Поделиться:

FacebookTwitterGoogleVkontakteLinkedInOdnoklassniki


Исторический обзор

Работа дуговых ламп XBO – основана на горении короткого дугового разряда при больших токах в газе ксенон. Они были разработаны OSRAM в пятидесятых годах.С самого начала их основное назначение было как источник света в коммерческой кинопроекции, вместо угольных дуговых ламп, которые они стали очень быстро вытеснять. Лампы XBO стали особенно популярны приблизительно с 1970, когда были успешно разработаны лампы, которые могли работать не только в вертикальном но и в горизонтальном положении. Это позволило увеличить яркость киноэкрана примерно на 30 % с той же самой электрической мощностью.

За последние двадцать лет, надежность и срок службы ламп были постоянно улучшались благодаря совершенствованию компонентов и технологии. Сегодня производятся множество типов ламп с мощностями от 75 до 10 000 Вт.

oskar_osram

1. В 1984 OSRAM был присужден Оскар Американской академии киноисскуств и наук за разработку и совершенствование ламп XBO 4 Общее описание ламп XBO

light_osram

Рис 2. Горящая лампа XBO

XBO лампы принадлежат семейству газоразрядных ламп. В этих лампах, источником света является дуговой разряд между двумя электродами, горящий в чистом газе ксенон. Длина дуги равна расстоянию между этими двумя электродами и составляет несколько миллиметров даже при мощности в нескольких киловатт. Это означает что, лампа приближается к идеальному точечному источнику света.

Во время работы, давление внутри лампы достигает несколько десятков Бар, что позволяет получить высокий уровень излучения в имеющемся объеме при приемлемом рабочем напряжении. Рабочие напряжения находятся главным образом в пределах 20-30 V. Их крайние значения 15 и 60 В. Это делает необходимой, для получения нужной мощности, работу лампы на очень большом токе, который может достигать до 160 А. Электропитание лампы должно осуществляться от источника хорошо сглаженного постоянного тока.

Одно из главных фотометрических преимуществ XBO ламп, помимо их вышеупомянутого высокой яркости при маленьком размере источника света, является близость ее излучения к дневному свету. Цветовая температура излучения в среднем составляет 6200 K, что близко к цветовой температуре Солнца, и совсем немного отличается от теоретического значения , “естественного” света. Эта характеристика излучения не зависит от типа лампы, ее мощности, от режима, в котором она работает и не изменяется в течении эксплуатации.

Широкому применению этих ламп способствует их такое качество, как способность зажигаться не зависимо от их температуры, и полная световая отдача практически немедленно после включения.

Конструкция лампы. Термины

lamp_o

Рис. 3 Основные компоненты лампы XBO

Колба Лампы XBO – газоразрядные лампы с двумя выводами. На Рис. 3 показаны ее основные компоненты:

Баллон лампы из кварцевого стекла заполнен газом ксенон и в него помещается система электродов. Выпуклая часть баллона плавно переходит в горловины. Эти цилиндрические части называются в некоторых типах ламп трубками. “Нос” лампы, через который она заполняется ксеноном, называется штенгелем или отпаечным носом. Он расположен или на баллоне или на одной из трубок.

Электроды располагаются на одной оси таким образом, что между ними образуется небольшой промежуток. Именно в этом промежутке между электродами возникает и заполняет его весь разряд. Катод имеет меньший размер, а анод больший.

В большинстве типов лампы электроды установлены на электродных .стержнях.

Оба электрода установлены в лампу герметично.

Цоколи предназначены для внешнего подключения и механического крепления лампы. Один – цоколь катода (отрицательный полюс), другой – цоколь анода (положительный полюс).

Провод для зажигания огибает внешнюю сторону баллона.В зависимости от типа лампы он или идет от горловины до горловины или от горловины до цоколя.

Колба

Баллоны лампы XBO всегда сделаны из кварцевого стекла. Только оно может выдержать давление в несколько десятков Бар и температуру до 700°C.

В зависимости от назначения лампы форма ее колбы или круглая или овальная. Толщина стенки колбы несколько миллиметров. Для получения наилучшего изображения дуги, используется стекло наилучшего качества, не имеющее неоднородностей и пузырьков.

Обычно кварцевое стекло легируется или покрывается незаметным для человеческого глаза поглотителем ультрафиолетового излучения. Лампы XBO с баллонами, сделанными из чистого кварцевого стекла во время работы генерирует в воздухе озон ; который вреден для здоровья, если вдыхать его длительное время в большом количестве.

Электроды

Электроды в лампах XBO всегда делаются из вольфрама. Меньший электрод, катод, излучает электроны. Лучше всего для этого подходит вольфрам. Конфигурация катода с его относительно острым наконечником и (в некоторых типах) канавкой на нем, также способствует эмиссии электронов. Такая форма также способствует формированию устойчивому и ярко выраженному началу дуги, которая является необходимой для высокой концентрации излучаемого света непосредственно перед катодом, и для хорошей пространственной устойчивости дуги.

Анод  поглощает излучаемые катодом электроны, которые подлетают на большой скорости и тормозятся в нем. При этом выделяется энергия, которая ведет к нагреву. Эта теплота должна быть рассеяна, и излучена во внешнюю среду.Поэтому анод является большим и объемным, чтобы уменьшить его температуру. Это также увеличивает срок службы лампы. Его поверхность часто обрабатывается для увеличения способности излучать инфракрасные лучи. Такая обработка выглядит как тщательная полировка или покрытие серого цвета.

Помимо его формы, на долговечность анода влияют состав материала и его внутренняя структура. Ранее применялся чистый вольфрам. В настоящее время используется вольфрам с добавками, что в сочетании с со строго контролируемыми процессами тепловой и механической обработки, придающей металлу нужную внутреннюю структуру, существенно улучшает характеристики анода.

Существенное значение имеет то, как долго торец анода может сохранять свою форму. Степень износа анода сильно зависит от условий эксплуатации лампы.

Герметизация

Каждая лампа XBO имеет два герметичных уплотнения для подсоединения лампы к внешним электрическим цепям.

Как любой металл, вольфрам имеет очень большой тепловой коэффициент расширения, в то время как кварцевое стекло едва расширяется при нагревании. По этой причине вольфрамовый стержень электрода нельзя заделать непосредственно в стекло, поскольку металл разрушил бы кварцевое стекло при нагреве. Поэтому принимаются определенные меры в виде создания герметичного уплотнения между металлом и стеклом.

Способ номер 1: 

В качестве электрического проводника используется молибденовая фольга (см. рис. 4). Тонкая (тоньше волоса) 20-мм пластина фольги закрепляется с обоих сторон. Когда происходит нагрев, абсолютное увеличение толщины фольги в поперечном сечении настолько мало, что возникающих напряжений не достаточно для разрушения стекла. Этот метод затвора фольги используется для всех XBO ламп с малой мощности приблизительно до 300 ватт. Он не может использоваться для более высоких мощностей, поскольку тонкая фольга рассчитана на ток до 10 ампер.

folga_osram

Рис. 4 Принцип устройства затвора фольги

Способ номер 2:

Чтобы увеличить номинальный ток, можно сделать составное уплотнение, в котором несколько слоев фольги соединяются параллельно. Этот способ имеет следующие недостатки. Во-первых сложность в изготовлении (каждая фольга должна быть герметизирована отдельно) и во-вторых механическое соединение фольги к электроду и внешнему электрическому соединению. В результате получается трудная в изготовлении и ненадежная конструкция.

Способ номер 3: 

Этот способ называется “затвор молибденовой чаши”. Вместо многослойной фольги, соединенной в параллель, в нем применяется фольга в форме чаши. Недостаток этого способа – стоимость изготовления фольги такой формы и ненадежность ее крепления.

Способ номер 4:

Лучше всего, чтобы электрический ток протекал непосредственно через стержень электрода. Поскольку стержень не может прямо быть вделанным в кварцевое стекло, между ними должны быть прокладки с соответствующим коэффициентом теплового расширения. Такие прокладки изготавливаются из типов стекла, с различными коэффициентами расширения. Они располагаются таким образом, что их коэффициент падает от электрода к колбе лампы. То есть непосредственно к стержню электрода примыкает прокладка с наибольшим коэффициентом расширения, близким к коэффициенту металла, а к кварцевому стеклу – прокладка с наименьшим. Между ними располагается одна или две прокладки с промежуточными значениями коэффициента теплового расширения. Такая конструкция называется градуируемый затвор. Так как герметизирующее стекло подвергается давлению, оно имеет гребенчатую форму и своей выпуклой частью обращена во внутрь лампы (см. рис. 5). Эту часть стекла называют куполом затвора.

sposob4Градуируемый затвор считается самым надежным типом затвора. Для мощных ламп XBO. Поскольку герметизирующее стекло чувствительно к температуре, оно должно располагаться подальше от дуги и анода. Существуют и другие способы надежной установки электрода в лампе. Наиболее распространенные из них показаны на рис. 6:

ris6

Цоколь 

В капиллярном затворе вольфрамовый стержень имеет имеет опору на продолжительном участке, что улучшает надежность. Однако такая конструкция требует повышенной точности при изготовлении. В затворе диска имеется диск, форма которого похожа на клапан в автомобиле. Трубка, в которой установлен стержень электрода, имеет большой диаметр. В диск упирается вольфрамовая пружина. Главное преимущество этого типа – его надежность производства, которое гарантирует высокий уровень качества. Важная деталь конструкции градуируемого затвора – защита от окисления. Оно заключается в специальном стекле с относительно низкой точкой плавления, примыкающего к стержню электрода с внешней стороны. Его физические и химические свойства таким образом соответствуют свойствам вольфрама, что создается дополнительную герметичность. Два цоколя предназначены подключения к электрическим цепям и механического крепления лампы. Они представляют собой металлическую трубкой, закрепленную к рукавам лампы при помощи зажимного кольца и графитовой ленты. Для избежания деформаций, электрическое соединение цоколя со стержнем электрода осуществляется гибким проводником. Цоколи могут быть подключены при помощи резьбового подсоединения, при помощи цилиндрического контакта или их комбинации. Поверхность цоколя никелирована для улучшения электрического и теплового контактов. Полярность обычно обозначается в виде перфораций на цоколях, которые служат для дополнительного охлаждения.

Проводник зажигания 

Представляет собой никелевую проволоку, которая в зависимости от типа лампы соединяет две горловины лампы или горловину с цоколем. Он предназначен для облегчения зажигания лампы, особенно при пониженном КПД выпрямителя и устройства зажигания. Его действие двояко: во-первых он искажает электрическое поле высокого напряжения так, что способствует зажиганию лампы Во-вторых – на самом проводнике возникают частичные разряды, которые взаимодействуют с электронами катода и вызывают их дополнительную эмиссию.

Наполнение и давление 

Лампы XBO заполнены чистым газом ксенон. Ксенон является самым редким из устойчивых инертных газов, его концентрация в атмосфере составляет менее 0.00001%. Его получают из жидкого воздуха. Ксенон гораздо дороже других инертных газов, таких как аргон и криптон, которые получают аналогичным способом. По чистоте состава, газ должен отвечать очень высоким требованиям. Количество примесей не должно превышать миллионных долей. Зависимости от конструкции, давление в нутрии холодной лампы составляет от 8 до 10 Бар. Для получения такого давления, на заводе лампу заполняют замороженным ксеноном. Во время горения, давление внутри лампы повышается приблизительно в три раза.

Геометрические допуски 

Лампы XBO часто используются в высококачественных оптических системах в качестве точечных источников света. Как источник яркого света и сильного нагрева, она требует очень точной установки. Поскольку стеклянная часть лампы изготовляется вручную, то точность ее размером значительно меньше точности размеров металлических частей. Чтобы облегчать установку ламп в оптических системах, точность расположения дуги относительно цоколя (обычно это цоколь катода) как по длине, так и по эксцентричности составляет обычно ±0.5 – 1 мм. Все другие размеры могут иметь допуски нескольких миллиметров. Это должно быть учтено при разработке корпусов лампы и приборов. В некоторых типах ламп, если цоколь служит для электрического соединения, его диаметр также имеет повышенную точность изготовления. Таким образом обеспечивается плотное соединение с большой площадью контакта.

Фотометрические характеристики

Световой поток  и отдача 

В среднем приблизительно 80 % электрической энергии, потребляемой лампы XBO преобразуется, в излучение. Остальное теряется на нагрев и конвекцию. Приблизительно 60 % используемой энергии излучается электрической дугой, и большая часть этого излучения находится в невидимой инфракрасной области диапазона. Остающиеся 20 % излучаются электродами (в основном анодом) и баллоном, температура которого достигает приблизительно 700°C.

Относительно видимого света, световая отдача при выше приведенных соотношениях составляет примерно 30 Im/W, что сопоставимо с галогенными лампами, работающим в режиме перенакала. Чем ниже мощность лампы, или что более верно чем меньше напряжение на ней, тем хуже световая отдача. Ее значения лежат в пределах от 15 Im/W до 50 Im/W. Лампы с более коротким промежутком между электродами также имеют более низкую световую отдачу. При увеличении тока лампы, световой поток лампы возрастает в пропорции 1,5 относительно мгновенной мощности лампы. Такое повышение отдачи объясняется тем, что с ростом напряжения и мощности на лампе, повышается температура и давление.

Яркость 

Вероятно самая важная характеристика ламп XBO – это яркость. Поскольку дуга сильно сжата в очень малом объеме, то вблизи катода (на это влияют форма катода, его температура и действие электро- и магнитодинамических сил в дуге) образуется участок наибольшей яркости, которая падает ближе к аноду (см. рис. 7).

yarkostРис. 7 Распределение яркости в дуге вдоль оси лампы

В вертикальном положении дуга образует симметричную фигуру вращения. В горизонтальном положении дуга отклоняется вверх благодаря неравномерному нагреву газа. Степень отклонения прямо пропорциональна промежутку между электродами и обратно пропорциональна току. Изменение яркости в усредненных значениях показаны на рис.8

duga

Эти значения были измерены по следующей методике: по оси разряда помещают кашету шириной 0.02 мм и измеряют ее яркость.Эта величина называется осевой яркостью.Затем кашету перемещают от оси пока ее яркость не уменьшится наполовину. Это – средняя яркость дуги. Областью излучения считается область, ограниченная участками дуги, в которых яркость составляет половину от осевой яркости. Типичная яркость для ламп XBO составляет половину яркостиСолнца . Яркость специальных сложных ламп с укороченным расстоянием между электродами может составлять превосходить яркость Солнца в 2-3 раза. В таблице 9. сравнивается яркость некоторых естественных и искусственных источников света.

Источник Яркость
(cd/cro 2)
Полуденное солнце 100,000 – 150,0
Полная луна 0.25 – 0.35
Ясное небо 0.3 – 0.7
Облачное небо 0.01 – 0.1
 Искусственные
Ксеноновая дуговая лампа 20 000 – 500
Угольная дуговая лампа 20 000 – 180
Лампа накаливания 200 – 5000
Натриевая лампа накаливания 300 – 550
Флуоресцентная лампа 0.3 – 2

Направленность излучения 

Помимо яркости, важным показателем для разработки систем с лампой XBO является- направленность излучения лампы. Так как разряд имеет симметричную форму тела вращения, то распределение света одинаково во всех плоскостях, проходящих через ось разряда. Это же относится и к лампам, установленным горизонтально. Хотя в последнем случае разряд отклоняется в некоторой степени от оси симметрии лампы, но основное излучение происходит непосредственно в области возле катода, на которую фактически не воздействуют силы конвекции.