Высокоинтенсивные газоразрядные лампы ( HID-лампы ) представляют собой тип электрических газоразрядных ламп , которые производят свет с помощью электрической дуги между вольфрамовыми электродами, размещенными внутри полупрозрачной или прозрачной дуговой трубки из плавленого кварца или плавленого глинозема . [1] Эта трубка заполнена благородным газом и часто также содержит подходящий металл или соли металлов. [ необходимо разъяснение ] Благородный газ обеспечивает первоначальное зажигание дуги. После того, как дуга зажигается, он нагревает и испаряет металлическую примесь. Его присутствие в плазме дуги значительно увеличивает интенсивность видимого света, производимого дугой при заданной входной мощности, поскольку металлы имеют много спектральных линий излучения в видимой части спектра. Высокоинтенсивные газоразрядные лампы представляют собой тип дуговой лампы .
Новейшие газоразрядные лампы высокой интенсивности производят больше видимого света на единицу потребляемой электроэнергии, чем люминесцентные лампы и лампы накаливания , поскольку большая часть их излучения — это видимый свет в отличие от инфракрасного. Однако световой поток HID-освещения может ухудшиться на 70% за 10 000 часов горения.
Во многих современных транспортных средствах для основных систем освещения используются лампы HID, хотя в некоторых случаях вместо ламп HID используются светодиодные и лазерные технологии. [2]
В дуговых трубках HID-ламп используются различные типы химии в зависимости от желаемых характеристик интенсивности света, коррелированной цветовой температуры , индекса цветопередачи (CRI), энергоэффективности и срока службы. Разновидности HID-ламп включают:
Светопроизводящим элементом этих типов ламп является хорошо стабилизированный дуговой разряд, заключенный в огнеупорную оболочку дуговой трубки с удельной мощностью более 3 Вт на квадратный сантиметр (19 Вт/дюйм2 ) .
Ртутные лампы были первыми коммерчески доступными HID-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 в тех случаях, когда важна нормальная цветопередача, например, при производстве теле- и кинофильмов, в спортивных играх в помещении или ночью, в автомобильных фарах и при освещении аквариумов.
Натриевые лампы низкого давления чрезвычайно эффективны. Они производят глубокий желто-оранжевый свет и имеют эффективный CRI , близкий к нулю; предметы, рассматриваемые под их светом, кажутся монохромными . Это делает их особенно эффективными в качестве фотографических безопасных ламп . Натриевые лампы высокого давления, как правило, производят гораздо более белый свет, но все еще с характерным оранжево-розовым оттенком. Теперь доступны новые версии с цветовой коррекцией, производящие более белый свет, но некоторая эффективность приносится в жертву улучшенному цвету.
Как и люминесцентные лампы, лампы HID требуют балласта для зажигания и поддержания дуги. Методы, используемые для первоначального зажигания дуги, различаются: ртутные лампы и некоторые металлогалогенные лампы обычно запускаются с помощью третьего электрода рядом с одним из основных электродов, в то время как другие типы ламп обычно запускаются с помощью импульсов высокого напряжения.
Замены токсичной ртути в лампах HID были исследованы и являются предметом продолжающихся исследований. Эксперименты показывают многообещающие результаты, и ожидается широкое применение в будущем. [3]
В некоторых лампах HID используются радиоактивные вещества, такие как криптон-85 и торий . [4] [5] [6] [7] [8] Эти изотопы помогают запускать лампы и улучшают рабочие характеристики ламп. [4] [6]
Криптон-85 — это газ, который находится в смеси с аргоном , который находится 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 снова приводит к более легкому зажиганию и поддержанию дуги.
Количество гамма-излучения , создаваемого изотопами, которые могут вырваться из лампы, ничтожно мало. [6]
Лампы HID обычно используются, когда требуется высокий уровень освещенности на больших площадях, и когда желательны энергоэффективность и/или интенсивность света. К таким областям относятся спортзалы , большие общественные зоны, склады , кинотеатры, футбольные стадионы, [9] площадки для активного отдыха на открытом воздухе, дороги, парковки и тропинки. Совсем недавно лампы HID использовались в небольших розничных магазинах и даже в жилых помещениях из-за достижений в области ламп с уменьшенным люменом. Лампы HID сверхвысокой производительности (UHP) также используются в проекционных телевизорах LCD или DLP или проекционных дисплеях.
Лампы HID сделали комнатное садоводство практичным, особенно для растений, которым в естественной среде обитания требуется много прямого солнечного света; лампы HID, в частности металлогалогенные и натриевые высокого давления, являются обычным источником света для комнатных садов. Они также используются для воспроизведения тропического интенсивного солнечного света для комнатных аквариумов .
Большинство ламп HID производят значительное УФ-излучение и требуют УФ-блокирующих фильтров для предотвращения УФ-индуцированной деградации компонентов ламповой арматуры и выцветания окрашенных предметов, освещаемых лампой. Воздействие ламп HID, работающих с неисправными или отсутствующими УФ-блокирующими фильтрами, приводит к травмам людей и животных, таким как солнечные ожоги и дуговые разряды глаз . Многие лампы HID разработаны так, чтобы быстро гаснуть, если их внешняя УФ-защитная стеклянная оболочка разобьется.
Начиная с начала 1990-х годов, лампы HID нашли применение в автомобильных фарах . Ксеноновое или разрядное (HID) освещение обеспечивает более яркий свет фар и улучшает видимость многих периферийных объектов (например, дорожных знаков и пешеходов), которые остаются в тени при стандартном галогенном освещении. Однако яркие фары стали причиной жалоб на ослепляющий свет. [10]
Лампы HID используются в высокопроизводительных велосипедных фарах , а также в фонариках и других переносных фонарях, поскольку они производят большое количество света на единицу мощности. Поскольку лампы HID потребляют менее половины мощности эквивалентной вольфрамово-галогеновой лампы, можно использовать значительно меньший и более легкий источник питания.
Лампы HID также стали обычным явлением на многих самолетах в качестве замены традиционных посадочных и рулежных фар. [ необходима ссылка ]
Лампы HID также используются в фонарях для подводного плавания . Более высокая эффективность ламп HID по сравнению с галогенными блоками означает более длительное время работы при заданном размере батареи и световом потоке.
Лампы HID доступны в различных цветах (обычно называемых цветовыми температурами ) и измеряются в градусах Кельвина (К). Диапазон цветовой температуры по шкале Кельвина составляет от 1000 К (янтарный) до 3000 К (желтый), до 5500 К (белый), до 8000 К (синий), до 12000 К (фиолетовый).
Лампы HID производят свет разных цветов, в первую очередь, за счет использования различных металлических добавок в дуговой трубке лампы и физики процесса газового разряда. [11]
Выбор металлических добавок и их концентраций позволяет производителям ламп создавать лампы HID с различными цветовыми температурами и спектральными характеристиками для удовлетворения различных потребностей в освещении.
Большинство ламп HID производятся в диапазоне цветовой температуры от 5000K до 6000K, что аналогично естественному дневному свету. Это полезно для приложений, требующих высокого уровня яркости, таких как спортивные стадионы, склады, проекционные телевизоры и садовые светильники. [12]
Однако для определенных применений, таких как автомобильные фары, HID-лампы производятся практически всех цветов: от желтого и белого до синего и фиолетового. [13]
Факторы износа в основном связаны с циклами включения/выключения по сравнению с общим временем включения. Самый высокий износ происходит, когда горелка HID зажигается, пока она еще горячая, и до того, как металлические соли перекристаллизовались.
В конце срока службы многие типы высокоинтенсивных разрядных ламп демонстрируют явление, известное как циклирование . Эти лампы можно запускать при относительно низком напряжении . Однако по мере того, как они нагреваются во время работы, внутреннее давление газа внутри дуговой трубки растет, и для поддержания дугового разряда требуется более высокое напряжение . По мере того, как лампа стареет, 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 гаснет, лампа снова остывает, давление газа в дуговой трубке уменьшается, и балласт может снова вызвать зажигание дуги. Эффект этого заключается в том, что лампа светится некоторое время, а затем гаснет, и так неоднократно. Более сложные конструкции балласта обнаруживают циклирование и прекращают попытки запустить лампу после нескольких циклов. Если питание отключить и снова подать, балласт предпримет новую серию попыток запуска.
Другим явлением, связанным с износом и старением HID-ламп, является изменение цвета излучаемого светового луча («затухание» [14] ). Обычно можно наблюдать сдвиг в сторону синего и/или фиолетового цвета. Этот сдвиг сначала незначительный и, как правило, является признаком того, что лампы «сломаны», 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 кварцевая трубка, содержащая ртуть, может взорваться в лампе UHP. [15] Когда это происходит, в атмосферу выбрасывается до 50 мг паров ртути. Это количество ртути потенциально токсично, но основная опасность от разбитых ламп — порезы стеклом, и не ожидается, что случайное воздействие разбитых ламп будет иметь неблагоприятные последствия. Philips рекомендует использовать ртутный пылесос, вентиляцию или защиту органов дыхания, защиту 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. [16]