Газоразрядные лампы высокой интенсивности ( HID-лампы ) представляют собой тип электрической газоразрядной лампы , которая излучает свет посредством электрической дуги между вольфрамовыми электродами , расположенными внутри полупрозрачной или прозрачной дуговой трубки из плавленого кварца или плавленого глинозема . [1] Эта трубка заполнена благородным газом и часто также содержит подходящие металлы или соли металлов. [ необходимо разъяснение ] Благородный газ обеспечивает первоначальное зажигание дуги. Как только дуга зажигается, она нагревается и испаряет металлические примеси. Его присутствие в плазме дуги значительно увеличивает интенсивность видимого света, создаваемого дугой при заданной потребляемой мощности, поскольку металлы имеют множество спектральных линий излучения в видимой части спектра. Газоразрядные лампы высокой интенсивности представляют собой разновидность дуговых ламп .
Совершенно новые газоразрядные лампы высокой интенсивности дают больше видимого света на единицу потребляемой электроэнергии, чем люминесцентные лампы и лампы накаливания , поскольку большую часть их излучения составляет видимый свет, в отличие от инфракрасного. Однако световой поток газоразрядного освещения может ухудшиться на 70% в течение 10 000 часов горения.
Во многих современных автомобилях в качестве основных систем освещения используются HID-лампы, хотя в некоторых случаях в настоящее время происходит переход от HID-ламп к светодиодным и лазерным технологиям. [2]
В дуговых трубках газоразрядных ламп используются различные химические вещества, в зависимости от желаемых характеристик интенсивности света, соответствующей цветовой температуры , индекса цветопередачи (CRI), энергоэффективности и срока службы. Разновидности HID-лампы включают в себя:
Светоизлучающим элементом этих типов ламп является хорошо стабилизированный дуговой разряд, заключенный в огнеупорную оболочку дуговой трубки с нагрузкой на стену более 3 Вт на квадратный сантиметр (19 Вт/дюйм 2 ).
Ртутные лампы были первыми коммерчески доступными газоразрядными лампами. Первоначально они давали голубовато-зеленый свет, но более поздние версии могут давать свет с менее выраженным цветовым оттенком. Однако ртутные лампы выходят из моды и заменяются натриевыми и металлогалогенными лампами.
Металлогалогенные и керамические металлогалогенные лампы могут излучать нейтральный белый свет, полезный для применений, где нормальный цветопередача имеет решающее значение, таких как теле- и кинопроизводство, спортивные игры в помещении или в ночное время, автомобильные фары и освещение аквариумов.
Натриевые лампы низкого давления чрезвычайно эффективны. Они излучают глубокий желто-оранжевый свет и имеют эффективный индекс цветопередачи , близкий к нулю; предметы, рассматриваемые в их свете, кажутся монохромными . Это делает их особенно эффективными в качестве фотозащитных фонарей . Натриевые лампы высокого давления, как правило, дают гораздо более белый свет, но все же с характерным оранжево-розовым оттенком. Теперь доступны новые версии с цветокоррекцией, дающие более белый свет, но ради улучшенного цвета приходится жертвовать некоторой эффективностью.
Как и люминесцентные лампы, HID-лампы требуют балласта для зажигания и поддержания дуги. Метод первоначального зажигания дуги различается: ртутные лампы и некоторые металлогалогенные лампы обычно запускаются с использованием третьего электрода рядом с одним из основных электродов, тогда как лампы других типов обычно запускаются с использованием импульсов высокого напряжения.
Замены токсичной ртути в газоразрядных лампах были исследованы и являются предметом продолжающихся исследований. Эксперименты показывают многообещающие результаты, и в будущем ожидается широкое применение. [3]
В некоторых HID-лампах используются радиоактивные вещества, такие как криптон-85 и торий . [4] [5] [6] [7] [8] Эти изотопы помогают запускать лампы и улучшают их рабочие характеристики. [4] [6]
Криптон-85 представляет собой газ, смешанный с аргоном , находящимся в дуговой трубке лампы. [8] Торий, который является твердым веществом, используется в электродах. [8]
Эти изотопы производят ионизирующее излучение альфа- и бета- типа . Это излучение вызывает высокую ионизацию внутри лампы, не имея возможности выйти за ее пределы. [6] Высокая ионизация значительно облегчает зажигание дуги через лавину Таунсенда . Более того, присутствие тория в электродах снижает работу выхода , что также приводит к более легкому зажиганию и поддержанию дуги.
Количество гамма-излучения , производимого изотопами, которые могут выйти из лампы, незначительно. [6]
HID-лампы обычно используются, когда требуется высокий уровень освещенности на больших площадях, а также когда желательны энергоэффективность и/или интенсивность света. К этим территориям относятся спортивные залы , большие общественные места, склады , кинотеатры, футбольные стадионы, [9] площадки для активного отдыха, дороги, парковки и дорожки. Совсем недавно HID-лампы стали использоваться в небольших магазинах и даже в жилых помещениях из-за достижений в области ламп с уменьшенным световым потоком. HID-лампы сверхвысокой производительности (UHP) также используются в проекционных телевизорах с ЖК-дисплеями или DLP, а также в проекционных дисплеях.
HID-лампы сделали практичным садоводство в помещении, особенно для растений, которым требуется высокий уровень прямого солнечного света в их естественной среде обитания; HID-лампы, особенно металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления, являются распространенным источником света для внутренних садов. Они также используются для воспроизведения солнечного света тропической интенсивности в закрытых аквариумах .
Большинство HID-ламп производят значительное УФ-излучение и требуют фильтров, блокирующих УФ-излучение, чтобы предотвратить разрушение компонентов светильника, вызванное УФ-излучением, и выцветание окрашенных предметов, освещаемых лампой. Воздействие HID-ламп, работающих с неисправными или отсутствующими фильтрами, блокирующими УФ-излучение, приводит к травмам людей и животных, таким как солнечные ожоги и дуговые ожоги . Многие HID-лампы сконструированы таким образом, чтобы быстро погаснуть, если их внешняя стеклянная оболочка, защищающая от УФ-излучения, сломана.
С начала 1990-х годов HID-лампы стали применяться в автомобильных фарах . Ксеноновое или газоразрядное освещение (HID) обеспечивает более яркий свет фар и увеличивает видимость многих периферийных объектов (например, уличных знаков и пешеходов), оставленных в тени стандартным галогенным освещением.
HID-лампы используются в мощных велосипедных фарах , а также в фонариках и других портативных фонарях, поскольку они производят большое количество света на единицу мощности. Поскольку лампы HID потребляют менее половины мощности эквивалентных вольфрамово-галогенных ламп, можно использовать значительно меньший и более легкий источник питания.
HID-лампы также стали обычным явлением на многих самолетах в качестве замены традиционных посадочных и рулежных огней. [ нужна цитата ]
HID-лампы также используются в фонарях для подводного плавания . Более высокая эффективность HID-ламп по сравнению с галогенными лампами означает более длительное время горения при данном размере батареи и светоотдаче.
HID-лампы доступны в различных цветах (обычно называемых цветовыми температурами ) и измеряются в Кельвинах (К). Шкала цветовой температуры Кельвина варьируется от 1000К (янтарный) до 3000К (желтый), от 5500К (белый), до 8000К (синий) и до 12000К (фиолетовый).
HID-лампы производят свет разных цветов, в первую очередь за счет использования различных металлических добавок в дуговой трубке лампы и физики процесса газоразряда. [10]
Выбор металлических добавок и их концентраций позволяет производителям ламп создавать газоразрядные лампы с различными цветовыми температурами и спектральными характеристиками для удовлетворения различных потребностей в освещении.
Большинство HID-ламп производятся с цветовой температурой от 5000К до 6000К, что соответствует естественному дневному свету. Это полезно для применений, требующих высокого уровня освещенности, таких как спортивные стадионы, склады, проекционные телевизоры и садовые светильники. [11]
Однако для некоторых применений, таких как автомобильные фары, газоразрядные лампы производятся почти всех цветов: от желтого и белого до синего и фиолетового. [12]
Факторы износа в основном связаны с циклами включения/выключения, а не с общим временем работы. Наибольший износ происходит, когда HID-горелка зажигается, пока она еще горячая и до рекристаллизации солей металлов.
В конце срока службы многие типы газоразрядных ламп высокой интенсивности демонстрируют явление, известное как езда на велосипеде . Эти лампы можно запускать при относительно низком напряжении . Однако по мере нагревания во время работы внутреннее давление газа внутри дуговой трубки возрастает, и для поддержания дугового разряда требуется более высокое напряжение . По мере старения лампы напряжение, необходимое для поддержания дуги, в конечном итоге возрастает и превышает напряжение, обеспечиваемое электрическим балластом . Когда лампа нагревается до этой точки, дуга гаснет и лампа гаснет. В конце концов, когда дуга погаснет, лампа снова остывает, давление газа в дуговой трубке снижается, и балласт снова может вызвать зажигание дуги. В результате лампа светится какое-то время, а затем неоднократно гаснет. Более сложные конструкции балласта обнаруживают цикличность и прекращают попытки запустить лампу после нескольких циклов. Если питание будет отключено и повторно включено, балласт предпримет новую серию попыток запуска.
Другим явлением, связанным с износом и старением HID-ламп, является изменение цвета излучаемого светового луча («затухание» [13] ). Обычно можно наблюдать сдвиг в сторону синего и/или фиолетового цвета. Поначалу это смещение незначительное и, как правило, является признаком того, что лампы «обкатали», хотя в целом они все еще находятся в хорошем рабочем состоянии, но к концу срока службы HID-лампа часто воспринимается как излучающая только синий и фиолетовый свет. . Согласно закону Планка , это является прямым результатом повышенного напряжения и более высокой температуры, необходимых для поддержания дуги.
Иногда в СВД-лампе может взорваться кварцевая трубка, содержащая ртуть. [14] При этом в атмосферу выбрасывается до 50 мг паров ртути. Такое количество ртути потенциально токсично, но основной опасностью от разбитых ламп являются порезы стекла, и не ожидается, что случайное воздействие разбитых ламп будет иметь неблагоприятные последствия. Philips рекомендует использовать ртутный пылесос, средства вентиляции и дыхания, средства защиты глаз и защитную одежду при работе с разбитыми лампами. Ртутные лампы всегда требуют специальной утилизации или переработки, что является обязательным по закону во многих местах в зависимости от юрисдикции. [15]