Описание устройства лампы накаливания

Содержание

Введение………………………………………………………………….…5

1 Описание устройства проектируемой лампы…………………….…….8

1.1 Тело накала……………………………………………………….11

1.2 Колба……………………………………………………………...14

1.3 Цоколь……………………………………………………………15

1.4 Ножка……………………………………………………………..16

2 Расчет тела накала..…………………………………………………......18

2.1 Расчёт параметров вольфрамовой нити………………………..18

2.2 Расчёт параметров тела накала…………………………………24

2.3 Проверка вероятности появления электрической дуги……….25

2.4 Баланс энергии лампы накаливания……………………………26

3 Конструирование ножки……………………………………………......32

4 Расчет средней температуры колбы……………………………….......37

Заключение………………………………………………………………..41

Список использованных источников……………………………………42

Введение

Число типоразмеров тепловых источников оптического излучения, среди которых основное место занимают лампы накаливания (ЛН), исчисляется несколькими тысячами. Столь большое разнообразие решений тепловых источников излучения обусловлено повсеместным и эффективным их применением в различных областях человеческой деятельности. Широкое распространение ЛН, прежде всего, объясняется их сравнительной простотой и надежностью эксплуатации, обработанностью технологии производства и дешевизной. Промышленностью освоены лампы, напряжение которых колеблется от долей до многих сотен вольт, мощность – от сотых долей ватта до десятков киловатт.

Практическое отсутствие ограничений в части создания ламп на требуемые мощности и напряжения, сравнительная простота реализации ламп с необходимыми габаритами и заданной форма тел накала и колбы, широкие возможности регулирования яркости (в том числе габаритной) тела накала (ТН) и многие другие преимущества ЛН делают их вполне перспективными в необозримом будущем.

Путем изменения температуры ТН, материала и толщины стекла, из которого выполняется колба, а также параметров покрытий, наносимых на стекло колбы, можно в весьма широких пределах изменять спектральные характеристики ЛН. ЛН, в отличие от более широко используемых газоразрядных ламп, не требует специальной пускорегулирующей аппаратуры, обеспечивающей зажигание и стабилизацию разряда. В отличие от многих типов газоразрядных источников света (ИС) характеристики ЛН практически не зависят от температуры окружающей среды. Уместно напомнить, что миниатюрные и микроминиатюрные источники света, как правило, крайне сложно выполнить с помощью газоразрядной лампы, поскольку при весьма малых расстояниях между электродами (при требуемых малых габаритах области излучения) сложно обеспечить надежное зажигание и поддержание стабильного газового разряда. Поэтому в установках, в которых требуются миниатюрные источники излучения, еще многие годы будут отдаваться предпочтение лампам накаливания.

Указанные достоинства ламп накаливания во многом объясняют непрерывные поиски новых высокотемпературных материалов, совершенствование элементов ламп, создание полностью автоматизированных и высокоскоростных поточных линий, повсеместные теоретические и экспериментальные исследования (особенно применительно к специальным низковольтным и галогенным лампам накаливания).

Устройство ЛН основано на использовании тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока по проводнику с высокой температурой плавления. Нагретый током тугоплавкий проводник излучает энергию, которая в форме электромагнитных волн различной длины волны распространяется в окружающем пространстве. Убыль энергии в виде излучения постоянно восполняется проходящим током. При низких температурах проводник излучает почти только невидимые лучи, а с повышением температуры возрастает энер­гия излучения и увеличивается доля видимых лучей. Проводник начинает светиться сначала темно-красным, затем красно-оранжевым и, наконец, белым светом.

В данном курсовом проекте проводится расчет и конструирование ЛН.

Сконструировать ИС – значит определить состав и расположение входящих в него деталей, узлов и других компонентов. При этом выбранная конструкция должна обеспечить нормальное протекание физических и других процессов, заложенных в основу функционирования данного источника, и получение заданных параметров.

Целью курсовой работы является расчет и конструирование лампы типа ПЖ 110 – 1000 – 3.

Разработанная лампа предназначена для использования в прожекторах различного назначения (судовых, авиационных, железнодорожных, театральных и другие). Лампы имеют большие значения габаритной яркости и фокусирующие цоколи, что обеспечивает высокую эффективность световых приборов.

Описание устройства лампы накаливания

ЛН типа ПЖ 110 – 1000 – 3 относится к лампам накаливания общего назначения. ЛН широко применяются для освещения, несмотря на невысокую световую отдачу, благодаря простоте конструкции, дешевизне и простоте подключения к питающей сети.

Разрабатываемая лампа состоит из следующих элементов:

- тела накала;

- колбы;

- цоколя;

- ножки.

Рассмотрим устройство ЛН общего назначения (рисунок 1.1).

1 – тело накала; 2 – электроды; 3 – держатели; 4 – линза; 5 – штабик; 6 – лопатка; 7 – откачное отверстие; 8 – штенгель; 9 – тарелка; 10 – колба; 11 – вакуум; 12 – цоколь

Рисунок 1.1 – Устройство ЛН общего назначения

Главной частью любой ЛН является ТН (1). Нагревание ТН производят пропускание через него электрического тока, что приводит к излучению света. ТН может быть выполнено из нити, спирали, биспирали, триспирали и иметь различные формы и размеры.

Для того, чтобы ТН в процессе работы сохраняло исходную форму, его фиксируют в пространстве с помощью внутренних звеньев электродов (2) и держателей (3). Необходимо отметить, что при конструировании ТН важнейшими являются вопросы монтажа на ножке лампы. Ниже на рисунке 1.2 приведены наиболее распространенные типы монтажа.

Рисунок 1.2 – Наиболее распространенные типы монтажа

В зависимости от типа лампы электроды могут быть одно-, двух- и трехзвенными. Внутреннее звено изготовляется из никеля, ферроникеля, меди или платинита. Среднее звено может быть изготовлено из платинита или молибдена. Внешнее звено изготовляется из меди, платинита. Если внешнее звено выполняет роль плавкой вставки, то оно изготавливается из ферроникеля. Электроды и держатели являются частью ножки. Ножка – стеклянный конструктивный узел лампы, который кроме электродов включает в себя стеклянный цельной или пустотелый штабик (5) с линзочкой (4), стеклянный пустотелый штенгель (8) и стеклянную трубку-тарелку (9), имеющую в нижней части развертку. Эти детали соединены между собой путем сплавления стеклянных элементов в зоне лопатки (6). Ножка служит опорой для ТН и вместе с колбой обеспечивает герметичность лампы. Для удобства эксплуатации на горловину с помощью мастики укрепляется цоколь (12) (рисунок 1.3).

1 – корпус; 2 – контактные пластины; 3 – изолятор

Рисунок 1.3 – Цоколь

Металлический корпус (1) служит для установки лампы в патроне, обеспечения электрических контактов между сетью (упругим контактом патрона) и электродами лампы (в большинстве ламп его привариваются или припаивают к корпусу), нанесения маркировки на рант и соединения цоколя с горлом лампы посредством цоколевочной мастики. Металлические контактные пластины (2) служат для осуществления электрического контакта между сетью (упругими контактами патрона) и другими электродами лампы, которые привариваются или припаиваются к пластине. Стеклянный или керамический изолятор (3) обеспечивает механическое соединение корпуса с контактными пластинами и электрически изолирует их друг от друга.

ЛН прожекторные предназначены для использования в прожекторах различного назначения (судовых, авиационных, железнодорожных, театральных и другие). Лампы имеют большие значения габаритной яркости и фокусирующие цоколи, что обеспечивает высокую эффективность световых приборов.

В обозначении лампы ПЖ 110 – 1000 – 3 буквы и цифры означают: ПЖ – прожекторная; 110 – напряжения сети, (В); 1000 – мощность лампы, (Вт). Данная лампа характеризуется следующими параметрами: мощность лампы – 1000 Вт, напряжение – 110 В, световой поток – 22200 лм, средняя продолжительность горения – 150 часов, тип цоколя – E40, габаритные размеры – D=71 мм, L=245 мм.

Тело накала

ТН представляет собой главную часть лампы. Оно собственно и является источником оптического излучения. Все остальные детали лампы служат для того, чтобы обеспечить ТН необходимые условия для нормальной работы. Требования, предъявляемые к ТН, можно условно разделить на физические и конструктивные.

Физические требования относятся к материалу, из которого изготовлено ТН. Этот материал должен иметь:

- высокую температуру плавления; только при этом условии можно придать ТН высокую температуру и получить приемлемые световую отдачу и срок службы;

- малую скорость испарения; от этого зависит срок службы и стабильность светового потока в процессе горения ламп из-за загрязнения колб испарившимися частицами;

- селективность (избирательность) излучения, при которой раскаленное ТН излучало бы возможно большую долю энергии излучения в видимой области спектра, обеспечивая более высокую световую отдачу;

- достаточную формоустойчивость при высокой рабочей температуре, т.е. способность сохранять заданную исходную форму и размеры в процессе горения лампы;

- устойчивость к механическим (вибрационным и ударным) нагрузкам в том диапазоне их значений, которые имеют место при транспортировке и эксплуатации ламп. При воздействии таких нагрузок тело накала не должно разрушаться, а также изменять свои размеры и форму сверх допустимых пределов.

Основное конструктивное требование для большинства ламп заключается в том, чтобы ТН имело как можно меньшие размеры, было компактным. При этом условии можно уменьшить размеры колб, а значит и расход наполняющих лампу газов, сократить размеры внутренних деталей ламп и количество держателей тела накала, снизить тепловые потери через газ в газополных лампах за счет уменьшения поверхности соприкосновения ТН с газовой средой. Повышение компактности тела накала достигается, прежде всего, переходом от прямой нити к спирали, биспирали и даже триспирали. При этом как бы уменьшается длина и увеличивается диаметр светящего тела, а значит, уменьшается поверхность охлаждения тела накала. Переход на спиральное ТН в ЛН стал возможен благодаря появлению формоустойчивого вольфрама марки ВА.

Основными геометрическими параметрами, характеризующими вольфрамовое ТН, являются диаметр, и длина вольфрамовой проволоки, из которой изготовлено ТН; шаг спирали, т.е. расстояние между осевыми линиями проволоки двух соседних витков; диаметр сердечника (керна) (металлический проволочный стержень, на который навивается вольфрамовая проволока); коэффициент шага (отношение шага спирали к диаметру нити) и коэффициент сердечника (керна) (отношение диаметра керна к диаметру нити); диаметр и длина спирали. Эти параметры представлены на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Геометрические параметры спирали

Спиральное ТН имеет следующие преимущества перед прямолинейным: уменьшается средняя скорость испарения вольфрама, что позволяет при том же сроке службы повысить температуру нити накала и, соответственно, световую отдачу; концентрация ТН уменьшает тепловые потери, т.к. длина ТН меньше и меньше число крючков, поддерживающих его.

Недостатки спирального ТН: световая отдача спирального ТН ниже прямолинейного при одинаковой температуре; изготовление спиралей значительно сложнее, чем цилиндрических нитей; формоустойчивость спирали хуже, чем цилиндрической нити.

Под формоустойчивостью спирали понимают ее способность сохранять приданную ей форму при высоких температурах и небольших сотрясениях и оценивается коэффициентом провисания, т.е. отношение стрелы прогиба к половине начальной длины участка ТН, расположенного между двумя поддерживающими элементами.

В тоже время следует учитывать, что в результате многократных отражений потока излучения между отдельными участками поверхности спирали яркость различных участков ее будет различной.

При конструировании ТН важными являются вопросы монтажа на ножке лампы. Выбор конструкции монтажа может повлиять на конструкцию самой спирали, так как может потребовать заранее предусмотренных пропусков спирали, называемых "тире".

Уменьшение светового потока в лампах со спиральным ТН связано с его экранированием витками спирали. Полное излучение спирали состоит из излучения с ее внешней поверхности, а также излучения с внутренней поверхности, выходящего наружу между витками. Излучательность спирали, т.е. отношение потока излучения к поверхности излучающего тела, таким образом, оказывается меньшей, чем у прямолинейной нити. Излучение внутренних частей спирали, падая на противоположные части витков, претерпевает многократное отражение. Это отражение, так же как и излучение вольфрама, имеет селективный характер, т.е. его коэффициент отражения меньше в видимой области, чем в инфракрасной. В результате многократно отраженное излучение обогащено инфракрасной составляющей, т.е. по своему спектральному составу приближается к излучению черного тела ("почернение" излучения), что также приводит к уменьшению световой отдачи спирали по сравнению с прямой нитью при одинаковой температуре. Уменьшение светового потока вследствие экранирования характеризуется коэффициентом видимого излучения спирали.

У любого реального ТН, закрепленного электродами и крючками в ЛН, имеются потери энергии на нагревание электродов и крючков. Электроды ЛН обычно выполняются из никеля. Для уменьшения нагревания электродов током они выбираются с достаточно большим сечением.

Крючки имеют диаметр значительно меньший, чем электроды, и выполняются из молибденовой проволоки. Охлаждающее действие электродов и крючков зависит не только от их размеров, но и от длины ТН. Чем длиннее ТН, тем слабее сказывается охлаждающее действие электродов, но тем больше появляется крючков. Распределение температуры вдоль прямолинейного ТН, закрепленного на электродах и держателях, приведено на рисунке 1.5.

Рисунок 1.5 – Распределение температуры ТН

Колба

Назначение колбы – надежно защищать ТН от атмосферного воздуха; в максимальной степени пропускать оптическое излучение в течение всего срока службы; выполнять роль конструктивного состава лампы, связывая с собой заданным образом ножку и цоколь; в ряде случаев обеспечивать функции оптической системы; выполнять некоторые эстетические функции.

Колбы ЛН выполняются либо из стекла какой-либо группы, либо из кварца. В зависимости от того, с каким металлом стекло образует согласованный спай, стекла разделяют на следующие основные группы: вольфрамовую, молибденовую, платинитовую, переходную. Кварцевое стекло применяется при изготовлении галогенных ЛН, температура стенки, которых должна быть около 500 – 600 ⁰С.

У ЛН общего назначения форма колбы может быть каплеобразной, грибообразной, свечеобразной, шаровой, цилиндрической.

Цоколь

Цоколь – это часть ЛН, предназначенная для ее установки в патрон и обеспечения контакта с электрической сетью.

Цоколь, как правило, состоит из четырех основных частей: металлический корпус, который служит для установки лампы в патроне, обеспечения электрических контактов между сетью (упругим контактом патрона) и электродом лампы (в большинстве цоколей он приваривается или припаивается к корпусу), нанесения маркировки на рант и соединения цоколя с горлом лампы посредством цоколевочной мастики; металлические контактные пластины, служащие для осуществления электрического контакта между сетью (упругими контактами патрона) и другими электродами лампы, которые припаиваются или привариваются к пластине; стеклянный или керамический изолятор; фокусирующие детали, которые позволяют уменьшить поле допуска по высоте светового центра и точно совмещать световой центр с заданной точкой оптической системы.

ЛН ПЖ 110 – 1000 – 3 имеет цоколь E40 – резьбовой цоколь с диаметром резьбы

Главная особенность резьбовых цоколей наличие на их металлическом корпусе винтообразной резьбы. Они имеют только одну контактную пластину. Для предотвращения самопроизвольного вывинчивания лампы из патрона при вибрациях, на резьбу цоколя наносят насечку.

К цоколям предъявляют рад общих требований. Главное из них заключается в том, чтобы цоколь был полностью сопряжён с патроном. Для всех металлических деталей цоколя должно быть предусмотрено применение нержавеющего металла или противокоррозионных покрытий. Для корпусов широко используется оцинкованная сталь, а для тяжёлых условий эксплуатации – латунь или никелированная латунь, допускается также изготовление корпуса из алюминия. Контактные пластины практически всегда выполняются из латуни.

Изолятор цоколя должен быть неэлектропроводным, влагостойким и теплостойким, механически прочным, он должен механически надёжно скрепляться с корпусом цоколя и с контактными пластинками.

Ножка

Ножкой называется цельный неразъемный конструктивный узел лампы, включающий в себя стеклянные штабик, штенгель, тарелку и электроды, соединенные в единую конструкцию расплавлением и последующей формовкой концов стеклянной элементов в виде лопатки.

Ножка ЛН выполняет следующие функции. Она обеспечивает сохранение установленной формы ТН и поддерживает его в заданной зоне пространства внутри лампы. Через штенгель и откачное отверстие осуществляется откачка лампы для создания в ней вакуума. Ножка вместе с колбой делает возможной герметизацию лампы, изолирование ее внутреннего пространства от окружающей среды. Через закрепленные в ножке электроды осуществляется подвод тока к ТН, через штенгель и откачное отверстие – откачка и наполнение лампы газом.

2 Расчёт тела накала

2.1 Расчёт параметров вольфрамовой нити

При выборе и определении исходных данных необходимо учитывать следующее.

При < ТН – спираль, а лампа вакуумная (обозначение – В); если > , то ЛН, как правило, со спиральным ТН, а наполнение – технический аргон (обозначение – Г); в тех случаях, когда , то лампы биспиральные, наполненные техническим аргоном (обозначение – Б) или техническим криптоном (обозначение – БК).

В нашем случае , ТН – спираль, наполнение лампы – технический аргон.

Опыт серийного производства показывает, что коэффициент шага ( ) и сердечника ( ) обычно находится в пределах и . Коэффициент шага стремятся сделать меньше, а сердечника – больше, так как при этом ТН компактнее, а потери через газ – меньше.

Выбираем спиральную газополную (технический аргон) лампу. При этом потери через газ будут равны .

Расчёт основных параметров нити проводим по следующим формулам

(2.1)

(2.2)

где – диаметр нити, ;

– ток лампы, ;

– удельное сопротивление нити, ;

– энергетическая светимость вольфрама, ;

– коэффициент излучения ТН;

– длина нити, ;

– рабочее напряжение лампы, ;

– коэффициент, учитывающий уменьшение мощности за счёт охлаждающего действия держателей и электродов (находится в пределах ).

Ток лампы найдём из формулы

(2.3)

где – мощность лампы, ;

– рабочее напряжение лампы, .

Чтобы найти и , необходимо найти световую отдачу и температуру ТН.

Расчёт световой отдачи нити проводим по следующей формуле

(2.4)

где – световая отдача лампы, ;

– коэффициент, определяющий потери светового потока лампы из-за охлаждения держателей (находится в пределах );

– коэффициент, характеризующий экранирующее действие цоколя (находится в пределах ) (чем больше мощность лампы, тем меньше будет этот коэффициент);

– коэффициент видимого излучения.

Находим световую отдачу лампы по формуле

(2.5)

где – световой поток, .

Находим коэффициент излучения по таблице 2.1 в зависимости от коэффициента шага. Для этого выбираем коэффициент шага и сердечника для своей лампы.

Таблица 2.1 – Зависимость коэффициента излучения идеальной спирали от коэффициента шага

Коэффициент шага,	Коэффициент излучения,
1,0	0,500
1,1	0,600
1,2	0,660
1,3	0,700
1,4	0,740
1,5	0,765
1,6	0,785
1,7	0,800
1,8	0,820
1,9	0,840
2,0	0,850

Коэффициент шага . Коэффициент сердечника .

Так как , то .

Определяем коэффициент видимого излучения

(2.6)

где – световая отдача спирали в вакууме.

Световая отдача спирали в вакууме является функцией коэффициента шага и находится из рисунка 2.1.

Рисунок 2.1 – Зависимость световой отдачи спирали в вакууме от коэффициента шага при постоянной температуре

Из рисунка .

Находим световую отдачу нити в вакууме, а по ней из таблицы 2.2 находим , , .

Таблица 2.2 – Параметры идеальной вольфрамовой нити

	0,0007	24,93	0,6020
	0,0034	24,93	0,6020
	0,0126	30,38	1,6600
	0,0355	30,38	1,6600
	0,0899	37,19	3,8300
	0,1990	37,19	3,8300
	0,3950	43,55	6,7400
	0,7240	43,55	6,7400

Продолжение таблицы 2.2

	1,1900	50,05	14,190
	1,9400	50,05	14,190
	2,8400	56,67	24,040
	4,1800	60,06	30,500
	5,5200	63,48	38,200
	7,2400	66,91	47,200
	9,3900	70,39	57,700
	11,720	73,91	69,800
	14,340	77,49	83,800
	17,600	81,04	99,600
	20,530	84,70	117,60
	23,640	88,33	137,80
	27,250	92,04	160,50
	34,700	99,54	214,00

Так как , то , , .

Рассчитываем геометрические параметры нити

2.2 Расчёт параметров тела накала

Для спирали диаметр ТН определяется по формуле

(2.7)

где – диаметр спирали, ;

– диаметр сердечника, .

Коэффициент сердечника определяется по формуле

(2.8)

Из формулы 2.8 найдём диаметр сердечника

(2.9)

Вычислим диаметр спирали

Найдём длину спирали

(2.10)

где – общее число витков спирали, ;

– число витков спирали, приходящаяся на 1 мм её длины, .

Определим число витков спирали по формуле

(2.11)

где – длина одного витка, .

Длина одного витка найдём по формуле

(2.12)

Число витков спирали, приходящаяся на 1 мм длины спирали, найдём по формуле

(2.13)

Рассчитаем длину спирали

.