Газоразрядная лампа – это такой источник света, в котором электрическая энергия превращается в световую за счет электрического разряда, протекающего в газе. В зависимости от состава газа, наполняющего колбу, и давления в ней (низкого - менее 0, 001 мм рт.ст., высокого - 0,2-15 атм., сверхвысокого - 20-100 атм.), свойства излучения и назначения ламп могут быть различны. Разряд в газоразрядной лампе бывает трех типов: дуговой, тлеющий и импульсный.

Дуговой разряд создается при высокой плотности инертной атмосферы и представляет собой дугообразный светящийся шнур, излучающий очень мощный световой поток. По сути, этот светящийся шнур представляет собой плазму, которая вытянулась вдоль магнитного поля электрического тока. Эти лампы, учитывая их высокую светоотдачу, используются в основном в прожекторах, проекционном оборудовании, в подсветке при видео и киносъемке.

Тлеющий разряд создается при малой плотности инертной атмосферы. Свечение тлеющего разряда в цилиндрической трубке при постоянном токе распадается на ряд областей. Области свечения, примыкающие к катоду, называются катодными частями разряда. Остальную часть пространства почти до самого анода заполняет свечение основного столба. К источникам света этого типа относятся неоновые и люминесцентные лампы.

Импульсный разряд является началом горения для дуговой лампы. Это тот самый высоковольтный разряд, который проходит от одного электрода к другому. Импульсная лампа по своему строению очень напоминает дуговую, но зажигается на очень короткое время от конденсатора. Используются в фотовспышках, стробоскопах и при замедленной съемке.

Для многих типов газоразрядных ламп необходимо использование пускорегулирующих аппаратов. Сама лампа наполнена инертным газом и легкоиспаряющимися металлами. Газ служит для создания атмосферы и давления в лампах. Но инертная атмосфера имеет довольно большое сопротивление. Лампа требует для зажигания и поддержания работы пускорегулирующий аппарат (ПРА) и добавки в виде металлов (ртуть, натрий) и других веществ (I, Br и др.), которые помогают снизить сопротивление инертного газа. ПРА генерирует разряд, напряжение которого в несколько раз превышает рабочее напряжение лампы. Когда разряд проходит от электрода к электроду температура в колбе повышается, и добавки испаряются, насыщая газ своими парами, сопротивление снижается. После того как в инертной атмосфере появляются пары металла, напряжение, которое подается на лампу, надо ограничивать.

Газовый разряд — совокупность процессов, возникающих при протекании электрического тока через вещество, находящееся в газообразном состоянии. Обычно протекание тока становится возможным только после достаточной ионизации газа и образования плазмы. Ионизация происходит за счёт столкновений электронов, ускорившихся в электромагнитном поле, с атомами газа. При этом возникает лавинное увеличение числа заряженных частиц. Для возникновения и поддержания газового разряда требуется существование электрического поля, так как плазма может существовать, только если электроны приобретают во внешнем поле энергию, достаточную для ионизации атомов, и количество образованных ионов превышает число рекомбинировавших ионов. Газовые разряды в некоторых газах вызывают излучение видимого света, спектр которого зависит от использованного газа. Излучение фотонов происходит при рекомбинации электрона и иона газа.

Всем известные люминесцентные лампы "дневного света" заполнены парами ртути под низким давлением. При пропускании электрического тока через пары ртути возникает дуговой разряд и излучение света в УФ-диапазоне. Люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы лампы, под действием ультрафиолета излучает видимый свет. В зависимости от типа люминофора, свет может быть как чисто белым, так и "холодным" (голубоватым) или теплым (желтоватым). Спектр люминесцентных ламп линейчатый и состоит из нескольких линий в различных областях спектра. КПД таких ламп достигает десятков процентов.

В газоразрядных лампах высокой интенсивности газ, при протекании электрического тока и возникновении дугового разряда, излучает свет в видимой области спектра. Ртутные дуговые лампы высокого давления применяются в прожекторах при освещении стадионов и других крупных объектов, они дают очень яркий бело-голубой свет (УФ отсеивается фильтрами). Мощность ртутных ламп может составлять десятки киловатт.

Среди газов, наиболее часто встречающихся в газоразрядных ламах, можно выделить:

1. Неон – яркое красно-оранжевое свечение. Часто используется в рекламных знаках и неоновых лампах.

2. Ксенон – белый, синевато-серый, зеленоватый. Используется в автомобильных фарах и пр.

3. Пары ртути – светло-голубой; интенсивное ультрафиолетовое излучение. В сочетании с люминофорами используются для получения света разных цветов в люминесцентных лампах. Широко используются в ртутных газоразрядных лампах.

4. Пары натрия дают ярко-желтое свечение. Широко используются в натриевых газоразрядных лампах – например, для уличного освещения.

За почти полувековой период внедрения газоразрядных ламп они стали стандартом для всех отраслей и не нашли широкого применения только при освещении жилья в силу таких отрицательных факторов, как повышенный шум пускорегулирующей аппаратуры, неприятное мерцание света и невозможность быстрого повторного включения лампы до момента ее полного остывания. С момента начала серийного производства газоразрядных ламп (то есть в течение уже 40 лет) на рынке не появлялось никаких надежно работающих устройств, хотя бы в какой-то мере способных качественно улучшить технико-экономические показатели осветительных приборов. В условиях продолжающегося роста цен на энергоносители и удорожания осветительной арматуры, ламп и комплектующих все более насущной становится потребность во внедрении технологий, позволяющих сократить данные виды непроизводственных затрат. В условиях же удорожания рабочей силы возникает потребность в снижении затрат на замену вышедших из строя ламп, особенно если они установлены в труднодоступных местах.

Газоразрядные лампы широко используются в таких областях как

1. Неоновые лампы часто используются в рекламной продукции - знаках, вывесках и т.п.

2. Лампы на основе ксенона востребован в автомобильной промышленности в качестве фар.

3. Натриевые дуговые лампы низкого давления хорошо знакомы их использованию в уличном осещении.

Ртутные газоразрядные лампы используют газовый разряд в парах ртути для получения света. Дают свечение белого цвета, кроме того интенсивное ультрафиолетовое излучение.

Дуговая ртутная лампа (рис.1) имеет следующее строение: стеклянный баллон 1, снабжённый резьбовым цоколем 2. В центре баллона укреплена ртутно-кварцевая горелка 3, заполненная аргоном с добавкой капли ртути. Четырехэлектродные лампы имеют главные катоды 4 и дополнительные электроды 5, расположенные рядом с главными катодами и подключенные к катоду противоположной полярности через добавочный угольный резистор 6. Дополнительные электроды, облегчают зажигание лампы и делают её работу более стабильной.

В горелке из прочного тугоплавкого химически стойкого прозрачного материала в присутствии газов и паров металлов возникает свечение разряда – электролюминесценция.

При подаче напряжения на лампу между близко расположенными главным катодом и дополнительным электродом обратной полярности на обоих концах горелки начинается ионизация газа. Когда степень ионизации газа достигает определённого значения, разряд переходит на промежуток между главными катодами, так как они включены в цепь тока без добавочных сопротивлений, и поэтому напряжение между ними выше. Стабилизация параметров наступает через 10-15 минут после включения.

Электрический разряд в газе создаёт видимое белое без красной и голубой составляющих спектра и невидимое ультрафиолетовое излучение, вызывающее красноватое свечение люминофора. Эти свечения суммируются, в результате получается яркий свет, близкий к белому.

При изменении напряжения сети на 10-15% в большую или меньшую сторону работающая лампа отзывается соответствующим повышением или потерей светового потока на 25-30%. При напряжении менее 80% сетевого лампа может не зажечься, а в горящем состоянии погаснуть.

Металлогалогенные лампы HMI-лампы - (или Hydrargyrum medium Arc-length Iodide) - это большое семейство газоразрядных ламп переменного тока, в которых световое излучение образуется в результате электрического разряда в плотной атмосфере смеси паров ртути и галогенидов редкоземельных элементов. В отличие от ламп накаливания, являющихся тепловыми излучателями в полном смысле этого слова, свет в этих лампах генерируется горящей между двумя электродами дугой. Это ртутные лампы высокого давления с добавками йодидов металлов или йодидов редкоземельных элементов (диспрозий (Dy), гольмий (Ho) и тулий (Tm) а также комплексные соединения с цезием (Cs) и галогениды олова (Sn). Эти соединения распадаются в центре разрядной дуги, и пары металла могут стимулировать эмиссию света, чьи интенсивность и спектральное распределение зависят от давления пара металлогалогенов. Световая отдача и цветопередача дугового разряда ртути и световой спектр значительно улучшаются.
Принцип работы (галогенный цикл): В баллоне лампы присутствуют пары йодидов металлов. При инициации электрического разряда с разогретых электродов начинает испаряться вольфрам, и его пары вступают в соединение с йодидами, образуя газообразное соединение - йодид вольфрама. Этот газ не оседает на стенках колбы (баллон остается прозрачным в течение всего срока работы лампы). Непосредственно вблизи разогретых электродов газ разлагается на пары вольфрама и йод, т.е. электроды окутаны облаком паров металла, оберегающим электроды от разрушения, а стенки колбы от потемнения. При выключении лампы вольфрам оседает (возвращается) на электроды. Таким образом, галогенный цикл обеспечивает длительную работу лампы без потускнения колбы. Металлогалогенные (газоразрядные) лампы стали практически традиционными для применения в профессиональном световом оборудовании.

Основными преимуществами этих ламп по сравнению с лампами накаливания являются: увеличенная в три-четыре раза световая отдача (до 100 лм/Вт), схожий со спектром дневного света спектр оптического излучения с цветовой температурой от 4500 до 6500 K, а также увеличенная на коэффициент 20 яркость, благодаря чему эти лампы можно назвать почти идеальными источниками концентрированного пучка света. Кроме этого индекс цветопередачи металлогалогенных ламп составляет от 80 (HTI) до 95 (HMI), что практически соответствует максимально возможной "естественной" передаче цветов освещаемого объекта (100). Для некоторых областей применения особенно важным является то, что все лампы серий HMI и НМР, и большая часть ламп серии HTI обладают возможностью повторного зажигания из горячего состояния в любой стадии охлаждения и регулирование светового потока лампы (одноцокольные лампы серий HSR и HSD представляют собой лампы с наружными колбами и предназначены для зажигания только в холодном состоянии). Эти лампы выпускаются с большим диапазоном рабочих мощностей - от 125 до 18000 Вт и имеют четыре конструктивных исполнения:

1. Двухцокольное исполнение (HTI, HMD). Лампы со штырьковыми или резьбовыми цоколями для простого монтажа. Лампы выполнены с использованием традиционной геометрии для двухцокольных ламп, знакомой многим по отечественному аналогу лампе ДРИШ. Особенно хочется отметить лампы типа GS (gap short) с уменьшенным межэлектродным расстоянием, возросшая в последнее время популярность которых объясняется тем, что эта технология позволяет концентрировать большее количество светового потока вблизи оптического центра светового прибора, снижая потери световой энергии и, тем самым, увеличивая кпд системы. Также немаловажную роль играет то, что для этих ламп стандартом является исполнение Super Quiet (сверхтихое), хотя оптимальное подавление звуковых помех все же достигается при использовании лампы совместно с электронным ПРА.

2. Одноцокольное исполнение без наружной колбы (HTI). Лампы с минимальными размерами, с безупречным в оптическом отношении качеством света - для компактных светотехнических систем. Специальный цоколь лампы этого исполнения, не смотря на свои очень маленькие размеры, обеспечивает безупречное повторное зажигание из горячего состояния: преимущество для очень компактных светильников. Такие лампы были разработаны для применения в миниатюрных световых приборах, где, тем не менее, требуется высокая яркость. Несмотря на свои небольшие размеры эти лампы обладают всеми преимуществами ламп HMI.

3. Одноцокольное исполнение с наружной колбой (HSR, HSD). Простые в обслуживании лампы, способные работать длительное время без сервисного обслуживания. Без возможности повторного зажигания из горячего состояния. Наружная колба гарантирует простое обслуживание лампы, оптимальное подавление помех при работе с электронным ПРА, улучшенную по сравнению с двухцокольными лампами регулировку светового потока. Еще одним достоинством этих ламп является возможность стабильной работы в любом положении.

4. Разрядная лампа с отражателем. Это исполнение представлено семейством ламп "HBO" для видео проекторов. В ней горелка герметично запаяна в интерференционный отражатель. Основная область ее применения - прожекторы дальнего действия с концентрированным световым пучком. Основное неудобство, возникающее при использовании металлогалогенных ламп, - необходимость всегда иметь под рукой дорогой и объемный высоковольтный источник питания. Тем не менее, благодаря очень хорошей цветовой температуре и высокой светоотдаче металлогалогенные лампы находят широкое применение в сценическом и театральном освещении. Все больше убеждаются в преимуществах ламп HMI фотографы и операторы.