Øvrige typer lyskilder, herunder induktionslamper

Xenonlamper

kl-70-20-20-philips-xenonlamper-cex-175bf-og-cex-300bf-keramik-xenon-short-arc-high.jpg

zoomXenonlamper til mikroskoper.
Foto: Philips.

Xenonlampen er en udladningslampe. I modsætning til alle andre typer udladningslamper tænder den øjeblikkelig uanset om den er varm eller kold.

Da det lysende punkt i en xenonlampe er meget lille, opfattes lyskilden som en næsten perfekt punktlyskilde. Desværre er lyskilden ikke særlig effektiv, hvorfor anvendelsen heller ikke er særlig udbredt. 

kl-70-20-10-osram-xenonlampe-xbo-xenon-short-arc-high.jpg

zoomXenonlampe til biografprojektor.
Foto: Osram.

Typer
Der findes adskillige typer af xenonlamper, der er beregnet til hver deres anvendelse. De laveste wattager af xenonlamper er ca. 10 W og anvendes til mikroskop-belysning, mens de højeste wattager er på ca. 30 kW og anvendes til militære projektører. Størsteparten anvendes som lyskilder i biografprojektorer.

Typiske anvendelser
Da xenonlampen udsender et meget præcist rettet lys, anvendes den i stor stil til biografprojektorer og i nogen grad til scenebelysning. Det høje farvegengivelsesindeks gør desuden lampen anvendelige som lyskilde til endoskoper, der bruger ved kikkertoperationer på hospitaler samt til mikroskopbelysning.

Ved en farvetemperatur på 6200 K er spektralfordelingen er tæt på dagslys og lysstrømmen kan blive meget høj, hvilket gør lyskilden velegnet til brug som kunstig sol i forbindelse med dagslyssimulatorer til afprøvning af bl.a. solceller.

Også til kraftige projektører på skibe anvendes xenonlampen, ligesom den anvendes i en meget mindre udgave til bilers forlygter, hvor xenon dog kun indgår i lampen for at lette opstarten. Selve gassen i disse forlygter består af natrium og scandium. Forlygterne er temmelig kostbare og har kun har vundet indpas i europæiske og japanske luksusbiler.

Virkemåde
Xenonlamper udsender lys fra en lysbue (en slags vedvarende gnist) i ren Xenon gas. Gastrykket er meget højere end for andre udladningslamper, og håndtering af lampen bør derfor altid foregå med stor forsigtighed og ved benyttelse af beskyttelsesudstyr. Det høje gastryk er nødvendigt for at opnå en lav driftsspænding og et så lille lysende punkt som muligt.

Den tilspidsede elektrode (katoden) udsender en strøm af elektroner, som modtages af den anden elektrode (anoden). Udstrækningen af lyspunktet i en xenonlampe bestemmes bl.a. af de termiske og elektromagnetiske forhold omkring udladningen. Selv ved effekter på flere kW er lysbuens længde kun ganske få mm.

Krav til Xenon lamper er angivet i standarderne IES 61549, "Miscellaneous lamps" og i IES 62035, " Discharge lamps (excluding fluorescent lamps) - Safety specifications".

Opbygning
Xenonlamper består af en xenonfyldt glaskolbe, der omslutter to kraftige elektroder. Kolben er forsynet med en "næse", der anvendes under fremstillingen til påfyldning af gas. Afstanden mellem elektroderne svarer til længden af den elektriske lysbue under drift. Elektroderne er hermetisk forseglede til glaskolben. Den tilspidsede elektrode benævnes katoden (negative pol), mens den anden elektrode benævnes anoden (positive pol). Jo mindre katode desto større anode. Den store overflade er nødvendig for at undgå overophedning af elektroden, idet varmen udstråles som infrarød strålingsvarme fra anodens relativt store overflade. Levetiden af anoden afhænger af dens facon samt wolframlegeringens struktur og sammensætning.

kl-70-20-30-osram-xenon-opbygning-historisk-ill-high.jpg

Xenonlampens opbygning. Figur: Osram.

 

Begge elektroder fremstilles af wolframlegeringer. Elektroderne er forlænget til kraftige stænger, der tilsluttes forsyningsspændingen og desuden anvendes til montage af lyskilden. Kolben er omviklet med en tynd tråd, der fungerer ved tænding af lyskilden. Tråden benævnes tændtråden.

Til fremstilling af kolben anvendes kvartsglas, idet glasset både skal holde til et meget højt gastryk samt overfladetemperaturer over 700 °C. Det tynde glas (få mm) er af typen suprasil, som udmærker sig ved meget høj optisk kvalitet. Derved opnås størst mulig ensartethed i lysfordelingen. Afskærmning af ultraviolet lys fra lysbuen sker ved enten at tilsætte glasset særlige uv-absorberende materialer eller at anvende en belægning på glassets overflade. Uafskærmet ultraviolet lys er i stand til at omdanne luften til ozon, som i større mængder kan være helbredsskadelig.

Det er vigtigt at der ikke slipper luft ind i kolben, hvorfor en lufttæt forsegling af elektroderne er nødvendig. Elektroderne består imidlertid af wolfram, mens glasset består af kvarts. I modsætning til wolfram, udvider kvarts sig meget ved opvarmning, hvilket er årsagen til, at det ikke umiddelbart kan lade sig gøre blot at støbe kvartsglasset omkring elektroderne. Glasset vil i det tilfælde knuses af metallet, når det opvarmes. Problemet er det samme som for halogenlamper, hvor det løses ved at svejse elektroderne fast på tyndt molybdæn folie, der er indkapslet i kvartsglasset. En lignende løsning kan anvendes vil xenonlamper med lav effekt. De fleste xenonlamper har dog en så høj effekt, at denne løsning er upraktisk. I de tilfælde anvendes ofte flere typer glas med varierende termiske udvidelseskoefficienter, der kan tilpasses den termiske udvidelse af wolfram. Dette giver en robust og pålidelig konstruktion, der egner sig til det høje gastryk.

Den høje strøm på typisk 200 A udelukker brugen af standardsokler. I stedet anvendes kraftige kabler, skruegevind eller runde metalstænger, der har forbindelse til hver af elektroderne.

Tænding af lampen lettes i væsentlig grad af en jern-nikkel tråd omviklet kolben. Tråden ændrer det elektriske felt mellem elektroderne, så det bliver mindre ensartet. Dette bevirker, at en udladning lettere kan finde sted mellem elektroderne. Desuden kan der ske en delvis udladning på selve tråden. Dette bevirker en forøget udsendelse af elektroner fra katoden, hvilket også er med til at få en udladning til at finde sted.

Xenongas anvendes i ufortyndet og helt ren form i kolben. Xenon er en gasart, der er tilstede i atmosfærisk luft i meget små koncentrationer (mindre end < 0.00001 %). Det tilsættes lampen i frossen tilstand. Ved stuetemperatur er gastrykket 5-15 bar, men stiger til det fire-dobbelte under drift.

Lystekniske data
Med et Ra-indeks på ca. 100 er farvegengivelsen tæt på det optimale. Farvetemperaturen minder om dagslysets (ca. 6200K) og lampen kan dæmpes. Disse egenskaber er konstante for alle Xenonlamper uanset effekt, type, levetid eller graden af dæmpning.

 

kl-70-20-60-osram-spektralfordeling-xenonlampe-high.jpg

Spektral effektfordeling for Xenonlamper. Figur: Osram. 

 

En xenonlampe udmærker sig ved i modsætning til alle andre udladningslamper at kunne tændes øjeblikkelig uanset om den er varm eller kold. Fuld lysstrøm opnås ligeledes så snart lyskilden tændes.

Lysstrømmen fra xenonlamper varierer, men lyskilden er en af de lamper, der har højst luminans. Luminansen ligger mellem 20.000 og 500.000 cd/cm². Effektiviteten er typisk på højde med gode halogenlamper, og ligger typisk mellem 15 lm/W og 50 lm/W. Effektiviteten falder med effekten af lampen og tætheden af elektroderne.

Lodret position af lyskilden med anoden øverst giver en perfekt rotationssymmetrisk lysbue. Ved anvendelse i biografprojektorer kan det optiske system dog bedre udnyttes ved vandret montage af lyskilden. Vandret position giver en lysbue med en svagt opadgående afvigelse som følge af konvention i xenon gassen. Afvigelsen afhænger af elektrodeafstanden og strømmen. Ustabilitet indtræder for lodret lysende lamper, hvis hældningen af lampen overstiger 30°. Strømmen af elektroner i lysbuen er påvirkelig af magnetfelter. En ganske normal permanent magnet kan derfor anvendes til at korrigere positionen af lysbuen.

Levetiden for xenonlamper er i bedste fald 2.000-3.000 timer.

Som det fremgår af kurverne, minder lyset fra en xenonlampe om dagslys.

Det er vanskelig at finde en lyskilde med bedre farveegenskaber end xenon lampen. Farvegengivelsen er over 95 ved en farvetemperatur på ca. 6200K. Variationer i farvetemperatur på +/-250K kan forekomme som følge af slitage af anoden, men ellers er både farvegengivelse og farvetemperatur uafhængig både dæmpning og brændtid.

80 % af den tilførte elektriske effekt omdannes til stråling fra lysbuen, anoden og glasset i kolben, hvis temperatur er ca. 700 °C. De resterende 20 % afsættes som varme i form af konvektion (afkøling via luftstrømningen) og konduktion (afkøling ved varmeledning). 60 % af den tilførte effekt udsendes som stråling fra lysbuen. Heraf er størsteparten infrarød stråling.

Eltekniske forhold
Lampen forsynes af jævnstrøm på ca. 200 A ved en spænding i størrelsesordenen 20-30 V, hvilket er anderledes end for andre udladningslamper, som typisk forsynes med en vekselstrøm på få ampere ved en spænding på 100-200 V.

Spændingen følger lampens effekt. En forøgelse af effekten forøger spændingen tilsvarende.

Umiddelbart efter tænding af lyskilden forøges både strømmen og spændingen brat, men stiger derefter i et langsomt forløb. Hvis lyskilden betragtes som en ohmsk modstand, falder modstanden fra uendelig til få tiendedele af en ohm over ganske kort tid.

Lysstrømmen er forholdvis følsom over for ændringer i den elektriske strøm. En forøgelse af strømmen forøger samtidig lampespændingen, den elektriske effekt, temperaturen og trykket i lyskilden.

Øjeblikkelig gentænding kan altid finde sted, uanset om lyskilden er varm eller kold.

Lysudsendelsen hænger nøje sammen med driftsstrømmen. En ustabilitet i den tilførte strøm vil straks vise sig som flimmer. Desuden kan flimmer nemmere opstå ved lave driftsstrømme, hvilket skyldes, at lysbuen opstår fra et mindre område af katoden, som derfor bliver uens opvarmet. Dette giver anledning til lokale defekter i overfladen, som forstyrrer dannelsen af lysbuen.

En xenonlampe egner sig kun til drift med jævnstrøm.

Forkoblinger
Forkoblingen til en xenonlampe skal kunne levere en meget høj jævnstrøm fra enten en sinusformet netspænding eller et batteri. Den simpleste måde er at anvende kraftige ensrettere, men elektroniske forkoblinger er også en mulighed ved mindre wattager. Ensrettere kan med fordel suppleres af et hjælpekredsløb, som i et kortvarigt øjeblik kan afgive så høj en spænding, at lyskilden kan tændes.

I kold tilstand er en xenonlampe en fremragende isolator. Tænding af lyskilden kræver høj spænding i tilstrækkelig lang tid, høj energi af tændpulsen og hurtig reaktion i ensretterkredsløbet. Umiddelbart efter etablering af en lysbue skal lyskilden forsynes med driftsstrøm ved en spænding, der er 3-4 gange højere end driftsspændingen i stabil tilstand. Konventionelle tændsystemer udsender en serie højspændingspulser ved f.eks. 300 Hz over en periode på mindre end ½ sekund. Herunder er vist et eksempel på et kredsløb. Det benytter sig af en gnistgab, som slides og skal udskiftes med regelmæssige mellemrum.

Elektroniske forkobling slides ikke og tænder sædvanligvis lampen med en enkelt højspændingspuls. Det giver stærk reduceret elektrisk støj i forhold til konventionelle tændsystemer.

Driftsproblemer
Hyppigt forekommende fejlsituationer i belysningsanlæg med xenonlamper :

  • Kort levetid. Skyldes ofte for høj eller for lav strøm, for høj startstrøm, utilstrækkelig udglatning af strømmen, forkert brændestilling, forkert anvendelse af magnetisk stabilisering eller utilstrækkelig køling.
  • Lyskilden kan ikke tændes. Skyldes ofte forkert tændspænding fra starteren eller forkert frekvensen af startpulserne.
  • Lampen tændes vanskeligt. Årsagen er ofte defekt gnistgab, defekt kondensator i starteren, udladning fra eller forkert montage af fra kablet mellem starter og lyskilde, for lang afstand mellem starter og lyskilde, lyskilden er i slutningen af sin levetid eller forkert monteret, forsyningskablet er ikke korrekt monteret.
  • Flimmer. Opstår sædvanligvis ved defekter i lyskilden eller forkoblingen, men kan desuden skyldes hyppige tændinger samt kraftig eller asymmetrisk køling af lyskilden.
  • Lyskilden eksploderer. Gastrykket under drift er ca. 40 bar. En svaghed i glaskolben kan medføre en kraftig eksplosion af lampen.

Termiske forhold
Temperaturen af soklen må ikke overstige 230 °C, og kølingen skal være jævn over hele glaskolbens overflade, idet en asymmetrisk køling vil forstyrre lysbuen. Den bedste metode til at sikre dette, er at sørge for god ventilation omkring lyskilden. Xenonlamper med høje effekter har dog behov for forceret luftkøling fra en ventilator, mens typer med effekter over 20 kW kan have behov for vandkøling af elektroderne. Termisk stabilisering indfinder sig efter 5-10 minutters drift.

Udvikling og historie
Xenonlamper blev udviklet omkring 1950'erne. De fandt hurtig anvendelse i biografer, hvor de over kort tid erstattede kulbuelamper. De kunne dog kun anvendes i lodret position, hvilket førte til en lidt kompliceret konstruktion af det optiske reflektorsystem. I 1970'erne blev det muligt at konstruere xenonlamper, der kunne anvendes i både vandret og lodret brændeposition. Denne udvikling førte til fremkomsten af mere effektive filmprojektorer, der øgede luminansen af lyset på et biograflærred med ca. 30 % med samme effekt.

I forhold til tidligere udgaver, hvor elektroderne bestod af rent wolfram i en særlig tung udgave, er levetiden samt elektriske og fotometriske forhold er forbedret ved brug af metallegeringer. Xenonlamper til brug i biografer kan fås i adskillige typer med effekter fra 75 W til 12 kW.

En særlig udgave til bilers forlygter fremkom i 1991. Effekten var ca. 35 W og effektiviteten tæt på 100 lm/W. Det særlige udstyr til forkobling betyder, at priser en væsentlig højere end for almindelige halogenforlygter, og derfor ses xenon forlygter typisk kun i dyrere biler. 



Relaterede emner: