Лампы накаливания. Электрической лампой накаливания (ЭЛН) называется источник излучения, который получают в результате теплового излучения твердого тела, нагретого до высокой температуры проходящим через него электрическим током, при этом твердое тело заключено в стеклянный баллон, заполненный газом. ЭЛН широко применяют как источник света и источники излучения в ближней ИК-области.

К достоинствам ЭЛН следует отнести: удобство эксплуатации (период разгорания практически отсутствует, лампу можно включать в сеть без дополнительных устройств); сплошной спектр, обеспечивающий во многих случаях приемлемую цветопередачу; отработанную технологию изготовления ламп в широком диапазоне мощностей; малую стоимость; достаточно высокую надежность.

Недостатки ЭЛН: низкая световая отдача (световой КПД осветительных ламп составляет 1–3%, т. е. ЭЛН являются малоэкономичными источниками света); спектральный состав ЭЛН существенно отличается от спектрального состава солнечного излучения.

Особое значение для характеристики ламп накаливания имеет световая отдача, т. е. световой поток, приходящийся на единицу мощности (лм/Вт). Максимальный коэффициент световой отдачи K_{и max}=683 лм/Вт.

Нити накала современных ЭЛН изготавливают из вольфрама с различными присадками, так как проволока из чистого вольфрама недостаточно прочна и плохо сохраняет форму. Конструкция ЭЛН обеспечивает получение наилучших световых характеристик и автоматизацию процесса сборки в массовом производстве.

Для изготовления колб применяют специальные марки стекла, например БД-1 и ЗС-5. Стекла должны быть прочными, жаростойкими, иметь постоянный коэффициент линейного расширения и минимальную электропроводность.

Для металлических вводов в колбу лампы используют платинит и молибден (для колб из стекла ЗС-5). Коэффициетны линейного расширения указанных металлов близки к коэффициентам линейного расширения стекла.

Все цоколи ламп накаливания подразделяются на резьбовые, штифтовые, фокусирующие штифтовые, фокусирующие дисковые, фокусирующие секторные. Цоколи обеспечивают крепление ламп в патроны и ориентацию нити относительно оси патрона. Если необходимо строго ориентировать нить накала, то используют фокусирующие цоколи.

Примеры обозначения цоколей различных конструкций:
Р-27 — резьбовой, резьба Ц27, цоколь диаметром 27 мм;
1Ш-9А — одноконтактный, штифтовой, диаметр 9 мм, специальный;
2Ш-15А — двухконтактный, штифтовой, диаметр 15 мм, специальный;
1Ф-Д30 — одноконтактный, фокусирующий, дисковый, диаметр 30 мм;
Р-14 — резьбовой, резьба Ц14, диаметр 14 мм;
2Ш-15 — двухконтактный, штифтовой, диаметр 15 мм;
1Ф-Ш15 — одноконтактный, фокусирующий, штифтовой, диаметр 15 мм;
1Ф-С38 — одноконтактный, фокусирующий, секторный, диаметр 38 мм.

При выборе лампы принимают во внимание размеры, материал колбы (различное его пропускание), светоотдачу, тип цоколя и т. д.

Лампы накаливания изготавливают в соответствии со стандартами, которые устанавливают определенные допуски на разброс параметров. Мощность ограничивается верхним пределом (8–15%), световой поток — нижним пределом (10–15%) в зависимости от типа ламп, световая отдача — нижним пределом (10% от номинального значения). Нормируются также продолжительность горения и положение нити накала для фокусируемых цоколей. При изменении напряжения питания лампы на 1% мощность изменяется на 1,5%; световой поток — на 3,5%; световая отдача — на 1,8% и срок службы на1,3%.

Заполнение колб инертным газом позволяет повысить температуру нити накала до 2900 K, что существенно увеличивает световую отдачу. При этом, несмотря на увеличение потерь через газ, общий поток излучения от лампы возрастает.

В лампах накаливания для оптических приборов предъявляются особые требования к стеклу баллона, форме и расположению нити накала.

Обозначение ламп имеет следующую структуру: ABCD, где A — буквенное обозначение (ОП — оптическая, ИК — инфракрасная с кремниевым окном); B — напряжение питания, В; C — электрическая мощность, Вт; D — отличие от базовой модели.

Светоизмерительные и температурные лампы накаливания применяют для воспроизведения световых единиц и градуировки светоизмерительных приборов. Структура их обозначения: ABCD, где A — буквенное обозначение (СИС — светоизмерительные для измерения силы света; СИП — светоизмерительные для измерения светового потока; СИРШ — светоизмерительные рабочие широкополосные; ТО — температурные образцовые; И — для инфракрасной области спектра; Ш — широкодиапазонные; ПТ — повышенной точности); B — напряжение питания, В; C — номинальный световой поток для ламп СИП, лм; номинальная сила света для ламп СИС, кд; D — отличие от базовой модели.

Галогенные лампы. Галогеная лампа накаливания представляет собой лампу, в колбу которой вводится небольшое количество галогена, обычно йода или брома. Распыленный нитью вольфрам соединяется с галогеном, в результате чего образуется газообразное вещество — галогенид вольфрама. Эта реакция присоединения происходит при температуре 573 K, близкой к температуре колбы. При температуре, близкой к температуре нагретой нити лампы, галогенид вольфрама распадается на галоген и восстановленный фольфрам, который частично оседает на спирали. Такое возвращение распыленного вольфрама на спираль лампы устраняет его напыление на стенки колбы и удлиняет срок службы лампы.

Лампы накаливания с галогенным циклом имеют срок службы в два-три раза больший, чем обычные лампы, а при одинаковом сроке службы имеют более высокую световую отдачу и меньшие размеры тела накала. Температуру нити можно довести до 3400 K (T_пл=3600 K).

В настоящее время созданы и газоразрядные лампы с галогенным циклом, где использование последнего позволило наряду с увеличением светоотдачи лампы значительно улучшить спектральную характеристику излучаемого света. Исследуется возможность применения фтора, что позволит приблизить температуру спирали к температуре плавления вольфрама и увеличить световую отдачу на 50%.

Колбы ламп изготавливают из кварца или тугоплавкого стекла, так как для обеспечения галогенного цикла они должны нагреваться до 573 K.

Обозначают галогенные лампы аналогично лампам накаливания для оптических приборов: К — кварцевая; Г — галогенная; Д — дифференциального излучения; К — с концентрированным телом накала; М — малогабаритная; МН — миниатюрная; СМ — самолетная; О — с отогнутыми концами; Т — термоизлучатель.

Штифт Нернста, силитовый излучатель, темные излучатели, трубчатые кварцевые излучатели. Чтобы получить ИК-излучение, используют излучатели специальных конструкций.

Штифт Нернста изготавливают в виде цилиндрика диаметром от 1 до 3 мм и длиной до 30 мм из оксидно-керамической массы, состоящей из окислов циркония и иттрия. К концам цилиндрика припаивают электроды из платиновых проволочек.

Нагревается штифт проходящим через него током. Поскольку штифт Нернста в холодном состоянии является диэлектриком, то его предварительно разогревают при помощи специальной спирали. Штифт потребляет ток до 1 А при напряжении питания 130–220 В.

Для уменьшения потерь штифт, как правило, помещают в кожух, в котором монтируется окно из материала, прозрачного для заданной области излучения. Температура нагрева штифта Нернста достигает 2000 К.

Силитовый излучатель (глобар) представляет собой стержень из карбида кремния, нагреваемый электрическим током. Обычно диаметр глобара 6–8 мм, а длина — около 250 мм. Однако иногда глобары выполняют длиной до 1 м. Рабочая температура глобаров 1200–1300 К. Часто глобары покрывают защитным слоем двуокиси тория, что позволяет повысить их рабочую температуру до 2273 К. При температуре 1773 К и выше глобар излучает, как серое тело. Штифт Нернста и глобар применяют для получения ИК-излучения в спектральных приборах.

Темные излучатели являются ИК-источниками и представляют собой металлические трубки из жаропрочной (хромо-никелевой) стали с коэффициентом теплового излучения 0,95. Трубку заполняют керамикой, внутри которой помещают нагреватель. Рабочая температура 1000 К. Средняя мощность излучения около 1 кВт на 1 м длины трубки.

Трубчатые кварцевые излучатели появились в 1955 г. ИК-излучатели этого типа устроены следующим образом. На тонкий кварцевый стержень навивают спираль из хромоникелевой стали. На стержень надевают трубку из кварца, которая нагревается спиралью до 1400 К. Срок службы таких ламп достиает 5000 ч. Первая отечественная трубчатая кварцевая лампа была изготовлена в виде трубки из кварцевого стекла диаметром 10 мм, длиной 370 мм с температурой 723 К.

Темные и трубчатые кварцевые излучатели используют в качестве нагревательных элементов.