Hydrargyrum medium-arc iodide ( HMI ) — торговая марка марки металлогалогенной газоразрядной лампы средней длины дуги компании Osram [1] , специально разработанной для киноиндустрии и развлечений. Hydrargyrum происходит от греческого названия элемента ртуть .
Лампа HMI использует пары ртути, смешанные с галогенидами металлов, в колбе из кварцевого стекла с двумя вольфрамовыми электродами со средним разделением дуги. В отличие от традиционных осветительных приборов, использующих лампы накаливания , HMI нуждаются в электрических балластах , которые отделены от головки с помощью соединительного кабеля, чтобы ограничивать ток и подавать надлежащее напряжение. Лампа работает, создавая электрическую дугу между двумя электродами внутри колбы, которая возбуждает сжатые пары ртути и галогениды металлов, и обеспечивает очень высокий световой поток с большей эффективностью , чем осветительные приборы накаливания. Преимущество в эффективности почти четырехкратное, приблизительно 85–108 люмен на ватт электроэнергии. В отличие от обычных галогенных ламп накаливания, где для регенерации нити накала и предотвращения затемнения стекла испаренным вольфрамом используется галогенидный газ, в лампах HMI свет излучают пары ртути и галогениды металлов. Высокий индекс цветопередачи (CRI) и цветовая температура обусловлены специфическим химическим составом лампы.
В конце 1960-х годов немецкие производители телевизоров обратились к разработчику ламп OSRAM с просьбой создать более безопасную и чистую замену для освещения угольной дугой, используемого в киноиндустрии . По их просьбе компания Osram разработала и начала производить лампы HMI. [2]
Philips выпустила вариацию HMI, однотактную версию под названием MSR (medium source rare-earth). Она использует стандартный двухштырьковый цоколь. Чтобы избежать смещения цвета во время использования, они добавили вторичную оболочку вокруг газовой камеры. Существует несколько других вариаций ламп, включая GEMI (General Electric metal iodide), CID (compact iodide daylight; [3] [4] Thorn EMI, Великобритания, с 1990 года GE), CSI (compact source iodine; Thorn EMI, Великобритания), DAYMAX (производства ILC) и BRITE ARC (|[Sylvania Lighting Inc. (SLI)]). Все они являются вариациями и разными названиями по сути одной и той же концепции.
Много исследований было вложено в то, чтобы сделать лампы HMI меньше из-за их использования в подвижных светильниках, таких как те, что производятся Vari-Lite , Martin, Robe и Highend. Главным вкладом Philips после этого стало изобретение фосфорного покрытия на сварном шве нити накаливания с молибденовой фольгой, что снижает окисление и ранние отказы в этой точке, делая эту область способной выдерживать экстремальные температуры.
Многокиловаттные HMI-светильники используются в киноиндустрии и для проекции слайдов на больших экранах благодаря своей светоотдаче, сбалансированной по отношению к дневному свету, а также своей эффективности.
Подобно люминесцентным лампам , HMI представляют проблемы с цветовой температурой при использовании для освещения фильмов или видео. В отличие от ламп накаливания, которые являются излучателями черного тела , ограниченными теоретическим максимумом 3680 К (температура плавления вольфрама), лампы HMI, как и все газоразрядные лампы, излучают спектральные линии излучения своих составляющих элементов, специально подобранные таким образом, чтобы в совокупности они напоминали спектр черного тела источника 6000 К. Это близко соответствует цвету солнечного света (но не небесного света), поскольку поверхность Солнца является излучателем черного тела 6000 К.
У лампочек HMI цветовая температура значительно меняется с возрастом лампы. Новая лампочка обычно выдает цветовую температуру, близкую к 15 000 К в течение первых нескольких часов. По мере старения лампочки цветовая температура достигает своего номинального значения около 5600 К или 6000 К. С возрастом длина дуги становится больше, так как все больше электродов сгорают. Это требует большего напряжения для поддержания дуги, и по мере увеличения напряжения цветовая температура пропорционально уменьшается со скоростью примерно 0,5–1 кельвин за каждый час горения. По этой причине и по другим соображениям безопасности лампочки HMI не рекомендуется использовать после половины срока их службы. [ необходима цитата ]
Лампы HMI (как и все дуговые лампы) нуждаются в блоке ограничения тока для работы. Два способа сделать это описаны в разделе балласта ниже. Проблема мерцания существует только при использовании лампы в сочетании с магнитным балластом (электронные балласты производят свет без мерцания). Лампы HMI (работающие с магнитным балластом) представляют собой неотъемлемую проблему возможного создания света на пленке или видео с заметным мерцанием . Это вызвано методом, с помощью которого устройство производит свет. HMI, как и блок освещения накаливания, работает от сети, что означает, что лампа циклически включается и выключается 100 или 120 раз в секунду (дважды на каждый цикл напряжения сети). Хотя это и не видно человеческому глазу, кино- или видеокамера должны быть правильно синхронизированы с этим циклом, иначе каждый записанный кадр будет показывать разный световой поток. Хотя лампы накаливания также работают от сети, они не демонстрируют заметного мерцания, потому что их нити накаливания недостаточно остывают между циклами, чтобы их световой поток сильно снизился. Для ламп HMI мерцания можно избежать, используя электронные балласты, которые работают на частотах, в тысячи раз превышающих частоту сети.
Для питания лампы HMI специальные балласты действуют как зажигатель для зажигания дуги, а затем регулируют ее, действуя как дроссель. Существуют два типа балластов: магнитные и электронные (прямоугольные или без мерцания). Магнитные балласты, как правило, намного тяжелее и громоздче электронных балластов, поскольку они в основном состоят из сети больших индукторов. Они обычно дешевле электронных балластов. Поскольку магнитный тип балласта не поддерживает разряд непрерывно, лампа фактически гаснет при нулевых переходах формы волны сети; если камера не привязана к форме волны сети, разница в частоте между лампой и затвором будет создавать частоту биений , которая видна в полученной записи. Вот почему стандарты телевидения обычно используют частоту электросети в качестве своей базовой частоты кадров. [ сомнительно – обсудить ] [ необходима цитата ] Магнитные балласты являются простыми устройствами по сравнению с электронными балластами. По сути, магнитный балласт представляет собой большую, тяжелую трансформаторную катушку, которая использует простой принцип для генерации высоких пусковых напряжений, необходимых для создания дуги в холодной лампе. Входная мощность направляется на дроссельную катушку, подключенную между основным входом и лампой. Катушка может иметь отводы в нескольких местах для обеспечения различных входных напряжений (120 В или 240 В) и высокого пускового напряжения. Также включены конденсаторы для компенсации индуктивности катушки и улучшения коэффициента мощности . Из-за большого количества тока через балласт часто слышен низкий гудящий звук из-за магнитострикции пластин железа балласта. Некоторые магнитные балласты имеют изоляцию вокруг катушки для бесшумной работы.
С начала 1990-х годов электронные балласты без мерцания (или Square-Wave ) становятся все более популярными и доступными в качестве альтернативы магнитным балластам, устраняя большинство проблем, связанных с мерцанием HMI. Их работа не так проста, как у магнитного балласта. Электронные балласты можно рассматривать как работающие в три этапа — промежуточный преобразователь постоянного тока, силовой модуль и инвертор переменного тока. Первоначально мощность проходит через главные выключатели в сетевой фильтр ВЧ, который предотвращает поток шума обратно на входящую линию питания. Затем выпрямители и конденсаторы заряжаются и разряжаются, чтобы инвертировать отрицательную половину цикла переменного тока и преобразовать линию в положительное напряжение постоянного тока . Это называется промежуточным постоянным током. На втором этапе понижающий преобразователь берет напряжение из промежуточного постоянного тока и регулирует ток на конечную силовую электронику через электронную плату управления. Эта плата управления тщательно регулирует высокочастотный рабочий цикл своих транзисторов для поддержания оптимального цвета и светового потока по мере старения лампы. Наконец, регулируемый ток инвертируется платой преобразователя LF, которая использует четыре биполярных транзистора с изолированным затвором ( IGBT ) для переключения постоянного тока с частотой точно 60 Гц в переменный ток с прямоугольной формой волны (в отличие от синусоидальной формы переменного тока). Лидерами в этой области являются Power Gems Corp, B&S и Mytronic.
Используя выходной сигнал прямоугольной формы, который не привязан к частоте цикла линии, можно получить выходной сигнал без мерцания. Поскольку IGBT включаются и выключаются с регулируемой частотой цикла, генератор может быть немного не в порядке, а лампа все равно будет без мерцания, чего не происходит в случае со стандартным магнитным балластом. Характер выходного сигнала прямоугольной формы приводит к прямолинейной выходной мощности лампы. Время, когда катоды не испускают электроны достаточно высокой энергии, очень короткое, что означает, что безопасная (без мерцания) съемка может происходить при частоте кадров камеры до 10 000 кадров/с на большинстве электронных балластов.
Это очень резкое включение и выключение, присущее прямоугольной форме волны, вызывает чрезвычайно высокочастотные колебания в лампе. Прямоугольную волну можно рассматривать как бесконечную сумму нечетных гармоник, которые будут включать частоты на резонансной частоте лампочки, заставляя ее вибрировать на этой частоте, как колокольчик или свисток. Корпус лампы не помогает этому, выступая в качестве резонирующей камеры, которая усиливает шум и представляет проблему для синхронной записи звука для кино и видео. Чтобы исправить это, большинство электронных балластов оснащены бесшумным режимом , который устраняет более высокие частоты, но сглаживает переход напряжения, вызывая ту же проблему мерцания, что и у магнитов, хотя и в меньшей степени. Этот режим обеспечивает безопасную съемку без мерцания с частотой кадров до 24 кадров/с на большинстве электронных балластов.
Помимо решения проблем мерцания, электронные балласты также обеспечивают другие преимущества по сравнению с магнитными балластами. При прямоугольном напряжении катоды тратят гораздо больше времени на испускание электронов и возбуждение плазмы, создавая прирост светового потока на 5–10%. [5] Прямоугольная природа потока мощности позволяет продлить срок службы лампы на целых 20%. Большинство современных балластов теперь также оснащены диммером, который использует широтно-импульсную модуляцию для затемнения лампы до 50% или до одной остановки света. В отличие от вольфрамового света, который имеет отрицательный сдвиг цветовой температуры при падении мощности, спектры излучения ртути берут верх при падении мощности (примерно на 200 К синее при 50% выходной мощности).
Лампы HMI имеют примерно такую же цветовую температуру, как солнце в полдень (6000 К), и, как и другие лампы высокой интенсивности разряда, содержащие ртуть, генерируют ультрафиолетовый свет . Каждый прибор HMI имеет защитное стекло от ультрафиолетового излучения, которое следует использовать для защиты людей, которые могут оказаться перед светом. Воздействие незащищенной лампы может привести к повреждению сетчатки и серьезным ожогам кожи.
Лампы HMI могут достигать напряжения зажигания до 70 000 В при горячем зажигании и считаются [ кем? ] очень опасными при неправильном подключении. Хорошей практикой является зажигание света от балласта, а не от головки, [ требуется разъяснение ] в случае короткого замыкания в головке лампы. Также следует соблюдать надлежащие процедуры зажигания, например, выкрикивать голосовое предупреждение при включении света, чтобы предупредить людей в этом районе. Кроме того, соединительный кабель должен быть правильно и надежно подключен. Почти все современные соединительные кабели оснащены фитингами «поворотный замок» на обоих концах, чтобы обеспечить безопасное и точное соединение как на балласте, так и на корпусе лампы. [ требуется цитата ]
Во всех кварцевых лампах с газовым наполнением есть небольшая область, которая выглядит как сосок. На самом деле это место расположения выпускной трубки, где лампа была заполнена своей газовой смесью. Положение соска очень важно, и если он направлен неправильно, он может проявиться как тень на оптическом пути. По возможности выпускной наконечник должен быть ориентирован прямо вверх или под углом до 45 градусов от вертикали. Это позволит удерживать наконечник в самом горячем месте и предотвратит накопление в нем иодидов и редкоземельных металлов по мере остывания лампы. Если наконечник ориентирован вниз, редкоземельные металлы будут накапливаться в нем со временем, и цвет лампы изменится, поскольку они больше не будут включены в плазменную дугу.
В дополнение к этим проблемам известно, что лампы HMI могут разбиваться в конце срока службы или при достаточном напряжении. Хотя это не так сильно, как взрыв ксеноновой короткодуговой лампы, они требуют осторожности. В результате лампы HMI не следует использовать дольше половины их номинального срока службы, [ требуется ссылка ] и следует проявлять осторожность с большими лампами при зажигании (включении лампы), так как лампа, скорее всего, взорвется в течение первых пяти минут после зажигания. По этой причине каждая лампа HMI обычно имеет подробный журнал количества зажиганий и количества часов ее использования. Следует проявлять осторожность при транспортировке лампы и замене ламп. Газы в лампе HMI находятся под очень небольшим давлением, но оно увеличивается с температурой. Как и в случае с кварцево-галогеновыми лампами, следует проявлять осторожность, чтобы не касаться стекла напрямую, так как кожные жиры, оставшиеся на колбе, могут нагреться выше рабочей температуры колбы и вызвать пузырение и/или слабину. По этой причине каждый раз, когда берется лампа, ее следует протирать изопропиловым спиртом. Большинство конструкций корпусов ламп изначально прочнее и толще традиционных вольфрамовых блоков, так что в случае взрыва лампы находящиеся рядом защищены от летящих осколков. Существует вероятность того, что передний элемент линзы на головке лампы треснет от теплового удара (хотя и не полностью взорвется или не разобьется). При использовании блоков HMI всегда следует соблюдать надлежащие меры безопасности, поскольку они могут быть опасны при неправильном использовании.
В 2014 году журналист Керри Сандерс сообщил, что он был ослеплен на 36 часов в результате чрезмерного воздействия ультрафиолетового света от неисправной лампы HMI. Если бы прибор включал защиту от ультрафиолета, как того требует OSHA, выход лампы не имел бы никакого эффекта. [6]