4.13. Ксеноновые лампы

Это лампы сверхвысокого давления. Давление ксенона в холодном состоянии 3…12 атм.

Основные достоинства ксеноновых ламп

1. Ксеноновые лампы обеспечивают почти сплошной спектр излучения в диапазоне от 200 до 2000 нм. В области видимого диапазона спектральная характеристика ламп близка к солнечному свету. Цветовая температура 6100…6300 К. Координаты цветности: х = 0,33; у = 0,33. В инфракрасной области лампы дают несколько интенсивных линий излучения.

2. Лампы работают со сравнительно небольшим градиентом напряжения, примерно в 3…4 меньшим, чем у ртутных ламп сверхвысокого давления, поэтому у них гораздо больше ток разряда – десятки, сотни ампер на квадратный сантиметр. Соответственно при тех же размерах и тех же значениях рабочих напряжений заметно больше мощность разряда.

3. У ксеноновых ламп возрастающая вольт-амперная характеристика. Поэтому допустимо их включение в сеть без балластного резистора либо с резистором, обладающим малым сопротивлением. Это обеспечивает возможность повысить КПД источника.

4. Лампы имеют очень малое время разогрева, что позволяет на их основе создавать источники импульсного излучения.

5. Напряжение зажигания, напряжение горения и спектральный состав практически не зависят от температуры окружающей среды.

Недостатки ксеноновых ламп

1. Для ксеноновых ламп характерны очень большие напряжения зажигания – десятки киловольт.

2. Пульсация излучения при питании переменным током 100 %.

Ксеноновые лампы отличаются большим разнообразием конструктивного исполнения. Встречаются лампы трубчатой и шаровой конструкции. Трубчатые могут быть прямолинейной и изогнутой формы. Лампы могут охлаждаться свободной конвекцией. Наиболее мощные лампы имеют принудительную воздушную либо жидкостную систему охлаждения. Крупные лампы могут быть разборной конструкции. Ксеноновые лампы могут быть спроектированы для питания от сети переменного тока промышленной частоты и от источника постоянного напряжения. Кроме того, они могут быть спроектированы для работы в импульсно-периодическом режиме и в режиме одиночных импульсов.

В соответствии с особенностями конструктивного исполнения приняты следующие варианты буквенного обозначения: ДКсТ, ДКсШ, ДКсШРБ, ДКсТВ, ДКсТЭ (Д – дуговая, Кс – с ксеноновым наполнением, Т – трубчатая, Ш – шаровая, Р – разборной конструкции, Б – бактерицидная, В – с водяной системой охлаждения, Э – эритемная). После буквенной части обозначения следует число, указывающее мощность.

Ксеноновые лампы трубчатой конструкции проектируются преимущественно на питание от сети промышленной частоты и на большую потребляемую мощность (по крайней мере, более 2 кВт). Катоды ламп выполняются из вольфрама с активирующими присадкам. Оболочка изготавливается из кварцевого стекла большой толщины. В лампах с естественным охлаждением баллон выполняется обычно в виде трубки без внешней защитной оболочки (рис. 4.45, а). В лампах с водяным охлаждением (рис. 4.45, б) между горелкой и внешней оболочкой прогоняется дистиллированная вода. Входной и выходной штуцер системы охлаждения устанавливаются с одной стороны разрядного капилляра ввиду большой разности потенциалов, прикладываемой к электродам при поджигании разряда.

Т иповая схема питания поясняется на (рис. 4.46). Конденсаторы С1, С2 и дроссель Др являются элементами сетевого фильтра. Трансформатор Тр1 – повышающий, служит для формирования высокочастотного высоковольтного напряжения зажигания (20…50 кВ). Коле6ательный контур, образованный вторичной обмоткой трансформатора Тр1 с конденсатором С₃, обеспечивает формирование высокочастотного напряжения при пробое разрядника Р. Трансформатор Тр₂ – импульсный, высокочастотный передает напряжение высокой частоты на электроды лампы ДКс.

Нестабильность сетевого напряжения может сильно сказаться на величине мощности, выделяющейся в разряде ксеноновой лампы. Для уменьшения опасности перегрева в цепь питания лампы включают балластный резистор R_б, уменьшающий колебания потребляемой мощности. Наличие этого резистора несколько снижает светоотдачу.

Типичные параметры трубчатых ламп: яркость 1,5…30 Мкд/м², светоотдача 20…29 лм/Вт при естественном охлаждении и 35…48 лм/Вт – при водяном охлаждении. Потребляемая мощность может составлять от 2000 Вт до 50000 Вт.

В лампах с охлаждением свободной конвекцией температура оболочки может достигать 750… 800 ⁰С. Это приводит к процессам кристаллизации кварцевого стекла и к потере герметичности, в конечном счете – к сокращению срока службы. Типичное значение срока службы таких ламп – 1000 часов.

Основные области применения трубчатых ксеноновых ламп: освещение больших открытых пространств, архитектурных сооружений, вокзалов, теплиц.

Ш аровые лампы обычно работают на постоянном токе и, в отличие от трубчатых, они имеют более компактный светящийся объем. Анод делается более массивным, катод – заостренной формы (рис. 4.47). Оболочка толстостенная из кварцевого стекла. Спаи стекла с металлом в маломощных лампах – ленточные, в мощных – многоступенчатые, выполненные через переходные стекла. Конструкция лампы может быть разборной. Лампы имеют относительно небольшие размеры. Тепловые потери составляют 25…40 % от подводимой мощности. Для стабилизации теплового режима применяется обдув стеклянной оболочки либо водяное охлаждение фланцев. Иногда – то и другое одновременно. Межэлектродное расстояние может составлять 0,5…12 мм. Яркость достигает 1000 Мкд/м². Возможна модуляция излучения током.

В процессе работы ксеноновые лампы генерируют мощное магнитное поле.Рабочее положение обычно вертикальное, но возможно любое. Вертикальное положение предпочтительней, так как при работе лампы внутри формируются мощные конвективные потоки, способные изменить форму разрядной дуги.

Температура анода может достигать 2500 ⁰С, температура колбы – 900 ⁰С. В силу указанных особенностей следует учитывать меры предосторожности, так как возможен взрыв колбы даже в холодном состоянии. Поэтому мощные ксеноновые лампы необходимо устанавливать в защитные металлические экраны. Кроме того, из-за интенсивного излучения в ультрафиолетовой области интенсивно образуется озон, который в большом количестве может вызвать отравление, даже потерю сознания, поэтому при эксплуатации в закрытых помещениях необходима эффективная вентиляция. Иногда для поглощения излучения с длиной волны менее 200 нм применяют стекла из легированного кварца.

Основные области применения шаровых ксеноновых ламп: кинопроекционная аппаратура (для исключения пульсаций светового потока питание должно быть в режиме постоянного тока); автомобильные источники света; установки радиационного нагрева (УРАН); установки сварки светом (УСС); эритемные устройства; имитаторы солнечного излучения; прожекторы. Ксеноновые лампы малой мощности в настоящее время находят широкое применение как источники света автомобильных фар и в качестве импульсных источников света различного назначения.