферы нашего Солнца – 5770К. К сожалению, науке не известны вещества, способные выдержать такой нагрев, не потеряв при этом первоначальную молекулярную структуру, другими словами – которое не расплавится.

Диапазон температуры в которых работает вольфрамовая нить колеблется от 2000 до 2800ºС при температуре плавления этого металла в 3410 градусов. Реже в качестве тела накала могут использоваться рений и осмий.

Именно по этой причине спектр света, излучаемого лампой накаливания, смещен в сторону красного, то есть он нам кажется желтоватым – свет солнца становится таким при рассветах и закатах. При этом основная часть спектра находится в диапазоне инфракрасного излучения. Можно сразу отметить закономерность, что чем меньше температура нагрева излучающего вещества, тем более красным он нами видится.

• Для лучшей ориентации в видимом цвете света, придумали градацию по цветовой температуре, то есть каждому оттенку соответствует фиксированное значение в градусах. Лампы накаливания работают в цветовой температуре от 2200 до 2900К, что соответствует по шкале желтому цвету. Он отличается от естественного дневного, но очень приятен для восприятия нами вечерами, из-за того, что не нарушает выработку мелатонина – гормона, отвечающего за регуляцию суточных ритмов.
• При контакте с воздухом вольфрам начинает активно окисляться, образуя триоксид вольфрама – белесый налет на колбе лампы, когда она теряет свою герметичность. По этой простой причине вольфрамовое тело накала помещается в герметичную колбу, из которой откачивается воздух, а на замену закачивается инертный газ (криптон, аргон или азот) под определенным давлением. В таких условиях вольфрам испаряется намного медленнее, а это значит, что температура накаливания может быть увеличена, при этом также растет срок службы.

• В свою очередь, спектр свечения смещается в сторону белого. Увеличивается энергоэффективность лампы – большая часть излучения переходит в видимый спектр.
• На заре появления ламп накаливания внутреннее пространство колбы находилось под вакуумом, но такая конструкция не просуществовала долго, в силу своей несовершенности. Сегодня такие лампы бывают разве что маломощные (до 25 Вт).

Чистые металлы, к коим и относится вольфрам, а также их сплавы обладают положительным температурным коэффициентом сопротивления. Простыми словами это означает, что чем сильнее нагрет металл, тем больше он сопротивляется протекающему через него току.

Благодаря этой особенности лампа накаливания самостоятельно регулирует потребляемую мощность, то есть мы может подключать их в электрическую сеть напрямую без приборов ограничивающих ток. Это свойство выгодно отличает лампы накаливания от люминесцентных и светодиодных ламп, которым нужны драйверы и пускорегулирующие аппараты, именно эта особенность делает даже самые качественные лампы накаливания во много раз дешевле конкурентов.

Строение лампы

Строение лампы полностью зависит от ее типа. Давайте кратко пробежимся по общим деталям ламп накаливания:

• Колба – основная защита тела накала от атмосферных газов. Попутно она может выполнять роль рассеивателя. Размер колбы подбирается согласно скорости осаждения материала, из которого изготовлено тело накала.
• Газовая среда – так сказать, это внутренняя атмосфера лампы, состоящая, как уже говорилось, из инертных газов – чаще всего из смеси аргона и азота, что обусловлено их низкой себестоимостью. Данная среда позволяет уменьшить теплопотери, особенно, если закачаны газы с высокой молярной массой. Отдельно стоит отметить галогенные лампы, в которые добавляются галогены и их соединения. Испарившийся металл с тела накала при контакте с ними возвращается обратно благодаря температурному разложению образующихся соединений. Данное свойство означает больший срок службы, который в среднем будет дольше в 2,5 раза.

• Тело накала – этот элемент может быть разной формы и размера, в зависимости от типа и функционального назначения лампы. Чаще всего можно встретить круглую проволоку, для уменьшения размера закрученную в спираль, но существуют еще и ленточные варианты. По этой причине электротехники заменяют словосочетание «нить накала» на «тело накала» — именно этот термин входит в Международный светотехнический словарь. Стандартные лампы имеют расположение тела накала в виде половинки шестиугольника, что сделано для равномерного распределения потока света.

• Цоколь – форма его всем знакома. Это резьбовое соединение. Идея принадлежит английскому физику и химику Джозефу Суону. Стандартизировал размеры цоколя всем известный Томас Эдисон, предложив дожившие и до сегодня варианты Е40, Е27 и Е14.

Мысли автора! В очередной раз убеждаемся, как эффективно работает маркетинг. Большинство изобретений, которые сегодня приписывают Эдисону, ему вовсе не принадлежат, а заслуга его в основном – это первое массовое производство и объединение купленных патентов.

• Существуют и другие типы цоколей, например, байонетные, которые очень распространены в Британии. Американские цоколи отличаются от стандартных, ввиду пониженного напряжения в общественных сетях (110В) – сделано это для предотвращения возможности ввинчивания европейских ламп.

Преимущества и недостатки

Итак, существуют следующие типы ламп накаливания:

• Вакуумные;
• Аргоновые или азот-аргоновые;

• Криптоновые;
• Ксенон-галогенные с наличием инфракрасного отражателя;
• С покрытием, преобразующим ИК излучение в видимое – сегодня в этом направлении ведутся серьезные разработки.

Человек не желает полностью расставаться с лампами накаливания ввиду их преимуществ перед прочими источниками света, но и использовать их, как и раньше, нет возможности в связи с современной тенденцией к энергосбережению.

Вот достоинства этих ламп:

• Цена готового изделия;
• Компактные размеры;
• Невосприимчивость к качеству электропитания – скачкам напряжения;
• Мгновенное зажигание и выключение, что без проблем позволяет задействовать их в светодинамических устройствах;
• Мерцание этих ламп незаметно для нашего зрения;
• Легкая регуляция яркости путем изменения напряжения;
• Приятный для восприятия световой спектр – он возникает по тому же принципу, что и солнечный свет; не зависит от сторонних материалов и достигается только температурой излучателя; имеет стабильность во времени и полностью предсказуем; свечение ровное и чистое.

• Очень высокая цветопередача (100 Ra), что незаменимо при освещении музеев, аквариумов и прочего.
• Резкие тени, что опять же соответствует солнечному свету;
• Лампы не боятся конденсата и не реагируют на температуру окружающей среды;
• Они могут рассчитываться на разное напряжение, вплоть до сотен вольт;
• Не имеют в составе токсичных веществ;
• Ненадобность пускорегулирующей аппаратуры;
• Возможность работать от переменного и постоянного тока;
• Нет разницы в подключаемой полярности тока;
• Лампы бесшумны и не создают радиопомех;
• Они нечувствительны к ионизирующей радиации и электромагнитным импульсам.

Как видите достоинств очень много, но большинство из них сугубо технические.

Давайте теперь поговорим о недостатках:

1. Маленький срок службы – 1000 часов, что по сегодняшним меркам крайне мало;

Заметка от автора! Складывается четкое убеждение, что данные по срокам службы разных источников света «притянуты за уши», или установлены по эталонным образцам, сделанным из качественного сырья. Например, обычная лампа накаливания в ванной комнате у вашего покорного слуги уже беспрерывно служит 5 лет, тогда как галогеновые лампочки в комнатах, с, казалось бы, большим сроком работы (ставим, как положено, через тряпочку) горят нещадно. То же самое касается и энергосберегающих ламп, которые по заверениям производителей должны беспрерывно работать минимум 2000 часов.

2. Низкий КПД;
3. Зависимость срока службы и светимости от напряжения;
4. Выделение большого количества тепла, и как следствие — высокая пожароопасность;
5. При перегорании тела накала возможен разрыв колбы;
6. Высокие требования к термостойкости материалов под светильники;
7. Стеклянные колбы очень хрупкие.

Как вы понимаете, основными минусами, которые заставляют отказываться от этих ламп, являются пункты 2 и 6.

Газоразрядные лампы

Классификация ламп освещения продолжается.  Следующими в списке пойдут газоразрядные источники света, которые излучают энергию в видимом диапазоне.

Свечение в лампах возникает благодаря появлению между катодами электрической дуги, наподобие той, что мы видим при работе со сварочным аппаратом. Возникает она при достаточной ионизации вещества, находящегося в газообразном состоянии, и образовании плазмы.

Несмотря на то, что принцип работы таких ламп одинаков, их принято делить по источнику света.

Люминесцентные лампы

Первые в этом списке – люминесцентные источники света, самым классическим вариантом которых является стандартная трубчатая модель, используемая на производствах и в подъездах. Довольно широкое распространение получили и компактные лампы, которые люди больше знают под названием «энергосберегающие».

Видимый свет от такого источника образуется при прохождении ультрафиолета через слой люминофора, которым покрыта внутренняя сторона колбы, излучение возбуждается газовым разрядом.

Внутреннее пространство в таких лампах заполнено инертными газами и парами ртути. На концах колбы располагаются вольфрамовые электроды, между которыми непрерывно горит дуговой разряд.

При прохождении электрического разряда через такую среду образуется ультрафиолетовое излучение, которое человеческий глаз не видит. Преобразуется оно в видимый свет только при прохождении через люминофор, от состава которого зависит как цвет свечения, так и его яркость.

В качестве люминофоров чаще всего используют ортофосфаты кальция-цинка или галофосфаты кальция.

• Световая отдача у таких источников выше в среднем в 2,5 раза, чем у лампы накаливания. Служит она примерно около пяти лет при соблюдении максимального количества включений равного 2000, то есть не более 5 раз в сутки.
• Применяются они широко для освещения различных общественных зданий: больниц, школ, канцелярий и прочих – с их помощью организовывается основное и аварийное освещение.
• После появления ламп со стандартным винтовым цоколем и электронным пускорегулирующим аппаратом, они широко распространились и в быту. Помимо этого они часто используются при персональном освещении рабочих мест, световой рекламе и уличной декоративной подсветке строений.

В отличие от своего предшественника, хотя так говорить, наверное, неправильно, ведь первые газоразрядные лампы появились еще в далеком 1856 году, то есть раньше современных ламп накаливания. Однако имелся в виду конкурент, который до этого полностью занимал бытовую нишу.

Итак, в отличие от ламп накаливания, люминесцентные источники света являются более энергоэффективными, что считается их главным преимуществом.

Вот остальные достоинства такого решения:

• Большое разнообразие световых оттенков;
• Рассеянный свет, не дающий резких теней, что важно, например, при фотосъемке;
• Долгий срок службы от 2000 до 20000 часов – важно понимать, что данный показатель целиком зависит от качества применяемых радиодеталей в пускорегулирующих аппаратах и качества люминофора. При этом люминесцентные лампы нуждаются в хорошем электропитании. Поэтому, если хотите, чтобы ваша лампа служила долго, покупайте качественный продукт от производителей с именем.

Однако люминесцентные лампы, впрочем, как и все газоразрядные, в последнее время стали очень активно вытесняться светодиодными источниками света, и причин, по которым они сдают свои позиции предостаточно:

• Самая главная – это химическая опасность из-за использования в конструкции токсичной ртути;
• Спектр свечения ламп линейчатый, неравномерный. Он неприятен для зрения и способен искажать цвета. Существуют лампы с высоким индексом цветопередачи, но они, во-первых, дороги, а во-вторых, не могут излучать также активно, как стандартные.
• За время эксплуатации люминофор начинает деградировать, что приводит к снижению КПД, ухудшению цветопередачи и падению яркости свечения.

• Лампа имеет неприятное мерцание, заметное глазу человека. Наличие достаточно емких конденсаторов в ЭПРА может решить проблему, но производители часто экономят, ставя детали недостаточной емкости.
• Все газоразрядные источники света не могут быть подключены к электрической сети напрямую, из-за чего используется пускорегулирующая аппаратура, что не может не сказаться на габаритах ламп и их стоимости.
• Люминесцентные лампы создают неудачную нагрузку для электрической цепи, что также исправимо при наличии дорогих ЭПРА.

Более подробно узнать о люминесцентных лампах, в том числе и истории их появления, вы можете в одной из недавно вышедших на нашем сайте статей.

Газосветные лампы

Эти источники света отличает то, что светится в них не люминофор, а сам газ. Ярким примером являются неоновые лампы.

Запускаются он по технологии холодного катода, то есть он предварительно не разогревается за счет подаваемого тока, а используется эмиттер свободных электронов. Такой старт вреден для лампы, однако она может разгораться мгновенно, в отличие от горячего запуска, где лампа увеличивает яркость постепенно. В процессе работы лампы, катоды также достигают температуры, как и при горячем запуске, но не сразу.

Лампы, работающие по такому принципу, раньше использовали для подсветки жидкокристаллическиж экранов, сегодня им на смену пришли светодиоды. Газосветные лампы очень экономичны, но для полноценного освещения они не применяются.

Электродосветные лампы

Перед вами последний газоразрядный источник света. Светятся в них электроды, которые возбуждаются газовым разрядом. Сильно углубляться в тонкости этих приборов не станем, так как они очень близки к уже названным.

Общие свойства газоразрядных источников света

• Итак, по величине давления внутри колбы газоразрядные лампы делят на модели высокого (ГРЛВД) и низкого (ГРЛНД) давления.
• Все они обладают очень высокой светоотдачей, а значит, расходуют меньше электричества.

• Внутри ламп применяются разные газы: пары металлов (натрия и ртути), неон, ксенон и прочие, включая разные смеси.
• Цветовая температура свечения ламп может разниться от 2200 до 20000К.
• Для работы разрядных источников света необходимы пусковые аппараты.

В остальном мы уже всего коснулись и уже пора переходить к последнему виду ламп в нашем списке.

Светодиодные лампы

Внутри каждой такой лампы находится много светодиодов, которые представляют собой полупроводники определенного типа, при прохождении через которые электрического тока, создается световое излучение. Используются они как для промышленного, так и бытового освещения, являя собой самый современный, экономичный и экологически безопасный источник света.

Уже сегодня светодиодные лампы получают очень широкое распространение. Они активно используются в бытовой электронике для подсветки матриц жидкокристаллических дисплеев, что позволило сделать различные приборы более компактными – появились телефоны с цветными экранами, за ними смартфоны, планшеты, сверхтонкие телевизоры и многое другое.

Их задействуют для уличного освещения и растениеводства, в общем, практически везде.

Для таких ламп характерны следующие преимущества:

• Очень низкое энергопотребление – они эффективнее большинства разрядных ламп;
• Большой срок службы, не зависящий от количества включений/выключений. Дошло до того, что производители не могут назвать точных цифр, ориентируясь только по прогнозам специальных методов, которые выдают значения от 30 до 70 тысяч часов.
• Низкое тепловыделение, что позволяет применять их вблизи легко воспламеняемых веществ.
• Значительная механическая прочность – лампа легко переживает даже падение с высоты в пару метров.
• Экологическая безопасность – отсутствие паров ртути, однако сразу заметим, что многие недобросовестные производители не брезгуют использовать токсичные пластики, свинец-содержащие припои и электролиты.
• Достаточно высокий цветовой спектр от 2700 до 6500 К, что позволяет создать нужное освещения практически для всех бытовых нужд.
• Светодиоды не инертны и запускаются сразу на максимальной яркости.
• Существуют модели ламп с разным углом свечения.
• Нечувствительность к очень низким температурам, тогда как люминесцентные лампы могут вовсе не стартовать.
• Беспроблемная утилизация.

Не обошлось и без недостатков, коих тоже не мало:

• Первый – это высокая цена, особенно, если речь идет о качественной фирменной продукции.
• Многие лампы светят в одном направлении и не в состоянии осветить нормально окружающее пространство, что в определенных моментах можно считать и достоинством.
• Многие производители, особенно китайские, в погоне за яркостью и высоким КПД не уделяют должного внимания ровности свечения – их лампы неприятно пульсируют.
• Светодиоды боятся перегрева. Все тепло, которое они выделяют, уходит в цоколь, и если производитель сэкономил на радиаторе, то не ждите, что лампа прослужит вам долго.
• Чаще в схемах используется последовательное подключение светодиодов, а значит, при выходе хотя бы одного из них из строя перестанут работать и остальные (как гирлянда).
• Знайте, что абсолютное большинство продаваемых сегодня в России светодиодных ламп не соответствует стандартам и нормам, которые установлены на ее территории. Ситуация не сильно меняется уже с 2011 года.
• Многие продаваемые лампы не имеют точной маркировки всех характеристик, что в значительной степени усложняет подбор правильного освещения.

• Большинство белых светодиодов имеют провал в излучаемом спектре в районе волны соответствующей по длине 480 нм. Именно на это излучение реагирует человеческий зрачок, сужаясь при попадании света. В результате сетчатка может получить дозу вредного синего излучения, и зрение может пострадать. Однако некоторые фирмы уже производят безвредные светодиоды.
• Вообще о вредности светодиодов для зрения в СМИ говорят достаточно часто. Однако стоит понимать, что речь идет о долгом взгляде, направленном непосредственно на источник света, что в бытовых условиях практически не случается.

Со временем светодиоды теряют свою яркость, постепенно выгорая – у всего на этом свете есть ресурс.

На этом закончим наше повествование. Мы рассмотрели все бытовые лампы освещения. Если тема показалась вам интересной, то вы можете почитать профильные статьи на нашем ресурсе.

Также советуем ознакомиться с видео в этой статье, где дана инструкция о том, как меняются своими руками лампы с разными цоколями на примере профессионально осветительного оборудования для фотосъемки.