Електрична лампа

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к производству ламп накаливания с покрытием, и может быть использовано в осветительных приборах общего и специального назначения. Согласно ГОСТ 2239 - 79 такая лампа содержит цоколь, прозрачную стеклянную колбу, внутри которой на токовыводах установлена нить накала. Лампа может изготавливаться как в прозрачных, так и в матированных, опаловых или молочных колбах. Известны лампы накаливания с покрытием на колбе, в которых увеличены срок службы и световая отдача. Согласно описанию изобретения к авторскому свидетельству №1541688, H01K1/32, 1985г., теплоотражающее покрытие, состоящее из металлического слоя, окруженного с обеих сторон защитными слоями из оксида церия, дополнительно содержащими оксид металла переменной валентности. По описанию к авторскому свидетельству №1436149, H01K1/32, 1986г., согласно которому один из указанных диэлектрических слоев выполнен из материала с показателем преломления и имеет толщину выбираемую из соотношения где - длина волны, соответствующая максимуму интенсивности пропускания света. Наиболее близким по совокупности признаков заявляемого решения к известному является техническое решение по описанию к авторскому свидетельству №1554049, H01K1/32, G02B5/28, 1988г., согласно которому лампа накаливания содержит тело накала, герметично установленное в колбе из оптически прозрачного материала, на внутреннюю поверхность которой нанесено теплоотражающее покрытие из металлического слоя, заключенного между слоями диэлектрика с показателем преломления и дополнительных диэлектрических слоев с показателем преломления лежащим в диапазоне 1,37 - 1,6, а толщины каждого из указанных слоев диэлектрика и дополнительных соответственно равны и где - длина волны, соответствующая середине полосы пропускания. Использование таких ламп позволяет получить определенный эффект увеличения светоотдачи, но не уменьшает количество потребляемой электроэнергии. Кроме того, в известных решениях отражение теплоотражающим покрытием и поглощение телом накала инфракрасного излучения приводит к избыточному перегреву тела накала, что увеличивает скорость испарения вольфрама. Это приводит к сокращению срока службы лампы, К тому же, в указанных те хнических решениях выбор толщины покрытия, соответствующей средине полосы пропускания или максимальной интенсивности пропускания света, не обеспечивает максимальной световой отдачи лампы накаливания. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электрической лампы накаливания с покрытием на поверхности колбы, в которой путем установки термодатчика (или фотодатчика) и улучшения оптических характеристик покрытия обеспечивается оптимальный температурный режим тела накала, максимальная цветовая отдача и утилизация энергии, затраченной на испускание телом накала невидимой (инфракрасной и ультрафиолетовой) части излучения, и за счет этого значительно сократить расход потребляемой электроэнергии и увеличить срок службы лампы. Поставленная задача решается тем, что в электрической лампе, содержащей тело накала, герметично установленное в колбе из оптически прозрачного материала, на поверхность которой нанесено покрытие, выполненное по меньшей мере из одного слоя, согласно изобретению, установлен датчик с токовыводами, концы которых соединены с контактными пластинами, встроенными в цоколь, а параметры слоев покрытия соответствуют максимуму световой отдачи и определяются отношением суммарной мощности видимого излучения, прошедшего через колбу, к сумме мощностей всего излучения, прошедшего через колбу, и излучения, поглощенного колбой с покрытием, где - коэффициент пропускания по мощности -слойной системы как функция толщины, каждого слоя, показателя преломления вещества каждого слоя и длины волны излучения, - коэффициент отражения по мощности -слойной системы как функция толщины каждого слоя, показателя преломления длины волны излучения, вещества каждого слоя и - мощность излучения черного тела, определяемая законом Планка, как функция длины волны излучения и температуры - длины волн, определяющие пределы интегрирования для видимого диапазона. При испускании телом накала излучения часть его отражается покрытием на колбе, поступает обратно на тело накала и поглощается им. Это приводит к дополнительному нагреву тела накала и увеличению световой отдачи лампы. Однако, в то же время увеличивается скорость испарения материала, из которого выполнено тело накала, за счет чего сокращается срок его эксплуатации. Установленный в лампе термодатчик (или фотодатчик) управляет работой электронного регулятора мощности, включенного в цепь тела накала. В зависимости от силы сигнала, приходящего от датчика, регулятор мощности понижает напряжение на входе тела накала, тем самым уменьшая потребление электроэнергии из сети. Таким образом, невостребованная часть электроэнергии прямо пропорциональна мощности невидимой части излучения, отраженной покрытием и в последующем поглощенной телом накала. Поэтому в заявляемом решении параметры слоев (толщины и показатели преломления) покрытия определяются из условия максимума отношения суммарной мощности видимого излучения, прошедшего через колбу, к сумме мощностей всего излучения, прошедшего через колбу, и излучения, поглощенного колбой с покрытием. Такое устройство электролампы позволит снизить потребление электроэнергии согласно ниже приводимым расчетам в 5 - 10 раз. На фиг.1 представлена конструкция лампы; на фиг.2 - однослойное покрытие на внутренней поверхности колбы; на фиг.3 - трехслойное покрытие на внутренней поверхности колбы; на фиг.4 - двухслойное покрытие на внешней поверхности колбы. В табл.1 для однослойного покрытия на внутренней поверхности колбы приведены данные расчетов максимального КПД лампы накаливания для ряда веществ, используемых в качестве отражающего слоя оптимальной толщины В табл.2 для трехслойного покрытия на внутренней поверхности колбы приведены результаты расчетов максимального КПД лампы накаливания для ряда веществ, используемых в качестве отражающего слоя оптимальной толщины и соответствующие оптимальные параметры защитных диэлектрических слоев и и В табл.3 для двухслойного покрытия на внешней поверхности колбы приведены данные расчетов максимального КПД лампы накаливания для ряда веществ, используемых в качестве отражающего споя оптимальной толщины и соответствующие оптимальные параметры защитного диэлектрического слоя и Во всех таблицах значения КПД приведены для ламп накаливания с различной цветовой темпера турой тела накала, величины КПД выражены в процентах. Лампа накаливания (фиг.1) содержит тело накала 1, установленное на токовыводах 2 в геометрическом центре колбы 3 с покрытием, и датчик 4, установленный в колбе на токовыводах 5, соединенных с контактными пластинами б, встроенными в цоколь 7. Регулятор мощности может быть выполнен по известным схемам, установлен в осветительной арматуре и в данном описании не приводится. В общем случае колба с покрытием представляет собой -слойную систему. Коэффициент полезного действия такой системы определится как отношение суммарной мощности видимого излучения, прошедшего через колбу, к сумме мощностей всего излучения прошедшего через колбу, и излучения, поглощенного колбой с покрытием, считая, что энергия всего отраженного покрытием излучения в последующем утилизируется и используется. Для определения коэффициентов пропускания и отражения необходимо решить соответствующую известную электродинамическую задачу для -слойной системы. Пример. На фиг.2 показана колба с однослойным покрытием на внутренней поверхности как двухслойная система. Решая уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле в изотропной среде, и накладывая соответствующие граничные условия, можно получить следующие выражения для коэффициентов пропускания по амплитуде и отражения по амплитуде: - для каждой среды и слоев системы, относительные комплексные магнитная и диэлектрическая проницаемости каждой среды и слоев, - толщина отражающего слоя, - толщина стеклянной колбы. Тогда коэффициент пропускания по мощности запишется в виде: где - комплексно сопряженная величина Коэффициент отражения по мощности запишется в виде: где - комплексно сопряженная величина Таким образом, величины и зависят от характеристик и каждой среды и слоев, толщины и и длины волны излучения. В исследуемом диапазоне длин волн для всех веществ характерно Поэтому Так как в рассматриваемой задаче средами 1 и 2 являются инертный газ и воздух соответственно, то Для слоев зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости от действи тельной и мнимой частей комплексного показателя преломления имеют вид: Дальнейшее решение задачи сводится к выбору веществ для каждого слоя и определению оптимальных толщин слоев. По спектрам и выбранных веществ и задаваемым величинам и находится отношение Варьированием значения при заданном находится максимум отношения Результаты численных расчетов максимального КПД системы, в которой первый слой выполнен из предлагаемых веществ и имеет толщину а второй слой (колба) толщиной из стекла состава представлены в табл.1 для различных цветовых температур. Для сравнения в табл.1 приведены значения КПД для ламп без покрытия на поверхности колбы. Пример по табл.1. Лампа с покрытием из серебра толщиной на внутренней поверхности колбы из стекла состава толщиной имеет КПД = 4,67% при цветовой температуре тела накала Аналогичным образом решается задача для -слойных систем. В этом случае необходимо использовать выражения типа (1), но выведенные с учетом граничных условий для каждого дополнительного слоя. В табл.2 представлены результаты расчетов максимального КПД, выраженного в процентах, для трехслойного покрытия на внутренней поверхности колбы (фиг.3) при различных цветовых температурах тела накала. Первый слой толщиной выполнен из диэлектрика с показателем преломления второй слой толщиной выполнен из предлагаемых веществ, третий слой толщиной выполнен из диэлектрика с показателем преломления четвертый слой (колба) толщиной выполнен из стекла состава Пример по табл.2. Лампа с покрытием на внутренней поверхности колбы, состоящим из слоя серебра толщиной окруженного с обеих сторон диэлектрическими слоями толщиной мкм и показателем преломления имеет КПД = 10,27% при температуре Колба выполнена из стекла состава и имеет толщину 1мм. В табл.2 в последних графах для сравнения приведены значения КПД для известных вариантов покрытий (по упомянутым выше авторским свидетельствам). Защитные диэлектрические слои, как следует из сравнения результатов для однослойного и трехслойного покрытий, не всегда выполняют функцию просветления отражающего слоя для повышения световой отдачи лампы накаливания. Более технологичным является процесс нанесения покрытий на внешнюю поверхность колбы. Однако в этом случае при выборе стекла для колбы следует накладывать условие прозрачности его во всем диапазоне излучения, то есть мнимая часть комплексного показателя преломления должна быть равной нулю, так как в противном случае та часть энергии, которую необходимо вернуть обратно и утилизировать, будет поглощена стеклом. В качестве материала для колбы в дальнейших расчетах выбрана оптическая керамика которая имеет показатель преломления Толщина колбы Проведенные расчеты для трехслойного покрытия на внешней поверхности такой колбы показывают незначительные отклонения величины КПД от значений, вычисленных для трехслойного покрытия на внутренней поверхности при тех же оптимальных параметрах все х слоев. Некоторый интерес представляет случай, когда отсутствует защи тный диэлектрический слой между колбой и отражающим слоем, так как оптическая керамика, из которой выполнена колба, имеет хорошие механические свойства и может выполнять функции защитного слоя. Полученные результаты оптимизации параметров такой системы (фиг.4) для различных цветовых температур представлены в табл.3. Значения КПД даны в процентах. Лампа работает следующим образом. При включении в электроосветительную сеть на тело накала подается напряжение, достаточное для нагрева его до рабочей температуры. При испускании телом накала излучения, отраженная покрытием на колбе его часть попадает обратно на тело накала и поглощается им, что приводит к повышению температуры самого тела. Датчик, установленный в колбе настроен на рабочую температуру (или освещенность) и реагирует на дополнительное повышение ее, посылая сигнал на электронный регулятор мощности, установленный в осветительной арматуре. В зависимости от силы сигнала регулятор мощности понижает напряжение на входе тела накала, тем самым уменьшая потребление электроэнергии из сети. Таким образом потребление электроэнергии сокращается на величину утилизированной энергии отраженного покрытием и поглощенного телом накала излучения. Кроме того в колбе поддерживается стабильный температурный режим, что очень важно для эксплуатации и долговечности покрытия и тела накала.