Металлогалогенная лампа — это электрическая лампа, которая производит свет с помощью электрической дуги через газообразную смесь испаренной ртути и галогенидов металлов [1] [2] (соединения металлов с бромом или йодом ). Это тип газоразрядной лампы высокой интенсивности (HID) . [1] Разработанные в 1960-х годах, они похожи на ртутные лампы , [1] но содержат дополнительные соединения галогенидов металлов в кварцевой дуговой трубке, которые улучшают эффективность и цветопередачу света. Наиболее распространенным используемым соединением галогенидов металлов является йодид натрия . Как только дуговая трубка достигает рабочей температуры, натрий диссоциирует от йода, добавляя оранжевый и красный цвета в спектр лампы из линии натрия D по мере ионизации металла. В результате металлогалогенные лампы имеют высокую световую отдачу около 75–100 люмен на ватт [2] , что примерно вдвое больше, чем у ртутных ламп и в 3–5 раз больше, чем у ламп накаливания [1] , и производят интенсивный белый свет. Срок службы лампы составляет от 6000 до 15 000 часов. [2] [3] Будучи одним из самых эффективных источников белого света с высоким индексом цветопередачи , металлогалогенные лампы по состоянию на 2005 год были самым быстрорастущим сегментом светотехнической промышленности. [1] Они используются для широкополосного верхнего освещения [2] коммерческих, промышленных и общественных мест, таких как парковки, спортивные арены, заводы и розничные магазины, [1] а также для освещения жилых помещений , автомобильных фар (часто известных как « ксеноновые фары ») и для выращивания каннабиса в помещениях.[обновлять]
Лампы состоят из небольшой дуговой трубки из плавленого кварца или керамики , которая содержит газы и дугу, заключенную внутри большой стеклянной колбы (или кварцевой колбы с покрытием для фильтрации ультрафиолетового света, производимого в случае компактных ламп). [1] [3] Они работают при давлении от 4 до 20 атмосфер и требуют специальных приспособлений для безопасной работы, а также электрического балласта . Большую часть светового потока производят атомы металла. [1] Им требуется период прогрева в несколько минут, чтобы достичь полной световой мощности. [2]
Металлогалогенные лампы используются для общего освещения как внутри, так и снаружи помещений, например, в коммерческих, промышленных и общественных помещениях, на парковках, спортивных аренах, заводах и в розничных магазинах, а также для освещения жилых помещений ; автомобильная промышленность и специальные приложения являются дополнительными областями использования.
Металлогалогенные лампы используются в автомобильных фарах , где их обычно называют «ксеноновыми фарами» из-за использования в колбе ксенонового газа, который обеспечивает минимальный свет при включении до того, как лампа нагреется, вместо аргона , который обычно используется в других галогенных лампах.
Еще одно распространенное применение таких ламп — фотографическое освещение и сценическое освещение , где они обычно известны как лампы MSD или HMI и обычно имеют мощность 150, 250, 400, 575 и 1200 Вт , особенно в интеллектуальном освещении .
Благодаря своему широкому спектру и хорошей эффективности они использовались для выращивания в помещениях, в частности, каннабиса, и были довольно популярны среди аквариумистов, которым требовался источник света высокой интенсивности для их кораллов. [4] [5] Однако светодиоды почти полностью заменили металлогалогенные лампы в обоих случаях применения, и лишь горстка пуристов все еще придерживается их. [6]
Как и другие газоразрядные лампы, такие как очень похожие ртутные лампы , металлогалогенные лампы производят свет путем ионизации смеси газов в электрической дуге . В металлогалогенной лампе компактная дуговая трубка содержит смесь аргона или ксенона , ртути и различных галогенидов металлов , таких как йодид натрия и йодид скандия. [7] Конкретная смесь галогенидов металлов влияет на коррелированную цветовую температуру и интенсивность (например, делая свет более синим или красным). При запуске газ аргон в лампе сначала ионизируется, что помогает поддерживать дугу между двумя электродами с приложенным начальным напряжением. Затем тепло, выделяемое дугой и электродами, ионизирует ртуть и галогениды металлов в плазму , которая производит все более яркий белый свет по мере того, как температура и давление увеличиваются до рабочих условий.
Дуговая трубка работает при давлении от 5 до 50 атм или более [8] (70–700 фунтов на квадратный дюйм или 500–5000 кПа ) и температуре от 1000 до 3000 °C. [9] Как и все другие газоразрядные лампы, металлогалогенные лампы имеют отрицательное сопротивление (за редким исключением ламп с самобалластом и нитью накаливания), и поэтому требуют балласта для обеспечения надлежащего пускового и рабочего напряжения при регулировании тока через лампу. Около 24% энергии, используемой металлогалогенными лампами, производит свет (эффективность 65–115 лм / Вт ), [4] что делает их значительно более эффективными, чем лампы накаливания , эффективность которых обычно находится в диапазоне 2–4%.
Металлогалогенные лампы состоят из дуговой трубки с электродами, внешней колбы и цоколя.
Внутри дуговой трубки из плавленого кварца два вольфрамовых электрода, легированных торием, запаяны в каждый конец, и переменное напряжение подается на них через уплотнения из молибденовой фольги, запаянные в кремний. Именно дуга между двумя электродами фактически создает свет.
Помимо паров ртути, лампа содержит иодиды или бромиды различных металлов. Иод и бром относятся к группе галогенов периодической таблицы, поэтому в ионизированном состоянии называются «галогенидами». В некоторых типах также используются скандий и натрий , а в европейских моделях Tri-Salt — таллий , индий и натрий . Диспрозий используется для высокой цветовой температуры , а олово — для более низкой цветовой температуры. Гольмий и тулий используются в моделях освещения для кино очень высокой мощности и в металлогалогенных лампах дневного света для прожекторного освещения площадей, компактных металлогалогенных лампах малой мощности, а также для освещения стадионов в Европе. Галлий или свинец используются в специальных моделях с высоким УФ-А для целей печати. Смесь используемых металлов определяет цвет лампы. Некоторые типы, для праздничного или театрального эффекта, используют почти чистые иодиды таллия для зеленых ламп и индия для синих ламп. Щелочной металл (натрий или калий ) почти всегда добавляется для снижения сопротивления дуги , что позволяет сделать дуговую трубку достаточно длинной и использовать простые электрические балласты . Благородный газ , обычно аргон , заправляется в дуговую трубку в холодном состоянии под давлением около 2 кПа для облегчения запуска разряда. Лампы, заполненные аргоном, обычно запускаются довольно медленно, и для достижения полной интенсивности света требуется несколько минут; ксеноновое заполнение, используемое в автомобильных фарах, запускается относительно быстрее.
Концы дуговой трубки часто покрываются снаружи белым инфракрасным – отражающим циркониевым силикатом или оксидом циркония для отражения тепла обратно на электроды, чтобы они оставались горячими и термоионно излучающими. Некоторые лампы имеют фосфорное покрытие на внутренней стороне внешней колбы для улучшения спектра и рассеивания света.
В середине 1980-х годов был разработан новый тип металлогалогенной лампы, в которой вместо кварцевой (плавленого кварца) дуговой трубки, используемой в ртутных лампах и предыдущих конструкциях металлогалогенных ламп, используется дуговая трубка из спеченного оксида алюминия , аналогичная тем, которые используются в натриевых лампах высокого давления . Эта разработка снижает эффекты ионного проскальзывания, которые мешают дуговым трубкам из плавленого кварца. В течение своего срока службы натрий и другие элементы имеют тенденцию мигрировать в кварцевую трубку, и из-за высокого УФ-излучения и ионизации газа это приведет к эрозии электродов, что вызовет цикличность лампы. Дуговая трубка из спеченного оксида алюминия не позволяет ионам просачиваться, сохраняя более постоянный цвет в течение срока службы лампы. Их обычно называют керамическими металлогалогенными лампами или лампами CMH.
Идея добавления иодидов металлов для спектральной модификации (в частности: натрия — желтый, лития — красный, индия — синий, калия и рубидия — темно-красный и таллия — зеленый) ртутного дугового разряда с целью создания первой металлогалогенной лампы восходит к патенту US1025932, выданному в 1912 году Чарльзу Протеусу Штейнмецу , «Волшебнику General Electric».
За годы прогресса количество используемой ртути сократилось.
Большинство типов оснащены внешней стеклянной колбой для защиты внутренних компонентов и предотвращения потери тепла. Внешняя колба также может использоваться для блокировки части или всего УФ- излучения, генерируемого разрядом паров ртути, и может состоять из специально легированного плавленого кварца «UV stop». Защита от ультрафиолета обычно используется в одноцокольных (одноцокольных) моделях и двухцокольных моделях, которые обеспечивают освещение для использования человеком поблизости. Некоторые высокомощные модели, в частности, модели УФ-печати со свинцом-галлием и модели, используемые для некоторых типов освещения спортивных стадионов, не имеют внешней колбы. Использование голой дуговой трубки может обеспечить передачу УФ-излучения или точное позиционирование в оптической системе светильника . Покровное стекло светильника может использоваться для блокировки УФ-излучения, а также может защитить людей или оборудование, если лампа выйдет из строя из-за взрыва.
Некоторые типы имеют металлическое основание с винтом Эдисона для различных мощностей от 10 до 18 000 Вт. Другие типы двухсторонние, как показано выше, с основаниями R7s-24, состоящими из керамики, а также металлическими соединениями между внутренней частью дуговой трубки и внешней частью. Они изготовлены из различных сплавов (например, железо-кобальт-никель), которые имеют коэффициент теплового расширения, соответствующий коэффициенту теплового расширения дуговой трубки.
Электрическая дуга в металлогалогенных лампах, как и во всех газоразрядных лампах, имеет свойство отрицательного сопротивления ; это означает, что по мере увеличения тока через лампу напряжение на ней уменьшается. Если лампа питается от источника постоянного напряжения, например, напрямую от проводки переменного тока, ток будет увеличиваться до тех пор, пока лампа не разрушится; поэтому для галогенных ламп требуются электрические балласты для ограничения тока дуги. Существует два типа:
Металлогалогенные лампы с импульсным запуском не содержат пускового электрода, который зажигает дугу, и требуют зажигателя для генерации высоковольтного (1–5 кВ при холодном зажигании, более 30 кВ [11] при горячем повторном зажигании) импульса для зажигания дуги. Электронные балласты включают схему зажигателя в одном корпусе. Стандарты систем ламп-балласт Американского национального института стандартов (ANSI) устанавливают параметры для всех металлогалогенных компонентов (за исключением некоторых новых продуктов).
Из-за более белого и естественного света, который они производят, металлогалогенные лампы изначально предпочитали голубоватым ртутным лампам. С появлением специализированных металлогалогенных смесей металлогалогенные лампы теперь доступны с коррелированной цветовой температурой от 3000 К до более 20 000 К. Цветовая температура может немного отличаться от лампы к лампе, и этот эффект заметен в местах, где используется много ламп. Поскольку цветовые характеристики лампы имеют тенденцию меняться в течение срока службы лампы, цвет измеряется после того, как колба прогорит в течение 100 часов (выдержанная) в соответствии со стандартами ANSI . Металлогалогенные лампы с импульсным запуском имеют улучшенную цветопередачу и обеспечивают более контролируемую дисперсию в Кельвинах (±100–200 Кельвинов) из-за лучших форм дуговой трубки по сравнению с металлогалогенными лампами с зондовым запуском, которые не требуют наличия пускового электрода и допускают более высокое давление и температуру галогенидов.
Цветовая температура металлогалогенной лампы также может зависеть от электрических характеристик электрической системы, питающей лампочку, и производственных отклонений в самой лампочке. Если металлогалогенная лампа недостаточно мощная, из-за более низкой рабочей температуры ее световой поток будет голубоватым из-за испарения только ртути. Это явление можно наблюдать во время прогрева, когда дуговая трубка еще не достигла полной рабочей температуры, а галогениды не полностью испарились. Это также очень заметно при диммировании балластов. Обратное верно для слишком мощной лампочки, но это состояние может быть опасным, приводя к возможному взрыву дуговой трубки из-за перегрева и избыточного давления.
Холодная металлогалогенная лампа не может немедленно начать производить полную световую мощность, поскольку температуре и давлению во внутренней дуговой камере требуется время для достижения полного рабочего уровня. Запуск начальной аргоновой дуги (или ксеноновой в автомобильной) иногда занимает несколько секунд, а период прогрева может длиться до пяти минут (в зависимости от типа лампы). В течение этого времени лампа демонстрирует различные цвета, поскольку различные металлогалогенные соединения испаряются в дуговой камере.
Если питание прервано, дуга лампы погаснет, а высокое давление, которое существует в горячей дуговой трубке, предотвратит повторное зажигание дуги; при обычном зажигателе потребуется период охлаждения в 5–10 минут, прежде чем лампа сможет быть перезапущена, но при использовании специальных зажигателей и специально разработанных ламп дуга может быть немедленно восстановлена. В светильниках без возможности мгновенного повторного зажигания кратковременная потеря питания может означать отсутствие света в течение нескольких минут. В целях безопасности некоторые металлогалогенные светильники имеют резервную вольфрамово-галогеновую лампу накаливания, которая работает во время охлаждения и повторного зажигания. После того, как металлогалогенная лампа снова зажигается и нагревается, предохранительная лампа накаливания выключается. Теплой лампе также требуется больше времени, чтобы достичь своей полной яркости, чем лампе, которая запускается полностью холодной.
Большинство подвесных потолочных светильников, как правило, имеют пассивное охлаждение и представляют собой комбинированный пускорегулирующий аппарат и лампу.
Металлогалогенные лампы обычно теряют свою мощность или меняют цвет из-за потери галогенидов и почернения дуговой трубки. Они перестают работать в конце срока службы, что похоже на ртутные лампы. В редких случаях они также могут циклически включаться/выключаться. Некоторые могут демонстрировать значительное изменение цвета, а в редких случаях взрываться. [12]
Все металлогалогенные дуговые лампы со временем теряют прочность из-за химического воздействия, термического напряжения и механической вибрации. По мере старения лампы дуговая лампа обесцвечивается (часто приобретая темно-серый оттенок), поглощая свет и нагреваясь. Трубка будет продолжать слабеть, пока в конечном итоге не выйдет из строя, что приведет к ее разрушению.
Ранний отказ дуговой трубки может произойти из-за производственных дефектов. Производители могут «приправлять» новые лампы, чтобы проверить их на наличие таких дефектов перед продажей.
Поскольку металлогалогенная лампа содержит газы под значительным высоким давлением (до 3,4 атмосфер), отказ дуговой трубки неизбежно является сильным событием. Осколки дуговой трубки разобьют внешнюю колбу, а горячие стеклянные осколки могут упасть на людей или предметы внизу. Горячие осколки могут представлять опасность возгорания. Светильники спроектированы так, чтобы удерживать горячие осколки с помощью твердого стеклянного колпачка, или могут быть спроектированы для ламп с кварцевой трубкой, окружающей дуговую трубку, чтобы предотвратить поломку.
Разрушение дуговой трубки можно предотвратить, заменив лампу, если наблюдается чрезмерное почернение дуговой трубки, дуговая трубка начинает разбухать, происходит резкое изменение цвета света или лампа начинает циклически включаться и выключаться.
мгновенного перезапуска и быстрого перезапуска устраняют задержку перезапуска ламп MH после проседания или прерывания. Они используют специально подключенные балласты CWA и высоковольтные зажигатели, которые вырабатывают высокое напряжение (от 8 кВ до 40 кВ) для перезапуска специальных ламп.
