Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с натриевой лампы )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Натриевый уличный фонарь высокого давления в Торонто
Натриевая лампа высокого давления

Пары натрия лампа является газоразрядной лампой , которая использует натрий в возбужденном состоянии для получения света при характерной длине волны около 589  нм .

Существуют две разновидности таких ламп: низкого давления и высокого давления . Натриевые лампы низкого давления являются высокоэффективными электрическими источниками света, но их желтый свет ограничивает их применение только для наружного освещения, например, уличных фонарей , где они широко используются. [1] Натриевые лампы высокого давления излучают более широкий спектр света, чем лампы низкого давления, но они все равно имеют худшую цветопередачу, чем другие типы ламп. [2] Натриевые лампы низкого давления излучают только монохроматический желтый свет и поэтому препятствуют цветовому зрению в ночное время .

Развитие [ править ]

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 эмиссионных линий натрия на длинах волн 589,0 и 589,56 нанометров. Желтый свет, излучаемый ими, ограничивал диапазон приложений теми, в которых цветное зрение не требовалось. [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 General Electric материала из спеченного оксида алюминия (с добавлением оксида магния для улучшения светопропускания) была 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 при выключении лампы, поэтому концевые заделки 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; при внедрении 400-ваттная лампа 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 [ править ]

Не зажженная лампа LPS / SOX мощностью 35 Вт
Фазы прогрева лампы LPS. Слабый розовый свет смеси 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.
Две Honda подходят 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 газоразрядную трубку (дуговую трубку) из боросиликатного стекла, содержащую твердый натрий и небольшое количество газообразного неона и аргона в смеси Пеннинга для запуска газового разряда. Газоразрядная трубка может быть линейной (лампа SLI) [6] или U-образной. Когда лампа запускается в первый раз, она излучает тусклый красный / розовый свет, нагревая металлический натрий; в течение нескольких минут, когда металлический натрий испаряется , излучение становится ярко- желтым . Эти лампы излучают практически монохроматический свет со средней длиной волны 589,3 нм.длина волны (на самом деле две доминирующие спектральные линии очень близко друг к другу на 589,0 и 589,6 нм). Цвета объектов, освещенных 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 ЛПС имели съемный дьюар (лампы СО). [7] Лампы с постоянной вакуумной оболочкой (лампы SOI) были разработаны для улучшения теплоизоляции. [8] Дальнейшее улучшение было достигнуто за счет покрытия стеклянной оболочки слоем оксида индия и олова , отражающим инфракрасное излучение , что привело к созданию ламп SOX. [9]

Лампы LPS являются одними из самых эффективных источников электрического света при измерении в условиях фотопического освещения, производя от 100 до 206 лм / Вт . [10] Такая 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, уличных фонарей и освещения безопасности ), где точная цветопередача не важна. Недавние исследования показывают, что в типичных мезопических условиях вождения в ночное время 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. У них нет яркой дуги, как в газоразрядных лампах высокой интенсивности (HID); 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 номинальной мощностью 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 [ править ]

Для мест, где необходимо учитывать световое загрязнение , например вблизи астрономических обсерваторий или пляжей, где гнездятся морские черепахи , предпочтителен натрий низкого давления (как раньше в Сан-Хосе и Флагстаффе, 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 сдвига 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 последствий широкого распространения уличного освещения является то, что в пасмурные ночи города с достаточным освещением освещаются светом, отраженным от облаков. Там, где натриевые лампы являются источником городского освещения, ночное небо окрашено в оранжевый цвет.

Специальные эффекты фильма [ править ]

Процесс паров натрия (иногда называемый желтой сеткой) - это пленочный метод, основанный на узкополосных характеристиках лампы LPS. Цветная негативная пленка обычно нечувствительна к желтому свету от лампы LPS, но специальная черно-белая пленка способна 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 другим фоном . Первоначально этот метод давал результаты, превосходящие технологию голубого экрана, и использовался в 1956–1990 годах, в основном Disney Studios . Показательные примеры пленок с использованием этой методики включают Альфред Хичкока «S Птица и фильмы ДиснеяМэри Поппинс и Bedknobs and Broomsticks . Более поздние достижения в области технологий синих и зеленых экранов и компьютерных изображений закрыли этот пробел, сделав SVP экономически непрактичным. [19]

Натрий высокого давления [ править ]

Натриевая лампа высокого давления в работе
Спектр натриевой лампы высокого давления. Желто-красная полоса слева - излучение 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.
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 светильников для выращивания растений . Они содержат ртуть . [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 фотопического к мезопическим и скотопический имеет важное значение для правильного планирования при проектировании освещения для дорог. [11]

Натриевые лампы высокого давления довольно эффективны - около 100 люмен на ватт при измерении для фотопических условий освещения. Некоторые лампы повышенной мощности (например, 600 ватт) имеют эффективность около 150 люмен на ватт.

Поскольку натриевая дуга высокого давления чрезвычайно химически реактивна, дуговая трубка обычно изготавливается из полупрозрачного оксида алюминия . Эта конструкция побудила компанию General Electric использовать торговое название «Lucalox» для своей линейки натриевых ламп высокого давления.

Ксенон низкого давления используется в качестве «стартового газа» в лампе HPS. У него самая низкая теплопроводность и самый низкий потенциал ионизации среди всех стабильных благородных газов . 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 относительно низкое напряжение пробоя газа в холодном состоянии, что позволяет легко запускать лампу.

"Белый" СЫН [ править ]

Вариант натриевой лампы высокого давления, представленный в 1986 году, White SON имеет более высокое давление, чем типичная лампа HPS / SON, обеспечивая цветовую температуру около 2700 кельвинов с индексом цветопередачи (CRI) около 85, что очень похоже на цвет лампы накаливания. [21] Эти лампы часто используются в помещении 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 работы [ править ]

Схема натриевой лампы высокого давления.

Амальгамы металлического натрия и ртуть лежит в самой холодной части лампы и обеспечивают пары натрия и ртути, которая необходима , чтобы нарисовать дугу. 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. При повышении 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, вызывая 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 утечка 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, включенного последовательно с индуктивным « балластом », чтобы подавать на лампу почти постоянный ток, а не постоянное напряжение, тем самым обеспечивая стабильную работу. Балласт обычно индуктивный, а не просто резистивный, чтобы свести к минимуму потери энергии из-за потерь сопротивления. Поскольку лампа эффективно гаснет в каждой точке нулевого тока в цикле переменного тока, индуктивный балласт помогает в повторном зажигании, создавая скачок напряжения в точке нулевого тока.

Свет от лампы состоит из атомных эмиссионных линий ртути и натрия, но в нем преобладает эмиссия D-линии натрия. Эта линия чрезвычайно расширена под давлением (резонанс), а также имеет обратное направление из-за поглощения в более холодных внешних слоях дуги, что придает лампе улучшенные характеристики цветопередачи . Кроме того, красное крыло излучения D-линии дополнительно расширяется под давлением силами Ван-дер-Ваальса, исходящими от атомов ртути в дуге.

Конец жизни [ править ]

Уличный светильник на парах натрия
Крупным планом после наступления темноты

По окончании срока службы натриевые лампы высокого давления (HPS) демонстрируют явление, известное как цикличность , вызванное потерей натрия в дуге. Натрий является высокореактивным элементом и теряется при реакции с оксидом алюминия в дуговой трубке. Эти продукты являются оксид натрия и алюминий :

6 Na + Al 2 O 3 → 3 Na 2 O + 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 дугового разряда требуется все больше и больше напряжения . 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 погаснет, лампа снова охлаждается, 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 небольшой прокол в дуговой трубке приводит к утечке паров натрия 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 [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Дуговая лампа
  • Газоразрядная лампа высокой интенсивности (HID)
  • История уличного освещения в США
  • Список источников света
  • Металлогалогенная лампа
  • Лампа ртутно-паровая
  • Неоновая лампа
  • уличный фонарь
  • Серная лампа
  • Световое загрязнение

Заметки [ править ]

  1. ^ Департамент общественных работ (1980). Сан-Хосе: исследование и отчет о натриевом освещении низкого давления . Сан-Хосе : город Сан-Хосе. п. 8.
  2. ^ Luginbuhl, Кристиан Б. "Проблемы с натрием низкого давления и часто задаваемые вопросы" . Флагстафф, Аризона : военно-морская обсерватория США . Проверено 5 декабря 2013 .
  3. ^ a b c Раймонд Кейн, Хайнц Селл, Революция в лампах: Хроника 50 лет прогресса, второе издание , Fairmont Press, 2001. стр. 238-241.
  4. ^ Патент США US3737717A, Arendash, Майкл, «Высокая лампа интенсивностисодержащая тепловую закорачивающая предохранитель», опубликованная 1972-03-13, выданный 1973-06-05, назначен General Electric Co.
  5. ^ JJ de Groot, JAJM van Vliet, Натриевая лампа высокого давления , Macmillan International Higher Education, 1986, ISBN 1349091960 . С. 13-17. 
  6. ^ "SLI / H Натрий" . Lamptech.co.uk . Проверено 3 марта 2012 .
  7. ^ "SO / H Натрий" . Lamptech.co.uk . Проверено 3 марта 2012 .
  8. ^ "SOI / H Натрий" . Lamptech.co.uk . Проверено 3 марта 2012 .
  9. ^ "Натрий SOX" . Lamptech.co.uk . Проверено 3 марта 2012 .
  10. ^ "Рекламный проспект натриевой лампы низкого давления Philips MASTER SOX-E 131W BY22d 1SL / 6" .[ мертвая ссылка ]
  11. ^ a b «Заключительный отчет о демонстрации и оценке мезоптического уличного освещения» (PDF) . Центр исследований освещения, Политехнический институт Ренсселера. 31 января 2008 . Проверено 29 августа 2011 . (Сравнение с лампами HPS и MH)
  12. ^ "ГОЛОВА ВВЕРХ! 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 оригинального (PDF) на 2012-05-15 . Проверено 14 октября 2012 . CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
  15. ^ "Кодекс освещения Флагстаффа" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 13 сентября 2014 года . Проверено 14 апреля 2014 года .
  16. ^ Luginbuhl, CB (12-16 июля 1999), "Почему Астрономия Нуждается низкого давления освещения натрия", в RJ Cohen; 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 ... 81L
  17. ^ Luginbuhl, CB; Boley, PA; 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 . DOI : 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 : 2013PLoSO ... 867798A . DOI : 10.1371 / journal.pone.0067798 . PMC 3702543 . PMID 23861808 .  
  19. ↑ Гесс, Джон П. (6 января 2017 г.). «Желтый экран и месть синего экрана» . Кинематографист IQ . Проверено 8 сентября 2019 .
  20. ^ http://www.lightingassociates.org/i/u/2127806/f/tech_sheets/high_pressure_sodium_lamps.pdf
  21. ^ "Philips SDW-T Белый натрий высокого давления SON" . WebExhibits . Проверено 24 сентября 2007 .

Ссылки [ править ]

  • де Гроот, JJ; ван Влит; JAJM (1986). Натриевая лампа высокого давления . Девентер : Kluwer Technische Boeken BV. ISBN 978-90-201-1902-2. OCLC  16637733 .
  • Уэймут, Джон Ф (1971). Электрические газоразрядные лампы . Кембридж, Массачусетс : MIT Press . ISBN 978-0-262-23048-3. OCLC  214331 .
  • Музей электроразрядных ламп
  • Патент США US3737717A , Арендаш, Майкл, "Лампа высокой интенсивности, содержащая предохранитель термического короткого замыкания", опубликован 1972-03-13, выдан 1973-06-05, переуступлен General Electric Co.