Натриевая лампа — это газоразрядная лампа , в которой используется натрий в возбужденном состоянии для генерации света с характерной длиной волны около 589 нм .
Существуют две разновидности таких ламп: низкого давления и высокого давления . Натриевые лампы низкого давления являются высокоэффективными источниками электрического света, но их желтый свет ограничивает применение наружного освещения, например, уличных фонарей , где они широко используются. [1] Натриевые лампы высокого давления излучают более широкий спектр света, чем лампы низкого давления, но цветопередача у них все же хуже , чем у других типов ламп. [2] Натриевые лампы низкого давления дают только монохроматический желтый свет и поэтому ухудшают цветовое зрение в ночное время .
Одноцокольные самозажигающиеся лампы изолированы слюдяным диском и заключены в газоразрядную трубку из боросиликатного стекла (дуговую трубку) и металлический цоколь. [3] [4] К ним относятся натриевые лампы, которые являются газоразрядными лампами уличного освещения. [5] [6] [3] [4]
Натриево-дуговая газоразрядная лампа низкого давления впервые получила практическое применение примерно в 1920 году благодаря разработке типа стекла, способного противостоять коррозионному воздействию паров натрия. Они работали при давлении менее 1 Па и создавали почти монохроматический световой спектр вокруг линий излучения натрия на длинах волн 589,0 и 589,56 нанометров. Желтый свет, производимый ими, ограничивал диапазон применений теми, где цветовое зрение не требовалось. [7]
Исследования натриевых ламп высокого давления проводились как в Великобритании , так и в США . Увеличение давления паров натрия расширило спектр излучения натрия, так что производимый свет имел больше энергии, излучаемой на длинах волн выше и ниже области 589 нм. Кварцевый материал, используемый в ртутных газоразрядных лампах, подвергся коррозии под воздействием паров натрия под высоким давлением. Лабораторная демонстрация лампы высокого давления была проведена в 1959 году. Разработка компанией General Electric материала из спеченного оксида алюминия (с добавлением оксида магния для улучшения светопропускания) стала важным шагом в создании коммерческой лампы. К 1962 году материал был доступен в виде трубок, но требовались дополнительные методы для герметизации трубок и добавления необходимых электродов — материал нельзя было плавить, как кварц. Торцевые крышки дуговой трубки во время работы нагревались до 800 ° C (1470 ° F), а затем охлаждались до комнатной температуры, когда лампа выключалась, поэтому выводы электродов и уплотнение дуговой трубки должны были выдерживать повторяющиеся температурные циклы. Эту проблему решил Майкл Арендаш [8] на заводе GE Nela Park. Первые коммерческие натриевые лампы высокого давления были доступны в 1965 году компаниями в США, Великобритании и Нидерландах; На момент появления лампа мощностью 400 Вт производила около 100 люмен на ватт. [7] [9]
Монокристаллические трубки из искусственного сапфира также производились и использовались для натриевых ламп в начале 1970-х годов с небольшим улучшением эффективности, но производственные затраты были выше, чем для трубок из поликристаллического оксида алюминия. [7]
Натриевые лампы низкого давления (LPS) имеют газоразрядную трубку из боросиликатного стекла (дуговую трубку), содержащую твердый натрий и небольшое количество неона и аргона в смеси Пеннинга для запуска газового разряда. Газоразрядная трубка может быть линейной (лампа СЛИ) [10] или П-образной. Когда лампа запускается впервые, она излучает тусклый красный/розовый свет, нагревая металлический натрий; через несколько минут, когда металлический натрий испаряется , выбросы становятся обычными ярко -желтыми . Эти лампы излучают практически монохроматический свет со средней длиной волны 589,3 нм (фактически две доминирующие спектральные линии, расположенные очень близко друг к другу, при 589,0 и 589,6 нм). Цвета объектов, освещенных только этой узкой полосой, трудно различить.
Лампы LPS имеют внешнюю стеклянную вакуумную оболочку вокруг внутренней газоразрядной трубки для теплоизоляции , что повышает их эффективность. Ранее лампы ЛПС имели съемный кожух Дьюара (лампы СО). [11] Для улучшения теплоизоляции были разработаны лампы с постоянной вакуумной колбой (лампы КНИ). [12] Дальнейшее улучшение было достигнуто путем покрытия стеклянной колбы слоем оксида индия и олова, отражающим инфракрасное излучение , в результате чего появились лампы SOX. [13]
Лампы LPS являются одними из наиболее эффективных источников электрического света при измерении в условиях фотопического освещения, обеспечивая мощность от 100 до 206 лм / Вт . [14] Такая высокая эффективность частично обусловлена тем, что излучаемый свет имеет длину волны, близкую к пиковой чувствительности человеческого глаза. Они используются в основном для наружного освещения (например, уличных фонарей и охранного освещения ), где точная цветопередача не важна.
Лампы ЛПС похожи на люминесцентные лампы тем, что представляют собой источник света малой интенсивности с линейной формой лампы. У них нет яркой дуги, как у газоразрядных ламп высокой интенсивности (HID); они излучают более мягкое свечение, что приводит к уменьшению бликов. В отличие от HID-ламп, во время падения напряжения натриевые лампы низкого давления быстро возвращаются к полной яркости. Лампы ЛПС выпускаются мощностью от 10 до 180 Вт; Однако при использовании ламп большей длины могут возникнуть проблемы с конструкцией и инженерными решениями.
Современные лампы LPS имеют срок службы около 18 000 часов, и световой поток не снижается с возрастом, хотя к концу срока службы их энергопотребление увеличивается примерно на 10%. Это свойство контрастирует с лампами HID на парах ртути, которые к концу срока службы тускнеют до такой степени, что становятся неэффективными, потребляя при этом электроэнергию в неизменном виде.
В 2017 году Philips Lighting, последний производитель ламп LPS, объявил о прекращении производства ламп из-за падения спроса. [15] Первоначально производство должно было быть прекращено в течение 2020 года, но эта дата была перенесена, и последние лампы были произведены на заводе в Гамильтоне , Шотландия, 31 декабря 2019 года. [16]
Для мест, где световое загрязнение является важным фактором, например, вблизи астрономических обсерваторий или пляжей, где гнездятся морские черепахи , предпочтителен натрий низкого давления (как раньше в Сан-Хосе, Калифорния, и Флагстаффе, Аризона ). [17] [18] Такие лампы излучают свет только на двух доминирующих спектральных линиях (вместе с другими, гораздо более слабыми линиями), и поэтому имеют наименьшее спектральное вмешательство в астрономические наблюдения. [19] (Теперь, когда производство ламп LPS прекращено, рассматривается возможность использования узкополосных желтых светодиодов, которые имеют цветовой спектр, аналогичный LPS.) Желтый цвет натриевых ламп низкого давления также приводит к наименьшее визуальное свечение неба, главным образом из-за сдвига Пуркинье адаптированного к темноте человеческого зрения, из-за которого глаз становится относительно нечувствительным к желтому свету, рассеянному на низких уровнях яркости в ясной атмосфере. [20] [21] Одним из последствий широкого распространения общественного освещения является то, что в пасмурные ночи города с достаточным освещением освещаются светом, отраженным от облаков. Там, где источником городского освещения являются натриевые фонари, ночное небо окрашено в оранжевый цвет.
Процесс в парах натрия (иногда называемый желтым экраном) — это пленочный метод, основанный на узкополосных характеристиках лампы LPS. Цветная негативная пленка обычно не чувствительна к желтому свету лампы LPS, но специальная черно-белая пленка способна его зафиксировать. С помощью специальной камеры сцены записываются на две катушки одновременно: одна с актерами (или другими объектами переднего плана), а другая становится маской для последующего комбинирования с другим фоном . Первоначально этот метод давал результаты, превосходящие технологию синего экрана, и использовался в 1956–1990 годах, в основном Disney Studios . Яркими примерами фильмов, использующих эту технику, являются «Птицы » Альфреда Хичкока и диснеевские фильмы «Мэри Поппинс» и «Бедкнобс и метлы» . Более поздние достижения в области технологий синего и зеленого экрана и компьютерных изображений закрыли этот пробел, сделав SVP экономически непрактичным. [22]
Натриевые лампы высокого давления (ДНаТ) широко используются в промышленном освещении, особенно на крупных производственных объектах, и обычно используются в качестве освещения для выращивания растений . Они содержат ртуть . [23] Они также широко используются для освещения наружных территорий, например, проезжей части, автостоянок и зон безопасности. Понимание изменения чувствительности цветового зрения человека от фотопического к мезопическому и скотопическому необходимо для правильного планирования при проектировании освещения дорог. [24]
Натриевые лампы высокого давления весьма эффективны — около 100 люмен на ватт в условиях фотопического освещения. Некоторые лампы большей мощности (например, 600 Вт) имеют эффективность около 150 люмен на ватт.
Поскольку натриевая дуга высокого давления чрезвычайно химически активна, дуговая трубка обычно изготавливается из полупрозрачного оксида алюминия . Эта конструкция побудила General Electric Company использовать торговую марку «Lucalox» для своей линейки натриевых ламп высокого давления.
Ксенон низкого давления используется в качестве «стартового газа» в лампе HPS. Он имеет самую низкую теплопроводность и самый низкий потенциал ионизации среди всех стабильных благородных газов . Будучи благородным газом, он не препятствует химическим реакциям, происходящим в операционной лампе. Низкая теплопроводность сводит к минимуму тепловые потери в лампе в рабочем состоянии, а низкий потенциал ионизации обусловливает относительно низкое напряжение пробоя газа в холодном состоянии, что позволяет легко запустить лампу.
Вариант натриевой лампы высокого давления, представленной в 1986 году, White HPS имеет более высокое давление, чем типичная лампа HPS, обеспечивая цветовую температуру около 2700 К с индексом цветопередачи (CRI) около 85, что очень напоминает цвет лампа накаливания. [25] Эти светильники часто используются в помещениях кафе и ресторанов для эстетического эффекта. Однако белые ДНаТ-лампы имеют более высокую стоимость, более короткий срок службы и меньшую светоотдачу, поэтому в настоящее время они не могут конкурировать с ДНаТ.
Амальгама металлического натрия и ртути находится в самой холодной части лампы и обеспечивает пары натрия и ртути, необходимые для создания дуги. Температура амальгамы во многом определяется мощностью лампы. Чем выше мощность лампы, тем выше будет температура амальгамы. Чем выше температура амальгамы, тем выше будет давление паров ртути и натрия в лампе и тем выше будет напряжение на клеммах. По мере повышения температуры постоянный ток и возрастающее напряжение потребляют все большую энергию, пока не будет достигнут рабочий уровень мощности. Для данного напряжения обычно существует три режима работы:
Первое и последнее состояния устойчивы, поскольку сопротивление лампы слабо связано с напряжением, а второе состояние неустойчиво. Любое аномальное увеличение тока вызовет увеличение мощности, вызывающее повышение температуры амальгамы, что вызовет уменьшение сопротивления, что повлечет за собой дальнейшее увеличение тока. Это создаст эффект побега, и лампа перейдет в сильноточное состояние (№3). Поскольку настоящие лампы не рассчитаны на такую большую мощность, это может привести к катастрофическому выходу из строя. Аналогичным образом, аномальное падение тока приведет к исчезновению лампы. Именно второе состояние является желаемым рабочим состоянием лампы, поскольку медленная потеря амальгамы с течением времени из резервуара будет меньше влиять на характеристики лампы, чем полностью испарившаяся амальгама. В результате средний срок службы лампы превышает 20 000 часов.
При практическом использовании лампа питается от источника переменного напряжения, включенного последовательно с индуктивным « балластом », чтобы подавать на лампу почти постоянный ток, а не постоянное напряжение, что обеспечивает стабильную работу. Балласт обычно является индуктивным, а не просто резистивным, чтобы минимизировать потери энергии из-за потерь на сопротивление. Поскольку лампа эффективно гаснет в каждой точке нулевого тока в цикле переменного тока, индуктивный балласт способствует повторному зажиганию, обеспечивая скачок напряжения в точке нулевого тока.
Свет лампы состоит из эмиссионных линий атомов ртути и натрия, но в нем преобладает излучение D-линии натрия. Эта линия чрезвычайно расширена давлением (резонансом) , а также самообращается из-за поглощения в более холодных внешних слоях дуги, что придает лампе улучшенные характеристики цветопередачи . Кроме того, красное крыло излучения D-линии представляет собой дальнейшее расширение давления под действием сил Ван-дер-Ваальса атомов ртути в дуге.
В конце срока службы натриевых ламп высокого давления (HPS) наблюдается явление, известное как циклическое переключение , вызванное потерей натрия в дуге. Натрий является высокореактивным элементом и теряется в реакции с оксидом алюминия дуговой трубки. Продукция представляет собой оксид натрия и алюминий :
В результате эти лампы можно запускать при относительно низком напряжении, но, поскольку они нагреваются в процессе работы, внутреннее давление газа внутри дуговой трубки возрастает, и для поддержания дугового разряда требуется все большее напряжение . По мере старения лампы поддерживающее напряжение дуги в конечном итоге возрастает и превышает максимальное выходное напряжение электрического балласта. Когда лампа нагревается до этой точки, дуга гаснет, и лампа гаснет. В конце концов, когда дуга погаснет, лампа снова остывает, давление газа в дуговой трубке снижается, и балласт может снова вызвать зажигание дуги. В результате лампа светится некоторое время, а затем гаснет, обычно начиная с чистого или голубовато-белого цвета, а затем переходя к красно-оранжевому цвету, прежде чем погаснуть.
Более сложные конструкции зажигателей обнаруживают цикличность и прекращают попытки запустить лампу после нескольких циклов, поскольку повторяющиеся зажигания под высоким напряжением, необходимые для перезапуска дуги, сокращают срок службы балласта или зажигателя, в зависимости от конфигурации зажигателя. Если питание будет отключено и повторно включено, балласт предпримет новую серию попыток запуска.
Выход из строя лампы LPS не приводит к езде на велосипеде; скорее, лампа просто не загорится или будет поддерживать тускло-красное свечение фазы запуска. В другом случае неисправности крошечный прокол дуговой трубки приводит к утечке части паров натрия во внешнюю вакуумную колбу. Натрий конденсируется и образует зеркало на внешнем стекле, частично закрывая дуговую трубку. Лампа часто продолжает работать нормально, но большая часть генерируемого света заслоняется натриевым покрытием, не обеспечивая освещения.
