Натриевая лампа - Sodium-vapor lamp

Натриевая лампа высокого давления

А натриевая лампа это газоразрядная лампа который использует натрий в возбужденном состоянии производить свет на характерной длине волны около 589нм.

Существуют две разновидности таких ламп: низкое давление и высокое давление. Натриевые лампы низкого давления являются высокоэффективными электрическими источниками света, но их желтый свет ограничивает их применение только для наружного освещения, например уличные фонари, где они широко используются.[1] Натриевые лампы высокого давления излучают более широкий спектр света, чем лампы низкого давления, но они все равно хуже цветопередача чем другие типы ламп.[2] Натриевые лампы низкого давления дают только монохромный желтый свет и поэтому подавляют цвет видение ночью.

Развитие

Натриевая дуговая газоразрядная лампа низкого давления была впервые реализована примерно в 1920 году благодаря разработке стекла, способного противостоять коррозионному воздействию паров натрия. Они работали при давлении менее 1 Па и создавали почти монохроматический световой спектр вокруг линий излучения натрия с длиной волны 589,0 и 589,56 нм. Желтый свет, излучаемый ими, ограничивал диапазон приложений теми, где не требовалось цветного зрения.[3]

Исследования натриевых ламп высокого давления проводились как в Великобритании, так и в США. Повышение давления паров натрия расширяет спектр излучения натрия, так что производимый свет имеет больше энергии, излучаемой на длинах волн выше и ниже области 589 нм. Кварцевый материал, используемый в ртутных газоразрядных лампах, подвергся коррозии парами натрия под высоким давлением. Лабораторная демонстрация лампы высокого давления была проведена в 1959 году. Разработка компанией General Electric спеченного оксида алюминия (с добавлением оксида магния для улучшения светопропускания) стала важным шагом в создании коммерческой лампы. К 1962 году этот материал был доступен в виде трубок, но потребовались дополнительные методы для герметизации трубок и добавления необходимых электродов - материал нельзя было сплавить, как кварц. Торцевые крышки дуговой трубки при работе нагреваются до 800 ° C, а затем охлаждают до комнатной температуры, когда лампа выключена, поэтому выводы электродов и уплотнение дуговой трубки должны выдерживать повторяющиеся температурные циклы. Эту проблему решил Майкл Арендаш[4] на заводе GE Nela Park. Первые коммерческие натриевые лампы высокого давления были доступны в 1965 году компаниями в США, Великобритании и Нидерландах; на момент внедрения лампа мощностью 400 Вт будет давать около 100 люмен на ватт.[3][5]

Монокристаллические трубки из искусственного сапфира также производились и использовались для ламп HPS в начале 1970-х годов с небольшим повышением эффективности, но производственные затраты были выше, чем у трубок из поликристаллического оксида алюминия.[3]

Натрий низкого давления

Не зажженная лампа LPS / SOX мощностью 35 Вт
Фазы прогрева лампы LPS. Слабый розовый свет Смесь пеннинга постепенно сменяется ярким монохроматическим оранжевым светом паров металлического натрия.
Работающая лампа LPS / SOX мощностью 35 Вт
Спектр натриевой лампы низкого давления. Интенсивная желтая полоса представляет собой излучение D-линии атомарного натрия, составляющее около 90% излучения видимого света для этого типа ламп.
Два Honda подходит под натриевые лампы низкого давления. Оба кажутся черными, хотя автомобиль слева ярко-красный, а автомобиль справа на самом деле черный.

Натриевые лампы низкого давления (LPS) имеют боросиликатное стекло газоразрядная трубка (дуговая трубка), содержащая твердое натрий и небольшое количество неон и аргон газ в Смесь пеннинга для начала разряда газа. Газоразрядная трубка может быть линейной (лампа SLI)[6] или П-образный. Когда лампа запускается впервые, она излучает тусклый красный / розовый свет, нагревая металлический натрий; в течение нескольких минут, поскольку металлический натрий испаряется излучение становится обычным ярким желтый. Эти лампы производят практически монохромный свет в среднем 589,3 нм длина волны (на самом деле две доминирующие спектральные линии очень близко друг к другу при 589,0 и 589,6 нм). Цвета объектов, освещаемых только этой узкой полосой пропускания, трудно различить.

Лампы LPS имеют внешнюю стеклянную вакуумную оболочку вокруг внутренней газоразрядной трубки для теплоизоляции, что повышает их эффективность. Ранее лампы LPS имели съемный дьюар (лампы SO).[7] Лампы с постоянной вакуумной оболочкой (лампы SOI) были разработаны для улучшения теплоизоляции.[8] Дальнейшее улучшение было достигнуто за счет покрытия стеклянной оболочки инфракрасным отражающий слой оксид индия и олова, в результате получаются лампы SOX.[9]

Лампы LPS - одни из самых эффективные электрические источники света при измерении в фотопикс условия освещения, производящие от 100 до 206 lm /W.[10] Эта высокая эффективность частично объясняется тем, что излучаемый свет имеет длину волны, близкую к максимальной чувствительности человеческого глаза. Они используются в основном для наружного освещения (например, уличные фонари и охранное освещение ), где точная цветопередача не важна. Недавние исследования показывают, что в обычное ночное время мезопический В условиях движения более белый свет может обеспечить лучшие результаты при более низком уровне освещения.[11]

Лампы LPS похожи на люминесцентные лампы в том, что они представляют собой источник света низкой интенсивности с линейной формой лампы. Они не показывают яркой дуги, как Разряд высокой интенсивности (HID) лампы; они излучают более мягкое световое свечение, что снижает блики. В отличие от HID-ламп, натриевые лампы низкого давления при падении напряжения быстро возвращаются к полной яркости. Лампы LPS доступны с мощность мощность от 10 Вт до 180 Вт; Однако более длинные лампы могут вызвать проблемы при проектировании и проектировании.

Современные лампы LPS имеют срок службы около 18 000 часов и не теряют световой поток с возрастом, хотя к концу срока службы они увеличивают потребление энергии примерно на 10%. Это свойство контрастирует с лампами HID на парах ртути, которые тускнеют к концу срока службы до такой степени, что становятся неэффективными при неизменном потреблении электроэнергии.

В 2017 году компания Philips Lighting, последний производитель ламп LPS, объявила о прекращении производства ламп из-за падения спроса.[12] Первоначально производство должно было быть прекращено в течение 2020 года, однако эта дата была перенесена, и последние лампы были произведены на заводе в Гамильтоне в ноябре 2019 года.[13]

Соображения о световом загрязнении

Для мест, где световое загрязнение это соображение, например, рядом астрономические обсерватории или морская черепаха гнездовые пляжи, предпочтителен натрий низкого давления (как раньше в Сан - Хосе и Флагстафф, Аризона ).[14][15] Такие лампы излучают свет только на двух доминирующих спектральных линиях (с другими гораздо более слабыми линиями) и, следовательно, имеют наименьшее спектральное влияние на астрономические наблюдения.[16] (Теперь, когда производство ламп LPS прекращено, рассматривается возможность использования узкополосных светодиодов желтого цвета, которые имеют такой же цветовой спектр, что и LPS.) Желтый цвет натриевых ламп низкого давления также ведет к наименее визуальной свечение неба, в первую очередь из-за Сдвиг Пуркинье адаптированного к темноте человеческого зрения, в результате чего глаз становится относительно нечувствительным к желтому свету, рассеянному при низких уровнях яркости в чистой атмосфере.[17][18] Одним из следствий широкого распространения уличного освещения является то, что в облачные ночи города с достаточным освещением освещаются светом, отраженным от облаков. Там, где натриевые огни являются источником городского освещения, ночное небо окрашено в оранжевый цвет.

Фильм спецэффекты

Процесс паров натрия (иногда называемый желтым экраном) - это пленочная технология, основанная на узкополосных характеристиках лампы LPS. Цветная негативная пленка обычно нечувствительна к желтому свету от лампы LPS, но специальная черно-белая пленка может его записать. С помощью специальной камеры сцены записываются одновременно на две катушки, одна с актерами (или другими объектами переднего плана), а другая становится маской для последующего комбинирования с разными объектами. задний план. Первоначально этот метод давал результаты, превосходящие технологию голубого экрана, и использовался в период с 1956 по 1990 год, в основном Студия Диснея. Известные примеры фильмов, использующих эту технику, включают: Альфред Хичкок с Птицы и фильмы Диснея Мэри Поппинс и Ручки и метлы. Более поздние достижения в области технологий синих и зеленых экранов и компьютерных изображений закрыли этот пробел, сделав SVP экономически непрактичным.[19]

Натрий высокого давления

Натриевая лампа высокого давления в работе
Спектр натриевой лампы высокого давления. Желто-красная полоса слева - эмиссия атомарной D-линии натрия; бирюзовая линия - это линия натрия, которая в остальном довольно слаба при разряде низкого давления, но становится интенсивной при разряде высокого давления. Большинство других зеленых, синих и фиолетовых линий связано с ртутью.
Диаграмма, показывающая спектральный выход типичной натриевой лампы высокого давления (HPS).
Офисное здание освещено натриевыми лампами высокого давления.
Офисное здание освещено натриевыми лампами высокого давления.
Натриевая лампа высокого давления Philips SON-T Master 600 Вт

Натриевые лампы высокого давления (HPS) широко используются в промышленном освещении, особенно на крупных производственных предприятиях, и обычно используются в качестве Растения выращивают огни. Они содержат Меркурий.[20] Они также широко используются для наружного освещения, например, на проезжей части, на стоянках и в зонах безопасности. Понимание изменения чувствительности цветового зрения человека от фотопикс к мезопический и скотопический важен для правильного планирования при проектировании освещения проезжей части.[11]

Натриевые лампы высокого давления достаточно эффективны - около 100 люмен на ватт при измерении на фотопикс условия 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 делают из полупрозрачных оксид алюминия. Эта конструкция привела к Компания General Electric использовать торговую марку Lucalox для своей линии натриевых ламп высокого давления.

Ксенон при низком давлении используется как «стартовый газ» в лампе HPS. У него самый низкий теплопроводность и самый низкий потенциал ионизации всех стабильных благородные газы. Как благородный газ, он не мешает химическим реакциям, протекающим в операционной лампе. Низкая теплопроводность сводит к минимуму тепловые потери в лампе в рабочем состоянии, а низкий потенциал ионизации вызывает напряжение пробоя относительно низкого уровня газа в холодном состоянии, что позволяет легко запустить лампу.

"Белый" СЫН

Вариант натриевой лампы высокого давления, представленный в 1986 году, White SON имеет более высокое давление, чем типичная лампа HPS / SON, производя цветовая температура около 2700 кельвинов с индекс цветопередачи (CRI) около 85, что очень похоже на цвет лампы накаливания.[21] Эти лампы часто используются в помещениях в кафе и ресторанах для эстетического эффекта. Однако белые лампы SON имеют более высокую стоимость, более короткий срок службы и более низкую светоотдачу, поэтому в настоящее время они не могут конкурировать с HPS.

Теория Операции

Схема натриевой лампы высокого давления.

An амальгама металлического натрия а ртуть находится в самой холодной части лампы и обеспечивает пары натрия и ртути, необходимые для возникновения 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 больше энергии, пока не будет достигнут рабочий уровень мощности. Для заданного напряжения обычно существует три режима работы:

  1. Лампа погасла, ток не течет.
  2. Лампа работает с жидкой амальгамой в трубке.
  3. Лампа работает, вся амальгама испарилась.

Первое и последнее состояния стабильны, потому что сопротивление лампы слабо связано с напряжением, но второе состояние нестабильно. Любое аномальное увеличение тока вызовет увеличение мощности, что вызовет повышение температуры амальгамы, что вызовет уменьшение сопротивления, что вызовет дальнейшее увеличение тока. Это создаст эффект разгона, и лампа перейдет в сильноточное состояние (№3). Поскольку настоящие лампы не рассчитаны на такую ​​большую мощность, это может привести к катастрофическому отказу. Точно так же аномальное падение тока приведет к гашению лампы. Это второе состояние, которое является желаемым рабочим состоянием лампы, потому что медленная потеря амальгамы с течением времени из резервуара будет иметь меньшее влияние на характеристики лампы, чем полностью испарившаяся амальгама. В результате средний срок службы лампы превышает 20 000 часов.

На практике лампа питается от источника переменного напряжения последовательно с индуктивным "балласт «чтобы подавать на лампу почти постоянный ток, а не постоянное напряжение, что обеспечивает стабильную работу. Балласт обычно индуктивный, а не просто резистивный, чтобы минимизировать потери энергии из-за потерь сопротивления. Поскольку лампа эффективно гаснет при каждом нуле -точная точка в цикле переменного тока, индуктивный балласт помогает в повторном зажигании, обеспечивая скачок напряжения в точке нулевого тока.

Свет от лампы состоит из атомные эмиссионные линии ртути и натрия, но преобладает эмиссия D-линии натрия. Эта линия чрезвычайно давление (резонанс) расширено а также самообращенный из-за поглощения в более холодных внешних слоях дуги, что дает лампе улучшенный цветопередача характеристики. Кроме того, красное крыло излучения D-линии дополнительно расширяется давлением за счет Силы Ван-дер-Ваальса от атомов ртути в дуге.

Конец жизни

Уличный светильник на парах натрия
Крупным планом после наступления темноты

По истечении срока службы натриевые лампы высокого давления (HPS) демонстрируют явление, известное как кататься на велосипедеиз-за потери натрия в дуге. Натрий является высокореактивным элементом и теряется при реакции с оксидом алюминия в дуговой трубке. В продукты находятся оксид натрия и алюминий:

6 Na + Al2О3 → 3 Na2O + 2 Al

В результате эти лампы могут запускаться при относительно низком напряжении, но, поскольку они нагреваются во время работы, внутреннее давление газа в дуговой трубке повышается, и для поддержания напряжения требуется все больше и больше напряжения. дуговая разрядка. По мере того как лампа стареет, 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 гаснет, лампа снова остывает, давление газа в дуговой трубке снижается, и балласт может снова вызвать зажигание дуги. В результате лампа некоторое время светится, а затем гаснет, обычно начиная с чистого или голубовато-белого цвета, затем переходя к красно-оранжевому перед тем, как погаснуть.

Более сложные конструкции балласта обнаруживают цикличность и отказываются от попыток запустить лампу после нескольких циклов, поскольку повторяющиеся высоковольтные зажигания, необходимые для перезапуска дуги, сокращают срок службы балласта. При отключении и повторном включении питания балласт сделает новую серию попыток запуска.

Выход из строя лампы LPS не приводит к зацикливанию; скорее, лампа просто не загорится или будет поддерживать тускло-красное свечение на этапе запуска. В другом режиме отказа из-за крошечного прокола дуговой трубки часть паров натрия попадает во внешнюю вакуумную лампу. Натрий конденсируется и образует зеркало на внешнем стекле, частично закрывая дуговую трубку. Лампа часто продолжает работать в обычном режиме, но большая часть излучаемого света закрывается натриевым покрытием, не обеспечивая освещения.

Коды балласта ANSI HPS

Выходная мощностьКоды ANSI
35 ВтS76
50 ВтS68
70 ВтS62
100 ВтS54
150 ВтS55 (55 В) или S56 (100 В)
200 ВтS66
250 ВтS50
310 ВтS67
400 ВтS51
600 ВтS106
750 ВтS111
1000 ВтS52

Смотрите также

Заметки

  1. ^ Департамент общественных работ (1980 г.). Сан-Хосе: исследование и отчет о натриевом освещении низкого давления. Сан - Хосе: Город Сан-Хосе. п. 8.
  2. ^ Лугинбуль, Кристиан Б. «Вопросы и ответы по натрию при низком давлении». Флагстафф, Аризона: Военно-морская обсерватория США. Получено 2013-12-05.
  3. ^ а б c Раймонд Кейн, Хайнц Селл, Революция в лампах: хроника 50 лет прогресса, второе издание, Fairmont Press, 2001. pp. 238-241.
  4. ^ Патент США US3737717A, Арендаш, Майкл, "Лампа высокой интенсивности, содержащая предохранитель термического короткого замыкания", опубликованный 13 марта 1972 г., выданный 05 июня 1973 г., переуступлен General Electric Co.
  5. ^ Дж. Дж. Де Гроот, Дж. А. Дж. М. ван Влит, Натриевая лампа высокого давления, Международное высшее образование Macmillan, 1986, ISBN  1349091960. С. 13-17.
  6. ^ "SLI / H Натрий". Lamptech.co.uk. Получено 2012-03-03.
  7. ^ "SO / H Натрий". Lamptech.co.uk. Получено 2012-03-03.
  8. ^ "SOI / H Натрий". Lamptech.co.uk. Получено 2012-03-03.
  9. ^ «SOX Натрий». Lamptech.co.uk. Получено 2012-03-03.
  10. ^ "Рекламный проспект натриевой лампы низкого давления Philips MASTER SOX-E 131W BY22d 1SL / 6".[мертвая ссылка ]
  11. ^ а б «Окончательный отчет о демонстрации и оценке мезоптического уличного освещения» (PDF). Центр исследований освещения, Политехнический институт Ренсселера. 31 января 2008 г.. Получено 2011-08-29. (Сравнение с лампами HPS и MH)
  12. ^ "ПОДВЕРГАЙТЕСЬ! ЛАМПОЧКИ НАТРИЯ SOX НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ PHILIPS СОЗДАЮТ ПУТЬ DODO". 28 сентября 2017.
  13. ^ «Конец эпохи, когда оставшиеся 70 рабочих мест на бывшем заводе Philips должны быть сокращены». 11 июля 2019.
  14. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-05-15. Получено 2012-10-14.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт)
  15. ^ «Кодекс освещения Флагстаффа» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 13 сентября 2014 г.. Получено 14 апреля 2014.
  16. ^ Лугинбуль, К. Б. (12–16 июля 1999 г.), «Почему астрономии необходимо натриевое освещение низкого давления», в Р. Дж. Коэне; В. Т. Салливан (ред.), Почему астрономии необходимо натриевое освещение низкого давления, Сохранение астрономического неба, Труды симпозиума МАС 196, 196, Вена, Австрия: Международный астрономический союз (опубликовано в 2001 г.), стр. 81, Bibcode:2001IAUS..196 ... 81л
  17. ^ Luginbuhl, C.B .; Boley, P. A .; Дэвис, Д. Р. (май 2014 г.). «Влияние распределения спектральной мощности источника света на свечение неба». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения. 139: 21–26. Bibcode:2014JQSRT.139 ... 21L. Дои:10.1016 / j.jqsrt.2013.12.004.
  18. ^ Aubé, M .; Роби, Дж .; Коцифай, М. (5 июля 2013 г.). «Оценка потенциального спектрального воздействия различных искусственных источников света на подавление мелатонина, фотосинтез и видимость звезд». PLoS ONE. 8 (7): e67798. Bibcode:2013 ПРИЛОЖЕНИЕ ... 867798A. Дои:10.1371 / journal.pone.0067798. ЧВК  3702543. PMID  23861808.
  19. ^ Гесс, Джон П. (6 января 2017 г.). «Желтый экран и месть синего экрана». Кинематографист IQ. Получено 2019-09-08.
  20. ^ http://www.lightingassociates.org/i/u/2127806/f/tech_sheets/high_pressure_sodium_lamps.pdf
  21. ^ "Philips SDW-T Натрий белый высокого давления SON". WebExhibits. Получено 2007-09-24.

использованная литература