Světelné zdroje – vysokotlaké sodíkové výbojky

 

Vysokotlaké sodíkové výbojky jsou světelné zdroje, v nichž je světlo vyzařováno hlavně sodíkovými parami s provozním parciálním tlakem v rozmezí 3 až 60 kPa.

 

Výboj v parách sodíku je ze světelnětechnického hlediska velmi zajímavý a již od třicátých let minulého století se využívá v nízkotlakých sodíkových výbojkách, v nichž tlak par sodíku při pracovní teplotě 270 °C dosahuje asi 0,5 Pa. Sodík se vyznačuje intenzivním rezonančním dubletem ve žluté části spektra s vlnovou délkou 589,0/589,6 nm, která se blíží maximu spektrální citlivosti lidského oka. Měrný výkon těchto výbojek od špičkových výrobců v současné době dosahuje až 200 lm/W. Přes své velmi špatné podání barev, kdy všechny barvy osvětlovaných předmětů, kromě oranžové, se jeví jako barvy šedé různé sytosti, nacházejí své použití, zejména při osvětlování dálnic. Tyto výbojky jsou nyní nejúčinnější umělé světelné zdroje vůbec.

 

Při zvyšování tlaku par sodíku světelná účinnost klesá, prochází minimem a dále opět roste, takže při tlaku přibližně 10 kPa dosahuje druhého maxima (obr. 1) a v závislosti na dalších parametrech (složení amalgámu sodíku, druh, tlak plnicího plynu, geometrické parametry hořáku, příkon výbojky a kvalita použitého materiálu, z něhož je hořák vyroben apod.) může dosáhnout až 150 lm/W. Při rostoucím tlaku par sodíku se výrazně rozšiřují spektrální čáry a vzniká silné spojité záření při současném růstu absorpce rezonančního záření. S rostoucím tlakem je stále zřetelnější asymetrie rozšiřování rezonančních čar k oběma koncům spektra. Spektrum záření je bohatší, což má za následek i lepší podání barev osvětlovaných předmětů. S využitím výboje v parách sodíku lze tedy získat světelné zdroje, jejichž kvalita světla se pohybuje ve velmi širokém rozmezí, od nízkotlaké výbojky charakterizované R_a = 0 až po speciální typy vysokotlakých výbojek s R_a > 85.

 

Poznámka: Klasické vysokotlaké sodíkové výbojky se zlepšeným podáním barev, uváděné v textu obr. 1, jsou přes jejich relativní novost již postupně nahrazovány halogenidovými výbojkami s keramickým hořákem [1], které mají podstatně vyšší měrný výkon při stejných, popř. dokonce lepších vlastnostech z hlediska podání barev.

 

Zvyšování tlaku sodíkových par předpokládá velkou koncentraci výkonu, a tedy i růst pracovní teploty výbojové trubice na hodnoty, při nichž se hlinito-boritá skla, odolná proti působení sodíku a využívaná při výrobě nízkotlakých sodíkových výbojek, stávají nepoužitelnými. Vzhledem k nedostatečné odolnosti proti působení sodíku nelze použít ani teplotně odolnější křemenné sklo. Vlastnosti vysokotlakého sodíkového výboje mohly být plně využity v praxi teprve v polovině šedesátých let minulého století, kdy americká firma General Electric vyvinula průsvitný polykrystalický korund (Al₂O₃) s obchodním názvem Lucalox. Jeho vynikající optické, mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti vedly k výrazné změně sortimentu vysokotlakých sodíkových výbojek ve smyslu jeho významného rozšíření a dalšího zlepšení užitných vlastností těchto zdrojů. Zásadní změna materiálu hořáku si vynutila použití nové technologie vakuově těsného uzavření hořáku, dávkování svíticích příměsí, čerpání hořáků, jakož i využití nových materiálů na výrobu systému elektrod.

 

Konstrukce vysokotlaké sodíkové výbojky je naznačena na obr. 2.

 

Hořák je zhotoven z průsvitného korundu (jsou publikovány i práce popisující použití průzračného korundu „vypěstovaného“ v podobě monokrystalu s ještě větší propustností). Trubice je na obou koncích uzavřena proudovými průchodkami různého provedení (např. hluboký kalíšek, jeden nebo několik drátů), které jsou ke korundové trubici připájeny speciální skelnou pájkou. Kvalita pájky rozhodujícím způsobem ovlivňuje život výbojky. Místo spoje keramika-kov musí odolávat dlouhodobému působení sodíkových a rtuťových par při vysokých pracovních teplotách a velkým teplotním nárazům při zapínání a vypínání výbojky. Materiál průchodek rovněž musí odpovídat součiniteli teplotní roztažnosti korundu. Zatím se ukazuje, že jediný kov, který vyhovuje všem uvedeným požadavkům, je niob. K niobovému dílu je připájena nebo přivařena wolframová elektroda, na níž je nanesena emisní hmota např. na bázi oxidu barnatého s příměsí wolframového prášku. Polohou elektrody v hořáku lze regulovat teplotu prostoru za elektrodami; tato teplota určuje tlak par sodíku v hořáku, a tím i základní elektrické a světelné parametry výbojky. Vzhledem k tomu, že výboj pracuje v režimu nasycených par, je teplota nejchladnějšího místa hořáku velmi důležitá. Rtuť se sodíkem se do hořáku dávkuje v podobě amalgámu příslušného složení, které se může u každého typu výbojky lišit. Hořák se plní inertním plynem, jehož funkce je stejná jako u jiných vysokotlakých výbojek, tj. usnadňuje zapálení výboje a zabraňuje zvýšenému odpařování emisní hmoty v počáteční fázi jeho rozvinutí, kdy výbojkou prochází proud převyšující jmenovitou hodnotu až o 40 %. Z hlediska účinnosti je nejvhodnější xenon, protože se v porovnání s ostatními vzácnými plyny vyznačuje nejmenší teplotní vodivostí, a tudíž zajišťuje nejvyšší měrný výkon výbojky. Hořák je vložen do vnější baňky vyčerpané na vysoké vakuum, které snižuje tepelné ztráty hořáku a současně chrání niobové průchodky před oxidací. Pro udržení vysokého vakua po celý život výbojky je do baňky umístěn vhodný getr (používá se odpařitelný baryový getr anebo getr na bázi slitiny Zr + Al aj.). Výbojka je opatřena běžnou závitovou paticí s keramickým kamenem nebo bajonetovou, popř. kolíkovou paticí podle konkrétního typu. Výbojka má díky své náplni a konstrukci hořáku vyšší zápalné napětí, takže k jejímu zapálení je nutné používat zapalovací zařízení generující vysokonapěťový impulz s amplitudou 2,8 až 4,5 kV. Výjimkou je tzv. Penningova směs (Ne + 0,5 % Ar), která umožňuje zapálit výboj pouze působením síťového napětí a bez zapalovače, avšak měrný výkon je asi o 25 % nižší než při použití xenonu. Tato náplň našla své použití v sodíkových výbojkách, které jsou určeny jako přímá náhrada rtuťových výbojek v již existujících starších instalacích bez nutnosti použít zapalovač a bez výměny tlumivek. Taková náhrada spoří až 15 % elektrické energie a zároveň vede i k 20% až 35% zvýšení hladiny osvětlenosti bez velkých investic. Jde však o výběhový typ, jenž není vhodný pro použití v nových osvětlovacích soustavách.

 

Tlak xenonu, nejpoužívanějšího plnicího plynu, rovněž ovlivňuje měrný výkon výbojky. Při jeho růstu z 1,3 na 28 kPa měrný výkon roste asi o 25 %. Je však třeba počítat s mírným zhoršením podání barev (snížení R_a o několik jednotek) a s vyšším zápalným napětím. V těchto případech se používají speciální zapalovací pomůcky (např. ve podobě wolframového vodiče umístěného v bezprostřední blízkosti podél hořáku anebo přímo nasintrovaného na hořák již při výrobě korundové trubičky) a výrobcem jsou obvykle vyžadovány konkrétní typy zapalovacích zařízení s dostatečně vysokým zapalovacím impulzem. V souvislosti se zpřísněnými ekologickými požadavky je i u sodíkových výbojek vyvíjena snaha zmenšit množství rtuti v hořáku. Přestože byl tento krok zpočátku spojen s určitými problémy se spolehlivostí zapálení výboje a se stabilitou parametrů výbojek během svícení, v současné době se již objevily vysokotlaké sodíkové výbojky od mnoha výrobců bez rtuti a lze očekávat, že se jejich podíl bude postupně mírně zvětšovat, i když za cenu menšího měrného výkonu (asi o 12 až 17 % podle typu výbojky).

 

Vysokotlaké sodíkové výbojky je nutné provozovat v obvodu s tlumivkou a vhodným zapalovacím zařízením, které vyhovuje mezinárodním normám IEC anebo s předepsaným elektronickým předřadníkem. V současné době jsou k dispozici elektronické předřadníky pro celý jejich sortiment. Schéma nejpoužívanějšího zapojení je uvedeno na obr. 3; je shodné se zapojením halogenidových výbojek. Je však třeba dbát na výběr správné tlumivky a správného typu zapalovacího zařízení předepsaných výrobcem pro konkrétní typ výbojky.

 

Při dodržování provozních podmínek (povolené kolísání napájecího napětí menší než 5 %, správně dimenzované tlumivky) dosahuje život výbojek předních výrobců 16 000 až 30 000 h. Ukončení života je dáno postupným nárůstem napětí na výbojce. Při překročení určitého poměru tohoto napětí vzhledem k napájecímu napětí sítě výboj zhasne. Po vychladnutí výbojka znovu zapálí a celý cyklus se opakuje. Periodické zhasínání výbojek je příznakem ukončení života a výbojku je nutné vyměnit. Přední výrobci však tento nežádoucí jev (tzv. cyklování) již odstranili vhodným zásahem do konstrukce hořáku. Rychlá výměna vadné výbojky je žádoucí i v případech, kdy nejsou použita zapalovací zařízení s odpojovačem, protože běžné zapalovače zůstávají při nefunkční výbojce v trvalém provozu, zkracují svůj život, namáhají izolaci připojovacích vodičů a mohou být zdrojem rádiových poruch. V některých náročnějších aplikacích je důležité, aby se při krátkodobém výpadku napájení po připojení napětí výbojka co nejrychleji

rozsvítila. Pro tyto účely je nutné použít dvoupaticové výbojky a speciální zapalovací zařízení se zvýšeným napětím, umožňujícím zapálení výbojky i v horkém stavu.

 

Sortiment vysokotlakých sodíkových výbojek doznal v posledních několika letech – zejména v souvislosti s intenzivním rozvojem halogenidových výbojek s keramickým hořákem – některých změn, zejména ve směru omezení typů s vysokým indexem podání barev, jejichž parametry jsou již překonány a jejich další výroba začíná být neúčelná. Přesto jsou v katalozích předních firem některé typy ještě uváděny.

 

Základní sortiment vysokotlakých sodíkových výbojek lze rozdělit do několika základních skupin (tab. 1).

 

Kromě uvedeného základního sortimentu určeného pro všeobecné osvětlení se vyrábějí i některé další typy, např. výbojky o příkonu 400 a 600 W s upraveným zářením v modré části spektra, určené k osvětlení skleníků s intenzivní celoroční rostlinnou výrobou. Na trhu se rovněž objevily výbojky se dvěma paralelně zapojenými hořáky ve společné baňce. V provozu je vždy pouze jeden hořák, druhý se rozsvítí např. při krátkodobém výpadku sítě anebo při závadě prvního. Zmíněné řešení je vhodné zejména v obtížně přístupných svítidlech, protože život těchto výbojek může teoreticky dosáhnout až dvojnásobné hodnoty výbojek s jedním hořákem.

 

K hlavním přednostem vysokotlakých sodíkových výbojek patří:

Díky jejich příjemné teplé barvě světla v základním sortimentu (T_cp = 2 000 až 2 500 K) a vysoké účinnosti zůstává hlavní oblastí použití popisovaných výbojek uliční světlení, osvětlení tunelů, náměstí, nádražních hal, průmyslových objektů, velkých prostranství, letišť, osvětlení fasád atd., kde nejsou kladeny příliš velké požadavky na jakost podání barev. Okruh jejich použití se však v souvislosti s bouřlivým rozvojem halogenidových výbojek s keramickým hořákem poněkud zužuje a očekává se, že budou částečně vytlačeny z veřejného osvětlení zejména v historických centrech měst.

[1] DVOŘÁČEK, V.: Světelné zdroje – halogenidové výbojky (část 2). Světlo, 2009, roč. 12, č. 2, s. 48–49.

[2] Katalog firmy Osram 2008/2009.

[3] Katalog firmy Philips.

 

Obr. 1. Závislost měrného výkonu na tlaku sodíkových par 1 – nízkotlaké sodíkové výbojky R_a ≈ 0, 2 – vysokotlaké sodíkové výbojky standardní Ra ≈ 25, 3 – vysokotlaké sodíkové výbojky se zlepšeným podáním barev R_a ≈ 60, 4 – vysokotlaké sodíkové výbojky s vynikajícím podáním barev R_a> 85

Obr. 4. Spektrální složení světla vysokotlakých sodíkových výbojek a) nízkotlaká sodíková výbojka R_a= 0, b) vysokotlaká sodíková výbojka standardní R_a ≈ 25, T_cp= 2 000 K, c) vysokotlaká sodíková výbojka se zvýšeným měrným výkonem R_a< 25, T_cp= 2 000 K, d) vysokotlaká sodíková výbojka se zlepšeným podáním barev R_a= 60, T_cp= 2 150 K