Натриевые лампы

Натриевые лампы – осветительные устройства, использующие в качестве рабочего вещества металлические пары. В отличие от двух других классов разрядных приборов. Например, ртутные лампы используют разряд в газах, также существует семейство осветительных приспособлений, где рабочим веществом служат соединения металлов.

Ключевые особенности разрядных натриевых ламп

Считается, что натриевые лампочки обладают самой большой светоотдачей, что предполагает наличие весьма высокого КПД. Изделия характеризуются, помимо прочего, долгим сроком службы. И во весь период эксплуатации светоотдача снижается незначительно. Рабочие параметры (ламп высокого давления) мало зависят от температуры окружающей среды (перегрев исключается правильно реализованной конструкцией). Поэтому натриевые лампочки являются идеальным решением для освещения улиц. Но имеются и серьёзные недостатки:

  1. Оставляет желать лучшего цветопередача (значения коэффициента порядка 25). Это долгое время служило основным ограничением для применения разрядных ламп вообще в повседневной жизни. Особенно плохо выглядит при таком освещении человеческая кожа.
  2. Разряду в парах натрия присуща глубокая пульсация, что приводит к быстрому утомлению зрения. Кроме того эффект мерцания вреден для нервной системы и некоторых аспектов человеческого здоровья. Упомянутое явление объясняется практически полной безынерционностью дуги в парах натрия. Так, что свечение повторяет закон приложенного напряжения (в сети обычно синусоида частоты 50 Гц).
  3. По мере расходования ресурса жизни потребляемая мощность натриевой лампы постепенно растёт и повышается примерно на 40% относительно первоначальной.
  4. Пускорегулирующий аппарат натриевых ламп громоздкий (занимает много места) и характеризуется большими потерями (до 60% от полной расходуемой энергии).
  5. Наличие пускового дросселя предопределяет низкий коэффициент передачи мощности (до 0,35). Что требует наличия солидного блока компенсирующих конденсаторов для устранения реактивной части.
Осветительное устройство

Осветительное устройство

Все это объясняет применение натриевых лампочек преимущественно для ночного освещения, в особенности, нежилых объектов: цехов, складов, железнодорожных станций, хранилищ различного толка, дорожных магистралей, архитектурных сооружений. Жёлтый свет натриевой лампы низкого давления позволяет человеку хорошо различать детали при сравнительно низкой интенсивности излучения, превосходно проходит сквозь туман в плохих погодных условиях. Указанная специфика делает возможным создание на основе этих приборов сигнальных установок различного толка. (См. также: Лампы ДРЛ)

Некоторые из приведённых выше недостатков удаётся устранить применением электронных балластов инверторного типа. Этим не только снижается энергопотребление, но и вследствие отсутствия пускового дросселя коэффициент мощности может достигать 0,95. Разумеется, масса электронного балласта также невелика. Это знает каждый, кто уже на своём примере знает о преимуществах светодиодных и разрядных ламп с эдисоновской резьбой Е27. Вся электроника здесь умещается в цоколе.

Срок службы натриевых лампочек высокого давления колеблется в пределах от 12 до 28 тысяч часов. Это вполне конкурентоспособные значения и в пересчёте на трудодни составляет от 4 до 9,5 лет. С течением времени падение напряжения на лампах увеличивается со скоростью от 1 до 5 В ежегодно. Что и является одной из причин, провоцирующих отказ.

Колба ламп низкого давления обычно цилиндрическая. У изделий высокого давления – иногда грибовидная с внутренним отражателем или эллипсоидная. В последнем случае спектры свечения могут градироваться по мощности: для её средних величин давление в колбе максимальное, что и служит причиной такого деления. Кроме того на спектральные характеристики может оказывать влияние сетевое напряжение (если не используется электронный балласт). Очень критичен срок службы и к амплитуде: увеличение или снижение вольтажа всего лишь на 5% приводит к резкому старению изделия.

Для рядовых потребителей представляют интерес лампы с улучшенной цветопередачей. Соответствующий коэффициент изделий достигает 83, что является прекрасным показателем. К примеру, для светодиодных лампочек типичными значениями являются 70 и более. В свою очередь, последние широко применяются в быту, и мало находится желающих на такие параметры жаловаться. А учитывая экономичность натриевых лампочек, имеются все основания полагать, что они станут достойным конкурентом для прочих семейств осветительных приборов.

Работа лампы

Работа лампы

Принцип действия натриевых ламп

В герметичной колбе создаются условия для испарения натрия. Для получения света используют D-линии на волнах 589 и 589,6 нм. Натриевые лампы бывают как высокого, так и низкого давления. Согласно общепринятой классификации это, соответственно, от 30000 до 1 млн. Па и от 0,1 до 10000 Па. Такое положение дело возникло на основе долгих исследований специфики разряда.

Было установлено, что максимум светоотдачи наблюдается при давлениях порядка 0,2 и 10000 Па. Первые натриевые лампы, созданные в 1931 году Марселло Пирани, функционируют на первом экстремуме функции в пределах указанного интервала при плотности тока от 0,1 до 0,5 А на квадратный сантиметр. Наиболее благоприятные условия для излучения света достигаются при температурах жидкой фазы в интервале от 270 до 300 градусов Цельсия (температура цоколя по крайней мере вдвое ниже). Лампы, работающие при давлении 0,2 Па, более эффективны. (См. также: Энергосберегающая лампа)

Второй экстремум достигается при дальнейшем нагреве паров. При температурах от 650 до 750 градусов Цельсия. Натриевые лампы высокого давления долгое время не удавалось создать. Проблема заключалась в отсутствии подходящего материала для колбы. Лишь алюминиевая керамика смогла выдержать натиск агрессивной среды при температурах выше 1000 градусов (от 1300 до 1400 градусов Цельсия). Вообще искусственные материалы дали человечеству очень много, о чем косвенно упоминалось в обзоре по теме Электрических цепей.

Натриевые лампы низкого давления

Выше было отмечено, что лампы низкого давления чрезвычайно эффективны. Нужно понимать, что указанные выше длины волн являются доминирующими, но далеко не единственными в спектре свечения. И именно у ламп низкого давления большинство линий лежит в области чувствительности глаза. Это значит, что свет максимально ярок. Иными словами лампы низкого давления обладают весьма привлекательным КПД.

У лабораторных моделей коэффициент полезного действия достигает 50-60%. В результате световая отдача поднимается до 400 лм/Вт (теоретический предел для современного уровня технологии составляет 500 лм/Вт).

Для сравнения. Светодиодная лампочка EKF мощностью 9 Вт (аналог нити накала мощностью 75 Вт) отдаёт поток 830 лм. И это считается хорошим показателем энергосбережения. Хотя световая отдача, как это нетрудно догадаться, составляет «всего лишь» 92 лм/Вт. Из одного этого можно понять, сколь эффективны натриевые лампы низкого давления, изобретённые ещё в 1931 году.

На практике приходится идти на жертвы (на лампочки Philips по-прежнему хороши и достигают световой отдачи в 133-178 лм/Вт). Температура колбы поднимается до необходимых 270-300 градусов Цельсия за счёт специальных мер по теплоизоляции (превышением радиуса колбы над максимально эффективным) и некоторого увеличения рабочего до тока так, что он становится более оптимального. Как результат, КПД реальных изделий, выпущенных для широкой продажи, никогда не достигает указанных выше границ. Но все же достаточно высок, чтобы натриевые лампочки можно было назвать энергосберегающими.

Теплоизоляцию в некоторых случаях дополняют и иными мерами. Отражающая рубашка из полупроводниковых материалов пропускает наружу полезное излучение жёлтого цвета, но отражает внутрь инфракрасное. За счёт этого температура внутри дополнительно повышается. Но конструкция натриевой лампы делается более сложной.

Розжиг дуги облегчается добавлением некоторого количества неона и аргона. Этим значительно снижается напряжение, развиваемое драйвером. По причине наличия примесей стекло колбы не должно поглощать аргон. Радиус лампы берётся несколько больше оптимального и составляет 15-25 мм. Оксидный катод обычно бифилярный или сиптерированный (спечённый из порошка). В качестве материала может использоваться вольфрам, активированный щелочными (щёлочноземельными) металлами.

Лампа низкого давления

Лампа низкого давления

Натриевые лампы высокого давления

В газовую смесь, помимо натриевых, добавляют пары ртути и снижающего напряжение розжига (до 2-4 кВ) ксенона. Давление в колбе обычно находится в пределах от 4 до 14 кПа. Не сложно заметить, что согласно общей классификации разрядных ламп указанный диапазон относится к низкому давлению. Но для натриевых ламп выше 14 кПа этот параметр не поднимается. Поэтому удобно делить изделия так, как это указано. То есть диапазон от 4 до 14 кПа выносить в разряд высокого давления.

Как было отмечено выше, максимум эффективности лежит в районе 10 кПа. Парциальное давление натриевых паров составляет всего лишь десятую или двадцатую долю от общего. Прочее приходится на ртуть и ксенон. Давление последнего (в холодном виде) обычно составляет 2,6 кПа. Если для снижения напряжения розжига применять смесь неона и аргона, то световая отдача натриевой лампы снижается на четверть.

В спектре натриевых ламп высокого давления, помимо D линий, наблюдается активность в сине-зелёной части спектра. За счёт чего даваемый оттенок не жёлтый, а золотисто-белый (цветовая температура в теплом промежутке – 2000 К). Индекс цветопередачи (максимален при 2500 К) можно повысить увеличением парциального давления паров натрия и диаметра колбы. Одновременно почти вдвое снижается световая отдача, уменьшается срок службы. Происходит также повышение цветовой температуры. Ввиду описанных выше негативных результатов на такие меры идут достаточно редко.

Как уже было упомянуто выше, в качестве материала колбы используется алюминиевая керамика. Обычное силикатное стекло непригодно, поскольку пары натрия под действием высокой температуры вступают тогда в химическую реакцию. Образуемые соединения весьма устойчивы, и колба ощутимо чернеет уже через несколько минут после начала работы изделия. Изменения необратимы, под действием высокого давления имеется вероятность полного разрушения стекла.

Поликристаллическая керамика и трубчатый монокристалл при толщинах стенки от 0,5 до 1 мм одинаково устойчивы к действию агрессивной среды вплоть до температуры 1600 К. То есть с некоторым запасом относительно оптимальной точки. В то же время керамика имеет высокий коэффициент пропускания излучения в видимом диапазоне, на который приходится примерно 30% потребляемой натриевой лампой энергии.

Запредельные температуры требуют специальной конструкции вводов. Изготавливаемые из ниобия с малой (1%) примесью циркония они герметизируются на входе в колбу особым стеклоцементом (способным выдержать столь агрессивные условия). Столь изощрённый по составу сплав выбран неспроста. Конструкторы изыскали материал, коэффициент теплового расширения которого близок к самой керамике. В результате можно избежать деформаций на стыках и швах. Та же самая идея используется в металлических оконных рамах. Так как известно, что коэффициент теплового расширения алюминия близок к значениям, наблюдаемым у стекла.

Натриевым лампам высокого давления присуща некоторая инерционность. При первом зажигании свет жёлтый и монохроматический. Со временем изделие выходит на режим с одновременным расширением излучаемого спектра. Для повторного розжига дуги газ должен остыть. Обычно на это уходит 2-3 минуты. Чтобы не превысить рабочих температур, нужно исключить отражение излучения на колбу. В противном случае натриевая лампа выходит из строя от перегрева.