مصباح هاليد معدني

تحتاج هذه المقالة إلى مصادر إضافية للتحقق . يُرجى المساعدة في تحسين هذه المقالة بإضافة مصادر موثوقة . قد يتم الطعن في المواد غير الموثقة وإزالتها. البحث عن مصادر:  "مصباح هاليد معدني" - أخبار  · صحف  · كتب  · باحث  · JSTOR ( سبتمبر 2018 ) ( تعرف على كيفية ومتى تزيل هذه الرسالة )

مصباح هاليد المعدن هو مصباح كهربائي ينتج الضوء بواسطة قوس كهربائي من خلال خليط غازي من الزئبق المتبخر وهاليدات المعدنية ^{[1] [2]} (مركبات المعادن مع البروم أو اليود ). إنه نوع من مصابيح التفريغ الغازي عالية الكثافة (HID) . ^[1] تم تطويرها في الستينيات، وهي تشبه مصابيح بخار الزئبق ، ^[1] ولكنها تحتوي على مركبات هاليد معدنية إضافية في أنبوب قوس الكوارتز ، مما يحسن كفاءة وتقديم لون الضوء. مركب هاليد المعدن الأكثر شيوعًا المستخدم هو يوديد الصوديوم . بمجرد أن يصل أنبوب القوس إلى درجة حرارة تشغيله، ينفصل الصوديوم عن اليود، مما يضيف اللون البرتقالي والأحمر إلى طيف المصباح من خط الصوديوم D مع تأين المعدن. نتيجة لذلك، تتمتع مصابيح هاليد المعدن بكفاءة إضاءة عالية تبلغ حوالي 75-100 لومن لكل واط، ^[2] وهو ما يقرب من ضعف مصابيح بخار الزئبق و3 إلى 5 أضعاف المصابيح المتوهجة ^[1] وتنتج ضوءًا أبيض مكثفًا. عمر المصباح من 6000 إلى 15000 ساعة. ^{[2] [3]} باعتبارها واحدة من أكثر مصادر الضوء الأبيض كفاءة ذات مؤشر تجسيد اللون العالي ، كانت هاليدات المعدن اعتبارًا من عام 2005 أسرع قطاع نموًا في صناعة الإضاءة. ^[1] يتم استخدامها للإضاءة العلوية ذات المساحة الواسعة ^[2] للأماكن التجارية والصناعية والعامة، مثل مواقف السيارات والملاعب الرياضية والمصانع ومتاجر التجزئة، ^[1] بالإضافة إلى إضاءة الأمان السكنية ومصابيح السيارات الأمامية ( المعروفة عمومًا باسم " مصابيح زينون الأمامية ") وعمليات زراعة القنب الداخلية. ^[تحديث]

تتكون المصابيح من أنبوب قوسي صغير من الكوارتز أو السيراميك يحتوي على الغازات والقوس، محاطًا بمصباح زجاجي أكبر (أو مصباح كوارتز مع طلاء لتصفية الضوء فوق البنفسجي الناتج في حالة المصابيح المدمجة). ^{[1] [3]} تعمل عند ضغط يتراوح بين 4 و20 ضغط جوي، وتتطلب تركيبات خاصة للعمل بأمان، بالإضافة إلى الصابورة الكهربائية . تنتج ذرات المعدن معظم ناتج الضوء. ^[1] تتطلب فترة إحماء لعدة دقائق للوصول إلى ناتج الضوء الكامل. ^[2]

تُستخدم مصابيح هاليد المعدن لأغراض الإضاءة العامة في الأماكن المغلقة والمفتوحة، مثل الأماكن التجارية والصناعية والعامة ومواقف السيارات والملاعب الرياضية والمصانع ومتاجر البيع بالتجزئة، بالإضافة إلى إضاءة الأمن السكنية ؛ كما تعد تطبيقات السيارات والتخصصات مجالات أخرى للاستخدام.

تُستخدم مصابيح هاليد المعدن في المصابيح الأمامية للسيارات ، حيث يُطلق عليها عادةً اسم "مصابيح زينون الأمامية" بسبب استخدام غاز الزينون في المصباح، لتوفير الحد الأدنى من الضوء عند التشغيل قبل أن يسخن المصباح، بدلاً من الأرجون المستخدم عادةً في مصابيح هاليد الأخرى.

هناك استخدام آخر واسع النطاق لهذه المصابيح في الإضاءة الفوتوغرافية وتركيبات الإضاءة المسرحية ، حيث تُعرف عمومًا باسم مصابيح MSD أو HMI وتُستخدم عمومًا في تصنيفات 150 و250 و400 و575 و1200 واط ، وخاصة الإضاءة الذكية .

بسبب طيفها الواسع وكفاءتها الجيدة، تم استخدامها في تطبيقات الزراعة الداخلية، وخاصة نبات القنب، وكانت تحظى بشعبية كبيرة بين هواة تربية الأحياء المائية الذين يحتاجون إلى مصدر ضوء عالي الكثافة لمرجانهم. ^{[4] [5]} ومع ذلك، فقد حلت مصابيح LED محل الهاليد المعدني بالكامل تقريبًا في كلا التطبيقين، مع بقاء عدد قليل من المتشددين متمسكين بها. ^[6]

مثل مصابيح التفريغ الغازي الأخرى مثل مصابيح بخار الزئبق المشابهة جدًا ، تنتج مصابيح هاليد المعدن الضوء عن طريق تأين خليط من الغازات في قوس كهربائي . في مصباح هاليد المعدن، يحتوي أنبوب القوس المضغوط على خليط من الأرجون أو الزينون والزئبق ومجموعة متنوعة من هاليدات المعادن ، مثل يوديد الصوديوم ويوديد السكانديوم. [ ^7] يؤثر الخليط المعين من هاليدات المعادن على درجة حرارة اللون وكثافته المترابطة (مما يجعل الضوء أكثر زرقة أو أحمر، على سبيل المثال). عند البدء، يتم تأين غاز الأرجون في المصباح أولاً، مما يساعد في الحفاظ على القوس عبر القطبين مع جهد البدء المطبق. ثم تعمل الحرارة الناتجة عن القوس والأقطاب الكهربائية على تأين الزئبق وهاليدات المعدنية في بلازما ، مما ينتج ضوءًا أبيض أكثر سطوعًا مع زيادة درجة الحرارة والضغط إلى ظروف التشغيل.

يعمل أنبوب القوس عند أي مكان من 5-50 ضغط جوي أو أكثر ^[8] (70-700  رطل/بوصة مربعة أو 500-5000  كيلو باسكال ) و1000-3000 درجة مئوية. ^[9] مثل جميع مصابيح التفريغ الغازي الأخرى، تتمتع مصابيح هاليد المعدن بمقاومة سلبية (مع الاستثناء النادر للمصابيح ذاتية الصابورة ذات الفتيل)، وبالتالي تتطلب صابورة لتوفير جهد بدء وتشغيل مناسبين أثناء تنظيم تدفق التيار عبر المصباح. حوالي 24٪ من الطاقة المستخدمة في مصابيح هاليد المعدن تنتج الضوء (كفاءة 65-115  لومن / وات )، ^[4] مما يجعلها أكثر كفاءة بشكل كبير من المصابيح المتوهجة ، والتي عادةً ما تكون كفاءتها في نطاق 2-4٪.

تتكون مصابيح هاليد المعدن من أنبوب قوسي مع أقطاب كهربائية ومصباح خارجي وقاعدة.

داخل أنبوب القوس الكوارتزي المندمج ، يتم غلق قطبين من التنغستن مشبعين بالثوريوم في كل طرف ويتم تطبيق جهد تيار متردد عليهما من خلال أختام رقائق الموليبدينوم المندمجة في السيليكا. القوس بين القطبين هو المكان الذي يتم فيه إنشاء الضوء فعليًا.

بالإضافة إلى بخار الزئبق ، يحتوي المصباح على يوديدات أو بروميدات من معادن مختلفة. ينتمي اليود والبروم إلى مجموعة الهالوجينات في الجدول الدوري، وبالتالي يطلق عليهما اسم "هاليدات" عند تأينهما. يستخدم السكانديوم والصوديوم أيضًا في بعض الأنواع، مع الثاليوم والإنديوم والصوديوم في نماذج Tri-Salt الأوروبية . يستخدم الديسبروسيوم لدرجة حرارة اللون العالية والقصدير لدرجة حرارة اللون المنخفضة. يستخدم الهولميوم والثوليوم في نماذج إضاءة الأفلام عالية الطاقة للغاية وفي مصابيح هاليد المعدنية الملونة في ضوء النهار لإضاءة المناطق، ومصابيح هاليد المعدنية المدمجة منخفضة القدرة ، بالإضافة إلى إضاءة الملاعب في أوروبا. يستخدم الجاليوم أو الرصاص في نماذج UV-A عالية خاصة لأغراض الطباعة. يحدد خليط المعادن المستخدمة لون المصباح. تستخدم بعض الأنواع، للتأثير الاحتفالي أو المسرحي، يوديدات الثاليوم النقية تقريبًا للمصابيح الخضراء، والإنديوم للمصابيح الزرقاء. يُضاف معدن قلوي (صوديوم أو بوتاسيوم ) دائمًا تقريبًا لتقليل معاوقة القوس ، مما يسمح بصنع أنبوب القوس بحيث يكون طويلًا بما يكفي ويمكن استخدام الصابورة الكهربائية البسيطة. يتم ملء أنبوب القوس بغاز نبيل ، عادةً الأرجون ، باردًا عند ضغط يبلغ حوالي 2 كيلو باسكال لتسهيل بدء التفريغ. عادةً ما تكون المصابيح المملوءة بالأرجون بطيئة جدًا في البدء، حيث تستغرق عدة دقائق للوصول إلى شدة الضوء الكاملة؛ تبدأ مصابيح زينون، كما هو مستخدم في المصابيح الأمامية للسيارات، بشكل أسرع نسبيًا.

غالبًا ما تكون أطراف أنبوب القوس مطلية خارجيًا بسيليكات الزركونيوم العاكسة للأشعة تحت الحمراء البيضاء أو أكسيد الزركونيوم لعكس الحرارة مرة أخرى على الأقطاب الكهربائية للحفاظ عليها ساخنة وإصدارها حراريًا . تحتوي بعض المصابيح على طلاء فوسفوري على الجانب الداخلي من المصباح الخارجي لتحسين الطيف ونشر الضوء.

في منتصف الثمانينيات من القرن العشرين، تم تطوير نوع جديد من مصابيح هاليد المعدن، والتي تستخدم بدلاً من أنبوب قوس الكوارتز (سيليكا منصهرة) المستخدم في مصابيح بخار الزئبق وتصميمات مصابيح هاليد المعدن السابقة، أنبوب قوس أكسيد الألومنيوم المتكلس مشابه لتلك المستخدمة في مصباح الصوديوم عالي الضغط . يقلل هذا التطور من آثار زحف الأيونات الذي يصيب أنابيب قوس السيليكا المنصهرة. أثناء حياتها، تميل الصوديوم والعناصر الأخرى إلى الهجرة إلى أنبوب الكوارتز وبسبب الأشعة فوق البنفسجية العالية وتأين الغاز، سيؤدي ذلك إلى تآكل الأقطاب الكهربائية وبالتالي التسبب في دورة المصباح. لا يسمح أنبوب قوس أكسيد الألومنيوم المتكلس للأيونات بالتسلل من خلاله، مما يحافظ على لون أكثر ثباتًا طوال عمر المصباح. يشار إليها عادةً باسم مصابيح هاليد المعدن الخزفية أو مصابيح CMH.

يمكن إرجاع مفهوم إضافة يوديدات معدنية لتعديل الطيف (على وجه التحديد: الصوديوم - الأصفر، الليثيوم - الأحمر، الإنديوم - الأزرق، البوتاسيوم والروبيديوم - الأحمر الداكن، والثاليوم - الأخضر) لتفريغ قوس الزئبق لإنشاء أول مصباح هاليد معدني إلى براءة الاختراع US1025932 في عام 1912 من قبل تشارلز بروتيوس شتاينميتز ، "ساحر جنرال إلكتريك".

لقد انخفضت كمية الزئبق المستخدمة على مر السنين من التقدم.

معظم الأنواع مزودة بمصباح زجاجي خارجي لحماية المكونات الداخلية ومنع فقدان الحرارة. يمكن أيضًا استخدام المصباح الخارجي لحجب بعض أو كل الأشعة فوق البنفسجية الناتجة عن تفريغ بخار الزئبق، ويمكن أن يتكون من سيليكا منصهرة مشوبة خصيصًا "لإيقاف الأشعة فوق البنفسجية". تُستخدم الحماية من الأشعة فوق البنفسجية بشكل شائع في النماذج ذات النهاية الواحدة (القاعدة الواحدة) والنماذج ذات النهاية المزدوجة التي توفر الإضاءة للاستخدام البشري القريب. بعض النماذج عالية الطاقة، وخاصة نماذج الطباعة بالأشعة فوق البنفسجية بالرصاص والغاليوم والنماذج المستخدمة لبعض أنواع إضاءة الملاعب الرياضية، لا تحتوي على مصباح خارجي. يمكن أن يسمح استخدام أنبوب القوس العاري بنقل الأشعة فوق البنفسجية أو تحديد المواقع بدقة داخل النظام البصري للمصباح . يمكن استخدام الزجاج الموجود في المصباح لحجب الأشعة فوق البنفسجية، ويمكنه أيضًا حماية الأشخاص أو المعدات في حالة فشل المصباح عن طريق الانفجار.

تحتوي بعض الأنواع على قاعدة معدنية لولبية من نوع Edison ، لتصنيفات طاقة مختلفة تتراوح بين 10 و18000 واط. والأنواع الأخرى ذات نهايتين، كما هو موضح أعلاه، مع قواعد R7s-24 مكونة من السيراميك، إلى جانب وصلات معدنية بين الجزء الداخلي من أنبوب القوس والجزء الخارجي. وهي مصنوعة من سبائك مختلفة (مثل الحديد والكوبالت والنيكل) لها معامل تمدد حراري يطابق معامل أنبوب القوس.

القوس الكهربائي في مصابيح الهاليد المعدنية، كما هو الحال في جميع مصابيح التفريغ الغازي ، له خاصية مقاومة سلبية ؛ مما يعني أنه مع زيادة التيار عبر المصباح، ينخفض ​​الجهد عبره. إذا تم تشغيل المصباح من مصدر جهد ثابت مثل مباشرة من أسلاك التيار المتردد، سيزداد التيار حتى يدمر المصباح نفسه؛ لذلك، تتطلب مصابيح الهاليد صابورة كهربائية للحد من تيار القوس. هناك نوعان:

1. الصابورة الحثية - تستخدم العديد من التركيبات صابورة حثية، تُعرف أيضًا باسم الصابورة المغناطيسية، تشبه تلك المستخدمة مع المصابيح الفلورية . تتكون هذه الصابورة من محث ذو قلب حديدي . يُظهر المحث معاوقة للتيار المتردد. إذا زاد التيار عبر المصباح، يقلل المحث الجهد للحفاظ على التيار محدودًا.
2. الصابورة الإلكترونية - وهي أخف وزنًا وأكثر إحكامًا. وهي تتكون من مذبذب إلكتروني يولد ترددًا عاليًا يتم تحويله بعد ذلك إلى تيار موجة مربعة منخفض التردد لتشغيل المصباح. ولأن خسائر المقاومة لديها أقل من الصابورة الحثية، فهي أكثر كفاءة في استخدام الطاقة. ومع ذلك، فإن التشغيل عالي التردد لا يزيد من كفاءة المصباح كما هو الحال بالنسبة لمصابيح الفلورسنت . وقد يتسبب في حدوث رنين صوتي في القوس، مما يؤدي إلى تقصير عمر المصباح. ^[10]

لا تحتوي مصابيح الهاليد المعدنية ذات النبضات على قطب بدء يضرب القوس، وتتطلب من مشعل توليد نبضة عالية الجهد (1-5 كيلو فولت عند الضربة الباردة، وأكثر من 30 كيلو فولت ^[11] عند إعادة الضربة الساخنة) لبدء القوس. تتضمن الصابورة الإلكترونية دائرة المشعل في حزمة واحدة. تحدد معايير نظام الصابورة للمصابيح التابعة للمعهد الوطني الأمريكي للمعايير (ANSI) معلمات لجميع مكونات الهاليد المعدنية (باستثناء بعض المنتجات الأحدث).

نظرًا للضوء الأكثر بياضًا والأكثر طبيعية المتولد، تم تفضيل مصابيح هاليد المعدن في البداية على مصابيح بخار الزئبق المزرقة. مع تقديم مخاليط هاليد المعدن المتخصصة، أصبحت مصابيح هاليد المعدن متاحة الآن بدرجة حرارة لون مترابطة من 3000 كلفن إلى أكثر من 20000 كلفن. يمكن أن تختلف درجة حرارة اللون قليلاً من مصباح إلى آخر، وهذا التأثير ملحوظ في الأماكن التي تستخدم فيها العديد من المصابيح. نظرًا لأن خصائص لون المصباح تميل إلى التغير أثناء عمر المصباح، يتم قياس اللون بعد حرق المصباح لمدة 100 ساعة (مجفف) وفقًا لمعايير ANSI . تتمتع مصابيح هاليد المعدن ذات البداية النبضية بتقديم ألوان محسّن وتوفر تباين كلفن أكثر تحكمًا (±100 إلى 200 كلفن) بسبب أشكال أنبوب القوس الأفضل مقارنة بمصابيح هاليد المعدن ذات البداية المسبارية، والتي لا تتطلب وجود قطب بدء وتسمح بضغط ودرجة حرارة أعلى للهاليدات.

يمكن أن تتأثر درجة حرارة لون مصباح هاليد معدني أيضًا بالخصائص الكهربائية للنظام الكهربائي الذي يغذي المصباح واختلافات التصنيع في المصباح نفسه. إذا كان مصباح هاليد معدني غير كافٍ، بسبب درجة حرارة التشغيل المنخفضة ، فسيكون خرج الضوء الخاص به مزرقًا بسبب تبخر الزئبق وحده. يمكن رؤية هذه الظاهرة أثناء عملية التسخين، عندما لم يصل أنبوب القوس بعد إلى درجة حرارة التشغيل الكاملة ولم تتبخر الهاليدات بالكامل. كما أنها واضحة جدًا مع صابورة التعتيم. والعكس صحيح بالنسبة للمصباح المفرط في القوة، ولكن هذه الحالة يمكن أن تكون خطيرة، مما قد يؤدي إلى انفجار أنبوب القوس بسبب ارتفاع درجة الحرارة والضغط الزائد.

لا يمكن لمصباح هاليد معدني بارد أن يبدأ فورًا في إنتاج كامل قدرته الضوئية لأن درجة الحرارة والضغط في غرفة القوس الداخلي يتطلبان وقتًا للوصول إلى مستويات التشغيل الكاملة. يستغرق بدء قوس الأرجون الأولي (أو الزينون في السيارات) في بعض الأحيان بضع ثوانٍ، وقد تصل فترة الإحماء إلى خمس دقائق (حسب نوع المصباح). خلال هذا الوقت، يُظهر المصباح ألوانًا مختلفة حيث تتبخر الهاليدات المعدنية المختلفة في غرفة القوس.

في حالة انقطاع التيار الكهربائي، ينطفئ قوس المصباح، كما أن الضغط العالي الموجود في أنبوب القوس الساخن سيمنع إعادة إشعال القوس؛ ومع جهاز الإشعال العادي، ستكون هناك حاجة إلى فترة تبريد من 5 إلى 10 دقائق قبل إعادة تشغيل المصباح، ولكن مع أجهزة الإشعال الخاصة والمصابيح المصممة خصيصًا، يمكن إعادة إنشاء القوس على الفور. في التركيبات التي لا تحتوي على إمكانية إعادة الإشعال الفوري، يمكن أن يعني فقدان الطاقة مؤقتًا عدم وجود ضوء لعدة دقائق. لأسباب تتعلق بالسلامة، تحتوي بعض تركيبات الهاليد المعدني على مصباح متوهج احتياطي من الهالوجين التنجستن يعمل أثناء التبريد وإعادة الإشعال. بمجرد إعادة إشعال الهاليد المعدني وتسخينه، يتم إيقاف تشغيل مصباح الأمان المتوهج. يميل المصباح الدافئ أيضًا إلى استغراق وقت أطول للوصول إلى سطوعه الكامل مقارنة بالمصباح الذي يتم تشغيله باردًا تمامًا.

تميل معظم مصابيح السقف المعلقة إلى التبريد السلبي، باستخدام الصابورة المدمجة وتركيبات المصباح.

تفقد مصابيح الهاليد المعدنية عادةً قدرتها على الإنتاج أو يتغير لونها بسبب فقدان الهاليدات واسوداد أنبوب القوس الكهربائي. وتتوقف عن العمل عند نهاية عمرها الافتراضي، وهو ما يشبه مصابيح الزئبق. وفي حالات نادرة، قد تشتغل وتتوقف أيضًا. وقد يظهر بعضها تحولًا كبيرًا في اللون، وفي حالات نادرة، قد تنفجر. ^[12]

تتدهور قوة جميع أنابيب القوس الهاليدية المعدنية على مدار عمرها بسبب الهجوم الكيميائي والإجهاد الحراري والاهتزاز الميكانيكي. ومع تقدم عمر المصباح، يتغير لون أنبوب القوس (غالبًا ما يصبح لونه رماديًا داكنًا)، ويمتص الضوء ويزداد سخونة. سيستمر الأنبوب في الضعف حتى يفشل في النهاية، مما يتسبب في تفكك الأنبوب.

قد يحدث فشل مبكر لأنبوب القوس الكهربائي بسبب عيوب التصنيع. قد يقوم المصنعون بتجهيز المصابيح الجديدة للتحقق من مثل هذه العيوب قبل البيع.

نظرًا لأن مصباح هاليد المعدن يحتوي على غازات عند ضغط مرتفع للغاية (حتى 3.4 ضغط جوي)، فإن فشل أنبوب القوس الكهربائي يعد حدثًا عنيفًا لا محالة. ستؤدي شظايا أنبوب القوس الكهربائي إلى كسر المصباح الخارجي، وقد تسقط شظايا الزجاج الساخن على الأشخاص أو الأشياء الموجودة أسفله. قد تشكل الشظايا الساخنة خطر نشوب حريق. تم تصميم التركيبات بحيث تحتوي على شظايا ساخنة بغطاء زجاجي صلب، أو قد تكون مصممة للمصابيح مع أنبوب كوارتز يحيط بأنبوب القوس الكهربائي لمنع الكسر.

يمكن تجنب تحطيم أنبوب القوس الكهربائي عن طريق استبدال المصباح إذا كان هناك اسوداد مفرط في أنبوب القوس الكهربائي، أو بدأ أنبوب القوس الكهربائي في الانتفاخ، أو حدث تغيير مفاجئ في لون الضوء، أو بدأ المصباح في التشغيل والإيقاف.

• 
  تركيبات الإضاءة منخفضة الارتفاع باستخدام مصباح هاليد معدني عالي القدرة، من النوع المستخدم في المصانع والمستودعات
• 
  كشاف هاليد معدني
• 
  مصباح هاليد معدني خطي/أنبوبي من نوع Philips MHN-TD 150 واط/842 (150 واط، 4200 كلفن)
• 
  مصباح هاليد معدني خطي/أنبوبي من طراز Philips MHN-TD 150W/842 مضاء بنصف الطاقة
• 
  مصدر ضوء يستخدم مصباح هاليد معدني واسع الطيف موجهًا لأعلى نحو السماء
• 
  مجموعة ضوء هاليد معدنية في ملعب كرة البيسبول
• 
  مصباح هاليد معدني سيراميكي 70 واط - تركيبات لولبية (حوض السمك)

• مصباح القوس
• مصباح يوديد القوس المتوسط ​​Hydrargyrum - مصابيح هاليد معدنية عالية الطاقة كما تستخدم في التصوير السينمائي
• مصباح بخار الزئبق
• مصباح بخار الصوديوم
• مصباح النيون
• مصباح الكبريت
• تشارلز بروتيوس شتاينميتز

• Waymouth, John (1971). مصابيح التفريغ الكهربائي . كامبريدج، ماساتشوستس: مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. ISBN 978-0-262-23048-3.
• ريموند كين، هاينز سيل الثورة في المصابيح: سجل لخمسين عامًا من التقدم (الطبعة الثانية) ، دار فيرمونت للنشر، 2001، رقم ISBN 0-88173-378-4