Натриевые лампы

Натриевые лампы — одна из наиболее эф­фективных групп источников видимого излучения. Они обладают самой высокой световой отдачей среди известных РЛ и незначительным снижением светового потока при длительном сроке службы [3.2. 3.28]. По­этому натриевые лампы, в первую очередь, высокого давления, все шире применяются в разных системах освещения, особенно в наружном освещении (НО). Недостатком ламп являет­ся низкое качество цветопередачи и глубокая пульса­ция излучения.

Принцип действия ламп основан на использовании резонансного излучения D-линий натрия (589 и 589,6 нм). Исходя из рабочего давления паров натрия, выделяют два типа ламп — НЛНД и НЛВД. Зависи­мость световой отдачи излучения натриевого разряда от давления паров натрия имеет два максимума. Область первого максимума соответствует давлению около 0,2 Па и достигается при температуре жидкой фазы 270-300°С, именно при этих давлениях и плотностях тока 0,1-0,5 А/см² работают созданные еще в 30-х годах НЛНД. Второй максимум имеет место при давлении около 10 кПа. Это давление насыщенных па­ров натрия достигается при 650-750°С. Создание НЛВД стало возможным только в 60-х годах после по­лучения и освоения технологии производства светопропускающего высокотемпературного материала для разрядной трубки, устойчивого к длительному воздей­ствию агрессивных паров натрия при 1300-1400°С и представляющего собой керамику на основе поликристаллической окиси алюминия.

Натриевые лампы низкого давления явля­ются чрезвычайно эффективным источником почти однородного видимого излучения, так как КПД разря­да при низком давлении для резонансного излучения всегда бывает высоким, а резонансные линии натрия лежат в области, близкой к максимальной чувствитель­ности глаза.

При практической реализации эффек­тивной НЛНД для обеспечения температуры стенки 270— 290°С, соответствующей оптимальному давлению паров натрия, необходимо увеличивать тепловую на­грузку, отходя от оптимальных тока и диаметра, и улуч­шать теплоизоляцию разрядной трубки. Для этого раз­рядную трубку помещают в стеклянную вакуумную теплоизолирующую рубашку, придают ей U-образную форму, на внутреннюю стенку внешней колбы в совре­менных типах наносят селективно отражающие тепло­вые фильтры из SnO₂ или In₂О₃, которые отражают ИК-излучение на разрядную трубку и пропускают жел­тое резонансное излучение. Для зажигания и раз­вития разряда в трубку добавляют неон при давлении 1-1,5 кПа и 0,5-1% аргона (смесь Пеппинга) для снижения напряжения зажигания. Натрий в лампу вводят в избытке.

Разрядная трубка НЛНД имеет диаметр 15-25 мм и изготавливается из специальных сортов стекла. В со­временных лампах применяется специально разрабо­танное стекло, не только устойчивое к воздействию го­рячих паров натрия, по и не поглощающее Аr, который вводится в качестве небольшой добавки к Ne для пони­жения напряжения зажигания.

Для предотвращения миграции паров натрия вдоль разрядной трубки круглого сечения на ее поверхности ранее делали небольшие выпуклости, равномерно рас­пределенные по длине трубки.

Электроды НЛНД представляют собой самокаля­щиеся оксидные триспиральные катоды в форме бифиляра или подобные применяемым в ЛЛ. В настоящее время применяются синтерированные электроды.

Внешний вид лампы показан на рис. 3.80.

Время разгорания НЛНД составляет 10-15 мин. Из-за почти полной безынерционности натриевого разряда его электрические и световые характеристики меняются вслед за мгновенными изменениями напря­жения сети, и пульсация светового потока приближа­ются к 100%.

Температура окружающего воздуха слабо влияет па параметры НЛНД. Они работают как в открытых, так и закрытых ОП. Температура внешней колбы и цоколя не должна превышать 150°С. Положение горения — го­ризонтальное (±15°).

В России выпускается одна лампа НЛНД мощностью 140 Вт и сроком службы 2000ч. Средняя продолжительность горения зарубежных НЛНД лежит в пределах 9000-12000 ч. а спад светового потока <10%; их преимуществом является высокая эко­номичность. Кроме плохой цветопередачи, к недостат­кам НЛНД, которые должны учитываться при выборе их в качестве ИС для решения той или иной конкрет­ной светотехнической задачи, относятся:

1) постепенное увеличение потребляемой мощно­сти в процессе горения (до 140% от начальной), что должно учитываться при проектировании электриче­ской части осветительных установок;

2) большие потери в ПРА, достигающие у новых улучшенных образцов 17-60%;

3) низкий коэффициент мощности (0,27-0,35 при напряжении осветительной сети 220 В), вызывающий необходимость применять для его компенсации кон­денсаторы большой емкости (20-40 мкФ);

4) большие материалоемкость, масса и габаритные размеры ПРА (4,2-7.2 кг, сечение 100x100, длина 170 мм) и самая высокая удельная стоимость светового потока комплекта «лампа-ПРА»;

5) ограниченная возможность перераспределения светового потока вследствие больших размеров и малой яркости (8—10 кд/см²) светящего тела (аналогично люминесцентным лампам), большая материалоемкость осветительной арматуры.

При работе с ВЧ ЭПРА энергопотребление снижа­ется на 10-40%, обеспечивается независимость параметров от напряжения сети, повышается коэффициент мощности до 0,95 и снижается масса ПРА, т.е. устраня­ются недостатки, перечисленные в пп. 1-4.

В последние годы НЛНД были усовершенствованы за счет применения двойной вакуумированной рубаш­ки и теплоотражающих покрытий на внутренней по­верхности колбы для снижения тепловых потерь. В ре­зультате световая отдача НЛНД была увеличена при­мерно в 2 раза и в настоящее время достигает у промышленно выпускаемых НЛНД 133—178лм/Вт (Philips), а у опытных образцов, разрабатывавшихся в по­следние годы, превышает 200лм/Вт (теоретический предел световой отдачи НЛНД около 500лм/Вт).

Области применения НЛНД — освещение автострад, туннелей, перекрестков, складов и товарных станций, промышленных объектов, архитектурное и декоратив­ное освещение. Благодаря желтому монохроматическо­му свету, обеспечивающему превосходную видимость и разрешающую способность глаза при низких уровнях освещенности и хорошее прохождение излучения в ту­мане, НЛНД находят применение в светосигнальных установках. Для общего освещения эти лампы не при­меняются из-за сильного искажения цвета объектов.

Натриевые лампы высокого давления| со­держат смесь паров натрия и ртути при высоком давле­нии и зажигающий газ — ксенон. Натрий, имеющий наиболее низкие потенциалы возбуждения и иониза­ции, является основным рабочим веществом (излуче­ние, электроны и ионы); ртуть вводится в качестве бу­ферного газа для повышения температуры разряда, гра­диента потенциала в столбе разряда и снижения тепловых потерь; вклада в излучение ртуть практически не дает. Рабочее давление паров натрия 4-14 кПа. соотно­шение парциальных давлений паров натрия и ртути 1:10—1:20. Ксенон вводится при холодном давлении 2,6 кПа, он повышает световую отдачу за счет сниже­ния теплопроводности плазмы. Напряжение зажигания ламп с ксеноном 2-4 кВ. Для уменьшения напряжения зажигания иногда используют смесь Ne + 0,5% Аr в ка­честве зажигающего газа, но при этом на 25% снижает­ся световая отдача лампы.

Устройство НЛВД — цилиндрическая разряд­ная трубка, смонтированная в вакуумированной внеш­ней колбе (рис. 3.84). Силикатные стекла не пригодны для изготовления разрядной трубки НЛВД, поскольку при высокой температуре натрий взаимодействует с окисью кремния и дает устойчивые силикатные соеди­нения, вызывающие почернение и разрушение трубки практически после нескольких минут работы лампы. Разрядная трубка НЛВД изготавливается из особо чис­той окиси алюминия в виде диффузно пропускающей свет поликристаллической керамики (поликор, люкор), либо в виде прозрачного трубчатого монокристалла (лейкосапфир). Эти материалы устойчивы к длительно­му воздействию паров натрия при температуре до 1600°С, вакуумноплотныс и механически прочные, имеют общий коэффициент пропускания видимого из­лучения 90-95%, В зависимости от мощности лампы трубки имеют внешний диаметр от 5 до 12 мм и толщину стенки 0,5-1 мм. В качестве материала ввода обыч­но используется ниобий (с добавкой 1%циркония) — тугоплавкий и химически стойкий металл с темпера­турным коэффициентом расширения, наиболее близ­ким к керамике. Пайка ввода к оболочке разрядной трубки осуществляется при помощи специальных вы­сокотемпературных стеклоцементов при 1400— 1500°С. Конструктивно вводы могут быть выполнены в виде керамической втулки, диска или ниобиевого колпачка, в которые впаяна ниобиевая трубка, служащая одно­временно откачным штенгелем, держателем электрода и внешним выводом разрядной трубки. В бесштенгельном варианте конструкции разрядной трубки токоввод изготавливается из ниобиевой прово­локи или тонкостенной трубки. Для луч­шей фиксации местоположения холодной зоны разряд­ной трубки и обеспечения заданной температуры амальгамы натрия могут быть использованы теплоотражающие экраны из ниобиевой ленты, надеваемые на один или оба заэлектродных участка разрядной трубки. Натрий и ртуть вводятся в НЛВД в виде амальгамы с атомным содержанием натрия 65—75%. Разрядная трубка смонтирована внутри внешней кол­бы, изготовленной либо из стекла вольфрамовой груп­пы (лампа с цилиндрической и эллипсоидной внешней колбой и резьбовым поколем типов Е27 и Е40), либо из кварца (лампы софитного двухцокольного исполнения). Внешняя колба вакуумирована, давление в колбе не выше 0,01 Па поддерживается в течение всего срока службы при помощи газопоглотителя.

Зажигание НЛВЛ осуществляется специальным устройством, подающим на лампу высоковольтный вы­сокочастотный импульс с амплитудой 2-4 кВ. Время разгорания лампы составляет 5-7 мин. и определяется скоростью нагрева лампы и испарения натрия и ртути. По мере разгорания спектр излучения меняется от мо­нохроматического желтого до нормального уширенно­го, соответствующего установившимся рабочим пара­метрам. Время повторного зажигания погасшей лампы определяется временем остывания разрядной трубки до температуры, при которой подаваемые импульсы напряжения достаточны для повторного зажигания раз­ряда, и составляет 2-3 мин.

Положение горения НЛВД — любое.

Температура окружающей среды слабо влияет на ха­рактеристики НЛВД, и они могут работать при Т_окр от -60 до +40°С. Перегрев НЛВД в ОП недопустим, максимальная допустимая температура внешней стеклян­ной колбы 350-400°С, а цоколя 150-200°С. Конструк­ция ОП должна исключать возможность попадания от­раженного излучения па разрядную трубку: допусти­мый прирост напряжения на лампе при помещении ее в ОП по сравнению с работой на открытом воздухе 5—10 В в зависимости от мощности лампы.

Срок службы НЛВД (12-28 тыс. часов в зависимо­сти от мощности и исполнения) ограничивается глав­ным образом постепенным ростом напряжения (1-5 В на каждые 1000 ч горения) на лампе вплоть до погаса­ния. Этот рост связан с убылью натрия в течение срока службы, а также частичным утеплением разрядной трубки за счет почернения приэлектродных концов. Другая причина выхода НЛВД из строя — разрушение металлокерамических вводов. При непрерывном горе­нии НЛВД имеют срок службы на 30% больше, чем при циклическом (10-часовом). Лампы отличает высо­кая стабильность светового потока в течение срока службы: спад потока — не более 15—20% за 10 тыс. ч горения.

Области применения НЛВД — наружное и внутрен­нее освещение. Типичные объекты — улицы, площади, скоростные магистрали, транспортные пересечения, протяженные туннели, большие открытые простра­нства, аэродромы, строительные площадки, контейнер­ные площадки на железнодорожных станциях, откры­тые и закрытые склады, высокопролетные произво­дственные помещения, архитектурные сооружения, не­которые общественные здания с кратковременным пребыванием людей (вокзалы, аэропорты и т.п.). Зна­чительное улучшение качества цветопередачи и более приятное зрительное впечатление можно получить пу­тем сочетания в ОУ НЛВД с другими эффективными ИС, дающими преимущественное излучение в сине-зе­леной части спектра, например, с РЛВД или МГЛ.