Какими бывают натриевые лампы и где они применяются?

Конструкции первых световых приборов были довольно примитивными. Они состояли из двух электродов, между которыми горел дуговой разряд. В этих конструкциях было два существенных недостатка: из-за выгорания электроды нуждались в постоянной регулировке, а спектр излучения захватывал значительную долю ультрафиолета. Поэтому лампы накаливания, а позже натриевые лампы очень быстро заняли свои ниши в освещении помещений и улиц.

Справедливости ради надо сказать, что и эти осветительные приборы и сегодня ещё конкурируют с марками более экономичных светодиодных светильников.

Но есть сферы, где применение натриевых лампочек ещё долго будет в приоритете. Оптимизма прибавляет высокий поток излучения в газоразрядных лампах, продолжительность срока эксплуатации и высокие показатели экономичности этих приборов.

Конструкция и принцип работы

Действие натриевой газоразрядной лампы основано на свойстве паров натрия, способных излучать монохроматический яркий свет в жёлто-оранжевом спектре. Это газообразное вещество заключено в особой колбе (трубке), называемой горелкой. Поскольку разогретые до высокой температуры пары натрия агрессивно действуют на стеклянные поверхности, то трубку изготавливают из более устойчивых веществ – боросиликатного стекла либо из поликристаллической окиси алюминия (в зависимости от типа лампы).

С каждой стороны горелки расположены электроды, предназначенные для создания дуговых разрядов, разогревающих пары натрия. Эта конструкция размещена в вакуумной стеклянной колбе, заканчивающейся резьбовым цоколем.

Здесь уместно заметить, что существует два типа таких осветительных приборов: НЛНД (низкого давления) и НЛВД (высокого давления). Описанная выше конструкция даёт общее представление об устройстве газоразрядных натриевых светильников обоих типов. Различаются эти лампы конструкциями горелок и рабочим давлением паров внутри трубок.

В натриевых светильниках низкого давления, его величина не превышает 0,2 Па, а в НЛВД – порядка 10 кПа. Соответственно отличаются и рабочие температуры паров натрия: 270–300 °С для НЛНД и 650–750 °С в горелках высокого давления. Отсюда понятно, что горелки НЛВД обладают достаточно высокими уровнями световых потоков, то есть светят довольно ярко.

Нет ничего удивительного в том, что натриевые лампы высокого давления постепенно вытеснили с рынка осветительные приборы типа НЛНД. Хотя спектр света соответствующий низкому давлению более приятен для глаз, горелки НЛНД уступили более мощным моделям с довольно высоким световым излучением.

Учитывая данное обстоятельство, мы будем акцентировать внимание именно на лампах типа НЛВД. Конструкция такого источника освещения изображена на рисунке 1. Здесь приведена схема трубчатой лампы ДНаТ.

Цифрами обозначено:

• 1 – внешняя колба;
• 2 – никелированный цоколь;
• 3 – контактные пластины;
• 4 – газоразрядная трубка (горелка);
• 5 – молибденовые электроды;
• 6 – пары натрия с примесью инертных газов (аргон или ксенон);
• 7 – амальгама натрия;
• 8 – уплотнённый ниобиевый ввод;
• 9 – металлические проводники;
• 10 – молибденовые пластины;
• 11 – геттеры (газопоглотители).

На рис. 2 представлено фото натриевой лампы данного типа.

Колбы натриевых светильников бывают цилиндрическими (как на рисунке 2), эллиптическими, покрытыми изнутри тонким слоем светорассеивающего вещества (ДНаС). Они могут быть матированными (ДНаМТ) или содержать зеркальный отражатель рядом с горелкой (ДНаЗ).

Принцип действия.

Зажигание горелки натриевой лампы происходит от электрической дуги, возникающей между электродами. В канале электрического разряда образуется поток заряженных частиц из паров натрия. Строго говоря, внутри газоразрядной трубки находится не чистый натрий, а смесь газов. Для лучшего зажигания дуги добавляют аргон или ксенон либо пары ртути.

Сегодня уже существуют безртутные светильники. Они пока имеют более сложную конструкцию, но разработки продолжаются и, вероятно, они когда-нибудь заменят обычные лампы с ртутью.

После того как на катоды подано высокое импульсное напряжение, происходит зажигание НЛВД. Некоторое время лампа светит тусклым светом. Примерно через 7 – 10 минут, после того как пары натрия разогреются до рабочей температуры, лампа переходит в режим максимальной световой отдачи.

Принцип действия похож на работу ртутных ламп, но для включения светильника, наполненного парами натрия, требуется импульсное напряжение высшее, чем для включения ДРЛ. После разогрева горелки импульсные токи необходимо ограничить. Поэтому для данного типа осветительных приборов производители НЛВД разработали специальные пускорегулирующие аппараты со встроенными импульсными зажигающими устройствами. Без использования ИЗУ зажечь натриевую лампу, включив её непосредственно в электрическую сеть, невозможно.

Классификация натриевых ламп

Как было отмечено выше, натриевые светильники бывают двух типов: НЛНД и НЛВД. Их можно классифицировать ещё по виду колбы, по составу примесей, мощности излучения. Поскольку давление паров натрия напрямую влияет на светоотдачу лампы, то сделаем краткий обзор светильников именно по этому параметру.

Низкого давления (НЛНД)

Первыми появились НЛНД (с низким давлением в горелке). Они обеспечивают низкую цветопередачу, но обладают приятным для человека спектром излучения. Их массово использовали в 30-ых годах ушедшего столетия. Лампы низкого давления можно встретить и сегодня, однако их вытесняют более совершенные натриевые светильники, на которых мы остановимся более подробно.

Высокого давления (НЛВД)

Высокая эффективность НЛВД сделала их лидером среди других газоразрядных источников света. Светоотдача таких светильников достигает 150 люмен/ватт. Они могут работать до 28500 часов. Правда, в конце срока службы их светоотдача снижается, а цвет смещается в красную сторону спектра.

По целому ряду параметров НЛВД превосходят качества люминесцентных ламп, излучающих холодное свечение и металлогалогенных ламп, потребляющих много электроэнергии. Среди современных электрических источников света немного найдётся светильников, способных составить натриевому светильнику достойную конкуренцию.

Преимущества и недостатки

Преимущества у натриевых ламп следующие:

• экономичность трубчатых ламп;
• большой срок эксплуатации;
• устойчивость электрических параметров на протяжении почти всего срока службы;
• тёплые оттенки излучения натрия (см. рис. 3);
• довольно широкий диапазон температур, при которых натриевый лампы устойчиво работают – от –60 до +40 градусов по Цельсию.

К сожалению, существуют недостатки, ограничивающие сферы применения НЛВД:

• раздражающая частота мерцания света;
• инерционность при включении;
• взрывоопасность НЛВД;
• наличие в большинстве моделей содержания ртути;
• резонансное излучение ослабевает в процессе эксплуатации;
• рост потребляемой мощности с приближением конца срока службы;
• необходимость применения ПРА для подключения ламп.

Пускорегулирующие аппараты иногда являются источником шума и расходуют до 60% потребляемой мощности. Они также требуют  дополнительного обслуживания.

Несмотря на наличие перечисленных недостатков, в некоторых сферах, где цветопередача источника света несущественна, применение НЛВД является очень выгодным, а в отдельных случаях просто незаменимым.

Область применения

Жёлто-оранжевый свет осветительных устройств приятен для глаз, но его монохроматичность приглушает цвета красок интерьеров. Поэтому натриевые лампы не используются в жилых помещениях в качестве основного осветительного прибора. Они могут служить лишь элементами декоративного освещения.

На рисунке 3 показано фото такой подсветки.:

Исследования показали, что желтому свечению свойственно благотворно влиять на развитие растений. При этом усиливается их рост, увеличивается урожайность. Летом растительность получает такое освещение от солнечных лучей. Но в теплицах, где выращивают овощи зимой, солнечного света явно не хватает. Для этих целей идеально подходят НЛВД (см. рисунок 4).

Использование натриевых ламп для освещения теплиц не только повышает урожайность, но и позволяет сэкономить электроэнергию.

Обратите внимание на монохроматичность света натриевых светильников. Приглушенный цвет растений свидетельствует о том, что почти весь свет от ламп расходуется на выработку хлорофилла.

Монохроматичность очень полезна при освещении улиц. Такой свет не рассеивается в тумане. Использование уличных светильников для освещения автострад позволяет повысить безопасность движения транспорта. Парковые зоны и дорожки с уличным освещением на основе НЛВД, обладающих жёлтым спектром свечения, повышают комфорт отдыхающих в ночное время.

Реже такие светильники используются в производственных помещениях (обычно на складах), а также при оформлении рекламных вывесок и декораций.

Подключение

Поскольку для поджога горелки требуется высокое импульсное напряжение (иногда до 1000 В) то это усложняет схемы подключения натриевых ламп. Приходится применять дополнительное оборудование. ПРА для НЛВД бывают двух типов: ЭмПРА (электромагнитные) и ЭПРА (электронные).

ИЗУ подключаются в цепь лампы параллельно, а дроссели – последовательно, иногда через импульсное зажигающее устройство.

На рисунке 6 изображено подключение НЛВД.

Обратите внимание на то, как подключен дроссель (балласт) и ИЗУ.

Примите к сведению, что при самостоятельном подключении необходимо соблюдать требование: длина провода от дросселя до цоколя лампы не должна превышать 100 см.

Некоторые зарубежные производители поставляют на рынок натриевые осветительные приборы со встроенными пусковыми устройствами в колбе светильника.

Вопросы безопасности и утилизации

Риски в эксплуатации натриевых ламп связаны с высоким давлением и температурой внутри горелки. Даже поверхность колбы нагревается до 100 °С и может вызвать ожог при неосторожном обращении. Существует вероятность разрыва колбы под влиянием вырвавшихся из горелки раскалённых газов.

С целью защиты от последствий разрушения делают светильники, в которых лампы находятся за толстым стеклом. Обратите внимание на конструкцию светильника для уличного освещения (рис. 5).

В связи с наличием ртути в натриевых лампах применяются особые требования к их утилизации. Использованные приборы запрещается выбрасывать в баки для обычного мусора. Их необходимо отправлять на специальные предприятия для обезвреживания и переработки.

Видео в дополнение статьи