Проекционные лампы в мультимедиа проекторах

• 1802 г. - исследуя дуговой разряд, русский ученый В.В. Петров отметил световые явления сопровождавшие его. 
• 1876 г. – русский инженер П.Н. Яблочков изобрел дуговую угольную лампу переменного тока. Это открытие положило начало использованию электрического разряда для освещения. 
• 1898 г. – Уильям Рэмзи открывает инертные газы. 
• 1899-1910 гг. – Жорж Клод создает первые газосветные трубки на основе инертных газов. 
• 20 в. – интенсивные исследования в области применения люминофоров , в том числе и в газосветных трубках. 20-30-е гг. – создание люминофорных порошков, позволявших изменять длину волны световых потоков. Например, делать красный световой поток синим, а ультрафиолетовые лучи переводить в видимый спектр излучения. Группа ученых АН СССР начала разработку газосветных и разрядных ламп:
• 1927 г. – первые образцы ртутных ламп.
• 1928 г. – первые образцы газосветных ламп.
• 1935 г. – первые образцы натриевых ламп.
• 1938 г. – новый этап в развитии разрядных источников света. Создание люминесцентных ламп под руководством академика С.И. Вавилова.

Эти лампы дают излучение с непрерывным спектром практически любого состава и обладают при этом световой отдачей и сроком службы, которые в несколько раз выше, чем аналогичные параметры у ламп накаливания. В настоящее время люминесцентные лампы – наиболее массовые разрядные источники света, применяемые для освещения. Возникли, по существу, новые области промышленности, связанные с производством люминесцентных ламп и светотехнического оборудования для их применения.

• 50-е гг. – создание разрядных источников света с исправленной цветностью, до этого человеческая кожа и все цвета красного спектра выглядели в свете этих ламп неестественно.
• 60-е гг. – открытие новых, исключительно плодотворных направлений в создании разрядных ламп высокой интенсивности с самым различным спектром излучения и более высоким КПД, чем у их предшественников. Подбирая соответствующее наполнение и условия разряда, удается создавать высокоэффективные источники излучения практически в любой части не только видимого, но так же ультрафиолетового и инфракрасного спектров. При этом можно получать спектры излучения, состоящие из одиночных линий, многолинейчатые и непрерывные. Это достоинство разрядных ламп открыло им исключительно широкие возможности применения не только для освещения, но так же для многочисленных специальных целей. 
• 70-80-е гг. – эволюционное развитие разрядных ламп: разработка сверхпрочных, термостойких стекол, добавление новых веществ в колбу лампы для улучшения цветности, светоотдачи. 
• 90-е гг. – фирма Philips закончила разработку ламп сверхвысокого давления и успешно внедрила их в производство. 
• 2005 – 2010 гг. – прослеживается тенденция к увеличению срока службы ламп. Появятся первые светодиодные проекторы. Возможно появление безэлектродных разрядных ламп. В этих лампах разряд будет создаваться магнитным полем, источник которого находится вне колбы с газом, что исключит износ электродов.

Принцип работы

Принцип работы газоразрядных источников света сильно отличается от работы обычных тепловых (ламп накаливания). В газоразрядных лампах нет нити из металла с высоким сопротивлением. По принципу работы их можно сравнить с таким природным явлением, как молния. Заряд сверхвысокого напряжения проскакивает между двумя электродами в атмосфере газа и лампа зажигается. Сама лампа представляет собой герметичную колбу из прозрачного для оптического излучения стекла с двумя электродами в торцах, она наполнена инертным газом (другие газы окисляют электроды) и легкоиспаряющимися металлами или другими веществами с высокой упругостью паров. Газ служит для создания атмосферы и давления в лампах. Но инертная атмосфера имеет довольно большое сопротивление. С этой особенностью газа связан один большой недостаток источника света. Лампа требует для зажигания и поддержания работы пускорегулирующий аппарат (ПРА) и добавки в виде металлов (ртуть или 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. Но после того как в инертной атмосфере появляются пары металла напряжение, которое подается на лампу надо ограничивать.

 

Такова физика газового разряда. Если у подавляющего большинства приёмников электрической энергии при увеличении подаваемого на них напряжения увеличивается и протекающий через них ток, то все газоразрядные источники света имеют так называемую «падающую» вольтамперную характеристику. Это означает, что с ростом тока через такой источник напряжение на нём не растёт, а уменьшается. За счёт этого ток разряда, если его не ограничивать, будет лавинообразно расти до тех пор, пока не выйдет из строя одно из трёх звеньев любой электрической цепи: источник энергии, приёмник или провода, соединяющие источник и приёмник энергии. Пускорегулирующие аппараты решают эту проблему, они поддерживают после старта напряжение для ее нормальной работы. 

 

Разряд в газоразрядной лампе бывает трех типов:

• дуговой;
• тлеющий;
• 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.

 

Газоразрядные лампы в проекторах

Источник света в ламповом проекторе едва ли не самый важный элемент - без него не возможно проецировать изображение. От параметров лампы зависят такие характеристики аппарата, как световой поток и цена обслуживания. В современных мультимедийных проекторах используются металлогалоидные или металлогалогенновые (альтернативное название) лампы и лампы сверхвысокого давления. Часто разрядные источники света, в то числе и для проекторов, называют ксеноновыми так, как ксенон основной газ атмосферы в колбе, но правильнее называть эти источники света металлогалоидными и сверхвысокого давления. Если металлогалоидные лампы появились давно, то лампы сверхвысокого давления были разработаны относительно недавно фирмой Philips. Эти лампы дороже металлогалоидных, но превосходят их по эксплуатационным характеристикам. Металлогалоидные или металлогалогенновые – этот вид ртутных ламп назван так из-за используемых добавок солей йода и брома. Полезный световой поток этой ртутной лампы высокого давления примерно в два раза больше, чем у ламп накала, даже галогенных. Светотехническая эффективность этой лампы достигает 3 ANSI -лм/Вт. Цветопередача у металлогалоидного источника света значительно лучше, чем галогенного, благодаря непрерывному спектральному распределению интенсивности излучения. То есть свет этого источника оптического излучения белый и больше похож на дневной, тогда как у галогенного – желтый. Металлогалоидная лампа очень компактна и поставляется вместе с отражателем. Срок службы этого источника света определяется временем, по истечении которого световой поток уменьшается вдвое. Наибольшее падение мощности излучения происходит за первые 100 часов работы, затем мощность излучения спадает медленнее. Падение мощности происходит в связи с тем, что атмосфера, содержащая галогениды и пары ртути, разъедает стекло колбы. Стекло от этого постепенно тускнеет, хотя и сделано из технического хрусталя. Ресурс этих ламп составляет от 1000 до 2000 часов, по истечении этого срока проектор нужно нести в сервис, где поменяют лампу, так как менять самостоятельно опасно - об этом дальше. Постепенное снижение светового потока и контрастности - главный недостаток металлогалоидного источника света. Именно по этому стала так популярна разработка фирмы Philips.

 

Лампы сверхвысокого давления

Лампы сверхвысокого давления – развитие учеными фирмы PHILIPS идеи металлогалоидных источников света. Эти лампы во многом превосходят своего предка, но стоят дороже. Давление в колбе ламп сверхвысокого давления превышает сотню атмосфер. Эти источники света превзошли рубежи общей светотехнической эффективности 5 ANSI-лм/Вт и ресурс 4000 часов. Лампы сверхвысокого давления применяют в своих моделях фирмы SONY, SANYO и многие другие производители проекторов. Выпускаются с защитным стеклом, исключающим прямой доступ и неосторожное загрязнение. У этого вида источников света к концу срока службы световой поток снижается лишь на 25%. 

До настоящего времени подавляющее большинство ламп для проекторов производится всего тремя компаниями - Philips, Osram и Ushio. Все лампы однотипны и имеют непринципиальные отличия, касающиеся форм отражателя, положения электродов и т.п., что делается только с одной целью - чтобы не было взаимозаменяемости ламп, так как это очень выгодно при их, до сих пор, очень высокой цене.

 

Устройство проектора или как свет лампы становится изображением

Мультимедийные проекторы разделяют на три типа по технологии светомодулятора:

• LCD;

• DLP;

• LCOS.

В технологии LCD (Liquid Crystal Display – жидкокристаллический дисплей), лежит такой принцип действия: Прямо перед лампой стоит конденсорная система, содержащая интегральные оптические компоненты. Она компенсирует естественное спадание светового потока от центра кадра к периферии. В дорогих аппаратах, свет лампы проходит еще и через конвертеры поляризации, преобразующие составляющую S светового потока в Р. После конденсорной системы световой поток с помощью дихроичных зеркал расщепляется на три основные составляющие системы цветоделения RGB (red – красный, green – зеленый, blue – голубой). Три луча разных цветов проходят каждый через свою монохромную ЖК матрицу. Пройдя ЖК матрицы, лучи собираются в единое изображение в дихроматической призме и проецируются через объектив на экран. Проектор на основе LCD поглощает 30% светового потока.

В 1996 году состоялся первый выход в свет чипа на основе DLP (Digital Light Processing) технологии. На сегодня это главный конкурент LCD. В основе этой технологии лежит плата (Digital Micromirror Device) покрытая микрозеркалами размером в 1/1000 человеческого волоса или 16х 16мкм. 

Расстояние между отражающими элементами составляет лишь 1 мкм, что гораздо меньше, чем между пикселями ЖК матрицы. Каждое зеркало умеет отклоняться на 10 градусов. Таким образом, отражая свет на объектив или на поглотитель, они создают изображение. При этом время перехода зеркал от одного состояния к другому составляет лишь 2 мкс, что на порядок меньше, чем в ЖК матрице. Принцип действия недорогих аппаратов на основе DLP, заключается в том, что свет лампы после конденсорной системы, проходит через вращающийся фильтр, поделенный на три сектора (красный, зеленый и синий). На экран проецируется по очереди красная, составляющая кадра, зеленая и синяя – это происходит настолько быстро, что человеческий глаз видит нормальный, полноцветный кадр. Дорогой DLP проектор работает также как и LCD, за исключением того, что светомодулирующий элемент не просвечивается, а отражает световой поток. Оснащенный DMD платой проектор поглощает около 10% светового потока. В итоге, световая эффективность DLP на 60% выше, чем у LCD.

LCOS (Liquid Crystal on Silicon — жидкие кристаллы на кремниевой подложке) - эта технология сочетает в себе черты двух предыдущих систем. В ее основе лежит ЖК матрица, которая не пропускает через себя световой поток, а отражает его. При этом время отклика (время полной смены состояния пикселя с белого на черное) у нее в три раза меньше, чем у LCD и составляет 5 мкс. 

Отличия этим не исчерпываются: управляющий прохождением света слой жидких кристаллов в LCOS-панели располагается поверх кремниевой подложки, в которую вынесена вся схема управления пикселями. Поскольку транзисторы не препятствуют прохождению световых лучей через рабочий ЖК-слой (как это происходит в обычной LCD-матрице), эффективность использования поверхности кристалла, или так называемый коэффициент заполнения (отношение суммарной площади пикселей к общей площади матрицы), достигает 93%, заметно превышая этот показатель у DMD и LCD-кристаллов. Проектор на основе LCOS поглощает около 8% светового потока.

Мощность лампы в проекторе

При выборе проектора, прежде всего, смотрят на яркость. Проекционный аппарат покупают из-за большой диагонали изображения, и чем ярче светит аппарат, тем мощнее световой поток. А чем мощнее световой поток, тем больше размер изображения, которое можно получить при данном качестве экрана и освещенности помещения. Для воспроизведения компьютерных изображений обычно достаточен световой поток любого проектора, если в помещении нормальное освещение и нет прямых засветок экрана лампами или солнечным светом. Для просмотра же видеозаписей требования к световому потоку выше, так как видеокадр, как правило, содержит больше информации в темных частях изображения. При этом яркость изображения должна оставаться комфортной для глаз. Нормальная яркость для современного проектора составляет 400-3000 ANSI-лм, конечно, есть модели, выдающие и 10000 и 17000 ANSI-лм., но это оборудование для профессионалов.

 

Световой поток	Условия использования	Предельный размер
300-500	Помещение до 50 кв. м. Подтемнение	191х244 см
300-500	Помещение до 500 кв. м. Полная темнота	231х303 см
500-750	Помещение до 50 кв. м. Естественное или искусственное освещение	135х177 см
800-1200	Помещение до 100 кв. м. Естественное или искусственное освещение	160х212 см
800-1200	Помещение до 500 кв. м. Подтемнение	300х400 см
800-1200	Помещение до 700 кв. м. Полная темнота	376х503 см
1300-1600	Помещение до 250 кв. м. Естественное или искусственное освещение	208х272 см
1300-1600	Помещение до 500 кв. м. Подтемнение	447х599 см
Более 1600	Помещение до 1000 кв. м. Полная темнота	Максимальный размерпо паспорту проектора
2000-2400	Помещение до 500 кв. м. Естественное или искусственное освещение	274х363 см
3000	Помещение до 1000 кв. м. Естественное или искусственное освещение	300х401 см

 

Термин "полная темнота" означает, что освещённость экрана не должна превышать 3-5 лк, т.е. окна должны быть плотно занавешены, оставлен только контрольный электрический свет, создающий полумрак. В больших помещениях допустимо включать электрические лампы вдали от экрана. 

Термин "подтемнение" означает, что освещённость экрана не должна превышать 20 лк. На практике это означает, что окна вблизи экрана должны быть плотно занавешены, яркий электрический свет отключён, особенно вблизи экрана, но в помещении достаточно светло для чтения документов. 

Термин "естественное или искусственное освещение" означает, что специальные меры по затемнению помещения не предпринимается. Однако необходимо предотвращать попадание на экран прямого солнечного света и отключать электрическое освещение непосредственно перед экраном. 

Чем больше яркость проектора, тем лучше картинка. Краски более контрастны, больше возможностей для регулировок параметров изображения. 

В заключение данного раздела отметим, что в 2004-м году основная доля продаж приходится на проекторы, имеющие яркость не менее 1000 ANSI лм.

Конечно, многое при создании яркого изображения зависит от светомодулятора проектора, но самое главное – это все желампа. Лампы в проекторах используются разной мощности от 120 до 575 Вт, есть, конечно, и более мощные проекционные лампы, но они не очень распространены. Если в проекторе нужен мощный световой поток, например в 10000 ANSI-лм., можно, конечно, поставить одну лампу на 1000 Вт, но производители ставят 4 X 250 Вт. Четыре лампы медленнее перегорают, так как аппараты с таким источником снабжаются функцией динамического распределения энергии, лампы работают на полную мощность только в освещенных помещениях и когда требуется показать особо яркий кадр. В таких проекторах ради экономии можно отключить несколько ламп и оставить их в запасе. Также большую роль играет цена и доступность. 1000 ваттный источник света стоит в несколько раз дороже, чем распространенные 250 ваттные лампы. 

Есть разница и в технологии, которая лежит в основе лампы. Сравним, к примеру, обычную лампу накала и разрядную высокого давления или люминесцентную. 

Так что при выборе проектора в первую очередь стоит смотреть на яркость аппарата, тип лампы. А покупать из расчета затрат на единицу светового потока ($/ANSI-лм). Правда, несмотря на благоприятную для потребителей динамику снижения цен этот показатель для проекторов редко снижается ниже $1/ANSI-лм.

Особенности

Благодаря газоразрядным лампам появилась возможность устанавливать цветовую температуру выводимого проектором изображения в соответствии с общепринятыми стандартами цветовой температуры 9300К, 6500К и 5400К (картинка при этом от голубого смещается в область красного спектра), при этом, ощутимо не снижая световой поток. 

Также из связанных с лампой аспектов стоит отметить, что деталь это не вечная. Производители проекторов ее рассматривают, как расходный материал. Этот узел (лампа в сборе с отражательным кожухом) довольно дорог: от 125 до 600 евро. Средний срок службы лампы составляет около 2000 часов максимум 6000 часов. Итого при использовании проектора примерно по два часа в день его хватит года на два в лучшем случае на шесть. Так что при покупке стоит узнать: сколько часов работает лампа, сколько стоит запасная, можно ли менять лампу самостоятельно и как это делать. Когда будет подходить срок замены лампу лучше купить заранее. 

Если есть желание продлить срок службы лампы проектора, лучше использовать экономичный режим. Этот режим есть практически в каждом современном проекторе. Мощность светового потока снижается примерно на одну пятую, зато срок службы лампы возрастает почти в два раза. Во многих моделях проекторов стоит датчик освещенности помещения. Согласуясь с данными, поступающими от датчика, устройство автоматически корректирует нагрузку на лампы, что тоже сказывается на сроке службы.

Меры предосторожности

Проектор с разрядной лампой требует особого ухода, в противном случае можно лишиться не только лампы, но и проектора. Начнем, пожалуй, с самого интересного. Многие, не читавшие инструкцию, спрашивают: почему после выключения, в проекторе шумит вентилятор еще минуты полторы-две. Дело в том, что разрядные лампы довольно долго остывают и вентилятор охлаждает ее. Без этого двухминутного охлаждения срок службы лампы сильно сокращается. Так что вентилятор, не блажь производителей, а вынужденная необходимость. Не стоит выдергивать шнур сразу после завершения показа, а если электричество выключают часто и неожиданно, то для продления срока службы лампы рекомендуется приобрести УПС. 

Следующие два предостережения относятся к владельцам аппаратов с металлогалоидной лампой:

1. Не стоит преодолевать с этой лампой ее паспортный рабочий срок в противном случае пары ртути и других веществ, содержащихся в колбе, сделают стекло настолько хрупким, что лампа просто рассыплется внутри корпуса проектора, а в теории может и взорваться, давление в несколько десятков атмосфер сделает свое дело.

2. Не стоит пытаться поменять металлогалоидную лампу самостоятельно: во-первых, теоретически, она взрывается даже в выключенном состоянии, а, во-вторых, от жирных следов на стекле новой лампы начнется перепад температур и лампа быстро выйдет из строя. Лучше обратиться в сервис.

Эти предостережения не относятся к владельцам проекторов с лампами сверхвысокого давления. Эти лампы спрятаны в специальный защитный фонарь и прикосновений не боятся – их можно менять самостоятельно. Но стекло лучше все равно не трогать – изображение от этого лучше не станет. 

Проектор не стоит включать и выключать через каждые пять минут от этого резко снижается срок жизни лампы. Охлаждение для проекционной лампы – важный процесс. При частых включениях, выключениях катод загрязняется - это повышает нужное для старта напряжение, и увеличивает и без того высокую температуру внутри лампы, агрессивность веществ внутри колбы пропорционально возрастает – это означает быстрое старение лампы.

Вывод

Лампа, по-прежнему, является одной из самых важных деталей проектора. Недаром ее стоимость составляет от 1/6 до 1/3 стоимости проектора. Проекционный источник оптического излучения – это высокотехнологичная деталь, которая сильно влияет на характеристики проектора. При выборе проектора нужно уделить лампе и параметрам, связанным с нею, должное внимание, в противном случае, есть риск получить не то, что хотелось. Успешного просмотра!