Разрядные и галогеновые лампы. Принцип работы

Металлогалогенные лампы HMI-лампы - (или Hydrargyrum medium Arc-length Iodide) - это большое семейство газоразрядных ламп переменного тока, в которых световое излучение образуется в результате электрического разряда в плотной атмосфере смеси паров ртути и галогенидов редкоземельных элементов.. В отличие от ламп накаливания, являющихся тепловыми излучателями в полном смысле этого слова, свет в этих лампах генерируется горящей между двумя электродами дугой. Это ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов (диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий (Tm) а также комплексные соединения с цезием (Cs) и галогениды олова (Sn). Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чьи интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов. Световая отдача и цветопередача дугового разряда ртути и световой спектр значительно улучшаются.

Принцип работы (галогенный цикл): В баллоне лампы присутствуют пары йодидов металлов. При инициации электрического разряда с разогретых электродов начинает испаряться вольфрам, и его пары вступают в соединение с йодидами, образуя газообразное соединение - йодид вольфрама. Этот газ не оседает на стенках колбы (баллон остается прозрачным в течение всего срока работы лампы). Непосредственно вблизи разогретых электродов газ разлагается на пары вольфрама и йод, т.е. электроды окутаны облаком паров металла, оберегающим электроды от разрушения, а стенки колбы от потемнения. При выключении лампы вольфрам оседает (возвращается) на электроды. Таким образом, галогенный цикл обеспечивает длительную работу лампы без потускнения колбы. Металлогалогенные (газоразрядные) лампы стали практически традиционными для применения в профессиональном световом оборудовании.

Для этих ламп характерны

• очень высокая световая отдача (до 100 лм/Вт); 

• цветовая температура излучения близка к цветовой температуре солнечного света! (ок.6000 К); 

• общий индекс цветопередачи Ra(CRI) высок, его значения превышают 90 (чего?); - "примечание редактора" 

• возможность повторного зажигания (для некоторых типов ламп) из горячего состояния; 

• возможность регулировки светового потока.

Основными преимуществами этих ламп по сравнению с лампами накаливания являются: увеличенная в три-четыре раза световая отдача (до 100 лм/Вт), схожий со спектром дневного света спектр оптического излучения с цветовой температурой от 4500 до 6500 K, а также увеличенная на коэффициент 20 яркость, благодаря чему эти лампы можно назвать почти идеальными источниками концентрированного пучка света. Кроме этого индекс цветопередачи металлогалогенных ламп составляет от 80 (HTI) до 95 (HMI), что практически соответствует максимально возможной "естественной" передаче цветов освещаемого объекта (100). Для некоторых областей применения особенно важным является то, что все лампы серий HMI и НМР, и большая часть ламп серии HTI обладают возможностью повторного зажигания из горячего состояния в любой стадии охлаждения и регулирование светового потока лампы (одноцокольные лампы серий HSR и HSD представляют собой лампы с наружными колбами и предназначены для зажигания только в холодном состоянии). Эти лампы выпускаются с большим диапазоном рабочих мощностей - от 125 до 18000 Вт и имеют четыре конструктивных исполнения: 

Конструктивные варианты исполнения:

 

Двухцокольное исполнение (HTI, HMD). Лампы со штырьковыми или резьбовыми цоколями для простого монтажа. Лампы выполнены с использованием традиционной геометрии для двухцокольных ламп, знакомой многим по отечественному аналогу лампе ДРИШ. Особенно хочется отметить лампы типа GS (gap short) с уменьшенным межэлектродным расстоянием, возросшая в последнее время популярность которых объясняется тем, что эта технология позволяет концентрировать большее количество светового потока вблизи оптического центра светового прибора, снижая потери световой энергии и, тем самым, увеличивая кпд системы. Также немаловажную роль играет то, что для этих ламп стандартом является исполнение Super Quiet (сверхтихое), хотя оптимальное подавление звуковых помех все же достигается при использовании лампы совместно с электронным ПРА. 

Одноцокольное исполнение без наружной колбы (HTI). Лампы с минимальными размерами, с безупречным в оптическом отношении качеством света - для компактных светотехнических систем.

Специальный цоколь лампы этого исполнения, не смотря на свои очень маленькие размеры, обеспечивает безупречное повторное зажигание из горячего состояния: преимущество для очень компактных светильников.

Такие лампы были разработаны для применения в миниатюрных световых приборах, где, тем не менее, требуется высокая яркость. Несмотря на свои небольшие размеры эти лампы обладают всеми преимуществами ламп HMI.

Одноцокольное исполнение с наружной колбой (HSR, HSD). Простые в обслуживании лампы, способные работать длительное время без сервисного обслуживания. Без возможности повторного зажигания из горячего состояния.

Наружная колба гарантирует простое обслуживание лампы, оптимальное подавление помех при работе с электронным ПРА, улучшенную по сравнению с двухцокольными лампами регулировку светового потока.

Еще одним достоинством этих ламп является возможность стабильной работы в любом положении.

Разрядная лампа с отражателем. Это исполнение представлено семейством ламп "HBO" для видео проекторов. В ней горелка герметично запаяна в интерференционный отражатель. Основная область ее применения - прожекторы дальнего действия с концентрированным световым пучком.

Основное неудобство, возникающее при использовании металлогалогенных ламп, - необходимость всегда иметь под рукой дорогой и объемный высоковольтный источник питания. Тем не менее, благодаря очень хорошей цветовой температуре и высокой светоотдаче металлогалогенные лампы находят широкое применение в сценическом и театральном освещении. Все больше убеждаются в преимуществах ламп HMI фотографы и операторы.

Основные характеристики некоторых упомянутых ламп приведены в таблице:

Модель	Мощность, Вт	Рабочее напряжение, В	Рабочий ток, А	Цоколь	Световой поток, лм	Цветовая температура, K	Срок службы, ч
Osram HMI 200 W/SE	200	70	3	GZY 9.5	16000	5600	200
Osram HMI 200 W	200	80	3,1	X515	14000	.	300
Osram HMI 250 W/SE	270	50	5,4	FaX 1.5	16200	.	250
Osram HMI 400 W/SE	400	70	6,9	GZZ 9.5	33000	5600	650
Osram HMI 575 W/SE	575	95	7	G22	49000	5600	750
(HMI 575 HR)
Osram HMI 575 W/GS	575	95	7	SFc10	49000	5600	750
Osram HMI 1200 W/SE	1200	100	13,8	G38	110000	6000	750
(HMI 1200 HR)
Osram HMI 1200 W/S	1200	100	13,8	SFc10-4	110000	6000	750
Osram HMI 1200 W/GS	1200	100	13,8	SFc15.5	110000	6000	750
Osram HMI 2500 W/SE	2500	115	25,6	G38	240000	6000	500
(HMI 2500 HR)
Osram HMI 2500 W/GS	2500	115	25,6	SFa21-12	240000	6000	500
Osram HMI 2500 W/S	2500	115	25,6	SFa21	240000	.	500
Osram HMI 4000 W	4000	200	24	SFa21-12	280000	6000	500
Osram HMI 6000 W	6000	123	55	S25.5	570000	6000	500
Osram HMI 12000 W	12000	224	62	S25.5	1150000	5600	500
Osram HMI 12000 W/GS	12000	160	84	S30	1150000	5600	500
Osram HMI 18000 W	18000	225	88	S30	1700000	.	250

Прим.:  SE - одноцокольная.

GS - лампа с очень малым межэлектронным расстоянием.

S - короткое исполнение.

Довольно большую группу источников света составляют аналогичные лампам HMI металлогалогенные лампы HTI, HSR, HSD, HMD, отличающиеся тем, что имеют меньшую длину разрядной дуги. Для них характерна высокая световая отдача от 60 до 100 лм/Вт. Кроме этого, общий индекс цветопередачи таких ламп лежит в пределах 80 - 95, что говорит об очень хорошей передаче цветов этими лампами (группа 1А и 1В - смотри меню "Цветопередача") . В отличие от тепловых излучателей ( например, галогенных ламп накаливания) спектр излучения металлогалогенных ламп представляет собой не сплошную линию, а состоящую из многих линий кривую, близкую к спектру солнечного света.

Основными отличительными характеристиками и преимуществами этих ламп являются:

• Короткая световая дуга 

• Высокая световая отдача 

• Аналогичный дневному свет 

• Компактное исполнение 

• Работа с дросселем и ЭПРА

Все эти лампы предлагаются в широком диапазоне мощностей - от 150 до 4000 Вт.

Кратко остановимся на некоторых особенностях каждой модели.

Лампы HTI

Лампы HTI. Очень компактные короткодуговые металлогалогенные лампы. Имеют три основных конструктивных исполнения: одноцокольное, двухцокольное и с интерференционным отражателем. Одноцокольные используются в компактных светотехнических системах. Двухцокольные HTI оснащены двумя штырьковыми или резьбовыми цоколями для простоты монтажа, а их модификация HMD специально рассчитана на установки с длительным сроком эксплуатации и применяется в основном для архитектурной подсветки. Лампы с интерференционным фокусирующим отражателем позволяют повысить общий кпд системы при создании различных световых эффектов.

Лампы HSR

Лампы HSR. Они аналогичны лампам HTI, но имеют наружную защитную колбу, что повышает простоту обслуживания, однако, к сожалению, лишены возможности горячего перезажигания.

Лампы HSD

Лампы HSD. Специально рассчитанная на длительный срок эксплуатации версия лампы HSR. Имеет вдвое больший срок службы.

Лампы HMP

Лампы HMP. Благодаря специальному газу-наполнителю и системе электродов металлогалогенные лампы серии HMP обеспечивают возможность не только регулировки светового потока, но и повышения рабочего напряжения, т.е. эксплуатации при напряжении, превышающем их номинальное значение. При этом такие светотехнические характеристики, как цветовая температура, индекс цветопередачи и световая отдача остаются у этих ламп практически постоянными как при регулировании светового потока, так и при добавочном напряжении.

Основными отличительными характеристиками ламп HMP являются:

• Режим регулировки светового потока и повышения напряжения

   

• Возможность зажигания из горячего состояния

   

• Любое рабочее положение 

• Длительный срок службы при работе с номинальной мощностью 

• Оптимизированный для показа видеофильмов спектр (спектр дневного света).

Лампы ДРИШ

Лампы ДРИШ Включается в сеть последовательно с балластным дросселем и применяется в оптических приборах для получения узкого пучка света большой интенсивности, с цветовой температурой дневного света, порядка 6000°К (градусов Кельвина). Используется в театральных пушках типа ПрТКМ, сканерах, центральных эффектах, зенитных прожекторах.

Лампы ДРИШ имеют несколько модификаций, которые различаются межэлектродным расстоянием. Например, в лампе ДРИШ-575-4 расстояние аналогично лампе иностранного производства типа НМI-575 W/GS и составляет 7 мм. Остальные 575-е лампы имеют ненормированные межэлектродные расстояния, и некоторые новые лампы при слабом пусковом устройстве сразу могут не зажечься. Хотя, как показывает практика, при их предварительном прожиге на любой штатной аппаратуре они работают не хуже ламп НМI-575. С другой стороны, лампа ДРИШ-575-1 имеет более стабильную световую температуру (-4), не изменяющуюся от лампы к лампе.

Источником света в лампах ДРИШ является электрическая дуга. В холодном состоянии электрическая проводимость межэлектродного пространства лампы стремится к нулю. Поэтому для обеспечения прохождения рабочего тока необходимо электрически замкнуть электроды. Для этого применяется специальное высоковольтное "поджигающее" устройство, создающее напряжение до 9000 В. Образующийся разряд обеспечивает прохождение стартового электрического тока через разрядный промежуток лампы и балластный дроссель. В процесс разряда вовлекаются пары ртути, находящиеся в колбе лампы. По мере разогрева ртуть начинает испаряться, добавляя атомы в процесс переноса электрического разряда. Процесс постепенно нарастает до полного испарения ртути. При этом ток, проходящий через лампу, стабилизируется, а свечение становится наиболее ярким. Если в момент разогрева лампы на мгновение прервать идущий через нее ток, свечение прекратится, а часть испарившейся ртути осядет на еще холодную колбу лампы. Это приведет к сокращению атомов паров ртути в межэлектродном пространстве и, как следствие, невозможности образования так называемого стартового тока, хотя высоковольтный разряд исправно возникает. Лампа приходит в негодность. Поэтому перед тем, как выключить прибор с металлогалогенной лампой, следует дождаться выхода лампы на рабочий режим (как правило, 2-5 минут).

Такими же характеристиками обладают и лампы ДРИШ-1200, ДРИШ-2500.

Osram HTI 300 W/DX	300	100	3,6	SFc10-4	22000	6500	750
Osram HTI 400 W/SE	400	55	7,3	FaX1.5	28000	4800	250
Osram HSD 400	400	95	4,7	GX 9.5	30000	5600	2000
Osram HSR 400	400	67	6,9	GX 9.5	33000	5900	650
Osram HTI 403 W/SE	400	55	7,3	FaX1.5	28000	4800	750
Osram HTI 404 W/SE	400	55	7,3	FaX1.5	28000	6000	500
Osram HTI 405 W/SE	400	55	7,3	GY 9.5	28000	6000	500
Osram HSR 575/2	575	95	7	GX 9.5	49000	6000	1000
Osram HTI 600 W/SE	600	95	7,7	FaX1.5	48000	5300	300
Osram HTI 600 W/D	600	95	7,7	спец.	48000	5300	300
Osram HSR 700	700	72	11	G22	58000	6300	1000
Osram HTI 1200 W/SE	1200	100	13,8	GY22	99000	6000	600
Osram HTI 2500 W/SE	2500	115	25,6	G22 + кабель	240000	6000	600
Osram HSR 1200/2	1200	100	13,8	GY22/28x55	110000	6000	1000
Osram HTI 4000 W/DE	4000	115	39	S25.5	360000	6000	500

Прим.:
SE - одноцокольная.
DE, DX - двухцокольная.
D - двухконтактная.

Эксплуатационные условия

Металлогалогенные лампы работают от переменного тока, который подается на них, как правило, через дроссельные катушки, трансформаторы с магнитным рассеянием или через электронные пускорегулирующие аппараты. Электронные пускорегулирующие аппараты работают на постоянной мощности и обеспечивают немигающий свет ламп.

В холодном состоянии металлогалогенные лампы, как и все газоразрядные лампы, являются превосходными изоляторами. Поэтому для электрической проводимости этим лампам необходим высоковольтный разряд (зажигание). Если холодной лампе для зажигания достаточно всего нескольких киловольт напряжения, то для повторного зажигания лампы из горячего состояния требуется импульсное напряжение, увеличенное на коэффициент 10.

Срок службы

Под средним сроком службы металлогалогенных ламп понимают тот срок эксплуатации ламп, по истечении которого половина ламп одного типа (общее количество не должно быть слишком малым) может уже больше не соответствовать предъявляемым специальным требованиям (например, по световому потоку и цветовой температуре).

При этом отклонение электрических и светотехнических параметров от нормы зависит от типа технического устройства,

обеспечивающего работу этих ламп - дросселя или электронного ПРА.

Частота включения - это тот фактор, который определяет срок службы металлогалогенных ламп в наибольшей степени. В зависимости от области применения ламп в основу проводимых на фирме OSRAM испытаний на долговечность берется определенный, типичный для этих ламп ритм включение и выключении. Так, для ламп серий HMI, HMP и HTI этот ритм составляет: 60 минут ВКЛ, 15 минут ВЫКЛ, для ламп серий HSR и HSD - 180 минут ВКЛ, 30 минут ВЫКЛ. По среднему сроку службы и указанному ритму включений и выключении определяется средняя частота включения лампы. Если после немногих зажиганий лампа работает на постоянной номинальной мощности, то можно ожидать более длительного срока ее службы. Тем не менее, если срок эксплуатации лампы на 25% превышает предписанный срок службы, ее следует немедленно заменить, чтобы избежать опасности растрескивания.

Особенно неблагоприятные последствия следует ожидать при выключении металлогалогенной лампы во время фазы пуска, так как это приводит к осаждению компонентов газа-наполнителя на внутренние стенки колбы и на электродах, в результате чего резко ухудшается повторное зажигание ламп и понижается срок ее службы.

Безопасность

Эксплуатация всех металлогалогенных ламп (также и ламп с наружными колбами) разрешена только в специальных закрытых корпусах, что обусловлено их ультрафиолетовым излучением, способным вызвать ослепление светом (ожог глаз, как от сварочного аппарата) и избыточным рабочим давлением - риск получить травмы при разрушении лампы.

Для сокращения ультрафиолетового излучения до допустимого предельного значения необходимо использовать соответствующие фильтры "UV - фильтр".