Podstawy techniki HID.
Rys. 1 Porównanie lampy Philips D2S 4100 K o jasności 3200 lm, wpasowanej w reflektor „WESEM”, z halogenem 100W H3 mającym 2500 lm, oryginalnie pracującym w tym reflektorze.
Technika oświetlenia HID (High intensity Discharge) znaczy tyle, co technika wyładowania o wysokiej intensywności. W lampie HID nie ma żarnika odpowiedzialnego za świecenie. Źródłem światła jest tu łuk elektryczny powstający między dwiema platynowymi elektrodami precyzyjnie umieszczonymi w hermetycznej kapsule z kwarcowego szkła. Kapsuła wypełniona jest gazami szlachetnymi pod zwiększonym ponad atmosferyczne ciśnieniem, głównie ksenonem. W komorze wyładowczej znajdziemy także starannie opracowaną domieszkę stałych soli metali ziem rzadkich w postaci zielonkawego lub ciemnoczerwonego nalotu na szkle oraz kilka mikroskopijnych kropelek rtęci osadzonych na elektrodach. Ta droga i skomplikowana receptura, niczym wykwintny kulinarny przepis, pozwala na osiągnięcie parametrów świetlnych niedostępnych dla jakichkolwiek diod i żarówek.
Podstawy techniki HID.
Rys. 2 Budowa lampy HID D2 35W.
Żadna dioda ani żarówka nie wyemituje strumienia świetlnego o ogromnej sile 3200 lumenów z pojedynczego optycznego źródła, jednocześnie osiągając luminację powyżej 6000 cd/cm2, pozwalając na niesamowite skupienie wiązki. Po lewej widzimy żarnik żarówki halogenowej o mocy 55W, po prawej łuk elektryczny lampy D2 o mocy 35W, z zachowaniem proporcji:
Podstawy techniki HID.
Rys. 3 Porównanie luminacji żarnika halogenowego i łuku elektrycznego.
Żadna żarówka ani dioda nie uzyska efektywności świetlnej na poziomie wyższym niż 91 lm/W przy tak wielkich poziomach jasności. Żadna żarówka nie wyemituje idealnie białego światła o temperaturze barwowej od 4200 do nawet 6000 K, żadna żarówka w sprzęcie przenośnym nie wytrzyma serwisowych 3000 h, jakie są projektowane dla wysokiej jakości lamp o mocy 35W. W praktyce bezawaryjny czas działania lamp HID jest jeszcze dłuższy, niż ten przewidywany przez producenta. Choć diody mogą wytrzymać jeszcze więcej, to i tak żadna z nich nie odda tak wiernie barw otoczenia przy porównywalnej temperaturze barwowej, bowiem spektrum lampy HID, choć emisyjne i pełne „szpilek”, jest bardzo wyrównane i zapewnia wysoki komfort dla ludzkiego oka.
Podstawy techniki HID.
Rys. 4 Widmo lampy HID D2. Widać “piki” widma emisyjnego zjonizowanych cząsteczek soli.
W lampie HID nie utrząśnie i nie przepali się żarnik pozostawiając nas nagle wśród ciemności, ponieważ umiera ona bardzo powoli, stopniowo zmniejszając swoją jasność i przesuwając spektrum ku zimniejszym barwom.
Ta szalona komplikacja w budowie, jak i wyśrubowane parametry powodują, że tylko uznani producenci są w stanie wyprodukować naprawdę dobrej jakości lampy. Nie kupujmy podróbek ani lamp „no-name”. One są nie tylko niskiej jakości, ale także mogą być niebezpieczne, o czym dalej powiem. Jedyne uznane marki to Welch-Allyn i AElight dla mocy od 10 do 24W oraz Philips, GE i Osram, dla lamp typu D2 o mocy 35W i 50W. Nie wolno zaopatrywać się w chińskie lampy!
Podstawy techniki HID.
Rys. 5 Powyżej widzimy dwie lampy D2 35W najlepszych producentów.
Obie lampy mają identyczne parametry robocze i posiadają trzonki P32d. Moc znamionowa wynosi 35W, napięcie lampy dla tej mocy to 85VAC, a temperatura barwowa została ustalona na poziomie analogicznym do promieniowania ciała doskonale czarnego o temperaturze 4100K. Taką temperaturę światła zmierzono dla Księżyca w pełni, świecącego w bezchmurną noc w najwyższym punkcie nieboskłonu dla średnich szerokości geograficznych. Ta wartość stanowi wzorzec dla samochodowych lamp D2.
Lampy HID nie da się zasilić wprost z napięcia wytwarzanego przez baterie, akumulatory i sieć. Należy zaopatrzyć się w specjalnie opracowany dla danego modelu lampy, skomplikowany układ elektroniczny inaczej zwany przetwornicą lub balastem. Po pierwszym przyłożeniu napięcia zasilania na jej wejście, przetwornica wytworzy na elektrodach bardzo wysokie napięcie, szybko rosnące aż do wystąpienia przebicia atmosfery bańki i zainicjowania łuku elektrycznego. Zimny start lampy HID wymaga dostarczenia napięcia przebicia od kilku do kilkunastu tysięcy V, w zależności od jej mocy znamionowej i odległości między elektrodami. W przypadku, gdy atmosfera w kapsule wciąż znajduje się w bardzo wysokiej temperaturze i ciśnieniu tuż po rozpadzie łuku elektrycznego, jego powtórne zainicjowanie wymaga wytworzenia napięcia aż 30.000V! Dlatego właśnie należy zachować szczególną ostrożność przy pracy z systemami HID.
Tuż po pierwszym przebiciu atmosfery komory wyładowczej starannie obliczonym przez mikroprocesor przetwornicy ładunkiem elektrycznym, w kilkunastu kolejnych milisekundach następuje cała seria powtórnych wyładowań o wysokim napięciu. Ma to na celu wstępne zjonizowanie atomów ksenonu i zapewnienie spadku jego oporności aż do wartości, gdy będzie możliwe zainicjowanie stabilnego łuku elektrycznego. Gdy już to nastąpi, przetwornica znacznie obniża napięcie podawane na lampę do wartości rzędu 80 - 100V i załącza się oscylator generujący prostokątne przebiegi prądu przemiennego o częstotliwości od kilkuset do kilku tysięcy Hz. Jednocześnie przetwornica precyzyjnie oblicza i dozuje moc elektryczną dostarczaną lampie, by odpowiednio szybko rozgrzać, a jednocześnie nie zniszczyć elektrod, wrażliwych na zbyt wysoką, jak i zbyt niską temperaturę pracy.
Lampy HID można zasilać zarówno prądem przemiennym, jak i jednokierunkowym, impulsowym. W lampach o niskich mocach, głównie 10W, częściej spotykamy prąd DC, bowiem dla jednokierunkowego prądu lampy łatwiej zaprojektować i wykonać przetwornicę. Zwłaszcza, kiedy pracuje ona na prądzie stałym z baterii. Jednak jednokierunkowy przepływ prądu ma niekorzystny wpływ na żywotność lampy, ponieważ prowadzi do powstania procesów elektrolitycznych zachodzących na elektrodach, a tym samym powodując ich degradację. Jeden kierunek, w którym płynie prąd powoduje także powstanie asymetrii w kształcie łuku elektrycznego oraz w jego barwie i intensywności emitowanego światła:
Podstawy techniki HID.
Rys. 6 Porównanie anatomii wiązki światła produkowanej przez lampę zasilaną prądem stałym i przemiennym.
Prąd AC jest większym wyzwaniem dla konstruktora układu zasilającego lampę ze źródła prądu stałego, natomiast eliminuje niekorzystne zjawiska elektrolityczne w komorze wyładowczej, powoduje, że iskra jest symetryczna i wydłuża żywotność lampy. Należy pamiętać, że nie wolno zasilać prądem DC lampy przystosowanej do pracy z prądem przemiennym.
Tuż po starcie lampy jeszcze jest ona zimna i ciśnienie w jej wnętrzu jest niskie. Elektrony łuku elektrycznego swobodnie poruszające się w atmosferze komory wyładowczej zderzają się z cząsteczkami ksenonu powodują ich przejście na wyższy poziom energetyczny, a następnie przy ponownym przejściu na niższy poziom pobudzona cząsteczka samorzutnie emituje fotony. Rtęć jeszcze nie wyparowała z elektrod, nie wyparowały też sole zebrane w dolnej części bańki. Rolą rtęci jest szybkie wyparowanie pod wpływem temperatury łuku i znaczne podniesienie ciśnienia roboczego w komorze wyładowczej. Wysokie ciśnienie sprzyja wysokiej efektywności. Dlatego więc pary rtęci powodują powstanie ciśnienia rzędu nawet kilkudziesięciu atmosfer! W miażdżącym ciśnieniu cząsteczki ksenonu wypełniające bańkę są stłaczane i zwiększa się gęstość promieniowania świetlnego, jakie emitują. To właśnie zjonizowany ksenon świeci pięknym niebieskim światłem w ciągu kilku sekund od startu lampy.
Należy pamiętać, że pary rtęci także świecą, gdy są zjonizowane. Emitują silne „piki” krótkofalowego promieniowania UV, niezwykle szkodliwego dla wszystkich organizmów żywych, w tym też człowieka. Szkło kwarcowe, z jakiego wykonana jest bańka, bardzo silnie absorbuje to niebezpieczne promieniowanie, redukując je do poziomu bezpiecznego. Ale i tak nie wolno bezpośrednio patrzeć na łuk elektryczny pracującej lampy, ani tym bardziej świecić sobie ani komukolwiek w oczy. Zresztą poziom jasności światła, jaki emituje lampa HID skutecznie do tego zniechęca.
Sole natomiast nagrzewają się i parują wolniej niż rtęć. Jaka jest ich rola? Otóż po odparowaniu w wysokiej temperaturze tworzą gazową mieszaninę wraz z ksenonem i parami rtęci. Ich cząsteczki pobudzane zderzeniami elektronów bardzo silnie oddają fotony. Każdy związek świeci innym kolorem, za to łącznie te wszystkie sole produkują mieszaninę barw odbieraną przez ludzkie oko jako biel o różnej temperaturze, w zależności od dobranych proporcji tej „mikstury”. Zjonizowane sole metali wytwarzają światło znacznie efektywniej niż sam ksenon. Dlatego właśnie podczas nagrzewania lampy i odparowywania soli tak bardzo zwiększa się jej jasność.
W samochodowych systemach obsługujących lampy D2 o mocy 35W moc zaraz po starcie „na zimno” jest podwyższana do 75W na okres 4 - 5 sekund, aby szybciej odparowywały sole, a sam zjonizowany ksenon świecił jaśniej nim to nastąpi. Po upływie 30 sekund, gdy sole znajdują się już w postaci gazowej, moc stabilizuje się na poziomie 35W. Przepisy dotyczące oświetlenia samochodowego nakazują, aby już po dwóch sekundach po starcie jasność głównego źródła światła osiągnęła 70%. Nikt zresztą nie chciałby czekać ani chwili, zanim pojedzie po włączeniu silnika i świateł.
Podstawy techniki HID.
Rys. 7 Konsumpcja prądu przez samochodową przetwornicę w funkcji czasu.
Lampa zasilana stałą mocą posiada zaledwie 10 - 25% swojej znamionowej jasności tuż po zimnym starcie. Same cząsteczki ksenonu nie pozwalają uzyskać wyższego strumienia światła. Za to przyspieszone rozgrzewanie lampy ma niekorzystny wpływ na jej żywotność. Wysoka moc, jaką obciążane są zimne elektrody powoduje wybijanie z nich materiału przez elektrony i osadzanie ich na ściankach komory. Powoduje to wyerodowanie elektrod, zaczernienie bańki, a w następstwie przegrzanie lampy i jej przedwczesną śmierć. Dlatego w zasilaniu latarkowym lepiej stosować przetwornice bez przyspieszonego startu. Nawet za cenę długiego czasu nagrzewania.
Bardzo ważna z punktu widzenia żywotności lamp HID jest częstotliwość zimnych startów. Każde włączenie lampy to silne wyładowanie elektryczne wewnątrz komory i kolejna porcja wybitego przez elektrony materiału z elektrod. Im częściej lampa jest włączana/wyłączana, tym mniejsza będzie jej żywotność. Dodatkowo dochodzi negatywny wpływ przesterowywania lampy podczas jej rozruchu, by zapewnić wymaganą przez przepisy drogowe jasność.
Obserwacje zachowania lamp typu D2 pracujących na samochodowych przetwornicach wykazały, że lampa po 2000 zimnych startach zachowuje podczas normalnej pracy już tylko 70% początkowej jasności. Łagodne dozowanie mocy po włączeniu lampy pozwala kilkukrotnie zwiększyć ilość zimnych startów, zanim jej światło zacznie słabnąć. Do tego im większy jest stosunek okresów niezakłóconej pracy lampy do liczby uruchomień, tym jej żywotność rośnie. W najbardziej sprzyjających warunkach, tj. podczas nieprzekraczania dopuszczalnych mocy i długich okresów pracy bez wyłączeń, można uzyskać nawet 6000 h.
Zależność tą przedstawia wykres:
Podstawy techniki HID.
Rys. 8 Zależność średniego czasu życia lampy D2 od ilości zimnych startów w ciągu godziny.
Do dołu
2010-01-11, 23:17:10