o¶wietlenie

Strona główna
Profesjonalne
Domowe
LED+Światłowody
Branża
Wysokoprężne lampy sodowe

Lampy wyładowcze, w których środowiskiem wyładowczym są pary sodu o niskim ciśnieniu, zostały opracowane jeszcze w latach trzydziestych. Do chwili obecnej ich konstrukcja została tak znacznie udoskonalona, że współczesne, niskoprężne lampy sodowe osiągają skuteczność świetlną do 180 lm/W, największą spośród praktycznie stosowanych, sztucznych źródeł światła. Niestety monochromatyczne, żółte światło, o bardzo złych właściwościach oddawania barw, praktycznie ograniczyło ich zastosowanie do oświetlenia autostrad i dróg szybkiego ruchu, przy których nie odbywa się ruch pieszy.

Kolejne badania przyniosły interesujące rezultaty. Okazało się, że wyładowanie w parach sodu o ciśnieniu zwiększonym do rzędu 104 Pa pozwala uzyskać nie wiele niższą skuteczność świetlną do 130 lm/W lecz przy rozkładzie widmowym promieniowania znacznie korzystniej oddającym barwy oświetlanych przedmiotów.

Rozwój wysokoprężnych lamp sodowych napotkał początkowo na barierę technologiczną. Pożądane zwiększenie ciśnienia par sodu wymagało osiągnięcia temperatury około 700O C w najchłodniejszym punkcie rurki wyładowczej. Ze znanych materiałów nawet szkło kwarcowe nie było w tych temperaturach odporne na chemicznie agresywne działanie par sodu. Dopiero opracowana w 1957 roku przeświecalna ceramika z polikrystalicznego tlenku glinu domieszkowanego magnezem pozwoliła na praktyczną realizację wysokoprężnych lamp sodowych. Unikalne cechy tego materiału wymagały rozwiązania wielu całkiem nowych problemów konstrukcyjnych i technologicznych. Ceramika glinowa nie posiada praktycznie zakresu plastyczności w podwyższonej temperaturze. Uniemożliwiało to wykonanie złącz między rurka ceramiczną, a metalowymi przepustami prądowymi na zasadzie spłaszczenia podgrzanego materiału jak to ma miejsce w kwarcowych jarznikach rtęciówek.

Pierwsze wysokoprężne lampy sodowe o mocy 400 W ukazały się na rynku w 1965 roku. Do chwili obecnej podstawowa rodzina lamp standardowych rozrosła się do typoszeregu od 50 do 1000 W. Równocześnie rozwinęły się nowe grupy lamp przeznaczonych do zastępowania rtęciówek w ich oprawach, lamp sodowych o podwyższonej skuteczności świetlnej (o zwiększonym strumieniu świetlnym) oraz o poprawionym i bardzo dobrym oddawaniu barw.
 

Budowa lampy i jarznika
 


Rys.1. Budowa wysokoprężnej lampy sodowej.

Wysokoprężna lampa sodowa przedstawiona na rysunku 1 jest wyładowczym źródłem światła, w którym promieniowanie emitowane jest z zachodzącego w jarzniku 1 wyładowania w parach sodu pod wysokim ciśnieniem rzędu 104 Pa. Jarznik jest umieszczony w szklanej, zamkniętej bańce 2 o kształcie rurowym lub elipsoidalnym, w której panuje próżnia. Do jej utrzymania w całym czasie użytkowania lampy służy getter barowy 3 rozpylany na szyjce bańki, a w nowszych konstrukcjach getter innego typu np. cyrkonowy w formie pastylki. W lampach wyższych mocy bańka wykonana jest z tzw. szkła twardego typu wolframowo – borowo – krzemowego, a w lampach niższych mocy z tzw. szkła miękkiego typu sodowo – wapniowego. Może ona być przezroczysta lub pokryta warstwą rozpraszającą światło. Jako pokrycie rozpraszające używana jest na ogół krzemionka nanoszona na szkło metodą elektrostatyczną. Lampa jest wyposażona w metalowy, gwintowany trzonek 4 przymocowany do bańki szklanej mechanicznie lub za pomocą specjalnych kitów odpornych na pracę w wysokiej temperaturze. Do zamocowania jarznika 1 wewnątrz banki szklanej 2 służy konstrukcja wsporcza 5 z prętów i taśm metalowych.



 

Jarzniki wysokoprężnych lamp sodowych wykonywane są w dwóch podstawowych wersjach konstrukcyjnych. Historycznie pierwszą konstrukcja były tzw. jarzniki z rurką pompową. Konstrukcja ta do dziś stosowana jest tylko przez jednego z czołowych producentów. Druga konstrukcja, bez rurki pompowej, przedstawiona na rysunku 2 jest obecnie stosowana powszechnie. Rurka wyładowcza 1 jest wykonana z ceramiki z polikrystalicznego tlenku glinu. Nie ma on powierzchni porowatej jak inne materiały ceramiczne, dzięki czemu jest przeświecalny i szczelny próżniowo. Całkowity współczynnik przepuszczania promieniowania widzialnego dla rurek jarznika z tego materiału wynosi 93–95%. Ceramiczna rurka jarznika 1 zakończona jest przewężeniami w formie tzw. cofniętych korków monolitycznych 2. W korkach są umieszczone przepusty prądowe w postaci rurek niobowych 3. Niob jest jedynym metalem nadającym się do tego zastosowania z powodu współczynnika rozszerzalności liniowej najbardziej zbliżonego do ceramiki glinowej.

Rys. 2. Schemat budowy jarznika wysokoprężnej lampy sodowej.

Do końcówek rurek niobowych 3, zamkniętych od wnętrza jarznika, zamocowane są wolframowe elektrody 4 w formie dwuwarstwowej skrętki nawiniętej na pręciku. Między zwojami skrętki znajduje się spieczona substancja emisyjna, emiter. Obecnie najczęściej używane są emitery typu wolframianów barowo – wapniowych, barowo – strontowych lub barowo – itrowych. Wyładowanie w jarzniku zachodzi pomiędzy czubkami pręcików elektrodowych. Połączenie 5 wolframowej elektrody z zamkniętą kopułką rurki niobowej, wykonywane jest techniką spawania wiązką laserową. 

Taka konstrukcja zapewnia całkowitą szczelność jarznika w tym punkcie. W starszych technologiach używana jest nieco inna, otwarta konstrukcja rurki niobowej, w którą wlutowany jest pręcik wolframowy za pomocą lutowia tytanowego. W przypadku złej jakości spoiny stanowi ona potencjalny punkt rozszczelnienia jarznika. W jarzniku znajduje się porcja sodu i rtęci w postaci amalgamatu oraz gaz zapłonowy, na ogół ksenon, a w przypadku sodowych zamienników rtęciówek tzw. mieszanina Penninga neon – argon. Sód decyduje o właściwościach promieniowania lampy, natomiast rtęć odgrywa rolę tzw. gazu buforowego podwyższającego napięcie na lampie do wartości zapewniającej jej właściwą współpracę ze statecznikiem indukcyjnym stabilizującym wyładowanie. Próżnioszczelne złącza pomiędzy niobowymi rurkami przepustów prądowych, a korkami rurki ceramicznej są wykonane za pomocą specjalnego szkła 6, które po nagrzaniu do temperatury około 1350O C tworzy złącze pomiędzy tymi materiałami.

Działanie lampy

Zapłon wyładowania w jarzniku wysokoprężnej lampy sodowej następuje w gazie zapłonowym, który stanowi główne medium gazowe wypełniające jarznik w zimnej lampie. Prężność par sodu i rtęci w zimnym jarzniku jest praktycznie do pominięcia w stosunku do ciśnienia gazu zapłonowego.

Przed zapłonem wyładowania, sód i rtęć mają więc, prawie całkowicie, postać stałą. Wstępne wyładowanie w gazie zapłonowym nagrzewa jarznik co powoduje parowanie sodu i rtęci. W miarę wzrostu prężności par tych dwóch metali zwiększają one swój udział w wyładowaniu i zaczynają decydować o jego charakterze. Ilość sodu i rtęci w jarzniku jest dobrana z nadmiarem, tak aby w stanie ustalonym (tzw. stan równowagi termodynamicznej) pewna ich ilość pozostała nie odparowana. Wyładowanie w wysokoprężnej lampie sodowej odbywa się więc w parach nasyconych. 


Rys. 3. Zmiany parametrów lampy podczas zapłonu wyładowania.

Nadmiar ciekłego amalgamatu gromadzi się w najchłodniejszym miejscu jarznika, na jednym z jego końców. Temperatura tego miejsca warunkuje ciśnienie par sodu i rtęci w pracującym jarzniku wysokoprężnej lampy sodowej, wpływając w sposób zasadniczy na właściwości wyładowania. 
W chwilę po zapłonie wyładowania lampa stanowi dla obwodu praktycznie zwarcie, a prąd płynący przez nią jest ograniczany przez statecznik indukcyjny (dławik) i ma wartość zbliżoną do jego prądu zwarcia. Napięcie na lampie jest w tym momencie małe. W miarę szybkiego nagrzewania jarznika i przejmowania roli czynnika wyładowczego przez pary sodu i rtęci, już po paru minutach (ok. 4 min) wzrasta strumień świetlny, maleje prąd i rośnie napięcie na lampie. Zmiany podstawowych parametrów lampy w pierwszych minutach po zapłonie wyładowania pokazuje rysunek 3. Po wyłączeniu zasilania lampy następuje kondensacja sodu i rtęci w postaci amalgamatu w najchłodniejszym miejscu jarznika, na jego końcu. Ponowny zapłon, przy użyciu współczesnych zapłonników elektronicznych, może nastąpić bardzo szybko w czasie nie przekraczającym kilkudziesięciu sekund.

Układ pracy

Wysokoprężne lampy sodowe, podobnie jak inne wyładowcze źródła światła, nie mogą być zasilane bezpośrednio z sieci. Do ich działania niezbędne jest zastosowanie szeregowo połączonego statecznika ograniczającego prąd wyładowania. W tym celu stosowane są głównie stateczniki (dławiki) indukcyjne.

Dla zainicjowania wyładowania w gazie zapłonowym wypełniającym jarznik niezbędne jest przyłożenie pomiędzy jego elektrody impulsu napięciowego w zakresie od 1 do 5 kV w zależności od typu i mocy lampy. Jest to realizowane za pomocą elektronicznych układów zapłonowych. Starsze typy takich układów generowały na ogół jeden lub dwa impulsy w okresie sinusoidy napięcia zasilającego, jeden w dodatniej połówce i ewentualnie drugi w ujemnej. Wzrost napięcia zapłonu lamp w trakcie eksploatacji związany z wyczerpywaniem emitera na elektrodach powodował spadek skuteczności zapłonu za pomocą tych układów. Taki system generowania impulsów zapłonowych był też nie wystarczająco skuteczny w przypadku nowej generacji lamp o podwyższonej skuteczności świetlnej. Nowe układy generują zwiększoną liczbę impulsów zapłonowych w obu połówkach napięcia zasilającego. Zapewnia to wyższą energię zapłonu wyładowania. W praktyce do zapłonu większości lamp stosuje się obecnie impulsy o następującej charakterystyce :

  • wartość szczytowa impulsu 1 – 5 kV

  • czas trwania (szerokość) paczki impulsów 1 – 2 μs

  • miejsce występowania 60...90 oel i/lub 240...270 oel

  • minimalna częstotliwość występowania impulsu w okresie 4

Produkowane są dwa podstawowe rodzaje zapłonników impulsowych.

  • Zapłonniki równoległe – wytwarzają impuls zapłonowy w transformatorze zapłonowym połączonym równolegle z lampą. Impulsy zapłonowe działają również na uzwojenie statecznika indukcyjnego powodując niebezpieczeństwo przebicia jego izolacji. Zapłonnik jest niewielki, lekki i ma niskie straty mocy.

  • Zapłonniki szeregowe – w których, transformator zapłonowy włączony jest szeregowo z lampą i statecznikiem indukcyjnym. Statecznik nie jest narażony na działanie impulsów wysokiego napięcia. Przez uzwojenie transformatora płynie prąd lampy. Przy większych mocach lamp wymusza to zwiększenie rozmiarów transformatora i całego zapłonnika.

Oba rodzaje zapłonników mogą być wyposażone w układ wyłączający, który powoduje zaprzestanie generowania impulsów zapłonowych po pewnym czasie od załączenia napięcia zasilania. Na ogół czas ten powinien wynosić około 10 minut. Dzięki takiemu rozwiązaniu, uszkodzenie źródła światła lub jego brak w oprawie, nie powoduje obciążenia pozostałych elementów układu elektrycznego oprawy. Generowanie impulsów zapłonowych w czasie 10 minut jest natomiast wystarczające do zapalenia gorącej lampy, która zgasła w wyniku chwilowego zaniku zasilania.

Skuteczność współczesnych elektronicznych układów zapłonowych jest tak duża, że ponowny zapłon możliwy jest już po niecałej minucie.

W przeszłości do zaświecania lamp sodowych stosowane były także wewnętrzne układy zapłonowe w formie przełączników bimetalowych lub bimetalowych zapłonników tlących. Energia impulsów generowanych w wyniku ich działania nie była powtarzalna i zależała od chwilowej wartości prądu w momencie rozwarcia styków zapłonnika. Również czas ponownego zapłonu gorącej lampy był znacznie dłuższy. Obecnie zapłonniki tlące są stosowane już tylko w specjalnych typach lamp o najniższych mocach 50 i 70 W.

Właściwości lamp

Jakkolwiek wysokoprężne lampy sodowe ustępują nieco sodówkom niskoprężnym pod względem skuteczności świetlnej, to jednak jej wartość jest bardzo wysoka w porównaniu z innymi źródłami światła sztucznego.
Sprawność energetyczną wysokoprężnych lamp sodowych przedstawia tablica 1.

Rodzaj źródła światła Stopień transformacji energii elektrycznej dostarczonej do obwodu lampy na promieniowanie widzialne
Wysokoprężna lampa sodowa 30 %
Lampa rtęciowa, biała delux 15 %
Świetlówka chłodno – biała 20 %
Lampa metalohalogenkowa 21 %

Ze składu widmowego światła wysokoprężnych lamp sodowych przedstawionego na rysunku 4 widać z kolei, że większość promieniowania jest emitowana w zakresie długości fal 550–640 nm zbliżonym do maksymalnej czułości oka ludzkiego. 



Rys. 4. Skład widmowy promieniowania wysokoprężnej lampy sodowej.

Te dwa czynniki sprawiają, że podstawowe typy wysokoprężnych lamp sodowych, w zależności od mocy, osiągają skuteczność świetlną w zakresie 80 do 130 lm/W. Światło wysokoprężnych lamp sodowych pozwala wprawdzie na rozpoznawanie barw w całym zakresie widma, jednakże w zakresie krótkofalowym tzn. barw fioletowych, niebieskich i zielonych, barwy mogą być zmienione (zszarzałe). Ogólny wskaźnik oddawania barw Ra wynosi dla tych źródeł światła 20 do 25 przy niskiej temperaturze barwowej promieniowania na poziomie 2000 – 2100 K. Jak już wspomniano wysokoprężne lampy sodowe pracują z parami nasyconymi tzn. w ustalonym stanie pracy, w jarzniku pozostaje pewna nie odparowana ilość sodu i rtęci. Pod tym względem różnią się one od lamp rtęciowych, w których rtęć jest odparowywana w całości tworząc parę nie nasyconą. Na skutek tego napięcie pracy rtęciówki zmienia się tylko nieznacznie przy zmianach mocy dostarczanej do lampy. W lampie sodowej zmiany napięcia zasilania, a co za tym idzie również mocy dostarczanej do lampy powodują znacznie większe wahania napięcia pracy lampy i innych jej parametrów.


Rys. 5. Zmiany podstawowych parametrów lampy sodowej przy odchyleniach napięcia zasilania od wartości znamionowej.

Rysunek 5 pokazuje zmiany podstawowych parametrów lampy sodowej przy odchyleniach napięcia zasilania od wartości znamionowej. Szczególnie niekorzystny jest dość znaczny spadek strumienia świetlnego przy obniżeniu napięcia zasilania. Zmniejszenie napięcia zasilania o 10% powoduje obniżenie strumienia świetlnego o 20%. Ż kolei wzrost napięcia zasilania, a więc mocy dostarczanej do lampy, pociąga za sobą wzrost temperatury jarznika co wpływa na obniżenie trwałości lampy. Dlatego też większość producentów dopuszcza pracę wysokoprężnych lamp sodowych przy wahaniach napięcia zasilania nie większych niż +5% i –10% od wartości znamionowej.

 
ZASTOSOWANIE I OGRANICZENIA

Słabe właściwości oddawania barw wysokoprężnych lamp sodowych powodują jednak szereg ograniczeń ich stosowania :

  • Obszar stosowania we wnętrzach powinien być ograniczony do pomieszczeń, w których przebywanie człowieka jest krótkotrwałe i nie wymaga prac precyzyjnych i o bliskiej odległości obserwacji oraz dobrego widzenia barw. W konsekwencji lampy sodowe mogą być stosowane tylko do oświetlenia obiektów i stanowisk o funkcjach komunikacyjnych.
  • Oświetlenie wysokoprężnymi lampami sodowymi można stosować we wszelkich przejściach, halach, dworcach, peronach, terenach osiedlowych, parkingach itp., nie należy natomiast stosować w pomieszczeniach biurowych, handlowych, bytowych, gastronomicznych, poczekalniach itp. Wyjątek stanowią tu wysokoprężne lampy sodowe o bardzo dobrym oddawaniu barw (małej mocy) przeznaczone m.in. do oświetlenia wnętrz handlowych.
  • Mimo powszechnego stosowania do oświetlenia ulicznego należy pamiętać, że używanie wysokoprężnych lamp sodowych w miejscach gdzie zainstalowano systemy sygnalizacji świetlnej lub gdzie będą one oświetlały barwne znaki bezpieczeństwa, niesie ryzyko zakłócenia prawidłowej treści informacyjnej tych sygnałów.

Odmiany lamp sodowych

Opisywane dotychczas standardowe, wysokoprężne lampy sodowe produkowane są obecnie w szerokim typoszeregu zawierającym lampy o mocach 50, 100, 150, 250, 400 i 1000 Watt.

Oprócz nich, od wielu lat, powszechnie produkowane są wysokoprężne lampy sodowe, zamienniki rtęciówek, zwane także lampami z mieszaniną Penninga. Zadaniem tego typu lamp sodowych jest praca w oprawach od rtęciówek bez konieczności dokonywania jakichkolwiek zmian w oprawie. Oznacza to konieczność właściwej współpracy z odbłyśnikiem oprawy rtęciówkowej, a przede wszystkim z obwodem elektrycznym zawierającym statecznik indukcyjny lampy rtęciowej i pozbawionym zapłonnika elektronicznego. Lampy tego typu różnią się od lamp standardowych m.in. tym, że jako gazu zapłonowego w jarzniku użyto mieszaniny neon – argon, tzw. mieszaniny Penninga. Dzięki jej zastosowaniu napięcie zapłonu wyładowania zostaje znacznie obniżone do wartości około 250V, nieco ponad napięcie zasilania. Dalsze obniżenie napięcia zapłonu poniżej napięcia sieci następuje dzięki umieszczeniu wzdłuż ścianki jarznika specjalnej pomocy zapłonowej w formie drutu, zbliżającej potencjały obu elektrod. Po nagrzaniu jarznika drut ten jest odchylany od jego powierzchni za pomocą bimetalowej tasiemki montażowej. Zastosowanie mieszaniny Penninga obniża niestety skuteczność świetlną lamp do poziomu 75–120 lm/W w zależności od mocy lampy. Konieczność dostosowania lamp sodowych do pracy ze statecznikami lamp rtęciowych powoduje, że sodowe zamienniki rtęciówek produkowane są w nieco dziwnym typoszeregu mocy 110, 210 i 350 (lub 330, 340) Watt.

Kolejną odmianą wysokoprężnych lamp sodowych są lampy o zwiększonej skuteczności świetlnej (zwiększonym strumieniu świetlnym). Dzięki podwyższeniu ciśnienia gazu zapłonowego - ksenonu napełniającego jarznik osiągnięto skuteczność świetlną wysokoprężnych lamp sodowych rzędu do 150 lm/W. Zwiększone ciśnienie ksenonu powoduje niestety pewne podwyższenie napięcia zapłonu lamp co sprawia, że do ich skutecznego zapłonu wymagana jest współpraca z zapłonnikami elektronicznymi nowszych generacji.

Lampy tego typu produkowane są w typoszeregu mocy od 35 do 600 Watt.

Producenci źródeł światła oferują także wysokoprężne lampy sodowe o bardzo dobrym oddawaniu barw. W lampach takich wykorzystywany jest efekt zmian widmowego rozkładu promieniowania polegający na wzmocnieniu samoabsorbcji linii D sodu i zwiększeniu promieniowania w jej skrzydłach, zwłaszcza w części długofalowej. Zmiany te są efektem podwyższenia ciśnienia par sodu przez podniesienie temperatury najchłodniejszego miejsca jarznika, zwiększenia średnicy wewnętrznej jarznika i zwiększenia ciśnienia ksenonu. Lampy tego typu osiągają ogólny wskaźnik oddawania barw Ra o wartości około 85 przy temperaturze barwowej rzędu 2500–3000 K. Uzyskanie takich parametrów barwowych wiąże się jednak ze znacznym obniżeniem skuteczności świetlnej. Szczególnie ciekawym przykładem tej grupy lamp są lampy o małych mocach z zakresu 35 do 100 Watt, zwane popularnie “white soda – biała soda”. Mają one odmienną konstrukcję od innych lamp sodowych. Ze względu na silne wahania barwy i strumienia świetlnego w zależności od napięcia zasilania muszą współpracować ze specjalnymi, elektronicznymi układami stabilizacyjno - zapłonowymi. Są one przeznaczone głównie do oświetlenia akcentowego we wnętrzach handlowych.

Najmłodszą grupą są wysokoprężne lampy sodowe bez rtęci (Hg free). Wyeliminowanie rtęci z wyładowania połączone z zastosowaniem wysokiego ciśnienia ksenonu i pomocy zapłonowej w formie metalicznego paska nanoszonego na powierzchni rurki ceramicznej w procesie jej produkcji, pozwoliło na skonstruowanie typoszeregu lamp o parametrach analogicznych do lamp standardowych.