مصباح هالوجين

مصباح الهالوجين (ويُسمى أيضًا مصباح هالوجين التنجستن ، أو مصباح هالوجين الكوارتز ، أو مصباح يود الكوارتز ) هو مصباح متوهج يتكون من سلك تنجستن مغلف بغلاف شفاف صغير مملوء بمزيج من غاز خامل وكمية صغيرة من الهالوجين ، مثل اليود أو البروم . ينتج عن تفاعل غاز الهالوجين مع سلك التنجستن دورة كيميائية تُعيد ترسيب التنجستن المتبخر على السلك، مما يزيد من عمره ويحافظ على شفافية الغلاف. يسمح هذا للسلك بالعمل عند درجة حرارة أعلى من المصباح المتوهج القياسي ذي القدرة والعمر التشغيلي المماثلين؛ كما ينتج عنه ضوء ذو كفاءة إضاءة أعلى ودرجة حرارة لونية أعلى . يسمح صغر حجم مصابيح الهالوجين باستخدامها في أنظمة بصرية صغيرة الحجم لأجهزة العرض والإضاءة. قد يتم تغليف الغلاف الزجاجي الصغير داخل غلاف زجاجي خارجي أكبر بكثير، يتميز بدرجة حرارة أقل، ويحمي الغلاف الداخلي من التلوث، ويجعل الغلاف أكثر شبهاً من الناحية الميكانيكية بالمصباح التقليدي. ^{[ 1 ]}

تعتبر المصابيح المتوهجة القياسية والهالوجينية أقل كفاءة بكثير من مصابيح LED والمصابيح الفلورية المدمجة ، ولذلك تم حظرها أو يجري حظرها في العديد من الأماكن .

تم تسجيل براءة اختراع لمصباح خيط الكربون الذي يستخدم الكلور لمنع تعتيم الغلاف ^{[ 2 ]} بواسطة إدوارد سكريبنر من شركة الإضاءة الكهربائية الأمريكية في عام 1882، وتم تسويق مصابيح "نوفاك" المملوءة بالكلور في عام 1892. ^{[ 3 ]}

اقترح استخدام اليود في براءة اختراع عام 1933 ^{[ 4 ]} ، والتي وصفت أيضًا إعادة ترسيب التنجستن بشكل دوري على الفتيل. وفي عام 1959، حصلت شركة جنرال إلكتريك على براءة اختراع ^{[ 4 ]} لمصباح عملي يستخدم اليود. ^{[ 5 ]}

في المصابيح المتوهجة العادية، يترسب التنجستن المتبخر في الغالب على السطح الداخلي للمصباح، مما يؤدي إلى اسوداده وضعف الفتيل تدريجيًا حتى ينقطع في النهاية. أما وجود الهالوجين، فيُنشئ دورة تفاعل كيميائي عكسية مع هذا التنجستن المتبخر. تحافظ دورة الهالوجين على نظافة المصباح وتجعل شدة إضاءته ثابتة تقريبًا طوال عمره. عند درجات حرارة معتدلة، يتفاعل الهالوجين مع التنجستن المتبخر، وينتقل الهاليد الناتج في غاز التعبئة الخامل. ولكن عند نقطة معينة، يصل الهاليد إلى مناطق ذات درجة حرارة أعلى داخل المصباح، حيث يتفكك ، مُطلقًا التنجستن مرة أخرى على الفتيل، ومُحررًا الهالوجين لتكرار العملية. مع ذلك، يجب أن تكون درجة حرارة غلاف المصباح أعلى بكثير من درجة حرارة المصابيح المتوهجة التقليدية حتى ينجح هذا التفاعل: إذ لا يمكن لبخار الهالوجين أن يتحد مع التنجستن ويعيده إلى الفتيل إلا عند درجات حرارة أعلى من 250 درجة مئوية (482 درجة فهرنهايت) ^{[ 11 ]} على السطح الداخلي للغلاف الزجاجي، بدلاً من ترسب التنجستن على الزجاج. ^{[ 12 ]} يصل مصباح هالوجين أنبوبي بقدرة 300 واط، يعمل بكامل طاقته، إلى درجة حرارة حوالي 540 درجة مئوية (1004 درجة فهرنهايت) بسرعة ، بينما يعمل مصباح متوهج عادي بقدرة 500 واط عند 180 درجة مئوية (356 درجة فهرنهايت) فقط ، ومصباح متوهج عادي بقدرة 75 واط عند 130 درجة مئوية (266 درجة فهرنهايت) فقط . ^{[ 13 ]}        

يجب أن يُصنع المصباح من السيليكا المنصهرة (الكوارتز) أو زجاج ذي درجة انصهار عالية (مثل زجاج الألومينوسيليكات ). ولأن الكوارتز شديد الصلابة، يمكن أن يكون ضغط الغاز أعلى ^{[ 14 ]} ، مما يقلل من معدل تبخر الفتيل، ويسمح له بالعمل عند درجة حرارة أعلى (وبالتالي كفاءة إضاءة أعلى ) لنفس متوسط ​​العمر. لا يعود التنجستن المنطلق في المناطق الأكثر سخونة إلى مكانه الأصلي، لذا فإن الأجزاء الأكثر سخونة من الفتيل تترقق في النهاية وتتلف.

كانت مصابيح اليود الكوارتزية، التي تستخدم اليود العنصري، أول مصابيح هالوجين تجارية أطلقتها شركة جنرال إلكتريك عام 1959. ^{[ 15 ] [ 16 ]} وسرعان ما تبين أن للبروم مزايا، لكنه لم يُستخدم في صورته العنصرية. وقد أعطت بعض مركبات البروم الهيدروكربونية نتائج جيدة. ^{[ 17 ] [ 18 ]} كما يُمكن تجديد الفتيل باستخدام الفلور، لكن تفاعليته الكيميائية عالية جدًا لدرجة أنها تُهاجم أجزاء أخرى من المصباح. ^{[ 17 ] [ 19 ]} عادةً ما يُخلط الهالوجين مع غاز نبيل ، غالبًا الكريبتون أو الزينون . ^{[ 20 ]} استخدمت المصابيح الأولى التنجستن فقط لدعامات الفتيل، لكن بعض التصاميم تستخدم الموليبدينوم - ومن الأمثلة على ذلك درع الموليبدينوم في مصباح H4 الأمامي ثنائي الفتيل الخاص بشعاع المرور غير المتماثل الأوروبي.

بالنسبة لقدرة وعمر ثابتين، تكون كفاءة الإضاءة لجميع المصابيح المتوهجة في أعلى مستوياتها عند جهد تصميم محدد. تتميز مصابيح الهالوجين المصممة للعمل بجهد يتراوح بين 12 و24 فولت بإخراج ضوئي جيد، وتُعدّ خيوطها المدمجة للغاية مفيدة بشكل خاص للتحكم البصري (انظر الصورة). صُممت مصابيح العاكس متعدد الأوجه "MR" بقدرة 20-50 واط في الأصل لعرض أفلام 8 مم ، ولكنها تُستخدم الآن على نطاق واسع في إضاءة العرض وفي المنازل. ومؤخرًا، أصبحت تتوفر إصدارات ذات شعاع أوسع، مصممة للاستخدام المباشر على جهد تغذية 120 أو 230 فولت .

تتصرف مصابيح الهالوجين التنغستن بشكل مشابه للمصابيح المتوهجة الأخرى عند تشغيلها بجهد كهربائي مختلف. ومع ذلك، يُذكر أن ناتج الضوء يتناسب طرديًا مع${\displaystyle V^{3}}$وتكون فعالية الإضاءة متناسبة مع${\displaystyle V^{1.3}}$[ ^{21 ] العلاقة الطبيعية فيما يتعلق} بالعمر هي أنها تتناسب مع${\displaystyle V^{-14}}$على سبيل المثال، فإن المصباح الذي يعمل بجهد أعلى بنسبة 5٪ من جهد التصميم الخاص به سينتج ضوءًا أكثر بنسبة 15٪ تقريبًا، وستكون الكفاءة الضوئية أعلى بنسبة 6.5٪ تقريبًا، ولكن من المتوقع أن يكون عمره نصف العمر المقدر فقط.

تُصنع مصابيح الهالوجين بكمية كافية من الهالوجين لموازنة معدل تبخر التنجستن عند جهد التشغيل المُصمم لها. زيادة الجهد المُطبق تزيد من معدل التبخر، لذا قد يصل الأمر إلى نقص في كمية الهالوجين، مما يؤدي إلى سكون المصباح. لا يُنصح عمومًا بتشغيل المصباح بجهد زائد. مع انخفاض الجهد، يقل التبخر، وقد تزداد كمية الهالوجين، مما قد يُسبب عطلًا غير طبيعي. عند الجهود المنخفضة جدًا، قد تكون درجة حرارة المصباح منخفضة جدًا بحيث لا تكفي لاستمرار دورة الهالوجين، ولكن في هذه الحالة، يكون معدل التبخر منخفضًا جدًا بحيث لا يسود المصباح بشكل ملحوظ. إذا اسودت المصابيح، يُنصح بتشغيلها عند الجهد المُحدد لإعادة بدء الدورة. ^{[ 22 ]} هناك العديد من الحالات التي يُمكن فيها خفض إضاءة مصابيح الهالوجين بنجاح. مع ذلك، قد لا يمتد عمر المصباح بالقدر المُتوقع. يعتمد عمر المصباح بعد خفض الإضاءة على تصميمه، ومادة الهالوجين المُضافة، وما إذا كان خفض الإضاءة أمرًا طبيعيًا لهذا النوع من المصابيح.

مثل جميع المصابيح المتوهجة ، يُنتج مصباح الهالوجين طيفًا ضوئيًا متصلًا، من الأشعة فوق البنفسجية القريبة إلى الأشعة تحت الحمراء البعيدة. ^{[ 23 ]} ونظرًا لأن فتيل المصباح يعمل عند درجة حرارة أعلى من المصباح غير الهالوجيني، فإن الطيف ينزاح نحو اللون الأزرق، مما ينتج ضوءًا بدرجة حرارة لونية فعالة أعلى وكفاءة طاقة أعلى.

تُصدر الخيوط ذات درجة الحرارة العالية بعض الطاقة في نطاق الأشعة فوق البنفسجية . ويمكن مزج كميات ضئيلة من عناصر أخرى مع الكوارتز، بحيث يحجب الكوارتز المُطعّم (أو الطلاء البصري الانتقائي) الأشعة فوق البنفسجية الضارة. ويحجب الزجاج الصلب الأشعة فوق البنفسجية، وقد استُخدم على نطاق واسع في مصابيح السيارات الأمامية. ^{[ 24 ]} وبدلاً من ذلك، يمكن تركيب مصباح الهالوجين داخل غلاف خارجي، على غرار المصباح المتوهج العادي، مما يقلل أيضًا من مخاطر ارتفاع درجة حرارة الغلاف. وتُستخدم مصابيح الهالوجين المصنوعة من الكوارتز غير المُطعّم في بعض الأجهزة العلمية والطبية وأجهزة طب الأسنان كمصدر للأشعة فوق البنفسجية من نوع UV-B.

تعمل مصابيح الهالوجين عند درجات حرارة أعلى بكثير من المصابيح المتوهجة العادية لضمان التشغيل السليم. ويساعد صغر حجمها على تركيز الحرارة على مساحة أصغر، أقرب إلى فتيل المصباح مقارنةً بالمصابيح المتوهجة غير الهالوجينية. ونظرًا لارتفاع درجات حرارتها، تُشكل مصابيح الهالوجين خطرًا حقيقيًا للحريق والحروق. في أستراليا، تُعزى العديد من حرائق المنازل سنويًا إلى مصابيح الهالوجين المثبتة في الأسقف. ^{[ 25 ] [ 26 ]} وتوصي إدارة الإطفاء وخدمات الطوارئ في غرب أستراليا أصحاب المنازل بالنظر في استخدام مصابيح الفلورسنت المدمجة أو مصابيح الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) التي تعمل بدرجة حرارة أقل . ^{[ 27 ]} وقد تم حظر مصابيح الهالوجين الأرضية في بعض الأماكن، مثل مساكن الطلاب ، نظرًا لكثرة الحرائق التي تسببت بها. حمّلت لجنة سلامة المنتجات الاستهلاكية الأمريكية هذه الشركات مسؤولية 100 حريق و10 وفيات بين عامي 1992 و1997. ^{[ 28 ]} تعمل مصابيح الهالوجين في درجات حرارة عالية ، وقد يؤدي ارتفاعها إلى اقترابها من مواد قابلة للاشتعال ، مثل الستائر . ^{[ 29 ]} تشترط بعض قوانين السلامة حماية مصابيح الهالوجين بشبكة أو غطاء، خاصةً  للمصابيح عالية الطاقة (1-2 كيلوواط) المستخدمة في المسارح ، أو بغطاء زجاجي ومعدني، لمنع اشتعال الستائر أو المواد القابلة للاشتعال الملامسة للمصباح. وللحد من التعرض غير المقصود للأشعة فوق البنفسجية، واحتواء شظايا المصباح الساخنة في حال انفجاره، تحتوي المصابيح العامة عادةً على مرشح زجاجي ماص للأشعة فوق البنفسجية فوق المصباح أو حوله. كما يمكن معالجة المصابيح أو طلائها بمادة ماصة للأشعة فوق البنفسجية. مع وجود ترشيح كافٍ، فإن مصباح الهالوجين يعرض المستخدمين لأشعة فوق بنفسجية أقل من المصباح المتوهج القياسي الذي ينتج نفس مستوى الإضاءة الفعال بدون ترشيح.

أي تلوث سطحي، وخاصةً الزيوت من أطراف الأصابع أو أي طبقة غير متساوية من الغبار أو أي مادة أخرى، قد يُلحق الضرر بغلاف الكوارتز عند تسخينه. ولأن الملوثات تمتص ضوءًا وحرارةً أكثر من الزجاج، فإنها تُحدث بقعة ساخنة على سطح المصباح عند تشغيله. هذه الحرارة الشديدة والموضعية تُحوّل الكوارتز من شكله الزجاجي إلى شكل بلوري أضعف يُسرّب الغاز. وقد يُؤدي هذا الضعف أيضًا إلى تكوّن فقاعة في المصباح، مما يُضعفه ويؤدي إلى انفجاره وتناثر شظايا الزجاج. ^{[ 30 ]}

يمكن وضع الغلاف الزجاجي الصغير داخل غلاف زجاجي خارجي أكبر بكثير، مما يوفر العديد من المزايا إذا لم يكن الحجم الصغير مطلوبًا: ^{[ 1 ]}

• ستكون السترة الخارجية في درجة حرارة أقل بكثير وأكثر أمانًا، مما يحمي الأشياء أو الأشخاص الذين قد يلمسونها.
• الغلاف الداخلي الساخن محمي من التلوث، ويمكن التعامل مع المصباح دون إتلافه.
• المناطق المحيطة محمية من احتمال تحطم الكبسولة الداخلية.
• قد تعمل السترة على تصفية الأشعة فوق البنفسجية.
• عند استخدام مصباح هالوجين لاستبدال مصباح متوهج عادي في تركيبات الإضاءة، فإن الغلاف الأكبر يجعله مشابهًا ميكانيكيًا للمصباح الذي يحل محله.
• يمكن أن تكون الأغلفة الداخلية والخارجية تحت ضغوط مختلفة، مما يقلل من تبديد الحرارة عن طريق التوصيل أو الحمل الحراري لتحسين المفاضلة بين الكفاءة الضوئية والعمر الافتراضي.

تتوفر مصابيح الهالوجين بأشكال وأحجام متنوعة، ويتم تصنيفها وفقًا لنظام ترميز يحدد قطر المصباح، بالإضافة إلى ما إذا كان مزودًا بعاكس ثنائي اللون شفاف للأشعة تحت الحمراء أم لا . تحمل العديد من هذه المصابيح رموزًا تبدأ بالحرف "T" للدلالة على أنها "أنبوبية"، متبوعًا برقم يشير إلى قطر الأنبوب بوحدات ثُمن البوصة. على سبيل المثال، مصباح T3 هو مصباح هالوجين أنبوبي قطره 9.5 مم ( 3/8 بوصة ) . ^{[ ملاحظة 1 ]} يشير الرمز MR إلى " عاكس متعدد الأوجه "، ويتوافق الرقم الذي يليه مع ثُمن البوصة في قطر المصباح الكلي. ^{[ ملاحظة 2 ]} إذا كان المصباح يحمل الرمز "G"، [ ^{ملاحظة 3 ]} فهذا يعني أن المصباح ثنائي الدبابيس، ويشير الرقم الذي يلي G إلى المسافة بين الدبابيس بالملليمترات، وعادةً ما تكون 4 أو 6.35 أو 10. إذا تبع الحرف G الحرف "Y"، فإن دبابيس المصباح تكون أسمك من المعتاد؛ فمثلاً، يبلغ قطر دبابيس مصباح G6.35 1 مم، بينما يبلغ قطر دبابيس مصباح GY6.35 1.3 مم. أما إذا وُجد رمز "C"، فيُشير إلى عدد لفات الفتيل. ^{[ 31 ]} يجب تحديد طول (أو ارتفاع) أي مصباح أسطواني ثنائي الطرف بشكل منفصل عن رمز شكله، وعادةً ما يكون ذلك بالملليمترات، وكذلك جهد المصباح وقدرته الكهربائية - لذا، فإن T3 120 V 150 W 118 mm يعني مصباحًا أنبوبيًا ثنائي الطرف بقطر 9.5 مم ( 3/8 بوصة ) يعمل بجهد 120 فولت وقدرة 150 واط وطول 118 مم.         

مصباح R7S هو مصباح هالوجين خطي مزدوج الأطراف، ذو تلامس أحادي غائر (RSC)، ويبلغ طوله عادةً إما 118  مم أو 78  مم. ومن الأطوال الأقل شيوعًا 189  مم، و254  مم، و331  مم. تتميز هذه المصابيح بشكل T3 على قاعدة RSC/R7S. وتُعرف أيضًا باسم مصابيح النوع J والنوع T.

تُستخدم المصابيح الأمامية الهالوجينية في العديد من السيارات. كما تُصنع كشافات الإضاءة الهالوجينية لأنظمة الإضاءة الخارجية، وكذلك للقوارب ، للاستخدام التجاري والترفيهي. وتُستخدم الآن أيضاً في مصابيح المكاتب.

تُستخدم مصابيح الهالوجين والتنغستن بشكل متكرر كمصدر ضوء قريب من الأشعة تحت الحمراء في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء .

الإضاءة العامة

تُستخدم المصابيح الثابتة في الإضاءة الداخلية والخارجية، على الرغم من أن التحسينات في أنظمة LED تُقلل من استخدام مصابيح الهالوجين. وتُستخدم الأضواء الكاشفة الدائرية المزودة بمصابيح عاكسة متعددة الأوجه على نطاق واسع في الإضاءة السكنية والتجارية. توفر مصابيح الهالوجين الأنبوبية كمية كبيرة من الضوء من مصدر صغير، وبالتالي يمكن استخدامها لإنتاج مصابيح كاشفة قوية لإضفاء تأثيرات إضاءة معمارية، أو لإضاءة مساحات خارجية واسعة.

تستخدم مصابيح الجهد المنخفض قواعد GU5.3 وما شابهها من القواعد ثنائية الأطراف ، بينما تستخدم مصابيح الجهد الكهربائي الرئيسي نفس أغطية مصابيح التنجستن العادية، أو قاعدة GU10/GZ10 خاصة. صُممت قواعد GU10/GZ10 بشكل يمنع استخدام مصابيح العاكس ثنائي اللون في وحدات الإضاءة المُخصصة لمصابيح العاكس المطلية بالألومنيوم، مما قد يُسبب ارتفاع درجة حرارة التركيب. تتوفر الآن نسخ LED عالية الكفاءة من جميع هذه المصابيح.

تُستخدم المصابيح الأنبوبية ذات الموصلات الكهربائية في كلا الطرفين بشكل شائع في وحدات الإضاءة المستقلة والمنزلية. وتتوفر هذه المصابيح بأطوال وقدرات مختلفة (50-300  واط). أما المصابيح الأقوى فتُستخدم كمصابيح عمل محمولة، حيث تبلغ قدرة مصابيحها 250 أو 500 واط.

لا تحتوي مصابيح الهالوجين على أي زئبق. وتؤكد شركة جنرال إلكتريك أن مصابيح الهالوجين المصنوعة من الكوارتز لا تُصنف ضمن النفايات الخطرة. ^{[ 33 ]}

• موصل ثنائي الدبابيس للتسميات الأساسية GY6.35، G8، إلخ.
• مصباح FEL
• مقبس مصباح كهربائي لقواعد أخرى
• قائمة مصادر الإضاءة

• وسائط متعلقة بمصابيح الهالوجين على ويكيميديا ​​كومنز