История создания, конструкция и рабочие параметры НЛВД
10.08.2009
Историческая справка
Газоразрядные лампы, в которых разрядной средой служат пары натрия, начали применять еще в 30-х годах прошлого века. Эти лампы были рассчитаны на работу при низком давлении паров натрия. Они обладали недостаточной передачей цветового спектра, поскольку излучали желтый монохромный свет. Поэтому первоначальное применение таких ламп ограничивалось освещением автострад и дорог с интенсивным движением транспорта, где пешеходы отсутствуют.
Дальнейшее исследование свойств таких ламп, проведенные в лабораторных условиях, показали, что передачу цветного спектра натриевых ламп можно значительно улучшить, если внутри лампы поддерживать давление порядка 104 Ра. При таком давлении разряд в парах натрия приводит к некоторому снижению эффективности освещения (она падает до 130 лм/Вт), но при этом спектральное излучение передаёт цвет освещаемых предметов намного лучше.
Однако, воплотить результаты лабораторных исследований в реальное производство натриевых ламп высокого давления долго не удавалось, поскольку в эмиттере – самой холодной точке излучающей трубки – требуемое увеличение давление паров натрия достигалось лишь при температуре около 700 °С. Известные в то время материалы, в том числе и кварцевое стекло, не выдерживало химически агрессивного воздействия паров натрия при такой высокой температуре. И только в 1957 году была создана осветительная керамика из поликристаллической окиси алюминия со специальными магнитными добавками. Первыми этим know-how воспользовалась американская компания General Electric.
В результате получили соединение между керамической трубкой и металлическими проводниками методом сплющивания нагретого материала, который ранее применялся в технологии изготовления кварцевых эмиттеров ртутных ламп. Тем самым был открыт путь к освоению выпуска натриевых ламп высокого давления (НЛВД).
Конструкция лампы и эмиттера (излучателя)
В натриевой лампе эмиттер размещают в трубчатой стеклянной замкнутой колбе, в которой создаётся вакуум. Для поддерживания в лампе необходимого вакуума на шейку колбы наносят газопоглотитель (геттер) – бариевый или циркониевый (последний выполняется в форме лепешки). В лампах большой мощности (600 и 1000 W) колбу, обычно прозрачную или покрытую двуокисью кремния, изготовляют из стекла твердого типа – вольфрамо-бариево-кремниевого, а в лампах небольшой мощности (250 и 400 W) – из стекла мягкого типа – натриево-известкового.
Лампа крепиться к металлическому винтообразному цоколю Е40 механически или с помощью специального клея, устойчивого к действию высокой температуры. Эмиттер внутри стеклянной колбы закреплен с помощью опорной конструкции, изготовленной из сверхтвердых металлических прутов и полосок.
В современных НЛВД применяются следующие конструкции эмиттеров:
- с насосной трубкой. Эта конструкция до сих пор применяется только одним из главных производителей ламп 
- без насосной трубки. Такая конструкция эмиттера в настоящее время применяется практически повсеместно.
В эмиттерах с насосной трубкой, последняя изготовляется керамической – из поликристаллической окиси алюминия. В отличие от других керамических материалов поверхность этого материала непористая, очень плотная, и поэтому она хорошо просвечивается (показатель пропускания излучения достигает 93-95%). Керамическая трубка эмиттера заканчивается расширением в форме отводящих монолитных пробок, в которых размещаются проводники тока, проходящие через ниобиевые каналы. Ниобий является единственным из известных металлов, у которого коэффициент линейного расширения близок к коэффициенту расширения керамики из глинозема. Именно поэтому ниобий хорошо подходит к данной технологии. К концам ниобиевых каналов, закрытых с внутренней стороны эмиттера, прикреплены надетые на пруты спиральные вольфрамовые электроды. Между витками спирали находится спекшееся излучающее вещество – эмиттер, изготовленный из вольфрамо-бариево-кремниевой смеси, либо бариево-стронциевой, либо бариево-натриевой.
Разряд в эмиттере возникает между концами электродов. В самом эмиттере натрий и ртуть содержаться в виде амальгамы; а в качестве заполняющего газа обычно применяется ксенон (изредка используется так называемая смесь Пенинга – неон-аргон). Натрий играет решающую роль в достижении требуемого качества излучения ламп, в то время как ксенону (неон-аргону) отводится скромная роль так называемого буферного газа. Этот газ повышает напряжение в лампе до значения, обеспечивающего ее нормальную работу совместно со стабилизатором, уравновешивающим разряд.
Крепление вольфрамового электрода к закрытому концу ниобиевой трубки выполняется сваркой при помощи лазерного луча. Такая конструкция обеспечивает полную герметизацию эмиттера в этой точке. Неплотные места соединения между ниобиевыми каналами проводников тока и пробками керамической трубки заполняются специальным стеклом, которое после нагревания до температуры 1350 °С герметизирует места соединения.
Работа лампы
Вспышка разряда в НЛВД происходит в поджигающем газе, образующем основную газовую среду, которая в холодной лампе заполняет эмиттер. Перед началом разряда натрий находится в своем обычном состоянии. При этом упругость паров натрия в холодном эмиттере практически не влияет на давление в поджигающем газе.
Начальный разряд в поджигающем газе приводит к нагреву эмиттера, что вызывает испарение натрия. По мере возрастания давления паров этого металла существенно повышается его роль в процессе разряда. Поскольку натрия в эмиттере имеется с избытком, в стабильном состоянии, т.е. в состоянии термодинамического равновесия, определённое количество этого вещества продолжает оставаться неиспарившимся. Разряд в лампе происходит в насыщенных парах. При этом избыток жидкой амагальмы накапливается в самом холодном месте эмиттера, расположенном на одном из его концов.
Температура этого места эмиттера обусловливает давление паров натрия в эмиттере и фактически свойства разряда. Сразу же после разряда лампа для электрической цепи является практически коротко-замкнутой, а протекающий через нее ток ограничивается только индукционным стабилизатором (дросселем). В этот момент напряжение на лампе небольшое. Однако по мере быстрого нагревания эмиттера и возрастания роли паров натрия, что приводит к разряду уже примерно через 4-5 минут, наблюдается значительный рост светового потока, снижение протекающего через лампу тока и рост напряжения на лампе.
Вспомогательные системы
НЛВД, собственно, как и другие разрядные источники света, не могут подключаться к электрической сети непосредственно. Для их запуска необходимо применять последовательно включенный индукционный стабилизатор (дроссель), ограничивающий ток разряда.
Разряд в наполняющем эмиттер поджигающем газе наступает только при наличии импульса напряжения между его электродами, который в зависимости от типа и мощности лампы должен быть от 2,5 до 5 кВ. Для генерирования импульсов такой величины применяются электронные системы зажигания – игниторы (ИЗУ или БЗУ), обеспечивающие повышенную энергию разряда. На практике зажигание большинства НЛВД обеспечивают импульсы напряжения, имеющие следующие характеристики:
- максимальная величина импульса – 2,5-5 кВ;
- длительность пучка импульсов – 1-2 мкс;
- минимальное количество импульсов – 4.
Выпускаются два основных вида игниторов:
- небольшие по габаритам, легкие, неэнергоемкие параллельные стартеры, которые образуют импульс зажигания в пусковом трансформаторе, подключенном параллельно лампе (БЗУ);
- последовательные стартеры, в которых пусковой трансформатор подключается последовательно с лампой и индивидуальным стабилизатором (ИЗУ). Применение таких стартеров позволяет избежать воздействия на дроссель импульсов высокого напряжения.
Оба вида игниторов устанавливают в ОС, в которой через определенное время после подачи питающего напряжения (примерно через 10 минут) генерирование импульсов зажигания прекращается. Генерирование импульсов зажигания в течении 10 минут достаточно для запуска горячей лампы, кратковременно отключенной от сети; последующие зажигания возможны уже через несколько десятков секунд.
Интересно
Чем больше мощность лампы, тем сильнее увеличиваются размеры дросселя и (иногда) игнитора.
Цветопередача НЛВД
Натриевые лампы высокого давления излучают свет, который позволяет различать цвета практически во всем диапазоне спектра, за исключением коротковолнового. В коротковолновом диапазоне, включающем фиолетовый, синий и зеленый цвета, цвет может незначительно изменяться (тускнеть). Общий показатель передачи цвета Ra для этих источников освещения составляет 20-25 при низкой температуре излучения (на уровне 2000-2050 К).
По световой отдаче НЛВД не уступают лампам низкого давления. Однако по сравнению с другими источниками искусственного света они имеют самый высокий энергетический КПД, достигающий 30%. Спектральный анализ света, испускаемого НЛВД, показал, что наибольшее излучение приходится на волны длиной 550-640 нм, максимально приближенные к восприятию человеческим глазом. Это обусловлено тем, что светоотдача основных типов НЛВД, в зависимости от их мощности, находится в пределах 125-150 лм/Вт.
Как было сказано выше, работа НЛВД в установившемся режиме проходит в насыщенных парах, а в эмиттере остается некоторое количество неиспарившегося натрия. Этим НЛВД и отличаются от ртутных ламп, в которых ртуть испаряется полностью, образуя ненасыщенные пары. В результате напряжение ртутной лампы изменяется незначительно при изменении напряжения, прикладываемого к лампе.
У НЛВД изменение питающего напряжения приводит к значительному изменению напряжения работы лампы, а также к изменению других ее параметров. Поэтому большинство производителей рекомендует эксплуатировать НЛВД при сравнительно небольших изменениях питающего напряжения (не больее чем +/- 5%-10% от номинального значения).
Разновидности НЛВД
1. Стандартные НЛВД. Выпускаются в широком диапазоне мощностей: 50, 100, 150, 250, 400, 600, 750 и 1000 Вт.
2. НЛВД со смесью Пенинга. Лампы этого типа отличаются от стандартных тем, что в эмиттере в качестве поджигающего газа используется смесь неона-аргона (смесь Пенинга). Применение этой смеси газов приводит к тому, что напряжение зажигания лампы значительно понижается (примерно до 250 Вт), т.е. понижается до напряжения, лишь немного превышающее напряжение питания лампы. К сожалению, применение смеси Пенинга снижает световую отдачу лампы до уровня 75-120 лм/Вт, в зависимости от мощности лампы.
3. Следующей разновидностью НЛВД являются лампы Philips MASTER SON-T PIA (Agro) и (Green Power) мощностью 400 и 600 Вт с повышенным световым потоком, достигаемым за счет повышения давления поджигающего газа – ксенона, заполняющего эмиттер. Эти лампы имеют наивысшую световую отдачу, доходящую до 150 лм/Вт. Увеличение давления ксенона потребовало повысить напряжение зажигания ламп, что достигается применением электронных игниторов нового поколения. При этом игнитор должен находится не более, чем в полуметре от патрона Е40, куда вкручивается цоколь лампы.
< Последние статьи
< Рубрика «Освещение»
