Chemiczny skład lamp wyładowczych

Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez amisiek » 6 lipca 2011, 19:50

Rozpoczynam nowy wątek związany z konstrukcją wysokoprężnych lamp wyładowczych. Tym razem zajmijmy się tym, co jest w jarzniku.
Lampy metalohalogenkowe tworzą światło widzialne dzięki wyładowaniu łukowemu odbywającemu się w atmosferze, która posiada domieszki różnych metali, by ich widmo było możliwie ciągłe i bogate w paśmie widzialnym. Metale domieszkujące należy dodać w formie halogenków (jodki, bromki, chlorki, być moze także fluorki...), ponieważ ciśnienie pary tych metali byłoby zbyt niskie, by mogły brać one udział w wyładowaniu. Halogenki odparowują znacznie łatwiej, a ponadto charakteryzują się mniejszą aktywnością korozji względem kwarcowej rurki jarznika. Niektóre z tych metali są tak reaktywne, że niszczyłyby kwarc jarznika, zatem dodatek np. jodków zmniejsza to zjawisko, gdyż metale te pozostają w formie halogenków, nawet na powierzchni kwarcu.
W latach 60tych producenci eksperymentowali z usprawnieniem lamp rtęciowych, pierwsze efekty pochodzą z roku 1962, gdy GE wydała lampę MH o prostym sodowo-talowym domieszkowaniu. Była lepsza od lamp rtęciowych, ale charakteryzowała się dużym rozrzutem parametrów (sód ma mały promień i ucieka bardzo szybko, ponadto precyzja produkcji właściwa dla lamp rtęciowych nie była wystarczająca). Wynalazek firmy Sylvania, polegający na domieszowaniu jodkami sodu,skandu i toru sprawił, że lampa produkowała białe światło a zmiany barwy spowodowane ucieczką sodu skutkowały jedynie niewielkim przesunięciem barwy w stronę zimniejszych temperatur.
Firma Narva eksperymentowała z jodkami sodu, indu i talu z dodatkiem jodku litu, który zmniejszał temperaturę barwową generowanego swiatła, dzięki silnym liniom widmowym w zakresie czerwieni. Niestety jodek litu powodował silną dewitryfikację kwarcowego jarznika, co znacznie skracało czas pracy lampy. Stąd właśnie wczesna Narva Nachroma ma żywotność około 4 tys godzin. Problem rozwiązała dopiero firma Thorn.
Z kolei inżynierowie niemieckiej Narvy zmniejszyli ucieczkę sodu dzięki dodaniu powłoki kwarcowej na drut na zewnątrz jarznika (podobny znajduje się także w polskich lampach LRJ) oraz odpowiedniemu prowadzeniu drutu do elektrody zapłonowej.
Obrazek

Jedną z pierwszych udanych konstrukcji europejskich lamp metalohalogenkowych była lampa Osram WOTAN HQI-T 400W/DV. Marka WOTAN była kierowana na rynek brytyjski i należała do firmy Osram, zatem w brytyjskich materiałach ta lampa będzie oznaczona własnie jako WOTAN. Była to lampa o długim łuku, bardzo wrażliwa na pozycję świecenia (DV to pionowa +/- 45 stopni, DH jest pozioma, ale ma mniejszą skuteczność).
W tej lampie łuk w rtęci został zdomieszkowany przez jodki dysprozu, który posiada bardzo wiele linii widmowych w widzialnej strefie oraz jodki talu, który posiada bardzo silną zieloną linię, która równoważy widmo. Mieszanka taka powoduje jednak problemy ze stabilnością wyładowania, zatem zdecydowano się na dodanie niedużej ilości jodków cezu, który zwiększa rozmiar łuku elektrycznego w tej atmosferze. Następcą tej lampy jest popularna HQI-BT 400W/D, w atmosferze są halogenki dysprozu, talu, holmu, tulu i cezu.
Obrazek
Widmo jest bogate, z silną linią niebieskofioletową od rtęci oraz silną zieloną linię talu. Jest to nadal jedna z najlepszych lamp metalohalogenkowych barwy dziennej.

Podobną chemię do lamp WOTAN miały lampy TUNGSRAM, gdzie też stosowano dysproz + tal + cez. Niektóre lampy GE-Tungsram wykorzystują ten sprawdzony schemat do dziś.
Obrazek

Amerykańscy inżynierowie wybrali inną drogę, stosując proste domieszkowanie jodkami sodu i skandu. Lampa taka wykorzystuje jarznik kwarcowy lampy rtęciowej, zakończony stożkowo po obu końcach, by utrzymać właściwe ciśnienie pary halogenków miedzy poszczególnymi sztukami lamp. Wprowadzano także elektrodę zapłonową, by lampa pracowała na osprzęcie rtęciowym. Przez wiele lat metalohalogenki o takiej konstrukcji wykorzystywano w oświetleniu w USA. Są nawet stosowane do dziś mimo swoich wad. Rozwiązaniem była zmiana kształtu jarznika i zmiana chemii. Lampa GE Halarc posiada domieszki jodków kadmu, sodu, skandu i toru. Jak widać, jest to znacznie gorsza jakość światła od lamp dysprozowo-talowo-cezowych, ale ma większą skuteczność świetlną.
Obrazek

Wyzwaniem pierwszych lamp było dostosowanie widma do potrzeb odbiorcy, szczególnie dotyczyło to czerwonej części widma, w której oko ludzkie charakteryzuje się wysoką rozdzielczością barwy. Problem ten dotknął firmę Thor, która opracowała specjalną lampę na potrzeby oświetlenia sklepów Marks and Spencer. Atmosfera została uzupełniona o jodek litu oraz większą ilość domieszki toru. Tor posiada dość silne linie w czerwonym zakresie widma, ale dodanie litu powodowało dotąd znaczny spadek skuteczności świetlnej. Nowością było opracowanie domieszki o dokładnie dobranych proporcjach litu i toru, a także domieszkowanie chlorkami strontu. Jednocześnie ciśnienie par rtęci jest na tyle niskie, by widmo litu nie rozszerzało się zanadto do zakresu podczerwieni (a to powoduje zmniejszenie skuteczności świetlnej). Aby uzyskać oczekiwaną wydajność, na zewnętrznej bańce umieszczono luminofor itrowo wanadowy pobudzany silnymi liniami pochodzącymi od rtęci i strontu.
Obrazek

W tym samym czasie japońscy inżynierowie wzbogacili tradycyjny amerykańsko-wczesnoeuropejski schemat konstrukcji lamp MH, bazujący na dwóch (amerykański sodowo-skandowy) lub trzech metalach. W lampie firmy Iwasaki nadal stosowany był sód i skand, ale dodano jodki tulu, indu oraz litu.
Obrazek

Konstrukcja lamp dużej mocy wiąże się z innymi problemami, wynikającymi z faktu, że muszą być one zasilane stosunkowo niewysokim napięciem (są projekty lamp zasilanych jednofazowo, z 220V, bo takie wtedy było napięcie sieci) a zapłonnik wysokonapięciowy wcale nie jest prosto wykonać, gdy prąd lampy jest rzędu 10A.
Lampy rtęciowe oraz MH są wypełnione gazem buforowym (jest to czysty argon), który rozpoczyna wyładowanie po załączeniu zasilania. W wyniku wyładowania nagrzewa się i odparowuje rtęć w jarzniku, a następnie rozpoczyna się dalszy proces rozgrzewania lampy (wliczając odparowanie soli metali, nagrzanie elektrod i samego jarznika). Niemniej lampy dużej mocy mają długi jarznik i wymagałyby wysokiego napięcia dla rozpoczęcia wyładowania. Aby zmniejszyć napięcie niezbędne do startu lampy, do atmosfery jarznika wprowadono domieszkę neonu. Napięcie przebicia czystego neonu jest znacznie wyższe niż argonu, ale działając razem, gazy te mają niższe napięcie niż każdy z nich z osobna. W lampach wyładowczych o wysokiej gęstości mocy i jarznikach kwarcowych unika się stosowania neonu, gdyż w wysokiej temperaturze neon łatwiej może dyfundować przez rurę kwarcową. Aby zmniejszyć to zjawisko, zewnętrzną atmosferę wypełnia sie mieszaniną azotu z neonem, by zmniejszyć różnicę koncentracji tego gazu między jarznikiem i zewnętrzną bańką. Z zewnętrznej bańki neon nie ucieka, gdyż jest ona wykonana z innego szkła i pracuje przy niższej temperaturze.
Lubię dobre światło.
Avatar użytkownika
amisiek
Site Admin
 
Posty: 8729
Zdjęcia: 1887
Dołączył(a): 12 stycznia 2010, 23:01

Re: Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez Marek140 » 6 lipca 2011, 20:26

bardzo interesujący materiał :o :P
Lubię dobre brzmienie sprzętu sprzed lat.
Avatar użytkownika
Marek140
 
Posty: 1494
Zdjęcia: 508
Dołączył(a): 13 maja 2011, 15:08
Lokalizacja: Augustów

Re: Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez cieszyn » 6 lipca 2011, 21:21

Zgadza się, teraz widać, ile wysiłku kontruktorów, inżynierów i centrów badawczych musi być włożone, żeby na ulicy świeciło coś fajnego :D
Pzdr/
Staszek
Avatar użytkownika
cieszyn
 
Posty: 12624
Zdjęcia: 9
Dołączył(a): 25 lipca 2007, 15:38
Lokalizacja: Warszawa

Re: Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez amisiek » 6 lipca 2011, 21:29

Sama chemia w środku jarznika nie wystarczy - trzeba rozwiązać problem trwałości. Ponieważ kwarc jest mało odporny na jodki metali w wysokiej temperaturze, zaproponowano jarznik z półprzezroczystego tlenku glinu. Jarznik taki jest jedynym materiałem, który wytrzymuje jony sodu w wysokiej temperaturze, zatem inżynierowie opracowywali sposób wykorzystania doświadczenia przy produkcji lamp sodowych do wysokosprawnych lamp MH. O ile sam jarznik bez problemu wytrzymuje halogenki metali nawet w bardzo wysokich temperaturach, nie można było jednak zapewnić szczelności wyprowadzenia elektrod. Tradycyjnie stosowane zamknięcie niobowe jest ostro niszczone przez halogenki, zatem nie nadaje się do lamp, które mają je w składzie atmosfery jarznika.
Początkowo stosowano uszczelnienie cermetowe z przewodzącej ceramiki, które nie wymaga przeprowadzania żadnego drutu przez ściankę jarznika, zatem prawdopodobieństwo nieszczelności jest bardzo niskie. Jednocześnie współczynnik rozszerzalności cermetu jest praktycznie taki sam, jak jarznika, zatem nie powstają naprężenia. Takie rozwiązanie dopracowała firma Iwasaki w swojej świetnej lampie Ceralux. Firma Thorn także stosowała uszczelnienie cermetowe, ale niska temperatura jego pracy wymagała obniżenia temperatury w jarzniku, a zatem lampa nie osiągała optymalnej wydajności.

Rozwiązanie, które opracowała firma Philips zakłada połączenie drutów z niobu w wąskich kapilarach, które znajdują się na tyle daleko od strefy wyładowania w jarzniku, że są znacznie chłodniejsze, ponadto są na tyle wąskie, ze halogenki pozostają w większości w strefie wyładowania jarznika. Druty te są zgrzewane z niewielką blaszką molibdenową, która potem jest uszczelniania, dzięki czemu agresywne halogenki nie mogą się przedostać. Aby uniknąć pękania spowodowanego różnym współczynnikiem termicznej rozszerzalności, połączenie to przybiera formę spirali dookoła centralnie umieszczonego drutu. Jak widać jest to połączenie, które wymaga wielkiej precyzji produkcji, ale umożliwia znacznie wyższą temperaturę pracy jarznika, a zatem lepsze parametry świecącej lampy.
Lubię dobre światło.
Avatar użytkownika
amisiek
Site Admin
 
Posty: 8729
Zdjęcia: 1887
Dołączył(a): 12 stycznia 2010, 23:01

Re: Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez mosfetkiler » 7 lipca 2011, 10:59

Co do uszczelnienia elektrod jarznika to w lampce Powerball widać chyba nową odmianę.
Końce ceramicznego jarznika wyciągnięte są w długie rurki, w których znajdują się druty elektrod uszczelnione jakimś spoiwem na sporej długości.
Całość jest też odsunięta od strefy wyładowania i ma niższą temperaturę.
Mój Powerball 35W/942 obecnie świeci po 1-2 godz. dziennie (lato) - zobaczymy jak długo wytrzyma ;)
Co do widm świecenia lamp MH (i nie tylko) - to szkoda, że nie mam pryzmatu (może ktoś ma?).
Można by rozszczepić światło takiej lampy i rzutując na biały ekran zobaczyć/porównać co która sobą prezentuje (chociaż w przybliżeniu).
Ostatnio edytowano 7 lipca 2011, 12:00 przez mosfetkiler, łącznie edytowano 1 raz
mosfetkiler
 
Posty: 266
Zdjęcia: 3
Dołączył(a): 1 lipca 2010, 07:45

Re: Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez amisiek » 7 lipca 2011, 11:40

Niestety nie znalazłem informacji na temat uszczelnień stosowanych przez firmę Osram w ceramicznych MH, dotarłem tylko do materiałów Thorna (cały projekt pierwszej lampy z uszczelnieniem cermetowym został zakończony po przejęciu przez GE) oraz Philipsa, a także informacji z lamptech.co.uk.
Ciekawostka - w MH ceramicznych Osram o mocy 250W jest stosowane jakieś inne uszczelnienie ponadto jarznik jest wykonany z dwóch połówek (podobnie jak powerball). Jak tylko dotrę do lepszych materiałów, to na pewno coś umieszczę.
Na marginesie - o jakości i widmie różnych lamp mozemy dyskutować w tym wątku.
Lubię dobre światło.
Avatar użytkownika
amisiek
Site Admin
 
Posty: 8729
Zdjęcia: 1887
Dołączył(a): 12 stycznia 2010, 23:01

Re: Chemiczny skład lamp wyładowczych

Postprzez mosfetkiler » 7 lipca 2011, 12:31

Mały obrazek z Osram'a:
http://www.osram.pl/osram_pl/Dla_profesjonalistow/Oswietlenie_ogolne/High_Intensity_Discharge_lamps/Technologies/Metal_halide_with_ceramic_technology/index.html
A tak swoją drogą to Osram i Philips chyba nie oferują na dzisiaj żadnego MH/E40 o mocy większej niż 250W - chyba że niedowidzę :roll:
mosfetkiler
 
Posty: 266
Zdjęcia: 3
Dołączył(a): 1 lipca 2010, 07:45


Powrót do Lampy

Kto przegląda forum

Użytkownicy przeglądający ten dział: Brak zidentyfikowanych użytkowników i 1 gość