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高壓鈉燈(High pressure sodium lamp)放電穩定時,燈內鈉蒸氣的分壓強達到106Pa的鈉燈。使用時發出金白色光,具有發光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不誘蟲等優點。廣泛應用於道路、高速公路、機場、碼頭、船塢、車站、廣場、街道交匯處、工礦企業、公園、庭院照明及植物栽培。高顯色高壓鈉燈主要應用於體育館、展覽廳、娛樂場、百貨商店和賓館等場所照明。

高壓鈉燈直管高壓鈉燈
高壓鈉燈使用時發出金白色光,具有發光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不誘蟲等優點。廣泛應用於道路、高速公路、機場、碼頭、船塢、車站、廣場、街道交匯處、工礦企業、公園、庭院照明及植物栽培。高顯色高壓鈉燈主要應用於體育館、展覽廳、娛樂場、百貨商店和賓館等場所照明。

1 高壓鈉燈 -工作原理

高壓鈉燈金屬高壓鈉燈
當燈泡啟動后,電弧管兩端電極之間產生電弧,由於電弧的高溫作用使管內的鈉汞齊受熱蒸發成為汞蒸氣和鈉蒸氣,陰極發射的電在向陽極運動過程中,撞擊放電物質有原子,使其獲得能量產生電離激發,然後由激發態回復到穩定態;或由電離態變為激發態,再回到基戊無限循環,多餘的能量以光輻射的形式釋放,便產生了光。高壓鈉燈中放電物質蒸氣壓很高,也即鈉原子密度高,電子與鈉原子之間碰撞次數頻繁,使共振輻射譜線加寬,出現其它可見光譜的輻射,因此高壓鈉燈的光色優於低壓鈉燈。 高壓鈉燈是一種高強度氣體放電燈泡。由於氣體放電燈泡的負阻特性,如果把燈泡單獨接到電網中去,其工作狀態是不穩定的,隨著放電過程繼續,它必將導致電路中電流無限上升,最後直至燈光或電路中的零、部件被過流燒毀。
 
高壓鈉燈同其他氣體放電燈泡一樣,工作是弧光放電狀態,伏—安特性曲線為負斜率,即燈泡電流上升,而燈泡電壓卻下降。在恆定電源條件下,為了保證燈泡穩定地工作,電路中必須串聯一具有正阻特性的電路無件來平衡這種負阻特性,穩定工作電流,該元件稱為鎮流器或限流器。電阻器、電容器、電感受器等均肯有限流作用。 電阻性鎮流器體積小,價格便宜,與高壓鈉燈配套使用會發生啟動困難,工作時電阻產生很高的熱量,需有較大的散熱空間、消耗功率很大,將會使電路總照明效率下降。它一般在直流電路中使用,百交流電路中使用燈光有明顯所閃爍現象。 電容性鎮流器雖然不象電阻性鎮流器自身消耗功率很大,溫升低,在電源頻率較低時,電容器充電時,會產生脈衝峰值電流,對電極造成極大損害,燈光閃爍,影響燈泡使用壽命;在高頻電路中工作,電壓波動能達到理想狀態,成為理想的鎮流器。 電感性鎮流器損耗小,阻抗穩定,阻抗菌素性偏差小,使用壽命長,燈泡的穩定度比電阻性鎮流器好,目前與高壓鈉燈配套使用的鎮流器均為電感性鎮流器。其缺點較苯重及價格偏高。 另外,電子鎮流器已經開始出現,目前其價格昂貴,可靠性還不能與高壓鈉燈相匹配,除特殊場合使用外,一般情況下很少被採用。 所以,高壓鈉燈必須串聯與燈泡規格相應的鎮流器後方可使用。高壓鈉燈的點燈電路是一個非線性電路,功率因數較低,因此在網路上考慮接補償電容,以提高網路的功率因數。

2 高壓鈉燈 -結構材料

高壓鈉燈弧形高壓鈉燈
電弧管是高壓鈉燈的關鍵部件。電弧管工作時,高溫高壓的鈉蒸氣腐蝕性極強,一般的抗鈉玻璃和石英玻璃均不能勝任;而採用半透明多晶氧化鋁和陶瓷管做電弧管管體較為理想。它不僅具有良好的耐高溫和抗菌素鈉蒸氣腐蝕性能,還有良好的可見光穿越能力。另外,單晶氧化鋁陶瓷管在耐高溫、抗菌素鈉蒸氣腐蝕和透光率等性能均優於多晶捫化鋁陶瓷管;因其價格昂貴,所以目前很少被採用。 電弧管是把電極、多晶捫化鋁陶瓷這、帽、焊料環裝配在一起,加入鈉汞齊進入封接爐封接;同時充入少量氙氣,以改善燈泡的啟動特性。電極是用高純鎢絲繞成螺旋狀,在螺旋孔中插入芯桿,浸漬電子粉,然後將電極芯桿一端和鈮管封閉端焊接成一體。多晶氧化鋁陶瓷管(帽)是選用多晶氧化鋁陶瓷粉經混粉、噴泉霧乾燥、等靜壓成形、素燒、高溫燒結和切割等工序製成。 高壓鈉燈的光、電參數與電弧管的內徑和弧長(兩電極之間距離)有著密切聯繫。

 燈芯是採用金屬支架將電弧管、消氣劑環等固定在芯柱上,電弧管兩端電極分別與芯柱上兩根內導絲相連接。芯柱由導絲、排氣管和喇叭經高溫火焰熔融成一體。金屬導絲與玻璃封接部分的膨脹係數應與匹配,可避免因二種封接材料的膨脹係數不相同,造成封接處玻璃產生應力而爆裂或燈泡慢性漏氣。

玻殼是選用高溫的硬料玻璃製造。玻殼與燈芯的喇叭口經高溫火焰熔融封口,然後抽真空或充入惰性氣體后,再裝上燈頭整個燈泡基本成型。由於電弧管在高溫狀態下工作,其外裸的金屬極易氧化、變 脆,就必須將電弧管置於真空或惰性氣體的外殼內。這樣還可減少電弧管熱量損失,提高冷端溫度,提高發光效率。

燈頭的作用是方便燈泡與燈座、電路相連接。長壽命燈泡要求燈頭與玻殼連接應牢固,不能有鬆動和脫落現象。所以,目前一般採用螺紋機械緊固技術,可防止焊泥自然老化而脫落。製造燈頭的材料一般採用黃銅帶,它可與燈座保持較小的接觸電阻,減輕金屬表面氧化層。如燈泡在特殊環境中使用,還可以在黃銅燈頭表面塗覆鉻層或鎳層。其規格型號有: E27 、 E40 二種。

玻殼內經抽真空后,其真空度僅為 6.6X10 -2 Pa ,仍可使金屬零件氧化,影響燈泡穩定地工作;所以在玻殼內放置適量消氣劑,可將燈泡內真空度提高到 1.4X10 -4 Pa 高真空狀態。目前,高壓鈉燈一般採用鋇消氣劑,它是把鋇鈦合金置於金屬環內,再將其固定在消氣劑蒸散后不影響光輸出的位置。燈泡經抽真空工序后,採用高頻感應加熱金屬環,使環內鋇鈦合金受熱后蒸散,在蒸散過程中吸收殘餘有害氣體,同時在玻殼頸部形成 一層黑色鏡面。必須指出 ,消氣劑放置位置非常重要,以黑色鏡面不阻礙光線輸出為宜;在使用過程中如發現黑色鏡面部分或全部變成灰白色,它指示該燈泡已漏氣,不能繼續使用,必須調換新燈泡。

汞常態時呈液態狀,具有銀白色鏡面光澤。在電弧管中加入泵可提高燈管工作電壓,降低工作電流,減小鎮流器體積,改善電網的功率因數,增高電弧溫度,提高輻射功率。

該元素呈銀白色金屬,也稱金屬鈉。它的理化性能有質軟而輕,可溶於汞生齊。鈉光譜特點為共振輻射線寬,偏向紅色區,總輻射功率高;高壓鈉燈的光色和發光效率與鈉蒸氣壓有關。工業化生產的高壓鈉燈均採用鈉汞齊添加入燈泡內,可簡化生產工藝,同時使燈泡參數一致性有很大提高。

氙氣是一種稀有氣體,它在燈泡中的作用是幫助啟動和降低啟動電壓。氙氣壓的高低還將影響燈泡的發光。

3 高壓鈉燈 -啟動特性

高壓鈉燈高電效高壓鈉燈
白熾燈泡工作時發出暖色光,而且顯色性極佳(顯色指數 Ra=100 ),從它誕生至今的相當長時間時里,仍然被人們廣泛使用的照明光源。雖然使用高壓鈉燈雖然有許多優點,但是光色( Ra=30 )、色溫約 2000K 。為了保持高壓鈉燈的長壽命、高發光效率和暖色調氣氛;在改善顯色性方面,人們經過孜孜不倦地努力,已研製出符合上述要求的高顯色高壓鈉燈(又稱白光高壓鈉燈)。 高顯色高壓鈉燈是在高壓鈉燈的基礎上,採用提高鈉蒸氣壓和增大電弧管管徑,同時在電弧管兩端裹上一層鈮箔,提高冷端溫度等措施來改善顯色性;另外,提高充入電弧管內氙氣壓力,使電弧中心部分溫度升高,而其餘放電部分溫度較低,通過改變電弧溫度分佈的途徑來改善顯色性,其顯色指數已提高到 Ra =70 ~ 80, 發光效率可達 80 流明 / 瓦以上,可拓寬應用領域,為使用高顯色高壓鈉取代白熾煤泡成為現實。

高壓鈉燈啟動后,在初始階段是汞蒸氣和氙氣的低氣壓放電。這時候,燈泡工作電壓很低,電流很大;隨著放電過程的繼續進行,電弧溫度漸漸上升,汞、鈉蒸氣壓由放電管最冷端溫度所決定,當放電管冷端溫度達到穩定,放電便趨向穩定,燈泡的光通量、工作電壓、工作電流和功率也處於正常工作狀態。在正常工作條件下,整個啟動過程約需 10 分鐘左右。

電源電壓的波動必將引起燈泡個、電參數的變化,如果電源電壓上升將引起燈泡工作電流增大,促使電弧管冷端溫度提高,汞、鈉蒸氣壓增高,工作電壓、燈泡功率隨著增高,造成要泡壽命大大下降;反之。電源電壓降低,燈光不能正常工作,發光效率下降,還可能造成燈泡不能啟動或自行熄滅。所以,要求客戶在燈泡使用時,電源電壓的波動不宜過大,一般要求在額定值 +6% ~ -8% 範圍之內變化。

在高壓鈉燈的工作電路中除了燈泡外,還必須按內觸發高壓鈉燈或外觸發高壓鈉燈分別選用相應的工作電路,如燈泡 + 鎮流器或者燈炮 + 鎮流器 +觸發器的工作電路,方可達到高壓鈉燈正常工作的要求。

4 高壓鈉燈 -啟動電路

高壓鈉燈低壓高壓鈉燈
外觸發高壓鈉燈的燃點電路中必須與配套鎮流器串聯使用外,還要在燈泡兩端並聯一個觸發器后,高壓鈉燈方可正常使用。目前,高壓鈉燈觸發器普遍由電子元件組成,亦稱為電子觸發器。它具有無機械觸點、可靠性好、體積小、重量輕、使用方便等優點,而受到用戶的青睞。

兩端倍壓式電子觸發器的電原理圖,其工作原理如下:電源電壓在負半周時,電流經過 V 1 、 L 1 和 L 2 向 C 2 充電,同時,經過 L 1 向 C 1 充電,當電源電壓達到最大值 220V ×√ 2=311V 時, C 1 和 C 2 充電電壓達到約 300V ,由於 V 1 的單嚮導電特性, U C2 電壓值保持不變,而 U C1 逐漸放電,直至電壓為零;當電源電壓在正半周時,又通過 L 1 對 L 2 的匝數比為 10 : 1 ,經過 L 1 升壓后輸出脈衝電壓可達 3000V ,使燈泡啟動點燃。 兩端倍壓式電子觸發器的電路簡單,因晶閘管的觸發電流隨溫度變化較大,開啟式電壓會在很大範圍內漂移工作可靠生差。它是早期使用的高壓鈉燈電子觸發器。

雙向晶閘管觸發器使用普遍電原理圖,其工作原理如下:當電源電壓正半周時, V2 觸發導通, C1 經過 L2 和 C2 放電, L2 上產生感應電動勢,經 L1 耦合產生脈衝高壓,使燈泡啟動點燃;在電源負半周時,燈泡仍然能啟動點燃。 三端電子觸發器啟動電路 由於某些使用場合的局限性,往往燈泡與鎮流器、觸發器之間距離甚遠,導致電子觸發器輸出的脈衝高壓在輸送至燈泡途中損耗很大,燈泡兩端電壓偏低不能啟動。建議用刻使用三端式電子觸發器和三端式鎮流器組成的啟動電路,就可以改善電路和啟動特性。此電路特點:它運用鎮流器的電感線圈作為脈衝變壓器,使電感量增加,放電持續時間延長,有利於燈光啟動。

5 高壓鈉燈 -重要配件

高壓鈉燈強光高壓鈉燈
在高壓風俗燈的工作電路中,與燈泡配套使用的鎮流器有電感式鎮流器和電子式鎮流器兩種。電感式鎮流器由電感線圈和矽鋼片迴路製成非封閉狀,而專門留有很小間隙,使磁場處於非飽和狀態,從而起到穩定電流的作用。電子式鎮流器顧名思義它是有電子元件組成的陰流器件,也是近年來實施照明節電的產品,它具有功耗低、體積小、重量輕、功率因數高,燈泡瞬時啟動等特點;目前在小功率氣體放電燈(緊湊型節能燈)中應用較廣泛,而在大功率氣體放電燈方面,困難度較大,國內有深圳中電能投資管理有限公司已經開始成功研發出低頻方波的大功率氣體放氣燈電子鎮流器。

鎮流器是高壓鈉燈的重要配套件,它的性能和質量好壞直接對高壓鈉燈的壽命、發光效率和自熄產生影響。高壓鈉燈鎮流器一般要求功率損耗小,安裝方便、牢固,具有良好的防水、防腐蝕和安全性能,在環境溫度 -40 ~ +45 ℃的條件下,能連續工作 12 小時以上。在額定電壓下用鎮流器測試燈泡功率與用規定的基準鎮流器測試燈泡功率相對比,其偏差應在± 7.5% 範圍內。 必須重申: 不同規格的高壓鈉燈必須配用相應規格的鎮流器,燈泡與鎮流器不能任意配用,尤其小功率燈泡配用大功率鎮流器后,導致燈泡工作電流過大,縮短使用壽命,甚至會使燈泡燒毀。 在煤泡整個壽命期間,鎮流器的電壓——功率特性曲線必須在規定的燈泡電壓和功率極限範圍內變化。

為了使鎮流器符合燈泡的工作性能要求,燈泡電壓在 95 ~ 105% 的範圍內任意變動,燈泡電壓的極限線交點都應在功率極限範圍內,並且在燈泡電壓的整個偏差範圍內始終保持在功率偏差范內。理想的高壓鈉燈鎮液壓器應為:在燈泡電壓上升至上偏差極限點,燈泡功率反而下降。圖中以 250W 高壓鈉燈為例: 曲線 A 表示在高壓鈉燈整個壽命過程中,工作電壓上升,燈泡功率變化較小,鎮流器性能佳。 曲線 B 表示在高壓鈉燈大部分工作時間處於過載狀態,鎮流器性能差。 曲線 C 表示在高壓鈉燈壽命前期,工作電壓上升,使燈泡功率上升很快,縮短燈泡壽命;在燈泡壽命後期,燈泡功率及發光效率急劇下降,同樣也影響燈泡使用壽命,鎮流器對燈泡功率限制作用太差,鎮流器性能很差,不宜採用。

6 高壓鈉燈 -相關詞條

氙燈金屬鹵化物燈
鏑燈電光源
金屬鹵素燈隔柵燈
金鹵燈無極燈

 

7 高壓鈉燈 -參考資料

[1] 九正建材網 http://news.jc001.cn/list/keyId-2322.html

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