Введение
Галогенная лампа (также называемая вольфрамово-галогенной, кварцево-галогенной и кварцево-йодной лампой) — это разновидность лампы накаливания, состоящая из вольфрамовой нити, герметично заключенной в компактный прозрачный баллон, заполненный смесью инертного газа и небольшого количества галогена, такого как йод или бром. Сочетание галогенового газа и вольфрамовой нити запускает химическую реакцию галогенного цикла, которая возвращает испарившийся вольфрам обратно на нить, увеличивая срок ее службы и поддерживая прозрачность баллона. Это позволяет нити работать при более высокой температуре, чем у стандартной лампы накаливания аналогичной мощности и срока службы, что также обеспечивает более высокую световую отдачу и цветовую температуру. Небольшой размер галогенных ламп позволяет использовать их в компактных оптических системах для проекторов и освещения. Маленький стеклянный баллон может быть помещен во внешний, значительно больший стеклянный корпус, который имеет более низкую температуру, защищает внутренний баллон от загрязнений и делает лампу механически более похожей на традиционную лампу. Стандартные и галогенные лампы накаливания значительно менее эффективны, чем светодиодные и компактные люминесцентные лампы, и поэтому во многих странах они были или будут постепенно выведены из использования.
A halogen lamp (also called tungsten halogen, quartz halogen, and quartz iodine lamp) is an incandescent lamp consisting of a tungsten filament sealed in a compact transparent envelope that is filled with a mixture of an inert gas and a small amount of a halogen, such as iodine or bromine. The combination of the halogen gas and the tungsten filament produces a halogen cycle chemical reaction, which redeposits evaporated tungsten on the filament, increasing its life and maintaining the clarity of the envelope. This allows the filament to operate at a higher temperature than a standard incandescent lamp of similar power and operating life; this also produces light with higher luminous efficacy and color temperature. The small size of halogen lamps permits their use in compact optical systems for projectors and illumination. The small glass envelope may be enclosed in a much larger outer glass bulb, which has a lower temperature, protects the inner bulb from contamination, and makes the bulb mechanically more similar to a conventional lamp. Standard and halogen incandescent bulbs are much less efficient than LED and compact fluorescent lamps, and therefore have been or are being phased out in many places.
История
В 1882 году была запатентована лампа с угольной нитью, в которой использовался хлор для предотвращения потемнения колбы, а в 1892 году на рынок поступили хлор-наполненные лампы "NoVak". В патенте 1933 года было предложено использование йода, а также описан циклический процесс возвращения вольфрама на нить накала. В 1959 году компания General Electric запатентовала
Поэтапное прекращение
В 2009 году ЕС и другие европейские страны начали поэтапный отказ от неэффективных ламп накаливания. Производство и импорт галогенных ламп с направленным светом, работающих от сети, был запрещен 1 сентября 2016 года, а затем, 1 сентября 2018 года, последовали запреты на не направленные галогенные лампы. Австралия запретила некоторые галогенные лампы мощностью более 10 Вт с сентября 2021 года, отдав предпочтение энергосберегающим галогенным лампам, позже запланированной даты сентября 2020 года, чтобы согласовать политику с Европейским союзом. В июне 2021 года правительство Великобритании также объявило о планах прекратить продажу галогенных ламп с сентября, в рамках более масштабных усилий Великобритании по борьбе с изменением климата.
Галогенный цикл
В обычных лампах накаливания испаряющийся вольфрам в основном оседает на внутренней поверхности колбы, вызывая её почернение и постепенное истончение нити накала, пока она не перегорит. Однако присутствие галогена запускает обратимый химический цикл с этим испарившимся вольфрамом. Галогенный цикл поддерживает чистоту колбы и обеспечивает почти постоянную светоотдачу на протяжении всего срока службы лампы. При умеренных температурах галоген реагирует с испаряющимся вольфрамом, образующийся галогенид перемещается в инертном газе-наполнителе. В какой-то момент он достигает более горячих областей внутри лампы, где диссоциирует, высвобождая вольфрам обратно на нить и освобождая галоген для повторения процесса. Однако для успешного протекания этой реакции общая температура колбы должна быть значительно выше, чем в обычных лампах накаливания: только при температуре выше 250 °C на внутренней стороне стеклянной колбы пары галогена могут соединяться с вольфрамом и возвращать его на нить, а не допускать его осаждения на стекле. 300-ваттная трубчатая галогенная лампа, работающая на полной мощности, быстро достигает температуры около 540 °C (1004 °F), в то время как 500-ваттная обычная лампа накаливания работает при температуре всего 180 °C (356 °F), а 75-ваттная обычная лампа накаливания – при 130 °C (266 °F). Колба должна быть изготовлена из кварцевого стекла (кремнезема) или стекла с высокой температурой плавления (например, алюмосиликатного стекла). Поскольку кварц очень прочен, можно использовать более высокое давление газа, что снижает скорость испарения нити, позволяя ей работать при более высокой температуре (и, следовательно, с большей световой эффективностью) при том же среднем сроке службы. Вольфрам, высвобождаемый в более горячих областях, обычно не оседает обратно в исходное место, поэтому более горячие участки нити со временем истончаются и выходят из строя. Кварцевые йодовые лампы, использующие элементарный йод, были первыми коммерческими галогенными лампами, выпущенными компанией GE в 1959 году. Вскоре было обнаружено, что бром имеет преимущества, но его не использовали в элементарной форме. Определенные соединения брома с углеводородами давали хорошие результаты. Регенерация нити также возможна с использованием фтора, но его высокая химическая активность приводит к разрушению других частей лампы. Галоген обычно смешивают с благородным газом, часто криптоном или ксеноном. Первые лампы использовали только вольфрам для поддержки нити, но в некоторых конструкциях применяется молибден – например, молибденовый экран в двухнитевой фаре H4 для европейской асимметричной ближней фары. При фиксированной мощности и сроке службы световая эффективность всех ламп накаливания максимальна при определенном рабочем напряжении. Галогенные лампы, рассчитанные на работу от 12 до 24 вольт, имеют хорошую световую отдачу, а очень компактные нити особенно полезны для оптического контроля (см. рисунок). Серия многогранных отражателей "MR" мощностью 20–50 Вт изначально разрабатывалась для проекции 8-мм киноплёнки, но теперь широко используется для освещения экспонатов и в быту. В последнее время появились версии с более широким углом рассеивания, предназначенные для непосредственного подключения к сетевому напряжению 120 или 230 В.
of multifaceted reflector "MR" lamps of 20–50 watts were originally conceived for the projection of 8 mm film, but are now widely used for display lighting and in the home. More recently, wider beam versions have become available designed for direct use on supply voltages of 120 or 230 V.
Влияние напряжения на производительность
Вольфрамовые галогенные лампы ведут себя аналогично другим лампам накаливания при работе с другим напряжением. Однако световой поток пропорционален , а световая отдача пропорциональна . Обычная зависимость срока службы заключается в том, что он пропорционален . Например, лампа, работающая на 5% выше номинального напряжения, будет производить примерно на 15% больше света, а световая отдача увеличится примерно на 6,5%, но ожидаемый срок службы составит лишь половину номинального. Галогенные лампы изготавливаются с достаточным количеством галогена для компенсации скорости испарения вольфрама при номинальном напряжении. Увеличение приложенного напряжения повышает скорость испарения, поэтому в определенный момент галогена может оказаться недостаточно, и лампа почернеет. Эксплуатация при повышенном напряжении обычно не рекомендуется. При пониженном напряжении испарение снижается, и может быть избыток галогена, что может привести к ненормальному выходу из строя. При значительно более низких напряжениях температура лампы может быть слишком низкой для поддержания галогенного цикла, но к этому времени скорость испарения будет слишком низкой, чтобы лампа значительно почернела. Если лампы почернели, рекомендуется включить их на номинальное напряжение для перезапуска цикла. Существует множество ситуаций, когда галогенные лампы успешно диммируются. Однако срок службы лампы может быть увеличен не так значительно, как ожидалось. Срок службы при диммировании зависит от конструкции лампы, используемой галогеновой добавки и от того, предусмотрено ли диммирование для данного типа ламп.
Спектр
Как и все лампы накаливания, галогенная лампа производит непрерывный спектр света, от ближнего ультрафиолета до глубокого инфракрасного диапазона. Поскольку нить накаливания может работать при более высокой температуре, чем в не галогенной лампе, спектр смещается в сторону синего, что создает свет с более высокой эффективной цветовой температурой и большей энергоэффективностью. Нити накаливания высокой температуры излучают некоторую энергию в ультрафиолетовом диапазоне. Небольшое количество других элементов может быть добавлено в кварц, чтобы легированный кварц (или селективное оптическое покрытие) блокировал вредное ультрафиолетовое излучение. Прочное стекло блокирует ультрафиолет и широко используется в лампах автомобильных фар. В качестве альтернативы, галогенная лампа может быть установлена внутри внешней колбы, аналогичной обычной лампе накаливания, что также снижает риски, связанные с высокой температурой лампы. Нелегированные кварцевые галогенные лампы используются в некоторых научных, медицинских и стоматологических приборах в качестве источника УФ-В излучения.
Безопасность
Галогенные лампы должны работать при значительно более высоких температурах, чем обычные лампы накаливания, для обеспечения правильной работы. Их небольшой размер способствует концентрации тепла на меньшей площади колбы, ближе к нити накала, чем у не галогенных ламп накаливания. Из-за очень высоких температур галогенные лампы могут представлять опасность возникновения пожара и ожогов. В Австралии ежегодно большое количество пожаров в жилых домах связано с потолочными галогенными светильниками. Департамент пожарной охраны и аварийно-спасательных служб Западной Австралии рекомендует домовладельцам рассмотреть возможность использования более холодных компактных люминесцентных или светодиодных ламп. Торшеры с галогенными лампами запрещены в некоторых местах, например, в общежитиях, из-за большого количества вызванных ими пожаров. Комиссия по безопасности потребительских товаров США признала их ответственными за 100 пожаров и 10 смертельных случаев в период с 1992 по 1997 год. Галогенные лампы работают при высоких температурах, а большая высота светильников может приближать их к легковоспламеняющимся материалам, таким как шторы. Некоторые нормы безопасности требуют защиты галогенных ламп решеткой или защитной сеткой, особенно для ламп высокой мощности (1–2 кВт), используемых в театрах, или стеклянным и металлическим корпусом светильника, чтобы предотвратить воспламенение штор или других легковоспламеняющихся предметов, находящихся в контакте с лампой. Для снижения случайного воздействия ультрафиолетового (УФ) излучения и удержания осколков разбитой лампы в случае взрыва, лампы общего назначения обычно оснащаются УФ-фильтром из поглощающего стекло, расположенным над или вокруг лампы. В качестве альтернативы, лампы могут быть легированы или покрыты для фильтрации УФ-излучения. При достаточной фильтрации галогенная лампа подвергает пользователей меньшему воздействию УФ-излучения, чем стандартная лампа накаливания, обеспечивающая тот же уровень освещенности без фильтрации. Любое загрязнение поверхности, особенно жир с человеческих пальцев, может повредить кварцевую колбу при нагревании. Загрязнители, поглощая больше света и тепла, чем стекло, создают локальное перегретое пятно на поверхности лампы при включении. Это экстремальное, локализованное тепло приводит к изменению кварца из стекловидной формы в более слабую, кристаллическую форму, из которой выделяется газ. Это ослабление также может привести к образованию пузыря, что ослабляет колбу и может привести к ее взрыву. Небольшая стеклянная колба может быть помещена в гораздо большую внешнюю стеклянную оболочку, что дает несколько преимуществ, если не требуется малый размер: обозначение MR означает "многогранный отражатель", а число, следующее за ним, по-прежнему соответствует восьмым долям дюйма в диаметре всей лампы. Если у лампы есть код "G", это означает, что лампа имеет двухштырьковую форму, а число, следующее за G, указывает расстояние в миллиметрах между штырьками, обычно 4, 6,35 или 10; если за G следует буква "Y", то штырьки лампы толще, чем обычно – таким образом, G6,35 имеет штырьки диаметром 1 мм, а GY6,35 – штырьки диаметром 1,3 мм. Если есть код "C", он обозначает количество витков в нити накала. Длина (иногда также называемая "высотой") любой двусторонней цилиндрической лампы должна быть указана отдельно от кода ее формы, обычно в миллиметрах, как и напряжение и мощность лампы – например, T3 120 В 150 Вт 118 мм означает двустороннюю лампу в форме трубки диаметром, работающую от напряжения 120 В, мощностью 150 Вт и длиной 118 мм. R7S – это двусторонний линейный галогенный светильник с одним контактом (RSC), обычно длиной 118 мм или 78 мм. Существуют также менее распространенные длины: 189 мм, 254 мм и 331 мм. Эти лампы имеют форму Т3 на цоколе RSC/R7S. Они также известны как лампы типа J и T.
Приложения
Галогенные фары используются во многих автомобилях. Галогенные прожекторы для систем наружного освещения, а также для судов, используются в коммерческих и рекреационных целях. Сейчас их также применяют в настольных лампах. Вольфрамо-галогенные лампы часто используются в качестве источника ближнего инфракрасного излучения в инфракрасной спектроскопии. Галогенные лампы использовались на шаре на Таймс-сквер с 1999 по 2006 год. Однако, начиная с 2007 года, галогенные лампы были заменены светодиодами из-за значительно более длительного срока службы – примерно в десять раз больше, чем у ламп накаливания. Цифры Нового года, которые загораются, когда шар Таймс-сквер опускается к основанию, использовали галогенное освещение в последний раз во время спуска шара в 2009 году.
Нагрев
Галогенные лампы являются нагревательными элементами в галогенных печах, инфракрасных обогревателях и керамических варочных панелях. Массивы галогенных ламп малой мощности широко используются содержателями варанов. Две или три небольшие галогенные лампы могут обеспечить все необходимое тепло в террариуме, и животные распознают их как источники тепла, что предотвращает попытки любопытных особей к ним прикоснуться. Толстые стеклянные колбы галогенных ламп безопасны для использования внутри террариумов с высокой влажностью для рептилий. Для имитации теплового воздействия при возвращении космических аппаратов в атмосферу использовались батареи мощных трубчатых галогенных ламп.
Общее освещение
Фиксированные светильники используются для внутреннего и наружного освещения, хотя усовершенствования в светодиодных системах вытесняют галогенные лампы. Круглые прожекторы со встроенными многогранным отражателем широко применяются в жилых и коммерческих помещениях. Трубчатые галогенные лампы обеспечивают интенсивный свет от небольшого источника и поэтому могут использоваться для создания мощных прожекторов для архитектурной подсветки или освещения больших открытых площадей. Лампы низкого напряжения используют цоколи GU5.3 и аналогичные двухштырьковые, а лампы сетевого напряжения – те же цоколи, что и обычные вольфрамовые лампы сетевого напряжения, или специальный цоколь GU10/GZ10. Цоколи GU10/GZ10 имеют форму, предотвращающую использование дихроичных отражателей в светильниках, предназначенных для алюминированных отражателей, что может привести к перегреву светильника. Более эффективные светодиодные версии всех этих ламп теперь доступны. Трубчатые лампы с электрическими контактами на обоих концах сейчас используются в автономных светильниках и бытовых приборах. Они выпускаются различной длины и мощности (50–300 Вт). Более мощные лампы используются в качестве переносных рабочих светильников с лампами мощностью 250 или 500 Вт.
Сценальное освещение
Вольфрамовые галогенные лампы используются в большинстве театральных и студийных (кино- и теле) приборов освещения, включая эллипсоидальные отражатели, Source Four и фреснельские прожекторы. PAR-прожекторы также преимущественно используют вольфрамовые галогенные лампы.
Специализированные
Проекционные лампы применяются в кино- и слайд-проекторах для домашнего использования, а также в небольших офисах или школах. Компактный размер галогенной лампы позволяет создавать проекторы удобного для переноски размера, хотя между лампой и пленкой необходимо устанавливать теплопоглощающие фильтры для предотвращения её расплавления. Галогенные лампы также иногда используются в осветительных приборах для контроля качества и в качестве источников света для предметного стола микроскопа. Ранее галогенные лампы применялись для подсветки жидкокристаллических дисплеев с плоским экраном, но в настоящее время для этих целей используются другие типы ламп, такие как CCFL и LED.
Удаление
Галогенные лампы не содержат ртуть. Компания General Electric заявляет, что их кварц-галогенные лампы не подлежат классификации как опасные отходы.