Lampy sodowe i metalohalogenkowe

06/11/2011

W artykule przedstawione zostały trzy rodzaje źródeł światła: lampy sodowe niskoprężne, lampy sodowe wysokoprężne oraz lampy metalohalogenkowe. Pokazano zalety i wady poszczególnych konstrukcji, ich podstawowe parametry, budowę oraz główne zastosowania.

Lampy sodowe niskoprężne są źródłami światła o rekordowej skuteczności świetlnej, od 100 lm/W do nawet 200 lm/W, ale o świetle monochromatycznym uniemożliwiającym rozróżnianie barw. Są technologią skończoną, w której trudno oczekiwać jakiegokolwiek wyraźnego postępu. Prototypowe konstrukcje pojawiały się od roku 1923, ale pierwsze znaczniejsze zastosowanie praktyczne pochodzi z roku 1932, kiedy firma Philips oświetliła drogę łączącą odległe o 6 km dwa nieduże miasteczka w pobliżu Maastricht.
Lampy sodowe niskoprężne, podobnie jak lampy rtęciowe niskoprężne, wykorzystują promieniowanie rezonansowe i wobec tego ciśnienie cząstkowe pary sodu, podstawowego składnika atmosfery w jarzniku wynosi około 1 Pa. Promieniowanie rezonansowe sodu to dwie linie widmowe usytuowane tuż obok siebie. Są wynikiem przejścia atomów sodu na poziom energetyczny podstawowy:

Jest to tzw. dublet sodowy, promieniowanie monochromatyczne, światło pomarańczowe, jeśli pominąć śladowe tło widmowe.
W porównaniu z lampą rtęciową niskoprężną (świetlówką) okolicznością niezwykle korzystną jest to, że promieniowanie rezonansowe sodu leży w zakresie widzialnym, a nawet dość blisko długości fali odpowiadającej największej czułości oka. Skuteczność fotometryczna [6] całkowitego promieniowania lampy wynosi η_f = 0,68. Nie są potrzebne luminofory, jak w świetlówce. Zarazem w porównaniu ze świetlówką okolicznością bardzo niekorzystną jest to, że dla uzyskania odpowiedniego ciśnienia nasyconej pary sodu, jarznik trzeba utrzymywać w temperaturze aż około 300^oC, co – zważywszy dużą objętość jarznika, jak w każdej lampie niskoprężnej – niesie efekty niekorzystne. Występują duże straty cieplne obniżające sprawność energetyczną lampy, a zapłon zimnej lampy trwa wyjątkowo długo: 7± 15 min. Aby traconą moc ograniczyć, rurze jarznika nadaje się kształt litery U i umieszcza się ją w „termosie”, w bańce zewnętrznej oddzielonej próżnią (rys. 1). Wewnętrzną powierzchnię bańki zewnętrznej pokrywa się powłoką (In₂O₃ lub SnO₂ lub Au lub Bi₂O₃), stanowiącą filtr interferencyjny odbijający promieniowanie podczerwone.

Rys. 1. Budowa lampy sodowej niskoprężnej [1]:
1 – trzonek BY 22,
2 – bańka zewnętrzna,
3 – reflektor podczerwieni,
4 – próżnia,
5 – wgłębienia jarznika, miejsca kondensacji sodu,
6 – ścianka jarznika,
7 – atmosfera jarznika,
8 – getter

Jarznik ze szkła sodowo-wapniowego ma wewnątrz powłokę ze szkła boranowego, odporną na działanie pary sodu. Ścianka jarznika ma szereg wgłębień, w których wytwórnia umieszcza sód (rys. 1). Są to najchłodniejsze miejsca jarznika, w nich kondensuje się sód podczas stygnięcia wyłączonej lampy i w nich w pracującej lampie pozostaje nadmiar sodu. Gdyby tych wgłębień nie było, sód kondensowałby się na całej wewnętrznej powierzchni jarznika, tworząc zwierciadlaną powłokę odbijającą światło. Aby ograniczyć kondensację sodu w zagięciu U jarznika, które mogłoby też być jednym z najchłodniejszych miejsc, osłania się je pokrywką lub powłoką odbijającą promieniowanie podczerwone.
W jarzniku poza parą sodu znajduje się neon spełniający rolę gazu zapłonowego i gazu buforowego. Podczas rozgrzewu lampy zimnej wzbudzanie neonu daje czerwonawe światło. W warunkach ustalonych zanika ono niemal zupełnie, bo sód ma poziomy wzbudzenia i poziom jonizacji (5,12 eV) kilkakrotnie niższe niż neon. W trakcie zapłonu elektrody wolframowe z dużą ilością emitera nie są podgrzewane. Podwyższone napięcie zapłonowe (rzędu 1,4 U_n) uzyskuje się z transformatora rozproszeniowego, układu autotransformatorowego lub układu L-C.

Rys. 2. Przebieg prądu (Il), napięcia (Ul) i mocy (Pl) jarznika oraz strumienia świetlnego (F) podczas rozświecania lampy sodowej niskoprężnej oraz układ połączeń

Podczas wielu minut rozgrzewu i rozświecania lampy strumień świetlny stopniowo zwiększa się (rys. 2). Pobór prądu i mocy zmienia się w niewielkim zakresie, a w układzie z kompensacją szeregową nie ma zwiększonego prądu załączeniowego.
Lampy sodowe niskoprężne są mniej niż inne lampy wrażliwe na odchylenia napięcia zasilającego (rys. 3), co w niektórych zastosowaniach może być cenną zaletą. Ze względu na wysoką temperaturę jarznika lampa jest też mało wrażliwa na zmiany temperatury otoczenia.

Rys. 3. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów lamp sodowych niskoprężnych [7]

Przydatność lamp sodowych niskoprężnych i właściwy zakres ich stosowania wzbudza emocje: od zachwytu skutecznością świetlną po potępienie za widmo światła. Nie wchodzą w rachubę jako lampy do ogólnych celów oświetleniowych we wnętrzach. Pozostaje oświetlenie dróg o słabym ruchu pieszym bądź dróg miejskich doświetlanych wystawami sklepowymi albo dróg szybkiego ruchu, również autostrad, a zwłaszcza ich węzłów, gdzie do prowadzenia wzrokowego kierowców przydaje się światło o tak wyróżniającej się barwie. Bywa, że niezorientowani w niuansach oświetleniowych kierowcy i inni użytkownicy dróg oświetlonych niskoprężnymi sodówkami w ogóle nie dostrzegają uchybień widzenia barwnego: sygnalizacja świetlna świeci własnym światłem, podobnie pobliskie wystawy sklepowe i napisy świetlne, a kierowca oświetla drogę i przeszkody na niej białym światłem własnych reflektorów.
Monochromatyczne światło sodówek niskoprężnych zapewnia dużą ostrość widzenia, nawet w zamglonej lub zapylonej atmosferze, co jest atutem w oświetleniu drogowym, a także w niektórych silnie zapylonych pomieszczeniach przemysłowych. Przydaje się też na stanowiskach kontroli technicznej wykrywających defekty powierzchni.
Lampy sodowe niskoprężne nie nadają się do instalowania w miejscach narażonych na drgania, np. na estakadach dźwigów ani na mostach lub wiaduktach. Są wyjątkowo dużymi i ciężkimi źródłami światła i mimo stosowanych środków zaradczych łatwo ulegają wtedy uszkodzeniom mechanicznym przy trzonku.

Rys. 4. Budowa lamp sodowych wysokoprężnych [1]:
a) o bańce cylindrycznej przezroczystej;
b) o bańce owalnej matowanej:
1 – trzonek,
2 – getter (pochłaniacz gazów),
3 – doprowadnik,
4 – jarznik,
5 – bańka zewnętrzna,
6 – warstwa rozpraszająca światło

Lampy sodowe wysokoprężne

Jeżeli, wychodząc z warunków panujących w lampie sodowej niskoprężnej
(1 Pa), zwiększać ciśnienie cząstkowe pary sodu, to zanika promieniowanie rezonansowe sodu i skuteczność świetlna wyładowania maleje aż do ciśnienia około 100 Pa. Dopiero przy dalszym zwiększaniu ciśnienia, rosnący udział wyższych przejść energetycznych atomów sodu pozwala znowu uzyskać zadowalający poziom skuteczności świetlnej.
Lampa sodowa wysokoprężna (rys. 4), która to wykorzystuje, pojawiła się na rynku dopiero w roku 1962, kiedy opanowano technologię przejrzystego materiału na jarznik, wytrzymującego działanie pary sodu w temperaturze przekraczającej 750^oC. Jest to lukaloks, tlenek glinu Al₂O₃ z ewentualnym dodatkiem tlenku magnezu MgO, polikrystaliczny o współczynniku przepuszczania do 0,96 albo monokrystaliczny o współczynniku przepuszczania do 0,98. Materiał nie jest plastyczny, wobec tego nie można zatapiać w nim doprowadników. Tnie się odcinki rurki z lukaloksu i z obu końców wprowadza do wnętrza rurki niobowe do elektrod, uszczelnione korkami ceramicznymi. Niob ma współczynnik rozszerzalności cieplnej najbardziej zbliżony do wartości charakteryzującej stosowaną tu ceramikę glinową.
Do niedawna jarznik z reguły zawierał nasyconą parę sodu, parę rtęci jako gaz buforowy, wielokrotnie zwiększający napięcie łuku oraz gaz szlachetny (Xe, A, Ne) jako gaz zapłonowy, a przy okazji – ze względu na dużą masę atomową – ograniczający straty cieplne kolumny łukowej. Jest tendencja eliminowania rtęci (ang. Hg-free lamps) i używania ksenonu jako gazu buforowego.
Zapłon i rozgrzew lampy zimnej trwa 2 do 5 minut. Pobierany prąd początkowo ma wartość (1,4 ÷ 1,6)I_n. Czas powtórnego zapłonu lampy nagrzanej po krótkotrwałym zaniku lub zapadzie napięcia wynosi do 6 minut, ale wprowadzenie anteny zapłonowej spieczonej z jarznikiem pozwala skrócić ten czas poniżej 1 minuty.
Lampy sodowe wysokoprężne są dostępne w zakresie mocy od 35 W do 1000 W i wykazują skuteczność świetlną od 40 lm/W do 150 lm/W. Niestety własności barwowe światła większości typów sodówek wysokoprężnych nie są dobre: wskaźnik oddawania barw R_a < 35 przy T_cp ≈ 2000 ÷ 2100 K, nieliczne mają wskaźnik R_a ≈ 65 przy T_cp ≈ 2150 K, nieakceptowany we wnętrzach o stałym przebywaniu ludzi. Barwa światła złotożółta jest natomiast do przyjęcia w oświetleniu ulicznym, a pożądana do dekoracyjnego oświetlania różnych budowli, zwłaszcza wykonanych z piaskowca. Za poprawę własności barwowych do poziomu R_a ≈ 80 ÷ 85 przy T_cp = 2500 K płaci się dwukrotnym obniżeniem skuteczności świetlnej, do poziomu 50 ÷ 60 lm/W. Ta dziedzina ma jeszcze znaczny potencjał rozwojowy. Trwają poszukiwania nowych rozwiązań, jeśli chodzi o skład i parametry robocze atmosfery w jarzniku. Doskonali się elektroniczne układy stabilizująco-zapłonowe gwarantujące stabilność parametrów mimo procesów starzeniowych, objawiających się zwiększaniem napięcia łuku oraz mocy pobieranej, i mimo występujących odchyleń napięcia, na które sodówki wysokoprężne są bardziej wrażliwe (rys. 5) niż sodówki niskoprężne.

Rys. 5. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów lamp sodowych wysokoprężnych [7]

Lampy metalohalogenkowe

Lampy metalohalogenkowe są pomysłem z roku 1911, zrealizowanym na skalę przemysłową dopiero w roku 1962. Obejmują wiele odmian lamp do ogólnych celów oświetleniowych (rys. 6, 7) i do celów specjalnych (np. główne światła samochodowe).
Do przestrzeni wyładowania w jarzniku poza rtęcią wprowadza się również inne metale, ich atomy są wzbudzane i do wzbogacenia widma wykorzystuje się ich wyższe przejścia energetyczne, dające promieniowanie w zakresie widzialnym. Spośród ogólnej liczby osiemdziesięciu metali wchodzi w rachubę użycie około pięćdziesięciu, które spełniają wszelkie stawiane warunki:

Rys. 6. Budowa lampy metalohalogenkowej o przezroczystej bańce zewnętrznej [7]

• atomy mają liczne poziomy wzbudzenia, znacznie niższe niż poziom jonizacji, łatwo wzbudzają się w atmosferze pary rtęci o dużym ciśnieniu cząstkowym, a prawdopodobieństwo ich jonizacji jest nieduże,
• w temperaturze roboczej jarznika do 1000 K tworzą lotne halogenki, a ich ciśnienie cząstkowe pary nasyconej jest rzędu 1 kPa,
• uzupełniają promieniowanie w pożądanym zakresie widma,
• ich chemiczne oddziaływanie na ścianki jarznika i elektrody nie nadweręża nadmiernie trwałości lampy.

Rys. 7. Różne kształty lamp metalohalogenkowych o bańce przezroczystej (1¸ 4) lub matowanej (5 i 6) [7]. Lampa 4 (E40, 2000 W i 3500 W) dwutrzonkowa z odpowiednim układem zapłonowym jest przystosowana do bezzwłocznego ponownego zapłonu po krótkotrwałym zaniku napięcia

Można użyć różnej liczby wspomnianych metali i w rozmaitych proporcjach. Liczba możliwych kombinacji rozwiązań lamp metalohalogenkowych jest nieograniczona. Wykorzystują one szczególnie skomplikowany mechanizm wytwarzania światła i nadal mają ogromne możliwości rozwojowe. W lampach seryjnie produkowanych nie przekracza się liczby dziesięciu metali, na ogół jest ich nie więcej niż pięć. Do najczęściej wykorzystywanych należą:

Wspomniane metale wprowadza się do jarznika nie w postaci czystej, lecz w postaci halogenków, na ogół jodków. W warunkach roboczych halogenki są lotne, a w osi jarznika, w kolumnie łukowej, dysocjują, wprowadzając tam atomy podatne na wzbudzenie.
W rozgrzanym jarzniku składnikiem o największym ciśnieniu cząstkowym (rzędu 10⁵ Pa) jest para rtęci, która nie tylko dodaje swoje linie widmowe, ale również:
• pełni rolę gazu buforowego, pozwalając uzyskać pożądany poziom napięcia łuku,
• ogranicza dyfuzję innych metali z osi kolumny łukowej w kierunku ścianek jarznika,
• wiąże nadwyżkę jodu w przezroczysty jodek rtęciowy HgJ₂ (o temperaturze wrzenia 351^oC), bo sam jod silnie pochłania światło.
Przy wielu składnikach niełatwo utrzymać jednorodny skład atmosfery w całej objętości jarznika o niejednakowej temperaturze, zapobiec „rozwarstwianiu się” składników, co niekorzystnie odbija się na strumieniu świetlnym i na barwie światła. Dąży się z tego powodu do ograniczania objętości jarznika i unika się wydłużonych jarzników. Powinien to być cylinder o stosunku wysokości do średnicy nieprzekraczającym 4, a wyjątkowo 5.
Ciśnienia cząstkowe par nasyconych użytych metali zależą od temperatury najchłodniejszego punktu jarznika. Stąd wrażliwość lamp metalohalogenkowych na odchylenia napięcia zasilającego i na odchylenia od przewidzianego przez wytwórcę położenia pracy. Końce jarznika powinny mieć temperaturę wyższą od średniej, by zapobiec tam kondensacji jodku sodu NaJ i niektórych innych halogenków.
Jarznik początkowo wykonywano z czystego kwarcu (jarznik kwarcowy), ale pozwalał on na dyfuzję składników atmosfery jarznika i stopniową degradację parametrów wyładowania; obecnie używa się również lukaloksu (jarznik ceramiczny), który temu zapobiega. Lampy metalohalogenkowe z ceramicznym jarznikiem mają bardziej stabilne parametry barwowe i większą trwałość, a dzięki wyższej temperaturze jarznika również wyższą skuteczność świetlną. Bańka zewnętrzna ze szkła hartowanego jest przezroczysta (rys. 7) albo matowana dla zmniejszenia luminancji.

Rys. 8. Przebieg prądu pobieranego (1) i strumienia świetlnego (2) podczas rozświecania lampy metalohalogenkowej 1000 W (wartości względne odniesione do znamionowych)

Mieszaninę Penninga ułatwiającą zapłon stanowi para rtęci oraz gazy szlachetne (Ne+A lub Kr+A). Halogenki, obecne w postaci lotnej również w trakcie zapłonu, są elektroujemne, co niestety podnosi napięcie zapłonowe lampy. Rzadko – w przypadku lamp mniejszej mocy – wystarcza elektroda zapłonowa i układ zasilania ze statecznikiem, jak w przypadku zwykłej rtęciówki. Do zapłonu zimnej lampy jest na ogół potrzebny układ zapłonowy wytwarzający impulsy napięciowe (np. o częstotliwości 22,5 kHz) o wartości szczytowej 1,8… 3 kV. Rozgrzew trwa kilka minut (rys. 8), a prąd wtedy pobierany może być blisko dwukrotnie większy niż znamionowy, co wymaga uwzględnienia przy projektowaniu instalacji. Natychmiastowy zapłon lampy nagrzanej, po krótkotrwałym zaniku lub zapadzie napięcia wymaga przyłożenia napięcia o wartości szczytowej 25 ¸ 60 kV i specjalnej konstrukcji lampy dwustronnie trzonkowanej (rys. 7). Lampy metalohalogenkowe są bardzo wrażliwe na odchylenia napięcia (rys. 9).

Rys. 9. Wpływ względnej wartości napięcia zasilającego na względną wartość parametrów
lamp metalohalogenkowych [7]

Dostępny asortyment lamp do ogólnych celów oświetleniowych obejmuje szeroki zakres mocy od 20 W do 2000 W przy skuteczności świetlnej od 60 lm/W do 100 lm/W, przy czym te większe wartości na ogół nie idą w parze z doskonałymi parametrami barwowymi światła. Są jednak dostępne lampy o wskaźniku Ra > 95 przy temperaturze barwowej Tcp = 6500 K, niezastąpione w miejscach, gdzie są najwyższe wymagania w tym względzie i trzeba wytworzyć ogromny strumień świetlny: stadiony przystosowane do transmisji telewizyjnej.
Wymieniając same źródła światła w istniejących oprawach oświetleniowych można poprawić własności barwowe wytwarzanego światła. Podobnie, jak w przypadku lamp sodowych wysokoprężnych, doskonalone są elektroniczne stateczniki i regulatory strumienia świetlnego.

dr inż. Edward Musiał

L i t e r a t u r a
1. Baer R.: Beleuchtungstechnik. Grundlagen. Verlag Technik, Berlin-München, 1990.
2. Florentine F. A. i inni: Lighting high bay areas with electrodeless lamps. Journal of the Illuminating Society, Winter 1997, s. 27-34.
3. Gündel H., Sonnenburg R.: Frequenzverhalten von Leuchtstofflampen. Elektrie, 1989, nr 1, s. 8-10.
4. Kiefer G.: VDE 0100 und die Praxis. VDE Verlag, Berlin, 1992.
5. Litvinov V. S., Rochlin G. N.: Teplovye istočniki optičeskogo izlučenija. Čnergija, Moskva, 1975.
6. Musiał E.: Podstawowe pojęcia techniki oświetleniowej. Biuletyn SEP „Informacje o normach i przepisach elektrycznych”, 2005, nr 75, s. 3-38.
7. Ris H. R.: Beleuchtungstechnik für Praktiker. VDE-Verlag, Berlin-Offenbach, 1992.
8. Roth H.: Sachgerechter Einsatz von Kompaktleuchtstofflampen. Elektropraktiker, 1994, nr 2,
s. 128-130, nr 3, s. 231-233.
9. Turner B. P. i inni: Sulfur lamps – progress in their development. Journal of the Illuminating Society, Winter 1997, s. 10-16.
10. Directive 2000/55/EC of the European Parliament and of the Council of 18 September 2000 on energy efficiency requirements for ballasts for fluorescent lighting.
11. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 14 czerwca 2005 r. w sprawie zasadniczych wymagań w zakresie efektywności energetycznej dla stateczników do lamp fluorescencyjnych. Dz. U. 05.110.929. Rozporządzenie wprowadzające Dyrektywę 2000/55/EC.
12. Directive 2002/95/EC of the European Parliament and of the Council of 27 January 2003 on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment. (Directive RoHS)
13. Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 6 października 2004 r. w sprawie szczegółowych wymagań dotyczących ograniczenia wykorzystywania w sprzęcie elektronicznym i elektrycznym niektórych substancji mogących negatywnie oddziaływać na środowisko. Dz. U 04.229.2310. Rozporządzenie wprowadzające Dyrektywę RoHS.

Lampy sodowe i metalohalogenkowe

Aktualności

Notowania – GIE

Wyniki GUS

Archiwum

Elektrosystemy

Śledź nas