Андрей Смирнов
Время чтения: ~15 мин.
Просмотров: 0

Натриевые лампы

Натриевая лампа высокого давления

В люминесцентных лампах видимый свет создают пары ртути. Но известна способность и других металлов, разогретых до высокой температуры, создавать излучение в видимой части спектра. В отличие от ртути, для этого их нужно нагреть до высокой температуры, которую не выдерживают ни силикатные, ни кварцевые стекла. К тому же, пары металлов, попадая на стекло, разрушают его структуру.

Проблема создания таких ламп решилась с изобретением материалов, способных не только выдержать требуемую температуру и давление паров внутри, но и пропускать наружу видимый свет. Это – керамика, названная за границей «лукалос », а в России – «поликор ». Изготавливается она из порошковой окиси алюминия, сформированной и запеченной в виде трубки. Внутри нее находятся:

  • пары натрия с давлением 4-14 кПа – металл, создающий свечение лампы;
  • пары ртути, выполняющие роль буферного газа;
  • инертный газ ксенон, участвующий в розжиге лампы и снижающий тепловые потери.

Натриевые лампы высокого и низкого давления

Натриевая лампа (НЛ) – это источник света, в котором рабочим веществом, генерирующим свет, являются пары натрия (Na), щелочного металла, вещества с атомным номером 11 в таблице Д. И. Менделеева. Излучение возникает в результате газового разряда, который получают, применяя высокое напряжение к электродам. При достижении напряжения пробоя возникает поток электронов, передающих энергию атомам натрия. Полученная энергия генерирует переходы между спектральными уровнями атома, которые излучают кванты в видимой части спектра (оранжево-желтого цвета, D-линии с длинами волн 589 нм и 589,6 нм). Получаемое излучение можно считать почти монохроматическим.

Основное отличие этого класса газоразрядных ламп от люминесцентных, также использующих пары металла (ртути), состоит в том, что источником света являются непосредственно атомы металла, а не опосредованный механизм возбуждения переходов в атомах люминофора за счет люминесценции. Натриевые светильники имеют ряд неоспоримых достоинств, позволяющих им конкурировать на рынке светотехники.

Типы натриевых ламп

В зависимости от рабочего значения давления паров натрия, выпускаются лампы двух видов источников света: натриевые лампы низкого давления (НЛНД) и натриевые лампы высокого давления (НЛВД). Первоначально был освоен выпуск НЛНД. В 30-х годах прошлого столетия эти лампы стали широко применяться в Европе.

Излучение этой лампы считается самым комфортным по воздействию на зрение человека, поскольку свечение наиболее близко к натуральному освещению. Рабочее давление в НЛНД составляет 0,2 Па и достигается при температуре жидкой фазы натрия 270–300 °С. При этих значениях генерируется излучение с длиной волны 589 нм (первый максимум D-линии). Внутренняя колба лампы изготавливается из боросиликатного стекла, устойчивого к агрессивному воздействию паров натрия.

Максимальная светоотдача получается при давлении паров натрия порядка 10 кПа и температурах 650–750 °С. Такие значения обеспечивают работу лампы высокого давления (НЛВД). При этом основной вклад в световой поток дает D-линия с длиной волны 589,6 нм. Помимо натрия добавляются пары ртути (амальгама натрия) и инертный газ ксенон (Xe), что позволяет снизить напряжение розжига до 2–4 кВ. Производятся также НЛВД без добавления ртути, обеспечивающие требования экологической безопасности.

Несмотря на то, что принцип работы лампы был понятен, производство НЛВД началось гораздо позже, в 60-х годах 20-го века. Только после разработки технологии получения специального светопропускающего материала для газоразрядной трубки, способного сохранять работоспособность при воздействии паров натрия и 1 300–1 400 °С, удалось наладить широкомасштабный выпуск НЛВД. В качестве материала, имеющего вышеуказанные свойства, послужила поликристаллическая окись алюминия Al2O3.

Трубка из окиси алюминия с размещенными внутри нее токовводами располагается внутри дополнительной, защитной колбы из стекла с повышенной термостойкостью. Внутренность защитной колбы откачивается (вакуумируется) и подвергается отжигу (дегазируется) для удаления ненужных примесей. Эта процедура обеспечивает рабочий температурный режим лампы и защищает токовые вводы из ниобия от воздействия посторонних примесей. В горелке НЛВД находятся инертный газ или смесь (Ne, Ar) и амальгама натрия (сплав натрия и ртути). Лампы дают оранжевый или желтый свет. Цветопередача этих ламп лучше, чем у НЛНД при меньшей светоотдаче (до 150 лм/Вт).

Как располагать натриевые лампы

В зависимости от условий растениям требуется различное расположение ламп для освещения.

Если это комнатные растения, расположенные на подоконнике, то им требуется не полное освещенность, а досвечивание. В течение дня их освещает солнце, а искусственная подсветка требуется только в пасмурные дни и в ночное время.

Сочетание естественного освещения с досветкой лампами ДНАТ

Существует возможность настройки реле для автоматического включения и выключения света в назначенное время. Это очень удобно, так как растениям требуется регулярное освещение, чтобы не сбивались их биологические часы. Если же подсвечивать нечасто и непостоянно, то это пагубно скажется на их здоровье. Оптимальным будет освещение в течение 6-8 ночных часов в солнечные, и до 10-12 часов в пасмурные дни.

Источник света лучше всего располагать сбоку от растений либо прямо над ними. Если располагать лампы сбоку, то рекомендуется использовать отражатели из фольги, которые направят световую энергию прямо на растения, позволяя избежать световых потерь. При расположении источника света прямо над растениями, нужно оптимально рассчитать расстояние. Слишком высоко размещать лампы не стоит – свет будет рассеянным, и позитивный эффект от этого нивелируется. Обычно лампы располагают на расстоянии 20-30 см от верхней части растений.

В условиях зимнего сада и теплицы источники освещения обычно располагаются так: в центре под куполом располагается мощный источник света из стандартных натриевых ламп. Оптимальное расстояние – около метра над вершинами растений. В теплице сохраняет достаточно тепла, так что необходимости обогревать растения не возникает. А вот для процесса фотосинтеза свет крайне необходим. Подробнее о выборе и расположении светильников в теплице читайте тут.

Лампы ДНАТ для зимнего сада

Для подсветки труднодоступных областей следует использовать светильники поменьше. Располагать их можно на любом расстоянии, которое покажется оптимальным, вплоть до монтирования источников света в грунт. Можно использовать отражатели, чтобы одним светильником можно было направить световую энергию в разные места теплицы или сада.

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

Неисправности натриевых ламп

Срок службы натриевых ламп ограничен, как и у любых других. Первым признаком, что лампу пора сменить, является ее мигание. Светильник внезапно гаснет, затем, после остывания, запускается вновь. И так происходит постоянно.

Следующий этап старения – лампа не разгорается. В некоторых случаях она даже светит ярко-белым светом, постоянно погасая и загораясь вновь.

Остальные неисправности связаны с выходом из строя пускорегулирующей аппаратуры. дросселя, ИЗУ, конденсатора фильтра, патрона или соединительных проводов. Порядок поиска неисправности следующий:

  • замена лампы на заведомо исправную;
  • если это не помогло – вскрытие светильника и осмотр его содержимого на предмет оплавленных элементов и соединительных проводов, проверка крепления проводов в контактах продергиванием, оценка состояния патрона;
  • проверка наличия напряжения на входе ПРА и за дросселем. Проверяется не сразу после подачи напряжения, а с задержкой, необходимой для срабатывания ИЗУ (если оно работает), чтобы не спалить мультиметр;
  • замена ИЗУ на исправное.

Применение натриевых ламп

Больше всего натриевые лампы применяются для уличного и паркового освещения, подсветки фасадов зданий, освещения автомагистралей. Из этой ниши их постепенно вытесняют светодиодные светильники, но процесс этот завершится еще не скоро.

Максимально пригодны натриевые лампы для работы в теплицах. Желтый свет – это то, что нужно растениям для эффективного роста.

Оцените качество статьи

Нам важно ваше мнение:

В прошлых статьях вы не раз слышали про натриевые лампы высокого давления, которые сменили ртутные лампы. В последнее время для уличного освещения применяются три типа прожекторов: с лампами типа ДРЛ (дуговая ртутная лампа), ДНАТ (дуговая натриевая лампа) и светодиодные. Прожекторы с лампами ДРЛ дают белый свет, других оттенков у них нет. Светодиодные уличные прожекторы обычно выпускаются в «холодном белом» варианте, то есть тоже белый цвет. А вот те, что светят почти желтым цветом и есть натриевые.

Изначально, были изобретены натриевые лампы низкого давления, но не нашли широкого применения из-за плохой цветопередачи и сложности технологического процесса. После относительно длительного господства ДРЛ, на смену им пришли натриевые лампы, но уже высокого давления. Преимущества, в основном, заключаются в более длительном сроке работы (по сравнению с лампами накаливания, ДРЛ и другими, за исключением светодиодных) до 28 тысяч часов, меньшей потерей светоотдачи со временем (до 5-10%), более высоким КПД, по сравнению с ДРЛ до 30%, большей светоотдачей, опять же, по сравнению с ДРЛ.

Сферы применения

  • внешняя подсветка больших открытых пространств, улиц, загородных магистралей;
  • освещение туннелей, спортивных сооружений, строительных, контейнерных площадок;
  • освещение вокзалов и аэропортов, где пребывание людей кратковременно;
  • подсветка архитектурных сооружений;
  • освещение складских и производственных помещений, для которых нет необходимости обеспечения высоких показателей по цветопередаче;
  • использование в автомобильных фарах для улучшения видимости в тумане и при снегопаде;
  • НЛВД применяются в растениеводстве для круглогодичного освещения растений, что значительно повышает темпы роста и урожайность.

В продаже имеются лампы мощностью от 75 до 1 000 Вт. Для растениеводства достаточно ламп от 75 до 400 Вт. При большей мощности будет происходить перегрев листьев. Конструкция светильников для ламп ДНаТ должна обеспечивать защиту от загрязнения и попадания воды. Для предотвращения перегрева лампы необходимо предусмотреть возможность свободной циркуляция воздуха для отвода тепла. Следует отметить, что на эффективность системы освещения влияет правильно подобранный рефлектор (отражатель). Наилучшие показатели КПД по отражению у светильников, отражающая поверхность которых имеет форму параболы.

Выпуску дуговых ламп для целей растениеводства уделяют серьезное внимание компании-гиганты светотехнического рынка: Osram, Sylvania, Philips. Их изделия адаптированы для растениеводческих целей, они обеспечивают оптимальные спектральные характеристики и повышенный (по сравнению с обычными ДНаТ) на 7–10% световой поток

Применение НЛВД особенно эффективно при выращивании таких светолюбивых растений, как томаты и перцы. Достаточно просто подключить лампу ДНаТ, чтобы убедиться в быстром увеличении объема лиственной массы, активном цветении и образовании большого количества плодов и цветов.

Пример использования натриевых ламп в теплицах

Типы натриевых ламп

ДНаТ – дуговая натриевая лампа трубчатая. ДНаС – дуговые натриевые в светорассеивающей колбе. В настоящее время уже не выпускаются. Предназначались для замены ДРЛ. Имели почти похожее строение с лампами ДРЛ, но применялись другие материал. ДНаМТ – дуговые натриевые матированные. Если честно, не знаю, и не задумывался, кому может потребоваться матовое покрытие лампы (именно поэтому еще ни разу не встречал ее в продаже), но существуют и такие. ДНаЗ – зеркальные. О них уже была речь выше. Встречаются редко и в основном больше подходят для аграрной отрасли.

В заключение хочется отметить включение этих ламп. К сожалению, замена лампы ДРЛ на ДНаТ просто поменяв лампу, невозможна. У них разные технологии поджига. Лампу ДНаТ требуется зажигать высоким напряжением (около 6000 вольт), в отличие от ДРЛ, которой хватает обычного сетевого напряжения.

Поэтому для ДНаТ используются специальные импульсные зажигающие устройства (ИЗУ).

Более того, для них желательно иметь балласт с пометкой, что он может использоваться для натриевых ламп. Существуют балласты как для ртутных, ртутных и натриевых и только натриевых ламп. Последние два вида для натриевых ламп подходят, первый нет

Опять же, для ламп ДРЛ не сильно важно, если вы используете более мощный балласт, к примеру на 400 ватт для лампы ДРЛ-250, то для натриевых ламп подобное вызовет сокращение срока службы. Если вы решите собирать схему сами, то учтите, что существует возможность поражения высоким напряжением от ИЗУ

Все провода (в отличие от ДРЛ, где провода от балласта до лампы может достигать 10 метров, а в некоторых случаях и более), кроме питающего схему, не должны превышать одного метра. Натриевые лампы так же, как и ДРЛ, довольно долго выходят на рабочий режим (до 10 минут), хотя процесс запуска «горячей» лампы происходит более быстро, нежели ДРЛ, но натриевую лампу, так же, не рекомендуется часто включать и выключать. Натриевая лампа более чувствительна к напряжению сети. При пониженном напряжении она может выключаться (гаснуть), при повышенном – сокращается срок службы. Ну вот, пожалуй, и хватит для знакомства с очередным изобретением человечества. Удачных вам творений!

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.

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).

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

Пускорегулирующая аппаратура (ПРА) для НЛВД

Для запуска натриевых ламп применяются специальные ПРА, позволяющие зажечь разряд (дугу) в лампе и ограничить лавинообразное нарастание тока, которое может привести к выходу работающей лампы из строя. По аналогии с люминесцентными лампами применяются ПРА двух видов: электромагнитные (ЭмПРА) и электронные (ЭПРА). Кроме этого иногда требуется применение импульсного зажигающего устройства (ИЗУ). Время запуска составляет 3–5 минут, а выход на полную мощность достигается в течение 10 минут. ПРА состоит из:

  • индуктивного дросселя, который служит для ограничения тока электрической дуги;
  • ИЗУ, необходимость которого обусловлена созданием в момент включения напряжения в несколько киловольт для поджига. Это устройство аналогично стартеру в люминесцентных лампах;
  • фазокомпенсирующего конденсатора, позволяющего снизить нагрузку и уменьшить риски перегорания проводки.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации