Rtuťová výbojka - Mercury-vapor lamp

175 wattové rtuťové světlo přibližně 15 sekund po spuštění.
Detailní záběr na 175- s W rtuťové výbojky. Malý diagonální válec ve spodní části obloukové trubice je odpor, který dodává proud do startovací elektrody.

Lampa rtuťové je plyn výbojka , který používá elektrický oblouk přes rozprášené rtuť k výrobě světla . Obloukový výboj je obecně omezen na malou tavenou křemennou obloukovou trubici namontovanou ve větší baňce z borosilikátového skla . Vnější baňka může být čirá nebo potažená fosforem ; v obou případech poskytuje vnější baňka tepelnou izolaci , ochranu před ultrafialovým zářením, které světlo produkuje, a pohodlnou montáž pro tavenou křemennou obloukovou trubici.

Rtuťové výbojky jsou energeticky účinnější než klasické a většina zářivkových světel se světelnou účinností 35 až 65 lumenů / watt. Mezi jejich další výhody patří dlouhá životnost žárovky v rozsahu 24 000 hodin a vysoký jasný výstup bílého světla. Z těchto důvodů se používají pro velkoplošné stropní osvětlení, například v továrnách, skladech a sportovních arénách, stejně jako pro pouliční osvětlení . Čiré rtuťové výbojky produkují bílé světlo s modrozeleným odstínem díky kombinaci rtuťových spektrálních čar. To není lichotivé barvě lidské kůže , proto se takové lampy obvykle nepoužívají v maloobchodech. Rtuťové žárovky s „korekcí barvy“ tento problém překonaly fosforem na vnitřní straně vnější baňky, který vyzařuje bílé světlo a nabízí lepší barevné podání .

Pracují při vnitřním tlaku kolem jedné atmosféry a vyžadují speciální příslušenství a elektrický předřadník . K dosažení plného světelného výkonu také vyžadují zahřívací období čtyři až sedm minut. Rtuťové výbojky jsou zastaralé kvůli vyšší účinnosti a lepšímu vyvážení barev halogenidových výbojek .

Počátky

Cooper Hewitt lampa, 1903
Výroba vysokotlakých rtuťových výbojek, 1965

Charles Wheatstone pozoroval spektrum elektrického výboje v parách rtuti v roce 1835 a zaznamenal v tomto spektru ultrafialové čáry. V roce 1860 použil John Thomas Way k osvětlení obloukové lampy provozované ve směsi vzduchu a par rtuti za atmosférického tlaku. Německý fyzik Leo Arons (1860–1919) studoval výboje rtuti v roce 1892 a vyvinul lampu založenou na rtuťovém oblouku. V únoru 1896 si Herbert John Dowsing a H. S. Keating z Anglie nechali patentovat rtuťovou výbojku, kterou někteří považují za první skutečnou rtuťovou výbojku.

První rtuťovou výbojku, která dosáhla širokého úspěchu, vynalezl v roce 1901 americký inženýr Peter Cooper Hewitt . Hewitt byl vydán americký patent 682 692 dne 17. září 1901. V roce 1903 Hewitt vytvořil vylepšenou verzi, která měla vyšší kvalitu barev, což nakonec našlo široké průmyslové použití. Ultrafialové světlo z rtuťových výbojek bylo aplikováno na úpravu vody do roku 1910. Hewittovy výbojky používaly velké množství rtuti. V roce 1930, lepší lampy moderní formy, vyvinuté firmou Osram-GEC , General Electric společnost a jiné vedla k širokému využívání rtuťové výbojky pro celkové osvětlení.

Princip činnosti

Rtuť v trubici je za normálních teplot kapalná. Než lampa může produkovat plný světelný výkon, musí být odpařena a ionizována . Pro usnadnění spouštění výbojky, třetina elektroda je uložena v blízkosti jedné z hlavních elektrod a připojen přes odpor na druhou hlavní elektrodou. Kromě rtuti je trubice naplněna argonem za nízkého tlaku. Pokud je po připojení napájení dostatečné napětí k ionizaci argonu, zasáhne ionizovaný plyn argon malý oblouk mezi startovací elektrodou a sousední hlavní elektrodou. Jak ionizovaný argon vede, teplo z jeho oblouku odpařuje kapalnou rtuť; dále bude napětí mezi dvěma hlavními elektrodami ionizovat rtuťový plyn. Mezi dvěma hlavními elektrodami se iniciuje oblouk a lampa pak bude vyzařovat hlavně v ultrafialové, fialové a modré emisní linii . Pokračující odpařování kapalné rtuti zvyšuje tlak obloukové trubice na 2 až 18 bar , v závislosti na velikosti lampy. Zvýšení tlaku má za následek další zesvětlení lampy. Celý zahřívací proces trvá zhruba 4 až 7 minut. Některé žárovky obsahují tepelný spínač, který zkratuje startovací elektrodu na sousední hlavní elektrodu a uhasí počáteční oblouk, jakmile hlavní oblouk zasáhne.

Rtuťová výbojka je zařízení s negativní odolností . To znamená, že jeho odpor klesá s rostoucím proudem trubicí. Pokud je tedy lampa připojena přímo ke zdroji s konstantním napětím, jako jsou elektrická vedení, proud skrz ni se zvýší, dokud se nezničí. Proto vyžaduje předřadník k omezení proudu skrz něj. Předřadníky rtuťových výbojek jsou podobné předřadníkům používaným u zářivek . Ve skutečnosti byly první britské zářivky navrženy tak, aby pracovaly z 80-wattových rtuťových předřadníků. K dispozici jsou také rtuťové výbojky s vlastním předřadníkem. Tyto žárovky používají wolframové vlákno v sérii s obloukovou trubicí, které fungují jako odporový předřadník a dodávají celé spektrum světla obloukové trubici. Self-balastní rtuťové výbojky lze našroubovat do standardní žárovky dodávané se správným napětím.

Pouliční světlo rtuťových par
Detailní po setmění

Halogenid kovu

Velmi úzce související design lampy nazývaný halogenidová výbojka používá různé sloučeniny v amalgámu se rtutí. Jodidu sodného a skandium jodid jsou běžně používány. Tyto žárovky mohou produkovat mnohem kvalitnější světlo, aniž by se uchýlily k fosforům. Pokud používají spouštěcí elektrodu, je vždy k dispozici tepelný zkratovací spínač, který eliminuje jakýkoli elektrický potenciál mezi hlavní elektrodou a spouštěcí elektrodou, jakmile lampa svítí. (Tento elektrický potenciál v přítomnosti halogenidů může způsobit selhání skleněného / kovového těsnění). Modernější systémy halogenidů kovů nepoužívají samostatnou startovací elektrodu; místo toho se lampa spouští pomocí vysokonapěťových pulzů jako u vysokotlakých sodíkových výbojek.

Samostatné předřadníky

Samostatně předřadníky (SB) jsou rtuťové výbojky s vnitřním vláknem zapojeným do série s obloukovou trubicí, která funguje jako elektrický předřadník. Toto je jediný druh rtuťové výbojky, kterou lze připojit přímo k síti bez externího předřadníku. Tyto žárovky mají pouze stejnou nebo mírně vyšší účinnost než žárovky podobné velikosti, ale mají delší životnost. Svítí okamžitě po spuštění, ale v případě přerušení napájení obvykle potřebují několik minut na opětovné zapnutí. Kvůli světlu vyzařovanému vláknem mají o něco lepší vlastnosti podání barev než rtuťové výbojky. Samočinné předřadníky jsou obvykle dražší než standardní rtuťové výbojky.

Úkon

Zahřívání barvy korigovalo 80 W vysokotlakou rtuťovou výbojku na poloviční jas

Když je rtuťová výbojka poprvé zapnuta, bude produkovat tmavě modrou záři, protože pouze malé množství rtuti je ionizované a tlak plynu v obloukové trubici je velmi nízký, takže velké množství světla je produkováno v ultrafialové rtuti kapel. Jak hlavní oblouk udeří a plyn se zahřívá a zvyšuje se tlak, světlo se posune do viditelného rozsahu a vysoký tlak plynu způsobí, že se pásma emise rtuti poněkud rozšíří a vytvoří světlo, které je pro lidské oko téměř bílé stále to není spojité spektrum . Dokonce i při plné intenzitě je světlo rtuťové výbojky bez fosforu výrazně modravé barvy. Jakmile žárovka dosáhne své pracovní teploty, tlak v trubici z křemenného oblouku stoupne na přibližně jednu atmosféru. Pokud by měl být výboj přerušen (např. Přerušením elektrického napájení), není možné, aby se lampa znovu rozsvítila, dokud žárovka dostatečně nevychladne, aby výrazně poklesl tlak. Důvodem delšího časového období před zasažením lampy je to, že zvýšený tlak, který vede k vyššímu průraznému napětí plynu uvnitř (napětí potřebné ke spuštění oblouku - Paschenův zákon ), což je mimo možnosti předřadníku.

Úvahy o barvě

Příklad 125 W lampy potažené fosforem

Aby se napravil namodralý nádech, je mnoho rtuťových výbojek potaženo na vnitřní straně vnější baňky fosforem, který převádí část ultrafialového záření na červené světlo. To pomáhá vyplnit jinak velmi nedostatečný červený konec elektromagnetického spektra . Tyto žárovky se obecně nazývají „barevně korigované“ žárovky. Většina moderních rtuťových výbojek má tento povlak. Jedním z původních stížností na rtuťová světla bylo to, že lidé kvůli nedostatku světla z červeného konce spektra vypadali jako „nekrvavé mrtvoly“. Běžnou metodou nápravy tohoto problému před použitím fosforů bylo provozování rtuťové lampy ve spojení se žárovkou . Rovněž dochází ke zvýšení červené barvy (např. V důsledku nepřetržitého záření) u rtuti s vysokotlakými rtuťovými výbojkami (obvykle větší než 200 atm.), Které našlo uplatnění v moderních kompaktních projekčních zařízeních. Když jsou venku, potažené nebo barevně korigované žárovky lze obvykle identifikovat podle modrého „halo“ kolem vydávaného světla.

Spektrum emisní linky

Nejsilnější vrcholy spektra emisních čar jsou

Lineární spektrum par rtuti. Modrozelený odstín rtuťových výbojek je způsoben silnými fialovými a zelenými čarami.
Vlnová délka (nm) Název (viz fotorezist ) Barva
184,45 ultrafialové (UVC)
253,7 ultrafialové (UVC)
365.4 I-line ultrafialové (UVA)
404,7 H-linie fialový
435,8 G-linie modrý
546,1 zelená
578,2 žlutooranžová
650 Červené

V nízkotlakých rtuťových výbojkách jsou přítomny pouze čáry o vlnové délce 184 nm a 254 nm. Tavený oxid křemičitý se používá při výrobě k zabránění absorpci světla 184 nm. Ve středotlakých rtuťových výbojkách jsou přítomny čáry od 200–600 nm. Žárovky mohou být konstruovány tak, aby vyzařovaly primárně v UV-A (kolem 400 nm) nebo UV-C (kolem 250 nm). Vysokotlaké rtuťové výbojky se běžně používají pro obecné osvětlovací účely. Vyzařují primárně v modré a zelené barvě.

Ultrafialové čištění

Nízkotlaké Hg lampy mohou být poměrně malé, ale účinné zdroje hlubokého UV světla.

Nízkotlaké rtuťové výbojky mají obvykle křemennou baňku, aby umožňovaly přenos světla krátké vlnové délky . Pokud se použije syntetický křemen, pak se průhlednost křemene dále zvýší a také se pozoruje emisní čára při 185 nm. Taková lampa může být potom použita pro ultrafialové germicidní ozařování . Linka 185 nm vytvoří ozon v atmosféře obsahující kyslík, což pomáhá při procesu čištění, ale je také zdravotním rizikem.

Úvahy o světelném znečištění

Pro umístění, kde má světelné znečištění prvořadý význam (například parkoviště observatoře ), se dává přednost nízkotlakému sodíku . Protože vyzařuje úzké spektrální čáry na dvou velmi blízkých vlnových délkách, je nejsnadnější jej odfiltrovat. Druhé nejlepší jsou rtuťové výbojky bez fosforu; produkují pouze několik zřetelných rtuťových linií, které je třeba odfiltrovat.

Zákazy

V EU bylo v roce 2015 používání rtuťových výbojek s nízkou účinností pro účely osvětlení zakázáno. Nemá to vliv na použití rtuti v kompaktních zářivkách ani na použití rtuťových výbojek pro jiné účely než osvětlení.

V USA byly předřadníky pro rtuťové výbojky pro všeobecné osvětlení, s výjimkou speciálních předřadníků rtuťových výbojek, zakázány po 1. lednu 2008. Z tohoto důvodu několik výrobců začalo prodávat náhradní kompaktní zářivky (CFL) a světelné diody (LED ) žárovky pro rtuťová tělesa, která nevyžadují úpravy stávajícího svítidla. Americké ministerstvo energetiky v roce 2015 stanovilo, že předpisy navržené v roce 2010 pro rtuťové výbojky HID nebudou implementovány, protože by nepřinesly podstatné úspory.

Ultrafialová rizika

Některé rtuťové výbojky (včetně halogenidových výbojek) musí obsahovat prvek (nebo musí být instalován v přípravku, který prvek obsahuje), který zabraňuje úniku ultrafialového záření. Tuto funkci obvykle plní vnější baňka z borosilikátového skla, ale je-li lampa instalována v situaci, kdy může dojít k poškození této vnější obálky, je třeba věnovat zvláštní pozornost. Byly zdokumentovány případy poškození lamp na tělocvičnách kuličkami dopadajícími na lampy, což mělo za následek popáleniny sluncem a zánět očí krátkovlnným ultrafialovým zářením. Při použití v místech, jako jsou tělocvičny, by zařízení mělo obsahovat silný vnější ochranný kryt nebo vnější čočku, která chrání vnější žárovku lampy. Vyrábí se také speciální „bezpečnostní“ žárovky, které při rozbití vnějšího skla záměrně shoří. Toho je obvykle dosaženo použitím tenkého uhlíkového pásu, který se za přítomnosti vzduchu spálí , k připojení jedné z elektrod.

I při těchto metodách může určité UV záření projít vnější žárovkou lampy. To způsobí, že se proces stárnutí některých plastů používaných při konstrukci svítidel zrychlí a po několika letech provozu budou mít výrazné zabarvení. Tímto problémem trpí zejména polykarbonát a není neobvyklé vidět poměrně nové polykarbonátové povrchy umístěné v blízkosti lampy, které po krátké době změnily matnou žlutou barvu.

Použití

Plošné a pouliční osvětlení

Ačkoli se jiné typy HID stávají běžnějšími, rtuťové výbojky se ve Spojených státech stále někdy používají pro osvětlení oblastí a pouliční osvětlení .

UV vytvrzování

Rtuťové výbojky se používají v tiskařském průmyslu k vytvrzování inkoustů. Obvykle mají vysoký výkon, aby rychle vytvrdily a nastavily použité inkousty. Jsou uzavřeny a mají ochranu, aby se zabránilo expozici člověka, stejně jako speciální výfukové systémy pro odstranění generovaného ozonu.

Molekulární spektroskopie

Vysokotlaké rtuťové výbojky (a některé speciálně konstruované halogenidové výbojky) nacházejí uplatnění v molekulární spektroskopii kvůli poskytování užitečné energie širokopásmového kontinua („šumu“) na vlnových délkách milimetrů a terahertzů, kvůli vysoké teplotě elektronů plazmy oblouku; hlavní linie emise UV ionizované rtuti (254 nm) koreluje s černým tělesem T = 11 500 K. Tato vlastnost je činí jedním z mála jednoduchých a levných zdrojů dostupných pro generování těchto frekvencí. Například standardní 250-wattová rtuťová lampa pro všeobecné osvětlení produkuje významný výkon od 120 GHz do 6 THz. Kromě toho jsou z pláště horké křemenné obloukové trubice emitovány kratší vlnové délky ve střední infračervené oblasti. Stejně jako u ultrafialového výstupu je skleněná vnější baňka při těchto frekvencích do značné míry neprůhledná, a proto je třeba ji z tohoto důvodu odstranit (nebo v účelových lampách vynechat).

Projekce

Speciální ultra vysokotlaké rtuťové výbojky zvané Ultra vysoce výkonné výbojky se běžně používají v digitálních videoprojektorech , včetně projektorů DLP , 3LCD a LCoS .

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy