Лампы высокого давления (HID): принцип работы и применение.

Введение

Тип электрической лампы/лампочки

Лампы высокого давления (HID-лампы) – это тип электрической газоразрядной лампы, производящей свет посредством электрической дуги между вольфрамовыми электродами, расположенными внутри полупрозрачной или прозрачной кварцевой или керамической дуговой трубки. Эта трубка заполнена инертным газом и часто также содержит подходящие металлы или соли металлов. Инертный газ обеспечивает первоначальное зажигание дуги. После запуска дуга нагревает и испаряет металлическую примесь. Ее присутствие в дуговой плазме значительно увеличивает интенсивность видимого света, производимого дугой при заданной потребляемой мощности, поскольку металлы имеют множество спектральных линий излучения в видимой части спектра. Лампы высокого давления являются разновидностью дуговых ламп. Новые лампы высокого давления производят больше видимого света на единицу потребляемой электроэнергии, чем люминесцентные и лампы накаливания, поскольку большая часть их излучения приходится на видимый свет, а не на инфракрасный. Однако световой поток ламп высокого давления может снижаться до 70% за 10 000 часов работы. Многие современные транспортные средства используют HID-лампы в основных системах освещения, хотя некоторые области применения сейчас переходят от HID-ламп к светодиодным и лазерным технологиям.

Радиоактивные вещества

Некоторые лампы HID используют радиоактивные вещества, такие как криптон-85 и торий. Эти изотопы помогают запускать лампы и улучшают их рабочие характеристики. Они применяются в зонах для активного отдыха, на дорогах, парковках и тротуарах. В последнее время HID-лампы стали использоваться в небольших торговых помещениях и даже в жилых домах благодаря разработке ламп с пониженным световым потоком. Ультравысокопроизводительные (UHP) лампы HID также применяются в LCD- или DLP-проекционных телевизорах и дисплеях. Лампы HID сделали практичным выращивание растений в помещении, особенно тех, которым в естественной среде обитания требуется высокий уровень прямого солнечного света; лампы HID, в частности металлогалогенные и натриевые высокого давления, являются распространенным источником света для внутренних садов. Они также используются для воссоздания интенсивного тропического солнечного света в домашних аквариумах. Большинство ламп HID производят значительное ультрафиолетовое излучение и требуют использования УФ-фильтров для предотвращения деградации компонентов светильника и выцветания окрашенных предметов, освещаемых лампой. Воздействие ламп HID, работающих с неисправными или отсутствующими УФ-фильтрами, может привести к повреждениям у людей и животных, таким как солнечные ожоги и электрическая дуга глаз. Многие лампы HID сконструированы так, чтобы быстро гаснуть при повреждении внешней стеклянной оболочки, защищающей от ультрафиолета. Начиная с начала 1990-х годов, HID-лампы стали применяться в автомобильных фарах. Ксеноновое или высокоинтенсивное газоразрядное (HID) освещение обеспечивает более яркие фары и повышает видимость периферических объектов (например, дорожных знаков и пешеходов), остающихся в тени при использовании стандартного галогенного освещения. HID-лампы используются в высокопроизводительных велосипедных фарах, а также в фонарях и других портативных источниках света, поскольку они производят большое количество света на единицу потребляемой энергии. Поскольку HID-лампы потребляют менее половины мощности эквивалентной вольфрамовой галогенной лампы, можно использовать значительно меньший и легкий блок питания. HID-лампы также широко используются на самолетах в качестве замены традиционных посадочных и рулежных огней. Они также применяются в лампах для подводного плавания. Более высокая эффективность ламп HID по сравнению с галогенными лампами обеспечивает более длительное время работы от одного размера батареи и при заданной светоотдаче.

Some HID lamps make use of radioactive substances such as krypton 85 and thorium. These isotopes help start the lamps and improve lamp operating characteristics. outdoor activity areas, roadways, parking lots, and pathways. More recently, HID lamps have been used in small retail and even residential environments because of advances in reduced lumen bulbs. Ultra high performance (UHP) HID lamps are used in LCD or DLP projection TV sets or projection displays as well. HID lamps have made indoor gardening practical, particularly for plants that require high levels of direct sunlight in their natural habitat; HID lamps, specifically metal halide and high pressure sodium, are a common light source for indoor gardens. They are also used to reproduce tropical intensity sunlight for indoor aquaria. Most HID lamps produce significant UV radiation and require UV blocking filters to prevent UV induced degradation of lamp fixture components and fading of dyed items illuminated by the lamp. Exposure to HID lamps operating with faulty or absent UV blocking filters causes injury to humans and animals, such as sunburn and arc eye. Many HID lamps are designed to quickly extinguish if their outer UV shielding glass envelope is broken. Beginning in the early 1990s, HID lamps have seen applications in automotive headlamps. Xenon, or high intensity discharge (HID), lighting provides brighter headlights and increases visibility of many peripheral objects (e. g. street signs and pedestrians) left in the shadows by standard halogen lighting. HID lamps are used in high performance bicycle headlamps, as well as flashlights and other portable lights, because they produce a great amount of light per unit of power. As the HID lights use less than half the power of an equivalent tungsten halogen light, a significantly smaller and lighter weight power supply can be used. HID lamps have also become common on many aircraft as replacements for traditional landing and taxi lights. HID lamps are also used in lamps for underwater diving. The higher efficacy of HID lamps compared to halogen units means longer burn times for a given battery size and light output.

Цветовая температура

Лампы HID доступны в различных цветах (обычно называемых цветовыми температурами) и измеряются в Кельвинах (K). Шкала цветовой температуры Кельвина варьируется от 1000K (янтарный) до 3000K (желтый) до 5500K (белый) до 8000K (синий) до 12000K (фиолетовый). Лампы HID производят различные цвета света главным образом благодаря использованию различных металлических добавок в дуговой трубке лампы и физике процесса газового разряда. Металлические добавки: лампы HID содержат дуговую трубку, заполненную смесью газов, включая инертный газ (например, ксенон). Эти металлические добавки имеют решающее значение для получения различных цветов света. Различные металлы излучают свет на определенных длинах волн при возбуждении, и эта характеристика определяет цветовую отдачу лампы. Процесс газового разряда: Работа лампы заключается в создании электрической дуги между электродами внутри дуговой трубки. Эта дуга генерирует интенсивное тепло и возбуждает газы и металлические добавки внутри трубки. Когда возбужденные атомы возвращаются в основное состояние, они высвобождают энергию в виде света. Спектральное излучение: Конкретный спектр излучаемого света зависит от энергетических уровней возбужденных атомов и свойств металлических добавок. Каждый металл излучает свет на определенных длинах волн, что приводит к появлению определенных цветов. Фосфорное покрытие: Некоторые лампы HID, такие как ртутные лампы, также используют фосфорное покрытие на внутренней поверхности дуговой трубки. Эти люминофоры поглощают ультрафиолетовый (УФ) свет, излучаемый возбужденными атомами газа, а затем переизлучают видимый свет. Комбинация УФ-света и излучаемого видимого света создает более широкий спектр цветов. Индекс цветопередачи (CRI): Лампы HID не всегда отличаются превосходными характеристиками цветопередачи. Цветопередача относится к тому, насколько точно источник света воспроизводит истинные цвета объектов по сравнению с естественным солнечным светом. Различные лампы HID имеют разные значения CRI, при этом некоторые обеспечивают лучшую цветопередачу, чем другие. Выбор металлических добавок и их концентраций позволяет производителям ламп создавать лампы HID с различными цветовыми температурами и спектральными характеристиками для удовлетворения различных потребностей в освещении. Большинство ламп HID производятся в диапазоне цветовой температуры от 5000K до 6000K, что близко к естественному дневному свету. Это полезно для применений, требующих высокой яркости, таких как спортивные стадионы, склады, проекционные телевизоры и садовые светильники. Однако для определенных применений, таких как автомобильные фары, лампы HID производятся практически во всех цветах, от желтого и белого до синего и фиолетового.

HID lamps are available in a variety of colors (commonly referred to as color temperatures) and measured in Kelvins (K). The Kelvin color temperature scale ranges from 1000K (amber) to 3000K (yellow) to 5500K (white) to 8000K (blue) to 12000K (purple). HID lamps produce different colors of light primarily through the use of various metal additives in the lamp's arc tube and the physics of the gas discharge process. Metal Additives: HID lamps contain an arc tube filled with a mixture of gases, including a noble gas (like xenon). These metal additives are crucial for producing different colors of light. Different metals emit light at specific wavelengths when energized, and this characteristic determines the lamp's color output. Gas Discharge Process: The lamp's operation involves creating an electric arc across the electrodes within the arc tube. This arc generates intense heat and excites the gases and metal additives within the tube. As the excited atoms return to their ground state, they release energy in the form of light. Spectrum Emission: The specific spectrum of light emitted depends on the energy levels of the excited atoms and the properties of the metal additives. Each metal emits light at certain wavelengths, resulting in specific colors
Phosphor Coating: Some HID lamps, like Mercury Vapor lamps, also utilize phosphor coatings on the inner surface of the arc tube. These phosphors absorb the ultraviolet (UV) light emitted by the excited gas atoms and then re emit visible light. The combination of UV light and the emitted visible light creates a broader spectrum of colors. Color Rendering Index (CRI): HID lamps are not always known for their excellent color rendering properties. Color rendering refers to how accurately the light source displays the true colors of objects compared to natural sunlight. Different HID lamps have varying CRI values, with some providing better color rendering than others. The choice of metal additives and their concentrations enables lamp manufacturers to create HID lamps with distinct color temperatures and spectral characteristics to meet different lighting needs. The majority of HID lamps are produced in the color temperature range of 5000K to 6000K, which is similar to natural daylight. This is useful for applications requiring high levels of luminosity such as sport stadiums, warehouses, projection TVs, and gardening lights. However, for certain applications such as automotive headlamps, HID lamps are produced in nearly every color from yellow and white to blue and purple.

Конец жизни

Факторы износа в основном обусловлены циклами включения/выключения, а не общим временем работы. Наибольший износ происходит, когда HID-горелка зажигается, пока она еще горячая, и до того, как металлические соли перекристаллизуются. В конце срока службы многие типы ламп высокой интенсивности демонстрируют явление, известное как циклирование. Эти лампы могут запускаться при относительно низком напряжении. Однако, по мере нагрева в процессе работы, внутреннее давление газа в дуговой трубке повышается, и для поддержания дугового разряда требуется более высокое напряжение. С возрастом лампы напряжение, необходимое для поддержания дуги, в конечном итоге возрастает и превышает напряжение, обеспечиваемое электронным балластом. Когда лампа нагревается до этой точки, дуга гаснет, и лампа выключается. В конечном итоге, после погасания дуги, лампа остывает, давление газа в дуговой трубке снижается, и балласт снова может вызвать возникновение дуги. В результате лампа загорается на некоторое время, а затем снова гаснет, повторяя этот цикл. Более совершенные конструкции балластов обнаруживают циклирование и прекращают попытки запуска лампы после нескольких циклов. Если отключить и снова включить питание, балласт предпримет новую серию попыток запуска. Другим явлением, связанным с износом и старением HID-ламп, является изменение цвета излучаемого светового потока ("выцветание"). Обычно наблюдается сдвиг в сторону синего и/или фиолетового. Этот сдвиг сначала незначителен и, как правило, является признаком "обкатки" лампы, при этом она все еще находится в хорошем рабочем состоянии, но к концу срока службы HID-лампа часто воспринимается как излучающая только синий и фиолетовый свет. Согласно закону Планка, это прямое следствие повышенного напряжения и более высокой температуры, необходимых для поддержания дуги. Иногда кварцевая трубка, содержащая ртуть, может взорваться в UHP-лампе. В этом случае в атмосферу может быть выброшено до 50 мг ртутного пара. Это количество ртути потенциально токсично, но основная опасность от разбитых ламп – порезы стеклом, и случайное воздействие разбитых ламп, как правило, не оказывает негативного эффекта. Philips рекомендует использовать пылесос для ртути, вентиляцию или средства защиты органов дыхания, защиту глаз и защитную одежду при работе с разбитыми лампами. Ртутные лампы всегда требуют специализированной утилизации или переработки, что юридически обязательно во многих регионах в зависимости от юрисдикции.

Factors of wear come mostly from on/off cycles versus the total on time. The highest wear occurs when the HID burner is ignited while still hot and before the metallic salts have recrystallized. At the end of life, many types of high intensity discharge lamps exhibit a phenomenon known as cycling. These lamps can be started at a relatively low voltage. As they heat up during operation, however, the internal gas pressure within the arc tube rises and a higher voltage is required to maintain the arc discharge. As a lamp gets older, the voltage necessary to maintain the arc eventually rises to exceed the voltage provided by the electrical ballast. As the lamp heats to this point, the arc fails and the lamp goes out. Eventually, with the arc extinguished, the lamp cools down again, the gas pressure in the arc tube is reduced, and the ballast can once again cause the arc to strike. The effect of this is that the lamp glows for a while and then goes out, repeatedly. More sophisticated ballast designs detect cycling and give up attempting to start the lamp after a few cycles. If power is removed and reapplied, the ballast will make a new series of startup attempts. Another phenomenon associated with HID lamp wear and aging is discoloration of the emitted light beam ("fading"). Commonly, a shift towards blue and/or violet can be observed. This shift is slight at first and is more generally a sign of the lamps being "broken in" whilst still being in good overall working order, but towards the end of its life, the HID lamp is often perceived as only producing blue and violet light. Based on Planck's law, this is a direct result of the increased voltage and higher temperature necessary to maintain the arc. Sometimes the quartz tube containing mercury can explode in a UHP lamp. When that happens, up to 50 mg of mercury vapor is released into the atmosphere. This quantity of mercury is potentially toxic, but the main hazard from broken lamps is glass cuts, and occasional exposure to broken lamps is not expected to have adverse effects. Philips recommends the use of a mercury vacuum cleaner, ventilation or respiratory protection, eye protection, and protective clothing when dealing with broken lamps. Mercury lamps always require specialised disposal or recycling, which is legally mandatory in many locations depending on jurisdiction.