Лампа накаливания. Разбираем исторический путь автомобильных фар

В XXI веке все чаще идет речь об энергосбережении и экономии электричества. Появляются энергосберегающие лампы, которые и служат долго, и светят лучше. Тем не менее в начале XIX века электричество для освещения и вовсе не использовалось: тогда применяли газовые горелки, посредством которых и освещались все мегаполисы Старого Света, в том числе и Санкт-Петербург. Именно там британский астроном, а по совместительству и член-корреспондент Петербургской академии наук Уоррен де ла Рю создал в первой четверти XIX века первую лампу накаливания.

Нитью накаливания в этой лампе служила платиновая спираль. Вся конструкция была помещена в стеклянную цилиндрическую трубку.

Однако в те годы, равно как и сейчас, платина стоила немало. Поэтому эти лампы так и не получили распространения.

Подобные достижения стали возможными благодаря разработкам многих ученых. Например, российский изобретатель-самоучка Василий Петров создал гальваническую батарею — прообраз электрической лампочки.

Следующие лампы отличались друг от друга конструкциями и использованными материалами. В частности, многие изобретатели пробовали использовать иридий, угольные стерженьки, а также создать вакуумную лампу, полностью выкачав из конструкции воздух. Особенных успехов на этом поприще достиг российский военный инженер Владимир Сергеев, который разработал настоящий переносной фонарь. С его помощью освещали минные галереи.

Стоит сказать, что создание лампы накаливания не заслуга отдельного человека. В современном виде она считается квинтэссенцией многих идей, постепенно реализованных в виде современной лампы.

Однако особая роль в создании подобной лампы принадлежит российскому изобретателю Александру Лодыгину .

Первая лампа накаливания была создана Лодыгиным еще в начале 1870-х годов. А уже в 1873 году им была представлена лампа накаливания, которая представляла собой стеклянный шар, внутри которого на двух медных стержнях был укреплен стерженек из ретортного угля. Сначала подобные лампы были способны работать на протяжении всего сорока минут, однако после того, как было предложено откачивать из ламп воздух, срок их службы значительно увеличился. В 1874 году изобретатель Лодыгин получил привилегию №1619 на лампу накаливания, то есть его изобретение стало официально запатентованным. В этом же году Академия наук присвоила изобретателю Ломоносовскую премию за «обещающее произвести переворот в важном вопросе об освещении» открытие.

«Чтобы попасть на Пески, надо было пересечь пустынный и неосвещенный в то время Преображенский плац, где, по преданию и рассказу Н.В. Гоголя, была снята с Акакия Акакиевича шинель… А на Песках масса народа любовалась этим освещением, этим огнем с неба. Многие принесли с собой газеты и сравнивали расстояния, на которых можно читать при керосиновом освещении и при электрическом… Родись Лодыгин пораньше да освети сии описанные в гоголевской «Шинели» места, не решились бы снять шинель с робкого Акакия Акакиевича разбойники» , — описывал происходящее инженер Николай Попов.

По словам современников, которые присутствовали на презентации этих ламп на одной из улиц Санкт-Петербурга, Лодыгин первым вынес лампу накаливания из физического кабинета на улицу.

С помощью ламп Лодыгина освещали магазин Флорана. Кроме того, пользовались этими лампами и во время строительства Литейного моста в Санкт-Петербурге. Изобретатель даже разработал механизм автоматической замены перегоревшей нити, что позволяло увеличить срок службы ламп.

Однако настоящий прорыв произошел, когда Лодыгин предложил использовать в лампах вольфрамовые нити. К тому моменту патенты на его разработку выдали уже Австро-Венгрия, Испания, Португалия, Италия, Бельгия, Франция, Великобритания, Швеция, Саксония, Индия и Австралия. Тем не менее из-за связи с народниками Лодыгин был вынужден в 1884 году покинуть Россию — сначала он перебрался во Францию, затем в США.

Светимость таких ламп составляла до 40 свечей. А в 1890 году в США Лодыгину удалось получить патент на лампу накаливания с металлической нитью из вольфрама, осмия, иридия, палладия.

В 1900 году изобретатель демонстрировал свои лампы на проходившей в Париже Всемирной выставке.

Во Франции изобретателем была основана компания «Лодыгин и де Лиль», а уже в США он построил завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Тем не менее эти проекты оказались неудачными, поэтому компания General Electric выкупила у изобретателя патент на вольфрамовую лампу.

После этого Лодыгин был вынужден вернуться в Россию, где занимался разработкой вертолета, а также работал над электрификацией отдельных губерний. Участвовал изобретатель и в политической жизни, однако с наступлением 1917 года он был вновь вынужден уехать в США, где и умер спустя шесть лет. Тем не менее в советской России о нем не забыли и даже просили поучаствовать в плане ГОЭЛРО.

Автомобильная светотехника появилась практически одновременно с автомобилем. Первые фары перекочевали на машины с паровозов и были они газовыми. Работали они на ацетилене, который получался в результате смешения карбида кальция с водой. Алгоритм «включения», а точнее, розжига подобных фар был невероятно сложным и меньше всего напоминал привычный щелчок подрулевым переключателем. Помимо сложностей с розжигом подобных фар, что приходилось делать вручную, они недолго работали (один - два часа), требовали чистки от копоти и были небезопасны. В результате, в качестве тогдашнего аналога привычных задних габаритов часто применялся независимый фонарь на масляной или керосиновой горелке. И это в то время, когда электричество уже вовсю освещало дома и улицы - практически одновременно изобретенные лампы русского и американского инженеров Яблочкова и Эдисона разгоняли ночь и тьму на улицах городов не один десяток лет.

Несмотря на то, что Яблочков изобрел лампу накаливания чуть раньше, изобретение Эдисона оказалось куда более успешным и известным. Вот и для автомобилей было использовано изобретение именно Эдисона - первая автомобильная фара с лампой накаливания была изготовлена в 1899 году французской фирмой "Bassee & Michel". Ее сделали по модели Эдисона с угольной нитью. Первый блин получился комом: представленная фара оказалась мало пригодной для реального использования - угольная нить от тряски перегорала, а для ее питания требовались громоздкие и тяжелые аккумуляторные батареи, требовавшие регулярной подзарядки. Тогда автомобили еще не имели генераторов на борту, поэтому процесс этот был в целом ничем не проще, чем эксплуатация ацетиленовых фар.

Но теоретические плюсы использования электричества в качестве источника для освещения дороги не переставали занимать умы инженеров, особенно после появления в качестве зажигания магнето. Использовать его в качестве источника электрического тока для автомобильных фар было нельзя, однако, это был первый шаг к изобретению ставшего привычным генератора. После того, как в 1902-м году Роберт Бош предложил магнето высокого напряжения, прошло всего четыре года, как в 1906-м году одновременно появились сразу несколько разработок электрических фар.

Так, американская компания «General Electric» покупает патент на лампу накаливания с вольфрамовой нитью у русского инженера Александра Лодыгина. Это был первый серьезный успех: вольфрамовая нить давала куда более яркий свет и намного лучше переносила тряску. А компания Роберта Боша предложила набор "Bosch-Light", который позволил системе освещения работать по замкнутому циклу без зависимости от зарядных станций. "Bosch-Light" состоял из фар, генератора, аккумуляторной батареи и реле-регулятора для управления подзарядкой батареи. Система оказалась настолько удачной, что всего за год было продано более 3000 комплектов для установки на автомобили.

Однако изобретение «вменяемого» источника питания для электрических фар не совершило чуда - у первенцев инженерной мысли нашлась масса других проблем. В частности, они оказались слишком яркими, из-за чего ослепляли встречных водителей. Поэтому прежде чем в 1920-м году электричество полностью вытеснило устаревший газ, автомобильным инженерам пришлось совершить еще несколько технических революций. Окончательно электрические фары вытеснили устаревший ацетилен лишь после того, как были изобретены рассеиватели с призматическими линзами, отклоняющими свет вниз и лампочка с двумя нитями накаливания, для дальнего и ближнего света - изобретение компании Bosch в 1919-м году.

К 1924-му году автомобильные фары уже приобрели узнаваемый вид, однако, сигналы поворота еще долго оставались опцией: даже эксклюзивный Lincoln в 1924-м ими еще не обзавелся.

Любопытно, что первые «поворотники» вовсе не были световыми - это были семафоры. Выкидные флажки красного цвета сигнализировали о начале маневра. Со временем они приобрели лампочки, и их стало видно ночью. Но даже эта примитивная конструкция долго оставалась опцией: экономные автовладельцы предпочитали сигнализировать о поворотах жестами. Вытянул левую руку - поворачиваешь налево, согнул в локте - направо. Этот язык жестов сохранился и по сей день - к нему вынуждены прибегать водители в случае поломки автомобильной светотехники.

Автомобилестроители не стояли на месте, работая не только над фарами, но и над световым оснащением автомобиля в целом. Со временем появились вытянутые фары, их стали встраивать, а не прикреплять отдельно, однако, до следующей революции в автомобильном свете пришлось ждать долго - лишь в 1955-м французская фирма Cibie предложила асимметричное распределение ближнего света фар, при котором пассажирская фара светит дальше водительской. Одновременно с этим шли разработки, направленные на увеличение яркости и срока службы ламп накаливания.

Еще в начале 20-го века лампы начали заполнять смесью аргона и азота, который препятствовал испарению вольфрама. Но лишь в 50-е лампы стали заполнять галогенидами - газообразными соединениями йода и брома. В таких лампах галогенный газ вступал в соединение с испарившимся вольфрамом, а когда лампа нагревалась, эти соединения распадались на составляющие, и атомы вольфрама вновь оседали на спирали. Это были прототипы галогенных ламп.

На этот раз революция в автомобильном освещении наступила куда быстрее: первую «галогенку» на автомобильном рынке представила фирма «Hella» уже в 1962 году. Галогеновые лампы стремительно перешли из класса опции «для богатых» в «массы», став стандартом для головного света и оставив обычным лампам накаливания лишь небольшой спектр применения в других световых приборах автомобиля.

Со временем фары все больше встраивались в кузов, но еще долго оставались круглыми - Знаменитый автомобиль Citroen DS.

Производители автосвета тем временем изобретали и экспериментировали, создавали стандарты, улучшали характеристики ламп для тех или иных целей - противотуманные фонари, ближний и дальний свет, габариты, стоп-сигналы, указатели поворота... в результате чего лампы оформились в несколько стандартных типов, которые и существуют по сей день. В свою очередь, внедрение термопластики позволило реализовать многие дизайнерские идеи, в том числе светотехнику, слитую в единую поверхность с кузовом, и блок-фары, соединяющие в себе сразу несколько осветительных приборов.

И вот, эксперименты с инертными газами и ртутными лампами не замедлили дать результат: следующая революция привела на смену галогенным лампам 54-е место в таблице Менделеева - ксенон. Интересно, что принцип работы ксеноновых, или металлогалогенных, ламп очень похож на давно забытые ацетиленовые фары. В них нет нити накаливания, а свет дает светящийся газ. Ксеноновая лампа представляет собой колбу, в которую под большим давлением закачана смесь инертных газов. В эту же колбу подведены два провода, дающие розжиг газа, образующего свечение.

Ксеноновые лампы включаются аналогично люминесцентным и другим газоразрядным. Для их поджига требуется специальная пуско-регулирующую аппаратура. При включении такой лампы сначала начинается газовый разряд в аргоне, который, легко ионизируясь, запускает электрическую дугу между электродами колбы. Ртуть и галогениды в выключенной лампе оседают в виде частичек на стенки колбы. Электрическая дуга мгновенно разогревает колбу и испаряет твердые частицы, и разряд продолжается уже в парах ртути и солей. В течение 1-2 минут температура существенно возрастает, как и яркость излучения разряда.

Хотя появились металлогалогенные лампы почти полвека назад, в автомобили в виде знаменитого ксенона они пришли не так давно. Из-за высокой температуры работы они имеют тенденцию изредка взрываться, поэтому инженерам пришлось хорошо поработать, прежде чем они попали в серийные автомобили.

Основное преимущество ксеноновых ламп - более мощное освещение при низком потреблении энергии. Они намного лучше пробивают завесу из тумана или дождя, освещая дорожное полотно, не подсвечивая при этом капли воды в воздухе.

С развитием технологий фары стали не только асимметричными, но и адаптивными: реагируя на поворот руля, фары научились освещать пространство сбоку автомобиля - светить туда, куда автомобиль повернет.

Несмотря на все преимущества, сочетание цена/эффективность/простота конструкции и эксплуатации оказалось не настолько поражающим воображение, чтобы ксенон смог полностью вытеснить галогенные лампы. К тому же прогресс не стоит на месте, и у «светлого ксенонового будущего» теперь есть серьезный конкурент - полупроводниковые источники света - светодиодные лампы. Со светодиодными лампочками мы знакомы давно - светодиоды уютно подмигивают из каждого телевизора, освещают ночью кухню зеленым светом с высоты холодильника, рассказывают о работе стиральной или посудомоечной машины. Они потребляют в сотни раз меньше энергии, но вот света до недавнего времени они давали все-таки маловато. Однако прогресс не стоит на месте, и светодиодные фонарики - это уже норма жизни, а еще недавно выглядевшие серьезными фонарики с другими источниками света уже выглядят допотопными. Но это лишь маленький пласт - светодиоды находят применение и в экранах, и в подсветке как помещений, так и целых зданий, и постепенно вытесняют люминесцентные лампы с улиц.

В автомобилестроении все началось с дневных ходовых огней, главная задача которых обозначить автомобиль на дороге в любое время года, в любую погоду. Светодиоды справились с этим на «отлично».

Стремительное удешевление производства светодиодов привело к тому, что сейчас светодиодами оснащаются практически все серийные автомобили. Теперь это не только элемент безопасности, но и дизайна. На рынке ДХО, где на данный момент лидирует Philips, идет жесточайшая конкуренция - производители борются за яркость, конструкцию и форму. Нам, потребителям, подобные битвы «титанов», конечно, крайне выгодны.

Сегодня светодиоды с успехом «добивают» оставшиеся кое-где в недрах автомобилей лампы накаливания. Теперь их можно видеть и на месте стоп-сигналов, и в качестве сигнала поворота и в виде подсветки салона. Но в качестве головного света до недавнего времени светодиодам было трудно конкурировать со своими предшественниками. Все дело в том, что изначально светодиоды выдают холодный монохроматический свет, который очень не любит человеческий глаз, рассчитанный на изобилие световых волн разной длины в поле зрения. В таком свете далеко не все воспринимается четко, к тому же свет у таких ламп выглядит мертвенным и неприятным, и очень быстро утомляет глаза. Нужное глазу разнообразие в свете дает люминофорное покрытие, через которое проходит свет. И, вот сейчас, наконец, инженерная наука дошла до того, чтобы сделать свет таких ламп приемлемым для человеческого глаза.

Цветовая температура современных светодиодов в среднем равна 5500 К, а излучаемый ими свет уже вполне приблизился к естественному освещению. Неоспоримое достоинство светодиодов - экономичность и ресурс. Штатные светодиоды не требуют техобслуживания и рассчитаны на весь срок службы автомобиля, а при включенном ближнем свете их потребление составляет 40 Ватт, что на 5% меньше по сравнению с бифункциональными ксеноновыми модулями, которые, в свою очередь экономичнее галогеновых ламп.

Автопроизводители всерьез оценили преимущества новичка - сейчас передовые компании работают над созданием головного света на основе этой технологии. На данный момент вырисовываются два пути использования светодиодов в фарах.

Один подход развивает Valeo. Французские инженеры разрабатывают комбинацию группы светодиодов с ксеноновой (биксеноновой) лампой. В такой фаре за ближний и дальний свет отвечает ксенон, а все остальные режимы (габаритное освещение, боковая подсветка, указатели поворотов) - светодиоды.

Второй подход - это применение в фарах группы светодиодов или светодиодной матрицы. В этом случае светодиоды размещаются в одном блоке и в зависимости от количества и мощности включенных элементов обеспечивают габаритные огни, указатели поворотов, дневной, ближний и дальний свет. В этом направлении двигаются инженеры Hella - революционера шестидесятых в вопросе головного света, и концерн Audi. Светодиодное будущее называется Audi Matrix LED и состоит в том, что дальний свет, излучаемый светодиодами, разделен на несколько отдельных сегментов. Часть светодиодов, работающих одновременно с линзами или отражателями, обеспечивают освещение неизменно высокого качества, при этом нет необходимости в поворотном механизме - вместо этого светодиоды по отдельности включаются, отключаются или «приглушаются». Эта новая технология дает инженерам и дизайнерам Audi огромные возможности при выборе количества светодиодов, схемы их расположения, а также размера и внешнего вида фар.

Немецкие инженеры с размахом подошли к решению вопроса: их технология Audi Matrix LED не заканчивается на простом переборе возможностей компоновки работы наборов светодиодов. Это действительно разработка из будущего: светодиодные фары Audi Matrix LED получают информацию для анализа от камеры, навигационной системы и датчиков других систем автомобиля. Когда камера распознает транспортные средства, дальний свет, разделенный на несколько зон, в определенных подзонах блокируется. Даже в сложных ситуациях фары могут освещать зоны между несколькими автомобилями.

Светодиодные фары Audi Matrix LED на Audi A8 приходят на смену ксенону.

Более того, фары Audi Matrix LED будут угадывать, что надо осветить на основе навигационных данных, меняя направление дальнего света в поворот еще до того, как водитель начнет вращение рулем. Такой дальний свет фактически ведет водителя по дороге. Еще одной функцией, полезной для таких стран, как Великобритания, является автоматическое переключение фар в режим левостороннего движения.

Светодиодные фары Matrix LED планируется выпустить в этом году. Более скромные полностью светодиодные фары уже сейчас доступны в качестве опции не только на премиальных моделях типа Audi A6, Audi A7 Sportback и Audi A8 в качестве опции (такая опция на Audi A6 стоит 152 334 руб.) и автомобилях конкурентах, но и на более массовых машинах. Примечательно, что другой автомобиль немецкого концерна - новый SEAT Leon тоже имеет светодиодные фары в списке опций.

Пока стоимость головного света будущего еще высока, но уже очевидно: хотя ксенон еще актуален, следующая ступень развития светотехники - светодиоды.

Лампа накаливания — осветительный прибор, искусственный источник света. Свет испускается нагретой металлической спиралью при протекании через неё электрического тока.

Принцип действия

В лампе накаливания используется эффект нагревания проводника (нити накаливания) при протекании через него электрического тока. Температура вольфрамовой нити накала резко возрастает после включения тока. Нить излучает электромагнитное излучение в соответствии с законом Планка . Функция Планка имеет максимум, положение которого на шкале длин волн зависит от температуры. Этот максимум сдвигается с повышением температуры в сторону меньших длин волн (закон смещения Вина ). Для получения видимого излучения необходимо, чтобы температура была порядка нескольких тысяч градусов, в идеале 6000 K (температура поверхности Солнца ). Чем меньше температура, тем меньше доля видимого света и тем более «красным» кажется излучение.

Часть потребляемой электрической энергии лампа накаливания преобразует в излучение, часть уходит в результате процессов теплопроводности и конвекции. Только малая доля излучения лежит в области видимого света, основная доля приходится на инфракрасное излучение. Для повышения КПД лампы и получения максимально «белого» света необходимо повышать температуру нити накала, которая в свою очередь ограничена свойствами материала нити — температурой плавления. Идеальная температура в 6000 K недостижима, т. к. при такой температуре любой материал плавится, разрушается и перестаёт проводить электрический ток. В современных лампах накаливания применяют материалы с максимальными температурами плавления — вольфрам (3410 °C) и, очень редко, осмий (3045 °C).

При практически достижимых температурах 2300—2900 °C излучается далеко не белый и не дневной свет. По этой причине лампы накаливания испускают свет, который кажется более «желто-красным», чем дневной свет. Для характеристики качества света используется т. н. цветовая температура.

В обычном воздухе при таких температурах вольфрам мгновенно превратился бы в оксид. По этой причине вольфрамовая нить защищена стеклянной колбой, заполненной нейтральным газом (обычно аргоном). Первые лампочки делались с вакуумированными колбами. Однако в вакууме при высоких температурах вольфрам быстро испаряется, делая нить тоньше и затемняя стеклянную колбу при осаждении на ней. Позднее колбы стали заполнять химически нейтральными газами. Вакуумные колбы сейчас используют только для ламп малой мощности.

Конструкция

Лампа накаливания состоит из цоколя, контактных проводников, нити накала, предохранителя и стеклянной колбы, ограждающей нить накала от окружающей среды.

Колба

Стеклянная колба защищает нить от сгорания в окружающем воздухе. Размеры колбы определяются скоростью осаждения материала нити. Для ламп большей мощности требуются колбы большего размера, для того чтобы осаждаемый материал нити распределялся на большую площадь и не оказывал сильного влияния на прозрачность.

Буферный газ

Колбы первых ламп были вакуумированы. Современные лампы заполняются буферным газом (кроме ламп малой мощности, которые по-прежнему делают вакуумными). Это уменьшает скорость испарения материала нити. Возникающие при этом, за счёт теплопроводности, потери тепла, уменьшают путём выбора газа по возможности с наиболее тяжелыми молекулами. Смеси азота с аргоном являются принятым компромиссом в смысле уменьшения себестоимости. Более дорогие лампы содержат криптон или ксенон (атомные веса: азот: 28,0134 г/моль; аргон: 39,948 г/моль; криптон: 83,798 г/моль; ксенон: 131,293 г/моль)

Нить накала

Нить накала в первых лампочках делалась из угля (точка сублимации 3559 °C). В современных лампочках применяются почти исключительно спирали из осмиево-вольфрамового сплава. Провод часто имеет вид двойной спирали, с целью уменьшения конвекции за счёт уменьшения ленгмюровского слоя.

Лампы изготавливают для различных рабочих напряжений. Сила тока определяется по закону Ома (I = U / R) и мощность по формуле P=U\cdot I, или P = U2 / R. При мощности 60 Вт и рабочем напряжении 230 В через лампочку должен протекать ток 0,26 А, т. е. сопротивление нити накала должно составлять 882 Ома. Т. к. металлы имеют малое удельное сопротивление, для достижения такого сопротивления необходим длинный и тонкий провод. Толщина провода в обычных лампочках составляет 40—50 микрон.

Т. к. при включении нить накала находится при комнатной температуре, её сопротивление много меньше рабочего сопротивления. Поэтому при включении протекает очень большой ток (в два-три раза больше рабочего тока). По мере нагревания нити её сопротивление увеличивается и ток уменьшается. В отличие от современных ламп, ранние лампы накаливания с угольными нитями при включении работали по обратному принципу — при нагревании их сопротивление уменьшалось, и свечение медленно нарастало.

В мигающих лампочках последовательно с нитью накала встраивается биметаллический переключатель. За счёт этого такие лампочки самостоятельно работают в мигающем режиме.

Цоколь

Форма цоколя с резьбой обычной лампы накаливания была предложена Томасом Альвой Эдисоном . Размеры цоколей стандартизированы.

Предохранитель

Плавкий предохранитель (отрезок тонкой проволоки) расположен в цоколе лампы накаливания, предназначен для предотвращения возникновения электрической дуги в момент перегорания лампы. Для бытовых ламп с номинальным напряжением 220 В такие предохранители обычно рассчитаны на ток 7 А.

КПД и долговечность

Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне, и воспринимается в виде тепла. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K КПД составляет 5 %.

С возрастанием температуры КПД лампы накаливания возрастает, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов. При увеличении напряжения на 20 %, яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим уменьшается время жизни на 95 %.

Уменьшение напряжения в два раза (напр. при последовательном включении) хотя и уменьшает КПД, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда надо обеспечить надежное дежурное освещение без особых требований к яркости, например, на лестничных площадках.

Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы, и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что в свою очередь ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.

Галогенные лампы

Добавление в буферный газ галогенов брома или йода повышает время жизни лампы до 2000—4000 часов. При этом рабочая температура составляет примернно 3000 К. Эффективность галогенных ламп достигает 28 лм/Вт.

Иод (совместно с остаточным кислородом) вступает в химическое соединение с испарившимися атомами вольфрама. Этот процесс является обратимым — при высоких температурах соединение распадается на составляющие вещества. Атомы вольфрама высвобождаются таким образом либо на самой спирали, либо вблизи неё.

Добавление галогенов предотвращает осаждение вольфрама на стекле, при условии, что температура стекла больше 250 °C. По причине отсутствия почернения колбы, галогенные лампы можно изготавливать в очень компактном виде. Маленький объём колбы позволяет, с одной стороны, использовать большее рабочее давление (что опять же ведёт к уменьшению скорости испарения нити) и, с другой стороны, без существенного увеличения стоимости заполнять колбу тяжелыми инертными газами, что ведёт к уменьшению потерь энергии за счёт теплопроводности. Всё это удлиняет время жизни галогенных ламп и повышает их эффективность.

Ввиду высокой температуры колбы любые загрязнения поверхности (например, отпечатки пальцев) быстро сгорают в процессе работы, оставляя почернения. Это ведёт к локальным повышениям температуры колбы, которые могут послужить причиной её разрушения. Также из-за высокой температуры, колбы изготавливаются из кварца.

Новым направлением развития ламп является т. н. IRC-галогенные лампы (сокращение IRC обозначает «инфракрасное покрытие»). На колбы таких ламп наносится специальное покрытие, которое пропускает видимый свет, но задерживает инфракрасное (тепловое) излучение и отражает его назад, к спирали. За счёт этого уменьшаются потери тепла и, как следствие, увеличивается эффективность лампы. По данным фирмы OSRAM, потребление энергии снижается на 45 %, а время жизни удваивается (по сравнению с обычной галогенной лампой).

Хотя IRC-галогенные лампы не достигают эффективности ламп дневного света, их преимущество состоит в том, что они могут использоваться как прямая замена обычных галогенных ламп.

Специальные лампы

Проекционные лампы — для диа- и кинопроекторов. Имеют повышенную температуру нити (и соответственно, повышенную яркость и уменьшенный срок службы); обычно нить размещают так, чтобы светящаяся область образовала прямоугольник.

Двухнитевые лампы для автомобильных фар. Одна нить для дальнего света, другая для ближнего. Кроме того, такие лампы содержат экран, который в режиме ближнего света отсекает лучи, которые могли бы ослеплять встречных водителей.

История изобретения

В 1854 г. немецкий изобретатель Генрих Гебель разработал первую «современную» лампочку: обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампочкой.

11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд

Английский изобретатель Джозеф Вильсон Сван получил в 1878 г. британский патент на лампу с угольным филаментом. В его лампах филамент находился в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.

Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В конце-концов он возвращается к угольному волокну и создаёт лампочку с временем жизни 40 часов. Несмотря на столь непродолжительное время жизни его лампочки вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.

В 1890-х годах Лодыгин изобретает несколько типов ламп с металлическими нитями накала.

В 1906 г. Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.

В 1910 г. Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.

Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным Ирвингом Ленгмюром , который, работая с 1909 г. в фирме General Electric , придумал наполнять колбы ламп инертным газом, что существенно увеличило время жизни ламп.

Портал сайт проследил за тем, как менялась конструкция автомобильных фар, и выяснил, какой будет светотехника на массовых авто в недалеком будущем.

Сегодня в это сложно поверить, но на первых автомобилях устройств, которые сейчас официально именуются «световыми приборами», не было вовсе! Езда на «самобеглых экипажах» во времена Готтлиба Даймлера и Карла Бенца была весьма рискованным занятием и в светлое время суток. А уж о том, чтобы ездить ночью, мало кто помышлял.

Фото: Oldmotor.com; Media.daimler.com

Однако с началом эры массового распространения автомобилей проблему освещения дороги непосредственно перед движущейся машиной решать было просто необходимо!..

«Керосинки»

Первые автомобильные фары представляли собой просто-напросто керосиновые лампы. Их главными преимуществами на тот момент была простая, как правда, конструкция, а также возможность максимальной унификации со светильниками, массово распространенными в быту.

На этом, однако, все плюсы «керосинок» для автомобилиста заканчивались, поскольку со своей основной задачей такие фары справлялись отвратительно. Они не столько освещали путь перед машиной, сколько обозначали ее присутствие на дороге. На автомобилях тех лет применялись также масляные светильники, и по эффективности они соответствовали «керосинкам». Замена им была разработана весьма быстро.

С паровоза на автомобиль

В 1896 году, всего через 10 лет после того, как Карл Бенц получил патент на свой первый автомобиль, авиаконструктор Луи Блерио предложил использовать на машинах ацетиленовые фары. Аналогичной конструкции прожекторы активно применялись в то время на… паровозах!

Фото: Tomislav Medak/Wikipedia.org

Дорогу такие фары освещали уже вполне сносно, но активное их использование сопровождалось для водителя «танцами с бубном». Чтобы включить головной свет, нужно было открыть кран подачи ацетилена, затем открыть стеклянные колпаки самих фар и, наконец, зажечь спичкой горелки. Ацетилен при этом вырабатывался прямо на ходу: в отдельном баке, разделенном на два отсека, в который перед поездкой нужно было засыпать карбид кальция и залить воду.

Ацетиленовые светильники, к слову, применяются до сих пор. Например, на расположенных в отдаленных районах маяках – в случае, если для них невозможно или невыгодно вести отдельную линию электропередачи или ставить автономный генератор.

Плюс электрификация всех авто

Хорошо знакомые нам электрические фары стали широко применяться на автомобилях с начала 20-х годов XX века. Впрочем, на моделях класса «люкс» их начали использовать даже раньше: с середины 10-х гг. – практически сразу после изобретения. Одними из первых электрофары в стандартной комплектации получили Cadillac Model 30 и легендарный Rolls-Royce Silver Ghost.

По сути, первые подобные фары представляли собой электрические прожекторы, и с основной своей задачей они, естественно, справлялись на ура. Возникла, однако, другая проблема: водители, ехавшие ночью встречными курсами, нещадно ослепляли друг друга. Так появились первые корректоры фар, причем разных типов: рычажные, тросовые, гидравлические. Некоторые производители выводили на переднюю панель рычажок реостата, которым водитель мог отрегулировать яркость ламп.

До чего дошел прогресс…

На первый взгляд современные автомобильные фары далеко «уехали» от прожекторов начала 20-х. Отчасти это действительно так, но… Как говорят в Одессе, вы будете смеяться: в целом конструктивная схема фар головного света и сегодня остается той же! Они по сию пору состоят из корпуса, отражателя, рассеивателя и лампы – источника света.

Прогресс, однако, на месте не стоит, и в рамках этой нехитрой принципиальной схемы конструкция автомобильной фары регулярно дополнялась важными элементами, делавшими ее все более функциональной, долговечной, удобной и безопасной в использовании.

Так, в 1919 году компания Bosch представила лампу с двумя нитями накаливания. Вкупе с изобретенным к тому временем рассеивателем это был важный шаг на пути решения проблемы, над которой бились конструкторы все предыдущие десятилетия: как эффективно освещать дорогу и при этом не слепить встречных?

В середине 50-х французская фирма Cibie предложила революционное по тем временам решение, применяемое до сих пор. Идея состояла в создании асимметричного пучка света, чтобы со стороны водителя фары светили ближе, чем со стороны пассажира. С 1957 года подобное распределение света входит во все европейские технические регламенты для автомобилей массового производства.

В 1962 году компания Hella представила первую автомобильную галогенную лампу. Колба такой лампы заполняется галогенидами – газообразными соединениями йода или брома, препятствующими активному испарению вольфрама с нити накаливания. В итоге светоотдача «галогенки» выросла в полтора раза по сравнению с лампами прежних поколений, ресурс – сразу вдвое, снизилась теплоотдача, да еще и сама лампа стала гораздо компактнее! Галогенные лампы до сих пор остаются «золотым стандартом» в области автомобильной светотехники.

Примерно в те же годы стали производиться автомобили с фарами прямоугольной формы. Затем, с внедрением технологий компьютерного моделирования, конструкторы получили возможность создавать комбинированные рефлекторы сложной формы: с делением на сегменты, каждый из которых по-разному фокусирует световой пучок.

В 1993 году Opel впервые применил на массовом автомобиле (модель Omega) пластиковый поликарбонатный рассеиватель. Это улучшило светопропускание фары и радикально снизило ее общую массу: почти на килограмм.

В конце 90-х – начале 2 000-х началось широкое применение так называемых поворотных фар, световой пучок в которых направлялся вправо/влево вслед за соответствующим поворотом рулевого колеса. Первые эксперименты в этом направлении начались практически сразу после изобретения электрических фар. Однако вскоре попали чуть ли не под законодательный запрет: технологии того времени не позволяли менять направление светового потока так быстро, как это было необходимо во время движения автомобиля.

Довести идею до ума одной из первых смогла компания Citroen при технической поддержке уже упомянутой фирмы Cibie. Первые поворотные фары дальнего света появились в 1968 году на легендарной модели DS.

К слову, сегодня функция освещения траектории движения в повороте отнюдь не всегда реализуется за счет поворачивающегося прожектора. На недорогих машинах эта задача возлагается на дополнительные боковые лампочки или «противотуманки».

Впрочем, даже самый «продвинутый» вариант поворотного света – комбинированный, при котором на малых скоростях включаются боковые лампы, а на высоких – поворачивающиеся прожекторы, – перестал быть уделом моделей класса «Люкс». Такие фары доступны и на автомобилях гольф-класса. Хотя опция эта – отнюдь не дешевая…

В настоящее же время мы наблюдаем, по сути дела, закат «карьеры» лампы накаливания как основного источника света в автомобильных фарах. Эффектную точку в ней призваны поставить газоразрядные лампы. Более известные широкой публике как ксеноновые.

Даже в самом простом варианте использования ксенона – в качестве заполнителя колбы лампы накаливания – эффективность освещения существенно возрастает, а световой поток приближается по спектру к солнечному излучению.

Максимальной же эффективности работы традиционных фар можно добиться при использовании ксеноновых газоразрядных ламп, в которых светится не вольфрамовая нить, а сам газ при подаче высокого напряжения. «Ксенон» потребляет значительно меньше энергии, светит вдвое ярче обычных «галогенок», а служит при этом гораздо дольше за счет принципиального отсутствия хрупкой нити.

«Безламповое» будущее

Но, как бы ни были эффективны ксеноновые лампы, – будущее, по мнению специалистов, за фарами на основе светодиодов. Инженеры Philips, например, заявляют, что уже в ближайшее время такие фары вытеснят не только «ксенон», но и галогеновые лампы.

Светодиоды потребляют меньше энергии, нежели традиционные лампы, а служат едва ли не на порядок дольше. Но главное – устройство светодиодных фар проще, чем ксеноновых, а кроме того у них практически отсутствует характерная для «ксенона» инерция при включении.

Первыми серийными автомобилями с оптикой на светодиодах были, как водится, люксовые модели. В 1992 году BMW 3-Series Cabrio получил центральный светодиодный стоп-сигнал, в начале 2000-х на Audi A8 W12 появились светодиодные дневные ходовые огни. А на Lexus LS 600h 2008 года передние блок-фары впервые в мире стали полностью светодиодными.

Ну а сегодня такие системы головного освещения уже не являются экзотикой. Полностью светодиодные фары (правда, пока только в качестве опции) получил, например Seat Leon нового поколения.

Думается, пройдет совсем немного времени – и подобные фары будут столь же привычны на массовых авто, как и сегодняшние «галогенки»…

Еще один «стандарт будущего», о котором нельзя не сказать: на концептах немецких производителей – Audi и BMW — уже используются лазерные фары.

И если Audi со слов исполнительного директора Руперта Штадлера собирается оснащать лазерной оптикой серийные модели, но не называет никаких конкретных дат, то в BMW уже предлагают лазерные фары в качестве опции для спортивного гибрида i8, серийный выпуск которого назначен на 2014 год.

В январе текущего года на выставке потребительской электроники CES в Лас-Вегасе во время демонстрации концепт-кара Audi Sport quattro, оснащенного инновационными фарами, компания производитель рассказала про отличительные особенности лазерных диодов от традиционных, упомянув дальность освещения – фантастические 500 метров!

Экономичность, компактность и могучая интенсивность света — вот безусловные козыри лазерной оптики. Естественно никто не будет светить лазером в глаза встречному потоку, тем более что решение, как сделать работу таких элементов безопасным, уже есть… Встречаем будущее!

Использование: для освещения помещений. Сущность изобретения: два и более тел накала поочередно могут подключаться ручным переключателем, встроенным в цокольной части лампы, переключение может осуществлять без выкручивания лампы из патрона. 2 ил.

Изобретение относится к светотехнике, а именно, к источникам света, и может быть использовано в народном хозяйстве как источник света общего назначения для освещения бытовых, административных и производственных помещений. Известны электрические лампы с двумя телами накала, нагреваемыми независимо одно от другого. В колбе этой лампы находятся два тела накала, независимо связанные с металлическим стаканом цоколя и специальной двухпозиционной ножкой цоколя. Здесь расширяются эксплуатационные возможности лампы накаливания, но как лампы специального назначения, например автомобильной. А использование указанной лампы как источника света общего назначения не представляется возможным из-за необходимости подключения ее к общей электросети через штатную электроарматуру. Прототипом настоящего изобретения является лампа накаливания, содержащая два тела накала. Один конец каждого из тел накала через общий электрод соединен с одним контактом цоколя. Другие концы тел накала подсоединены каждый через индивидуальные электроды к соответствующим контактам внутрицокольной вставки. Контакты вставки электрически подсоединены к переключателю, соединенному с центральным контактом цоколя. Переключатель установлен с возможностью вращения в прорези, выполненной в свободной от резьбы верхней цилиндрической части стакана цоколя. Для обеспечения переключения тел накала лампу необходимо вывернуть из патрона. Целью изобретения является повышение удобства эксплуатации. Цель достигается тем, что в соответствии с изобретением часть переключателя, выполненная изолированной от контактной части, выведена наружу. На фиг. 1 изображен общий вид универсальной лампы накаливания с местным вырывом по цокольной части; на фиг. 2 - горизонтальное сечение по цоколю, показывающее конструктивный вариант переключения с одного тела на другое. Тела накала 1, 2, 3, расположенные внутри стеклянной колбы 4 посредством общего электрода 5, проходящего сквозь стеклянный стержень 6, электрически связаны с металлическим стаканом цоколя 7. Вторые электроды тел накала, соответственно, 8, 9 и 10, проходящие сквозь стеклянный стержень 6, электрически связаны с контактами 11, 12 и 13, соответственно вмонтированными во внутрицокольную вставку 14, жестко соединенную с корпусом металлического стакана цоколя 7. Ручной переключатель 15 установлен шарнирно на внутрицокольной вставке 14 с возможностью горизонтального вращения посредством оси 16 и электрически связан с контактной шайбой 17 цоколя посредством электрода 18. Перед вворачиванием лампы в штатный патрон перемещением ручного переключателя 15 вдоль хордовой прорези в стакане 15 цоколя 7 достигается электрическая связь контактной шайбы 17 с одним из тел накала. Например, в изображенном на фиг. 2 положении, ручной переключатель 15 установлен в варианте контакта с телом накала 1. В таком положении ручного переключателя 15 универсальная лампа накаливания вворачивается в патрон. Лампа ввернута в патрон. Работает цепь: металлический стакан цоколя 7 - общий электрод 3 - тело накала 1 - другой электрод 8 контакт 11 на внутрицокольной вставке 14 - проводящая часть ручного переключателя 15 - электрод 18 - контактная шайба цоколя. В результате накаливается и испускает свет тело накала 1. При необходимости, обусловленной либо потребностью подключения тела накала другого сопротивления, либо в результате перегорания подключенного тела накала, лампа выворачивается из патрона и ручной переключатель 15 устанавливается в положение, соответствующее подключению другого тела накаливания. Изобретение позволяет, с одной стороны, сделать универсальной по мощности лампу накаливания, разместив в стеклянной колбе несколько тел накала разного сопротивления, а, с другой стороны, значительно повысить ресурс ламп накаливания, устанавливая резервные тела накала. (56) Авторское свидетельство СССР N 343634, кл. Н 01 К 9/00, 1970. Патент США N 2217134, кл. 315-67, 1940.

Формула изобретения

ЛАМПА НАКАЛИВАНИЯ, содержащая по меньшей мере два тела накала, один конец которых через общий электрод соединен с одним контактом цоколя, а другие концы подсоединены каждый через индивидуальный электрод к соответствующим контактам внутрицокольной вставки, электрически подсоединенным к переключателю, соединенному с центральным контактом цоколя и установленному с возможностью вращения в прорези, выполненной в свободной от резьбы верхней цилиндрической части стакана цоколя, отличающаяся тем, что, с целью повышения удобства в эксплуатации, часть переключателя, выполненная изолированной от контактной части, выведена наружу.

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе