Металлогалогенная лампа

Металлогалогенные прожекторы на бейсбольном поле

Металлогалогенная лампа — это электрическая лампа, излучающая свет электрической дугой за счет газообразной смеси испаренной ртути и галогенидов металлов. ^[1]^[2] (соединения металлов с бромом или йодом ). Это тип высокой интенсивности (HID) газоразрядной лампы . ^[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 металлогалогенидным соединением является йодид натрия . Как только дуговая трубка достигает своей рабочей температуры, натрий отделяется от йода, добавляя к спектру лампы оранжевый и красный цвета от линии D натрия по мере ионизации металла.В результате металлогалогенные лампы имеют высокую светоотдачу – около 75–100 люмен на ватт. ^[2] что примерно в два раза больше, чем у ртутных ламп и в 3–5 раз больше, чем у ламп накаливания. ^[1] и излучать интенсивный белый свет. Срок службы лампы составляет от 6000 до 15 000 часов. ^[2]^[3] как один из наиболее эффективных источников белого света с высоким индексом цветопередачи по состоянию на 2005 г. Галогениды металлов ^[update] были самым быстрорастущим сегментом светотехнической отрасли. ^[1] Они используются для верхнего освещения больших площадей. ^[2] коммерческих, промышленных и общественных мест, таких как автостоянки, спортивные арены, фабрики и магазины розничной торговли, ^[1] а также освещение жилых помещений , автомобильные фары (часто называемые « ксеноновыми фарами ») и выращивание каннабиса в помещении.

Лампы состоят из небольшой из плавленого кварца или керамики дуговой трубки , в которой содержатся газы и дуга, заключенной внутри более крупной стеклянной колбы с покрытием для фильтрации производимого ультрафиолетового света . ^[1]^[3] Они работают при давлении от 4 до 20 атмосфер и для безопасной работы требуют специальных приспособлений, а также электрического балласта . Атомы металлов производят большую часть светового потока. ^[1] Для достижения полной светоотдачи им требуется период прогрева в несколько минут. ^[2]

Использование

Металлогалогенные лампы используются для общего освещения как внутри, так и снаружи помещений, например, коммерческих, промышленных и общественных помещений, автостоянок, спортивных арен, фабрик и розничных магазинов, а также для жилых помещений освещения ; Дальнейшие области применения – автомобильная промышленность и специальные применения.

Металлогалогенные лампы используются в автомобильных фарах , где их обычно называют «ксеноновыми фарами» из-за использования в колбе ксенонового газа, обеспечивающего минимальный свет при включении до того, как лампа нагреется, вместо аргона обычно используемого . в других галогенных лампах.

Еще одно широкое применение таких ламп - это фотографическое освещение и сценические осветительные приборы, где они обычно известны как лампы MSD или HMI и обычно используются с номинальной мощностью 150, 250, 400, 575 и 1200 Вт , особенно для интеллектуального освещения .

Благодаря широкому спектру и хорошей эффективности они использовались для выращивания в помещении, в частности, каннабиса, и были весьма популярны среди рифовых аквариумистов , которым требовался источник света высокой интенсивности для кораллов. ^[4]^[5] Однако светодиоды почти полностью заменили металлогалогенные лампы в обоих применениях, и лишь горстка пуристов все еще держится. ^[6]

Операция

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 соответствующую цветовую температуру и интенсивность (например, делая свет более синим или красным). При запуске сначала ионизируется аргон в лампе, что помогает поддерживать дугу на двух электродах при приложенном пусковом напряжении. Тепло, выделяемое дугой и электродами, затем ионизирует ртуть и галогениды металлов в плазму , которая производит все более яркий белый свет по мере того, как температура и давление повышаются до рабочих условий.

Дуговая трубка работает при давлении от 5 до 50 атм и более. ^[8] (70–700 фунтов на квадратный дюйм или 500–5000 кПа ) и 1000–3000 °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, проходящего через лампу. . Около 24% энергии, потребляемой металлогалогенными лампами, производит свет (эффективность 65–115 лм / Вт ), ^[4] что делает их существенно более эффективными, чем лампы накаливания , эффективность которых обычно находится в диапазоне 2–4%.

Компоненты

Металлогалогенные лампы состоят из дуговой трубки с электродами, внешней колбы и цоколя.

Дуговая трубка

Внутри из плавленого кварца дуговой трубки два вольфрамовых электрода, легированных торием на каждом конце впаиваются переменное , и к ним подается напряжение через уплотнения из молибденовой фольги, вплавленные в кремнезем. Это дуга между двумя электродами, где фактически создается свет.

Помимо паров ртути, в лампе содержатся йодиды или бромиды различных металлов. Йод и бром относятся к группе галогенов таблицы Менделеева, поэтому в ионизированном состоянии называются «галогенидами». Скандий и натрий также используются в некоторых типах, а таллий , индий и натрий — в европейских Tri-Salt моделях . Диспрозий используется для высокой цветовой температуры , а олово — для более низкой цветовой температуры. Гольмий и тулий используются в моделях очень мощного освещения для кинофильмов и в металлогалогенных лампах дневного света для прожекторного освещения, в компактных металлогалогенных лампах малой мощности, а также в освещении стадионов в Европе. Галлий или свинец используются в специальных моделях с высоким уровнем УФ-А для печати. Смесь используемых металлов определяет цвет лампы. Некоторые типы для праздничного или театрального эффекта используют почти чистые йодиды таллия для зеленых ламп и индия для синих ламп. Щелочной металл (натрий или калий ) почти всегда добавляется для уменьшения импеданса дуги , что позволяет сделать дуговую трубку достаточно длинной и простой. электрические балласты использовать , . Благородный газ обычно аргон , заполняется в дуговую трубку холодным способом под давлением около 2 кПа, чтобы облегчить начало разряда. Лампы, наполненные аргоном, обычно запускаются довольно медленно: для достижения полной интенсивности света требуется несколько минут; ксеноновые наполнители, используемые в автомобильных фарах, запускаются сравнительно быстрее.

Концы дуговой трубки часто покрываются снаружи белым отражающим инфракрасное излучение силикатом циркония или оксидом циркония, , чтобы отражать тепло обратно на электроды, сохраняя их горячими и обеспечивая термоионное излучение. Некоторые лампы имеют люминофорное 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 дуговой трубки из кварца (плавленого кварца), которая использовалась в ртутных лампах и предыдущих конструкциях металлогалогенных ламп, используется дуговая трубка из спеченного оксида алюминия спеченного оксида алюминия, аналогичная трубке из . те, что используются в натриевых лампах высокого давления . Эта разработка уменьшает эффект ползучести ионов, от которого страдают дуговые трубки из плавленого кварца. В течение срока службы натрий и другие элементы имеют тенденцию мигрировать в кварцевую трубку и из-за сильного УФ-излучения и ионизации газа приводят к эрозии электродов, что приводит к циклическому включению лампы. Дуговая трубка из спеченного оксида алюминия не позволяет ионам проникать сквозь нее, сохраняя более постоянный цвет на протяжении всего срока службы лампы. Их обычно называют керамическими металлогалогенными лампами или лампами CMH.

Концепция добавления йодидов металлов для спектральной модификации (а именно: натрия - желтого, лития - красного, индия - синего, калия и рубидия - темно-красного и таллия - зеленого) ртутного дугового разряда для создания первой металлогалогенной лампы может можно проследить до патента US1025932, выданного в 1912 году Чарльзом Протеем Стейнмецем , «волшебником General Electric».

За годы прогресса количество используемой ртути уменьшилось.

Внешняя лампа

Большинство типов оснащены внешней стеклянной колбой для защиты внутренних компонентов и предотвращения потери тепла. Внешняя лампочка можеттакже может использоваться для блокировки части или всего УФ- излучения, генерируемого разрядом паров ртути, и может состоять из специально легированного плавленого кварца с защитой от УФ-излучения. Защита от ультрафиолета обычно используется в моделях с одним цоколем (с одним цоколем) и моделях с двойным цоколем, которые обеспечивают освещение для использования людьми поблизости. Некоторые мощные модели, особенно модели со свинцово-галлиевой УФ-печатью и модели, используемые для освещения некоторых типов спортивных стадионов, не имеют внешней лампы. Использование дуговой трубки без покрытия может обеспечить передачу УФ-излучения или точное позиционирование внутри оптической системы светильника . Защитное стекло светильника можно использовать для блокировки ультрафиолетового излучения, а также для защиты людей или оборудования в случае взрыва лампы.

База

Некоторые типы имеют винтовое металлическое основание Эдисона для различной номинальной мощности от 10 до 18 000 Вт. Другие типы являются двусторонними, как показано выше, с основаниями R7s-24, состоящими из керамики, а также металлическими соединениями между внутренней частью дуговой трубки и внешней частью. Они изготавливаются из различных сплавов (например, железо-кобальт-никель), коэффициент теплового расширения которых соответствует коэффициенту теплового расширения дуговой трубки.

Балласты

Электрическая дуга в металлогалогенных лампах, как и во всех газоразрядных лампах, обладает свойством отрицательного сопротивления ; Это означает, что по мере увеличения тока через лампочку напряжение на ней уменьшается. Если лампочка питается от источника постоянного напряжения, например, непосредственно от проводки переменного тока, ток будет увеличиваться до тех пор, пока лампочка не выйдет из строя; поэтому для галогенных ламп требуются электрические балласты для ограничения тока дуги. Есть два типа:

Индуктивный балласт . Во многих светильниках используется индуктивный балласт, также известный как магнитный балласт, аналогичный тем, которые используются в люминесцентных лампах . с железным сердечником Он состоит из индуктора . Индуктор представляет сопротивление переменному току. Если ток через лампу увеличивается, дроссель снижает напряжение, чтобы ограничить ток.
Электронный балласт . Они легче и компактнее. Они состоят из электронного генератора , который генерирует высокую частоту, которая затем преобразуется в низкочастотный ток прямоугольной формы для питания лампы. Поскольку они имеют меньшие резистивные потери, чем индуктивный балласт, они более энергоэффективны. Однако работа на высоких частотах не увеличивает эффективность лампы, как у люминесцентных ламп . Это может вызвать акустический резонанс в дуге, сокращая срок службы лампы. ^[10]

Металлогалогенные лампы с импульсным запуском не содержат зажигающего электрода, зажигающего дугу, и требуют наличия зажигателя для создания высокого напряжения (1–5 кВ при холодном зажигании, свыше 30 кВ). ^[11] при горячем повторном зажигании) импульс для зажигания дуги. Электронные балласты включают в себя схему воспламенителя в одном корпусе. Стандарты систем балласта для ламп Американского национального института стандартов (ANSI) устанавливают параметры для всех металлогалогенных компонентов (за исключением некоторых новых продуктов).

Цветовая температура

Из-за более белого и естественного света металлогалогенные лампы изначально были предпочтительнее голубоватых ртутных ламп. С появлением специализированных металлогалогенных смесей теперь доступны металлогалогенные лампы с соответствующей цветовой температурой от 3000 К до более 20 000 К. Цветовая температура может незначительно варьироваться от лампы к лампе, и этот эффект заметен в местах, где много ламп используются. Поскольку цветовые характеристики лампы имеют тенденцию меняться в течение срока службы лампы, цвет измеряется после того, как лампа прогорела в течение 100 часов (выдержана) в соответствии со стандартами ANSI . Металлогалогенные лампы с импульсным запуском имеют улучшенную цветопередачу и обеспечивают более контролируемое отклонение в Кельвинах (от ±100 до 200 К) благодаря лучшей форме дуговой трубки по сравнению с металлогалогенными лампами с зондовым запуском, которые не требуют наличия пускового электрода и допускают более высокую температуру. давление и температура галогенидов.

На цветовую температуру металлогалогенной лампы также могут влиять электрические характеристики электрической системы, питающей лампу, и производственные различия в самой лампе. Если металлогалогенная лампа имеет недостаточную мощность 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 и галогениды не полностью испарились. Это также очень заметно при затемнении балластов. Обратное верно для лампы с повышенной мощностью, но это состояние может быть опасным, приводя к взрыву дуговой трубки из-за перегрева и избыточного давления.

Запуск и прогрев

Холодная металлогалогенная лампа не может сразу начать давать полную световую мощность, поскольку температуре и давлению во внутренней дуговой камере требуется время, чтобы достичь полного рабочего уровня. Запуск начальной аргоновой дуги (или ксеноновой в автомобилестроении) иногда занимает несколько секунд, а период прогрева может достигать пяти минут (в зависимости от типа лампы). В это время лампа меняет цвет, поскольку различные галогениды металлов испаряются в дуговой камере.

Если питание прервется, дуга лампы погаснет, а высокое давление, существующее в трубке горячей дуги, предотвратит повторное зажигание дуги; при использовании обычного зажигающего устройства перед повторным запуском лампы потребуется период охлаждения в течение 5–10 минут, но при использовании специальных зажигающих устройств и ламп специальной конструкции дуга может быть немедленно восстановлена. В светильниках без возможности мгновенного повторного включения кратковременная потеря мощности может означать отсутствие света в течение нескольких минут. Из соображений безопасности некоторые металлогалогенные светильники имеют резервную вольфрамово-галогенную лампу накаливания, которая работает во время остывания и повторного зажигания. Как только металлогалогенная лампа снова зажжется и нагреется, лампа накаливания выключится. Теплой лампе также требуется больше времени для достижения полной яркости, чем лампе, которая запускается полностью холодной.

Большинство подвесных потолочных светильников, как правило, имеют пассивное охлаждение с помощью комбинированного балласта и светильника.

Поведение в конце жизни

Металлогалогенные лампы обычно теряют свою мощность или меняют цвет из-за потери галогенидов и почернения дуговой трубки. Они перестают работать в конце срока службы, подобно ртутным лампам. В редких случаях они также могут включаться и выключаться циклически. Некоторые из них могут сильно менять цвет и в редких случаях взрываться. ^[12]

Опасность взрыва лампы

Прочность всех металлогалогенных дуговых трубок с течением срока службы ухудшается из-за химического воздействия, термического напряжения и механической вибрации. По мере старения лампы дуговая трубка обесцвечивается (часто приобретая темно-серый оттенок), поглощая свет и нагреваясь. Трубка будет продолжать становиться слабее, пока в конечном итоге не выйдет из строя, что приведет к разрушению трубки.

Ранний выход из строя дуговой трубки может произойти из-за производственного дефекта. Производители могут «приправить» новые лампы, чтобы проверить их на наличие таких дефектов перед продажей.

Поскольку металлогалогенная лампа содержит газы под значительным давлением (до 3,4 атмосферы), выход из строя дуговой трубки неизбежно является серьёзным событием. Осколки дуговой трубки разобьют внешнюю колбу, а осколки горячего стекла могут упасть на людей или предметы внизу. Горячие фрагменты могут представлять опасность пожара. Светильники предназначены для удержания горячих осколков с твердым стеклянным покрытием или могут быть предназначены для ламп с кварцевой трубкой, окружающей дуговую трубку, чтобы предотвратить поломку.

Разрушения дуговой трубки можно избежать, заменив лампу, если дуговая трубка чрезмерно почернела, дуговая трубка начинает раздуваться, происходит внезапное изменение цвета света или лампа начинает периодически включаться и выключаться.

Галерея

для низких пролетов, Светильник в котором используется металлогалогенная лампа высокой мощности, используемая на фабриках и складах.
Металлогалогенный прожектор
К ) Линейная/трубчатая металлогалогенная лампа Philips MHN-TD 150 Вт/842 (150 Вт, 4200
Линейная/трубчатая металлогалогенная лампа Philips MHN-TD 150 Вт/842 загорелась на половинной мощности.
Источник света, использующий металлогалогенную лампу широкого спектра действия, направленную вверх, в небо.
Металлогалогенная лампа на поле для софтбола
Керамическая металлогалогенная лампа 70 Ватт - винтовой светильник (аквариум)

См. также

Дуговая лампа
Иодидная лампа средней дуги Hydrargyrum - металлогалогенные лампы большой мощности, используемые в кинематографии.
Ртутная лампа
Натриевая лампа
Неоновая лампа
Серная лампа
Чарльз Протеус Стейнмец

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Хордески, Майкл Ф. (2005). Словарь технологий энергоэффективности . США: CRC Press . стр. 175–176. ISBN 978-0-8247-4810-4 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Грондзик, Уолтер Т.; Элисон Г. Квок; Бенджамин Штайн; Джон С. Рейнольдс (2009). Механическое и электрическое оборудование зданий, 11-е изд . США: Джон Уайли и сыновья . стр. 555–556. ISBN 978-0-470-57778-3 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Light Right: Руководство практикующего инженера по энергоэффективному освещению . ТЕРИ Пресс. 2004. стр. 19–20. ISBN 978-81-7993-044-1 .
^ Перейти обратно: ^а ^б «Металгалогенид» . Венчурное освещение. Архивировано из оригинала 15 февраля 2012 г. Проверено 14 декабря 2012 г.
^ «Металгалогенные лампы: рабочие лошадки отрасли» .
^ «Руководство по освещению морского аквариума» .
^ Флеш, Питер (2006). Свет и источники света: газоразрядные лампы высокой интенсивности . Спрингер. стр. 45–46. ISBN 978-3-540-32684-7 .
^ Патент США 4171498 , Дитрих Фромм и др., «Электроразрядная лампа высокого давления, содержащая галогениды металлов», выдан 16 октября 1979 г.
^ Патент США 3234421 , Гилберт Х. Рейлинг, «Металлогалогенные электроразрядные лампы», выдан 8 февраля 1966 г.
^ Вейбин, Ченг; Янру, Чжун; Шун, Джин (2006). «Подавление акустического резонанса в газоразрядной лампе с комбинированной частотной модуляцией» . 2006 37-я конференция специалистов по силовой электронике IEEE . стр. 1–5. дои : 10.1109/PESC.2006.1711902 . ISBN 978-0-7803-9716-3 .
^ «Минимизировать время простоя системы HID-освещения» . Электромонтажное строительство и обслуживание . Сентябрь 1998 года . Проверено 20 сентября 2018 г. Системы мгновенного повторного зажигания и быстрого перезапуска исключают задержку при перезапуске ламп MH после провала или перерыва в работе. Они используют специально подключенные балласты CWA и высоковольтные зажигающие устройства, которые создают высокое напряжение (от 8 до 40 кВ) для повторного запуска специальных ламп.
^ Газоразрядные лампы высокой интенсивности (НАСА). Архивировано 13 января 2010 г. в Wayback Machine.

Дальнейшее чтение

Уэймут, Джон (1971). Электроразрядные лампы . Кембридж, Массачусетс: MIT Press. ISBN 978-0-262-23048-3 .
Раймонд Кейн, Хайнц Селл, революция в лампах: хроника 50-летнего прогресса (2-е изд.) , The Fairmont Press, Inc., 2001 г. ISBN 0-88173-378-4

[Hordeski-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Хордески, Майкл Ф. (2005). Словарь технологий энергоэффективности . США: CRC Press . стр. 175–176. ISBN 978-0-8247-4810-4 .

[Grondzik-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Грондзик, Уолтер Т.; Элисон Г. Квок; Бенджамин Штайн; Джон С. Рейнольдс (2009). Механическое и электрическое оборудование зданий, 11-е изд . США: Джон Уайли и сыновья . стр. 555–556. ISBN 978-0-470-57778-3 .

[TERI-3] Перейти обратно: ^а ^б Light Right: Руководство практикующего инженера по энергоэффективному освещению . ТЕРИ Пресс. 2004. стр. 19–20. ISBN 978-81-7993-044-1 .

[venturelighting-4] Перейти обратно: ^а ^б «Металгалогенид» . Венчурное освещение. Архивировано из оригинала 15 февраля 2012 г. Проверено 14 декабря 2012 г.

[5] «Металгалогенные лампы: рабочие лошадки отрасли» .

[Reed_Stable-6] «Руководство по освещению морского аквариума» .

[Flesch-7] Флеш, Питер (2006). Свет и источники света: газоразрядные лампы высокой интенсивности . Спрингер. стр. 45–46. ISBN 978-3-540-32684-7 .

[8] Патент США 4171498 , Дитрих Фромм и др., «Электроразрядная лампа высокого давления, содержащая галогениды металлов», выдан 16 октября 1979 г.

[9] Патент США 3234421 , Гилберт Х. Рейлинг, «Металлогалогенные электроразрядные лампы», выдан 8 февраля 1966 г.

[10] Вейбин, Ченг; Янру, Чжун; Шун, Джин (2006). «Подавление акустического резонанса в газоразрядной лампе с комбинированной частотной модуляцией» . 2006 37-я конференция специалистов по силовой электронике IEEE . стр. 1–5. дои : 10.1109/PESC.2006.1711902 . ISBN 978-0-7803-9716-3 .

[ecm-11] «Минимизировать время простоя системы HID-освещения» . Электромонтажное строительство и обслуживание . Сентябрь 1998 года . Проверено 20 сентября 2018 г. Системы мгновенного повторного зажигания и быстрого перезапуска исключают задержку при перезапуске ламп MH после провала или перерыва в работе. Они используют специально подключенные балласты CWA и высоковольтные зажигающие устройства, которые создают высокое напряжение (от 8 до 40 кВ) для повторного запуска специальных ламп.

[12] Газоразрядные лампы высокой интенсивности (НАСА). Архивировано 13 января 2010 г. в Wayback Machine.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]