Минусы ламп накаливания

Причины выхода из строя ламп накаливания

На сегодняшний день средний срок службы лампы накаливания составляет около 1 000 часов. Это не очень много для электронного прибора. Более того, ты наверняка замечал, что очень многие лампочки не отрабатывают даже этого срока. В чем причины такой короткой жизни? Вот основные из них:

Тяжелый старт. Как тебе наверняка известно из школьного курса физики, при нагревании проводника его сопротивление увеличивается, при охлаждении уменьшается. Для лампочки этот закон является очень проблемным, поскольку сопротивление холодной спирали оказывается в 12 раз ниже, чем разогретой. Это означает, что в момент включения через прибор течет ток, превышающий рабочий в 12 раз (вспомним закон Ома: I = U/R)! Этот эффект называют токовым ударом и защиты от него обычная осветительная лампочка, которую ты вворачиваешь в люстру или настольную лампу, не имеет.

• Повышение питающего напряжения. При повышении питающего напряжения повышается температура спирали, а значит, она быстрее испаряется – ведь азотно-аргоновая смесь защищает вольфрам лишь от окисления. В результате срок службы перекаленной спирали становится короче, так как она быстрее истончается. В какой-то момент (обычно при следующем включении) спираль не выдерживает токового удара и сгорает. Насколько критично повышение питающего напряжения? Ты удивишься, но если увеличить питающее напряжение всего на 6% (от номинального 220 это всего 10-12 вольт), то средний срок службы лампы накаливания сократится вдвое!
• Удары и вибрации. Очень актуальная проблема для переносных приборов и осветительных устройств, работающих на транспортных средствах. Спираль сама по себе вещь довольно хрупкая, а при нагревании буквально до белого каления вольфрам, как и любой другой металл, теряет механическую прочность. Достаточно как следует тряхнуть настольную лампу или переноску, чтобы нить накала оборвалась и срок службы прибора внезапно закончился. Конструкторы решают проблему увеличения ресурса работы путем укорачивания длины спирали и увеличения числа подвесов. Но все это делается для создания специальных осветительных приборов, к примеру, автомобильных. Обычные «квартирные» лампочки от этой беды практически не защищены.
• Неисправность осветительного прибора. Если питающие провода, патрон или выключатель имеют плохой контакт, то осветительный прибор постоянно подвергается скачкам напряжения, а значит, и токовым ударам. В этом случае он может отработать отмеренное производителем время службы в несколько часов.
• Плохое качество. Имеется в виду качество изготовления прибора. Несмотря на свою относительно простую конструкцию, лампочка – технологически сложный прибор, который не изготовишь «на коленках». Тем не менее некоторые умельцы (не буду показывать пальцем на братьев из Китая, они халтурят не более других, а в последнее время даже меньше) умудряются изготовить вполне работоспособные, на первый взгляд, устройства из ничего и непонятно на каком оборудовании. Средний срок службы такого прибора – 3-4 включения.

Строение

Обычная лампа состоит из следующих конструктивных элементов:

• колба;
• вакуум или инертный газ, закачиваемый внутрь нее;
• нить накала;
• электроды — выводы тока;
• крючки, необходимые для удерживания нити накала;
• ножка;
• предохранитель;
• цоколь, состоящий из корпуса, изолятора и контакта на донышке.

Помимо стандартных исполнений из проводника, стеклянного сосуда и выводов, существуют лампы специального назначения. В них вместо цоколя используются другие держатели или добавляется дополнительная колба.

Предохранитель обычно изготавливается из сплава феррита и никеля и помещается в разрыв на одном из выводов тока. Зачастую он расположен в ножке. Его основное предназначение — защита колбы от разрушения в случае обрыва нити. Связано это с тем, что в случае ее обрыва образуется электрическая дуга, приводящая к плавлению остатков проводника, которые попадают на стеклянную колбу. Из-за высокой температура она может взорваться и вызвать возгорание. Впрочем, долгие годы доказали низкую эффективность предохранителей, поэтому они стали эксплуатироваться реже.

Колба

Стеклянный сосуд используется для защиты нити накаливания от окисления и разрушения. Габаритные размеры колбы подбирают в зависимости от скорости осаждения материала, из которого производится проводник.

Газовая среда

Если раньше вакуумом заполнялись все без исключения лампы накаливания, то сегодня такой подход применяют лишь для маломощных источников света. Более мощные устройства заполняются инертным газом. Молярная масса газа влияет на излучение тепла нитью накаливания.

В колбу галогенных ламп закачиваются галогены. Вещество, которым покрыта нить накала, начинает испаряться и взаимодействовать с расположенными внутри сосуда галогенами. В результате реакции образуются соединения, которые повторно разлагаются и вещество вновь возвращается на поверхность нити. Благодаря этому появилась возможность повысить температуру проводника, увеличив коэффициент полезного действия и срок эксплуатации изделия. Также такой подход позволил сделать колбы более компактными. Недостаток конструкции связан с изначально малым сопротивлением проводника при подаче электрического тока.

Нить накала

По форме нить накаливания может быть разной — выбор в пользу той или иной связан со спецификой лампочки. Зачастую в них применяют нить с круглым сечением, закрученную в спираль, гораздо реже — ленточные проводники.

Современная лампа накаливания работает от нити из вольфрама или осмиево-вольфрамового сплава. Вместо обычных спиралей могут закручиваться биспирали и триспирали, что стало возможным за счет повторного закручивания. Последнее приводит к уменьшению теплового излучения и повышению КПД.

Особенности светодиодных люстр

По внешней конструкции такие осветительные приборки практически полностью соответствуют традиционным аналогам. Но, вместо обычных ламп накаливания в них применяются светодиоды, являющиеся непосредственно источником света. Светодиоды могут быть как уже встроены в люстру, так и устанавливаться отдельно в виде ламп разного форм-фактора, по аналогии с обычными приборами.

Если LED элементы уже встроены в саму люстру, её электротехническая конструкция значительно отличается. Внутри прибора имеется специальный блок, отвечающий за преобразования напряжения до уровня, требующего для обеспечения питания светодиодов. Блок снижает напряжение с 220 В до 12 В или 24 В, в зависимости от количества и типа установленных светодиодов.

В многофункциональных дорогих люстрах может присутствовать отдельный блок управления. Он отвечает за взаимодействие с пультом ДУ, изменение цвета, температуры и яркости света. Управление осуществляется с дистанционного пульта, а за непосредственную регулировку параметров работы светодиодов отвечает встроенная в люстру электроника.

Есть люстры, способные подключаться к смартфону по Wi-Fi. В данном случае через специальное приложение можно изменять все параметры работы осветительного прибора.

Способы сборки

По способу сборки изделия делятся на несколько категорий.

DIP

DIP расшифровывается как Dual In-line Package. Конструкция приборов интересна, но существенно устарела. Выделяют следующие размеры светодиодов:

• 0,3;
• 0,5;
• 0,8;
• 1,0 см.

Также полупроводниковые изделия различаются цветом, материалом изготовления, формой чипа. Из преимуществ DIP-сборки выделим малый нагрев и высокую яркость. Бывают одноцветные и многоцветные (RGB-технология). Можно распознать по характерной цилиндрической форме и встроенной линзе выпуклого типа.

«Пиранья»

Данная группа осветительных устройств характеризуется высоким световым потоком. Изготавливаются прямоугольной формы, имеют четыре PIN-вывода, бывают красными, синими, белыми или зелеными.

По сравнению с DIP-технологией изделия более жестко и прочно «сидят» на плате. Свинцовая подложка повышает теплопроводность, но в то же время понижает общую безопасность при эксплуатации. Широкая распространенность обусловлена большим диапазоном рабочих температур.

SMD-технология

SMD расшифровывается как Surface Mounting Device (в переводе с англ. — «устройство, фиксируемое на поверхности»). Эти светодиоды характеризуются мощностью в диапазоне 0,01–0,2 Вт. Главная особенность связана с наличием нескольких кристаллов (1–3), монтируемых на керамическую подложку.

Корпус покрыт люминофором. Стандартный припой используется для соединения основной платы и контактных площадок.

Из недостатков выделим низкую ремонтопригодность: если выйдет из строя хотя бы один диод, то придется заменять целую плату.

COB-технология

Последняя и наиболее надежная технология изготовления светодиодов получила название Chip On Board (COB). Полупроводники крепятся на плату без корпуса и какой-либо подложки, после чего покрываются люминофором.

Главное преимущество связано с небольшой площадью свечения при высокой мощности. Равномерное свечение изделия гарантируется высокой плотностью светодиодов и наличием люминофора. Такие светодиоды чаще применяются в наши дни.

Начнем с потолков

Натяжные потолки сегодня стали довольно популярным и частым явлением в наших домах и квартирах. По распространенности они сравнимы разве что с гипсокартонными конструкциями.

Натяжной потолок

Поливинилхлорид, которые является основой такой пленки, довольно плохо переносит нагрев после своей установки. Поэтому здесь и возникает необходимость в правильном подборе истопника света для люстр и точечных светильников, которые в дальнейшем будут установлены на конструкции для освещения помещений. Неправильный подбор лампочки или неверное размещение люстр (бронзовых, хрустальных и т.д.) может привести к повреждению натяжных потолков. Используя лампочки, которые обладают способностью сильно нагреваться, вы можете легко повредить хрупкую структуру поливинилхлорида.

Если обобщить, то такое повреждение возможно в следующих ситуациях:

неправильно подобранный источник света. Это самая главная причина, по которой чаще всего портится красивая глянцевая поверхность натяжных потолков. В ситуации с таким потолком специалисты рекомендуют использовать только энергосберегающие лампочки;

Люстра на натяжном потолке

установка плафонов таким образом, что они светят вверх, на покрытие натяжных потолков. Если плафоны будут размещены именно так, а не вниз, то тепловой поток станет концентрироваться на пленке, а не рассеиваться в пространстве комнаты. Это опять-таки приводит к появлению дефектов на полотне.

Самым лучшим и простым в реализации вариантом, который позволит избежать повреждения поливинилхлоридной пленки потолочной конструкции, является использование энергосберегающие источники света.

Особенности перегорания

Привычные лампы накаливания перегорают сразу. Они просто и необратимо перестают светиться из-за разрушения вольфрамовой нити. Светодиоды в этом отношении заметно отличаются от альтернативных видов светильников. Они в начале эксплуатации демонстрируют максимальные параметры, но в процессе работы понемногу выгорают. Специалисты называют этот процесс деградацией. Чем длительнее срок службы, тем сильнее деградирует светодиод, теряет яркость и прочие возможности.

Прежде всего необходимо знать, что их срок службы оценивается двояко:

• эффективный. Это промежуток времени, когда световой поток от лампы обладает максимальными параметрами. Этот период завершается при снижении всех значений на 30%;
• полный. Это весь период эксплуатации светильника.

Скупой платит трижды!

С самого начала использования ЛЕД-ламп их начали подделывать. И поскольку оригинальный товар стоил очень дорого, а китайские «аналоги» — в несколько раз дешевле, спрос на них был достаточно серьезным.

Прошло всего несколько лет, цены на светодиодные светильники существенно снизились, но наши восточные соседи все так же продолжают «гнать» в Россию поддельные ЛЕД-лампы. И их продолжают покупать. Почему не стоит этого делать?

• Качество света такой лампы может быть совершенно непредсказуемым, что негативно влияет на здоровье.
• Сборка китайских ламп всегда оставляет желать лучшего, и самое «безобидное», что может случиться по ходу ее использования – выбьет пробки (автомат на счетчике) или испортится люстра.
• Никакие сроки службы в случае с поддельными лампами не работает, они могут выходить из строя в любой момент.

Принцип действия лампы

Прежде чем решать проблемы с малым сроком службы, необходимо понять, что собой представляет лампа накаливания и как она работает.

Конструктивно прибор состоит из герметичной стеклянной колбы, в которую впаяны два электрода. К электродам подключено так называемое рабочее тело – вольфрамовая нить, свернутая в спираль. На эту же колбу крепится цоколь различных конструкций, при помощи которого лампочка подключается к осветительной сети.

Конструкция лампы

В первых конструкциях лампочек воздух из колбы откачивался, для того чтобы нагретая спираль не окислялась. Позже стали поступать проще: заполнять колбу инертными газами. Обычно это смесь азота с аргоном.

После подключения лампы спираль под воздействием электрического тока нагревается до 2 000 градусов Цельсия и начинает светиться, а инертные газы не дают вольфраму окисляться и гореть. Температура спирали такова, чтобы, с одной стороны, лампа имела максимально высокую светоотдачу, с другой – ее срок службы был довольно большим (чем выше температура, тем быстрее испаряется вольфрам со спирали).

Как увеличить срок службы лампы накаливания?

Лампы накаливания до сих пор остаются самыми популярными бытовыми осветительными приборами. Благодаря дешевизне, простоте использования и универсальности применения – они на протяжении столетия почти не подвергались изменениям. Впрочем, кроме достоинств, отличаются эти изделия и некоторыми недостатками. Основные из них – это недолговечность и высокое энергопотребление, особенно в сравнении с более современными (светодиодными и газоразрядными) осветительными приборами. И если прожорливость ламп ничем не исправить (таковы уж особенности конструкции), да и в современном мире лампа — не самый требовательный электроприбор в хозяйстве, то вот срок службы – можно попытаться значительно увеличить.

Начнем с объяснения основных причин преждевременного выхода «лампочки Ильича» из строя:

1. Превышение пускового тока.

До 90% всех ламп накаливания перегорают в момент включения. Почему это случается? А секрет кроется в конструкции осветительного прибора.

Основным элементом лампочки является нить накаливания. Именно за счет ее разогрева мы можем наблюдать яркое свечение прибора. Производится нить из вольфрама – самого тугоплавкого металла в мире. Применение других металлов практически невозможно, так как температура на спирали в процессе работы достигает 3000 °C. Как известно из курса школьной физики, металлы обладают положительной зависимостью их электрического сопротивления от температуры: холодное тело обладает меньшим сопротивлением, нежели горячее. А сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в момент включения холодной лампы – через ее спираль проходит ток значительно большей силы, чем в ходе дальнейшей работы (коэффициент пускового тока для ламп накаливания составляет 10-15). Это и является причиной перегорания нити накаливания.

1. Превышение номинального напряжения.

На каждой лампе указывается номинальное напряжение, на работу с которым она рассчитана (обычно это от 220 до 250 В). Проблема кроется в том, что напряжение в электросети постоянно подвергается скачкам. Например, в бытовой сети 220В оно может меняться от 190-200В во время пиковой нагрузки на сеть вечером – до 250-260В в ночные и утренние часы, когда нагрузки минимальны. А повышение напряжения всего на 5% — снижает срок службы лампы на все 40%.

При десятипроцентном превышении напряжения в сети – лампа служит до 3 раз меньше положенного срока и может сгореть в любой момент при резком его(напряжения) скачке.

Низкое качество ламп и патронов

В последнее время, качество выпускаемых ламп существенно снизилось. Особенно, это коснулось маломощных изделий, сгорающих чаще всего. Чаще всего, это заводской брак и другие дефекты, которые вполне можно заметить при внимательном рассмотрении. Поэтому, покупатели, нередко отдают предпочтение продукции зарубежных фирм, несмотря на более высокую цену.

Очень часто причина кроется и в патронах, куда вкручиваются лампочки. В большинстве светильников патроны изготовлены из некачественного пластика, способного выдерживать только лампочки малой мощности. Поэтому, такие патроны очень быстро растрескиваются и выгорают, в том числе и расположенные в них контакты. В этих случаях, лампы подвергаются дополнительному нагреву, что приводит к их выходу из строя. Как правило, внеплановое перегорание происходит в одних и тех же неисправных патронах. После их замены, все проблемы исчезают сами собой.

Однако, механические причины не всегда являются основными. В некоторых случаях, проблемы могут быть связаны с качеством питающего напряжения.

Венцом творения в сфере ламп накаливания являются HIR лампы.

Эта аббревиатура расшифровывается как halogen infrared reflective. Можно сказать, это физический предел технологии производства ламп накаливания. В hir лампе применена шарообразная колба, на поверхности которой сформировано так называемое горячее зеркало — например, послойное напыление металлического серебра и окиси индия для защиты серебра от окисления. Такое покрытие отражает инфракрасный спектр назад на спираль, вызывая локальный перегрев именно поверхности спирали, при этом температура основной массы вольфрама остается как у обычной лампы. За счет этого яркость такой лампы получается как у перекальных ламп +30%, но живет она гораздо дольше. Правда и стоит столько, что проще каждые месяц менять перекальные лампы

Изначально эти лампы задумывались как некий промежуточный вариант между галогенками и газоразрядными лампами. Но эта тема «не взлетела» из за их дороговизны и малораспространенности. Такие автолампы бывают всего в двух цоколях похожих на HB3 и HB4 (HIR2 и HIR1). Например, эти лампы стоят в секции дальнего света в Lexus серии IS и ES, а также в ближнем свете некоторых праворульных японских авто, выпущенных для внутреннего рынка Японии.

И даже бывают лампы HIR вот такой причудливой формы, похожие на ксеноновые, но это не ксеноновые лампы!

Это HIR лампы фирмы General Electric, произведённые по лицензии Toshiba.

Первый вариант сооружения вечной лампы

Подключить последовательно неполярный пленочный конденсатор. Прибор покажет реактивное сопротивление без активной потери мощности. То есть устройство не будет греться, и места займет немного. Для лампы в 60 Вт необходим конденсатор на 3 мкФ с напряжением не более 400 вольт, например, к73-17.

Монтаж навесной, подключение последовательное. Для лампы накаливания более 60 Вт конденсатор на 3 мкФ маловат, прибор будет гореть тускло, а для лампы меньше 60 Вт данный конденсатор не даст нужного балластного эффекта, не избавит от перепадов напряжения.

Мнение эксперта
Владислав Пономарев
Инженер-конструктор, изобретатель

При установке нескольких ламп следует покупать аналогичное количество конденсаторов. Все звенья подключают в сеть параллельно друг другу. Световой луч будет не таким ярким, как обычно, но его хватит для выполнения бытовых дел. Срок службы лампы от 1 года.

Преимущества применения конденсаторов:

• ограничен пусковой ток – снижен риск перегорания из-за перепадов;
• нет мерцающего эффекта;
• лампа не нагревается, работает на малой мощности.

https://youtube.com/watch?v=9E36ssX6UFQ

Если сделать простейшее устройство для подъездной лампы, ее никто не украдет. Хулиганы будут думать, что это очень маломощный прибор, непригодный для применения в квартире.

Скупой платит трижды!

С самого начала использования ЛЕД-ламп их начали подделывать. И поскольку оригинальный товар стоил очень дорого, а китайские «аналоги» — в несколько раз дешевле, спрос на них был достаточно серьезным.

Прошло всего несколько лет, цены на светодиодные светильники существенно снизились, но наши восточные соседи все так же продолжают «гнать» в Россию поддельные ЛЕД-лампы. И их продолжают покупать. Почему не стоит этого делать?

• Качество света такой лампы может быть совершенно непредсказуемым, что негативно влияет на здоровье.
• Сборка китайских ламп всегда оставляет желать лучшего, и самое «безобидное», что может случиться по ходу ее использования – выбьет пробки (автомат на счетчике) или испортится люстра.
• Никакие сроки службы в случае с поддельными лампами не работает, они могут выходить из строя в любой момент.

Люминесцентные источники света

Эти лампочки могут разительно отличаться между собой как по строению, так и по техническим характеристикам. Вместе с тем, какие бы они не были, но у них имеются и общие моменты работы:

• являются энергосберегающими. Хотя им далеко до экономичности светодиодной продукции, они в данном вопросе все же будут значительно экономичнее своих предшественников – ламп накаливания;
• нагрев стеклянной колбы изделия в процессе работы. Несмотря на то, что нагрев здесь все же будет меньшим, чем у ламп накаливания, но этого может быть вполне достаточно для того, чтобы с течением времени привести к деформации натяжного полотна потолка. Особенно, если их разместить близко к перекрытию.

Люминесцентные лампы

Устанавливания такие изделия на натяжном потолке, следует постараться снизить их вред, увеличивая расстояние до полотка и изменяя направленность плафонов книзу.

Что такое галогенная лампа

Галогенная лампа внешне выглядит как обычная ЛН. Она состоит из колбы с вольфрамовой спиралью внутри. В колбу закачан буферный газ с парами брома, фтора, йода и хлора. Пары подавляют испарение вольфрама со спирали при нагревании, не давая колбе потемнеть. Они же увеличивают срок эксплуатации в несколько раз по сравнению с ЛН.

Рис.1 – галогенная лампа.

Когда химические вещества в колбе испаряются, частицы вольфрама возвращаются в спираль, увеличивая температуру нагрева. Это дает интенсивность свечения и высокие показатели цветопередачи. Стекло колбы бывает матовым или прозрачным, давая приглушенный или более яркий свет. Сегодня выпускаются лампы разной мощности, включая низковольтные под напряжение 12 В и 24 В. Высоковольтные лампочки работают от однофазной сети напрямую.

Как же продлить жизнь лампам накаливания?

Есть несколько способов:

Применение полупроводникового диода

Последовательно подключенный в сеть вместе с лампой диод позволит значительно увеличить срок службы лампы (в некоторых случаях удавалось добиться непрерывного горения лампы в течении нескольких лет). В основе этого принципа – выпрямление переменного тока, за счет чего удается снизить электрическую нагрузку на прибор.

• Дешевизна и простота.
• Удобность применения (диод можно установить в корпус выключателя, перед патроном лампы или прямо перед цоколем (см. рисунок)).

• Снижение яркости свечения
• Мерцания лампы в процессе свечения.

Включение лампы через терморезистор

Применение терморезистора, обладающего отрицательным коэффициентом сопротивления (уровень сопротивления обратно пропорционален температуре), позволяет «отвести» часть токов от нити накаливания до того, пока не прогреются нить и сам резистор.

• Простота реализации
• Значительное снижение риска перегорания при включении.

• Отсутствие защиты от перепада напряжения.
• Небольшое увеличение расхода энергии из-за потерь на резисторе.

Подключение через дроссель

Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником включается последовательно с лампой. Благодаря индукции в момент подачи тока все напряжение сети сосредоточенно на дросселе. Таким образом, достигается задержка в зажигании лампы и плавность включения.

Снижение риска выхода из строя при включении

• Нет защиты от роста напряжения
• Потери яркости лампы (хоть и меньше, чем при использовании диода).
• Свет включается не сразу

Включение через диодный мост

Применение сложной конструкции из нескольких диодов и резисторов обеспечит прекрасную защиту лампы при включении, сочетая в себе достоинства предыдущих способов.

Надежная защита от перегорания

Сложность реализации