2.3.3. Газоразрядные источники света

В газоразрядных лампах излучение оптического диапазона спектра возникает в результате электрического разряда в атмосфере инертных газов, паров металла или их смесей. Такие лампы обычно выполняются в виде стеклянных или кварцевых колб, в которые впаиваются два (иногда три) электрода – анод и катод. Колба наполняется тем или иным газом при различных давлениях. Если между электродами приложить напряжение, свободные ионы газа начнут перемещаться к катоду, а свободные электроны – к аноду. При этом ионы образуют пространственный заряд вблизи катода, а электроны – вблизи анода. Поскольку скорость ионов значительно меньше скорости электронов, пространственный заряд, а следовательно, и падение напряжения вблизи катода будет больше, чем у анода. За счет значительной разности потенциалов вблизи катода ионы резко увеличивают скорость и при ударе о катод выбивают из него электроны, которые при движении к аноду ионизируют газ, поддерживая тем самым непрерывным процесс разряда. Такой разряд называется тлеющим. Если катод разогревается, например, за счет бомбардировки его ионами (при увеличении напряжения источника) или внешним источником, то возникает термоэмиссия, в результате которой число электронов, вылетающих с катода, значительно увеличивается. Такой разряд называется дуговым. При этом уменьшается потенциал у катода и значительно увеличивается ток лампы [12].

Электромагнитный спектр газового разряда определяется родом газа и пара, давлением и температурой газа. При низких давлениях и температуре излучение газа имеет линейчатый спектр, причем интенсивность спектральных линий в видимой области спектра мала. Соответственно низка и яркость такого источника. Кроме того, линейчатый спектр излучения не обеспечивает правильной цветопередачи при проекции цветных фильмов. С увеличением давления и температуры линии спектра расширяются. При сверхвысоких давлениях 1-3 МПа (10-30 ат), когда атомы газа находятся очень близко друг от друга и хаотически сталкиваются, кроме линейчатого спектра, присущего данному газу, возникает интенсивное излучение сплошного спектра. Название газа, в котором происходит разряд, дает и название лампе.

Ртутные лампы сверхвысокого давления

Ртутные шаровые лампы сверхвысокого давления (СВДШ) представляют собой толстостенную кварцевую колбу шаровой (или эллиптической) формы, в которую впаяны на малом расстоянии друг от друга два вольфрамовых активированных электрода конусообразной формы для фиксации разряда. Для облегчения зажигания лампы часто снабжаются дополнительным электродом из вольфрама. Лампы наполняются строго дозированным количеством ртути и инертным газом. Давление паров ртути достигает 1-7 МПа (10-70 ат). Светящаяся часть разрядного промежутка имеет небольшие размеры и высокую яркость. Форма дуги разряда зависит от температуры электродов и может быть цилиндрической, бочкообразной или стянутой к катодам [12]. Поскольку электроды расположены близко друг от друга, лампы СВДШ могут работать от сети 127 или 220 В. Время разгорания ламп – 2…5 мин. Срок службы в зависимости от типа ламп и условий эксплуатации меняется от 50 до 500 ч. Лампы выпускаются мощностью от 50 Вт до 2 кВт и отличаются высокой яркостью – (30-170)х10⁷ кд/м². Световая отдача ламп составляет 50-60 лм/Вт, что примерно в два раза больше, чем у проекционных ламп накаливания.

Излучение ртутных ламп СВДШ имеет линейчатый спектр с непрерывным фоном. Почти все видимое излучение сосредоточено в четырех линиях сине-зеленой части спектра. Доля красного света в видимом излучении составляет всего лишь около 4-6 %. Некоторое улучшение цветности ртутных ламп СВДШ достигается путем добавления кадмия и цинка. Однако это снижает их светоотдачу.

Важнейшим достоинством ртутных ламп СВДШ является их высокая яркость. Вместе с тем эти лампы имеют ряд существенных недостатков:

- длительное время разгорания (2-5 мин);

- необходимость остывания лампы для повторного зажигания;

- возможность разрыва колбы при очень высоких давлениях;

- вредное влияние от облучения ультрафиолетом;

- плохая цветопередача вследствие малого излучения, особенно в длинноволновой (красной) части видимого спектра. В табл. 2.3 приведены основные параметры некоторых ртутных короткодуговых ламп фирмы OSRAM. Основными отличительными характеристиками этих ламп являются: высокая яркость, линейчатый спектр, высокая мощность излучения (световой поток) в видимом диапазоне, работа от постоянного и/или переменного тока [17].

Таблица 2.3

Параметры ртутных короткодуговых ламп постоянного тока фирмы OSRAM

Ксеноновые лампы сверхвысокого давления

В ксеноновых газоразрядных лампах источником излучения являются атомы ксенона, возбужденные действием электрического разряда между двумя электродами 4 и 6 (рис. 2.7)

Рис. 2.7. Устройство ксеноновой лампы

Ксенон обеспечивает наиболее стабильное положение разряда. Колба 5 лампы, имеющая в центральной части шаровую (Ш) или эллипсоидную (Эл) форму, сделана из кварцевого стекла, а электроды – из вольфрама. Электрический ток к электродам подводится через цилиндрические вводы 2, снабженные контактными болтами 1. Между электродами и стальными вводами помещается молибденовая фольга 3 (толщиной примерно 0,06 мм). Давление газа ксенона внутри колбы в холодном (нерабочем) её состоянии составляет от 0,5 до 1 МПа (5-10 ат) в зависимости от мощности лампы. В горячем (рабочем) состоянии давление повышается до 1,5-3 МПа (15-30 ат). Для зажигания лампы к её электродам подается высоковольтное напряжение порядка 15-30 кВ. При горении лампы в режиме номинальной потребляемой мощности рабочее напряжение питания равно 20-40 В и зависит от типа и мощности лампы.

Во время горения лампы её электроды интенсивно нагреваются, поэтому они должны принудительно охлаждаться. Применяется как воздушное, так и водяное охлаждение электродов и контактов. При водяном охлаждении в лампах мощностью 3 кВт и более вместо молибденовой фольги токопроводом служит полая металлическая трубка, через которую непрерывно пропускается холодная вода. Лампы с водяным охлаждением делаются разборными и обозначаются ДКсР в отличие от неразборных ламп с воздушным охлаждением типа ДКсШ или ДКсЭл. Цифра, следующая после буквенного обозначения, показывает мощность лампы, например, ДКСШ-1000 (Д – дуговая, КС – ксеноновая, Ш – шарообразная, мощность – 1000 Вт).

Газоразрядные ксеноновые лампы, по сравнению с ранее рассмотренными источниками света, обладают определенными достоинствами:

- спектральный состав излучения ксеноновых ламп хорошо согласуется со спектром дневного солнечного света, что имеет существенное значение для обеспечения правильной цветопередачи при проекции цветных фильмов. Цветовая температура ксеноновых ламп равна 6500 К;

- при изменении силы электрического тока, питающего ксеноновую лампу, спектральный состав её излучения практически не изменяется;

- яркость и световой поток у ксеноновых ламп изменяется по величине приблизительно пропорционально изменению силы тока, протекающего через электроды. Это позволяет использовать один и тот же тип лампы для получения различных по величине световых потоков, обеспечивающих стандартную яркость на киноэкранах различных размеров. При этом качество цветопередачи остается неизменным.

- ксеноновые лампы можно питать как постоянным, так и переменным током. В последнем случае возможно осуществлять безобтюрационную кинопроекцию, так как продергивание кинофильма на шаг кадра можно производить в промежутке между двумя световыми импульсами, периодически излучаемыми лампой в соответствии с частотой питающего переменного тока.

Вместе с тем следует отметить, что дуга переменного тока, находящаяся под высоким давлением, наиболее интенсивно разрушает электроды лампы, что сокращает срок её службы.

В лампах постоянного тока анод делают больших размеров, чем катод, поскольку он нагревается электронной бомбардировкой и конвекцией газа, в то время как катод охлаждается за счет эмиссии электронов.

К недостаткам ксеноновых ламп относятся:

- необходимость применения специальных высоковольтных устройств для их зажигания и электропитания и опасность взрыва колбы вследствие большого внутреннего давления;

- инфракрасное (тепловое) и ультрафиолетовое излучение. В отличие от обычного стекла кварц прозрачен для ультрафиолетовых лучей, что приводит к ионизации воздуха и вызывает образование озона и окислов азота, которые вредны для человека и должны удаляться из осветительной системы принудительной вентиляцией;

- неравномерность яркости разряда в промежутке между электродами лампы.

В табл. 2.4, 2.5, 2.6 и 2.7 приведены основные параметры отечественных и зарубежных ксеноновых ламп [16,17,18,19]. В маркировках ламп фирмы OSRAM (табл. 2.5) приняты следующие буквенные обозначения:

Н – подходит для горизонтального рабочего положения;

OFR – безозонообразующее исполнение;

S – укороченная форма (short);

XL – увеличенный срок службы.

Ксеноновые лампы фирмы USHIO (табл. 2.6) могут работать как в вертикальном, так и в горизонтальном положении с допустимым углом наклона ±15⁰, имеют безозонное исполнение и требуют принудительного воздушного охлаждения со скоростью потока воздуха от 4 м/с до 13 м/с соответственно для ламп наименьшей и наибольшей мощности.

В маркировках ламп фирмы PHILIPS (табл. 2.7) используются следующие буквенные обозначения:

Н – горизонтальное рабочее положение;

S – укороченная форма (short);

НЕ – добавлен гелий.

Таблица 2.4

Параметры отечественных ксеноновых ламп

Таблица 2.5

Параметры ксеноновых ламп фирмы OSRAM

Таблица 2.6	Параметры ксеноновых ламп фирмы USHIO
Таблица 2.7	Параметры ксеноновых и гелий-ксеноновых ламп фирмы PHILIPS

Металлогалогенные лампы

Металлогалогенные лампы представляют собой дуговые газоразрядные лампы. В кварцевую колбу такой лампы, в которую впаяны два вольфрамовых электрода, вводится, помимо смеси ксенона и аргона, небольшое количество ртути, а также йодида ртути, натрия, лития, таллия, индия и избыточного йода [12]. При зажигании лампы с помощью высоковольтного напряжения (800 В) ртуть быстро испаряется и обеспечивает стабильный разряд между электродами при рабочем напряжении питания.

В процессе горения лампы происходит испарение йодидов металлов, которые в зоне разряда с температурой до 6000 К распадаются на свободные атомы металла и йода. Вблизи стенок колбы, где температура составляет примерно 1000 К, атомы йода и металлов соединяются и вновь образуют газообразное вещество – йодиды металлов, поэтому после зажигания металлогалогенной лампы в колбе начинается галогенный цикл. Активное участие в газовом разряде принимают свободные атомы металлов и йода, образовавшиеся в результате галогенного цикла.

Спектральные линии свечения металлических присадок и йода лежат в видимой области спектра, поэтому светоотдача металлогалогенных ламп достигает 90 лм/Вт и выше. Цветовая температура излучения близка к цветовой температуре солнечного света (6000 К) при коэффициенте цветопередачи R_a > 90.

Кроме повышения световой отдачи и улучшения световой характеристики, использование галогенного цикла в газоразрядных лампах защищает колбу от агрессивного воздействия металла натрия. К тому же ультрафиолетовое излучение у металлогалогенных ламп значительно меньше, чем у ксеноновых ламп. Распределение излучения по спектру различных ламп приведено в табл. 2.8 [12].

Особенностями работы таких ламп являются возможность повторного зажигания из горячего состояния и регулирование светового потока лампы.

Таблица 2.8

Распределение излучения по спектру различных источников света в относительных единицах

Источник света	УФ-область (0,330-0,380 мкм)	Видимая область (0,38 – 0,78 мкм)	Световой поток	ИК-область (0,78-1400 мкм)
Металлогало-генная лампа	100	100	100	100
Лампа накаливания 3000 К	12	25	21	90
Лампа накаливания 3400 К	25	34	43	85
Ксеноновая лампа	200	70	50	80

Наибольший ассортимент металлогалогенных ламп производит фирма OSRAM. Лампы серии HMI выпускаются с большим диапазоном мощностей – от 200 до 18000 Вт, имеют световую отдачу до 100 лм/Вт, цветовую температуру порядка 6000 К, коэффициент цветопередачи R_a > 90 и разделяются на четыре конструктивных исполнения (рис.2.8) [17].

Двухцокольное исполнение (рис. 2.8, а). Лампы выполнены с использованием традиционной геометрии для двухцокольных ламп, например ксеноновых, и питаются переменным током.

а)

б)

в)

Рис. 2.8. Конструктивные исполнения металлогалогенных ламп:

а- двухцокольные, б-одноцокольные, в-одноцокольные с наружной колбой

Возросшая в последнее время популярность ламп типа GS (Gap Short) с уменьшенным межэлектродным расстоянием объясняется тем, что эта технология позволяет концентрировать большее количество светового потока вблизи оптического центра источника света, при этом снижаются потери световой энергии и тем самым увеличивается световая эффективность светооптической системы. Также немаловажную роль играет то, что для этих ламп стандартом является Super Quiet (сверхтихие).

Одноцокольное исполнение без наружной колбы (рис. 2.8,б). Такие лампы были разработаны для применения в малогабаритных световых приборах, где, тем не менее, требуется высокая яркость. Несмотря на небольшие размеры эти лампы обладают всеми преимуществами ламп серии HMI.

Одноцокольное исполнение с наружной колбой (рис. 2.8, в). Наличие наружной колбы гарантирует более простое обслуживание лампы, её большую безопасность и позволяет производить улучшенную, по сравнению с двухцокольными, регулировку светового потока. Ещё одним достоинством этих ламп является возможность работы в любом положении и возможность повторного зажигания из горячего состояния.

Лампа с отражателем. Это исполнение обычно разрабатывается под определенную светооптическую систему в соответствии с требованиями заказчика. Например, лампа HMI1200PAR64, в которой источник излучения мощностью 1200 Вт герметично запаян в интерференционный отражатель PAR64 диаметром 64 мм, который отражает видимую часть спектра и пропускает через себя тепловые ИК-лучи.

В табл. 2.9 и 2.10 приведены параметры металлогалогенных ламп серии HMI фирмы OSRAM. Кроме ламп HMI можно выделить еще одну, довольно большую группу металлогалогенных источников света фирмы OSRAM – это лампы серий HTI, HSR, HSD и HMP. Для них также характерна высокая световая отдача от 60 до 100 лм/Вт. Спектр излучения близок к спектру солнечного света, а коэффициент цветопередачи R_a = 80-95, что говорит об очень хорошей передаче ими цветов.

Компактные короткодуговые металлогалогенные лампы HTI имеют три основных конструктивных исполнения: одноцокольные, двухцокольные и с интерференционным отражателем. Разновидностью двухцокольных ламп HTI являются лампы Baby Shar XS HTI мощностью от 250 до 575 Вт и SharXSHTI с диапазоном мощностей от 200 до 1500 Вт. Эти лампы имеют одинаковые размеры и расстояние до светового центра при различной мощности, отъюстированный цоколь с пазом, короткую световую дугу (3-7 мм), высокую среднюю яркость (300-600 Мкд/м²), аналогичную дневному свету цветовую температуру 6000 К и «Bright Light» (яркий свет) с цветовой температурой 7500-8000 К, коэффициент цветопередачи R_a > 85, высокую термическую устойчивость благодаря технологии XS, возможность зажигания из горячего состояния и большой срок службы – до 3000 ч.

Металлогалогенные лампы серии HMP обеспечивают режим регулировки светового потока и повышения рабочего напряжения, возможность зажигания из горячего состояния, долгий срок службы при работе с номинальной мощностью и оптимизированный спектр излучения для проекции в кино- и видеопроекторах.

Одноцокольные лампы серии HSR аналогичны лампам HTI, но имеют наружную защитную колбу для более удобного обращения и лишены возможности повторного зажигания из горячего состояния. Лампы HSD являются модификацией ламп HSR и специально рассчитаны на длительный срок эксплуатации с вдвое большим сроком службы. В табл. 2.11 приведены параметры ламп HTI, HSR, HMP и HSD.

Развитие цифрового кинематографа потребовало новых подходов к технологии и производству источников света. Спектральное распределение силы света таких ламп должно быть адаптировано к спектральным характеристикам цветных светофильтров цифровых проекторов. В видеопроекторе размеры кадра на модулирующей матрице, как правило, меньше размеров кадра на кинопленке. При этом меньший размер кадра требует минимального межэлектродного промежутка (дуги) газоразрядных ламп. В этом случае плотность светового потока в кадре существенно возрастает, обеспечивая высокую яркость.

Наиболее простой способ получить максимальную яркость в маленькой апертуре – это использование катодного электрода острой формы. В этом случае электрический ток сконцентрирован на меньшем поперечном сечении и создает более высокую плотность плазмы перед катодом.

Однако при этом острый конец катодного электрода быстро испаряется и плазменная дуга смещается от оптической оси проектора в направлении катодного электрода, ухудшая равномерность освещенности модулирующей матрицы и снижая срок службы лампы.

Использование катодных электродов с плоской излучающей поверхностью несколько снижает яркость лампы, но за счет более длительного сохранения своей формы в процессе работы увеличивает срок её службы и обеспечивает большую стабильность пространственных характеристик распределения света в плоскости кадра [20].

Сокращение длины дуги лампы дает возможность увеличить световую эффективность, но приводит к снижению потребляемой мощности и соответствующему уменьшению светового потока. Потребляемая мощность ксеноновых ламп определяется главным образом тремя параметрами: длиной дуги, давлением ксенона и током дуги.

Таблица 3.7	Параметры одноцокольных металлогалогенных ламп HMI
Таблица 3.8	Параметры двухцокольных металлогалогенных ламп HMI

Таблица 2.11

Параметры металлогалогенных ламп HTI, HSR, HMP и HSD

При уменьшении длины дуги для сохранения необходимого светового потока нужно увеличить давление ксенона или ток дуги, или то и другое вместе. Увеличенное давление в колбе требует наличия высокопрочного кварцевого стекла для колбы лампы, технологии изоляции и высокой точности в изготовлении, которая гарантируется только при автоматизированном производстве.

Разработка новых типов ламп с меньшим диаметром колбы позволяет увеличить их световую эффективность, уменьшить массо-габаритные параметры и потребляемую мощность. Увеличение световой эффективности таких ламп объясняется тем, что меньший диаметр стеклянной колбы лампы не экранирует световые лучи от зеркального отражателя вблизи оси лампы [20]. Однако меньший диаметр колбы лампы имеет и свои недостатки: кварцевое стекло колбы в этом случае находится вблизи плазмы, температура которой достигает несколько тысяч градусов. При уменьшении габаритов колбы необходимо достаточное охлаждение, а также магнитная стабилизация положения разряда дуги в правильном положении относительно оптической оси проецируемого изображения.

Кроме того, в цифровых системах видеопоказа с большой загруженностью оборудования возникает необходимость повторного зажигания лампы из горячего состояния, что может привести к снижению срока службы лампы или выходу её из строя. Поэтому технологические требования к конструкции таких ламп являются гораздо более высокими.

С учетом требований к источникам света для цифровой проекции были разработаны лампы, подходящие для применения в современных светоклапанных проекторах (видеопроекторах) на основе ЖК-технологии или оптико-механических модулей на базе микрозеркальных чипов. Особенностями и техническими преимуществами таких ламп являются:

- короткая дуга;

- очень высокая яркость;

- большой срок службы;

- высокая световая отдача;

- специально подобранный спектральный цвет;

- возможность зажигания из горячего состояния.

Компания OSRAM выпускает ксеноновые короткодуговые лампы специально для цифрового кино. В табл. 2.12 приведены параметры таких ламп. В табл. 2.13 представлены аналоги ксеноновых ламп различных фирм, используемые в цифровых кинопроекторах [17, 21] и приняты следующие обозначения:

• LA – увеличенный световой поток;

• OFR – безозонообразующее исполнение;

• DHT – цифровое высококачественное исполнение;

• DTP – цоколь с резьбовым штырьком (threaded pin);

• S – укороченная форма (short);

Таблица 2.12.

Ксеноновые короткодуговые лампы для цифрового кино фирмы OSRAM

OSRAM	PHILIPS	USHIO	CHRISTIE	ASL
-	-	PXL – 16SD	-	XD1600SD/G
-	-	PXL – 20BA	-	XD2000BA/G
XBO 2000W/HP OFR	-	-	-	XD2000HP/G
XBO 2000W/DTP OFR	LITX – 2000W - DC	-	CDXL - 20	XD2000HTP/G
-	-	-	CDXL – 20SD	XD2000SD/G
XBO 2000W/DHP OFR	-	DXL – 20BAF	-	XD2001HP/G
XBO 2200W/HP OFR	-	-	-	XD2200HP/G
XBO 3000W/DHP OFR	-	DXL – 30BAF	-	XD3000HP/G
XBO 3000W/HPS OFR	-	-	-	XD3000HPS/G
XBO 3000W/DTP OFR	LITX – 3000W - DC	-	CDXL - 30	XD3000HTP/G
-	-	-	CDXL – 30SD	XD3000SD/G
XBO 4000W/DHP OFR	-	DXL – 40BAF	-	XD4000HP/G
XBO 4200W/HPS OFR	-	PXL – 40SS	-	XD4200HPS/G
XBO 4500W/DHP OFR	-	DXL – 45BA	-	XD4500HP/G
XBO 4500W/DTP OFR	LITX – 4500W - DC	-	CDXL – 45	XD4500HTP/G
XBO 4500W/HLSA OFR	LITX – 4500W - DB	-	-	XD4500LA/G
-	LITX – 4500W - DN	DXL – 45SN		XD4500SN/G
-	LITX – 6000W - DN	DXL – 60SN	-	XD6000SN/G
XBO 6000W/DTP OFR	LITX – 6000W - DC	-	CDXL – 60	XD6001HTP/G
XBO 6500W/DHP OFR	-	DXL – 65BA	-	XD6500HP/G

Таблица 2.13

Аналоги ксеноновых ламп различных фирм