Sodná výbojka - Sodium-vapor lamp
Sodíkovou-pára je plynové výbojky , které používá sodíku v excitovaného stavu k produkci světla při charakteristické vlnové délce v blízkosti 589 nm .
Existují dvě odrůdy takových lamp: nízkotlaké a vysokotlaké . Nízkotlaké sodíkové výbojky jsou vysoce účinné elektrické světelné zdroje, ale jejich žluté světlo omezuje aplikace na venkovní osvětlení, jako jsou pouliční lampy , kde jsou široce používány. Vysokotlaké sodíkové výbojky vyzařují širší spektrum světla než nízkotlaké výbojky, ale přesto mají horší podání barev než jiné typy výbojek. Nízkotlaké sodíkové výbojky poskytují pouze jednobarevné žluté světlo, a tak zabraňují barevnému vidění v noci .
Rozvoj
Nízkotlaká výbojka sodíkového oblouku byla poprvé uvedena do praxe kolem roku 1920 díky vývoji typu skla, které odolávalo korozivním účinkům sodíkových par. Ty pracovaly při tlacích nižších než 1 Pa a vytvářely téměř monochromatické světelné spektrum kolem linií emisí sodíku na vlnové délce 589,0 a 589,56 nanometrů. Žluté světlo produkované těmito omezovalo rozsah aplikací na ty, kde nebylo vyžadováno barevné vidění.
Výzkum vysokotlakých sodíkových výbojek probíhal ve Velké Británii i v USA. Zvýšení tlaku par sodíku rozšířilo spektrum emisí sodíku, takže produkované světlo mělo více energie emitované na vlnových délkách nad a pod oblastí 589 nm. Křemenný materiál používaný ve rtuťových výbojkách byl zkorodován vysokotlakými sodnými parami. Laboratorní ukázka vysokotlaké lampy byla provedena v roce 1959. Vývoj slinutého materiálu oxidu hlinitého (s přidáním oxidu hořečnatého ke zlepšení přenosu světla) společností General Electric byl důležitým krokem při konstrukci komerční lampy. Materiál byl k dispozici ve formě trubek do roku 1962, ale k utěsnění trubek a přidání potřebných elektrod byly nutné další techniky - materiál nemohl být taven jako křemen. Koncové krytky obloukové trubice by se v provozu zahřály až na 800 stupňů C, poté by se po vypnutí lampy ochladily na pokojovou teplotu, takže zakončení elektrod a těsnění obloukové trubice musely tolerovat opakované teplotní cykly. Tento problém vyřešil Michael Arendash v závodě GE Nela Park. První komerční vysokotlaké sodíkové výbojky byly k dispozici v roce 1965 od společností ve Spojených státech, Velké Británii a Nizozemsku; při zavedení by 400wattová lampa produkovala kolem 100 lumenů na watt.
Jednokrystalické umělé safírové trubice byly také vyráběny a používány pro žárovky HPS na začátku 70. let minulého století s mírným zlepšením účinnosti, ale výrobní náklady byly vyšší než u trubek z polykrystalického oxidu hlinitého.
Nízkotlaký sodík
Nízkotlaké sodíkové výbojky (LPS) mají výbojku z plynného borosilikátového skla (oblouková trubice) obsahující pevný sodík a malé množství neonového a argonového plynu ve směsi Penning pro zahájení vypouštění plynu. Výbojka může mít lineární (SLI lampa) nebo tvar U. Když lampa poprvé nastartuje, vydává slabé červené/růžové světlo k zahřátí sodíku; během několika minut, jak se kov sodný odpařuje , se emise stává běžnou jasně žlutou . Tyto žárovky produkují prakticky monochromatické světlo s průměrem vlnové délky 589,3 nm (ve skutečnosti dvě dominantní spektrální čáry velmi blízko sebe při 589,0 a 589,6 nm). Barvy objektů osvětlených pouze touto úzkou šířkou pásma je obtížné rozlišit.
LPS žárovky mají vnější skleněnou vakuovou obálku kolem vnitřní výbojky pro tepelnou izolaci, což zlepšuje jejich účinnost. Dřívější lampy LPS měly odnímatelnou dewarovou bundu (lampy SO). Pro zlepšení tepelné izolace byly vyvinuty žárovky s permanentní vakuovou obálkou (lampy SOI). Dalšího zlepšení bylo dosaženo potažením skleněné obálky infračervenou reflexní vrstvou oxidu india a cínu , což mělo za následek výbojky SOX.
LPS lampy jsou mezi nejvíce efektivní elektrické světelné zdroje , měřeno na fotopické světelných podmínek, produkující nad 100 a až 206 lm / W . Tato vysoká účinnost je částečně způsobena vyzařovaným světlem o vlnové délce blízké špičkové citlivosti lidského oka. Používají se hlavně pro venkovní osvětlení (například pouliční osvětlení a bezpečnostní osvětlení ), kde není důležité věrné podání barev. Nedávné studie ukazují, že za typických nočních mezopických jízdních podmínek může bělejší světlo poskytovat lepší výsledky při nižší úrovni osvětlení.
LPS žárovky jsou podobné zářivkám v tom, že jsou světelným zdrojem s nízkou intenzitou a lineárním tvarem žárovky. Nevykazují jasný oblouk jako výbojky s vysokou intenzitou (HID); vyzařují měkčí světelnou záři, což má za následek menší oslnění. Na rozdíl od žárovek HID se během poklesu napětí nízkotlaké sodíkové výbojky rychle vrátí k plnému jasu. Žárovky LPS jsou k dispozici s výkonem od 10 W do 180 W; delší délky žárovek však mohou mít konstrukční a technické problémy.
Moderní výbojky LPS mají životnost přibližně 18 000 hodin a s věkem neklesají v lumenovém výkonu, přestože ke konci životnosti zvyšují spotřebu energie přibližně o 10%. Tato vlastnost je v kontrastu s výbojkami HID rtuťových par, které se ke konci životnosti stmívají do té míry, že jsou neúčinné, a přitom spotřebovávají nezmenšenou elektrickou energii.
V roce 2017 společnost Philips Lighting, poslední výrobce lamp LPS, oznámila, že kvůli klesající poptávce ukončuje výrobu lamp. Původně měla být výroba postupně ukončena v průběhu roku 2020, toto datum však bylo posunuto dopředu a poslední lampy byly vyrobeny v továrně Hamilton v listopadu 2019.
Aspekty světelného znečištění
V místech, kde se uvažuje o světelném znečištění , například v blízkosti astronomických observatoří nebo pláží hnízdících mořské želvy , je preferován nízkotlaký sodík (jako dříve v San Jose a Flagstaff v Arizoně ). Tyto lampy vyzařují světlo pouze na dvou dominantních spektrálních čarách (s jinými mnohem slabšími čarami), a proto mají nejmenší spektrální interferenci s astronomickým pozorováním. (Nyní, když výroba lamp LPS skončila, zvažuje se použití úzkopásmových žlutých LED diod, které mají podobné barevné spektrum jako LPS.) Žlutá barva nízkotlakých sodíkových výbojek také vede k nejméně viditelnému záře oblohy, způsobená především Purkyňovým posunem temného přizpůsobeného lidského vidění, což způsobilo, že oko bylo relativně necitlivé na žluté světlo rozptýlené při nízkých úrovních jasu v čisté atmosféře. Jedním z důsledků rozšířeného veřejného osvětlení je, že za zatažených nocí jsou města s dostatečným osvětlením osvětlena světlem odraženým od mraků. Tam, kde jsou sodíkové výbojky zdrojem městského osvětlení, je noční obloha zbarvena do oranžova.
Filmujte speciální efekty
Proces sodíkové páry (občas označovaný jako žlutá obrazovka) je filmová technika, která se opírá o úzkopásmové charakteristiky LPS lampy. Barevný negativní film obvykle není citlivý na žluté světlo z LPS lampy, ale speciální černobílý film jej dokáže zaznamenat. Pomocí speciální kamery jsou scény zaznamenávány na dvě cívky současně, jednu s herci (nebo jinými objekty v popředí) a druhou, která se stane maskou pro pozdější kombinaci s odlišným pozadím . Tato technika původně poskytovala lepší výsledky než technologie modré obrazovky a byla používána v letech 1956 až 1990, většinou Disney Studios . Pozoruhodné příklady filmů s použitím této techniky patří Alfred Hitchcock to Ptáci a Disney filmy Mary Poppins a Bedknobs a košťat . Pozdější pokroky v modrých a zelených obrazovkách a počítačové snímky tuto mezeru zacelily, takže SVP zůstalo ekonomicky nepraktické.
Vysokotlaký sodík
Vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS) byly široce používány v průmyslovém osvětlení, zejména ve velkých výrobních zařízeních, a běžně se používají jako světla pro pěstování rostlin . Obsahují rtuť . Byly také široce používány pro osvětlení venkovních prostor, například na vozovkách, parkovištích a bezpečnostních oblastech. Pochopení změny citlivosti barevného vidění člověka z fotopického na mezopický a skotopický je zásadní pro správné plánování při navrhování osvětlení pro vozovky.
Vysokotlaké sodíkové výbojky jsou docela účinné-asi 100 lumenů na watt, měřeno pro fotopické světelné podmínky. Některé žárovky s vyšším výkonem (např. 600 wattů) mají účinnost přibližně 150 lumenů na watt.
Protože vysokotlaký sodíkový oblouk je extrémně chemicky reaktivní, je oblouková trubka obvykle vyrobena z průsvitného oxidu hlinitého . Tato konstrukce vedla společnost General Electric k používání obchodního jména „Lucalox“ pro řadu vysokotlakých sodíkových výbojek.
Xenon při nízkém tlaku se používá jako „startovací plyn“ v lampě HPS. Má nejnižší tepelnou vodivost a nejnižší ionizační potenciál ze všech stabilních vzácných plynů . Jako vzácný plyn neruší chemické reakce probíhající v operační lampě. Nízká tepelná vodivost minimalizuje tepelné ztráty v lampě v provozním stavu a nízký ionizační potenciál způsobuje, že je průrazné napětí plynu v chladném stavu relativně nízké, což umožňuje snadné spuštění lampy.
„Bílý“ SON
Varianta vysokotlakého sodíku představeného v roce 1986, White SON má vyšší tlak než typická lampa HPS/SON, produkující barevnou teplotu kolem 2700 kelvinů s indexem podání barev (CRI) asi 85, velmi podobný barva žárovkového světla. Tyto lampy jsou často používány uvnitř v kavárnách a restauracích pro estetický efekt. Bílé žárovky SON však mají vyšší náklady, kratší životnost a nižší světelnou účinnost, a proto v současné době nemohou konkurovat HPS.
Teorie provozu
Amalgám kovového sodíku a rtuti leží v nejchladnější části svítilny a poskytuje sodíku a rtuťové, který je nutný k tomu oblouk. Teplota amalgámu je do značné míry určena výkonem lampy. Čím vyšší je výkon lampy, tím vyšší bude teplota amalgámu. Čím vyšší je teplota amalgámu, tím vyšší bude tlak páry rtuti a sodíku v lampě a tím vyšší bude koncové napětí. Jak teplota stoupá, konstantní proud a rostoucí napětí spotřebovává rostoucí energii, dokud není dosaženo provozní úrovně výkonu. Pro dané napětí existují obecně tři režimy provozu:
- Lampa zhasne a neproudí žádný proud.
- Lampa pracuje s kapalným amalgámem v trubici.
- Lampa funguje se všemi odpařenými amalgámy.
První a poslední stav jsou stabilní, protože odpor lampy slabě souvisí s napětím, ale druhý stav je nestabilní. Jakékoli neobvyklé zvýšení proudu způsobí zvýšení výkonu, což způsobí zvýšení teploty amalgámu, což způsobí pokles odporu, což způsobí další zvýšení proudu. Tím se vytvoří efekt rozběhu a lampa přejde do stavu vysokého proudu (#3). Protože skutečné žárovky nejsou konstruovány tak, aby zvládaly tolik energie, mělo by to za následek katastrofické selhání. Podobně anomální pokles proudu přivede lampu k zániku. Je to druhý stav, který je požadovaným provozním stavem lampy, protože pomalá ztráta amalgámu v průběhu času ze zásobníku bude mít menší vliv na vlastnosti lampy než plně odpařený amalgám. Výsledkem je průměrná životnost lampy přesahující 20 000 hodin.
V praktickém použití je lampa napájena zdrojem střídavého napětí v sérii s indukčním " předřadníkem ", aby do lampy dodávala téměř konstantní proud, nikoli konstantní napětí, čímž je zajištěn stabilní provoz. Předřadník je obvykle indukční, nikoli jednoduše odporový, aby se minimalizovalo plýtvání energií ztrátami odporu. Protože lampa účinně zhasíná v každém bodě nulového proudu v cyklu AC, indukční předřadník pomáhá při opětovném nastartování tím, že v bodě nulového proudu poskytuje špičku napětí.
Světlo z lampy se skládá z atomových emisních čar rtuti a sodíku, ale dominuje emise sodíkové čáry D. Tato linie je extrémně rozšířena o tlak (rezonance) a je také samočinně obrácená kvůli absorpci v chladnějších vnějších vrstvách oblouku, což dodává lampě její lepší vlastnosti podání barev . Kromě toho je červené křídlo emise D-linie dále rozšířeno Van Van Waalsovými silami z atomů rtuti v oblouku.
Konec života
Na konci životnosti vykazují vysokotlaké sodíkové výbojky (HPS) jev známý jako cyklování způsobený ztrátou sodíku v oblouku. Sodík je vysoce reaktivní prvek a ztrácí se při reakci s oxidem hlinitým v obloukové trubici. Tyto produkty jsou oxid sodný a hlinitý :
- 6 Na + Al 2 O 3 → 3 Na 2 O + 2 Al
Výsledkem je, že tyto žárovky lze spouštět při relativně nízkém napětí, ale jak se během provozu zahřívají, vnitřní tlak plynu v obloukové trubici stoupá a k udržení obloukového výboje je zapotřebí stále více napětí . Jak lampa stárne, udržovací napětí pro oblouk nakonec stoupá, aby překročilo maximální napěťový výstup elektrickým předřadníkem. Když se lampa zahřívá do tohoto bodu, oblouk selže a lampa zhasne. Nakonec se zhasnutým obloukem lampa opět ochladí, tlak plynu v obloukové trubici se sníží a předřadník může znovu způsobit úder oblouku. Výsledkem je, že lampa na chvíli svítí a poté zhasne, obvykle začíná v čisté nebo namodralé bílé barvě a poté přechází do červenooranžové barvy, než zhasne.
Sofistikovanější konstrukce předřadníků detekuje cyklování a po několika cyklech se vzdá pokusu o zapnutí lampy, protože opakované vysokonapěťové zapalování potřebné k restartu oblouku zkracuje životnost předřadníku. Pokud je napájení odpojeno a znovu připojeno, předřadník provede novou sérii pokusů o spuštění.
Selhání lampy LPS nevede k cyklování; lampa prostě nezasáhne nebo zachová matně červenou záři spouštěcí fáze. V jiném režimu selhání malá propíchnutí obloukové trubice propustí část sodné páry do vnější vakuové baňky. Sodík kondenzuje a na vnějším skle vytváří zrcadlo, které částečně zakrývá obloukovou trubici. Lampa často pokračuje v normálním provozu, ale velká část generovaného světla je zakryta sodným povlakem a neposkytuje žádné osvětlení.
Předřadné kódy ANSI HPS
Výkon | Kódy ANSI |
---|---|
35 W. | S76 |
50 W | S68 |
70 W | S62 |
100 W | S54 |
150 W | S55 (55v) nebo S56 (100v) |
200 W | S66 |
250 W | S50 |
310 W. | S67 |
400 W | S51 |
600 W | S106 |
750 W | S111 |
1000 W | S52 |
Viz také
- Oblouková lampa
- Vysoce intenzivní výbojka (HID)
- Historie pouličního osvětlení ve Spojených státech
- Seznam světelných zdrojů
- Metalhalogenidová lampa
- Rtuťová výbojka
- Neonová lampa
- pouliční osvětlení
- Síra lampa
- Světelné znečištění
Poznámky
Reference
- de Groot, JJ; van Vliet; JAJM (1986). Vysokotlaká sodíková lampa . Deventer : Kluwer Technische Boeken BV. ISBN 978-90-201-1902-2. OCLC 16637733 .
- Waymouth, John F (1971). Elektrické výbojky . Cambridge, MA : MIT Press . ISBN 978-0-262-23048-3. OCLC 214331 .
- Muzeum elektrických výbojek
- Patent USA US3737717A , Arendash, Michael, „Vysoce intenzivní lampa obsahující tepelnou zkratovací pojistku“, publikováno 1972-03-13, vydáno 1973-06-05, přidělené společnosti General Electric Co