高壓鈉燈的基本知識

高壓鈉燈的基本知識

1?? 高壓鈉燈的基本知識
高壓鈉燈使用時發(fā)出金白色光，它具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不誘蟲等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于道路、高速公路、機場、碼頭、船塢、車站、廣場、街道交匯處、工礦企業(yè)、公園、庭院照明及植物栽培。高顯色高壓鈉燈主要應(yīng)用于體育館、展覽廳、娛樂場、百貨商店和賓館等場所照明。
1.1? 工作原理
當燈泡啟動后，電弧管兩端電極之間產(chǎn)生電弧，由于電弧的高溫作用使管內(nèi)的鈉汞齊受熱蒸發(fā)成為汞蒸氣和鈉蒸氣，陰極發(fā)射的電在向陽極運動過程中，撞擊放電物質(zhì)有原子，使其獲得能量產(chǎn)生電離激發(fā)，然后由激發(fā)態(tài)回復(fù)到穩(wěn)定態(tài)；或由電離態(tài)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，再回到基戊無限循環(huán)，多余的能量以光輻射的形式釋放，便產(chǎn)生了光。高壓鈉燈中放電物質(zhì)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(shù)頻繁，使共振輻射譜線加寬，出現(xiàn)其它可見光譜的輻射，因此高壓鈉燈的光色優(yōu)于低壓鈉燈。
高壓鈉燈是一種高強度氣體放電燈泡。由于氣體放電燈泡的負阻特性，如果把燈泡單獨接到電網(wǎng)中去，其工作狀態(tài)是不穩(wěn)定的，隨著放電過程繼續(xù)，它必將導(dǎo)致電路中電流無限上升，最后直至燈光或電路中的零、部件被過流燒毀。
1.1.1?? 伏—安特性
高壓鈉燈同其他氣體放電燈泡一樣，工作是弧光放電狀態(tài)，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。在恒定電源條件下，為了保證燈泡穩(wěn)定地工作，電路中必須串聯(lián)一具有正阻特性的電路無件來平衡這種負阻特性，穩(wěn)定工作電流，該元件稱為鎮(zhèn)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(zhèn)流器體積小，價格便宜，與高壓鈉燈配套使用會發(fā)生啟動困難，工作時電阻產(chǎn)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(xiàn)象。
電容性鎮(zhèn)流器雖然不象電阻性鎮(zhèn)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(chǎn)生脈沖峰值電流，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(tài)，成為理想的鎮(zhèn)流器。
電感性鎮(zhèn)流器損耗小，阻抗穩(wěn)定，阻抗菌素性偏差小，使用壽命長，燈泡的穩(wěn)定度比電阻性鎮(zhèn)流器好，目前與高壓鈉燈配套使用的鎮(zhèn)流器均為電感性鎮(zhèn)流器。其缺點較苯重及價格偏高。
另外，電子鎮(zhèn)流器已經(jīng)開始出現(xiàn)，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，一般情況下很少被采用。
所以，高壓鈉燈必須串聯(lián)與燈泡規(guī)格相應(yīng)的鎮(zhèn)流器后方可使用。高壓鈉燈的點燈電路是一個非線性電路，功率因數(shù)較低，因此在網(wǎng)路上考慮接補償電容，以提高網(wǎng)路的功率因數(shù)。
1.2?? 結(jié)構(gòu)和材料
?? 1.2.1?? 電弧管
電弧管是高壓鈉燈的關(guān)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；而采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(yōu)于多晶捫化鋁陶瓷管；因其價格昂貴，所以目前很少被采用。
電弧管是把電極、多晶捫化鋁陶瓷這、帽、焊料環(huán)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，然后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(jīng)混粉、噴泉霧干燥、等靜壓成形、素燒、高溫燒結(jié)和切割等工序制成。
高壓鈉燈的光、電參數(shù)與電弧管的內(nèi)徑和弧長（兩電極之間距離）有著密切聯(lián)系。
1.2.2?? 燈芯
燈芯是采用金屬支架將電弧管、消氣劑環(huán)等固定在芯柱上，電弧管兩端電極分別與芯柱上兩根內(nèi)導(dǎo)絲相連接。芯柱由導(dǎo)絲、排氣管和喇叭經(jīng)高溫火焰熔融成一體。金屬導(dǎo)絲與玻璃封接部分的膨脹系數(shù)應(yīng)與匹配，可避免因二種封接材料的膨脹系數(shù)不相同，造成封接處玻璃產(chǎn)生應(yīng)力而爆裂或燈泡慢性漏氣。
1.2.3?? 玻殼
玻殼是選用高溫的硬料玻璃制造。玻殼與燈芯的喇叭口經(jīng)高溫火焰熔融封口，然后抽真空或充入惰性氣體后，再裝上燈頭整個燈泡基本成型。由于電弧管在高溫狀態(tài)下工作，其外裸的金屬極易氧化、變???? 脆，就必須將電弧管置于真空或惰性氣體的外殼內(nèi)。這樣還可減少電弧管熱量損失，提高冷端溫度，提高發(fā)光效率。
1.2.4?? 燈頭
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(yīng)牢固，不能有松動和脫落現(xiàn)象。所以，目前一般采用螺紋機械緊固技術(shù)，可防止焊泥自然老化而脫落。制造燈頭的材料一般采用黃銅帶，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(huán)境中使用，還可以在黃銅燈頭表面涂覆鉻層或鎳層。其規(guī)格型號有： E27 、 E40 二種。
1.2.5?? 消氣劑
玻殼內(nèi)經(jīng)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(wěn)定地工作；所以在玻殼內(nèi)放置適量消氣劑，可將燈泡內(nèi)真空度提高到 1.4X10 -4 Pa 高真空狀態(tài)。目前，高壓鈉燈一般采用鋇消氣劑，它是把鋇鈦合金置于金屬環(huán)內(nèi)，再將其固定在消氣劑蒸散后不影響光輸出的位置。燈泡經(jīng)抽真空工序后，采用高頻感應(yīng)加熱金屬環(huán)，使環(huán)內(nèi)鋇鈦合金受熱后蒸散，在蒸散過程中吸收殘余有害氣體，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(fā)現(xiàn)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(xù)使用，必須調(diào)換新燈泡。
1.2.6?? 汞
汞常態(tài)時呈液態(tài)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(zhèn)流器體積，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)，增高電弧溫度，提高輻射功率。
1.2 7?? 鈉
該元素呈銀白色金屬，也稱金屬鈉。它的理化性能有質(zhì)軟而輕，可溶于汞生齊。鈉光譜特點為共振輻射線寬，偏向紅色區(qū)，總輻射功率高；高壓鈉燈的光色和發(fā)光效率與鈉蒸氣壓有關(guān)。目前，工業(yè)化生產(chǎn)的高壓鈉燈均采用鈉汞齊添加入燈泡內(nèi)，可簡化生產(chǎn)工藝，同時使燈泡參數(shù)一致性有很大提高。
1.2 8?? 氙
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(fā)光效率。
1.3?? 顯色性的改善
白熾燈泡工作時發(fā)出暖色光，而且顯色性極佳（顯色指數(shù) 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(yōu)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(fā)光效率和暖色調(diào)氣氛；在改善顯色性方面，人們經(jīng)過孜孜不倦地努力，已研制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(chǔ)上，采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(nèi)氙氣壓力，使電弧中心部分溫度升高，而其余放電部分溫度較低，通過改變電弧溫度分布的途徑來改善顯色性，其顯色指數(shù)已提高到 Ra =70 ～ 80, 發(fā)光效率可達 80 流明 / 瓦以上，可拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，為使用高顯色高壓鈉取代白熾煤泡成為現(xiàn)實。
2?? 高壓鈉燈的技術(shù)參數(shù)
2.1?? 啟動特性
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(xù)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(wěn)定，放電便趨向穩(wěn)定，燈泡的光通量、工作電壓、工作電流和功率也處于正常工作狀態(tài)。在正常工作條件下，整個啟動過程約需 10 分鐘左右。
2.2?? 光和電參數(shù)
2.2.1?? 高壓鈉燈的光和電參數(shù)
2.2.2?? 高顯色高壓鈉燈的光和電參數(shù)
2.2.3?? 光通量維持率
2.3?? 電源電壓變化對光、電參數(shù)的影響
電源電壓的波動必將引起燈泡個、電參數(shù)的變化，由圖 2.3 可見，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(fā)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% 范圍之內(nèi)變化。
2.4?? 壽命
2.4.1?? 高壓鈉燈的壽命
2.4.2?? 高顯色高壓鈉燈的壽命
2.4.3?? 平均壽命
平均壽命指一批受試燈泡樣品點燃至 50% 數(shù)量損壞時之時數(shù)。
3?? 高壓鈉燈的工作電路系統(tǒng)
在高壓鈉燈的工作電路中除了燈泡外，還必須按內(nèi)觸發(fā)高壓鈉燈或外觸發(fā)高壓鈉燈分別選用相應(yīng)的工作電路，如燈泡 + 鎮(zhèn)流器或者燈炮 + 鎮(zhèn)流器 + 觸發(fā)器的工作電路，方可達到高壓鈉燈正常工作的要求。
3.2?? 外觸發(fā)高壓鈉燈的燃點電路
外觸發(fā)高壓鈉燈的燃點電路中必須與配套鎮(zhèn)流器串聯(lián)使用外，還要在燈泡兩端并聯(lián)一個觸發(fā)器后，高壓鈉燈方可正常使用。目前，高壓鈉燈觸發(fā)器普遍由電子元件組成，亦稱為電子觸發(fā)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(yōu)點，而受到用戶的青睞。
3.2.1?? 兩端倍壓式電子觸發(fā)器的啟動電路
兩端倍壓式電子觸發(fā)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(jīng)過 V 1 、 L 1 和 L 2 向 C 2 充電，同時，經(jīng)過 L 1 向 C 1 充龜，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 ，由于 V 1 的單向?qū)щ娞匦裕?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(shù)比為 10 ： 1 ，經(jīng)過 L 1 升壓后輸出脈沖電壓可達 3000V ，使燈泡啟動點燃。
兩端倍壓式電子觸發(fā)器的電路簡單，因晶閘管的觸發(fā)電流隨溫度為化較大，開啟式電壓會在很大范圍內(nèi)漂移工作可靠生差。它是早期使用的高壓鈉燈電子觸發(fā)器。
3.2.2?? 雙向晶閘管觸發(fā)器啟動電路
近年來，雙向晶閘管觸發(fā)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(fā)導(dǎo)通， C1 經(jīng)過 L2 和 C2 放電， L2 上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，經(jīng) L1 耦合產(chǎn)生脈沖高壓，使燈泡啟動點燃；在電源負半周時，燈泡仍然能啟動點燃。
圖 3.4
3.3.3?? 三端電子觸發(fā)器啟動電路
由于某些使用場合的局限性，往往燈泡與鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器之間距離甚遠，導(dǎo)致電子觸發(fā)器輸出的脈沖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(fā)器和三端式鎮(zhèn)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(zhèn)流器的電感線圈作為脈沖變壓器，使電感量增加，放電持續(xù)時間延長，有利于燈光啟動。
4?? 高壓鈉燈鎮(zhèn)流器
在高壓風俗燈的工作電路中，與燈泡配套使用的鎮(zhèn)流器有電感式鎮(zhèn)流器和電子式鎮(zhèn)流器兩種。電感受式鎮(zhèn)流器由電感線圈和矽鋼片回路制成非封閉狀，而專門留有很小間隙，使磁場處于非飽和狀態(tài)，從而起到穩(wěn)定電流的作用。電子式鎮(zhèn)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(jié)電的產(chǎn)品，它具有功耗低、體積小、重量輕、功率因數(shù)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(jié)能燈）中應(yīng)用較廣泛，而在大功率氣體放電燈方面，困難度較大，還未達到推廣應(yīng)用階段。
4.1?? 一般要求
鎮(zhèn)流器是高壓鈉燈的重要配套件，它的性能和質(zhì)量好壞直接對高壓鈉燈的壽命、發(fā)光效率和自熄產(chǎn)生影響。高壓鈉燈鎮(zhèn)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(huán)境溫度 -40 ～ +45 ℃的條件下，能連續(xù)工作 12 小時以上。在額定電壓下用鎮(zhèn)流器測試燈泡功率與用規(guī)定的基準鎮(zhèn)流器測試燈泡功率相對比，其偏差應(yīng)在± 7.5% 范圍內(nèi)。
必須重申： 不同規(guī)格的高壓鈉燈必須配用相應(yīng)規(guī)格的鎮(zhèn)流器，燈泡與鎮(zhèn)流器不能任意配用，尤其小功率燈泡配用大功率鎮(zhèn)流器后，導(dǎo)致燈泡工作電流過大，縮短使用壽命，甚至?xí)篃襞轃龤А?
在煤泡整個壽命期間，鎮(zhèn)流器的電壓——功率特性曲線必須在規(guī)定的燈泡電壓和功率極限范圍內(nèi)變化。
4.2?? 電壓 - 功率特性曲線
為了使鎮(zhèn)流器符合燈泡的工作性能要求，燈泡電壓在 95 ～ 105% 的范圍內(nèi)任意變動，燈泡電壓的極限線交點都應(yīng)在功率極限范圍內(nèi)，并且在燈泡電壓的整個偏差范圍內(nèi)始終保持在功率偏差范內(nèi)。理想的高壓鈉燈鎮(zhèn)液壓器應(yīng)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(zhèn)流器性能佳。
曲線 B 表示在高壓鈉燈大部分工作時間處于過載狀態(tài)，鎮(zhèn)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；在燈泡壽命后期，燈泡功率及發(fā)光效率急劇下降，同樣也影響燈泡使用壽命，鎮(zhèn)流器對燈泡功率限制作用太差，鎮(zhèn)流器性能很差，不宜采用。
4.3?? 技術(shù)參數(shù)?
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