Ксеноновые лампы

Ксеноновые лампы являются одним из видов газоразрядных. Основной частью лампы является колба, которую наполняют инертными газами, среди которых есть ксенон. Лампа не имеет нити накаливания, так как свет появляется из-за импульса между электродами. В этой статье мы подробнее расскажем о принципе работы, видах, преимуществах и недостатках, сферах применения и особенностях эксплуатации ксеноновых ламп.

Устройство и принцип работы

Ксеноновая дуговая лампа (КДЛ) светит за счет появления электрической дуги в колбе в атмосфере ксенона. Конструкция лампы довольно простая: стеклянная колба, электроды и корпус, в котором все закреплено.

Колба изготавливается из кварцевого стекла. Только такое стекло выдерживает высокое давление (до 30 атмосфер в нерабочем состоянии и 120 атмосфер при свечении) и температуру, которые необходимы для работы лампы. Некоторые колбы для особых назначений производятся из сапфира. Он расширяет спектральный диапазон излучаемого света и увеличивает срок службы КДЛ.

В зависимости от назначения колба имеет разные формы: трубка, U-образная, спираль или шар.

Электроды изготавливаются из тугоплавкого вольфрама, который легируется торием. Добавка тория повышает скорость разгорания лампы. Чтобы снизить разницу в коэффициентах теплового расширения вольфрама и стекла, применяют специальный буферный сплав - инвар (смесь никеля и железа). С одной стороны он вплавляется в колбу, а с другой в него вваривают электроды. Также вольфрамовые электроды соединяются с конденсатором в корпусе лампы. Конденсатор имеет заряд высокого напряжения, доходящий до 2000 В.

В некоторые модели КДЛ встраивают третий разжигающий электрод. Он предназначен для первоначальной ионизации ксенона и запуска разряда лампы.

При работе анод очень сильно нагревается, поэтому для мощных КДЛ конструкцией предусмотрено охлаждение. Источники света мощностью до 4 кВ охлаждают воздухом, а свыше – воздухом и водой.

Ксеноновая лампа светит за счет появления плазмы около катода. При прохождении через ксенон электрического тока возникает ионизация газа. Начальную стадию ионизации обеспечивает мощный электрический заряд, который накапливается в конденсаторе. Этот заряд превращается в высоковольтный импульс при помощи повышающего трансформатора. Для розжига необходим импульс напряжения, доходящий у мощных КДЛ до 50 кВ (обычно 20–30 кВ). Трансформатор разряжает конденсатор, и электрический импульс проходит через лампу, вызывая первичную ионизацию газа. В лампах с дополнительным электродом он берет на себя функцию розжига. Для поддержания свечения необходимо гораздо меньшее напряжение - 85 В.

Далее ток возбуждает все новые и новые атомы ксенона. Электроны переходят на новые орбитали, обладающие большей энергией. Когда же электроны возвращаются обратно, то излишек энергии выделяется в виде фотона света. Лампа начинает светить, причем светящаяся область похожа на конус около катода. При использовании не чистого ксенона, а его смеси с парами ртути, светятся области у обоих электродов.

Кварцевое стекло пропускает ультрафиолет, поэтому при работе источника света образуется озон. Он вреден для человека, поэтому для работы КДЛ в помещениях требуется принудительная вентиляция.

Виды ксеноновых ламп

В зависимости от назначения существует три типа разных цоколей: Н, НВ и D.

По конструктивному выполнению выделяют шаровые, трубчатые и керамические источники света.

Шаровые ксеноновые лампы небольшие и имеют колбу в виде шара. Отличительными чертами являются небольшой размер светящейся области и высокая яркость света.

Электроды находятся на минимальном расстоянии друг от друга: 3–6 мм или 0,3-2,5 мм у ламп специального назначения. Мощность шаровых источников света достигает 7 кВт. По российским стандартам шаровые лампы обозначаются как ДКсШ (дуговая ксеноновая шаровая). Такой тип источников света широко применяется для фар автомобилей.

Керамические источники света отличаются наличием керамической колбы, в которой выполнены отверстия для прохождения ультрафиолета. Применяются в медицине и фармацевтике для обеззараживания.

Трубчатые КДЛ имеют в составе колбу в виде трубки разной длины и диаметра. Электроды могут располагаться на значительном удалении друг от друга. По российским стандартам обозначаются, как ДКсТ (дуговые ксеноновые трубчатые). Мощность таких ламп находится в пределах 2 Вт − 50  кВт.

Для правильного и безопасного использования трубчатых ксеноновых ламп необходимы устройства для ограничения силы тока, которые встраиваются в электрическую схему. Такой тип источников света используется для наружного и внутреннего освещения больших площадей и объектов.

 Кроме того, существует деление КДЛ на следующие типы:

• долгого использования с короткой дугой (аналогично ксеноновым лампам для фар);

• долгого использования с длинной дугой (аналогично трубчатым);

• лампы-вспышка (с дополнительным третьим электродом для разжигания).

Также выделяют лампы, работающие на постоянном и переменном токе.

Технические характеристики

1. Срок службы: такие лампы служат довольно долго - около 3000 ч. В конструкции лампы отсутствуют элементы, которые могут «перегореть». Срок службы ограничивается особенностями устройства: при долгом использовании из-за высокого разогрева стекло становится хрупким, темнеет из-за налета металла на стекле, электроды приходят в негодность и оплавляются.

2. Мощность: может доходить до 50 кВ.

3. Высокая цветопередача - свыше 80%. Такой свет очень комфортен для глаз, в нем не искажаются цвета. Поэтому КДЛ находят широкое применение при фото и киносъемках.

4. Цветовая температура: спектр света ксеноновой лампы максимально приближен к солнечному. Цветовая температура излучения начинается от 4000 К. Человеческому глазу такой свет кажется белым. За счет применения некоторых добавок к ксенону возможны другие спектральные цвета: 4300 К и 5000 К. В фарах автомобилей чаще всего применяют источники света с температурой 4300, 5000 и 6000 К.

Сферы применения

С точки зрения экономики самой выгодной областью применения КДЛ является освещение больших открытых пространств. Это освещение площадей, стадионов, катков, карьеров, строительных площадок и огромных производственных цехов.

За счет отличной цветопередачи ксеноновые лампы успешно применяют в проекторах, театральном, сценическом и киноосвещении, а также в фотоаппаратуре.

В оптических приборах КДЛ используется, когда необходима минимальная светящаяся область источника света. Это обеспечивает точность фокусировки прибора. Также КДЛ используют в климатических камерах при испытаниях различных материалов на светостойкость, установках радиационного нагрева, фотоэкспонирования и т. п.

В последние десятилетия ксеноновые лампы получили широкое применение в автомобильных фарах. Однако из-за яркости света законодательно требуется установка дополнительной системы регулировки угла наклона фар и фароомывателей.

Ртутно-ксеноновые и керамические лампы применяют в медицине для физиотерапии, стерилизации и озонирования.

Достоинства и недостатки

Прежде всего стоит отметить, что ксеноновые автолампы обладают излучением, превышающим излучение галогенных в два раза. При этом ксенон потребляет намного меньше энергии, уменьшая излишние нагрузки. Снижение потребления электроэнергии уменьшает расход топлива, что сводит к минимуму вред, который наносится окружающей среде. Кроме того, проведенные исследования доказали, что водитель, который оснащает свой автомобиль ксеноновыми автолампами, намного лучше ориентируется на дороге. Все это потому, что светоизлучение ламп отражает дорожную разметку намного ярче.

К достоинствам также можно отнести следующие характеристики:

• высокая яркость и светоотдача;

• малый период разгорания;

• длительный срок службы;

• спектр света приближен к естественному;

• высокий коэффициент полезного действия: яркий свет при низких энергозатратах на поддержание свечения;

• широкий интервал мощностей;

• работа при низких температурах.

Из недостатков же можно выделить следующие характеристики:

• высокая стоимость;

• сложность подключения и необходимость пускорегулирующей аппаратуры;

• взрывоопасность;

• сильный нагрев;

• необходимость автоматического регулирования положения фар для автомобиля.

Особенности эксплуатации

Для увеличения срока службы КДЛ необходимо следовать несложным правилам, а именно:

1. Не допускать частого включения и выключения источника света.

2. После выключения дать остыть в течение 10–15 минут. Если этого не делать, то спектр приобретет красные и зеленые оттенки.

3. Использовать качественную пусконаладочную аппаратуру.

4. Следить за правильным расположением источника света: электроды в вертикальном расположении, анод сверху.

5. Надевать защитный футляр из оргстекла при транспортировке и замене лапочек. Защитный чехол предотвратит механические повреждения и жировые загрязнения колбы от пальцев человека.

6. Прикасаться к ксеноновым лампам только в защитных перчатках. В ином случае обязательно обезжирить поверхность стекла спиртом.

7. При малейших повреждениях стеклянной колбы утилизировать лампу.

8. Среднее напряжение запуска ксеноновой лампы – 30000 В. Соблюдайте осторожность и не трогайте провода, источник света и аппаратуру во время работы источника света, до запуска и после.