Металологогенна лампа

Матеріал з Вікіпедії – вільної енциклопедії
Перейти до навігації Перейти до пошуку
МГЛ потужністю 250 Вт компанії General Electric
Metal halide warming up.JPG
Лампа ДРІ 250

Металологогенна лампа (МГЛ) - один із видів газорозрядних ламп (ГРЛ) високого тиску. Відрізняється з інших ГРЛ тим, що з корекції спектральної характеристики дугового розряду в парах ртуті в пальник МГЛ дозуються спеціальні випромінюючі добавки (ІД), які є галогеніди деяких металів.

Термінологія

До середини 1970-х років. у вітчизняній світлотехніці застосовувався термін "металологоїдна лампа", що було обумовлено найменуванням хімічних елементів VII групи періодичної системи - "галоїди". У хімічній номенклатурі було визнано неправильним використання цього терміну, оскільки «галоїд» у буквальному перекладі з грецької — «солоподібний», і у повсюдне вживання увійшло слово « галоген » — буквально «солерід», що вказує на високу хімічну активність цих речовин та утворення в реакціях із ними солей металів. Тому в даний час застосовується російськомовний термін "металогагенна лампа", включений до складу російської редакції Міжнародного світлотехнічного словника МКО . Використання словесних калек з англійського терміна «metal halide lamp» («металологоїдна», «металогалідна») є неприпустимим.

Застосування

МГЛ - компактне, потужне та ефективне джерело світла (ІВ), що знаходить широке застосування в освітлювальних і світлосигнальних приладах різного призначення. Основні сфери застосування: кінознімальне освітлення, утилітарне, декоративне та архітектурне зовнішнє освітлення, автомобільні фари (так звані « ксенонові », освітлювальні установки (ОУ) промислових та громадських будівель, сценічне та студійне освітлення, ОУ для освітлення великих відкритих просторів ( залізничні станції , кар'єр) і т. п.), освітлення спортивних об'єктів і ін. В ОУ технологічного призначення МГЛ можуть використовуватися як потужне джерело видимого та ближнього ультрафіолетового випромінювання. Компактність світиться тіла МГЛ робить їх вельми зручним ІС для світлових приладів прожекторного типу з катоптричні і катадіоптричні оптикою.

Принцип дії

Спектр металогазової лампи потужністю 175 Вт

Тлом МГЛ, що світиться, є плазма дугового електричного розряду високого тиску. У цьому вся МГЛ схожа коїться з іншими типами РЛ. Основним елементом наповнення розрядної трубки (РТ) МГЛ є інертний газ (зазвичай аргон Ar) і ртуть Hg. Крім них у газовому середовищі наповнення присутні галогеніди деяких металів (Випромінювальні добавки-ІД), зазвичай йодид натрію та йодид скандія [1] . У холодному стані ВД у вигляді тонкої плівки конденсуються на стінках РТ. При високій температурі дугового розряду відбувається прогрівання стінок і випаровування цих сполук, дифузія парів в область стовпа дугового розряду та розкладання на іони. В результаті іонізовані атоми металів збуджуються та створюють оптичне випромінювання (ОІ).

Основною функцією інертного газу, що наповнює РТ МГЛ, як і в інших ртутних РЛ, є буферна, іншими словами, газ сприяє протіканню електричного струму через РТ при низькій її температурі, тобто в той час, коли більшість ртуті і, тим більше, ВД , знаходяться ще в рідкій або твердій фазі і парціальний тиск їх дуже мало і недостатньо для розвитку розряду. У міру прогріву РТ струмом відбувається випаровування ртуті та ВД, у зв'язку з цим суттєво змінюються як електричні, так і світлові параметри лампи - електричний опір РТ, світловий потік та спектр випромінювання .

Вибір ІД проводиться таким чином, щоб заповнити «провали», які є в спектрі випромінювання ртуті з метою отримання необхідного спектру лампи. Так, у МГЛ, що використовуються для цілей загального та місцевого освітлення, необхідно компенсувати нестачу червоного та жовтого світла у спектрі ртуті. У кольорових МГЛ необхідно підвищити вихід випромінювання у заданому вузькому спектральному діапазоні. Для МГЛ, що використовуються у фотохімічних або фотофізичних процесах, як правило, необхідно підвищити інтенсивність випромінювання в ближній ультрафіолетовій області (УФ-A) і безпосередньо видимої ОІ (фіолетової), що безпосередньо примикає до неї.

Сам принцип дії МГЛ був запропонований в 1911 р. Ч. Штейнмецем , хоча, проводячи історичні аналогії, можна побачити аналогію і в устрої «ауерівських ковпачків», що застосовувалися для підвищення світлової віддачі гасових та газових джерел світла (ІВ).

Як і інші види РЛ, МГЛ потребують застосування спеціальних пристроїв для ініціювання розряду. Як їх застосовують або допоміжні (запальні) електроди, загалом аналогічні по конструкції електродам ламп ДРЛ, або попередній підігрів одного з електродів до температури термоелектронної емісії, або зовнішні імпульсні пристрої, що запалюють (ІЗУ). Узгодження параметрів (вольтамперних характеристик, ВАХ) джерела електроживлення та лампи проводиться за допомогою пускорегулюючого апарату (ПРА) , в побуті званого баластом.

Як правило, як ПРА використовується дросель, іноді - трансформатор, що підвищує, з підвищеним магнітним розсіюванням його феромагнітного сердечника, що забезпечує падаючий характер його зовнішньої ВАХ. В останньому випадку запалення розряду в МГЛ відбувається під впливом високої напруги холостого ходу трансформатора без використання будь-яких інших пристроїв, що запалюють.

Можливість широкого варіювання спектральних та електричних характеристик МГЛ, широкий діапазон потужностей і висока світлова віддача сприяють дедалі ширшому поширенню в різних освітлювальних установках. МГЛ є одним із найбільш перспективних замінників ламп ДРЛ, а за рахунок більш сприятливого для сприйняття людиною спектра випромінювання - і натрієвих РЛВС (НЛВС).

Конструкція

Основою МГЛ є РТ (пальник), що зазвичай виготовляється з кварцового скла . В останні роки все більш широке поширення набувають МГЛ із РТ із спеціальної кераміки. Перевагою керамічних пальників є їхня вища термостійкість.

У більшості конструкцій МГЛ пальник міститься у зовнішню колбу, що грає двояку роль. По-перше, зовнішня колба забезпечує нормальний тепловий режим РТ, зменшуючи її втрати. По-друге, скло колби виконує функції світлофільтра , що сильно обрізає жорстке УФ випромінювання пальника. Для виготовлення зовнішніх колб МГЛ використовується боросилікатне скло , механічно і термічно стійке, що відноситься за температурним коефіцієнтом лінійного розширення (ТКЛР) до групи вольфрамових стекол.

МГЛ, призначені для використання в технологічних процесах, як правило, зовнішньої колби не мають, що зумовлено необхідністю ефективного використання їх УФ-випромінювання. З метою зменшення озоноутворення іноді для таких МГЛ використовують кварцове безозонне скло, що значно послаблює вихід резонансної лінії ртуті 185 нм.

МГЛ можуть виготовлятися в одно- та двоцокольному (софітному) виконанні (останні призначені для роботи тільки в горизонтальному положенні). Номенклатура цоколів, що використовуються, надзвичайно широка і постійно розширюється у зв'язку з розробкою нових моделей ламп, призначених для специфічних умов застосування. Деякі моделі ламп, в основному призначені для заміни ламп типу ДРЛ, мають на внутрішній стороні зовнішньої колби шар люмінофора.

Для полегшення запалювання МГЛ у деяких конструкціях РТ передбачається встановлення одного або двох допоміжних електродів, що запалюють, — аналогічно конструкції ламп типу ДРЛ . Однак використання такого методу МГЛ утруднено з ряду причин, обумовлених особливостями хімічного складу наповнення РТ. Як правило, в МГЛ, оснащених електродом, що запалює, живлення останнього відключається за допомогою термоконтакту після запалення в пальнику основного розряду і її прогріву. Ширше застосовується запалення МГЛ за допомогою ІЗП.

Схеми включення до електричної мережі

ПРА компанії Helvar
Електронні ПРА компанії Helvar

Різка залежність струму МГЛ від напруги на ній вимагає послідовно включення з лампою струмообмежувального елемента (ПРА). Більшість МГЛ призначені для роботи з серійними ПРА ламп ДРЛ відповідної потужності (при відсутності в колбі лампи спеціальних пристроїв, що запалюють, в таких схемах потрібна установка ІЗП). Існують МГЛ до роботи з ПРА як ДРЛ, і ДНаТ. Також є ПРА спеціальних конструкцій з підвищують автотрансформаторами або трансформаторами з підвищеним магнітним розсіюванням або з вбудованим ІЗП, що поєднують функції обмеження струму і стартового запалювання лампи.

Процес прогріву та виходу МГЛ у робочий режим супроводжується значними змінами струму лампи та напруги на ній, причому до конструкції ПРА та ІЗУ пред'являються особливі вимоги, що істотно відрізняються. [ джерело не вказано 3868 днів ] від вимог до ПРА для ДРЛ та натрієвих ламп високого тиску. Випаровування ІД у процесі прогріву МГЛ уможливлює згасання лампи через недостатньо високу напругу на ній.

Вкрай небезпечним для МГЛ є акустичний резонанс (АР), що виникає при живленні лампи змінним струмом деякої частоти (в акустичному діапазоні). Причина виникнення АР полягає в тому, що при зміні напряму протікання струму, дуга гасне і при наростанні напруги спалахує знову. При цьому через різку зміну тиску в області розряду виникає акустична хвиля, яка відбивається від стінок пальника. При деякому значенні частоти виникає явище резонансу. Частота АР залежить від геометричних розмірів пальника лампи та швидкості звуку в ній (тобто від тиску в даний момент). Наслідками акустичного резонансу є нестабільність горіння лампи, мимовільне згасання та, у гіршому випадку, фізичне руйнування пальника. Це ускладнює проектування високочастотних електронних ПРА для МГЛ. Як один із методів боротьби з АР використовується модуляція частоти випадковим сигналом. Для ламп малої потужності успішно застосовується живлення випрямленим (пульсуючим) струмом.

Короткочасні перебої в електропостачанні викликають згасання МГЛ. Такий же результат може призвести сильна вібрація, особливо небезпечна для ламп з довгою дугою, що працюють в горизонтальному положенні. Для повторного запалення МГЛ має охолонути, щоб тиск пари в ній, і, відповідно, напруга пробою РТ знизилися. Для освітлення особливо відповідальних об'єктів, де перебої неприпустимі, застосовуються ПРА швидкого перезапалювання. Вони запалення гарячої МГЛ досягається рахунок подачі потужніших запалюючих імпульсів з амплітудою до 30 — 60 кВ. Такий режим істотно прискорює руйнування електродів ламп, до того ж вимагає застосування потужнішої ізоляції струмопровідних частин, тому використовується рідко.

Колірна температура горіння

Спочатку МГЛ використовувалися замість ртутних ламп у тих місцях, де необхідно було створити світло, що за своїми характеристиками наближається до природного, тому що дані лампи випромінюють біле світло (ртутні лампи випромінюють світло з великою домішкою синього світла). Однак в даний час відмінність між спектрами даних типів ламп не така значна. Деякі металогалогенові лампи можуть випромінювати дуже чисте біле денне світло, що має індекс кольору більше 90.

МГЛ здатні випромінювати світло з колірною температурою в діапазоні від 2500 К (жовте світло) до 20 000 К (синє світло). Деякі види спеціальних ламп були створені для випромінювання спектра, необхідного для рослин (використовуються в теплицях, парниках тощо) або тварин (використовуються в освітленні акваріумів). Однак слід враховувати ту обставину, що внаслідок присутності допусків та стандартних відхилень при фабричному виробництві ламп, колірні характеристики ламп не можуть бути вказані зі 100% точністю. Більше того, за стандартами ANSI колірні характеристики металогалогенових ламп вимірюються після 100 годин їхнього горіння (т. зв. витримка). Тому колірні характеристики даних ламп не відповідатимуть заявленим у специфікації до тих пір, поки лампа не буде піддана даній витримці.

Найбільш сильні розбіжності із заявленими специфікаційними даними мають лампи з технологією пуску «попереднє прогрівання» (±300 К). Випущені за новітньою технологією «імпульсного старту» лампи покращили відповідність заявленим характеристикам, внаслідок чого розбіжність становить від 100 до 200 К. На колірну температуру горіння ламп можуть впливати також електричні характеристики мережі живлення, а також внаслідок відхилень у самих лампах. У тому випадку, якщо живлення, що подається на лампу, має недостатню потужність, вона буде мати меншу фізичну температуру і її світло буде «холодним» (з більшою домішкою синього світла, що робитиме їх дуже подібними до ртутних ламп). Дане явище відбувається через те, що дуга з недостатньо високою температурою не зможе повністю випарувати та іонізувати ВД, які і надають світлу лампи теплий відтінок (жовті та червоні кольори), через що в спектрі лампи домінуватиме спектр легше іонізуючої ртуті. Це явище спостерігається також під час прогрівання лампи, коли колба лампи ще не досягла робочої температури та ВД іонізувалися не повністю.

Для ламп, запитаних від надмірно високої напруги, вірна зворотна картина, але така ситуація є небезпечнішою, внаслідок можливості вибуху внутрішньої колби через її перегрівання та виникнення в ній надлишкового тиску. Крім того, при використанні металогалогенових ламп їх колірні характеристики часто змінюються з часом. У великих освітлювальних установках з використанням металогалогенових ламп часто всі лампи суттєво різняться за колірними характеристиками.

Типи та їх позначення

Діапазон потужностей МГЛ починається від десятків ват і досягає 10 - 20 кВт. Найбільш масовими є лампи, що використовуються в ОУ зовнішнього освітлення (одноцокольні 70, 150, 250, 400, 1000, 2000 Вт та софітні 70 і 150 Вт).

Одноцокольні лампи позначається абревіатурою SE (single-ended), а двосторонній, відповідно, абревіатурою DE (double-ended). Лампи з одностороннім цоколем, як правило, вкручуються в патрон за допомогою різьби, що є на цоколі (мають так званий цоколь Едісона). Лампи з двостороннім цоколем необхідно вставляти в патрони, розташовані по обидва боки світильника, що використовується.

Конвекційні потоки металогалогенідів у плазмі дуги МГЛ залежать від напрямку сили тяжіння і суттєво впливають на розподіл потоку енергії, що виходить із пальника МГЛ. [2] [3] Тому металогалогенові лампи чутливі до того положення, в якому вони встановлені. Лампи розраховані лише працювати у певної орієнтації. Однак лампи, позначені маркуванням «universal», можуть працювати в будь-якому положенні, хоча при роботі їх не у вертикальному положенні тривалість терміну служби та інтенсивність світла, що випромінюється, будуть знижуватися. Для отримання кращих параметрів при експлуатації лампи в тому випадку, якщо її орієнтація відома заздалегідь, потрібно вибирати не універсальну, а відповідну цій позиції лампу.

Для позначення рекомендованої орієнтації лампи, в якій вона повинна працювати, використовуються різні коди (напр., U = universal (універсальна), BH = base horizontal (горизонтальна), BUD = Base up/down (вертикальна) тощо). При використанні ламп у горизонтальній позиції найкраще спрямовувати носик внутрішньої колби (т. зв. ніпель) вгору.

МГЛ компанії Osram

У системі ANSI позначення МГЛ починається з літери «M», за якою слідує цифрове кодування, що позначає електричні характеристики лампи, а також відповідний тип баласту (для позначення ртутних розрядних ламп використовується літера «H», а для позначення натрієвих ламп — літера «S» »). Після цифрового кодування слідують дві літери, що позначають розмір лампи, її форму, а також тип покриття і т.д., крім кольору. Після цього позначення виробник може на свій вибір додати будь-які цифрові або буквені коди для відображення інформації, що не відображається системою позначень ANSI, такої як потужність лампи та її колір. Для вибору баласту важлива лише літера «M» і цифрове кодування, яке слідує за ним. Наприклад, кодування M59-PJ-400 у системі ANSI позначає лампу, що працює тільки з баластами типу М59. Лампи європейських виробників випускаються з використанням європейських стандартів, які в деяких випадках трохи відрізняються від стандартів ANSI.

Іншим позначенням, що часто зустрічається при виборі МГЛ, є абревіатура HQI. Данная аббревиатура является торговой маркой фирмы OSRAM и обозначает особый тип ламп, производимый данной фирмой. Но со временем этой аббревиатурой стали называть МГЛ любого производителя, в том числе и с двухсторонним цоколем. Европейские МГЛ не соответствуют в точности стандартам ANSI и работают при других значениях тока и напряжения. В большинстве случаев прямой европейский аналог лампы для стандарта ANSI не может работать с американским ПРА, таким образом, для работы с данным типом ламп необходимо выбрать соответствующий ей балласт, обозначенный маркировкой HQI. Например, ПРА M80 и M81 также имеют обозначение HQI, и применяются с лампами мощностью 150 и 250 Вт соответственно.

Колбы

Обозначение колб состоит из буквы/букв, указывающих на их форму, и цифрового кода, обозначающего в восьмых частях дюйма максимально возможный диаметр колбы. Например, маркировка E17 обозначает, что лампа имеет эллипсоидальную форму с максимальным диаметром 17 / 8 или 2 1 / 8 дюйма.

Буквенные обозначения колб: BT (Bulbous Tubular) — бульбовидно-трубчатая, E или ED (Ellipsoidal) — эллипсоидальная, ET (Ellipsoidal Tubular) — эллипсоидно-трубчатая, PAR (Parabolic) — параболическая, R (Reflector) — рефлекторная, T (Tubular) — трубчатая.

Примітки

  1. Flesch, Peter. Light and light sources: high-intensity discharge lamps (англ.) . — Springer, 2006. — P. 45—46. — ISBN 3-540-32684-7 .
  2. Бородин В. И., Луизова Л.А., Хахаев А.Д., Трухачева В.А. Исследование временных и пространственных распределений параметров многокомпонентной плазмы закрытой дуги высокого давления. — Петрозаводск: Межвуз. Зб. Оптика неоднородных сред., 1981. — С. 117—141 .
  3. Бородин В. И. Конвекция в ртутных дуговых разрядах с легкоионизуемыми примесями. — Москва: Теплофизика высоких температур., 1982. — Т. 20 , вып. 3 . — С. 443—446 .