Лампы накаливания
Характеристики излучения
Эти лампы начали постепенно входить в наш быт с конца XIX – начала XX века.
Это чисто тепловой источник света, и в этом отношении лампа накаливания – близкий родственник свечи и Солнца. Чем ближе температура теплового источника к температуре поверхности Солнца, тем больше похожи спектры их излучений. Нить накала лампы (вольфрамовый волосок, закрученный в виде спирали) при пропускании через неё тока раскаляется до температуры 2600–3000 К. Спектр её излучения непрерывный, как и солнечный, но из-за более низкой температуры максимум излучения приходится не на видимую, а на инфракрасную часть спектра. И хотя практически вся потребляемая лампой электроэнергия превращается в излучение, в видимый диапазон попадает не более 5 % энергии. Это и есть КПД (коэффициент полезного действия) лампы. То есть на каждый заплаченный за электроэнергию рубль мы получаем света на 5 копеек, остальное идёт на нагревание помещения инфракрасным излучением (что в холодное время года, может, и неплохо).
Понятия КПД лампы и светоотдачи родственны. При расчёте КПД мы берём отношение полезной мощности, выделяющейся в виде света, к затраченной и получаем безразмерную величину, обычно выражаемую в процентах. При расчёте светоотдачи мы берём отношение светового потока в люменах к затраченной мощности в ваттах.
Чем больше мощность лампы, тем выше температура нити накала, из-за чего значительно возрастает доля видимого излучения в спектре, и растёт светоотдача. При температуре 3400 К уже 15 % электроэнергии превращается в свет. Но при такой высокой температуре вольфрамовая нить быстро испаряется и срок службы лампы уменьшается до нескольких часов, поэтому такие лампы в быту не используют. Сейчас в продаже имеются лампы мощностью 75, 60 и 40 Вт. Жаль, но 100-ваттные и 150-ваттные лампы сняли с производства, хотя они более энергоэффективны, чем маломощные лампы, хотя и менее долговечны.
С ростом мощности лампы её свет становится не только ярче, но и белее, потому что возрастает цветовая температура, что тоже существенно для нас. Так, цветовая температура 40-ваттной лампы 2200 К, 60-ваттной – 2680, а 100-ваттной – 2800 К.
Рис. 15. Сглаженный график спектра солнечного света на уровне земли и спектр лампы накаливания
И всё же из-за того, что температура нити накала гораздо ниже температуры поверхности Солнца (около 6000 К), свет ламп накаливания содержит гораздо больше красно-жёлтой составляющей, чем голубой и синей, в то время как спектр дневного солнечного света, прошедшего сквозь атмосферу, в видимой области весьма ровный: в нём более-менее равномерно представлены все цвета радуги с нерезким максимумом в жёлто-зелёной области (в чистом солнечном свете, в космосе, максимум выражен более резко). Схематически спектры солнечного света и лампы накаливания изображены на рисунке 15. Нехватка голубой составляющей света будет существенна, если пытаться заменить дневное освещение обычными лампами накаливания (например, в условиях полярной зимы) – человек начнёт испытывать «световое голодание» и недостаток гормона серотонина.
Световой поток ламп накаливания всегда пульсирует, они ведь питаются переменным напряжением сети. Нить накала нагревается то сильнее, то слабее, но сильно изменить свою температуру она не успевает благодаря быстрому изменению питающего напряжения и тепловой инерционности. Для самых распространённых ламп мощностью 60–100 Вт, подключенных к сети напряжением 220 В, коэффициент пульсаций находится в диапазоне 10–15 %, причём чем больше мощность лампы, тем меньше КП. Это понятно: ведь в более мощных лампах нить накала толще, то есть массивнее, а значит, лучше сохраняет свою температуру. У 40-ваттных ламп накаливания пульсации достигают уже 20 %. Сильно смягчает обстоятельство тот факт, что форма пульсаций света у ламп накаливания гладкая, близкая к синусоидальной, без резких скачков, в отличие от пульсаций люминесцентных ламп и дешевых светодиодов. Поэтому влияние пульсаций лампы накаливания на мозг при одной и той же величине КП существенно меньше, чем у других типов ламп. По этой причине и нормы по ограничению пульсаций во времена царствования ламп накаливания не вводились.
Мы видим, что во многих отношениях лампы накаливания большой мощности, накаляемые до более высоких температур, лучше и выгоднее, чем лампы малой мощности. Свет от одной 100-ваттной лампы будет лучшего качества, чем от двух 60-ваттных, и тем более лучше, чем от трёх 40-ваттных, и по цветовой температуре, и по глубине пульсаций, и по светоотдаче (энергоэффективности). Поэтому возникает недоумение: почему с 1 января 2011 года в нашей стране работает запрет на продажу именно самых мощных ламп накаливания (мощностью 100 Вт и больше)? Сегодня в продаже остались только лампы мощностью не более 75 Вт, но и их Министерство энергетики предполагает вскоре вывести из оборота.
Преимущества ламп накаливания
Главное их преимущество по сравнению со всеми другими источниками света – непрерывный, очень ровный спектр, подобный солнечному, комфортный для глаз. Из-за преобладания красного он напоминает свет вечернего Солнца и особенно хорош перед сном, способствуя выработке гормона сна – мелатонина. Переизбыток красного в спектре благодаря особенностям «кривой видности» (см. рис. 12) существенно сглаживается из-за снижения чувствительности глаза к этим длинам волн, так что мы воспринимаем свет лампы как жёлто-белый. Психологическая адаптация к цвету тоже вносит свой вклад, и белая бумага в свете ламп накаливания не кажется нам желтоватой.
Ультрафиолетового излучения они не создают совсем, что выгодно отличает их от других типов ламп. Другими словами, лампы накаливания абсолютно безвредны для сетчатки глаза. Это особенно существенно для освещения детской комнаты.
Индекс цветопередачи идеальный, то есть почти 100 (98,7–99,1).
Что ещё важно – в их составе нет токсичных компонент, так что специальной утилизации отработавших ламп не требуется.
Также нет нужды в специальных пускорегулирующих устройствах – просто подключаем лампу к электрической сети. Это достоинство мы осознали «задним числом», когда стали выпускать люминесцентные, а потом и светодиодные лампы, для запуска которых нужны специальные пускорегулирующие устройства.
Мгновенное зажигание тоже стало восприниматься как отличительное достоинство ламп накаливания только после появления люминесцентных ламп. Добавим сюда же независимость от условий окружающей среды: температуры, влажности, радиации и прочего. Лампы накаливания исправно служат в любых помещениях, в любую погоду.
Ну и напоследок – низкая цена, радующая потребителя.
Будет очень жаль, если оставшиеся в России виды ламп накаливания тоже снимут с производства, как это уже произошло в Европе и США, лишив нас свободы выбора в пределах своей квартиры. Так хочется замолвить слово «о бедном гусаре» – лампе накаливания!
Недостатки ламп накаливания
Главный недостаток, из-за которого лампы накаливания попали под опалу, – их низкая энергоэффективность (КПД, светоотдача). Во всём мире на освещение, по некоторым оценкам, тратится около пятой части всей вырабатываемой электроэнергии. Безусловно, в масштабах всей планеты и всей страны замена значительной доли ламп накаливания энергосберегающими типами необходима и даёт большую экономию электроэнергии.
Что также существенно – лампы накаливания считаются более пожароопасными, чем энергосберегающие лампы. Во-первых, стеклянная колба довольно сильно нагревается (у 75-ваттной лампы до 250 °C), и надо следить, чтобы она не прикасалась к воспламеняемым материалам (ткани, бумаге…). Во-вторых, при плохом контакте цоколя с пружиной патрона возникает нагрев патрона. (Но, заметим в скобках, чаще пожары случаются всё же не от ламп, а от неисправностей электропроводки.)
К недостаткам относят и относительно небольшой срок службы лампы. При нормальном напряжении (220 В), будучи без дефектов, она должна служить около тысячи часов, при напряжении 127 В – до 2500 часов. Кстати, продлить срок службы за счёт частого выключения и включения не получится, ведь именно при включении эти лампы чаще всего и перегорают, потому что в ещё не разогретой нити накаливания ток превышает рабочий в 10–15 раз.
Среди ламп накаливания есть долгожитель-рекордсмен: «столетняя лампа», которая горит с 1901 года в одном из пожарных отделений американского города Ливермор. Вероятно, её долгожительство объясняется тем, что лампа работает на малой мощности, в глубоком недонакале.
Галогенные лампы
По принципу работы они тоже относятся к лампам накаливания, но с некоторыми усовершенствованиями. Колба галогенной лампы наполнена не инертным газом, как во многих лампах накаливания, а химически активным газом – галогеном (это может быть фтор, хлор, бром или йод). Галогены вступают в химические реакции с испаряющимся вольфрамом нити накаливания, образуя летучие соединения. Галогениды вольфрама летают по всему объёму колбы, а вблизи нити накаливания снова разлагаются на исходные компоненты. Атомы вольфрама частично оседают обратно на нить и образуют вокруг нити вольфрамовую «атмосферу», замедляющую дальнейшее испарение. А ведь быстрое испарение нити накаливания – главное препятствие к повышению её температуры.
В галогенных лампах температура накала увеличена до 3000–3100 К. Из-за этого заметно повышаются КПД и светоотдача. Так, светоотдача 75-ваттной лампы накаливания составляет 12,5 лм/Вт, а галогенной лампы такой же мощности – 14,5 лм/Вт. У самых мощных галогенных ламп светоотдача достигает 25 лм/Вт. Спектр немного изменяется «в пользу» голубой составляющей, и свет воспринимается глазом как яркий белый, более холодного оттенка, чем у ламп накаливания, а цветопередача у галогенных ламп такая же, то есть приближается к 100.
Пульсации светового потока у них меньше, чем у традиционных ламп накаливания! Срок службы возрастает в 2–4 раза, а для низковольтных ламп ещё больше.
Можно было бы считать недостатком галогенных ламп слишком высокую температуру колбы (из-за этого в некоторых типах ламп её делают из кварцевого стекла). Но этот недостаток легко преодолевается путём помещения маленькой кварцевой колбы в привычный стеклянный баллон, так что издали вы не отличите такую лампу от обычной лампы накаливания.
Есть много разновидностей галогенных ламп по мощности, цоколю и типу исполнения. Отдельное направление – для автомобильных фар.
Галогенные лампы разнообразны и универсальны в употреблении. Есть виды, подходящие для точечного освещения, использования в натяжных потолках, лампы с отражателем для создания направленного светового потока, а есть варианты, заменяющие лампы накаливания в привычных светильниках. Их можно использовать с диммерами и выключателями, имеющими световой индикатор. Есть низковольтные лампы, питающиеся от сети напряжением в 12 в или 24 в (для их подключения требуется трансформатор).
В 2016 году среди проданных ламп больше половины составляли лампы накаливания, а в 2020 году их доля сократилась до 30 %, не считая галогенных ламп, доля которых в общем числе проданных ламп – 9,5 %.
Лампы накаливания долгое время были самыми популярными источниками света в наших домах, но последние десятилетия их начали активно вытеснять энергосберегающие типы ламп, люминесцентные и светодиодные.