Введение
Гидрагироид средней дуги йодида (HMI) – это торговая марка компании Osram для газоразрядных ламп с металлогалогенидами средней длины дуги, разработанных специально для кино- и развлекательных целей. Название "Гидрагирум" происходит от греческого названия элемента ртути. Лампа HMI использует пары ртути, смешанные с металлогалогенидами, заключенные в кварцевую колбу с двумя вольфрамовыми электродами средней длины дуги. В отличие от традиционных осветительных приборов, использующих лампы накаливания, лампы HMI требуют использования электронных балластов, которые отделены от лампы соединительным кабелем, для ограничения тока и обеспечения необходимого напряжения. Лампа работает за счет создания электрической дуги между двумя электродами внутри колбы, которая возбуждает находящиеся под давлением пары ртути и металлогалогениды, обеспечивая очень высокую светоотдачу с большей эффективностью, чем у ламп накаливания. Преимущество в эффективности составляет примерно в четыре раза, около 85–108 люмен на ватт электроэнергии. В отличие от обычных галогенных ламп, где галогеновый газ используется для восстановления нити накаливания и предотвращения потемнения стекла испаряющимся вольфрамом, в лампах HMI свет излучают именно пары ртути и металлогалогениды. Высокий индекс цветопередачи (CRI) и цветовая температура обусловлены специфическим химическим составом лампы.
История
В конце 1960-х годов немецкие телепродюсеры обратились к компании OSRAM, производителю ламп, с просьбой разработать более безопасную и чистую замену угольным лампам, используемым в киноиндустрии. По их заказу Osram разработала и начала производство ламп HMI. Компания Philips создала вариант HMI – одностороннюю версию под названием MSR (medium source rare earth – источник средней мощности на редкоземельных элементах). Она использует стандартный двухштырьковый цоколь. Для предотвращения изменения цветовой температуры в процессе работы вокруг газоразрядной трубки был добавлен дополнительный стеклянный баллон. Существуют и другие модификации ламп, такие как GEMI (General Electric metal iodide – металлогалогенные лампы General Electric), CID (compact iodide daylight – компактные йодидные лампы дневного света; Thorn EMI, Великобритания, с 1990 года GE), CSI (compact source iodine – компактный источник йода; Thorn EMI, Великобритания), DAYMAX (производства ILC) и BRITE ARC (Sylvania Lighting Inc. (SLI)). Все они представляют собой вариации и различные названия, обозначающие по сути одну и ту же концепцию. Значительные усилия были направлены на уменьшение размеров ламп HMI в связи с их использованием в подвижных осветительных приборах, таких как те, что производятся компаниями Vari Lite, Martin, Robe и Highend. Основным вкладом Philips после этого стало изобретение фосфорного покрытия на месте сварки вольфрамовой нити с молибденовой фольгой, которое снижает окисление и преждевременный выход из строя в этой точке, позволяя этой области выдерживать экстремальные температуры. Многокиловаттные лампы HMI используются в киноиндустрии и для проекции слайдов на большие экраны благодаря сбалансированному дневному спектру и высокой эффективности.
Фликер и цветовая температура
Как и люминесцентные лампы, HMI-прожекторы создают проблемы с цветовой температурой при использовании для кино- и видеосъемки. В отличие от ламп накаливания, которые являются излучателями черного тела с теоретическим максимумом 3680 K (точка плавления вольфрама), HMI-лампы, как и все газоразрядные источники света, излучают спектральные линии эмиссии составляющих их элементов, специально подобранные таким образом, чтобы в совокупности они напоминали спектр черного тела источника в 6000 K. Это близко соответствует цвету солнечного света (но не рассеянного дневного света), поскольку поверхность Солнца является излучателем черного тела при 6000 K. У HMI-ламп цветовая температура значительно меняется в зависимости от срока службы. Новая лампа обычно излучает свет с цветовой температурой около 15 000 K в течение первых нескольких часов работы. По мере старения лампы цветовая температура достигает номинального значения примерно 5600 K или 6000 K. С увеличением срока службы длина дуги становится больше, так как электроды постепенно выгорают. Для поддержания дуги требуется более высокое напряжение, и с ростом напряжения цветовая температура пропорционально снижается примерно на 0,5–1 кельвин за каждый час работы. По этой причине, а также из соображений безопасности, не рекомендуется использовать HMI-лампы после истечения половины их расчетного срока службы. HMI-лампы (как и все дуговые лампы) нуждаются в устройстве для ограничения тока. Два способа реализации этого описаны в разделе о балластах ниже. Проблема мерцания возникает только при использовании лампы в сочетании с магнитным балластом (электронные балласты обеспечивают свет без мерцания). HMI-лампы (работающие с магнитным балластом) имеют присущую им проблему возможного появления мерцающего света на пленке или видео. Это связано со способом, которым устройство производит свет. HMI-прожектор, как и лампа накаливания, работает от сети переменного тока, что означает, что лампа включается и выключается 100 или 120 раз в секунду (дважды за каждый цикл сетевого напряжения). Хотя это не заметно человеческому глазу, пленка или видеокамера должны быть правильно синхронизированы с этим циклом, иначе каждый записанный кадр будет иметь разную яркость. Лампы накаливания также работают от сети переменного тока, но не демонстрируют заметного мерцания, поскольку их нити накала недостаточно остывают между циклами, чтобы существенно снизить их светоотдачу. Для HMI-ламп мерцание можно избежать, используя электронные балласты, которые работают на частотах в тысячи раз превышающих частоту сети.
Балластная работа
Для питания лампы HMI специальные балласты выступают в роли зажигателя для запуска дуги, а затем регулируют ее, выполняя функцию дросселя. Существуют два типа балластов: магнитные и электронные (квадратной волны или без мерцания). Магнитные балласты, как правило, значительно тяжелее и крупнее электронных, поскольку состоят преимущественно из сети больших индукторов. Они обычно дешевле электронных балластов. Поскольку магнитный балласт не поддерживает непрерывный разряд, лампа фактически гаснет в моменты пересечения синусоиды сетевого напряжения; если камера не синхронизирована с сетевой частотой, разница частот между лампой и затвором создаст биение, видимое на записи. Именно поэтому телевизионные стандарты обычно используют частоту электросети в качестве базовой частоты кадров. Магнитные балласты – это простые устройства по сравнению с электронными. По сути, магнитный балласт представляет собой большую, тяжелую трансформаторную катушку, использующую простой принцип для генерации высокого стартового напряжения, необходимого для создания дуги в холодной лампе. Входная мощность направляется на дроссельную катушку, подключенную между основным входом и лампой. Катушка может иметь несколько отводов для обеспечения различных входных напряжений (120 В или 240 В) и высокого пускового напряжения. Конденсаторы также используются для компенсации индуктивности катушки и улучшения коэффициента мощности. Из-за большого тока, протекающего через балласт, часто слышен тихий гул, вызванный магнитострикцией ламинатов сердечника. Некоторые магнитные балласты имеют изоляцию вокруг катушки для бесшумной работы. С начала 1990-х годов электронные балласты без мерцания (или квадратной волны) стали все более популярными и доступными как альтернатива магнитным балластам, устраняя большинство проблем, связанных с мерцанием HMI. Их принцип работы сложнее, чем у магнитного балласта. Электронные балласты можно рассматривать как работающие в три этапа: преобразователь постоянного тока, модуль питания и инвертор переменного тока. Питание первоначально поступает через автоматические выключатели в RF-сетевой фильтр, который предотвращает попадание помех обратно в сеть. Затем выпрямители и конденсаторы заряжаются и разряжаются, инвертируя отрицательную полуволну переменного тока и преобразуя ее в положительное постоянное напряжение. Это называется промежуточным звеном постоянного тока. На втором этапе понижающий преобразователь (buck converter) отбирает энергию из промежуточного звена постоянного тока и регулирует ток, поступающий в конечную силовую электронику через электронную плату управления. Эта плата управления тщательно регулирует скважность (duty cycle) транзисторов высокой частоты для поддержания оптимального цвета и светоотдачи по мере старения лампы. Наконец, регулируемый ток инвертируется LF-преобразователем, использующим четыре изолированных биполярных транзистора (IGBT) для переключения постоянного тока на частоте ровно 60 Гц в квадратную волну переменного тока (в отличие от синусоидальной формы сетевого переменного тока). Лидерами в этой области являются Power Gems Corp, B&S и Mytronic. Использование выходного сигнала квадратной волны, не привязанного к частоте сетевого цикла, позволяет получить выход без мерцания. Поскольку IGBT включаются и выключаются с регулируемой частотой, генератор может быть немного рассогласован по скорости, и лампа все равно не будет мерцать, что невозможно при использовании стандартного магнитного балласта. Квадратная форма выходного сигнала приводит к линейному графику мощности лампы. Время, в течение которого катоды не излучают электроны достаточной энергии, очень мало, что означает, что безопасная (без мерцания) съемка может проводиться при частоте кадров камеры до 10 000 кадров/с на большинстве электронных балластов. Это очень быстрое включение и выключение, присущее квадратной форме сигнала, вызывает чрезвычайно высокочастотные вибрации в лампе. Квадратную волну можно рассматривать как бесконечную сумму нечетных гармоник, которые будут включать частоты, соответствующие резонансной частоте лампы, заставляя ее вибрировать на этой частоте, как колокол или свисток. Корпус лампы только усиливает этот эффект, действуя как резонансная камера, которая усиливает шум и создает проблему для синхронной звукозаписи в кино и видео. Для устранения этой проблемы большинство электронных балластов оснащены бесшумным режимом, который подавляет более высокие частоты, но сглаживает переход напряжения, вызывая ту же проблему мерцания, что и у магнитных балластов, хотя и в меньшей степени. Этот режим обеспечивает безопасную съемку без мерцания при частоте кадров до 24 кадров/с на большинстве электронных балластов. Помимо решения проблем мерцания, электронные балласты также обеспечивают другие преимущества по сравнению с магнитными балластами. При использовании напряжения квадратной волны катоды проводят гораздо больше времени, излучая электроны и возбуждая плазму, что приводит к увеличению светоотдачи на 5–10%. Квадратная форма потока мощности позволяет продлить срок службы лампы на целых 20%. Большинство современных балластов также оснащены диммером, который использует широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) для регулировки яркости лампы до 50% или даже на одну ступень. В отличие от лампы накаливания, которая при снижении мощности имеет отрицательный сдвиг цветовой температуры, при снижении мощности преобладают спектры излучения ртути (примерно на 200 K более холодный оттенок при 50% мощности).
Безопасность
Лампы HMI имеют приблизительно ту же цветовую температуру, что и солнце в полдень (6000 К), и, как и другие лампы высокого давления, содержащие ртуть, генерируют ультрафиолетовое излучение. Каждый светильник HMI оснащен защитным стеклом, поглощающим УФ-излучение, которое необходимо использовать для защиты людей, находящихся перед источником света. Воздействие незащищенной лампы может привести к повреждению сетчатки и серьезным ожогам кожи. Лампы HMI могут достигать напряжения зажигания до 70 000 В в горячем состоянии и считаются очень опасными при неправильном подключении. Рекомендуется зажигать лампу от балласта, а не от головки, на случай короткого замыкания в головке лампы. Также необходимо соблюдать правильную процедуру зажигания, например, произносить голосовое предупреждение при включении света, чтобы предупредить находящихся поблизости людей. Кроме того, соединительный кабель к головке должен быть правильно и надежно подключен. Почти все современные соединительные кабели оснащены фиксаторами с поворотным замком на обоих концах для обеспечения безопасного и точного соединения как с балластом, так и с корпусом лампы. Во всех кварцевых лампах с газовым наполнением имеется небольшая область, похожая на сосок. Это место расположения выхлопной трубки, через которую лампа была заполнена газовой смесью. Положение этого соска очень важно, и если он направлен неправильно, может создавать тень на оптическом пути. По возможности, выхлопной наконечник следует ориентировать строго вверх или под углом до 45 градусов к вертикали. Это позволит поддерживать наконечник в самой горячей точке и предотвратить осаждение йодидов и редкоземельных металлов при охлаждении лампы. Если наконечник направлен вниз, редкоземельные металлы со временем будут в нем накапливаться, и цвет лампы изменится, поскольку они перестанут участвовать в плазменной дуге. Помимо этих проблем, известно, что лампы HMI могут разрушаться в конце срока службы или при чрезмерных нагрузках. Хотя разрушение не такое сильное, как взрыв ксеноновой лампы короткой дуги, требуется соблюдать осторожность. Поэтому лампы HMI не следует использовать более половины расчетного срока службы, и следует проявлять осторожность при зажигании (включении) более крупных ламп, поскольку вероятность взрыва лампы наиболее высока в течение первых пяти минут после зажигания. По этой причине каждая лампа HMI обычно имеет подробный журнал количества зажиганий и часов работы. Необходимо соблюдать осторожность при транспортировке и замене ламп. Газы внутри лампы HMI находятся под небольшим давлением, но оно увеличивается с температурой. Как и в случае с кварц-галогенными лампами, следует избегать прямого контакта с колбой, так как следы кожного жира могут нагреваться выше рабочей температуры колбы и вызывать образование пузырьков и/или ослабление материала. Поэтому при обращении с лампой ее следует протирать салфеткой, смоченной изопропиловым спиртом. Большинство конструкций корпусов ламп более прочные и толстые, чем традиционные вольфрамовые лампы, чтобы в случае взрыва лампы защитить находящихся поблизости от разлетающихся осколков. Существует вероятность растрескивания переднего линзового элемента головки лампы из-за теплового удара (хотя и не полного разрушения или разлетания на осколки). При использовании оборудования HMI всегда следует соблюдать правила техники безопасности, так как при неправильном использовании оно может быть опасным. В 2014 году журналист Керри Сандерс сообщил, что ослеп на 36 часов в результате чрезмерного воздействия ультрафиолетового излучения от неисправной лампы HMI. Если бы в светильнике была предусмотрена УФ-защита, как того требует OSHA, излучение лампы не оказало бы никакого эффекта.