З усіх типів РЛ як низького, так і високого тиску натрієві лампи можуть мати найвищу світлову віддачу (до 300-400 лм/Вт), а їхній ККД може досягати 50-60 %. Крім цього, що також дуже важливо, світловий потік натрієвих ламп в процесі тривалої експлуатації зменшується дуже мало. Якраз через ці якості такі лампи найчастіше застосовують у випадках, коли потрібно досягти найбільшої економії електроенергії. Проте натрієві лампи мають невисоку якість кольоропередачі, і тому в основному їх використовують для зовнішнього освітлення (для освітлення вулиць,
майданів, аеродромів, складів, товарних станцій, промислових об'єктів і т. ін.).
Залежність світлової віддачі натрієвого розряду від тиску в ньому пари натрію має два максимуми (рис. 4.21). Перший відповідає дуже низькому тиску пари натрію (біля 0,2 Па), а другий - тиску біля 104 Па.
Рис. 4.21. Залежність світлової віддачі натрієвого розряду від тиску в ньому пари натрію
На перший (більший) максимум світлової віддачі орієнтуються при створенні натрієвих ламп низького тиску (НЛНТ), а на другий - ламп високого тиску (НЛВТ).
Як показано вище, при низькому тиску і відносно малій густині струму основним випромінюванням дугового розряду є резонансне випромінювання атомів, які знаходяться в розряді. На відміну від резонансного випромінювання атомів ртуті воно у атомів натрію є видимим (λ=589 нм і λ=589,6 нм). Колір його - жовтий, а до жовтого кольору, як відомо з курсу світлотехніки, око людини дуже чутливе. Саме цей колір резонансного випромінювання натрію значною мірою і зумовлює високу світлову ефективність розряду в його парі.
Оскільки жовте монохроматичне світло забезпечує гарну видимість навіть у тумані, натрієві лампи дуже ефективні у світлосигнальних установках.
Принцип роботи натрієвих ламп такий же, як і ртутних. Проте навіть такий низький тиск, як 0,2-0,4 Па насичені пари натрію мають при температурі 270-300 °С. Тиск 104 Па вони мають при температурі натрію 670-750 °С. Це означає, що розрядні трубки натрієвих ламп навіть при низькому тиску повинні працювати при досить високій температурі. Тому на відміну від ртутних ламп низького тиску в НЛНТ в режимі світіння необхідно навпаки підвищувати температуру найхолодніших зон розрядних трубок. Але це дуже ускладнюється малою питомою потужністю стовпа розряду при низькому тиску через досить великі його розміри і дуже малі значення градієнта потенціалу в ньому.
Розрядні трубки НЛНТ для підвищення їхньої температури розміщують у зовнішніх скляних колбах, які відіграють роль теплоізолюючої оболонки, а для запобігання теплових втрат потужності через конвекцію їх вакуумують. На внутрішню поверхню колби іноді наносять селективно відбиваючі фільтри з окису олова (SnO2) або окису індію (ІпОз), які віддзеркалюють значну частину інфрачервоного (теплового) випромінювання в зворотному напрямку, тобто назад на розрядну трубку і тим самим зменшують теплові втрати потужності розряду через випромінювання. Для жовтого випромінювання шари окисів SnO2 і ІnО3 мають високі значення коефіцієнта пропускання. Частка інфрачервоного випромінювання у загальному випромінюванні НЛНТ залежно від значення струму розряду може становити 12-32 %. Загальний вигляд НЛНТ зображений на рис. 4.22.
Рис. 4.22. Загальний вигляд НЛНТ: a - з U-подібною розрядною трубкою; б - з прямою жолобковою розрядною трубкою
Для збільшення довжини позитивного стовпа розряду розрядній трубці НЛНТ надають U-подібну або жолобкову форму. Діаметр розрядних трубок у цих ламп дорівнює 15-25 мм. Виготовляють їх із спеціальних сортів скла, на які мало впливає пара натрію, зокрема, із хімічно стійкого вапняно-натрієвого скла. На внутрішню поверхню трубок із цього скла наносять покриття товщиною у декілька десятків мікрон з боратного скла, яке є ще тривкішим до впливу пари натрію. Натрій у розрядні трубки вводять з надлишком.
Електроди НЛНТ виготовляють триспіральними оксидними саморозжарювальними, подібними до електродів ЛЛ.
Для запалювання холодних НЛНТ в їхні розрядні трубки, як і в інших РЛ, вводять інертний газ. Найчастіше в НЛНТ вводять неон з домішкою 0,5 - 1 % аргону для зниження напруги запалювання. Тиск неону в розрядних трубках становить (1...1,5)·103 Па. Тиск пари натрію при горінні НЛНТ дорівнює 0,4-1 Па.
Спочатку при запалюванні холодної НЛНТ тиск пари натрію між її електродами зовсім малий і розряд виникає в інертному газі. Відповідно і світловий потік лампи в цей час створюється майже самими атомами інертного газу.
Після того, як розрядна трубка НЛНТ розігріється до температури, вищої за 200 °С, і тиск пари натрію в ній значно підвищиться, жовте світіння лампи поступово стає переважаючим. При нагріванні розрядної трубки до температури 230 - 240 °С світіння інертного газу майже зникає, тому що потенціали іонізації та збудження атомів інертних газів набагато більші, ніж атомів натрію. Напруга, яка необхідна для запалювання НЛНТ, досягає 450-500 B. Тривалість розігрівання НЛНТ становить 10-15 хв. Температура навколишнього повітря мало впливає на їхні параметри.
Через незначну інерційність натрієвого розряду значення коефіцієнта пульсації світлового потоку в НЛНТ наближаються до 100 %.
Натрієві лампи високого тиску
Натрієві лампи високого тиску довгий час не виготовляли через те, що під час світіння цих ламп натрій у них повинен мати температуру не нижчу за 700 °С, а при такій температурі він і його пара швидко (за декілька хвилин) руйнують будь-яке скло і кварцове теж.
У широкому обсязі виготовлення цих ламп почалося після створення світлопропускаючої полікристалічної кераміки, зокрема, полікору (полікристалічного окису алюмінію), здатного тривалий час працювати у контакті з натрієм і його парою при температурі до 1300-1400 °С. Загальний коефіцієнт пропускання видимого випромінювання у цієї особливо чистої кераміки дорівнює 90-95 %.
Дугові натрієві трубчасті лампи високого тиску (ДНаТ) порівняно з лампами типу ДРЛ мають у два рази більшу світлову віддачу й одночасно не поступаються перед ними тривалістю світіння.
Розрядні трубки працюючих НЛВТ, крім інертного газу (ксенону або неону і 0,5 % аргону) і пари натрію, вміщують також і пару ртуті. Але основну частку випромінювання при світінні цих ламп утворюють атоми натрію, оскільки вони мають набагато менші потенціали збудження та іонізації, ніж атоми ртуті та інертного газу. Частка видимого випромінювання ртуті в загальному потоці видимого випромінювання цих ламп - незначна. Тиск пари натрію при світінні цих ламп - (4...14)·103 Па, тобто він є значно нижчим від тиску навколишнього повітря. Основним призначенням пари ртуті, тиск якої у розрядних проміжках цих ламп при їхньому світінні в 10 - 20 разів вищий за тиск пари натрію, є підвищення градієнта потенціалу в стовпі розряду для зменшення номінального струму ламп і розмірів їхніх розрядних трубок. Разом з тим пара ртуті підвищує температуру розряду і зменшує втрати ним тепла. Тиск ксенону в лампі - 2,6·103 Па.
Важливою особливістю спектра випромінювання натрієвої пари при тиску, який вона має в НЛВТ, є значне його розширення відносно ліній резонансного випромінювання натрію, причому більше - в бік довших хвиль. Тому, хоч у цьому спектрі переважає випромінювання жовтого кольору, значним у ньому є і випромінювання інших кольорів, особливо в синьо-зеленій зоні спектра. Через це загальний індекс кольоропередачі у ламп типу ДНаТ вищий (Ra≈25), ніж у НЛНТ і загальне випромінювання цих ламп має досить приємний золотисто-білий відтінок. Дуже важливим є також те, що це випромінювання задовільно передає колір шкіри людини. Колірна температура його Тк≈2100 К. Цим НЛВТ вигідно відрізняються від НЛНТ, що й дозволяє використовувати їх не тільки для зовнішнього, але й для внутрішнього освітлення.
Спектр випромінювання лампи типу ДНаТ у видимій області показаний на рис. 4.23, а її будова - на рис. 4.24.
Рис. 4.23 Спектр випромінювання лампи типу ДНаТ у видимій області
Рис. 4.24 Будова лампи типу ДНаТ : 1 - колба; 2 - розрядна трубка з полікору; 3 - траверса (тримач); 4 - відкачна трубка; 5 - гетерні кільця; 6 - ніжка; 7 - цоколь
Розрядну трубку НЛВТ розміщують у зовнішній колбі з термостійкого скла або кварцу, форма якої зазвичай наближається до трубчастої. Проте виготовляють лампи і з еліпсоїдними зовнішніми колбами, як і у ламп типу ДРЛ. Як і у ламп з низьким тиском, колби НЛВТ вакуумуються для запобігання теплових втрат потужності, зумовлених конвективним теплообміном, і для уникання окислення вводів. Для поглинання газів, які виділяються з деталей лампи під
час її світіння, на колбу поблизу цоколя напиляють барієвий газопоглинач. Зовнішній діаметр розрядних трубок з полікору залежно від потужності лампи складає 5-12 мм, а товщина стінки становить 0,5-1 мм. Для виготовлення вводів використовують ніобій, значення температурного коефіцієнта розширення якого наближається до його значення для полікору.
Оскільки полікор є кристалічним матеріалом, перевести його нагріванням у пластичний стан для запресування ніобієвих струмовводів не можна. Тому в одній з конструкцій вводів ламп цього типу (рис. 4.25, а ) застосовують ніобієві ковпачки 2, в кожен з яких впаюється ніобієва трубка, яка одночасно є відкачною трубкою, тримачем електрода і зовнішнім виводом розрядної трубки. Для припаювання вводу до полікорової розрядної трубки, яке виконується при температурі біля 1500 °С, застосовують спеціальний високотемпературний склоцемент.
Рис. 4.25 Будова вводів розрядних трубок НЛВТ з ніобієвим ковпачком (а) і з керамічною втулкою (б): 1 - ніобієва відкачка трубка; 2 - ніобієвий ковпачок; 3 - електрод; 4 - керамічна втулка; 5 - місце паяння
В іншій конструкції вводів (рис. 4.25, б ) до кінців полікорової трубки за допомогою високотемпературного склоцементу припаюють керамічні втулки 4 з впаяними в них вводами з ніобію. До кожного вводу прикріплюють вольфрамовий активований електрод.
Натрій і ртуть вводять в лампу у вигляді амальгами (25 % натрію і 75 % ртуті за масою).
Баланс потужності існуючих НЛВТ приблизно такий: на видиме випромінювання припадає приблизно 30 % потужності, а на ультрафіолетове та інфрачервоне - біля 20 %. Теплові втрати потужності у стовпі розряду складають приблизно 44 %, а на електродах - 6 %.
Допоміжні запалюючі електроди в існуючих НЛВТ не застосовують через труднощі виготовлення вакуумнощільних вводів у розрядну трубку. Для запалювання цих ламп потрібний імпульс високої напруги (до 2,5 кВ) тривалістю 1-2 мкс. Запалюються ці лампи від вбудованого в колбу пускового пристрою, який складається з вольфрамової спіралі та біметалічного розмикача.
У холодній лампі контакти розмикача замкнуті. Після вмикання лампи вольфрамова спіраль нагрівається струмом, який пропускається крізь неї, і нагріває біметалевий контакт розмикача. При спрацюванні розмикач розриває електричне коло, яке крім вольфрамового нагрівача вміщує дросель. При розмиканні цього кола виникає ЕРС електромагнітної індукції, яка і запалює лампу. Контакти розмикача у лампі, що світиться, розімкнуті, тому що нагрітий біметалевий контакт знаходиться у зігнутому стані. У робочий режим лампа входить приблизно через 5 хв. Відразу після засвічення вона випромінює біле світло, оскільки розряд відбувається в атмосфері ксенону. З випаровуванням натрію випромінювання лампи набуває характерного золотистого кольору.
Світлові та електричні характеристики НЛВТ значно залежать від напруги електричної мережі. Характер змін потужності ламп Рл, напруги на них Сл, струму в них Іл і світлового потоку Ф при різних відхиленнях напруги електричної мережі См від номінальної показаний на рис. 4.26.
Температура навколишнього середовища мало впливає на характеристики цих ламп і вони можуть працювати при його температурі в діапазоні мінус 60 оС - плюс 40 оС. Проте перегрівання цих ламп у світильниках є недопустимим, оскільки температура їхньої зовнішньої колби не може перевищувати 360 - 400 оС, а цоколя 200 оС.
Рис. 4.26 Залежність потужності НЛВТ Рл, напруги Un, струму Іл і світлового потоку Ф від відхилень напруги мережі від номінальної
Значення коефіцієнта пульсації світлового потоку при живленні НЛВТ від джерела змінного струму з частотою 50 Гц у зв’язку з малою інерційністю натрієвого розряду досягають 70-80 %. Розподіл яскравості у цих ламп відзначається істотною нерівномірністю.
З інших особливостей НЛВТ необхідно зазначити те, що робоча напруга на них у процесі експлуатації поступово підвищується, причиною чого є поступовий витік натрію з розрядної трубки, а також забруднення пальника лампи матеріалами електродів, що розпилюються, через що підвищується температура пальника. І коли напруга перезапалювання лампи при зміні полярності електродів починає перевищувати напругу мережі живлення, то лампа гасне. Після охолодження вона запалюється і розгорається, але через короткий час знову гасне і т. д.
У зв’язку з тим, що поширені натрієві лампи мають відносно невисоку якість кольоропередачі, їх доцільно використовувати сумісно з лампами типів ДРЛ і ДРЙ.
Змішане випромінювання цих ламп має колірну температуру, яка наближається до колірної температури випромінювання ЛР, а загальна їхня світлова віддача більша, ніж при використанні тільки ламп типів ДРЛ і ДРЙ.
Вартість НЛВТ поки що перевищує вартість ламп типів ДРЛ і ДРЙ в 7 - 10 разів і, незважаючи на це, застосування їх завдяки високій світловій віддачі з точки зору економічності є навіть дуже вигідним.