Lampa sodowa
Lampa sodowa to lampa wyładowcza , która wykorzystuje sód w stanie wzbudzonym do wytwarzania światła o charakterystycznej długości fali bliskiej 589 nm .
Istnieją dwie odmiany takich lamp: niskociśnieniowe i wysokociśnieniowe . Niskoprężne lampy sodowe są bardzo wydajnymi elektrycznymi źródłami światła, ale ich żółte światło ogranicza zastosowanie do oświetlenia zewnętrznego, takiego jak lampy uliczne , gdzie są one szeroko stosowane. Wysokoprężne lampy sodowe emitują szersze spektrum światła niż lampy niskociśnieniowe, ale nadal mają gorsze oddawanie barw niż inne rodzaje lamp. Niskoprężne lampy sodowe dają tylko monochromatyczne żółte światło, co utrudnia widzenie kolorów w nocy .
Samoczynne lampy z pojedynczą końcówką są izolowane dyskiem z miki i umieszczone w rurce wyładowczej ze szkła borokrzemianowego (rurze łukowej) i metalowej nasadce. Należą do nich lampa sodowa, czyli lampa wyładowcza w oświetleniu ulicznym.
Rozwój
Niskociśnieniowa sodowa lampa wyładowcza po raz pierwszy stała się praktyczna około 1920 roku dzięki opracowaniu rodzaju szkła, które było odporne na korozyjne działanie oparów sodu. Działały one przy ciśnieniach mniejszych niż 1 Pa i wytwarzały niemal monochromatyczne widmo światła wokół sodowych linii emisyjnych przy długości fali 589,0 i 589,56 nanometrów. Żółte światło wytwarzane przez nie ograniczało zakres zastosowań do tych, w których widzenie kolorów nie było wymagane.
Badania nad wysokoprężnymi lampami sodowymi prowadzono zarówno w Wielkiej Brytanii, jak iw Stanach Zjednoczonych. Zwiększenie ciśnienia pary sodu poszerzyło widmo emisji sodu, tak że wytwarzane światło miało więcej energii emitowanej na długościach fal powyżej i poniżej obszaru 589 nm. Materiał kwarcowy używany w rtęciowych lampach wyładowczych został skorodowany przez pary sodu pod wysokim ciśnieniem. Laboratoryjna demonstracja lampy wysokociśnieniowej została przeprowadzona w 1959 roku. Opracowanie przez General Electric spiekanego materiału z tlenku glinu (z dodatkiem tlenku magnezu w celu poprawy przepuszczalności światła) było ważnym krokiem w konstrukcji lampy komercyjnej. Materiał był dostępny w postaci rurek do 1962 roku, ale do uszczelnienia rur i dodania niezbędnych elektrod wymagane były dodatkowe techniki - materiału nie można było stopić jak kwarc. Zaślepki jarznika nagrzewały się podczas pracy do 800 stopni C, a następnie schładzały się do temperatury pokojowej, gdy lampa była wyłączona, więc zakończenia elektrod i uszczelnienie jarznika musiały tolerować powtarzające się cykle temperaturowe. Problem ten został rozwiązany przez Michaela Arendasha w zakładzie GE Nela Park. Pierwsze komercyjne wysokoprężne lampy sodowe były dostępne w 1965 roku w firmach ze Stanów Zjednoczonych, Wielkiej Brytanii i Holandii; na początku 400-watowa lampa dawałaby około 100 lumenów na wat.
Rurki ze sztucznego szafiru monokrystalicznego były również produkowane i używane w lampach HPS na początku lat 70. XX wieku, z niewielką poprawą skuteczności, ale koszty produkcji były wyższe niż w przypadku lamp z polikrystalicznego tlenku glinu.
Sód niskociśnieniowy
Niskociśnieniowe lampy sodowe (LPS) mają rurkę wyładowczą ze szkła borokrzemianowego (rura łukowa) zawierającą stały sód i niewielką ilość neonu i argonu w mieszaninie Penninga , aby rozpocząć wyładowanie gazu. Rura wyładowcza może być liniowa (lampa SLI) lub w kształcie litery U. Kiedy lampa jest uruchamiana po raz pierwszy, emituje przyćmione światło czerwono-różowe, aby ogrzać metaliczny sód; w ciągu kilku minut, gdy metaliczny sód odparowuje , emisja staje się zwykle jasnożółta . Lampy te wytwarzają praktycznie monochromatyczne światło o średniej długości fali 589,3 nm (w rzeczywistości dwie dominujące linie widmowe bardzo blisko siebie przy 589,0 i 589,6 nm). Kolory obiektów oświetlonych tylko tym wąskim pasmem są trudne do rozróżnienia.
Lampy LPS mają zewnętrzną szklaną bańkę próżniową wokół wewnętrznej rury wyładowczej w celu izolacji termicznej, co poprawia ich wydajność. Wcześniejsze lampy LPS miały odpinany płaszcz dewara (lampy SO). W celu poprawy izolacji termicznej opracowano lampy ze stałą bańką próżniową (lampy SOI). Dalszą poprawę osiągnięto przez pokrycie szklanej bańki odbijającą podczerwień warstwą tlenku indu i cyny , w wyniku czego powstały lampy SOX.
Lampy LPS należą do najbardziej wydajnych elektrycznych źródeł światła mierzonych w warunkach oświetlenia fotopowego , wytwarzając od 100 do 206 lm / W . Ta wysoka wydajność jest częściowo spowodowana emitowanym światłem o długości fali zbliżonej do szczytowej czułości ludzkiego oka. Stosowane są głównie do oświetlenia zewnętrznego (takiego jak latarnie uliczne i oświetlenie bezpieczeństwa ), gdzie wierne odwzorowanie kolorów nie jest ważne. Ostatnie badania pokazują, że w typowej mezopowej nocy warunkach drogowych, bielsze światło może zapewnić lepsze rezultaty przy niższym poziomie oświetlenia.
Lampy LPS są podobne do lamp fluorescencyjnych, ponieważ są źródłem światła o niskim natężeniu i liniowym kształcie lampy. Nie wykazują jasnego łuku, jak lampy wyładowcze o dużej intensywności (HID); emitują łagodniejszy, świetlisty blask, co skutkuje mniejszym odblaskiem. W przeciwieństwie do lamp HID, podczas zapadu napięcia niskoprężne lampy sodowe szybko wracają do pełnej jasności. Dostępne są lampy LPS o mocy od 10 do 180 W; dłuższe lampy mogą jednak powodować problemy projektowe i techniczne.
Nowoczesne lampy LPS mają żywotność około 18 000 godzin i nie zmniejszają strumienia świetlnego wraz z wiekiem, chociaż zwiększają zużycie energii o około 10% pod koniec okresu eksploatacji. Właściwość ta kontrastuje z lampami rtęciowymi HID, które ściemniają się pod koniec okresu eksploatacji do tego stopnia, że stają się nieskuteczne, zużywając jednocześnie energię elektryczną na niezmienionym poziomie.
W 2017 roku Philips Lighting, ostatni producent lamp LPS, ogłosił zaprzestanie produkcji lamp ze względu na spadający popyt. Początkowo produkcja miała zostać wycofana w ciągu 2020 roku, ale termin ten został przesunięty i ostatnie lampy wyprodukowano w fabryce Hamiltona 31 grudnia 2019 roku.
Rozważania dotyczące zanieczyszczenia światłem
W miejscach, w których bierze się pod uwagę zanieczyszczenie światłem , na przykład w pobliżu obserwatoriów astronomicznych lub plaż lęgowych żółwi morskich , preferowany jest niskociśnieniowy sód (jak dawniej w San Jose i Flagstaff w Arizonie ). Takie lampy emitują światło tylko na dwóch dominujących liniach widmowych (z innymi znacznie słabszymi liniami), a zatem mają najmniejszą interferencję widmową z obserwacjami astronomicznymi. (Teraz, gdy zaprzestano produkcji lamp LPS, rozważa się zastosowanie wąskopasmowych bursztynowych diod LED, które mają podobne spektrum barw do LPS.) Żółty kolor niskoprężnych lamp sodowych powoduje również najmniej widoczne blask nieba, głównie dzięki Przesunięcie Purkinjego w przystosowaniu się do ciemności ludzkiego wzroku, powodujące, że oko jest względnie niewrażliwe na żółte światło rozproszone przy niskich poziomach luminancji w przejrzystej atmosferze. Jedną z konsekwencji powszechnego oświetlenia publicznego jest to, że w pochmurne noce miasta z wystarczającym oświetleniem są oświetlane światłem odbitym od chmur. Tam, gdzie źródłem oświetlenia miejskiego są lampy sodowe, nocne niebo jest zabarwione na pomarańczowo.
Filmowe efekty specjalne
Proces z parą sodu (czasami nazywany żółtym ekranem) to technika filmowa, która opiera się na wąskopasmowej charakterystyce lampy LPS. Kolorowy film negatywowy zazwyczaj nie jest wrażliwy na żółte światło z lampy LPS, ale specjalny czarno-biały film jest w stanie to zarejestrować. Za pomocą specjalnej kamery sceny są rejestrowane jednocześnie na dwóch szpulach, jednej z aktorami (lub innymi obiektami pierwszego planu) i drugiej, która staje się maską do późniejszego łączenia z innym tłem . Ta technika początkowo dawała lepsze wyniki niż technologia niebieskiego ekranu i była używana w latach 1956-1990, głównie przez Disney Studios . Godne uwagi przykłady filmów wykorzystujących tę technikę to Ptaki Alfreda Hitchcocka oraz filmy Disneya Mary Poppins oraz Bedknobs and Broomsticks . Późniejsze postępy w technikach niebieskiego i zielonego ekranu oraz obrazach komputerowych zamknęły tę lukę, pozostawiając SVP ekonomicznie niepraktyczne.
Sód pod wysokim ciśnieniem
Wysokoprężne lampy sodowe (HPS) są szeroko stosowane w oświetleniu przemysłowym, zwłaszcza w dużych zakładach produkcyjnych, i są powszechnie stosowane jako oświetlenie do uprawy roślin . Zawierają rtęć . Były również szeroko stosowane do oświetlenia terenów zewnętrznych, takich jak jezdnie, parkingi i obszary bezpieczeństwa. Zrozumienie zmiany wrażliwości widzenia barwnego człowieka z fotopowej na mezopową i skotopową jest niezbędne do prawidłowego planowania podczas projektowania oświetlenia jezdni.
Wysokoprężne lampy sodowe są dość wydajne — około 100 lumenów na wat, mierzone w fotopowych warunkach oświetleniowych. Niektóre lampy o większej mocy (np. 600 watów) mają skuteczność około 150 lumenów na wat.
Ponieważ wysokociśnieniowy łuk sodowy jest wyjątkowo reaktywny chemicznie, rura łukowa jest zwykle wykonana z półprzezroczystego tlenku glinu . Ta konstrukcja skłoniła General Electric Company do używania nazwy handlowej „Lucalox” dla swojej linii wysokoprężnych lamp sodowych.
Ksenon pod niskim ciśnieniem jest używany jako „gaz rozruchowy” w lampie HPS. Ma najniższą przewodność cieplną i najniższy potencjał jonizacji ze wszystkich stabilnych gazów szlachetnych . Jako gaz szlachetny nie ingeruje w reakcje chemiczne zachodzące w lampie operacyjnej. Niska przewodność cieplna minimalizuje straty cieplne w lampie w stanie pracy, a niski potencjał jonizacji powoduje, że napięcie przebicia gazu w stanie zimnym jest stosunkowo niskie, co pozwala na łatwe uruchomienie lampy.
„Biała” wysokoprężna lampa sodowa
Odmiana wysokociśnieniowej lampy sodowej wprowadzonej w 1986 roku, biała HPS ma wyższe ciśnienie niż typowa lampa HPS, wytwarzając temperaturę barwową około 2700 kelwinów przy współczynniku oddawania barw (CRI) około 85, bardzo przypominającym kolor światło żarowe. Lampy te są często stosowane w pomieszczeniach w kawiarniach i restauracjach w celu uzyskania efektu estetycznego. Jednak białe lampy HPS mają wyższy koszt, krótszą żywotność i niższą wydajność świetlną, więc nie mogą obecnie konkurować z HPS.
Teoria operacji
Amalgamat metalicznego sodu i rtęci znajduje się w najchłodniejszej części lampy i zapewnia opary sodu i rtęci potrzebne do narysowania łuku. Temperatura amalgamatu zależy w dużej mierze od mocy lampy. Im wyższa moc lampy, tym wyższa będzie temperatura amalgamatu. Im wyższa temperatura amalgamatu, tym wyższe będzie ciśnienie par rtęci i sodu w lampie i tym wyższe będzie napięcie na zaciskach. Wraz ze wzrostem temperatury stały prąd i rosnące napięcie zużywają coraz większą energię, aż do osiągnięcia poziomu mocy roboczej. Dla danego napięcia istnieją generalnie trzy tryby działania:
- Lampa gaśnie i nie płynie prąd.
- Lampa działa z płynnym amalgamatem w tubie.
- Lampa działa z odparowanym całym amalgamatem.
Pierwszy i ostatni stan są stabilne, ponieważ rezystancja lampy jest słabo związana z napięciem, ale drugi stan jest niestabilny. Każdy anomalny wzrost prądu spowoduje wzrost mocy, powodując wzrost temperatury amalgamatu, co spowoduje spadek rezystancji, co spowoduje dalszy wzrost prądu. Spowoduje to efekt ucieczki, a lampa przeskoczy do stanu wysokiego prądu (#3). Ponieważ rzeczywiste lampy nie są zaprojektowane do obsługi tak dużej mocy, spowodowałoby to katastrofalną awarię. Podobnie anomalny spadek prądu doprowadzi lampę do wygaśnięcia. To drugi stan jest pożądanym stanem pracy lampy, ponieważ powolna utrata amalgamatu w czasie ze zbiornika będzie miała mniejszy wpływ na charakterystykę lampy niż amalgamat całkowicie odparowany. Rezultatem jest średnia żywotność lampy przekraczająca 20 000 godzin.
W praktyce lampa jest zasilana ze źródła napięcia przemiennego połączonego szeregowo z indukcyjnym „ statecznikiem ” w celu dostarczania do lampy prawie stałego prądu, a nie stałego napięcia, zapewniając w ten sposób stabilną pracę. Statecznik jest zwykle raczej indukcyjny niż po prostu rezystancyjny, aby zminimalizować straty energii wynikające ze strat rezystancyjnych. Ponieważ lampa skutecznie gaśnie w każdym punkcie zerowego prądu w cyklu prądu przemiennego, statecznik indukcyjny pomaga w ponownym zapłonie, zapewniając skok napięcia w punkcie zerowego prądu.
Światło z lampy składa się z atomowych linii emisyjnych rtęci i sodu, ale jest zdominowane przez emisję linii D sodu. Linia ta jest bardzo rozszerzona pod wpływem ciśnienia (rezonansu) , a także ulega samoodwróceniu z powodu absorpcji w chłodniejszych zewnętrznych warstwach łuku, co zapewnia lampie lepsze właściwości oddawania barw . Ponadto czerwone skrzydło emisji linii D jest dalej rozszerzane przez siły Van der Waalsa z atomów rtęci w łuku.
Koniec życia
Pod koniec okresu eksploatacji wysokoprężne lampy sodowe (HPS) wykazują zjawisko znane jako cykliczne , spowodowane utratą sodu w łuku. Sód jest wysoce reaktywnym pierwiastkiem i jest tracony w reakcji z tlenkiem glinu w jarzniku. Produkty to tlenek sodu i glin :
- 6 Na + Al 2 O 3 → 3 Na 2 O + 2 Al
W rezultacie lampy te mogą być uruchamiane przy stosunkowo niskim napięciu, ale gdy nagrzewają się podczas pracy, wewnętrzne ciśnienie gazu w jarzniku wzrasta, a do utrzymania wyładowania łuku wymagane jest coraz większe napięcie . Gdy lampa się starzeje, napięcie podtrzymujące łuk ostatecznie wzrasta, przekraczając maksymalne napięcie wyjściowe statecznika elektrycznego. Gdy lampa nagrzewa się do tego punktu, łuk zanika i lampa gaśnie. W końcu, po wygaśnięciu łuku, lampa ponownie się ochładza, ciśnienie gazu w jarzniku zmniejsza się, a balast może ponownie spowodować zajarzenie łuku. Efektem tego jest to, że lampa świeci przez chwilę, a następnie gaśnie, zwykle zaczynając od czystej lub niebieskawo-białej, a następnie przechodząc do czerwono-pomarańczowej przed zgaśnięciem.
Bardziej wyrafinowane konstrukcje stateczników wykrywają cykle i rezygnują z prób uruchomienia lampy po kilku cyklach, ponieważ powtarzające się zapłony wysokonapięciowe potrzebne do ponownego zajarzenia łuku skracają żywotność statecznika. Jeśli zasilanie zostanie odłączone i ponownie włączone, balast wykona nową serię prób uruchomienia.
Awaria lampy LPS nie powoduje cykliczności; raczej lampa po prostu nie zaświeci lub utrzyma matową czerwoną poświatę fazy rozruchu. W innym trybie awaryjnym niewielkie przebicie lampy łukowej powoduje wyciek części oparów sodu do zewnętrznej bańki próżniowej. Sód skrapla się i tworzy lustro na zewnętrznej szybie, częściowo zasłaniając jarznik. Lampa często działa normalnie, ale większość generowanego światła jest przesłonięta przez powłokę sodową, co nie zapewnia oświetlenia.
Zobacz też
- Lampa łukowa - Światło powstające w wyniku elektrycznego rozpadu gazu
- Lampa wyładowcza dużej intensywności – Rodzaj lampy/żarówki elektrycznej (HID)
- Historia oświetlenia ulicznego w Stanach Zjednoczonych – Historia oświetlenia ulicznego
- Zanieczyszczenie światłem - Nadmiar sztucznego światła w środowisku
- Lista źródeł światła – Urządzenia i procesy wytwarzające światło
- Lampa rtęciowa - źródło światła wykorzystujące łuk elektryczny przechodzący przez pary rtęci
- Lampa metalohalogenkowa – Rodzaj lampy
- Lampa neonowa – Źródło światła oparte na wyładowaniu gazowym
- Latarnia uliczna – Podniesione źródło światła przy drodze lub ścieżce
- Lampa siarkowa – System oświetlenia
Źródła
- de Groot, JJ; van Vliet; JAJM (1986). Wysokociśnieniowa lampa sodowa . Deventer : Kluwer Technische Boeken BV. ISBN 978-90-201-1902-2 . OCLC 16637733 .
- Waymouth, John F. (1971). Lampy wyładowcze . Cambridge, MA : MIT Press . ISBN 978-0-262-23048-3 . OCLC 214331 .
- Patent USA US3737717A , Arendash, Michael, „Lampa o dużej intensywności zawierająca bezpiecznik termiczny”, opublikowany 13.03.1972, wydany 05.06.1973, przeniesiony na General Electric Co.