Fémhalogén lámpa

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Mivel a higanylámpának sem a fényhasznosítása, sem a színvisszaadása nem kielégítő, kézenfekvő gondolat volt a kisülőcsőben a higanyon kívül még egyéb elemek gőzeit is gerjeszteni, hogy olyan hullámhosszokon következzék be a fénykibocsátás, ahol a higanyszínképben "hézagok" vannak. Egy vonalgazdagabb színképnek jobb színvisszaadáshoz kell vezetnie. A megvalósítás igazolta a gondolat helyességét; az adalékfémeket később részletezendő okokból halogenid vegyületeik (sóik) formájában viszik a kisülés terébe, és így születtek meg a fém-halogenid adalékos kisülőlámpák, röviden fémhalogén lámpák.

Különböző kivitelű fémhalogén lámpák

Müködési elv[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Alapvetően a higanylámpának a továbbfejlesztéséről van szó. A kisülőcső anyaga kvarc, a csövön belül higany, és nemesgáztöltés van. A fémadalékokra vonatkozóan a következő feltételeknek kell teljesülniük:

  • A színképi eloszlásuknak kedvezőnek kell lenniük; túlnyomóan a látható tartományban emittáljanak, és olyan hullámhosszokon, amelyek jól kiegészítik a higanyszínképet; együttes hatásukban megközelítik a fehér színt.
  • Azon a hőmérsékleten, amelyet a kisülőcső fala még kibír, a fémgőz nyomásának nagynak kell lennie. Ha a nyomás nem éri el a kívánt értéket, vagyis a koncentráció nem elég nagy, akkor a fématomoknak a fénykeltésben való részvétele is viszonylag kicsi, ami az emittált sugárzás gyenge intenzitásához vezet.
  • A fémgőzök ne támadják meg se a kisülőcső falát, se az elektródokat.

Számos fém alkalmasságát megvizsgálták a fent szempontból, s ennek során kiderült: a szóba jöhető fémek egy részének gőze rendkívül agresszív, a kvarcból készült csövet kémiailag megtámadja, s a lámpát használhatatlanná teszi. Így a 3. feltételnek több - egyébként alkalmas - fém nem tesz eleget. A kutatók előtt két lehetőség nyílt:

  • A gőzök agresszivitását csökkenteni azáltal, hogy nem elemi állapotban, hanem vegyület formájában legyenek a kisülőtérnek a csőfallal érintkező részében;
  • a kisülőcsövet kvarc helyett olyan anyagból készíteni, amely ellenáll a fémgőzök agresszív hatásának.

Mindkét lehetőség megvalósult; az első eljárás a fémhalogén, a második a nátriumlámpák kialakulásához vezetett. A továbbiakban már teljesen a kémia területére irányították a kutatást: milyen vegyület formájában kerüljenek a fémek a kisülőcsőbe. Kimutatták, hogy a négy halogenid gőznyomása azonos a fém esetében a F, Cl, Br, I sorrendben nő, tehát mind a legkisebb kémiai agresszivitás, mind a legnagyobb gőznyomás a jód mellett szól.

A fémek közül a következők alkalmasak elsősorban:

Fém Jellemző és intenzív spektrumvonalak hullámhossza [nm]
Nátrium Na 589,0 589,6
Tallium Tl 535
Indium In 410,1 451,1
Diszprózium Dy 400 421,1
Holmium Ho 389,1
Szkandium Sc 191,1 402,3
Ón Sn 452,4

Típusok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Az 1960-as években a kifejlesztett fémhalogén fényforrást ma már gazdag típusválasztékban gyártják a lámpagyártó cégek. A következő szempontok szerint csoportosíthatóak a fémhalogén lámpákat.

  • Színhőmérséklet szerint

A fénycsővel és a higanylámpával szemben, ahol a fénypor minősége szabja meg a színhőmérsékletet, a fémhalogénlámpák esetében a fémadalékok a meghatározók. Ez értelemszerű, mivel mindegyik fém a magam spektrumvonalaival hozzájárul a lámpa fényszínéhez. Az egyes típus a 4000 K körüli színhőmérsékletű, semlegesfehér típus. Ennél az adalék általában indium-, tallium-, cézium-, nátriumjodid keveréke. Színvisszaadási indexe 65.

A másik típus színhőmérséklete 6000 K, vagy e feletti, közelebb áll a természetes nappali fény színéhez. Ennek a típusnak a helyes elnevezése természetes fehér. Színvisszaadása kiváló (90 feletti), ez különösen a ritkaföldfém-adalékoknak köszönhető. A ritkaföldfémek a periódusos rendszer 57-71. elemei (f-mező), betöltetlen elektronhéjaik miatt gerjesztési nívókban és így színképvonalban igen gazdagok. A vonalgazdagság következménye a kedvező színvisszaadás, amely indokolja ezeknek a ritka elemeknek a fényforrástechnikában való alkalmazását. A különféle lámpagyárak különféle adalék-összetétellel dolgoznak. A leggyakoribb ritkaföldfém-adalékok a diszprózium, a holmium, a tullium, a földfémek közül a szkandium és a lantán.

  • Felépítés szerint

Lehetnek egyvégén-, és kétvégén fejeltek

Az egyvégén fejeltek közül megkülönböztetünk a higanylámpához hasonló felépítésű lámpát, amelyben az elektródok bevezetése a kisülőcső két végén történt, és a "kompakt" fémhalogén lámpát, melynek külön kisülőcsöve nincs, az elektródok azonos oldalról szerelve érnek a lámpatérbe. A kétvégén fejelt fémhalogén lámpáknak két, egymástól erősen eltérő típusa van. Az egyik a szoffita lámpa, itt a külső bura két végét a halogénizzókhoz hasonlóan egy-egy kerámiahüvelyes fejjel látják el. A másik középen ellipszid-szerűen kiszélesedő kvarccső, az árambevezetés két oldalról történik a középső részben egymással szemben elhelyezett elektródokhoz.

  • A kisülőcső anyaga szerint

A 90es évek közepéig a kisülőcsövet kizárólag kvarcból gyártották. Később megjelentek a kerámiacsöves fémhalogén lámpák.

  • A gyújtás módja szerint

A fémhalogén lámpákhoz általában külön gyújtókészülék szükséges, de léteznek beépített gyújtóelektródos típusok is.

Standard fémhalogén lámpa[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Fémhalogén lámpa felépítése

A leggyakrabban használt fémhalogén lámpa felépítése látható a mellékelt ábrán. Kialakítása hasonlít a higanylámpáéhoz, - a kisülőcsövet itt is a külső bura veszi körül, - ugyanakkor eltérések is tapasztalhatóak. A kisülőcső - geometriát tekintve a méretbeli tűrések szigorúbbak, ez pontosabban kivitelezett lapítási technológiát igényel, illetve - 400 W felett - szinkroncsöves megoldást. Ez annyit jelent, hogy a kisülőcső két végéhez egy-egy kisebb átmérőjű kvarccsövet toldanak. A lámpa paramétereinek stabilizálását szolgálja a kisülőcsőre az elektród-végpontok magasságáig felvitt hőreflektáló réteg. Ennek anyag cirkon-oxid (ZrO_2) vagy alumínium-oxid (Al_2O_3) A tartóbordák (5), a gyújtóellenállás (6) funkciója teljesen megegyezik a higanylámpával. De gyújtó ellenállást nem mindegyik típusban alkalmaznak. A bimetal (7) szerepe, hogy a lámpa bemelegedése után a segédelektródokat vagy a katódhoz kapcsolja, vagy leválasztja az áramkörről. Az áramvezetők (8) és a tartóbilincsek (9) az elektromos csatlakozást és a kisülőcső mechanikai tartását biztosítják. A nátrium adalékos lámpákban árnyékoló üvegcső (10) gátolja a fotoelektromos effektus miatt létrejövő feltöltődést, és az ebből adódó felgyorsult nátrium fogyást. A bárium getter (11) aktiválás után leköti a külső burában a szivattyúzás után visszamaradó gázok egy részét, és ezt a funkcióját a lámpa teljes élettartama alatt is megtartja. A kitámasztó gyűrű (12) rögzíti a tartóbordákat a burához.

Speciális célokra készült az irányított fényű fémhalogén lámpa; itt a kisülőcsövet oldalán tükrösített burába helyezik, a külső bura hasonló a Tungsraflex, illetve a PAR lámpák burájához. A bura kivitel többféle lehet. Alakját tekintve ellipszoid, csepp-, vagy cső alakú; fényáteresztő képességét tekintve átlátszó, vagy diffúz fényt szolgáltató (opál) bura. A standard fémhalogén lámpa 70,150,250,400,1000,2000, és 3500 W-os kivitelben készül.

Fénytechnikai adatok és tulajdonságok[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A befektetett energiának 20-30%-a alakul fénnyé. Ez kb. a 65-105 lm/W fényhasznosítást jelent. A fényhasznosítás típus és teljesítmény függő. Néhány példa a kezdeti fényhasznosításra:

Típus Teljesítmény Fényhasznosítás
Természetes fehér 250 W 68 lm/W
Természetes fehér 3500 W 86 lm/W
Semleges fehér 400 W 74 lm/W
Semleges fehér 2000 W 95 lm/W

A fémhalogén lámpák a hosszú élettartamú fényforrások közé tartoznak (típustól függően 5000-20000 óra). Az élettartam során itt is bizonyos mértékben csökken a fényáram, és eltolódik a színhőmérséklet. Üzem közben az elektród anyag párolog, és részben a kisülőcső falára rakódik. A keletkezett réteg befolyásolja a lámpa hőháztartását, így a hőmérsékletet és a színt is, és csökkenti a fényáteresztő képességet.

A fémhalogén lámpákat elsősorban ott célszerű alkalmazni, ahol egyidejűleg kell kielégíteni a nagy megvilágítási és kiváló színvisszaadási igényt. Ez az igény jelentkezhet mind a belső téri mind a külső téri világítás területén. Ahol fokozott a színvisszaadási igény (színes TV-közvetítéshez tervezett sportpálya - világítás, filmstudiók, festőüzemek, stb.), ott a természetes fehér (ritkaföldfém adalékos) lámpák használata javasolt.

Üzemelési tulajdonságok

Kisülő fényforrásról lévén szó a fémhalogén lámpák is csak áramkorlátozó előtéttel működtethetők. A működési feszültséget a higany gőznyomása állítja be, tehát a higanyt a gyártás során pontosan kell adagolni. A higany a működő lámpában teljesen elpárolog. A hálózati feszültség változása ennél fogva kevéssé befolyásolja a működési feszültséget. A környezeti hőmérséklet viszont - a külső búra ellenére - hatással van a kisülőcső hőmérsékletére és így a működési feszültségre is. A változás lineárisnak tekinthető; 20 C fok környezeti hőmérséklet-növekedés kb. 1,3 V feszültségnövekedést eredményez.

A fémhalogén lámpáknak a higanylámpákhoz viszonyítva gyengébb a gyújtás készsége. Ennek egyik oka a jódatomok jelenléte. A fém-jodidokból termikus bomlás során szabaddá váló jódatomok erősen elektron negatívak lévén nemesgáz konfigurációjuk kialakulásához elektronokat vesznek fel a kisülő térből (egy jódatom egy elektront), a térben csökken az elektronok száma és nehezebb lesz a gyújtás. Megjegyzendő, hogy a szabad jódatom keletkezését a csőfalon át kifelé diffundáló nátrium is elősegíti. A bekapcsolás pillanatától 5-6 percnek kell eltelnie, a kisülés stabilizációjáig. Kikapcsolás után a még meleg lámpa nem tud azonnal újragyújtani, a lehűlés és újragyújtás néhány percet vesz igénybe. Vannak azonban azonnal újragyújtható típusok, ezekhez speciális gyújtókészülék szükséges, amely kb. 60 kV-os gyújtóimpulzust szolgáltat. Ezért az átütések elkerülése céljából, az árambevezetőket a bura két egymással szemben levő végén helyezik el.

Források[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Poppe Kornélné - Dr. Borsányi János: Világítástechnika I. BMF KVK 2024, Budapest 2005.