(2009 szeptember)
Az LCD, DLP és LCoS digitális projektorok egyik legfontosabb, ám ritkán szóba kerülő része a lámpa. A gyakorlatban a felhasználó által is cserélhető lámpák, mint kompakt egységek, a tükröt is magába foglaló lámpatestből vagy tokozásból, és a tulajdonképpeni fényforrásból, az izzóból állnak. Ebben az írásban csak az izzókkal foglalkozunk, ezeknek is csak egyik fajtájával, a mai projektorok túlnyomó többségében használt UHP (Ultra High Pressure) izzóval. A laikus projektorhasználók vagy talán a projektorokhoz némileg értők számára is ismeretlen világba kukkantunk be, amelyre az izgalmas, egyedi és különleges technikai megoldások sokasága jellemző.
Komplett projektorlámpa UHP izzóval
Nyugodtan kijelenthetjük, hogy az UHP izzók nélkül a projektortechnika ma nem ott tartana, ahol tart. (A nagyprojektorokban és a filmes vetítőgépekben alkalmazott xenonlámpákról egy másik cikkben fogunk beszélni.)
Gondoljunk bele, hogy milyen követelményeknek kell megfelelnie egy projektorizzónak: relatíve kis térfogatban iszonyatosan nagy fényerősség (fényáram), nagy fényhasznosítás, a lehető legegyenletesebb spektrális energiaeloszlás, biztonságos és egyenletes működés, hosszú élettartam. Ezeknek a követelményeknek – ha nem is tökéletesen (ami a színhőmérsékletet illeti) – a rövid ívhosszúságú, ultra nagy nyomáson működő higanygőz töltésű UHP izzók (vagy a más néven, de hasonló technológiával gyártott, és hasonló elven működő lámpák) felelnek meg a leginkább.
Létrejöttüket egy Philips nevű „ismeretlen” cégnek, és annak a több mint kettőszáz millió dollárnak köszönhetik, amibe a kifejlesztésük került. A Philips UHP technológiája a projektorizzók piacának legalább 70%-át uralja. Mindmáig a létező legjobb hatásfokú, tehát a legfényesebb projektorizzó az UHP (Ultra High Pressure) izzó, amelyet kifejlesztése óta más technológia nem nagyon tudott megközelíteni, érdemes tehát a projektorizzók bemutatását ezzel a típussal kezdeni.
Fényigény, spektrumkép
A mai gépek fényigénye 1 Gcd/m2 nagyságrendben van. Ekkora fényerő előállítása gázkisüléses izzóval (alacsonyabb hatásfok mellett) vagy tisztán higanykisüléses technikával lehetséges. Korábban az MH izzókban fémhalogén vegyületek hozzáadásával csökkentették a hullámosszat (és növelték a fényintenzitást), az UHP technika ezt tisztán higany alkalmazásával, az üzemi nyomás növelésével éri el.
A szükséges nyomás minimuma 160 bar, de a korszerű izzók kb. 240 bar töltőnyomással készülnek.
1,3 mm ívhosszúságú, 100 W-os UHP izzó spektrális energiaeloszlása,
különböző higanygőz nyomásértékeknél
A nyomás növelésével a spektrumkép tüskéi is laposodnak, különösképpen jót tesz a magasabb nyomás a vörös összetevőknek, 20%-kal több vöröset tartalmaz a 240 bar-os izzó spektruma, mint a 160 bar-osé. A jó spektrumképhez tehát elengedhetetlen a megfelelő töltőnyomás.
Stabil ív
A wolfram elektródák közötti ív ugyan plazmaállapotú, de oxigént adva a halogéngázhoz (argon + bróm) – a higanygőzön kívül ezek is megtalálhatók az izzóban –, a gáztér hidegebb részeiben a wolfram atomok reakcióba lépnek a gázokkal, oxihalid részecskéket hozva létre, megakadályozva a wolfram kicsapódását a kvarcüveg felületére.
Így nem párolog el a wolfram, az elektródák „nem fogynak el” az izzó életciklusa alatt, a wolfram visszacsapódik az elektródák felületére. Ez a regeneratív kémiai ciklus, amelyet már a közönséges izzószálas halogénizzókban is alkalmaztak.
A fentiek miatt az elektródák tömege nem, de alakjuk változik az életciklus alatt. A telítetlen ív mindig új felületet keres az elektródák felületén a felületi hőmérséklet különbségei miatt, ez villódzást okoz. Telített ív mellett sem állandó az ív helyzete, stabil állapot az elektródák melegedése miatt nem hozható létre, viszont a villódzás elkerülése elengedhetetlenül fontos.
Két technikai megoldás ismert:
- Egyenáramú ív alkalmazása, itt a termikus egyensúly elérése után az ív, mivel nem szakad meg, relatíve stabil marad. Ezzel a megoldással 4 másik problémát is előidéztünk (ezeket most nem részletezzük), ráadásul ezt már levédte az Ushio cég, tehát ez kilőve.
- Az íváram modulációja. Nem kérdés, ez maradt megoldásként az UHP lámpák számára. A ballaszt minden félhullám végén extra áramimpulzus-lökéseket ad az izzónak, ezzel stabilizálva az ív helyzetét az elektródák felületén.
Az izzók gyújtása
Két gyújtási mód létezik, két különböző izzófajtához. A hagyományos UHP izzók gyújtása nagyfeszültségű, ez a gyakorlatban azt jelenti, hogy az izzó tápfeszültségére a gyújtás ideje alatt 10 kV (korábban, TV-izzóknál 20 kV) feszültséget szuperponálnak. Ettől a wolfram felületéről szabad elektronok szakadnak le, szikrakisülés keletkezik, ami begyújtja a nagyáramú ívet.
Ezzel semmilyen gond nincs, leszámítva a szükséges szigetelési távolságokat, amelyek nem okoztak gondot a projektoros TV-k belsejében, ott van hely bőven, de egy mai tenyérnyi DLP
készülék soha nem készülhetett volna el akár 10 kV-os izzóval sem.
A gyújtófeszültség csökkenthető sztatikus teret létrehozó külső huzal alkalmazásával (trigger huzal), a módszer ismerős lehet a villanócsövek világából. Ezzel a korábbi 20-ról 10 kV-ra sikerült csökkenteni a szükséges gyújtófeszültség értékét.
Az ennél kisebb feszültségű gyújtás ezen a nyomáson nem lehetséges, ezért alternatívát kellett keresni szabad elektronok kiszakítására a wolfram elektródából.
Erre a fizika három másik módszert ismer:
- Az elektródák fűtése (lásd pl. elektroncsövek). Ezt nehéz elképzelni a vetítéstechnikában (várj, míg felfűt az izzó, néhány perc és lesz kép), ráadásul a kis méretek miatt valamiféle fűtőszál elhelyezése sem jöhet számításba.
- Radioaktivitás. A becsapódó alfa részecskék szabad elektronokat szakítanak ki. Ez ugyan használatos az iparban, de szerintem egy otthoni vetítőben ne erőltessük izotópok beépítését.
- Fotóeffektus. Ez már jobban hangzik. Kis hullámhosszúságú (UV) fény fotonjai is képesek elektronemissziót gerjeszteni.
A plusz egy izzó beépítése ebből a célból nyilvánvalóan dőreség, ezért egy igazán szellemes módon hidalták át a problémát, mint a mellékelt fotó mutatja.
A jelzett helyen egy plusz üreget hoznak létre, közel a kisülőcsőhöz. Azonos gáztöltéssel rendelkezik, mint a főkamra
Kívülről, antenna (trigger) huzal segítségével az üregben a lapos molibdén szalag éleinél kisülést hozunk létre, innen a fény az izzó üvegtestén, mint optikai szálon jut a kisülőcsőbe, ahol a becsapódó fotonok teszik a dolgukat.
Ezzel a módszerrel az ívhosszat 1,3-ról 1 mm-re, a gyújtófeszültséget pedig 5 kV-ra sikerült csökkenteni, ami már elfogadható méreteket ad.
Az UV üreget gerjesztő huzal integrálható a főkamra triggerhuzaljával
Hasznos, bár sokszor idegesítő tulajdonsága az UV kamrának, hogy biztosítékként is viselkedik, megvédve a főkamrát a túláramoktól (hot restart), így elkerüljük annak lehetséges robbanását, de az izzó használhatatlanná válik az akció után.
Itt jegyzem meg, hogy jelenleg egy 2,5 kV-os gyújtófeszültségű izzó piacra dobásával nyomul a Philips, Ujoy név alatt.
A Philips Ujoy izzójának spektruma
Ez úgy volt lehetséges, hogy 10000 K-re módosították a színhőmérsékletet, és a spektrumkép is messze áll a tökéletestől. A jelenlegi gépek nem viselnék el a magas UV tartalmat, új konstrukciók születnek a felhasználáshoz. Az Ujoy-t egyelőre csak 50 W-os teljesítménnyel gyártják, amivel kb. 250 lumenes gépek építhetőek. Lesz ez még jobb is…
A ballaszt (áramkorlátozó) elektronika
Nevét a gázkisüléses izzók fojtótekercséről kapta, funkcióját tekintve ez teljesen helytálló.
Mint minden kisüléses elven működő izzónak, az UHP csőnek is szüksége van egy áramkorlátozó áramköri elemre, mivel a begyújtott ív gyakorlatilag rövidzárnak tekinthető és telítődése után is maximum 100 V körüli feszültség esik rajta, a tápláló íváramot tehát kordában kell tartani.
Bármilyen valószínűtlenül hangzik, erre a hagyományos vasmagos fojtótekercsek tökéletesen alkalmasak. A közvilágítási célra készült MH (fémhalogén), vagy nátrium lámpák fojtó-gyújtó áramkörébe kapcsolt UHP izzó begyújt és vidáman világít.
Ezzel a használatos elektronikák születésének miértjét is megértettük, hiszen vicces lenne egy 8 kg-os vasmagos fojtótekercs és egy tenyérnyi DLP vetítő házassága.
A nagyon sokféle kapcsolástechnikájú ballaszt-elektronika néhány alapvető részben azonos. Mindegyikben magas üzemi frekvencián működő, nagyáramú félvezetőkre épülő, arányosan kisméretű ferrit trafóval szerelt tápáramkört, és az izzó gyújtásához szükséges kisegítő gyújtótrafót és annak tirisztoros gyújtóáramkörét találjuk. A legtöbb gépben külön modulként szerelt áramkör a projektor hálózati tápjára a diódahíd utáni elkónál csatlakozik, főtápjuk tehát közös, a modul egyenfeszültségről táplált.
A modul másik csatlakozási pontja a vezérlő bemenet. Itt optocsatolós leválasztással csatlakozik a készülék vezérléséhez, valamint szintén optós leválasztással ad információt az izzó áramfelvételéről.
Az izzó nagyfeszültségű csatlakozóval kapcsolódik a modulhoz.
Meglepő módon annyi fajtájú modult gyártanak, ahány alapvető izzótípus létezik. Van tehát kis és nagyfeszültségű, AC és DC ballaszt, békebeli gépekben MH ballasztot is találhatunk, ami kb. azonos a nagyfeszültséggel gyújtott UHP izzós modulokkal, alapvető paramétereit tekintve.
Miért olyan drágák az UHP izzók?
Az egyik ok, hogy a Philips óriási összeget költött a fejlesztésre és szeretné visszakapni. A másik az izzók alapanyagában keresendő. Persze nem a wolframról, vagy az egy cseppnyi higanyról van szó.
Az izzók kisülőcsöve kvarcüvegből készül, amit csak üvegnek hívnak, valójában pusztán átlátszó anyagról beszélhetünk, ráadásul igazán idegesítő tulajdonságokkal.
A kvarc olvadáspontja 1700 C°, ezen a hőfokon már minden acélszerszám elfolyik, ráadásul az olcsó üvegipari gázégők sem használhatóak.Ennél is zavaróbb a nagyon keskeny megmunkálhatósági hőmérsékletsáv. A kvarc az olvadáspontja alatt 10 C°-kal kemény, mint a kő, húsz fokkal fölötte viszont már folyik, tehát nem az üvegfúvók kedvence.
A kisülőcső mindkét oldalán csatlakozik a bórszilikát üvegrudakhoz, amelyekben a molibdén összekötő szalagok futnak. A hegesztési pont nem látható, az izzótest egybefüggőnek hat. A feltöltés után ezeknek a rudaknak kell biztosan benntartani az iszonyúan magas 200 bar gáznyomást.
Kertész Attila
