Лампы высокого давления
В последнее время на улицах и площадях Москвы и некоторых других городов нашей страны появились светильники с необычными лампами, дающими сильный золотисто-желтый свет, особенно выделяющийся на фоне уже привычного серебристо-белого света дуговых ртутных ламп с люминофором (ДРЛ). Это натриевые лампы высокого давления (НЛВД) — одно из самых крупных достижений светотехники за последние 15 лет.
Повышение световой отдачи, то есть количества получаемого света на единицу затраченной мощности, — генеральное направление развития источников света. И это понятно, ведь на освещение мы расходуем 10—12% всего вырабатываемого количества электрической энергии.
Много энергии идет и на освещение городов. Сейчас только в Москве каждый вечер зажигается свыше 170 тысяч светильников, и их число продолжает увеличиваться. Города быстро растут, резко усиливается интенсивность движения. Повышаются требования к уровню и качеству освещения.
В 20-х годах многие улицы Москвы еще освещались газовыми фонарями, световая отдача которых составляла 1—2 люмена на ватт (лм/Вт); в 30-х годах их сменили лампы накаливания со световой отдачей 10—16 лм/Вт; в послевоенные годы наряду с лампами накаливания широко применялись люминесцентные лампы 50 — 60 лм/Вт).
В 50-х годах начали применять ДРЛ со световой отдачей 40—50 лм/Вт. У новых ламп — НЛВД — световая отдача превышает 100 лм/Вт.
Особо надо сказать о спектре излучения ламп.
Есть области применения, где требуется точное различение цвета, например, в текстильной, лакокрасочной промышленности.
При освещении же улиц, площадей надо прежде всего обеспечить водителям транспорта возможность хорошего и быстрого различения предметов не только в ясную, но и в туманную погоду. Если освещаемое место связано с пребыванием людей, то необходимо, хотя бы качественно, различать цвета предметов, а цвет человеческих лиц должен оставаться близким к естественному.
Здесь по своей экономичности на первое место выходят красивые и оригинальные светодиодные споты Сталкер, которые не подвержены мерцанию, благодаря чему глаза устают намного меньше, чем от светосберегающих ламп.
До недавнего времени при освещении улиц и других объектов, где не требуется высокое качество цветопередачи, наиболее эффективными были лампы ДРЛ — газоразрядные лампы, в которых используется излучение дугового разряда в парах ртути при высоком давлении (2— 5 атм).
Такая лампа представляет собой трубку из прозрачного кварцевого стекла, по концам которой герметично впаяны вольфрамовые электроды, содержащие активатор, который облегчает эмиссию электронов. После тщательного удаления газов разрядная трубка наполняется таким количеством ртути, чтобы при работе лампы оно полностью испарялось, а также аргоном до давления 15—30 мм рт. ст. и запаивается. Разрядная трубка монтируется в стеклянной колбе, внутреннюю поверхность которой покрывают слоем порошкообразного люминофора. Колба откачивается, удаляются газы, зетем наполняется аргоном (с добавкой азота) до давления 150—400 мм рт. ст. и запаивается. Для включения в сеть лампа имеет традиционный цоколь. Лампы выпускаются мощностью 80, 125, 250, 400, 700, 1 000 Вт и рассчитаны на работу от сети переменного тока напряжением 220 В (есть лампы 2 000 Вт на 380 В).
В силу особенностей газового разряда лампы можно включать в сеть только последовательно с балластным сопротивлением, ограничивающим ток в цепи лампы до требуемой величины. При работе на переменном токе в качестве такого балласта используется дроссель.
При включении в сеть в лампе возникает электрический разряд, сперва в аргоне с малой примесью паров ртути (давление порядка 0,005 мм рт. ст.). По мере разогревания разрядной трубки происходит испарение ртути, ее давление повышается. Вместе с тем растет напряжение на лампе, увеличивается яркость и меняется характер распределения энергии по спектру. Спустя 2—3 минуты разрядная трубка нагревается до 600—700°С; вся ртуть переходит в парообразное состояние и устанавливается рабочий режим свечения.
Чисто ртутный разряд при высоком давлении имеет световую отдачу 40— 50 лм/Вт, но он мало пригоден для целей освещения, главным образом из-за отсутствия излучения в красной части спектра.
Лица людей в свете таких ламп выглядят мертвенно-бледными с сине-лиловым оттенком. Для исправления этого недостатка служит слой люминофора. Около 40% мощности, излучаемой разрядом, приходится на невидимую ультрафиолетовую часть спектра и примерно по 30% на видимую и инфракрасную части. Люминофор поглощает ультрафиолетовое излучение и преобразует его в видимое, лежащее в красной части спектра.
Срок службы современных ламп ДРЛ достигает 10—15 тысяч часов.
Еще в 30-х годах были разработаны лампы с разрядом в парах натрия при давлении около 0,005 мм рт. ст. За прошедшие годы их удалось значительно усовершенствовать, и теперь световая отдача промышленных образцов достигает 150—175 лм/Вт, а срок службы 5—7 тысяч часов. Таких высоких световых отдач пока еще не имеет ни один другой промышленный источник света. Однако натриевые лампы низкого давления так и не получили заметного применения, главным образом из-за того, что они излучают только желтый, почти монохроматический свет. Предметы и люди выглядят при этом или черными, или желтыми, или пельно-серыми.
Нельзя отличить один цвет от другого, и вообще представление о цвете теряет смысл. Кроме того, лампы могут изготавливаться только на сравнительно малые мощности (до 200 Вт) и имеют большие размеры.
В самом конце 50-х годов исследователи довольно неожиданно обнаружили, что при повышении давления паров натрия до 30—200 мм рт. ст. наблюдается второй, неизвестный ранее максимум световой отдачи. Но самое главное, что при этом цвет излучения становится золотисто-желтым.
Открывалась заманчивая перспектива создания компактных ламп с очень высокой световой отдачей и с приемлемым для многих целей качеством цветопередачи. Но ни одно из известных стекол не выдерживало работу в парах натрия при температуре 650—800°С, необходимой для получения давления 30—200 мм рт. ст. В результате взаимодействия натрия с двуокисью кремния стекло чернело и быстро разрушалось.
Необходимо было создать новый материал для оболочек газоразрядных ламп, устойчивый к воздействию паров натрия при высоких температурах. Такой материал был вскоре разработан. Он представляет собой керамику на основе поликристаллической окиси алюминия высокой степени чистоты.
В процессе создания НЛВД пришлось решить множество проблем, с которыми до этого не приходилось сталкиваться. Одной из наиболее сложных (после разработки светопропускающей керамики и тонкостенных трубок из нее) оказалась проблема получения вакуумно-плотного соединения металла с керамикой. Сегодня и эта проблема решена.
Современная НЛВД представляет собой тонкостенную (0,8 мм) цилиндрическую разрядную трубку диаметром 9—12 мм из светопропускающей (до 90—92%) поликристаллической окиси алюминия. Концы трубки герметично закрыты металлическими колпачками из ниобия или керамическими пробками с ниобиевыми трубочками, на которых укреплены активированные вольфрамовые электроды. После соответствующей обработки внутрь трубки вводится дозированное количество амальгамы натрия и инертный газ при давлении в несколько десятков мм рт. ст.
Разрядная трубка монтируется внутри стеклянного баллона; из него удаляются газы, и он откачивается до высокого вакуума. Вакуумированный стеклянный баллон защищает ниобиевые колпачки и детали от окисления, помогает поддерживать на разрядной трубке высокую температуру, делает ее мало зависимой от температуры окружающей среды и положения горения.
Лампы НЛВД тоже включаются в сеть только последовательно с дросселем. В отличие от ламп ДНЛ для возникновения разряда необходимо подать импульсы напряжения 2,5—3 тыс. В. Существуют различные приемы и схемы выработки таких импульсов. Это либо малогабаритная электронная схема на полупроводниках, которая подключается параллельно лампе, либо во внешний баллон встраивается термобиметаллический размыкатель. (Сейчас разработаны лампы, которые могут зажигаться и непосредственно от сети, но их световая отдача на 25 — 30% ниже, чем у обычных НЛВД.)
После зажигания разряда происходит постепенное разогревание разрядной трубки, повышается давление паров ртути и натрия, растет напряжение на лампе и ее яркость. Цвет излучения из чисто желтого постепенно переходит в золотисто-желтый. Этот процесс продолжается около 2—3 минут.
Характерно, что и при высоком давлении основную долю излучения составляют те же желтые пинии, что и при низком давлении. Однако с ростом давления эти линии настолько сильно уширяются как в сторону длинных, так и коротких волн, что спектр простирается с одной стороны в оранжево-красную область, а с другой — в зеленую. Кроме того, усиливается излучение линий натрия в зеленой и голубой частях спектра. Качество цветопередачи становится приемлемым для освещения улиц, площадей, высокоскоростных трасс, туннелей, мостов, складов, сортировочных станций, некоторых цехов с высокими пролетами, подсветки зданий и освещения других объектов, где не требуется высококачественная передача цвета.
НЛВД, которые появились немногим более 10 лет назад, заметно совершенствуются: повышается их световая отдача, которая в зависимости от мощности составляет 90 — 130 лм/Вт; увеличивается срок службы: если еще несколько лет тому назад он составлял 3—5 тысяч часов, то сейчас перешагнул за 10—12 тысяч. Важно, что в процессе работы лампы наблюдается лишь слабый спад светового потока.
Современные НЛВД выпускаются на мощности 250—1000 Вт, наиболее распространены лампы 400 Вт (недавно разработаны лампы на малые мощности: 50—150 Вт). Лампы пока еще сравнительно дороги, но по мере совершенствования производства, конечно, цена их будет снижаться.
Доктор технических наук Г. Рохлин.
По материалам журнала «Наука и жизнь» № 3 1977 г.
