Natrijeva svetilka

Prižgana nizkotlačna natrijeva svetilka

Natrijeva plinska svetilka je svetilka, ki uporablja natrij v vzbujenem stanju za izdelavo svetlobe. Ločimo dve različice takšnih svetilk: nizkotlačne in visokotlačne. Ker natrijeve žarnice povzročajo manjše onesnaženje kot žarnice iz živega srebra, jih uporabljajo v mnogih mestih, ki imajo velike astronomske observatorije.

LSP Nizkotlačna natrijeva svetilka

Ugasnjena svetilka 35W LPS/SOX

Prižgana svetilka 35W LPS/SOX lamp

Spekter nizkotlačne natrijeve svetilke. Intenzivna rumena prikazuje atomsko natrijevih emisij D-linije, ki obsega približno 90% vidne svetlobe emisij za ta tip svetilke.

Nizkotlačno natrijevo (LPS) svetilko sestavlja plinska cev iz borosilikatnega stekla, ki vsebuje trden natrij in manjšo količino neona, argona in penning mešanico, za začetek plinskega praznjenja. Izpustna cev je lahko ravna (SLI svetilka) ali v obliki črke U. Ko je svetilka vključena oddaja temno rdeče/rožnato svetlobo, ki segreje natrijevo kovino in v nekaj minutah se spremeni v običajno svetlo rumeno, ker se natrijeva kovina spremeni v paro. Te svetilke proizvedejo skorajda monokromatsko svetlobo, ki ima v povprečju 589,3 nm valovne dolžine (pravzaprav dve dominantni spektralni črti, ki sta zelo skupaj druga drugi pri 589,0 in 589,6 nm). Kot rezultat barve osvetljenih predmetov, ni lahko ločiti, ker so videti skoraj popolnoma rumene, kot njihova refleksija te ozke pasovne širine.

LPS svetilke sestavljajo zunanja steklena ovojnica v vakuumu, okoli cevi za toplotno izolacijo, kar izboljšuje njihovo učinkovitost. Predhodna različica LPS svetilk je imela snemljivo »dewar« ovojnico (SO svetilke) . Svetilke s stalno vakumsko ovojnico (SOI svetilke) so bile razvite za izboljšanje toplotne izolacije . Nadaljnji napredek je bil dosežen s prevleko steklene ovojnice z infrardečo plastjo indijkositrnega oksida, ki se pokaže v SOX svetilkah.

LPS svetilke so najbolj učinkoviti svetlobni vir na električni pogon, ki so merjene za fotopične svetlobne pogoje - do 200 lm /W, predvsem zato, ker je svetlobni učinek na valovni dolžini blizu vrha občutljivosti človeškega očesa. Kot rezultat se pogosto uporabljajo za zunanjo razsvetljavo, kot so cestne luči in varnostna razsvetljava. LPS svetilke so na voljo z nazivnimi močimi od 10 W do 180 W, vendar daljše žarnice povzročajo tehnične težave ter težave oblikovalcem.

LPS svetilke so tesneje povezane s fluorescenčnimi svetilkami kot z visoko-intenzivnostnimi svetilkami, saj imajo nizek pritisk, nizko-intenzivni vir izpusta in linearno obliko svetilke. Tako fluorescenčne svetilke ne prikazujejo svetlega loka kot druge HID svetilke. Oddajajo mehkejši svetlobni sij, ki zmanjšuje bleščanje. Za razliko od HID svetilk, ki lahko ugasnejo v času padca napetosti, nizkotlačne natrijeve svetilke zelo hitro zasijejo v polni svetlosti.

Druga edinstvena lastnost svetilke LPS je, da za razliko od drugih vrst svetilk, jim svetilnostne upada s starostjo. Kot primer, živosrebrne HID žarnice proti koncu svoje življenjske dobe izgubljajo svetilnost do te mere, da so neučinkovite, medtem ko LPS svetilke še naprej delujejo v polni nazivni električni moči. LPS svetilkam se malo poveča električna poraba približno 10% do konca njihove življenjske dobe, ki je običajno okoli 18.000 ur za sodobne svetilke.

HPS Visokotlačne natrijeve svetilke

Visoko tlačna natrijeva svetilka Philips SON-T Master 600W

Spekter visoko tlačne natrijeve svetilke. Rumeno-rdeča črta na levi je atomska natrijeva D-linija emisij, turkizna črta je natrijeva črta, ki je sicer precej ozka, v nizkem tlaku izpusta, vendar postane intenzivno v visok odvodni pritisk. Večina drugih barv zelene, modre in vijolične črte nastanejo zaradi živega srebra.

Poslovna stavba osvetljena z visokotlačnimi natrijevimi svetilkami.

Visokotlačne natrijeve (HPS) svetilke so manjše in vsebujejo dodatne elemente (npr. živo srebro). Takoj po prižigu proizvedejo temno rožnat sijaj, ko se ogrejejo pa rožnato oranžno svetlobo. Nekatere žarnice lahko na kratko proizvedejo jasno do modrikasto belo svetlobo. To je najverjetneje zaradi tega, ker živo srebro zažari prej, preden se natrij popolnoma ogreje. Natrijeva D linija je glavni vir svetlobe svetilke HPS. Je zelo tlačno razširjeno z visokim tlakom natrija v svetilki. Zaradi te razširitve in emisij živega srebra, je barve predmetov pod temi svetilkami mogoče razlikovati. To omogoča, da se uporabljajo na področjih, kjer je dobra barvna reprodukcija pomembna ali zaželena. Posledično so nov model poimenovali SON (sonce), ki pa se uporablja predvsem v Evropi in Veliki Britaniji. Zelo priljubljene pa so tudi pri notranjem gojenju rastlin, zaradi širokega spektra barv, temperature in relativno nizke porabe energije.

Visokotlačne natrijeve svetilke so precej učinkovite, približno 100 lm / W, ko je merjena na fotopičnih svetlobnih pogojih. Pogosto se uporabljajo zunaj, kot ulične svetilke in za varnostne razsvetljave. Razumevanje spremembe človeškega zaznavanja občutljivosti barv od dobre osvetlitve do mračje oziroma teme, bistvenega pomena za pravilno načrtovanje razsvetljave cest.

Zaradi izjemno visoke kemijske aktivnosti v natrijevem loku, je ta cevka običajno izdelana iz prosojnega aluminijevega oksida. Konstrukcija je bila narejena pod vodstvom General Electric, ki so uporabili trgovsko ime »Lucalox«, za svojo linijo visokotlačnih natrijevih svetilk.

Ksenon se pri nizkem tlaku uporablja kot »začetni plin« v HPS svetilkah, ker ima najnižjo toplotno prevodnost in najnižji ionizacijski potencial od vseh neradioaktivnih žlahtnih plinov. Kot žlahtni plin, ne posega v kemijske reakcije, ki se dogajajo med delovanjem svetilke. Ko je svetilka v stanju delovanja ta zmanjša nizko toplotno prevodnost, medtem, ko nizek ionizacijski potencial povzroča zmanjševanje napetosti plina v stanju mirovanja, kar omogoča, da se lahko svetilka lažje prižge.

»Bel« SON

Različica visokotlačne natrijeve svetilke, beli SON, je bil prvič predstavljen leta 1986. Ima višji tlak kot tipične visokotlačne HPS/SON svetilke. Proizvedejo barvno temperaturo okoli 2700K z CRI 85. Pogosto se uporabljajo v zaprtih prostorih kot so: restavracije in bari, ker ustvarijo posebno vzdušje. Te svetilke so nekoliko dražje, imajo krajšo življenjsko dobo in nižji svetlobni učinek.

Teorija delovanja

Amalgam (zmes) kovinskega natrija in živega srebra leži na najbolj hladnih delih svetilke in zagotavlja hlapom natrija in živega srebra, kar je potrebno, da ustvarita lok. Višja kot je temperatura svetilke, višja bo temperatura amalgama in višja kot bo temperatura amalgama, višji bo tlak hlapov natrija in živega srebra v svetilki. Povišanje v kovinskih pritiskih bo povzročil večjo električno odpornost svetilke. Med dvigovanjem temperature, tok ostane konstanten, se pokaže kot povečanje moči, dokler ne doseže normalne (delovne) moči. Za določeno napetost so običajno trije načini delovanja:

1. Svetilka je ugasnjena in ni nobenega toka
2. Svetilka deluje s tekočim amalgamom v cevi
3. Svetilka deluje, ko vsi amalgami hlapijo

Prvo in zadnje stanje je stabilno, saj je odpornost svetilke šibko povezana z napetostjo, medtem ko je drugo stanje nestabilno. Vsako nenavadno povečanje bo povzročilo povečanje moči, kar bi povzročilo povečanje temperature amalgama. To bi povzročilo zmanjšanje upornosti in posledično dodatno povečanje toka. Nastal bi učinek »bežanja« in svetilka bi skočila na visoko trenutno stanje. Ker navadne svetilke niso narejene, da bi zdržale tako močen pritisk, bi bil rezultat katastrofalen. Podobno se zgodi, če nepravilno pade pogon svetilke, saj bi ugasnila. V drugem stanju je delovanje svetilke optimalno in zaželeno, ker bo počasi izgubilo amalgam in bo večja možnost, da bo delovanje konstantno skozi celotno obdobje, ki traja povprečno 20,000 ur.

V splošni uporabi, svetilko poganja vir izmenične napetosti (AC) v seriji z induktivnim »balastom«, da bi zagotovil konstanten tok, ne pa napetost, kar zagotavlja stabilno delovanje. »Balast« je po navadi induktiven in ne preprost upor za zmanjšanje izgube upornosti. Ker luč dejansko ugasne pri vsaki točki nič v AC ciklu, induktivni »balast« pomaga pri ponovnem vžigu napetosti konice iz AC točke nič.

Svetloba iz svetilke vsebuje atomske linije emisij živega srebra in natrija, vendar prevladujejo emisije natrijeve D-linije. Ta linija je izredno tlačno (resonančno) razširjena, zaradi absorpcije hladnejših zunanjih delov loka, ki daje svetilki boljše barvne reprodukcijske značilnosti. Poleg tega je rdeče krilo D-linije dodatno razširjeno zaradi Van der Waalsove sile živega srebra atomov v loku.

Svetlobno onesnaževanje

Ena od posledic široke javne razsvetljave je, da se ob oblačnih ali meglenih nočeh, predvsem v velikih mestih, svetloba z javne razsvetljave odbija od oblakov. Kar povzroča, da nebo dobi oranžen sijaj, zaradi določenega kota hlapov natrija. To pa vpliva tudi na astronome, saj jim onemogoča njihovo delo, ker je oranžen sijaj premočan, zato se morajo izogibati mestom, kjer je javna svetloba zelo močna.

Konec delovanja

Ob koncu življenjske dobe visokotlačne natrijeve svetilke se zgodi pojav znan kot »kolesarjenje«, ki je posledica izgube natrija v loku. Natrij je zelo reaktiven element, ki se zlahka izgubi zaradi reakcije aluminijevega oksida v cevi loka. Pri tem nastane natrijev oksid in aluminij.

6 Na + Al₂O₃ → 3 Na₂O + 2 Al

Rezultat tega je, da lahko te svetilke začnejo delovati pri zelo nizki napetosti, vendar ko se segrevajo se tlak plina v loku povečuje in vedno več napetosti je potrebno za praznjenje loka. Ko se svetilka postara, napetost preseže maksimalno možno in zaradi tega svetilka ugasne. Sčasoma, ko lok ugasne, se svetilka ohladi in pritisk plinov v cevi loka počasi zmanjša. Oblika pa povzroča, da svetilka potem še nekajkrat zasveti in nato ugasne. Bolj sofisticirane oblike zaznajo »kolesarjenje« in se odrečejo poskušanju ponovnega zaganjanja svetilke po nekaj krogih. Ko svetilko ugasnemo in čez čas ponovno prižgemo, se bo »kolesarjenje« ponovno pojavilo in naredilo nekaj krogov.

LPS svetilkam okvare ne povzroči »kolesarjenje«. Svetilka se enostavno ne prižge več ali pa bo obdržala svoj temno rdeč sijaj kot v začetni fazi.

Viri

• de Groot, J J; van Vliet, J A J M (1986). The High-Pressure Sodium Lamp. Deventer: Kluwer Technische Boeken BV. ISBN 9789020119022. OCLC 16637733.
• Waymouth, John F (1971). Electric Discharge Lamps. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 9780262230483. OCLC 214331.

• Museum of Electric Discharge Lamps
• Setting up discharge lamps video also store in UK Arhivirano 2010-02-13 na Wayback Machine.

Glej tudi

• Ergonomska osvetlitev
• Žarnica
• Kompaktna fluorescentna sijalka
• Živosrebrna svetilka
• Svetleča dioda