Lampy metalohalogenkowe
: poniedziałek 03 gru 2007, 11:02
Lampy metalohalogenkowe wstęp
Lampy metalohalogenkowe są nowoczesnymi źródłami światła łączącymi zalety wysokiej skuteczności świetlnej i zdolności wiernego oddawania barw oświetlanych przedmiotów. Pod względem energooszczędności ustępują tylko lampom sodowym, pozostawiając daleko w tyle tradycyjne lampy rtęciowe. Pod względem wierności oddawania barw są uznawane za jedne z najlepszych wśród sztucznych źródeł światła. Widmo promieniowania tradycyjnych lamp rtęciowych w zakresie widzialnym składa się zaledwie z kilku silnych linii przy równoczesnym występowaniu szerokich obszarów całkowicie pustych, co jest szczególnie niekorzystne zwłaszcza w zakresie promieniowania czerwonego. Źródłem promieniowania w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie w mieszaninie par rtęci i jodków metali np. sodu, skandu, talu, indu lub tzw. ziem rzadkich np. dysprozu, tulu i holmu nazywanych halogenkami. Dzięki temu widmo promieniowania lamp metalohalogenkowych jest znacznie bogatsze niż w przypadku lamp rtęciowych, a ich światło postrzegane jest jako białe w odróżnieniu od nieprzyjemnej, chłodnej, niebiesko-zielonej barwy promieniowania rtęci. Bogate, wieloliniowe widmo promieniowania lamp metalohalogenkowych charakteryzuje się doskonałymi właściwościami oddawania barw. Źródłem światła w lampie metalohalogenkowej jest wyładowanie zachodzące w jarzniku kwarcowym. Jarznik umieszczony jest w szklanej, próżniowej bańce o kształcie cylindrycznym lub elipsoidalnym. Bańka zewnętrzna może być przezroczysta lub pokryta warstwą rozpraszającą światło. Lampa wyposażona jest w metalowy, gwintowany trzonek. Lampy metalohalogenkowe są energooszczędnymi źródłami światła o szczególnie dobrych właściwościach oddawania barw. Są one przeznaczone do oświetlenia wnętrz przemysłowych i dużych wnętrz użyteczności publicznej takich jak zamknięte obiekty sportowe, hale dworcowe, sale widowiskowe itp. oraz do oświetlenia zewnętrznego wielu obiektów architektonicznych o charakterze reprezentacyjnym. Ze względu na dobre oddawanie barw nadają się szczególnie do oświetlania terenów z sygnalizacją świetlną takich jak perony i tereny kolejowe oraz skrzyżowania drogowe. Powinny być one stosowane wszędzie tam gdzie właściwe postrzeganie barw przy oświetleniu sztucznym ma duże znaczenie estetyczne lub związane z bezpieczeństwem, a równocześnie wymagane jest uzyskanie wysokiego poziomu natężenia oświetlenia przy niskim zużyciu energii elektrycznej. Lampy metalohalogenkowe zapewniają światło o najwyższej jakości przy minimalnym zużyciu energii elektrycznej.
Lampy metalohalogenkowe średnich mocy
Lampy metalohalogenkowe (MH) są nowoczesnymi, energooszczędnymi źródłami światła o szczególnie dobrych właściwościach barwowych. Łączą one zalety wysokiej skuteczności świetlnej i zdolności wiernego oddawania barw oświetlanych przedmiotów, a także wysokiej trwałości. Pod względem energooszczędności ustępują tylko lampom sodowym, pozostawiając daleko w tyle tradycyjne lampy rtęciowe. Ich oddawanie barw jest uznawane za jedne z najlepszych wśród sztucznych źródeł światła. Zwarta budowa lamp MH pozwala na dobrą kontrolę optyczną promieniowania za pomocą układów optycznych opraw oświetleniowych.
Te cechy sprawiają, że lampy metalohalogenkowe są atrakcyjnymi źródłami światła, chętnie wykorzystywanymi, między innymi, do oświetlania sklepów gdzie niskie koszty eksploatacji i dobra jakość światła są ważne. Ze względu na dużą trwałość lampy MH są także przydatne w budynkach o wysokich stropach i w innych zastosowaniach, w których oświetlenie jest stale w użyciu przez wiele godzin. Są one popularne w wysokich i niskich wnętrzach przemysłowych, dużych obiektach handlowych, halach targowych i magazynach. Lampy MH stosuje się w salach widowiskowych i zamkniętych obiektach sportowych. W oświetleniu zewnętrznym są stosowane do oświetlenia stadionów i boisk oraz do oświetlania wielu obiektów architektonicznych o charakterze reprezentacyjnym. Ze względu na dobre oddawanie barw lampy metalohalogenkowe nadają się szczególnie do oświetlania miejsc z barwną sygnalizacją świetlną takich jak perony i tereny kolejowe oraz ulice i skrzyżowania drogowe. Powinny być one stosowane wszędzie tam gdzie właściwe postrzeganie barw przy oświetleniu sztucznym ma duże znaczenie estetyczne lub związane z bezpieczeństwem, a równocześnie wymagane jest uzyskanie wysokiego poziomu natężenia oświetlenia przy niskim zużyciu energii elektrycznej.
Lampy metalohalogenkowe są dostępne w zakresie niskich, średnich i wysokich mocy od 35 do 2000 W.
Rys. 1. Typowe lampy metalohalogenkowe średnich mocy produkowane są w przezroczystych bańkach cylindrycznych lub elipsoidalnych bańkach rozpraszających.
Do środkowego zakresu średniej mocy zalicza się lampy od 175 W do 400 W. W tej grupie, wszyscy główni producenci oferują najczęściej lampy MH o mocach 175, 200, 225, 250, 300, 320, 350, 360, i 400 W. Niniejszy artykuł omawia właśnie tą grupę wysokoprężnych lamp metalohalogenkowych o średnich mocach.
Budowa i działanie
Źródłem promieniowania w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie zachodzące w naczyniu wyładowczym nazywanym zwykle jarznikiem lub rurką wyładowczą. Jarznik jest umieszczony w szklanej, próżniowej bańce zewnętrznej o kształcie cylindrycznym lub elipsoidalnym. Bańka zewnętrzna może być przezroczysta lub pokryta warstwą rozpraszającą światło. Lampa wyposażona jest w metalowy, gwintowany trzonek.
Wielu producentów oferuje także wykonania w przezroczystej, dwustronnie trzonkowanej bańce rurowej.
W lampach średniej mocy jarznik jest na ogół wykonany z kwarcu. Naczynie wyładowcze zawiera gaz zapłonowy (zazwyczaj argon), rtęć i halogenki metali. Tradycyjne jarzniki kwarcowe mają kształt podobny do jarzników rtęciowych, ale pracują przy wyższych temperaturach i ciśnieniach.
Rys. 2. Do specjalnych opraw produkowane są lampy metalohalogenkowe średnich mocy w bańkach rurowych, dwustronnie trzonkowanych.
Ich konstrukcja polega na zamknięciu kwarcowej rurki wyładowczej przez zaciśnięcie; spłaszczenie jej końców na gorąco. W spłaszczach zaciśnięte są przepusty prądowe z cienkiej folii molibdenowej, do której, od wnętrza jarznika przymocowane są wolframowe elektrody, a na zewnątrz wystają wolframowe pręciki montażowe. Stosowana jest także konstrukcja komory wyładowczej jarznika o kształcie elipsoidalnym, zoptymalizowanym do kształtu wyładowanie, uzyskiwana dzięki technologii rozdmuchiwania rurki kwarcowej do kształtu specjalnej formy odlewniczej. Technologia ta gwarantuje dużą powtarzalność kształtu każdego jarznika. Średnica rurek obciskających przepusty prądowe jest również mała, dzięki czemu straty cieplne są niewielkie. Umożliwia to uzyskanie optymalnego rozkładu i wartości temperatury pracy halogenków zwiększając w ten sposób emisję promieniowania świetlnego przy dużej powtarzalności barwy.
W najnowszych konstrukcjach lamp stosowane są już jarzniki wykonane z przeświecalnej ceramiki z polikrystalicznego tlenku glinu, tak jak w wysokoprężnych lampach sodowych lub lampach metalohalogenkowych niskich mocy. Wprawdzie obecnie lampy z jarznikami ceramicznymi są dostępne głównie z mocami poniżej 150W, to jednak średniej mocy lampy MH najnowszych takimi jarznikami zaczęły już pojawiać się na rynku.
Rys. 13.
W niektórych lampach jarzniki umieszczone są w dodatkowych, szklanych osłonach.
Zapłon lamp metalohalogenkowych
Tradycyjne, historycznie najstarsze typy lamp MH używają technologii z elektrodą zapłonową. W jarzniku znajdują się trzy elektrody: jedna elektroda zapłonowa i dwie elektrody główne (robocze). Konstrukcję obu typów jarznika przedstawia rysunek 4.
W jarznikach zawierających elektrodę zapłonową, w początkowej fazie zapłonu, wyładowanie zachodzi w gazie zapłonowym, w małej przestrzeni pomiędzy elektrodą zapłonową i główną.
Rys. 4. Konstrukcja jarzników wysokoprężnych lamp metalohalogenkowych.
W miarę wzrostu temperatury i odparowania czynników wyładowczych, zostaje zainicjowane wyładowanie pomiędzy obu elektrodami głównymi. Gdy lampa nagrzeje się, bimetaliczny wyłącznik odłącza elektrodę zapłonową od obwodu. Przy każdym zapłonie z elektrod rozpylany jest wolfram. W czasie życia lampy może on powodować ciemnienie ścianek jarznika, obniżając parametry świetlne lampy.
Lampy z zapłonem impulsowym nie mają elektrody zapłonowej. Zamiast tego współpracują z zapłonnikiem, który wspólnie ze statecznikiem zaświeca lampę używając serii wysokonapięciowych impulsów o typowej wartości 3 do 5 kV. W konstrukcji bez elektrody zapłonowej przestrzeń za elektrodą może być zredukowana, co pozwala ograniczyć straty cieplne. Zapłon za pomocą impulsów wysokonapięciowych zmniejsza rozpylanie wolframu dzięki szybszemu rozgrzewaniu elektrod przy zapłonie. Skraca się także czas osiągnięcia przez lampę pełnych parametrów. Technologia zapłonu impulsowego nie jest nowością. Początkowo była ona rozwinięta w wysokoprężnych lampach sodowych i także stosowana od lat w lampach MH niskiej mocy. Lampy MH z zapłonem impulsowym osiągają do 50% dłuższą trwałość niż lampy MH z elektrodą zapłonową, strumień świetlny wyższy do 32%, bielsze światło, wyższą skuteczność świetlną i lepsze utrzymanie strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji, a także pewniejszy zapłon w niskich temperaturach, nawet do -40oC, oraz szybszy zapłon na gorącej lampie, krótszy czas nagrzewania i szybszy ponowny zapłon na gorącej lampie.
Układ pracy lamp MH i rola statecznika
Tak jak inne wysokoprężne lampy wyładowcze, wszystkie lampy MH wymagają do pracy specjalnych stateczników. Wraz z zapłonnikami są one elementami konstrukcyjnymi opraw oświetleniowych. Stateczniki są potrzebne do ograniczania prądu pracy lamp i zapewnienia właściwego napięcia zasilania podtrzymującego wyładowanie w jarzniku i do zapłonu wyładowania.
W lampach MH z elektrodą zapłonową, tak jak w lampach rtęciowych, do zainicjowania wyładowania nie jest potrzebne żadne dodatkowe urządzenia zapłonowe. W lampach MH o zapłonie impulsowym, statecznik wraz z zapłonnikiem elektronicznym tworzą układ stabilizacyjno-zapłonowy dostarczający impulsu zapłonowego potrzebnego do zapłonu wyładowania w jarzniku. Lampy MH z elektrodą zapłonową mogą potrzebować od 10 do 20 minut dla powtórnego zapłonu lampy. Układy stabilizacyjno-zapłonowe do lamp z zapłonem impulsowym mogą zapewnić powtórny zapłon wyładowania w czasie od 2 do 8 minut od zaniku prądu, ponieważ dostarczają wysokonapięciowego impulsu do zainicjowania wyładowania.
Statecznik ogranicza prąd pracy płynący przez lampę po zapłonie. Zapewnienia on względnie stałą moc lampy dzięki regulacji prądu jej pracy przy typowych zmianach wartości napięcia zasilania.
W przypadku lamp MH średnich mocy najpopularniejsze są stateczniki magnetyczne. Niektórzy producenci oferują półprzewodnikowe, elektroniczne stateczniki do lamp metalohalogenkowych. Stateczniki elektroniczne zapewniają lepsze parametry przy lampach mniejszych mocy i mają wyższy współczynnik mocy, oszczędzają więcej energii, generują mniej ciepła, mają mniej niż 3% zmian w mocy wyjściowej i niższe koszty konserwacji. Zapłon przy wysokiej częstotliwości zmniejsza ciemnienie ścianek jarznika, co daje lepsze utrzymanie strumienia świetlnego, lepszą stabilność barwy i dłuższą trwałość lamp. Dodatkowo statecznik elektroniczny umożliwia ściemnianie lampy. Stateczniki elektroniczne są jednak używane głównie do lamp MH niskich mocy tzn. 150W i niżej.
Niektóre lampy MH średnich mocy z zapłonem impulsowym mogą pracować z układami stabilizacyjno-zapłonowymi od wysokoprężnych lamp sodowych.
W żadnym wypadku nie należy jednak adaptować opraw od rtęciówek do pracy z takimi lampami MH przez zamontowanie w nich zapłonnika elektronicznego. Zapłon lamp MH o konstrukcji z elektrodą zapłonową jest realizowany przy użyciu impulsów wysokonapięciowych, a ich stateczniki mają zazwyczaj lepszą izolację międzyzwojową i posiadają kostki montażowe o wyższej odporności na przebicia niż stateczniki lamp rtęciowych. Zastosowanie stateczników rtęciówkowych może prowadzić do przebić w różnych miejscach statecznika oraz do niewłaściwych parametrów lamp wskutek nie dostosowania prądów pracy.
Rys. 5. Układ pracy lampy metalohalogenkowej z zapłonem impulsowym.
Przy stosowaniu stateczników do lamp MH należy zawsze, ściśle przestrzegać zaleceń producenta lamp. Najnowsze konstrukcje lamp MH średniej mocy z jarznikami ceramicznymi są już dostępne jedynie w wersji z zapłonem impulsowym. Rysunek 5 przedstawia układ pracy lampy metalohalogenkowej z zapłonem impulsowym.
Pozycja pracy lampy
Pozycja pracy ma istotny wpływ na barwę promieniowania lamp metalohalogenkowych. Może także wpływać na ich trwałość. Ogólnie, najlepsze rezultaty w zakresie właściwości barwowych i trwałości, daje instalowanie lamp MH w pozycji pionowej – trzonkiem w górę, choć niektóre lampy pracują równie dobrze trzonkiem w dół. Istnieją również konstrukcje przeznaczone wyłącznie do instalowania w pozycji poziomej. W tym zakresie producenci podają strumień świetlny i inne właściwości lamp dla ściśle określonych pozycji pracy.
Nagrzewanie i powtórny zapłon
Tak jak wszystkie wysokoprężne lampy wyładowcze, również lampy MH nie osiągają swojego pełnego strumienia świetlnego natychmiast po zapłonie. Czas ich stabilizacji wynosi od kilku do 15 minut. W tym okresie osiągają one 90% pełnych parametrów świetlnych. Ten czas jest nazywany czasem nagrzewania lub stabilizacji. Podobnie, gdy lampa działa już przez dłuższy okres i zostanie wyłączona, nie może być natychmiast włączona powtórnie. Zanim możliwy będzie powtórny zapłon wyładowania jarznik musi ostygnąć. Ten czas jest nazywany czasem ponownego zapłonu. Dla tradycyjnych lamp z elektrodą zapłonową, czas ponownego zapłonu może dochodzić do 15 minut lub nawet więcej, ale dla lamp z zapłonem impulsowym jest on krótszy i wynosi zazwyczaj kilka minut. Różnice w czasie stabilizacji i czasie ponownego (powtórnego) zapłonu lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym pokazuje rysunek 7.
Rys. 7. Różnice w czasie stabilizacji i czasie ponownego zapłonu lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym.
Charakterystyki lamp metalohalogenkowych
Cechy lamp MH średnich mocy, takie jak bardzo dobre oddawanie barw, białe światło, wysoka skuteczność świetlna zapewniająca energooszczędne działanie i wysoka trwałość, sprawiają, że są one doskonałymi źródłami światła do wielu zastosowań.
Skuteczność świetlna
Lampy MH z zapłonem impulsowym mają wyższą skuteczność świetlną od lamp z elektrodą zapłonową. Stosując je, dla uzyskania zamierzonego efektu oświetleniowego można użyć mniejszej liczby lamp danej mocy lub tej samej liczby źródeł, lecz o mocy obniżonej. Zmniejszy to moc zainstalowaną i przyniesie oszczędności. W każdym z tych przypadków należy jednak pamiętać o zastosowaniu właściwych opraw zapewniających rozsył światła umożliwiających osiągnięcie pożądanych kryteriów poziomu i równomierności oświetlenia. Różnice w skuteczności świetlnej lamp MH z różnymi typami zapłonu przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Początkowa skuteczność świetlna lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym.
Spadek strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji
Z czasem eksploatacji źródeł światła, ich strumień świetlny ulega obniżeniu. Tempo tego spadku jest odmienne dla różnych rodzajów lamp. Im lepsze jest utrzymanie strumienia świetlnego tym rzadziej trzeba dokonywać wymiany. W lampach MH z elektrodą zapłonową strumień świetlny ulega zmniejszeniu do około 65 % wartości początkowej po 40 % trwałości znamionowej. W lampach z zapłonem impulsowym spadek ten jest mniejszy.
Rysunek 9 przedstawia utrzymanie strumienia świetlnego w lampach metalohalogenkowych z różnymi typami zapłonu.
Rys. 9. Utrzymanie strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji dla lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym.
Trwałość lamp
Jako trwałość znamionowa lamp metalohalogenkowych, tak jak dla innych źródeł światła, podawana jest ich trwałość średnia. Jest ona określana jako czas pracy, po którym połowa lamp przestaje świecić. W trakcie badań lampy świecą w cyklu 11 godzin świecenia na 1 godzinę wyłączenia. Lampy MH średnich mocy wykonane w technologii kwarcowej osiągają trwałość znamionowa w zakresie od 6.000 do 15.000 godzin z zależności od konstrukcji jarznika i typu zapłonu. Najniższą trwałość nie przekraczającą około 8.000 godzin mają lampy z kwarcowym jarznikem spłaszczowym i elektrodą zapłonową.
Rys. 10. Porównanie średniej trwałości znamionowej lamp MH z różnymi rodzajami jarzników.
Skrajnie wysoką trwałość, nawet powyżej 20.000 godzin, osiągają lampy z jarznikami ceramicznymi pracujące w cyklu ciągłym. Podstawowym czynnikiem wpływającym na uzyskiwaną trwałość jest konstrukcja i technologia wykonania jarznika.
Eksploatacja lamp MH do kresu ich trwałości zwiększa prawdopodobieństwo pęknięcia jarznika. Powoduje to niebezpieczeństwo eksplozji bańki zewnętrznej, narażające użytkowników na spadające odłamki szkła. Dlatego lampy MH powinny być wymieniane grupowo, jeszcze przed wygaśnięciem. Porównanie średniej trwałości znamionowej lamp MH z różnymi rodzajami jarzników przedstawia rysunek 10.
Widmo promieniowania, właściwości barwowe
Widmo promieniowania tradycyjnych lamp rtęciowych, w zakresie widzialnym, składa się zaledwie z kilku silnych linii przy równoczesnym występowaniu szerokich obszarów całkowicie pustych, co jest szczególnie niekorzystne zwłaszcza w zakresie promieniowania czerwonego.
Źródłem promieniowania w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie w mieszaninie par rtęci i tzw. halogenków, którymi mogą być jodki metali np. sodu, skandu, talu, indu lub tzw. ziem rzadkich np. dysprozu, tulu i holmu. Dzięki temu widmo promieniowania lamp metalohalogenkowych jest znacznie bogatsze niż w przypadku lamp rtęciowych, a ich światło postrzegane jest jako białe w odróżnieniu od nieprzyjemnej, chłodnej, niebiesko-zielonej barwy promieniowania rtęci. Bogate, wielo liniowe widmo promieniowania lamp MH charakteryzuje się doskonałymi właściwościami oddawania barw.
Lampy MH dostarczają światła białego o różnych temperaturach barwowych z zakresu od 3200 do 5200 K, ze wskaźnikiem oddawania barw CRI w zakresie od 65 do 70, ale mogą mieć także CRI o wartości 90 lub wyżej.
Lampy metalohalogenkowe konkurują obecnie z wysokoprężnymi lampami sodowymi w zastosowaniach do oświetlenia ulicznego, oświetlenia autostrad, oświetlenia bezpieczeństwa i terenów spacerowych. Lampy sodowe mają wprawdzie wyższą skuteczność świetlną tzn. dostarczają wyższego strumienia świetlnego z 1 Wata mocy, użytecznego przy widzeniu fotopowym, ale bielsze światło lampy MH zapewnia lepsze widzenie peryferyjne przy niższych poziomach oświetlenia.
Rysunek 11 przedstawia przykładowe rozkłady widmowe promieniowania lamp metalohalogenkowych.
Powtarzalność i stabilność barwy
Nawet w fabrycznie nowych lampach MH zdarzają się różnice barwy światła miedzy poszczególnymi egzemplarzami. Lampy MH mogą także w istotny sposób zmieniać barwę promieniowania z czasem eksploatacji. Te różnice są zazwyczaj łatwe do zauważenia dla użytkowników. Zjawisko takie może być minimalizowane, przy uruchamianiu nowych instalacji lub przy grupowych wymianach, dzięki użyciu źródeł światła tego samego typu i pochodzących od jednego producenta. Lepszą stabilność barwy uzyskują lampy MH z zapłonem impulsowym, zwłaszcza te z jarznikiem ceramicznym. Zmiany ich temperatury barwowej wynoszą nie więcej niż 200 K w całym czasie użytkowania, podczas gdy w lampach z elektrodą zapłonową mogą wynosić nawet ponad 500 K. Rysunek 12 przedstawia zmiany temperatury barwowej lamp MH z czasem ich eksploatacji.
Rys. 12. Zmiany temperatury barwowej lamp MH z czasem ich eksploatacji.
Względy bezpieczeństwa przy eksploatacji lamp MH
W jarznikach lamp MH, podczas pracy panuje wysokie ciśnienie czynników wyładowczych. Bańki lamp tego typu mogą ulegać eksplozji w wypadku awarii polegającej na pęknięciu jarznika. Wielu producentów opraw stosuje specjalne środki zabezpieczające użytkowników przed powstaniem szkód. Dobrej jakości oprawy do lamp MH posiadają szyby hartowane lub osłony ze specjalnego tworzywa zabezpieczające przed spadaniem gorących okruchów szkła lub innych części lampy w wypadku awarii źródła światła. Takie spadające przedmioty mogą stanowić zagrożenie dla osób przebywających w pomieszczeniach lub grozić spowodowaniem pożaru. Spotyka się lampy MH, w których jarzniki umieszczone są w dodatkowych, szklanych osłonach, a bańki zewnętrzne pokrywane są warstwą teflonu zabezpieczającego przed rozsypaniem części lampy w wypadku jej eksplozji. Umożliwia to bezpieczne stosowanie tego typu lamp MH w oprawach otwartych. Lampy bez takich zabezpieczeń nie powinny być raczej używane w tych oprawach. Producenci lamp MH podają zwykle szczegółowe zalecenia, co do warunków i typu opraw, w których lampy mogą być użyte.
Jarzniki lamp MH są źródłem promieniowania UV szkodliwego dla skóry i oczu człowieka. Dlatego w przypadku, gdy bańka zewnętrzna uległa zniszczeniu, a jarznik działa nadal, lampy powinny być bezwzględnie wymieniane, ponieważ tylko niektóre typy posiadają rozwiązania konstrukcyjne uniemożliwiające pracę jarznika ze zniszczoną bańką.
W instalacjach zawierających lampy MH świecące w sposób ciągły, co pewien czas należy dokonywać, co najmniej kilkunastominutowego wyłączenia. Lampy, którego takim kontrolnym wyłączeniu nie zapalają, lub których zapłon jest wyraźnie utrudniony, powinny być bezwzględnie wymienione. Takie okresowe wyłączenia pomagają wykryć te źródła światła, które z dużym prawdopodobieństwem w najbliższym czasie ulegną awarii w wyniku pęknięcia jarznika i eksplozji bańki.
Lampy metalohalogenkowe są nowoczesnymi źródłami światła łączącymi zalety wysokiej skuteczności świetlnej i zdolności wiernego oddawania barw oświetlanych przedmiotów. Pod względem energooszczędności ustępują tylko lampom sodowym, pozostawiając daleko w tyle tradycyjne lampy rtęciowe. Pod względem wierności oddawania barw są uznawane za jedne z najlepszych wśród sztucznych źródeł światła. Widmo promieniowania tradycyjnych lamp rtęciowych w zakresie widzialnym składa się zaledwie z kilku silnych linii przy równoczesnym występowaniu szerokich obszarów całkowicie pustych, co jest szczególnie niekorzystne zwłaszcza w zakresie promieniowania czerwonego. Źródłem promieniowania w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie w mieszaninie par rtęci i jodków metali np. sodu, skandu, talu, indu lub tzw. ziem rzadkich np. dysprozu, tulu i holmu nazywanych halogenkami. Dzięki temu widmo promieniowania lamp metalohalogenkowych jest znacznie bogatsze niż w przypadku lamp rtęciowych, a ich światło postrzegane jest jako białe w odróżnieniu od nieprzyjemnej, chłodnej, niebiesko-zielonej barwy promieniowania rtęci. Bogate, wieloliniowe widmo promieniowania lamp metalohalogenkowych charakteryzuje się doskonałymi właściwościami oddawania barw. Źródłem światła w lampie metalohalogenkowej jest wyładowanie zachodzące w jarzniku kwarcowym. Jarznik umieszczony jest w szklanej, próżniowej bańce o kształcie cylindrycznym lub elipsoidalnym. Bańka zewnętrzna może być przezroczysta lub pokryta warstwą rozpraszającą światło. Lampa wyposażona jest w metalowy, gwintowany trzonek. Lampy metalohalogenkowe są energooszczędnymi źródłami światła o szczególnie dobrych właściwościach oddawania barw. Są one przeznaczone do oświetlenia wnętrz przemysłowych i dużych wnętrz użyteczności publicznej takich jak zamknięte obiekty sportowe, hale dworcowe, sale widowiskowe itp. oraz do oświetlenia zewnętrznego wielu obiektów architektonicznych o charakterze reprezentacyjnym. Ze względu na dobre oddawanie barw nadają się szczególnie do oświetlania terenów z sygnalizacją świetlną takich jak perony i tereny kolejowe oraz skrzyżowania drogowe. Powinny być one stosowane wszędzie tam gdzie właściwe postrzeganie barw przy oświetleniu sztucznym ma duże znaczenie estetyczne lub związane z bezpieczeństwem, a równocześnie wymagane jest uzyskanie wysokiego poziomu natężenia oświetlenia przy niskim zużyciu energii elektrycznej. Lampy metalohalogenkowe zapewniają światło o najwyższej jakości przy minimalnym zużyciu energii elektrycznej.
Lampy metalohalogenkowe średnich mocy
Lampy metalohalogenkowe (MH) są nowoczesnymi, energooszczędnymi źródłami światła o szczególnie dobrych właściwościach barwowych. Łączą one zalety wysokiej skuteczności świetlnej i zdolności wiernego oddawania barw oświetlanych przedmiotów, a także wysokiej trwałości. Pod względem energooszczędności ustępują tylko lampom sodowym, pozostawiając daleko w tyle tradycyjne lampy rtęciowe. Ich oddawanie barw jest uznawane za jedne z najlepszych wśród sztucznych źródeł światła. Zwarta budowa lamp MH pozwala na dobrą kontrolę optyczną promieniowania za pomocą układów optycznych opraw oświetleniowych.
Te cechy sprawiają, że lampy metalohalogenkowe są atrakcyjnymi źródłami światła, chętnie wykorzystywanymi, między innymi, do oświetlania sklepów gdzie niskie koszty eksploatacji i dobra jakość światła są ważne. Ze względu na dużą trwałość lampy MH są także przydatne w budynkach o wysokich stropach i w innych zastosowaniach, w których oświetlenie jest stale w użyciu przez wiele godzin. Są one popularne w wysokich i niskich wnętrzach przemysłowych, dużych obiektach handlowych, halach targowych i magazynach. Lampy MH stosuje się w salach widowiskowych i zamkniętych obiektach sportowych. W oświetleniu zewnętrznym są stosowane do oświetlenia stadionów i boisk oraz do oświetlania wielu obiektów architektonicznych o charakterze reprezentacyjnym. Ze względu na dobre oddawanie barw lampy metalohalogenkowe nadają się szczególnie do oświetlania miejsc z barwną sygnalizacją świetlną takich jak perony i tereny kolejowe oraz ulice i skrzyżowania drogowe. Powinny być one stosowane wszędzie tam gdzie właściwe postrzeganie barw przy oświetleniu sztucznym ma duże znaczenie estetyczne lub związane z bezpieczeństwem, a równocześnie wymagane jest uzyskanie wysokiego poziomu natężenia oświetlenia przy niskim zużyciu energii elektrycznej.
Lampy metalohalogenkowe są dostępne w zakresie niskich, średnich i wysokich mocy od 35 do 2000 W.
Rys. 1. Typowe lampy metalohalogenkowe średnich mocy produkowane są w przezroczystych bańkach cylindrycznych lub elipsoidalnych bańkach rozpraszających.
Budowa i działanie
Źródłem promieniowania w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie zachodzące w naczyniu wyładowczym nazywanym zwykle jarznikiem lub rurką wyładowczą. Jarznik jest umieszczony w szklanej, próżniowej bańce zewnętrznej o kształcie cylindrycznym lub elipsoidalnym. Bańka zewnętrzna może być przezroczysta lub pokryta warstwą rozpraszającą światło. Lampa wyposażona jest w metalowy, gwintowany trzonek.
Wielu producentów oferuje także wykonania w przezroczystej, dwustronnie trzonkowanej bańce rurowej.
W lampach średniej mocy jarznik jest na ogół wykonany z kwarcu. Naczynie wyładowcze zawiera gaz zapłonowy (zazwyczaj argon), rtęć i halogenki metali. Tradycyjne jarzniki kwarcowe mają kształt podobny do jarzników rtęciowych, ale pracują przy wyższych temperaturach i ciśnieniach.
Rys. 2. Do specjalnych opraw produkowane są lampy metalohalogenkowe średnich mocy w bańkach rurowych, dwustronnie trzonkowanych.
W najnowszych konstrukcjach lamp stosowane są już jarzniki wykonane z przeświecalnej ceramiki z polikrystalicznego tlenku glinu, tak jak w wysokoprężnych lampach sodowych lub lampach metalohalogenkowych niskich mocy. Wprawdzie obecnie lampy z jarznikami ceramicznymi są dostępne głównie z mocami poniżej 150W, to jednak średniej mocy lampy MH najnowszych takimi jarznikami zaczęły już pojawiać się na rynku.
Rys. 13.
W niektórych lampach jarzniki umieszczone są w dodatkowych, szklanych osłonach.
Tradycyjne, historycznie najstarsze typy lamp MH używają technologii z elektrodą zapłonową. W jarzniku znajdują się trzy elektrody: jedna elektroda zapłonowa i dwie elektrody główne (robocze). Konstrukcję obu typów jarznika przedstawia rysunek 4.
W jarznikach zawierających elektrodę zapłonową, w początkowej fazie zapłonu, wyładowanie zachodzi w gazie zapłonowym, w małej przestrzeni pomiędzy elektrodą zapłonową i główną.
Rys. 4. Konstrukcja jarzników wysokoprężnych lamp metalohalogenkowych.
W miarę wzrostu temperatury i odparowania czynników wyładowczych, zostaje zainicjowane wyładowanie pomiędzy obu elektrodami głównymi. Gdy lampa nagrzeje się, bimetaliczny wyłącznik odłącza elektrodę zapłonową od obwodu. Przy każdym zapłonie z elektrod rozpylany jest wolfram. W czasie życia lampy może on powodować ciemnienie ścianek jarznika, obniżając parametry świetlne lampy.
Lampy z zapłonem impulsowym nie mają elektrody zapłonowej. Zamiast tego współpracują z zapłonnikiem, który wspólnie ze statecznikiem zaświeca lampę używając serii wysokonapięciowych impulsów o typowej wartości 3 do 5 kV. W konstrukcji bez elektrody zapłonowej przestrzeń za elektrodą może być zredukowana, co pozwala ograniczyć straty cieplne. Zapłon za pomocą impulsów wysokonapięciowych zmniejsza rozpylanie wolframu dzięki szybszemu rozgrzewaniu elektrod przy zapłonie. Skraca się także czas osiągnięcia przez lampę pełnych parametrów. Technologia zapłonu impulsowego nie jest nowością. Początkowo była ona rozwinięta w wysokoprężnych lampach sodowych i także stosowana od lat w lampach MH niskiej mocy. Lampy MH z zapłonem impulsowym osiągają do 50% dłuższą trwałość niż lampy MH z elektrodą zapłonową, strumień świetlny wyższy do 32%, bielsze światło, wyższą skuteczność świetlną i lepsze utrzymanie strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji, a także pewniejszy zapłon w niskich temperaturach, nawet do -40oC, oraz szybszy zapłon na gorącej lampie, krótszy czas nagrzewania i szybszy ponowny zapłon na gorącej lampie.
Układ pracy lamp MH i rola statecznika
Tak jak inne wysokoprężne lampy wyładowcze, wszystkie lampy MH wymagają do pracy specjalnych stateczników. Wraz z zapłonnikami są one elementami konstrukcyjnymi opraw oświetleniowych. Stateczniki są potrzebne do ograniczania prądu pracy lamp i zapewnienia właściwego napięcia zasilania podtrzymującego wyładowanie w jarzniku i do zapłonu wyładowania.
W lampach MH z elektrodą zapłonową, tak jak w lampach rtęciowych, do zainicjowania wyładowania nie jest potrzebne żadne dodatkowe urządzenia zapłonowe. W lampach MH o zapłonie impulsowym, statecznik wraz z zapłonnikiem elektronicznym tworzą układ stabilizacyjno-zapłonowy dostarczający impulsu zapłonowego potrzebnego do zapłonu wyładowania w jarzniku. Lampy MH z elektrodą zapłonową mogą potrzebować od 10 do 20 minut dla powtórnego zapłonu lampy. Układy stabilizacyjno-zapłonowe do lamp z zapłonem impulsowym mogą zapewnić powtórny zapłon wyładowania w czasie od 2 do 8 minut od zaniku prądu, ponieważ dostarczają wysokonapięciowego impulsu do zainicjowania wyładowania.
Statecznik ogranicza prąd pracy płynący przez lampę po zapłonie. Zapewnienia on względnie stałą moc lampy dzięki regulacji prądu jej pracy przy typowych zmianach wartości napięcia zasilania.
W przypadku lamp MH średnich mocy najpopularniejsze są stateczniki magnetyczne. Niektórzy producenci oferują półprzewodnikowe, elektroniczne stateczniki do lamp metalohalogenkowych. Stateczniki elektroniczne zapewniają lepsze parametry przy lampach mniejszych mocy i mają wyższy współczynnik mocy, oszczędzają więcej energii, generują mniej ciepła, mają mniej niż 3% zmian w mocy wyjściowej i niższe koszty konserwacji. Zapłon przy wysokiej częstotliwości zmniejsza ciemnienie ścianek jarznika, co daje lepsze utrzymanie strumienia świetlnego, lepszą stabilność barwy i dłuższą trwałość lamp. Dodatkowo statecznik elektroniczny umożliwia ściemnianie lampy. Stateczniki elektroniczne są jednak używane głównie do lamp MH niskich mocy tzn. 150W i niżej.
Niektóre lampy MH średnich mocy z zapłonem impulsowym mogą pracować z układami stabilizacyjno-zapłonowymi od wysokoprężnych lamp sodowych.
W żadnym wypadku nie należy jednak adaptować opraw od rtęciówek do pracy z takimi lampami MH przez zamontowanie w nich zapłonnika elektronicznego. Zapłon lamp MH o konstrukcji z elektrodą zapłonową jest realizowany przy użyciu impulsów wysokonapięciowych, a ich stateczniki mają zazwyczaj lepszą izolację międzyzwojową i posiadają kostki montażowe o wyższej odporności na przebicia niż stateczniki lamp rtęciowych. Zastosowanie stateczników rtęciówkowych może prowadzić do przebić w różnych miejscach statecznika oraz do niewłaściwych parametrów lamp wskutek nie dostosowania prądów pracy.
Rys. 5. Układ pracy lampy metalohalogenkowej z zapłonem impulsowym.
Przy stosowaniu stateczników do lamp MH należy zawsze, ściśle przestrzegać zaleceń producenta lamp. Najnowsze konstrukcje lamp MH średniej mocy z jarznikami ceramicznymi są już dostępne jedynie w wersji z zapłonem impulsowym. Rysunek 5 przedstawia układ pracy lampy metalohalogenkowej z zapłonem impulsowym.
Pozycja pracy lampy
Pozycja pracy ma istotny wpływ na barwę promieniowania lamp metalohalogenkowych. Może także wpływać na ich trwałość. Ogólnie, najlepsze rezultaty w zakresie właściwości barwowych i trwałości, daje instalowanie lamp MH w pozycji pionowej – trzonkiem w górę, choć niektóre lampy pracują równie dobrze trzonkiem w dół. Istnieją również konstrukcje przeznaczone wyłącznie do instalowania w pozycji poziomej. W tym zakresie producenci podają strumień świetlny i inne właściwości lamp dla ściśle określonych pozycji pracy.
Nagrzewanie i powtórny zapłon
Tak jak wszystkie wysokoprężne lampy wyładowcze, również lampy MH nie osiągają swojego pełnego strumienia świetlnego natychmiast po zapłonie. Czas ich stabilizacji wynosi od kilku do 15 minut. W tym okresie osiągają one 90% pełnych parametrów świetlnych. Ten czas jest nazywany czasem nagrzewania lub stabilizacji. Podobnie, gdy lampa działa już przez dłuższy okres i zostanie wyłączona, nie może być natychmiast włączona powtórnie. Zanim możliwy będzie powtórny zapłon wyładowania jarznik musi ostygnąć. Ten czas jest nazywany czasem ponownego zapłonu. Dla tradycyjnych lamp z elektrodą zapłonową, czas ponownego zapłonu może dochodzić do 15 minut lub nawet więcej, ale dla lamp z zapłonem impulsowym jest on krótszy i wynosi zazwyczaj kilka minut. Różnice w czasie stabilizacji i czasie ponownego (powtórnego) zapłonu lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym pokazuje rysunek 7.
Rys. 7. Różnice w czasie stabilizacji i czasie ponownego zapłonu lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym.
Charakterystyki lamp metalohalogenkowych
Cechy lamp MH średnich mocy, takie jak bardzo dobre oddawanie barw, białe światło, wysoka skuteczność świetlna zapewniająca energooszczędne działanie i wysoka trwałość, sprawiają, że są one doskonałymi źródłami światła do wielu zastosowań.
Skuteczność świetlna
Lampy MH z zapłonem impulsowym mają wyższą skuteczność świetlną od lamp z elektrodą zapłonową. Stosując je, dla uzyskania zamierzonego efektu oświetleniowego można użyć mniejszej liczby lamp danej mocy lub tej samej liczby źródeł, lecz o mocy obniżonej. Zmniejszy to moc zainstalowaną i przyniesie oszczędności. W każdym z tych przypadków należy jednak pamiętać o zastosowaniu właściwych opraw zapewniających rozsył światła umożliwiających osiągnięcie pożądanych kryteriów poziomu i równomierności oświetlenia. Różnice w skuteczności świetlnej lamp MH z różnymi typami zapłonu przedstawia rysunek 8.
Rys. 8. Początkowa skuteczność świetlna lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym.
Spadek strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji
Z czasem eksploatacji źródeł światła, ich strumień świetlny ulega obniżeniu. Tempo tego spadku jest odmienne dla różnych rodzajów lamp. Im lepsze jest utrzymanie strumienia świetlnego tym rzadziej trzeba dokonywać wymiany. W lampach MH z elektrodą zapłonową strumień świetlny ulega zmniejszeniu do około 65 % wartości początkowej po 40 % trwałości znamionowej. W lampach z zapłonem impulsowym spadek ten jest mniejszy.
Rysunek 9 przedstawia utrzymanie strumienia świetlnego w lampach metalohalogenkowych z różnymi typami zapłonu.
Rys. 9. Utrzymanie strumienia świetlnego w trakcie eksploatacji dla lamp MH z elektrodą zapłonową i z zapłonem impulsowym.
Trwałość lamp
Jako trwałość znamionowa lamp metalohalogenkowych, tak jak dla innych źródeł światła, podawana jest ich trwałość średnia. Jest ona określana jako czas pracy, po którym połowa lamp przestaje świecić. W trakcie badań lampy świecą w cyklu 11 godzin świecenia na 1 godzinę wyłączenia. Lampy MH średnich mocy wykonane w technologii kwarcowej osiągają trwałość znamionowa w zakresie od 6.000 do 15.000 godzin z zależności od konstrukcji jarznika i typu zapłonu. Najniższą trwałość nie przekraczającą około 8.000 godzin mają lampy z kwarcowym jarznikem spłaszczowym i elektrodą zapłonową.
Rys. 10. Porównanie średniej trwałości znamionowej lamp MH z różnymi rodzajami jarzników.
Skrajnie wysoką trwałość, nawet powyżej 20.000 godzin, osiągają lampy z jarznikami ceramicznymi pracujące w cyklu ciągłym. Podstawowym czynnikiem wpływającym na uzyskiwaną trwałość jest konstrukcja i technologia wykonania jarznika.
Eksploatacja lamp MH do kresu ich trwałości zwiększa prawdopodobieństwo pęknięcia jarznika. Powoduje to niebezpieczeństwo eksplozji bańki zewnętrznej, narażające użytkowników na spadające odłamki szkła. Dlatego lampy MH powinny być wymieniane grupowo, jeszcze przed wygaśnięciem. Porównanie średniej trwałości znamionowej lamp MH z różnymi rodzajami jarzników przedstawia rysunek 10.
Widmo promieniowania, właściwości barwowe
Widmo promieniowania tradycyjnych lamp rtęciowych, w zakresie widzialnym, składa się zaledwie z kilku silnych linii przy równoczesnym występowaniu szerokich obszarów całkowicie pustych, co jest szczególnie niekorzystne zwłaszcza w zakresie promieniowania czerwonego.
Źródłem promieniowania w lampach metalohalogenkowych jest wyładowanie w mieszaninie par rtęci i tzw. halogenków, którymi mogą być jodki metali np. sodu, skandu, talu, indu lub tzw. ziem rzadkich np. dysprozu, tulu i holmu. Dzięki temu widmo promieniowania lamp metalohalogenkowych jest znacznie bogatsze niż w przypadku lamp rtęciowych, a ich światło postrzegane jest jako białe w odróżnieniu od nieprzyjemnej, chłodnej, niebiesko-zielonej barwy promieniowania rtęci. Bogate, wielo liniowe widmo promieniowania lamp MH charakteryzuje się doskonałymi właściwościami oddawania barw.
Lampy MH dostarczają światła białego o różnych temperaturach barwowych z zakresu od 3200 do 5200 K, ze wskaźnikiem oddawania barw CRI w zakresie od 65 do 70, ale mogą mieć także CRI o wartości 90 lub wyżej.
Lampy metalohalogenkowe konkurują obecnie z wysokoprężnymi lampami sodowymi w zastosowaniach do oświetlenia ulicznego, oświetlenia autostrad, oświetlenia bezpieczeństwa i terenów spacerowych. Lampy sodowe mają wprawdzie wyższą skuteczność świetlną tzn. dostarczają wyższego strumienia świetlnego z 1 Wata mocy, użytecznego przy widzeniu fotopowym, ale bielsze światło lampy MH zapewnia lepsze widzenie peryferyjne przy niższych poziomach oświetlenia.
Rysunek 11 przedstawia przykładowe rozkłady widmowe promieniowania lamp metalohalogenkowych.
Powtarzalność i stabilność barwy
Nawet w fabrycznie nowych lampach MH zdarzają się różnice barwy światła miedzy poszczególnymi egzemplarzami. Lampy MH mogą także w istotny sposób zmieniać barwę promieniowania z czasem eksploatacji. Te różnice są zazwyczaj łatwe do zauważenia dla użytkowników. Zjawisko takie może być minimalizowane, przy uruchamianiu nowych instalacji lub przy grupowych wymianach, dzięki użyciu źródeł światła tego samego typu i pochodzących od jednego producenta. Lepszą stabilność barwy uzyskują lampy MH z zapłonem impulsowym, zwłaszcza te z jarznikiem ceramicznym. Zmiany ich temperatury barwowej wynoszą nie więcej niż 200 K w całym czasie użytkowania, podczas gdy w lampach z elektrodą zapłonową mogą wynosić nawet ponad 500 K. Rysunek 12 przedstawia zmiany temperatury barwowej lamp MH z czasem ich eksploatacji.
Rys. 12. Zmiany temperatury barwowej lamp MH z czasem ich eksploatacji.
Względy bezpieczeństwa przy eksploatacji lamp MH
W jarznikach lamp MH, podczas pracy panuje wysokie ciśnienie czynników wyładowczych. Bańki lamp tego typu mogą ulegać eksplozji w wypadku awarii polegającej na pęknięciu jarznika. Wielu producentów opraw stosuje specjalne środki zabezpieczające użytkowników przed powstaniem szkód. Dobrej jakości oprawy do lamp MH posiadają szyby hartowane lub osłony ze specjalnego tworzywa zabezpieczające przed spadaniem gorących okruchów szkła lub innych części lampy w wypadku awarii źródła światła. Takie spadające przedmioty mogą stanowić zagrożenie dla osób przebywających w pomieszczeniach lub grozić spowodowaniem pożaru. Spotyka się lampy MH, w których jarzniki umieszczone są w dodatkowych, szklanych osłonach, a bańki zewnętrzne pokrywane są warstwą teflonu zabezpieczającego przed rozsypaniem części lampy w wypadku jej eksplozji. Umożliwia to bezpieczne stosowanie tego typu lamp MH w oprawach otwartych. Lampy bez takich zabezpieczeń nie powinny być raczej używane w tych oprawach. Producenci lamp MH podają zwykle szczegółowe zalecenia, co do warunków i typu opraw, w których lampy mogą być użyte.
Jarzniki lamp MH są źródłem promieniowania UV szkodliwego dla skóry i oczu człowieka. Dlatego w przypadku, gdy bańka zewnętrzna uległa zniszczeniu, a jarznik działa nadal, lampy powinny być bezwzględnie wymieniane, ponieważ tylko niektóre typy posiadają rozwiązania konstrukcyjne uniemożliwiające pracę jarznika ze zniszczoną bańką.
W instalacjach zawierających lampy MH świecące w sposób ciągły, co pewien czas należy dokonywać, co najmniej kilkunastominutowego wyłączenia. Lampy, którego takim kontrolnym wyłączeniu nie zapalają, lub których zapłon jest wyraźnie utrudniony, powinny być bezwzględnie wymienione. Takie okresowe wyłączenia pomagają wykryć te źródła światła, które z dużym prawdopodobieństwem w najbliższym czasie ulegną awarii w wyniku pęknięcia jarznika i eksplozji bańki.
Rys. 13. W niektórych lampach jarzniki umieszczone są w dodatkowych, szklanych osłonach.
Autor: Marek Kołakowski, Artykuł z wortalu LIGHTING.PL 
