Ксеноновые лампы (конструкция, принцип действия, применение)

1. Ксеноновые лампы (конструкция, принцип действия, применение)

Терещенко Р.А.
ТЭО-19

2. Устройство ксеноновых ламп

3.

Ксеноновая дуговая лампа (КДЛ) светит за счет появления электрической дуги в колбе в атмосфере
ксенона. Конструкция 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 производят 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, 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.

4. Принцип действия

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 2030 кВ). Трансформатор разряжает конденсатор –
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. Для работы КДЛ в помещениях требуется
принудительная вентиляция.

5. Виды КЛД: 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, колба 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 0,32,5 мм у ламп специального назначения. Мощность шаровых источников света
достигает 7 кВт.
По российским стандартам шаровые лампы обозначаются, как ДКсШ (дуговая
ксеноновая шаровая).
Керамические источники света отличаются наличием керамической колбы, в
которой выполнены отверстия для прохождения ультрафиолета. 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.

6. Технические характеристики

1.
Срок службы. Довольно долгий: 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 ксеноновых источников света 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 приближается к солнечному. Человеческому
глазу он кажется белым. Цветовая температура излучения
начинается от 4000 К. 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.

7. Сферы применения

С точки зрения экономики самой выгодной областью применения КДЛ является освещение больших
открытых пространств. Это освещение площадей, стадионов, катков, карьеров, строительных площадок,
огромных производственных цехов.
За счет отличной цветопередачи ксеноновые лампы успешно применяют в проекторах,
театральном, сценическом, киноосвещении, фотоаппаратуре.
В оптических приборах КДЛ используют, 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 в производстве автомобильных фар. 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.

8. Достоинства и недостатки

Плюсы
Минусы
высокая яркость и светоотдача;
высокая стоимость;
малый период разгорания;
длительный срок службы;
сложность подключения и
необходимость пускорегулирующей
аппаратуры;
спектр света приближен к
естественному;
взрывоопасность;
высокий коэффициент полезного
действия: яркий свет при низких
энергозатратах на поддержание
свечения;
сильный нагрев;
необходимость автоматического
регулирования положения фар для
автомобиля.
широкий интервал мощностей;
работа при низких температурах.