Освещение

Цоколи и патроны.

В этой статье я постарался раскрыть историю создания цоколя лампы накаливания, его развитие, и современную номенклатуру, применяемую в освещении жилых помещений. Некоторые факты и документы интересны тем, что я не смог обнаружить их ни на просторах Рунета, ни в Википедии.
В статье я рассматриваю цоколи ламп накаливания (ЛН) и галогенных ламп, не затрагивая отдельно компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) со встроенным ЭПРА, и LED-лампы со встроенным драйвером. Это сделано потому, что цоколи не изменились — поменялся только излучатель света.

Немного интересной истории.

Постоянный электрический свет был впервые продемонстрирован в 1835 году, и в течение следующих десятилетий ученые и изобретатели всего мира работали над надёжной лампой накаливания. Так как лампы были недолговечны, вопрос их самостоятельной быстрой и безопасной замены встал почти сразу. В то время производители ламп использовали различные и несовместимые цоколи. Например, Thomson-Houston Electric Company использовала цоколь с резьбовой шпилькой и вторым плоским контактным кольцом, Сойер-Манн и Вестингауз использовали пружинный зажим, взаимодействующий с выемками на цоколе, и вторым контактом в нижней части. 

В 1879 года Томас Альва Эдисон запатентовал, а в 1880 запустил в производство свою лампу накаливания (патент US223898 A, приоритет от 4 ноября 1879 года, дата публикации 27 января 1880 года).
Обратите внимание, что патрон пока отсутствует.

​Годом позже Эдисон патентует винтовой цоколь и патрон для своей лампы (патент US251554 A, заявлен 26 марта 1881 года, дата публикации 27 декабря 1881 года).
Обойдя главного конкурента — Томаса Эдисона, с его сетью постоянного тока, компания Джорджа Вестингауза выиграла контракт на электрификацию и освещение с сетью переменного тока Всемирной выставки 1893 года в Чикаго. В отместку компания General Electric, принадлежавшая Эдисону, запретила Вестингаузу использовать запатентованные Эдисоном лампы с винтовым цоколем. Чтобы обойти запрет, Джордж Вестингауз впервые использовал лампы с двухштырьковым цоколем (патент на лампу US543280 A, заявлен 29 августа 1892 года, дата публикации 23 июля 1895 года).
Примерно к 1908 году цоколь Эдисона стал самым распространенным в США, вытеснив остальные из употребления. Так мы получили лампы накаливания с привычным цоколем. А разработка Вестингауза стала прообразом цоколей для галогенных, а позже, и люминесцентных ламп и стартеров.

В РФ все цоколи и патроны стандартизированы ГОСТ IEC 60061-1-2014 «Цоколи и патроны для источников света с калибрами для проверки взаимозаменяемости и безопасности». Этот ГОСТ соответствует IEC 60061-1 Международной электротехнической комиссии. Членство в Международной Электротехнической Комиссии открыто только для признанных организаций национальных стандартов. Полноправными членами комиссии являются 60 стран, включая Беларусь, Россию и Украину.

Лампы с цоколем Эдисона (Edison Screw).

Несмотря на американское происхождение стандарта, обозначение EXX соответствует диаметру цоколя в миллиметрах.​
​Для ламп на сетевое напряжение используются следующие размеры:

E12 Люстровый цоколь (CES, Candelabra Edison Screw) для ламп 120 В
E14 Малый цоколь; цоколь ламп типа «миньон» (SES, Small Edison Screw) для ламп 230 В
E17 Средний цоколь (IES) для ламп 120 В
E26 Стандартный цоколь (ES или MES, [Medium] Edison Screw) для ламп 120 В
E27 Стандартный цоколь (ES) для ламп 230 В
E39 Большой цоколь «Голиаф» (Goliath ES) для в Северной Америки
E40 Большой цоколь для Европы

E26 и E27 обычно взаимозаменяемы, как и E39 и E40, хотя и в меньшей степени.

В РФ и большинстве стран Старого Света для светильников с лампами накаливания (ЛН) используются лампы с цоколями E14 (SES, Small Edison Screw) и E27 (ES, Edison Screw). 

​Перед тем, как вкручивать лампу в патрон E27, следует помнить, что выпускаются эти лампы не только на сетевое, но и на пониженное напряжение, — 12, 24, и 36 В (такие лампы предназначены для местного освещения, и поэтому имеют обозначение «МО»). Также в России по-прежнему производятся ЛН E27 на 127 В.

В Северной Америке напряжение сети вполовину ниже, чем у нас, и используются другие размеры цоколей — E12 (CES, Candelabra Edison Screw), E17 (IES) и E26 (ES, Edison Screw). Если при переделке «под Европу» патроны E12 необходимо заменять на E14, то с E26 проще — лампы с цоколем E27 вкручиваются в патрон E26. Этим, кстати пользуются некоторые сообразительные американцы и канадцы — из поездок по Европе они привозят лампы накаливания на напряжение 220В, и вкручивают в тех помещениях, где освещенность некритична. Так они получают практически вечную лампу, которую можно передавать по наследству. 

​Для защиты от поражения электротоком фазный проводник подключается к центральному контакту. В этом случае исключен удар током в процессе установки и удаления лампы — при выкручивании сначала размыкается центральный контакт лампы, и только затем физически возможно касание цоколя. В Европе, и в РФ также, патрон усовершенствовали так, что при выкручивании юбка цоколя также отключается от токоведущего контакта патрона сразу, что делает патрон безопасным даже в случае, если фаза подведена неправильно.

​Для мощных ламп накаливания, ртутных и натриевых ламп применяется цоколь E40 (GES, Giant или Goliath Edison Screw). По ту сторону океана используют цоколь E39. Это т.н. патрон промышленного стандарта, и в быту не применяется. Здесь следует отметить, что ртутные лампы нельзя включать без балласта, а натриевые лампы — без ПРА, а еще бывают они как на фазное, так и на линейное напряжение (последние имеют на колбе маркировку рабочего напряжения 400V).

Байонетный патрон.

Для ламп на сетевое напряжение применяют не только винтовые, но и байонетные электропатроны - патрон и цоколь имеют байонетное, т.е. штыковое соединение (воткнуть и повернуть). Конструкция позволяют легко менять лампу в держателе. Данный цоколь специально создавался для использования в условиях постоянной вибрации.

На сетевое напряжение используются лампы с цоколем B15d и B22d.
Обозначение байонетного цоколя на примере B22d: 
B - Bayonet (штыковой) - байонет; 
22 - диаметр цоколя в мм;
d - "double", т.е. 2 контакта.

Лампы с цоколем B15d предназначены, в основном, для индикаторной подсветки в условиях вибрации.

Лампы типа B22d чаще всего используются в промышленных станках, на железнодорожном и водном транспорте. Так как лампа не вкручивается, обеспечивается точное позиционирование спирали в центре фокусирующей линзы, например, ходового огня корабля, где световой поток точно фокусируется в нужную сторону. Но также такие патроны можно встретить и в декоративных светильниках, как показано на фото ниже.

Цоколи галогенных ламп и патроны для них.

Галогенные лампы представляют собой технологическую эволюцию традиционных ламп накаливания. Начиная с 1960-х годов, эти источники света произвели революцию в секторе ламп накаливания, создав основу для новых типов осветительных приборов.

По сравнению с обычными лампами накаливания, галогенные имеют ряд преимуществ - светоотдачу 20-35 лм/Вт, меньшие габариты, больший диапазон плавного регулирования потока излучения, срок службы ~2000-4000 часов, единичную мощность от 6 до 2000 Вт (в быту, обычно, до 150 Вт). Платой за это служит более высокая рабочая температура колбы и цоколя, что предъявляет повышенные требования к патронам и подводящим проводникам.

Все патроны для галогенных ламп можно разделить на две основные группы — для низковольтных галогенных ламп, и для сетевых галогенных ламп накаливания. Обозначение цоколей начинается с буквы G (материал колбы лампы G — Glass, стекло), вторая буква обозначает различия формы цоколя. Цифры после букв указывают расстояние в миллиметрах между центрами штырьков. Например, GU10 — с U-образной формой керамического основания цоколя, и с размером по осям контактов 10 мм. Отдельной группой стоят линейные галогенные лампы. 

К патронам для низковольтных галогенных ламп и к патронам для сетевых галогенных ламп предъявляются разные требования к изоляции, защите, и испытаниям, поэтому низковольтные патроны нельзя применять для прямого включения в сеть.​

Патроны для низковольтных галогенных ламп накаливания.

В группу низковольтных входят патроны для ламп с цоколями G4(GU4, GZ4), G5.3(GU5.3, GX5.3, GY5.3), G6.35(GU6.35, GX6.35, GY6.35).
Для примера, на иллюстрации - цоколи G4 и GU4. Первый встречается, в основном, у капсульных ламп, второй — у зеркальных ламп в точечных встраиваемых светильниках. 
Также различаются и патроны — для капсульных ламп патрон часто встраивается в металлическую трубку люстры, для зеркальных ламп — крепится к основанию или остаётся свободным. Часто применяется универсальный патрон — в него можно вставить любую лампу формата G4(GU4, GZ4), G5.3(GU5.3, GX5.3, GY5.3) или G6.35.

Капсульные лампы G4 также применяются в мебельных светильниках. Там используется прямоугольный патрон, жестко монтируемый сбоку светильника.
Патроны для низковольтных ламп выпускают как с прикрепленными отрезками проводов, так и с плоскопружинными клеммами. При замене патронов G4 в люстрах, следует обязательно учитывать, что разные производители выпускают патроны с проводами разной длины, и в больших люстрах это бывает очень критично.

Максимальное рабочее напряжение (нормируемое напряжение), на которое рассчитаны эти патроны, составляет 24В, максимальный рабочий ток - 8А-10А.​

 Эти патроны нельзя включать напрямую в сеть. Несмотря на то, что по заказу наших продавцов китайские производители штампуют лампы на сетевое напряжение с цоколем  G5.3, использовать их недопустимо. Нигде, ни в Европе, ни в обеих Америках, не продаются лампы на 220В с цоколем G5.3. Но в России это большой сегмент рынка, поскольку точечные светильники по умолчанию укомплектованы патроном G5.3. Есть даже один солидный бренд, который с 2015 года производит для российского рынка лампы на сетевое напряжение с цоколем GU5.3, об этом - отдельная статья. Однако по стандарту, и по электробезопасности, если точечный светильник укомплектован патроном G5.3, но планируется питание от сети, необходимо заменить патрон на GU10/GZ10 (см.ниже).

Патроны для сетевых галогенных ламп накаливания.​

Во вторую группу, для питания от сети, входят патроны

G8, GY8.6 (оба для ламп напряжением 120 В);
G9;
GU8.5 (применяется только для металлогалогенных дамп)
GU10(GX10, GZ10);
G12 (применяется только для металлогалогенных ламп);
G23 и GU24 (применяются для КЛЛ),
G38 (для театрального света),
GX53 (для КЛЛ и светодиодных ламп).

В отличие от патронов первой группы, конструкция этих патронов обеспечивает недоступность прикосновения к токоведущим деталям для нормальной эксплуатации — без установленной лампы, с установленной лампой, и в процессе установки и удаления лампы. С этими цоколями выпускаются лампы только на сетевое напряжение, так искусственно обеспечивается несовместимость — низковольтные лампы невозможно по ошибке включить напрямую в сеть (китайские поделки не в счёт).

Самыми распространенными патронами этой группы являются G9 (для капсульных ламп) и GU10(GX10, GZ10) (только для ламп с зеркальным рефлектором). Оба патрона рассчитаны на максимальный ток 2 А и напряжение 250 В.

Цоколь G9 имеют галогенные и светодиодные капсульные лампы, т.е. лампы без отражателя. Конструкция втычная, лампа удерживается в патроне не контактами, а центральным пружинным зажимом. На фото представлена светодиодная лампа G9 в пластиковом корпусе. На корпусе между контактами можно увидеть насечки, предназначенные для лучшего удержания лампы в патроне.
Патроны G9 выпускаются в различных модификациях, с разными вариантами крепления — двумя винтами или с резьбой М10 в задней части. Есть вариант с резьбой и кольцом в комплекте — для прямой установки плафона прямо на патрон. На фото ниже представлены патроны G9 из керамики (стеатит) и из термопластика (жидкокристаллический полимер).
Чаще всего патроны G9 имеют плоскопружинные клеммы для подключения проводов, но есть варианты и присоединенными проводами. Патроны выпускают из керамики и пластика.

Цоколь GU10 сравнительно молод – он разработан компанией Havells Sylvania в 1997 году. У него существуют две другие разновидности – GZ10 и GX10. GZ10 имеет прямое цилиндрическое основание. У GX10 основание имеет ступенчатое уменьшение диаметра и два выступа-ключа. Поэтому лампы GX10 и GZ10 невозможно вставить в патрон GU10.

Зачем нужны эти разные цоколи? Потому что имеют их разные лампы!

Обычные лампы с зеркальным отражателем типа MR16 имеют цоколь GU10. В качестве отражателя используется алюминиевое напыление. 

Цоколь GZ10 имеют лампы MR16 с дихроическим отражателем. В этих лампах применяется селективное дихроическое покрытие, которое отражает видимый свет, но пропускает инфракрасное излучение. Этот тип ламп меньше нагревает освещаемые объекты, так как в потоке света уменьшено инфракрасное излучение. Такие лампы должны использоваться только в совместимых светильниках, которые могут рассеивать тепло. Дихроические лампы недопустимо устанавливать на стене или в закрытых светильниках. Именно поэтому дихроическую лампу невозможно вставить в обычный патрон GU10.

Цоколь GX10 применяется для металлогалогенных ламп MR16. Эти лампы работают не напрямую от сети, а используют внешний ПРА, установленный в светильнике. Соответственно, такие светильники имеют патрон GX10, в который нельзя вставить обычные и дихроические галогенные лампы. 
​Патроны GU10 (GX10, GZ10) выпускают из керамики и пластика, как с прикрепленными отрезками проводов, так и с плоскопружинными клеммами.

Цоколь GX53 появился совсем недавно, с распространением новых источников света. Патрон обычно является частью светильника, встраиваемого в потолок. Из всех стандартных светильников, этот является самым плоским (вместе с установленной лампой). 
Из-за своей формы, лампы с цоколем GX53 бывают только светодиодные и, крайне редко, КЛЛ (компактные люминесцентные).

Присоединение патронов с плоскопружинными клеммами. 

Для присоединения патронов с плоскопружинными клеммами желательно применять термостойкие провода, например, РКГМ, ПВКВ, SiF/GL, SiF. Сечение подключаемого провода обычно ограничено в пределах от 0,5 до 1 мм², реже до 1,5 мм². Концы многожильных проводов, вводимые в клеммы, необходимо залудить или оконцевать наконечниками НШВ соответствующего сечения. 

Патроны для линейных кварцевых галогенных ламп.

Третья группа — патроны для линейных кварцевых галогенных ламп. Для бытового применения они полностью унифицированы, выпускаются только под сетевое напряжение, и имеют цоколь (и соответственно патрон) R7s и Rx7s. Различается только длина лампы, которая зависит от мощности. Стандартная длина линейных галогенных ламп на сетевое напряжение указана в таблице. Цифра 7 в типе цоколя означает диаметр контактной части лампы, в миллиметрах.
В некоторых светильниках установлена стандартная сборка из двух патронов R7s, приклёпанных к металлическому кронштейну.
В других светильниках на нужном расстоянии соосно установлены два отдельных патрона R7s. На иллюстрации я привёл несколько видов.
В связи с большой мощностью линейных ламп, патроны R7s всегда изготавливают из керамики, а к пружинному контакту неразъёмно прикреплен отрезок термостойкого провода.

Материалы

Материал конструкции патрона особенно важен с точки зрения механической прочности и термостойкости. Так, согласно ГОСТ IEC 60238-2012 нормируемая рабочая температура патронов, предназначенных для использования в условиях повышенной температуры среды (патроны с маркировкой Т), должна быть не ниже: 140, 170 и 230°С для патронов Е14, Е27 и Е40 соответственно. Нормируемые рабочие температуры для резьбовых патронов без маркировки T: 135, 165 и 225°С для патронов Е14, Е27 и Е40 соответственно.

При изготовлении используются различные типы материалов:
• термопластичные пластмассы;
• термореактивные смолы (фенольные и полиэфирные) ;
• фарфор и керамика;
• металлические сплавы.

Пластики можно разделить на две основные категории: термопласты и термореактивные смолы. Различие основано на молекулярной структуре соединений и на том, как они реагируют на тепло во время рабочего процесса.

Термопластичные пластмассы.

Патроны из термопласта изготавливаются методом литья под давлением. В этом процессе твёрдые пластиковые гранулы нагревают, до тех пор, пока они не станут жидкостью. Затем он впрыскивается под давлением в форму, внутри которой расплавленная масса принимает форму полости. Когда жидкая масса соприкасается с холодными стенками полости формы, она остывает и затвердевает, принимая требуемую форму. При формовании термопластичного материала не происходит никакой химической реакции, и операцию формования можно обратить вспять, поскольку термопластичные материалы изменяются между пластическим и твердым состоянием без потери своих характеристик.

Многие модели электропатронов изготовлены из термопластичных материалов. Они обладают хорошими характеристиками с точки зрения эластичности и гибкости, — свойств, которые, достигнув большого успеха в 1980-х годах, позволили изобрести новые формы патронов. Эластичность при растяжении и изгибе позволяет массово производить небольшие элементы, которые можно быстро и легко «защелкнуть» без использования винтов, заклепок или других типов крепежа. Благодаря хорошей механической прочности можно уменьшить толщину деталей и тем самым уменьшить их размер и вес.

Патроны из термопласта могут быть отлиты в разных цветах. Обычно используют три цвета - чёрный, белый, и коричневый.
Допустимые температурные пределы термопластов могут достигать высоких значений:
• Полибутилентерефталат (PBT) — 180°C
• Полиэтилентерефталат (PET) — 210°C
• Полифениленсульфид (PPS) — 240°C
• Жидкокристаллический полимер (LCP) — 270°C


Термореактивные смолы.

В дополнение к термопластам также используются термореактивные полимеры. Производство изделия сопровождается необратимой химической реакцией, приводящей к образованию неплавкого и нерастворимого материала. Перед обработкой эти материалы находятся в виде порошка. Патроны изготавливаются горячим прессованием. Во время этого процесса твердые смолы под действием тепла и давления превращаются в очень вязкую массe. Через некоторое время она превращается в твердую и недеформируемую
деталь. При этом происходит химическая реакция, которая вызывает необратимую перестройку молекулы - термореактивный материал больше нельзя расплавить или растворить. Патроны и их детали изготавливают термореактивной фенольной смолы (бакелита), и термореактивного полиэстера. Другое название бакелита - карболит (это название использовалось в СССР). Бакелит был первым синтетическим реактопластом, т.е. пластиком, который не размягчался при высокой температуре. Его получил и в 1909 году запатентовал химик Лео Бакеланд в 1909 году (U. S. Patent 0.942.809).

Допустимый температурный предел (согласно EN 60238) составляет 190°С для патронов из бакелита, и 230°С для полиэстера.
Классический трёхкомпонентный бакелитовый патрон до сих пор широко распространен в декоративном освещении благодаря своей прочности, надежности, и традиционному глянцево-черному цвету.

Керамика и фарфор.

Фарфор и керамика также устойчивы с точки зрения их термических и механических свойств. В таких патронах единственное температурное ограничение касается электрических контактов, а не корпуса. По сравнению с аналогичными металлическими и пластиковыми моделями эти более крупные и хрупкие. Керамика, например стеатит, также широко используется для питания галогенных ламп. В этой области очень важен тепловой фактор из-за уменьшенных размеров источников света, передающих тепло, выделяемое нитью накаливания. Кроме того, стеатит широко используется в патронах для газоразрядных ламп, где высокие напряжения требуют высоких изоляционных свойств.
Интересный факт, что стеатит — это искусственный материал из отходов, образующихся при обработке талька.

Металл.

Металлические сплавы высоко ценятся из-за выдающейся механической прочности. Но часто определяющим фактором при выборе металла является эстетика. Безошибочно узнаваемая гладкая и полированная поверхность придает патрону солидный, и в то же время утонченный вид. Внешний вид и отделка хорошо сочетаются с другими материалами, обычно используемыми в декоративных светильниках, такими как дерево, ткани, окрашенные или эмалированные металлы и стекло.
Учитывая хорошую электропроводность металлов, очевидно, что в этом типе патрона должны использоваться другие изоляционные материалы, такие как фенольные смолы или полиэстер, чтобы гарантировать эффективную работу и безопасность.

Испытания.

Все изоляционные материалы, используемые в электропатронах, должны пройти специальные испытания:
• теплостойкость;
• огнестойкость;
• стойкость к токам поверхностного разряда.

Например, испытание на огнестойкость по ГОСТ IEC 60238-2012 проводят так: к поверхности детали на 30 секунд прикладывается раскаленная металлическая проволока. Температура контактной части раскаленной проволоки равна 650°С. При появлении пламени оно должно угаснуть в течение 30 секунд после извлечения проволоки.

Надеюсь, информация была Вам не только полезна, но и интересна.