Металлогалогенная лампа - Metal-halide lamp

Колба металлогалогенной лампы (тип / О с дуговой защитой)
Спектр металлогалогенной лампы мощностью 175 Вт
Металлогалогенные прожекторы на бейсбольном поле
Изобретенный Чарльз Протеус Штайнмец в 1912 году и использовался почти в каждом городе мира.

А металлогалогенная лампа электрическая лампа, излучающая свет электрическая дуга через газовую смесь испарений Меркурий и галогениды металлов[1][2] (соединения металлов с бром или йод ). Это тип разряд высокой интенсивности (HID) газоразрядная лампа.[1] Разработанные в 1960-х годах, они похожи на ртутные лампы,[1] но содержат дополнительные соединения галогенидов металлов в кварц дуговая трубка, которая повышает эффективность и цветопередача света.Чаще всего используются соединения галогенидов металлов. йодид натрия. Как только дуговая трубка достигает рабочей температуры, натрий отделяется от йода, добавляя оранжевый и красный цвет к спектру лампы из линии D натрия по мере ионизации металла. В результате металлогалогенные лампы имеют высокий световая отдача около 75–100 люмен на ватт,[2] что примерно вдвое больше, чем у ртутных ламп, и в 3-5 раз больше, чем у лампы накаливания[1] и производить интенсивный белый свет. Срок службы лампы от 6000 до 15000 часов.[2][3] Как один из наиболее эффективных источников высоких CRI белый свет, галогениды металлов по состоянию на 2005 г. были самым быстрорастущим сегментом светотехнической отрасли.[1] Они используются для верхнего освещения большой площади.[2] коммерческих, промышленных и общественных мест, таких как автостоянки, спортивные арены, фабрики и магазины розничной торговли,[1] а также жилой охранное освещение и автомобильные фары (ксеноновые фары ).

Лампы состоят из небольшого плавленый кварц или керамика дуговая трубка который содержит газы и дугу, заключенный в большую стеклянную колбу, имеющую покрытие для фильтрации ультрафиолетовое излучение произведено.[1][3] Они работают при давлении от 4 до 20 атмосфер и для безопасной работы требуют специальных приспособлений, а также электрического балласт. Атомы металла производят большую часть светового потока.[1] Для достижения полной светоотдачи им требуется несколько минут прогрева.[2]

Использует

Металлогалогенные лампы используются для общего освещения как внутри, так и снаружи помещений, таких как коммерческие, промышленные и общественные помещения, автостоянки, спортивные арены, фабрики и магазины розничной торговли, а также для освещения жилых помещений; автомобильные и специальные приложения - еще одна область применения.

Металлогалогенные лампы используются в автомобилях. передние фары, где они широко известны как "ксеноновые фары" из-за использования ксенон газ в лампочке вместо аргон обычно используется в других галогенидных лампах.

Еще одно распространенное применение таких ламп - в фотографическое освещение и сценическое освещение светильники, где они широко известны как лампы MSD и обычно используются в 150, 250, 400, 575 и 1200 ватт рейтинги, особенно интеллектуальное освещение.

Благодаря широкому спектру и хорошей эффективности, они используются для выращивания в домашних условиях и довольно популярны среди рифов. аквариумисты, которым нужен источник света высокой интенсивности для кораллов.[4]

Операция

Как и другие газоразрядные лампы такие как очень похожие ртутные лампы металлогалогенные лампы производят свет за счет ионизации смеси газов в электрическая дуга. В металлогалогенной лампе компактная дуговая трубка содержит смесь аргон или ксенон, Меркурий, и различные металлические галогениды, такие как йодид натрия и йодид скандия.[5] Конкретная смесь галогенидов металлов влияет на коррелированная цветовая температура и интенсивность (например, сделать свет более синим или красным). При запуске сначала ионизируется аргон в лампе, что помогает поддерживать дугу на двух электродах с приложенным пусковым напряжением. Тепло, генерируемое дугой и электродами, затем ионизирует ртуть и галогениды металлов в плазма, который дает все более яркий резкий белый свет по мере того, как температура и давление повышаются до рабочих условий.

Электродуговая трубка работает при давлении от 5 до 50 атм и более.[6] (70–700 psi или 500–5000кПа ) и 1000–3000 ° С.[7] Как и все другие газоразрядные лампы, металлогалогенные лампы имеют отрицательное сопротивление (за редким исключением ламп со встроенным балластом и нитью накала), поэтому требуется балласт для обеспечения надлежащего пускового и рабочего напряжения при регулировании тока, протекающего через лампу. Около 24% энергии, потребляемой металлогалогенными лампами, производит свет (эффективность 65–115%).lm /W ),[4] делая их значительно более эффективными, чем лампы накаливания, которые обычно имеют КПД в диапазоне 2–4%.

Компоненты

Металлогалогенная лампа 150 Вт в креплении, примерно на полпути прогрева

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

Дуговая трубка

Внутри плавленый кварц дуговая трубка, два вольфрам электроды легированные торий запечатаны на каждом конце и AC на них подается напряжение через молибден фольговые уплотнения, сплавленные с кремнеземом. Это дуга между двумя электродами, где на самом деле создается свет.

Помимо паров ртути в лампе есть йодиды или бромиды из разных металлов. Йод и бром относятся к галогеновой группе периодической таблицы и поэтому при ионизации называются «галогенидами». Скандий и натрий также используются в некоторых типах, с таллий, индий, и натрий в Европе Tri-Salt модели. Более свежие типы используют диспрозий для высоких цветовая температура и банка для более низкой цветовой температуры. Гольмий и тулий используются в очень мощных моделях освещения для кино. Галлий или вести используются в специальных моделях с высоким УФ-А для печати. Смесь используемых металлов определяет цвет лампы. В некоторых типах для праздничного или театрального эффекта используются почти чистые йодиды таллия для зеленых ламп и индия для синих ламп. An щелочной металл, (натрий или калий ), почти всегда добавляется для уменьшения дуги сопротивление, что позволяет сделать дуговую трубку достаточно длинной и простой электрические балласты быть использованным. А благородный газ, обычно аргон, холодно заполняется в дуговой трубке под давлением около 2 кПа, чтобы облегчить запуск разряда. Лампы, заполненные аргоном, обычно запускаются довольно медленно, для достижения полной силы света требуется несколько минут; Ксеноновая заливка, используемая в автомобильных фарах, запускается относительно быстрее.

Концы дуговых трубок часто снаружи покрыты белым инфракрасный –Отражающий силикат циркония или оксид циркония отражать тепло обратно на электроды, чтобы они оставались горячими и термически испускающий. Некоторые лампы имеют люминофорное покрытие на внутренней стороне внешней лампы для улучшения спектра и рассеивания света.

В середине 1980-х годов был разработан новый тип металлогалогенной лампы, в которой вместо кварцевой (плавленого кварца) дуговой лампы, которая использовалась в лампах с парами ртути и предыдущих конструкциях металлогалогенных ламп, использовалась лампа спеченный глинозем дуговая трубка, аналогичная тем, которые используются в натриевая лампа высокого давления. Эта разработка снижает эффект ползучести ионов, который поражает дуговые трубки из плавленого кварца. В течение срока службы натрий и другие элементы имеют тенденцию мигрировать в кварцевую трубку и из-за сильного ультрафиолетового излучения и ионизации газа приводят к эрозии электродов, вызывая циклическое переключение лампы. Дуговая трубка из спеченного оксида алюминия не позволяет ионам проникать внутрь, сохраняя более постоянный цвет в течение всего срока службы лампы. Их обычно называют керамические металлогалогенные лампы или лампы CMH.

Концепция добавления металлических йодидов для спектральной модификации (а именно: натрий - желтый, литий - красный, индий - синий, калий и рубидий - темно-красный и таллий - зеленый) ртутного дугового разряда для создания первой металлогалогенной лампы может прослеживаться до патента US 1025932 в 1912 г. Чарльз Протеус Штайнмец, «Волшебник General Electric».

Количество используемой ртути уменьшилось с годами.

Наружная лампочка

Большинство типов оснащены внешней стеклянной колбой для защиты внутренних компонентов и предотвращения потери тепла. Внешнюю колбу также можно использовать для блокировки некоторых или всех УФ свет, генерируемый разрядом паров ртути, и может состоять из плавленого кварца со специальной присадкой "UV stop". Ультрафиолетовая защита обычно используется в моделях с одним концом (с одним основанием) и в моделях с двойным концом, которые обеспечивают освещение для близлежащего использования человеком. Некоторые мощные модели, особенно модели с УФ-печатью на свинцово-галлиевой основе и модели, используемые для некоторых типов освещения стадионов, не имеют внешней лампы. Использование дуги без оболочки может обеспечить пропускание УФ-излучения или точное позиционирование в оптической системе светильник. Защитное стекло светильника можно использовать для защиты от ультрафиолета, а также может защитить людей или оборудование, если лампа выйдет из строя в результате взрыва.

База

Некоторые типы имеют Эдисон винт металлическое основание, для различных номинальных мощностей от 10 до 18 000 Вт. Другие типы являются двухсторонними, как показано выше, с основаниями R7s-24, состоящими из керамики, а также с металлическими соединениями между внутренней частью дуговой трубки и внешней стороной. Они изготовлены из различных сплавов (таких как железо-кобальт-никель), коэффициент теплового расширения которых соответствует коэффициенту расширения дуговой трубки.

Балласты

Электронный балласт для металлогалогенных ламп мощностью 35 Вт

Электрическая дуга в металлогалогенных лампах, как и во всех газоразрядные лампы имеет отрицательное сопротивление свойство; это означает, что по мере увеличения тока через лампу Напряжение поперёк его 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 галогенидные лампы требуют электрические балласты для ограничения тока дуги. Есть два типа:

  1. Индуктивный балласт - Многие приборы используют индуктивный балласт, также известный как магнитный балласт, аналогичный тем, которые используются с флюоресцентные лампы. Он состоит из железного сердечника индуктор. Катушка индуктивности имеет сопротивление переменному току. Если ток через лампу увеличивается, индуктор снижает напряжение, чтобы ограничить ток.
  2. Электронный балласт - Они легче и компактнее. Они состоят из электронный генератор который генерирует ток высокой частоты для привода лампы. Поскольку они имеют меньшие резистивные потери, чем индуктивный балласт, они более энергоэффективны. Однако высокочастотный режим не увеличивает КПД лампы, как флюоресцентные лампы.

Металлогалогенные лампы с импульсным запуском не содержат пускового электрода, который зажигает дугу, и требуют зажигания для генерации высокого напряжения (1–5 кВ при холодном зажигании, более 30 кВ[8] при горячем повторном зажигании) импульс зажигания дуги. Электронные балласты включают в себя схему воспламенителя в одном корпусе. Американский национальный институт стандартов Стандарты системы балласта для ламп (ANSI) устанавливают параметры для всех металлогалогенных компонентов (за исключением некоторых более новых продуктов).

Цветовая температура

Линейный график относительной интенсивности в зависимости от длины волны
Выходной спектр типичной металлогалогенной лампы с пиками при 385 нм, 422 нм, 497 нм, 540 нм, 564 нм, 583 нм (самый высокий), 630 нм и 674 нм.

Из-за более белого и естественного света металлогалогенные лампы изначально предпочитались голубоватым ртутным лампам. С появлением специализированных металлогалогенных смесей металлогалогенные лампы теперь доступны с коррелированная цветовая температура от 3000 K до более 20 000 K. Цветовая температура может незначительно 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 лампа прожигала 100 часов (выдержка) в соответствии с ANSI стандарты. Более новая металлогалогенная технология, называемая «импульсным запуском», улучшила цветопередачу и более контролируемую дисперсию кельвина (от ± 100 до 200 кельвинов).

На цветовую температуру металлогалогенной лампы также могут влиять электрические характеристики электрической системы, питающей лампу, и производственные отклонения в самой лампе. Если у металлогалогенной лампы недостаточно мощности из-за более низкого Рабочая Температура, его световой поток будет голубоватым из-за испарения только ртути. Это явление можно увидеть во время прогрева, когда дуговая трубка еще не достигла полной рабочей температуры и галогениды полностью не испарились. Это также очень заметно при диммировании балластов. Обратное верно для лампы с избыточным током, но это состояние может быть опасным, что может привести к взрыву дуговой лампы из-за перегрева и избыточного давления.

Запуск и разминка

Короткая горизонтальная стеклянная трубка со скругленными концами, свет идет из центра, окружение относительно темное
Металлогалогенная лампа 400 Вт вскоре после включения

«Холодная» (ниже рабочей температуры) металлогалогенная лампа не может сразу начать выдавать свою полную световую мощность, потому что температура и давление во внутренней дуговой камере требуют времени для достижения полного рабочего уровня. Запуск начальной аргоновой дуги (или ксенона в автомобиле) иногда занимает несколько секунд, а период прогрева может достигать пяти минут (в зависимости от типа лампы). В это время лампа приобретает разные цвета, так как различные галогениды металлов испаряются в дуговой камере.

Если питание будет прервано, даже на короткое время, дуга лампы погаснет, а высокое давление, которое существует в трубке с горячей дугой, предотвратит повторное зажигание дуги; с обычным запальным устройством потребуется 5–10 минут для охлаждения перед повторным запуском лампы, но с помощью специальных запальных устройств и специально разработанных ламп дуга может быть немедленно восстановлена. В светильниках без возможности мгновенного повторного включения кратковременная потеря мощности может означать отсутствие света в течение нескольких минут. По соображениям безопасности многие металлогалогенные светильники имеют резервную вольфрамово-галогеновую лампу накаливания, которая работает во время охлаждения и повторного зажигания. Как только галогенид металла снова загорится и нагреется, лампа безопасности выключается. 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 комбинированным балластом и лампой; немедленное восстановление питания горячей лампы до ее повторного зажигания может увеличить время повторного зажигания из-за потребляемой мощности и нагрева балласта с пассивным охлаждением, который пытается повторно зажечь лампу.

Конец жизни поведение

Старая металлогалогенная лампа

В конце срока службы металлогалогенные лампы демонстрируют явление, известное как кататься на велосипеде. Эти лампы можно запускать при относительно низком напряжении, но по мере того, как они нагреваются во время работы, внутреннее давление газа в дуговой трубке повышается, и для поддержания рабочего состояния требуется все большее и большее напряжение. дуговая разрядка. По мере того как лампа стареет, поддерживающее напряжение дуги в конечном итоге повышается и превышает напряжение, обеспечиваемое лампой. электрический балласт. 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 снижается, и балласт снова вызывает зажигание дуги. Это заставляет лампу некоторое время светиться, а затем снова и снова гаснуть. В редких случаях лампа взрывается по истечении срока службы.[9]

Современные конструкции электронных балластов обнаруживают цикличность и перестают пытаться запустить лампу после нескольких циклов. Если питание отключено и подано повторно, балласт сделает новую серию попыток запуска.

Риск взрыва лампы

Все дуговые трубки HID теряют свою прочность в течение срока службы из-за различных факторов, таких как химическое воздействие, термическое напряжение и механическая вибрация. По мере старения лампы дуговая трубка обесцвечивается (часто приобретает темно-серый оттенок), поглощая свет и нагреваясь. Трубка будет становиться все слабее, пока в конечном итоге не выйдет из строя, что приведет к разрыву трубки.

Хотя такой отказ связан с окончанием срока службы, дуговая трубка может выйти из строя в любое время, даже если она новая, из-за невидимых производственных дефектов, таких как микроскопические трещины. Однако это бывает довольно редко. Производители обычно «приправляют» новые лампы для проверки на наличие таких дефектов, прежде чем лампы покинут помещение производителя.

Поскольку в металлогалогенной лампе содержатся газы под очень высоким давлением (до 50 фунтов на квадратный дюйм), выход из строя дуговой лампы неизбежно является серьезным событием. Фрагменты дуговой трубки запускаются с большой скоростью во всех направлениях, ударяя по внешней колбе лампы с силой, достаточной для ее разрушения. Если у прибора нет вторичной защиты (например, линзы, чаши или экрана), то очень горячие частицы мусора упадут на людей и имущество под источником света, что может привести к серьезным травмам, повреждению и, возможно, к повреждению крупного здания. пожар при наличии легковоспламеняющихся материалов.

Риск «непассивного отказа» (взрыва) дуговой трубки очень мал. Согласно информации, собранной Национальная ассоциация производителей электрооборудования, только в Северной Америке насчитывается около 40 миллионов металлогалогенных систем, и имели место лишь очень немногие случаи непассивных отказов. Хотя невозможно предсказать или исключить риск взрыва металлогалогенной лампы, существует несколько мер предосторожности, которые могут снизить риск:

  • Использование только хорошо продуманных ламп от известных производителей и исключение ламп неизвестного происхождения.
  • Осмотрите лампы перед установкой, чтобы убедиться в отсутствии каких-либо неисправностей, таких как трещины в трубке или внешней лампе.
  • Замена ламп до истечения срока их службы (т. Е. Когда они горели в течение количества часов, указанного производителем как номинальный срок службы лампы).
  • Для непрерывно работающих ламп с возможностью отключения на 15 минут каждые семь дней непрерывной работы.
  • Замена светильников группой. Точечная замена ламп не рекомендуется.

Также есть меры, которые могут быть приняты для резкого уменьшения ущерба, вызванного отказом лампы:

  • Убедитесь, что в светильнике есть кусок усиленного стекла или полимерного материала между лампой и освещаемой областью. Он может быть встроен в чашу или линзу приспособления.
  • Использование ламп с усиленным стеклянным экраном вокруг дуговой трубки для поглощения ударов летящих обломков дуговых трубок и предотвращения разрушения внешней колбы. Такие лампы безопасно использовать в «открытых» светильниках. Эти лампы имеют маркировку «O» на упаковке, отражающую стандарты Американского национального института стандартов (ANSI).

Лампы, для которых требуется закрытый светильник, имеют рейтинг «/ E». Лампы, для которых не требуется закрытый светильник, имеют рейтинг «/ O» (открытый). Гнезда для светильников с рейтингом «/ O» более глубокие. Лампочки с номиналом «/ E» расширяются в основании, не позволяя полностью вкрутить их в гнездо «/ O». Лампы «/ O» имеют узкое основание, что позволяет полностью вкрутить их. Лампы «/ O» также подходят для крепления «/ E».

Галерея

  • Низкий залив Светильник с использованием мощных металлогалогенных ламп, которые используются на фабриках и складах

  • А Philips MHN-TD 150W / 842 (150 Вт, 4200 K) линейная / трубчатая металлогалогенная лампа

  • Линейная / трубчатая металлогалогенная лампа Philips MHN-TD 150W / 842 загорелась на половинной мощности

  • Источник света с использованием металлогалогенной лампы широкого спектра, направленной вверх, в небо.

  • Металлогалогенный светильник на поле для софтбола

  • Металлогалогенная высоковольтная лампа 70 Ватт - винтовой крепеж (аквариум)

Коды балласта ANSI

Выходная мощностьКоды ANSI
20 ВтM175
39 ВтM130
50 ВтM110
70 ВтМ98, М139, М143
100 ВтM90, M140
150 ВтM102, M142
175 ВтM57, M137
200 ВтM136
250 ВтM58, M138, M153
320 ВтM132, M154
350 ВтM131, M171
400 ВтM59, M135, M155
450 ВтM144
750 ВтM149
1000 ВтM47, M141
1500 ВтM48

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c d е ж г час Хордески, Майкл Ф. (2005). Словарь технологий энергоэффективности. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ: CRC Press. С. 175–176. ISBN  978-0-8247-4810-4.
  2. ^ а б c d е Grondzik, Walter T .; Элисон Г. Квок; Бенджамин Штайн; Джон С. Рейнольдс (2009). Механическое и электрическое оборудование для зданий, 11-е изд.. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ: Джон Уайли и сыновья. С. 555–556. ISBN  978-0-470-57778-3.
  3. ^ а б Light Right: Пособие для практикующего инженера по энергоэффективному освещению. TERI Press. 2004. С. 19–20. ISBN  978-81-7993-044-1.
  4. ^ а б «Металлогалогенид». Венчурное освещение. Архивировано из оригинал на 2012-02-17. Получено 2012-12-14.
  5. ^ Флеш, Питер (2006). Источники света и света: газоразрядные лампы высокой интенсивности.. Springer. С. 45–46. ISBN  978-3-540-32684-7.
  6. ^ Патент США 4171498, Дитрих Фромм и др., "Электроразрядная лампа высокого давления, содержащая галогениды металлов", выпущенная 16 октября 1979 г. 
  7. ^ Патент США 3234421, Гилберт Х. Рейлинг, "Металлогалогенные электроразрядные лампы", выпущено 8 февраля 1966 г. 
  8. ^ «Минимизируйте время простоя системы HID-освещения». Электрическое строительство и обслуживание. Сентябрь 1998. Получено 20 сентября 2018. Системы мгновенного повторного зажигания и быстрого перезапуска исключают задержку перезапуска ламп MH после просадки или прерывания. В них используются балласты CWA со специальной проводкой и высоковольтные воспламенители, вырабатывающие высокое напряжение (от 8 кВ до 40 кВ) для перезапуска специальных ламп.
  9. ^ Газоразрядные лампы высокой интенсивности (НАСА) В архиве 2010-01-13 на Wayback Machine

дальнейшее чтение