Освещение – галогенные источники света

Галогенные лампы являют собой технологическую эволюцию традиционных ламп накаливания. Начиная с 60-х годов XX века, эти источники света создали новое направление в освещении, и привели к созданию новых типов светильников.

Как и традиционные лампы накаливания, галогенные лампы также являются источниками света с вольфрамовой нитью, но колба лампы заполнена не только инертным, но и буферным газом – иодом или бромом, или их смесью. Это вещества-галогены, отсюда и название ламп.

Зачем понадобилось добавлять в колбу столь редкие элементы? Цель – создание вечной лампы, которая восстанавливала бы сама себя! Такая вот нано-технология из прошлого века. В лампе накаливания вольфрам постепенно испаряется, осаждаясь на холодных стенках колбы. «Благодаря» микроскопическим дефектам нити, самые тонкие места перегреваются, металл с них испаряется всё быстрее, пока процесс не становится лавинообразным, приводя к перегоранию нити накала. Галогенные элементы должны вступать в химическую реакцию с испарившимися молекулами вольфрама, и возвращать их обратно.

Небольшое отклонение от темы. Несмотря на то, что MS Word подчеркивает слово иод, это корректное название 53-го химического элемента Таблицы Менделеева Iodum (I).  В современной химической номенклатуре используется наименование иод. Название изменено еще в 1950-х годах, тогда же Международный союз общей и прикладной химии заменил символ элемента J на I. Общеупотребительным названием по-прежнему является йод, хотя большинство энциклопедий, включая БСЭ, указывают правильное, современное название.

Итак, свободные молекулы вольфрама «захватываются» на определенном расстоянии от нити, вблизи внутренних стенок колбы, которая имеет более низкую температуру, чем нить. Образуется иодит или бромид вольфрама. Под действием конвективного движения внутри колбы это вещество начинает двигаться в направлении нити накала. Вблизи наиболее нагретых участков происходит разложение – вольфрам высвобождается и осаждается на нити. Это завершает регенеративный цикл.

Для того, чтобы обеспечить полный цикл, должна поддерживаться соответствующая температура нити накала (около 2800°C), и внутренних стенок колбы (более 250°C градусов Цельсия). Поэтому при использовании светорегулятора, время от времени необходимо включать лампу на полную мощность, минут на 10, чтобы завершить регенеративный цикл – поднять к нити спирали накопившийся на внутренней части колбы осадок иодида вольфрама.

Колба находится под избыточным давлением. В зависимости от типа ламп, давление в колбе различно: для ламп на сетевое напряжение (230 В) давление может составлять 20-25 бар, в то время как в низковольтных лампах (12 В) давление гораздо ниже – около 2,5 бар. Европейские стандарты требуют защиты от возможного взрыва галогенных ламп высокого давления. Поэтому, например, светильники с линейными галогенными лампами всегда имеют стеклянный полуцилиндрический рассеиватель из толстого стекла. Лампы второго типа могут использоваться без защитных устройств.

По сравнению с обычными лампами накаливания, характеристики галогенных ламп, в целом, лучше. Нить накала имеет более высокую рабочую температуру, и прямым следствием является то, что свет не имеет желтоватого оттенка. Поэтому галогенные лампы дают качественный свет, имеющий высокий коэффициент цветопередачи – Ra 99-100. Частицы вольфрама не оседают на стенки колбы и, таким образом, колба со временем не темнеет. Кроме того, свет не меняет свой цвет в течение всего срока службы источника. Световая отдача выше – 20-35 лм/Вт (но как правило, от 14 до 25 лм/Вт), по сравнению с 9-14 лм/Вт у ламп накаливания, габариты – меньше. Благодаря регенеративному циклу вольфрама, срок службы больше – от 2000 до 4000 часов. Почему спираль не стала вечной? Вольфрам очень тяжёл в механической обработке, поэтому нить имеет множество врожденных дефектов, а испарившийся вольфрам осаждается не точно на то же место, откуда испарился, а на всю спираль. На микроскопическом уровне спираль постепенно становится бугристой, – деградирует. Проблема тем острее, чем выше мощность лампы. Чтобы хоть как-то обеспечить равномерность регенерации, лампы большой мощности делают линейными, – так в любом месте спирали соблюдаются одинаковые условия. Но не спасает и это – нить всё равно перегорает. Отдельно следует отметить, что при использовании плавного включения срок службы галогенных ламп может доходить до 8000-12000 часов.

Колба галогенной лампы должна противостоять давлению газов, поэтому её делают толще, но меньше, чем у классической колбы ламп накаливания, и производят из особого, кварцевого стекла, которое может выдерживать механическую и тепловую нагрузку. Это имеет два отрицательных эффекта. Во-первых, тепло сконцентрировано в мелких элементах –  лампе и цоколе. Патроны также имеют меньшие размеры и плотность тепловой энергии на них гораздо выше, чем в случае с обычными лампами. Во-вторых, кварцевое стекло при высокой температуре чувствительно к жиру – от следа пальца оно буквально плавится, и под действием давления колба разрушается.

Кроме того, следует помнить, что через низковольтную галогенную лампу проходит ток в несколько Ампер (в зависимости от мощности источника света). Поэтому для предотвращения перегрева, к патронам должны подводиться провода адекватного сечения. Ибо по Закону Джоуля-Ленца, количество теплоты, выделяемое в единицу времени на участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления участка. Т.е. передаваемая мощность зависит от напряжения и от силы тока линейно, а мощность нагрева – квадратично. Поэтому не забываем правильно считать сечение проводов для низковольтных ламп, подключать их к источнику питания лучами, а не шлейфом, и не делать лучи длиннее 2 метров, что и рекомендуют производители.

Питание галогенных ламп.

Галогенные лампы более чувствительны к перепадам напряжения, чем традиционные лампы накаливания, обладающие большей инерционностью. В том числе и поэтому галогенные лампы на сетевое напряжение живут меньше низковольтных.

При использовании низковольтных галогенных ламп трансформатор должен быть установлен внутри или вблизи светильника. Для этих целей используют традиционные ламинарные или торроидальные трансформаторы, и электронные трансформаторы. Выбор мощности трансформатора имеет принципиальное значение - если выбран трансформатор недостаточной мощности, он будет перегреваться и долго не проживёт.

Как правило, традиционные трансформаторы защищены от сверхтоков предохранителем, установленным со стороны первичной обмотки. По сравнению с традиционными, электронные трансформаторы имеют меньший размер и значительно меньший вес, имеют более высокий КПД (до 95%) и имеют встроенную автоматическую защиту от коротких замыканий, перегрузок и перегрева. Почти все современные модели имеют возможность диммирования через обычный диммер. Также они могут иметь функцию плавного включения, постепенно увеличивая ток на выходе, что не только приятно визуально, но и значительно увеличивает срок службы ламп (см.выше). Традиционные трансформаторы выделяют больше тепла, чем электронные модели.

Типы галогенных ламп.

Возвращаясь к первой статье цикла, напомню, что галогенные лампы делятся на сетевые и низковольтные.

Группа сетевых ламп невелика - это классические линейные галогенные лампы, капсульные лампы с цоколем G9, рефлекторные лампы с цоколями GU10 и GZ10, а также лампы под классические патроны E14 и E27.

Китайская промышленность (полагаю, под наши заказы) также выпускает сетевые капсульные и рефлекторные лампы и с другими цоколями. В связи с тем, что эти лампы эксплуатировать небезопасно (см. предыдущие статьи), я позволю себе их не рассматривать.

Линейные галогенные лампы предназначены для прожекторов и специальных светильников. Особенностью эксплуатации является требование по положению в пространстве – лампа должна располагаться горизонтально.

В связи с большим ассортиментом по мощности, как правило, в светильниках используют только одну линейную лампу. В переносных вариантах – это высокие напольные светильники с источником света, направленным вертикально вверх. В потолочных светильниках напротив, лампа светит вниз, но обязательно сквозь рассеивающее стекло. Как правило, в открытых светильниках предусматривается защита от разлетающихся осколков колбы, в виде полуцилиндра из толстого стекла.

Главным недостатком этого вида ламп является высокая температура вблизи светильника, а главным достоинством – возможность получения большого светового потока от единичного источника света.

Капсульные лампы на сетевое напряжение имеют только один цоколь – G9. Эти лампы допускают эксплуатацию в открытых и закрытых светильниках, выпускаются мощностью от 20 до 75 Вт, с прозрачной и матовой колбой.

Все остальные типы ламп являются производными от предыдущей лампы – они имеют двойную колбу. Внутри внешней колбы находится капсульная лампа.

Рефлекторные лампы на сетевое напряжение типоразмера MR16 бывают двух видов – с алюминиевым рефлектором и цоколем GU10, и с дихроическим рефлектором и цоколем GZ10.

Дихроический рефлектор отражает видимый свет, но пропускает инфракрасное излучение, что уменьшает нагрев освещаемых объектов. Лампы с дихроическим рефлектором должны использоваться только в специальных светильниках, рассеивающих тепло. Их недопустимо устанавливать на стене или в закрытых светильниках.

Зеркальные лампы-фары ES111 (ESA111) под патрон GU10, имеют колбу диаметром 111 мм,  обычно производятся мощностью 75 Вт.  Предназначены для профессионального и бытового акцентированного освещения во внутренних помещениях.

Лампы под классические патроны бывают двух видов – это специальные зеркальные лампы PAR и лампы с классической колбой – грушевидной колбой типа A и зеркальной колбой типа R под патрон E27, и «свеча» – под патрон E14.

Зеркальные лампы PAR являются альтернативным вариантом обычных зеркальных (рефлекторных) ламп накаливания, но с бОльшим световым потоком. Имеют патрон E27 и применяются для декоративного освещения. Мне встречались двух номиналов, PAR20, мощностью 50 Вт и диаметром колбы 65 мм, и PAR30, мощностью 75 Вт и диаметром колбы 97 мм. Бывают и большего размера. 

Низковольтные галогенные лампы.

Низковольтные галогенные лампы выпускаются на напряжение 12 и 24 Вольта. Приходясь старшим братом сетевых, группа низковольтных галогенных ламп богаче в выборе типоразмеров. В неё входят капсульные и рефлекторные лампы с цоколями G4, G5.3, G6.35, а также лампы-фары с цоколем G53.

Капсульные лампы бывают с прозрачной и матовой колбой, чаще всего имеют цоколь G4, реже G6.35, еще реже – G5.3.

Обычно G4 имеют мощность 10 и 20 Вт, реже 5 Вт. Это главные рабочие лошадки в люстрах.

Капсульные лампы G6.35 (GY6.35) чаще встречаются на напряжение 24 Вольта. Их редко применяют в бытовых светильниках, чаще в специальных установках, например, в проекторах, светильниках для операционных.

Рефлекторные лампы чаще всего имеют цоколи GU5.3, GU4, реже GY4.

Самый распространенный тип – это зеркальные лампы типоразмера MR16 (50 мм) с цоколем GU5.3.

Зеркальные лампы типоразмера MR11 (35 мм) выпускают с цоколем GU4. Самый редкий тип ламп MR – это MR8, диаметром 25,4 мм, имеют цоколь GU4. Следует иметь ввиду, что все рефлекторные лампы, кроме мощности, имеют и другой важный параметр – угол излучения, он может варьироваться от 8 до 60 градусов. Чаще всего встречаются с углом 36°.

Теперь об экзотике.

Галогенные лампы направленного освещения с отражателем AR111 и цоколем G53, без защитного стекла.

В отличие от аналогичной по размеру сетевой лампы ES 111, второй колбы нет вообще – это лёгкая конструкция из штампованного алюминия диаметром 111 мм, внутри которой жестко закреплена капсульная лампа формата G6.35 мощностью от 35 до 100 Вт. Обычно их подключают к питанию «под винт» - винты уже установлены на цоколе. Из личного опыта хочу отметить, что винты могут быть закручены очень крепко – не поленитесь при откручивании удерживать клемму плоскогубцами. Если держать за отражатель, можно сломать керамическую часть цоколя, что сразу приводит к разрушению колбы лампы. Еще один нюанс – «по умолчанию» в светильниках уже установлены лампы с углом излучения 24°. Они дают узкий пучок света. Если нужен менее концентрированный свет, их можно заменить на лампы с углом излучения 45°.

Очень редкий тип – лампа-фара Halospot-48 с цоколем GY4.

Лампа имеет такую же конструкцию, как HALOSPOT 111, но диаметром 48 мм и углом излучения всего 8 градусов, что даёт очень узкий и мощный пучок света для акцентного освещения.

Встречаются и совсем уникальные лампы. Немецкая компания «Paulmann» выпускает рефлекторные лампы с цоколем GU5.3, похожие на MR16, но с четырехгранными и шестигранными отражателями, предназначенными для светильников своего производства.

Надеюсь, длинный рассказ был интересным и полезным.