Натриевые лампы

Натриевые лампы – осветительные устройства, использующие в качестве рабочего вещества металлические пары. В отличие от двух прочих классов разрядных приборов. К примеру, ртутные лампы используют разряд в газах, выделяют семейство осветительных приспособлений, где рабочим веществом становятся соединения металлов.

Ключевые особенности разрядных натриевых ламп

Считается, что натриевые лампочки обладают самой большой светоотдачей, что предполагает наличие внушительного КПД. Изделия характеризуются, помимо прочего, долгим сроком службы. В период эксплуатации светоотдача снижается незначительно. Рабочие параметры (ламп высокого давления) мало зависят от температуры окружающей среды (перегрев исключается правильно реализованной конструкцией). Натриевые лампочки востребованы для освещения улиц. Присутствуют серьёзные недостатки:

1. Не слишком достоверная цветопередача (значения коэффициента – 25). Это долго считалось основным ограничением для применения разрядных ламп в быту. Крайне плохо выглядит при подобном освещении человеческая кожа.
2. Разряду в парах натрия присуща глубокая пульсация, что приводит к быстрому утомлению зрения. Эффект мерцания вреден для нервной системы и ряда аспектов человеческого здоровья. Упомянутое явление объясняется полной безынерционностью дуги в парах натрия – 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 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

Перечисленное объясняет применение натриевых лампочек преимущественно для ночного освещения, в особенности, нежилых объектов: цехов, складов, железнодорожных станций. Дополнительно – для хранилищ, дорожных магистралей, архитектурных сооружений. Жёлтый свет натриевой лампы низкого давления позволяет человеку различать детали при сравнительно низкой интенсивности излучения, превосходно проходит сквозь туман в плохих погодных условиях. Указанная специфика делает возможным создание на основе описанных приборов множества сигнальных установок.

Часть приведённых выше недостатков удаётся устранить применением электронных балластов инверторного типа. Этим снижается энергопотребление, по причине отсутствия пускового дросселя коэффициент мощности достигает 0,95. Разумеется, масса электронного балласта невелика. Это известно человеку, знающему о преимуществах светодиодных и разрядных ламп с эдисоновской резьбой Е27. Вся электроника здесь умещается в цоколе.

Срок службы натриевых лампочек повышенного давления колеблется в пределах 12 – 28 тысяч часов. Это конкурентоспособные значения, в пересчёте на трудодни составляет 4 – 9,5 лет. Постепенно падение напряжения на лампах увеличивается со скоростью 1 – 5 В ежегодно. Что становится причиной, провоцирующей отказ.

Колба ламп низкого давления обычно цилиндрическая. У изделий высокого давления – иногда грибовидная с внутренним отражателем или эллипсоидная. В последнем случае спектры свечения градируются по мощности: для её средних величин давление в колбе максимальное, объясняя упомянутое деление. На спектральные характеристики влияет сетевое напряжение (если не используется электронный балласт). Критичен срок службы и к амплитуде: увеличение или снижение вольтажа лишь на 5% приводит к резкому старению изделия.

Для рядовых потребителей представляют интерес лампы с улучшенной цветопередачей. Соответствующий коэффициент изделий достигает 83, что признано прекрасным показателем. К примеру, для светодиодных лампочек типичными значениями считаются 70 и более. Последние массово применяются в быту, мало отыщется желающих на такие параметры жаловаться. А учитывая экономичность натриевых лампочек, полагаем, приборы станут достойным конкурентом для прочих семейств осветительных приборов.

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 высокого 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.

Установлено, что максимум светоотдачи отмечается при давлениях 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 0,1 – 0,5 А на квадратный сантиметр. Наиболее благоприятные условия для излучения света достигаются при температурах жидкой фазы в интервале 270 – 300 градусов Цельсия (температура цоколя, по крайней мере, вдвое ниже). Лампы, работающие при давлении 0,2 Па, эффективнее.

Второй экстремум достигается при дальнейшем нагреве паров. При температурах 650 – 750 градусов Цельсия. Натриевые лампы повышенного давления долго не удавалось создать. Сложность заключалась в отсутствии подходящего материала для колбы. Лишь алюминиевая керамика сумела выдержать натиск агрессивной среды при температурах выше 1000 градусов (1300 – 1400 градусов Цельсия). Искусственные материалы дали человечеству немало, о чем косвенно упоминалось в обзоре по теме Электрических цепей.

Натриевые лампы низкого давления

Лампы низкого давления чрезвычайно эффективны. Указанные выше длины волн становятся доминирующими, но далеко не единственными в спектре свечения. У ламп низкого давления большинство линий лежит в области чувствительности глаза. Это значит, свет максимально ярок. Иными словами лампы низкого давления обладают 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. Цифра считается хорошим показателем энергосбережения. Хотя световая отдача, нетрудно догадаться, составляет «лишь» 92 лм/Вт. Становится понятно, сколь эффективны натриевые лампы низкого давления, изобретённые давно, 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 тока до оптимального. Как результат, КПД реальных изделий, выпущенных для массовой продажи, не достигает указанных выше границ. Но остаётся повышенным, чтобы натриевые лампочки назвали энергосберегающими.

Теплоизоляцию иногда дополняют и иными мерами. Отражающая рубашка из полупроводниковых материалов пропускает наружу полезное излучение жёлтого цвета, но отражает внутрь инфракрасное. Температура внутри дополнительно повышается. Но конструкция натриевой лампы сложнее.

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

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 находится в пределах от 4 до 14 кПа. Несложно заметить, что, согласно общей классификации разрядных ламп, указанный диапазон относится к низкому давлению.Для натриевых ламп выше 14 кПа указанный параметр не поднимается. Диапазон 4 – 14 кПа выносится в разряд сильного давления.

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

В спектре натриевых ламп повышенного давления, помимо D линий, отмечается 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) возможно повысить увеличением парциального давления паров натрия и диаметра колбы. Одновременно почти вдвое снижается световая отдача, уменьшается срок службы. Происходит повышение цветовой температуры. Ввиду описанных выше негативных результатов на такие меры идут редко.

В качестве материала колбы используется алюминиевая керамика. Обычное силикатное стекло непригодно, пары натрия под действием немалой температуры вступают тогда в химическую реакцию. Образуемые соединения устойчивы, и колба ощутимо чернеет уже через несколько минут после начала работы изделия. Изменения необратимы, под действием сильного давления присутствует вероятность полного разрушения стекла.

Поликристаллическая керамика и трубчатый монокристалл при толщинах стенки от 0,5 до 1 мм одинаково устойчивы к действию агрессивной среды до температуры 1600 К, с некоторым запасом относительно оптимальной точки. Керамика обнаруживает достойный коэффициент пропускания излучения в видимом диапазоне, занимающий 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 указанные агрессивные условия). Столь изощрённый по составу сплав выбран неспроста. Конструкторы изыскали материал, коэффициент теплового расширения которого близок к керамике. В результате удаётся избежать деформаций на стыках и швах. Та же идея используется в металлических оконных рамах. Известно, что коэффициент теплового расширения алюминия близок к значениям стекла.

Натриевым лампам повышенного давления присуща инерционность. При первом зажигании свет жёлтый и монохроматический. Постепенно изделие выходит на режим с одновременным расширением излучаемого спектра. Для повторного розжига дуги газ остывает, отнимая 2-3 мин. Чтобы не превысить рабочих температур, требуется исключить отражение излучения на колбу. В противном случае натриевая лампа выходит из строя от перегрева.