Что такое галогенный цикл

Галогенные лампы накаливания

Галогенные лампы накаливания по структуре и принципу действия срав­нимы с лампами накаливания. Но они содержат в газенаполнителе незначи­тельные добавки галогенов (бром, хлор, фтор, йод) или их комбинации. С помощью этих добавок возможно в определенном температурном интервале практически полностью устранить потемнение колбы (вызванное испарением атомов вольфрама) и обусловленное этим уменьшение светового потока. Поэтому размер колбы в галогенных лампах накаливания может быть силь­но уменьшен, вследствие чего с одной стороны можно повысить давление в газенаполнителе, и, с другой стороны, становится возможным применение до­рогих инертных газов (криптон и ксенон) в качестве газовнаполнителей.

Современные галогенные лампы имеют ряд существенных преимуществ:

• неизменно яркий свет в течение всего срока службы;
• красивый, сочный свет, обеспечивающий великолепную цветопередачу и возможность создания привлекательных световых эффектов;
• больше света при такой же мощности, благодаря более высокой световой отдаче, а, следовательно, и повышенная экономичность;
• увеличенный вдвое срок службы, по сравнению с лампами накаливания;
• уменьшенные размеры.

Существенные характеристики лампы накаливания  световая отдача и срок службы  в основном определяются температурой спирали: чем выше температура спирали, тем выше световая отдача, но тем короче срок службы. Сокращение срока службы является последствием быстро растущей при повышении температуры скорости испарения вольфрама, которая приводит с одной стороны, к потемнению колбы, а с другой  к перегоранию спирали. Потемнение колбы можно эффективно предотвратить с помощью галоген­ной добавки к газунаполнителю, которая в процессе вольфрамогалогенного цикла не дает уже испаренному вольфраму осесть на стенках колбы. Испаренный из спирали в процессе работы лампы вольфрам попадает в результате диффузии или конвекции в температурную область (T₁< 1400 К) вблизи стенки колбы, где образует стабильное вольфрамогалогенное со­единение. Вместе с тепловым потоком эти соединения снова перемещаются в зону горячей спирали (Т₂ > 1400 К) и там снова распадаются. Часть вольфрама снова восстанавливается на спирали, но уже на новом месте. Нормальный вольфрамогалогенный цикл приводит т.о. лишь к предот­вращению потемнения колбы, но не к увеличению срока службы, который закончится в результате разрыва спирали на возникших «горячих ячейках». Вольфрамо-галогенный цикл Галогенные лампы накаливания нового поколения, с отражающим инф­ракрасное излучение покрытием ламповой колбы, характеризуются значи­тельным повышением световой отдачи. Это обусловлено следующим физическим процессом. Часть энергии, ко­торая в обычных галогенных лампах накаливания преобразовывается в неви­димое инфракрасное излучение (более 60% производительности излучения), в лампах с покрытием частично преобразовывается снова в свете. Это становится возможным благодаря структуре покрытия, которое пропускает только видимый свет, а инфракрасное излучение по возможности полностью воз­вращает на спираль, где оно частично поглощается. Это вызывает повыше­ние температуры спирали, вследствие чего подачу электроэнергии можно сократить. Световая отдача возрастает. По конструктивным признакам галогенные лампы накаливания делятся на две группы: с длинным спиральным телом накала при соотношении длины ламп к диаметру более 10  линейные или трубчатые лампы; с компактным телом накала при отношении длины тела накала к диаметру не менее 8  эти галогенные лампы накаливания подразделяются в свою очередь на мощные и малогабаритные, в которых электроды размещены обычно с одной стороны. Лампы для светильников общего освещения и прожекторов выпускаются преимущественно на напряжение 220 В мощностью от 1 до 20 кВт; световая отдача — 22. 26 лм/Вт, срок службы — 2000 ч, лампы трубчатые, положение горения — горизонтальное.

Лампа накаливания с галогенным циклом.

1- плоскозаштампованные ножки лампы;

2 — молибденовые электроды;

3 — кварцевая колба;

4 — моноспиральное тело накала;

5 — вольфрамовые дер­жатели;

6 — плоские контактные поверхности.

Повышению температуры нагрева нити и, следова­тельно, повышению эффективности работы ламп накали­вания препятствует, прежде всего, процесс распыления тела накала. В кварцевых лампах с йодным циклом про­цесс распыления нити накала не устранен, но найдено надежное средство борьбы с его последствиями. В колбу помещено дозированное количество йода и она заполнена аргоном. Это позволило значительно улучшить показатели работы ламп этого типа.

Лампа рассчитана на работу от сети с напряжением 220 В. Регенеративный йодный цикл состоит в следую­щем. Образующиеся в результате распыления тела нака­ла частицы вольфрама движутся от нити к стенкам кол­бы, где вступают в соединение с йодом, образуя йодид вольфрама. Образование йодида вольфрама проис­ходит при температуре в зоне колбы от 523 до 1473 К.

Образовав­шийся йодид вольфрама перемещается к спирали, в сто­рону меньшей концентрации. Достигнув зоны спирали, в условиях высокой температуры йодид вольфрама раз­лагается. Вольфрам осаждается на спираль, а йод осво­бождается и вновь принимает участие в цикле.

Схематически регенеративный цикл выглядит сле­дующим образом:

1. Образование йодида вольфрама у поверхности колбы;

2. Возвращение вольфрама в виде йодида к спирали;

3. Разложение йодида вблизи спирали с осаждением на ней вольфрама и освобождением йода.

Характерной особенностью галогенных ламп является возможность регулирования их потока излучения путем изменения подводимого напряжения. Повышение напря­жения сверх номинального не приводит к столь резкому сокращению срока службы, как это происходит у обыч­ных ламп накаливания.

Особенности, преимущества и недостатки ламп накаливания.

Особенности ЛН:

По принципу действия ЛН основная доля излучения или потока приходится на ИК-область, практически для ЛН доля ИК потока составляет от 60 до 80 и даже 90 % остальной поток излучения в видимой области, где основная часть приходится на красные лучи. В связи с этим ЛН можно использовать как эффективные источники ИК лучей, для повышения этой эффективности ЛН включают в работу на пониженном напряжении.

Достоинства ЛН:

ЛН очень просты по конструкции и дёшевы в эксплуатации, не зависят от условий окружающей среды, ни от влажности, ни от температуры, надёжность в работе.

Недостатки ЛН:

Низкая световая отдача и малый световой КПД, неудовлетворительный спектральный состав излучения (в спектре очень мало сине-фиолетовых лучей), малый срок службы и существенная зависимость характеристик от условий питания.

Основные достоинства ламп накаливания с йодным циклом общего назначения:

1. высокая удельная плотность излучения;

2. стабильность потока излучения в течение срока службы;

3. относительно малые габаритные размеры;

4. способность выдерживать длительные и большие перегрузки;

5. возможность плавного регулирования потока излу­чения в широких пределах путем изменения

Основные недостатки ламп накаливания с йодным циклом общего назначения:

1. возможность работы только в горизонтальном положении во избежание деформаций тела накала под дей­ствием собственного веса и нарушения йодного цикла (допустимое отклонение от горизонтали — ;

2. ножки лампы при работе не должны нагреваться более ;

3. более высокая стоимость в связи с необходимостью использовать кварцевое стекло и особо чистый вольфрам.

Маркировка ЛН содержит следующие элементы:

1. Первый элемент — от одной до четырех букв — ха­рактеризует лампу по важнейшим физическим и конст­руктивным особенностям: (В — вакуумная моноспиральная, Г — газонаполненная аргоновая моноспиральная, Б — аргоновая биспиральная, Б К — биспиральная криптоновая, МТ — в матированной колбе, МЛ — в колбе молочного цвета, О — в опаловой колбе и т. п.); ряд ламп, особенно специальных, первого элемента в обозначении не имеют.

2. Второй элемент — буквенное выражение из одной, двух букв — определяет назначение ламп (А — авто­мобильная, Ж — железнодорожная, КМ — коммута­торная, ПЖ — прожекторная, СМ — самолетная и т. д.);

3. Третий элемент — цифровое выражение — опреде­ляет номинальное напряжение в вольтах и через де­фис номинальную мощность в ваттах либо си­лу света в канделах, ток в амперах или световой поток в люменах; для двуспиральных ламп после номиналь­ного напряжения указываются параметры (например, мощность, сила света) первой и второй спиралей, сое­диненные знаком «+»;

4. четвертый элемент — отделенная дефисом от тре­тьего элемента цифра — указывает порядковый номер доработки; для ламп, разработанных впервые, четвер­тый элемент отсутствует.

Примеры маркировки ламп: БКМТ215-225-100-2,

Интересные факты об автомобильных галогеновых лампах

Легенда гласит, что в 1914 году Генри Форд посетил своего товарища Антона Филипса и во время встречи последний спросил: «Почему в твоем автомобиле нет фар?» Ответ был мгновенным: «А что такое фары?» Результатом стало изобретение пары ламп головного света. Но это не точно ��. Единственное, что можно утверждать, Генри Форд и Антон Филипс действительно были хорошими товарищами, на фото как раз они, и вопрос создания автомобильных ламп они точно обсуждали.

Так или иначе в 1914 году было запущено производство автомобильных ламп накаливания Philips 1/2 watt, а до появления галогеновых автомобильных ламп оставалось 52 года. В 1966 году свет увидела первая в мире галогеновая лампа Philips типа H1. Сегодня данный тип автомобильного освещения считается устаревшим, но это не мешает ему оставаться самым востребованным в силу оптимального соотношения цена/качество. В новой статье я собрал несколько интересных фактов о данном типе ламп, о которых вы скорее всего не знаете.

Внимание к деталям
Конструкция галогеновых ламп довольно простая, но это только на первый взгляд. Во время сборки высококачественных галогеновых ламп внимание уделяется буквально каждой детали. Вот лишь несколько технологических процессов, которые проходит лампа во время сборки:
В процессе производства стеклянных колб последние несколько раз нагреваются и остужаются до экстремальных температур. Это делается для снятия напряжения в материале, в ином случае лампа не будет устойчива к перепадам температур (от минусовых до более чем пятисот градусов выше нуля).
При изготовлении блока электродов со спиралью для придания ему необходимой геометрии и жесткости между электродами применяется перемычка, состоящая из двух стеклянных половинок, между которыми и запаиваются электроды. Эти половинки также предварительно прокаливаются, чтобы в процессе эксплуатации конструкцию не «повело».
В отличие от обычных бытовых галогеновых ламп, проводки электродов не выходят напрямую наружу из колбы. В этом месте круглая проволока заменена очень тонкими молибденовыми пластинками. Пластины эффективно рассеивают тепло – чтобы внешние контакты лампы не накалялись.

Как не промахнуться мимо фокуса отражателя
Для сверхточного позиционирования спирали лампы по отношению к фланцу цоколя мы используем способ позиционирования уже изготовленной и запаянной колбы в цоколе. Несмотря на то, что колбы получаются немного разными, в готовой лампе спираль позиционируется с точностью до 0,1 мм по отношению к фланцу цоколя, и, соответственно, к рефлектору или линзе фары, в которую лампа будет установлена. Достигается это за счет наличия в лампе двух, а иногда и трех цоколей – один в другом как в матрёшке. Именно их позиционированием относительно друг друга задается конечное положение спирали по отношению к фланцу цоколя, который помещается на посадочное место в фаре.

Интересный факт
Всё оборудование, на котором производятся лампы Philips, уникальное. Оно не имеет аналогов, так как проектируется и разрабатывается компанией самостоятельно.

Регенерация спирали
Как вы знаете, во время работы галогеновой лампы постоянно происходит так называемый галогеновый цикл, который препятствует осаждению атомов вольфрама на стекле и возвращает их обратно на спираль. Этот процесс гарантирует, что колба всегда будет прозрачной, а лампа будет работать заявленное производителем время. К сожалению, процесс восстановления спирали атомами вольфрама носит случайный характер. В результате со временем некоторые участки спирали слишком истончаются, спираль становится как будто рыхлой. А там, где тонко, там и рвётся.

Колба лампы потемнела? Лампа очень низкого качества!
На первый взгляд все автомобильные лампы одинаковые, однако определить на глаз давление внутри колбы или качество вольфрамовой спирали перед покупкой дешёвого источника света невозможно. А вот в процессе эксплуатации запросто. Если со временем колба лампы потемнела – это результат несоблюдения технологических процессов во время её производства. В такой колбе низкое давление и некачественная смесь газов, что гарантированно приводит к малому сроку службы. В свою очередь некачественная вольфрамовая нить может вызвать неравномерный нагрев спирали, что обязательно отразится на распределении света на дороге, проще говоря лампа вроде светит, а света на дороге нет.

Размытая граница света и тени
Если вы обращали внимание на границу освещенного и неосвещенного пространства, она выглядит несколько размытой. Это делается специально – если граница будет очень чёткой, она будет создавать слишком сильный контраст. Четкая граница освещённого участка, «пляшущая» по асфальту, будет утомлять водителя.

Перенапряжение
Этот пункт обязательно вызовет у вас вопросы, но все цифры унифицированы и одинаковы для всех производителей автоламп без исключения. Итак, срок жизни спирали галогенной лампы очень зависит от электрического напряжения – его повышение на 5 % выше нормы снижает срок службы лампы на 50 %. Идеальное напряжение для работы автолампы – 12,8 В, максимальное допустимое – 13,5 В. Стандартный срок службы высококачественной лампы H4 (комплектующие для первичного рынка) составляет приблизительно 700 часов, для лампы с цоколем H7 — 550 часов. Эти характеристики указаны при напряжении 13,2В (напряжение измеряется на цоколе лампы). Самое негативное воздействие на срок службы галогенных ламп оказывает перенапряжение. При перенапряжении даже на 5% (13,86 В) срок службы лампы сокращается вдвое. На практике это означает, что головное освещение подвергается дополнительному износу в зимний сезон, когда чаще происходит холодный запуск, что ведет к повышению напряжения. Стоит помнить, что напряжение от аккумулятора не совпадает с напряжением на цоколе. Во время эксплуатации автомобиля происходят различные корректировки и потери, в связи с чем напряжение на цоколе необходимо измерять для каждого автомобиля в отдельности.

Руками не трогать!
Все знают, что колбы галогеновых ламп нельзя трогать руками, а вот почему? Здесь версии часто расходятся. Прежде всего, это относится к обычным лампам из так называемого «твердого стекла». Жир с пальцев проникает в микротрещины его поверхности (как микротрещины в материале, так и жир на пальцах есть всегда, независимо от того, насколько качественно обработан материал и тщательно вымыты руки). При нагреве этот жир начинает кипеть, расширяя трещину, до тех пор, пока лампа не лопнет. Лампы из кварцевого стекла в этом отношении более устойчивы, поскольку оно прочнее, чем обычное боросиликатное стекло и имеет меньший коэффициент теплового расширения. Однако мы всё же рекомендуем в принципе не касаться стекла автоламп голыми руками – брать их только в чистых перчатках, а лучше – только за цоколь. Попавший на стекло автолампы жир, в большинстве случаев колбу не разрушает, но при нагреве проникает в поверхностную структуру материала и вызывает потемнение колбы.

Наша страница на DRIVE2:

Галогенные лампы: история создания, тонкости конструкции, любопытные факты

Галогенные лампы используются в подавляющем большинстве автомобильных фар и пока не собираются сдавать свои позиции. Долговечность, приемлемая яркость и низкая цена — таким сочетанием потребительских свойств не могут похвастаться ни ксеноновые, ни светодиодные лампы.

История изобретения

Первая пригодная для освещения лампа накаливания

Прототипы лампы накаливания появились в самом начале XIX века. Автором же первой пригодной для практического применения лампы накаливания был немецкий часовщик Генрих Гёбель. Дело было в 1854 году. В качестве тела накала в его лампе выступала обугленная бамбуковая нить толщиной 0,2 мм. Источником тока выступала химическая батарея.

Разумеется, о массовом производстве и широком применении не могло быть и речи. Ни эффективный вакуумный насос, необходимый для вакуумирования ламп в промышленных масштабах, ни динамо-машина, способная непрерывно вырабатывать электроэнергию, еще не были изобретены.

Появление современных ламп

Поиск наилучшей конструкции лампы накаливания вели изобретатели по всему миру. Но именно наш соотечественник Александр Николаевич Лодыгин нашел сразу несколько принципиально важных технических решений. Именно он первым предложил сворачивать нить накаливания в спираль и заполнять колбу инертным газом.

В 1900 году молибденовые и вольфрамовые лампы Лодыгина демонстрировались на Всемирной выставке в Париже.

Трудности в создании лампы накаливания

В конструкции лампы накаливания, кажется, нет ничего принципиально сложного. Но дьявол, как всегда, скрывается в деталях.

Одна из главных трудностей — найти наиболее подходящий материал для тела накала. Физика знает, что любое тело, имеющее температуру выше абсолютного нуля, излучает все длины электромагнитных волн. По мере увеличения температуры интенсивность излучения возрастает, и одновременно его максимум смещается в сторону более коротких длин волн. При температуре выше 800 К (градусов Кельвина) тело начинает излучать видимый свет в красной части спектра.

При дальнейшем повышении температуры тела свечение смещается от красного края спектра к синему. Для многих веществ, кстати, существует возможность определять температуру на расстоянии по цвету излучения. Здесь берет начало уже упомянутая нами физическая величина — цветовая температура.

Цветовая температура солнечного света примерно равна 5500 К. Зрение человека эволюционно лучше всего приспособлено именно к такому свету. В идеале искусственный источник света должен его повторять. А для этого он должен быть нагрет до температуры как раз 5500 К.

Беда в том, что это температура солнечной плазмы, и она практически недостижима. Поэтому усилия инженеров и изобретателей, работавших над конструкцией лампы накаливания, во многом были направлены именно на это — найти для тела накала лампы такое вещество, которое выдерживало бы длительное нагревание до возможно более высокой температуры. И поскольку речь идет об электрической лампочке, при этом являлось бы проводником электрического тока.

Очевидно, что поиск очень быстро привел исследователей к тугоплавким металлам. И сегодня для спиралей ламп накаливания повсеместно используется вольфрам. Температура его плавления 3695 К. Для сравнения, температура плавления железа вдвое ниже — 1812 К.

Любопытный факт: лампа-долгожительница

Срок службы бытовых ламп накаливания около 2000 часов. Хорошие галогенки в среднем работают вдвое дольше. А лампа в пожарном депо в Ливерморе (Калифорния, США) горит непрерывно с 1901 года. Сейчас ей посвящен специальный веб-сайт, и веб-камера круглосуточно передает ее изображение.

Объяснение живучести этой лампы пока не найдено. Предположительно, все дело в составе вещества, из которого изготовлена нить — в нем много углерода. Как бы то ни было, прогресс пошел по пути совершенствования ламп с вольфрамовой нитью, а не угольной. В результате появились лампы, которые сегодня называются галогенными.

Галогенная лампа — самая совершенная лампа накаливания

Чтобы повысить эффективность излучения лампы, температура тела накаливания должна быть как можно выше. При увеличении температуры доля видимого света возрастает, а потери в инфракрасной области спектра относительно сокращаются. Однако при повышении температуры также увеличивается и испарение вольфрама из тела накала: нить становится тоньше и, в конечном счете, лампочка перегорает. Но, что гораздо хуже, испаряющийся вольфрам конденсируется на внутренней поверхности стеклянной колбы и уменьшает ее прозрачность — свет лампочки становится тусклее.

Эту проблему удалось решить в галогенных лампах путем добавления в колбу буферного газа — паров брома или йода.

Процессы, происходящие в горящей галогенной лампе:

— Вольфрамовая спираль лампы имеет температуру около 3000 градусов. При такой температуре атомы вольфрама отрываются от кристаллической решетки и улетучиваются.

— Подлетая к стенкам колбы, имеющим температуру около 1400 градусов, атомы вольфрама оседают на ее поверхности. Однако при такой температуре они соединяются с галогенами, образуя галоиды.

— Молекулы галоидов перемещаются по колбе; когда они оказываются вблизи раскаленной спирали, то под действием высокой температуры распадаются. При этом атомы вольфрама возвращаются на спираль, а атомы галогенов освобождаются для нового цикла.

Галогенный цикл позволяет поддерживать поверхность колбы прозрачной и несколько увеличивает срок службы спирали. К сожалению, процесс восстановления спирали атомами вольфрама носит случайный характер. В результате со временем некоторые участки спирали слишком истончаются и лампа перегорает.

По сравнению с обычной лампой накаливания галогенки:
— дают больше света в пересчете на 1 Ватт потребляемой мощности;
— излучают более белый свет;
— примерно в 2 раза долговечнее и гораздо компактнее.

И, разумеется, они гораздо лучше для применения в качестве источника света в автомобильных фарах.

Как делают галогенные лампы

Хотя галогенные лампы в автомобильных фарах начали применять еще в 50-х годах прошлого века, массовый переход на этот источник света произошел только спустя 30 лет, в 1980-х.

Сегодня технология изготовления галогенных ламп для автомобильных фар отработана в мельчайших деталях. Процесс полностью автоматизирован.

Последовательность изготовления галогенной лампы:

1. Вначале к молибденовым проволочкам приваривается спираль из вольфрама, которая будет играть роль тела накала.

2. Спираль помещается в стеклянную трубку, которая запаивается с одной стороны.

3. Трубка вакуумируется, полнота удаления воздуха контролируется.

4. В полость лампы добавляются галогены — бром или йод. После чего колба запаивается окончательно. Если бы колбу заполняли только галогеном, то лампа бы сразу же перегорела. Внутрь автомобильной лампы закачивают смесь газов. В эту смесь входят азот, аргон и какой-нибудь галоген.

5. Колба устанавливается в цоколь, соответствующий типу лампы. Автомат закрепляет колбу так, чтобы вольфрамовая нить накаливания находилась в строго определенном положении относительно цоколя. Это важно для правильного светораспределения фары.

6. Лампа проверяется на работоспособность.

7. В зависимости от конкретной модели лампы в нее может устанавливаться вторая вольфрамовая спираль, непрозрачный экран, а торец колбы может покрываться непрозрачной краской. Эти дополнения обеспечивают правильное светораспределение лампы и фары в целом.

Качественные галогенки — это непросто

Качественные лампы это:
— долговечность,
— яркость,
— правильное светораспределение.

Увеличению долговечности лампы и повышению мощности света помогает добавление инертного газа ксенона в смесь газов. В лампах Philips, например, для изготовления колбы используется высокопрочное кварцевое стекло Philips с УФ-фильтром (Philips Quartz Glass), благодаря которому лампа заполнена смесью газов под давлением 15 атмосфер в холодном состоянии. При работе давление возрастает в несколько раз. Галогенки с колбами из твердого стекла такое давление не выдерживают, поэтому и служат гораздо меньше.

Яркость лампы определяется параметрами и точностью расположения вольфрамовой нити внутри колбы. Поскольку вольфрам — очень тугоплавкий металл, технология его обработки довольно сложна. Значение имеет все: микрокристаллическая структура металла, примеси, длина проволоки, ее сечение, геометрия нити. При размерах нити в несколько миллиметров изготовить ее качественно непросто.

Для правильного светораспределения фары необходимо, чтобы нить располагалась точно в фокусе отражателя. Если для ближнего и дальнего света используется одна лампа, необходимо, чтобы каждая нить была точно позиционирована относительно отражателя фары.

Дешевые низкокачественные лампы легко узнать по неправильному светораспределению. В конечном счете, покупать дешевые лампочки оказывается накладно: и дорогу освещают плохо, и перегорают часто. Гораздо разумнее выбрать долговечную лампу надежного производителя.

Наша страница на DRIVE2: