Surse de lumină cu descărcări în vapori de mercur și sodiu de înaltă presiune

Lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune din figură are ca principal element constructiv un tub de descărcare (1) din sticlă de cuarț transparentă la radiații ultraviolete şi rezistentă la temperatura de regim a arcului electric. În tub se introduce un gaz inert (argon) la joasă presiune (câțiva torr) şi mercur (10-300 mg, în funcție de puterea lămpii), iar la capete se prevăd electrozii principali E1, E2 şi electrodul secundar E3. Electrodul principal este constituit dintr-o baghetă metalică, pe care se înfășoară un filament de wolfram dublu spiralat şi acoperit cu material termoemisiv. Electrodul secundar este o sârmă de wolfram sau molibden, plasată în vecinătatea unui electrod principal şi conectată galvanic la celălalt electrod principal prin rezistenţa de limitare R = 25 kΩ. Tubul de descărcare, elementele de susţinere (2), căile de curent (3) şi rezistenţele de limitare se introduc într-un balon ovoidal de sticlă (4), a cărui formă corespunde cu una din izotermele (≈ 350 °C) cilindrului de cuarţ. Balonul (4) este umplut cu gaz inert (argon, argon + azot), ce ajunge la presiunea atmosferică în timpul funcţionării lămpii. Anvelopa de sticlă (4) are funcţiuni multiple, şi anume: protejează elementele componente ale sursei de acţiunea distructivă a factorilor de mediu; asigură echilibrul termic al descărcării în arc prin uniformizarea pierderilor convective, deci independenţa funcţionării de temperatura mediului ambiant; absoarbe radiaţiile ultraviolete şi permite modificarea caracteristicilor fotometrice ale descărcării; diminuează, prin mătuirea suprafeţei interioare, luminanţa ridicată a tubului de descărcare (circa 600 sb).

Lampa este prevăzută cu un soclu metalic (6) cu filet E27 sau E40 (la puteri mari), a cărui temperatură este de maximum 200 °C și, respectiv, 250 °C. Racordarea la reţea se face prin intermediul unui balast inductiv (B), iar aprinderea lămpii are loc în două etape, ca şi în cazul lămpilor de joasă presiune. Descărcarea în regim de licărire între electrozii E1-E3 are loc la o tensiune de 10-20 V şi sub un curent de circa 1,6-1,8 ori curentul nominal, ceea ce asigură ionizarea gazului inert şi o puternică emisiune termoelectronică a electrodului principal E1. În momentul în care presiunea în tub ajunge la circa 20 torr, rezistenţa electrică a spaţiului E1-E2 devine mai mică decât rezistenţa de limitare R, iar descărcarea se comută între electrozii principali E1-E3 şi apare arcul electric. După aproximativ 5-10 minute se ajunge la regimul stabilizat de funcţionare caracterizat printr-o presiune de 2-15 at. în tubul de cuarţ, o temperatură în coloana arcului de 800-1200 °C şi o tensiune pe lampă de 115-135 V.

Lampa cu vapori de mercur la înaltă presiune şi balon fluorescent sau lampa fluorescentă cu vapori de mercur la înaltă presiune se obţine prin depunerea pe peretele interior al balonului de sticlă a unui strat (5) de pudră fluorescentă (fluogermanat de magneziu) cu o puternică emisie în domeniul roşu al spectrului. Aceste radiaţii sunt complementare celor ale mercurului şi lampa are o lumină albă cu Tc = 3300-4300 K şi IRC = 40-60. Lămpile se caracterizează prin: P = 50-1000 W, η = 35-55 lm/W, D = 16000-24000 ore şi se recomandă la iluminatul public, al terenurilor de sport, al halelor industriale înalte şi acolo unde se cer fluxuri luminoase mari, relativ concentrate şi nu se impun condiții de redare precisă a culorilor. Simbolizarea lămpilor de acest tip produse se face prin grupul de litere LVF, la care se atașează un număr ce reprezintă puterea standardizată a sursei. Gama de produse autohtone este LVF 80, LVF 125, LVF 250, LVF 400.

Lampa fluorescentă cu vapori de mercur la înaltă presiune, prevăzută cu balon oglindat, are anvelopa realizată sub forma unui paraboloid de rotație. Partea frontală este din sticlă clară, iar restul balonului este acoperit, la interior, cu un strat reflectant pe bază de dioxid de titan, peste care este depusă pulberea fluorescentă. Fluxul luminos este emis într-un unghi solid de π steradiani, cu o intensitate maximă orientată pe axa fasciculului, semnificativ mai mare decât în cazul lămpilor standard.

Aceste surse se caracterizează prin următorii parametri: putere nominală P = 125–1000 W, eficacitate luminoasă η = 45–55 lm/W, temperatură de culoare Tc = 3900–4200 K, indice de redare a culorilor (IRC) = 36–40 și durată de viață D = 16 000–24 000 ore. Se recomandă pentru instalații ce utilizează în mod curent lămpi cu vapori de mercur, dar unde iluminatul direct trebuie să fie preponderent, de exemplu hale industriale înalte, sere agricole, triaje de cale ferată, zone perimetrale importante. Simbolizarea lămpilor de acest tip se face prin grupul de litere LVO, la care se atașează un număr ce reprezintă puterea standardizată a sursei. Gama de produse autohtone este LVO 250 şi LVO 400.

Lampa cu lumină mixtă din figură este o lampă fluorescentă cu vapori de mercur la înaltă presiune, la care balastul a fost înlocuit printr-un filament de wolfram dublu spiralat (7), montat în balonul protector din sticlă. Filamentul stabilizează descărcarea şi este, în același timp, o lampă cu incandescenţă normală, ceea ce face ca întreg ansamblul să aibă o compoziție spectrală mai bună decât cea a lămpii fluorescente cu vapori de mercur la înaltă presiune.

Eficacitatea luminoasă a sursei este ridicată atunci când fluxul luminos al tubului de descărcare (1) este egal cu cel al filamentului (7) şi pentru aceasta este necesar ca puterea electrică aferentă lămpii incandescente să reprezinte circa 60% din puterea totală absorbită. Lampa cu lumină mixtă se racordează direct la reţea şi are o aprindere instantanee datorită filamentului incandescent, ce asigură fluxul luminos în perioada stabilizării descărcării, a cărei durată este de circa 3 minute. Sursele descrise se caracterizează prin: P = 100-500 W, η = 10-26 lm/W, Tc = 3500-3800 K, IRC = 50-60, D = 6000 ore, cos ϕ = 0,9. Se recomandă la iluminatul căilor rutiere, al halelor industriale înalte şi al altor spaţii unde se cer fluxuri luminoase concentrate şi o bună redare a culorilor.

Lampa cu vapori de sodiu la înaltă presiune.

Lampa cu vapori de sodiu la înaltă presiune are ca element principal (fig. 2.90) un tub de descărcare cilindric (1) din alumină policristalină sinterizată, translucidă (lucalox sau PCA), ce rezistă bine la acţiunea chimică a vaporilor de sodiu aflaţi la temperatură ridicată (circa 1000 °C). La capete se montează electrozii (2), constituiţi dintr-o vergea metalică pe care se înfăşoară un filament de wolfram dublu spiralat acoperit cu materiale termoemisive. În tub se introduce sodiu metalic şi mercur în proporţie de 1 la 4, precum şi un gaz inert (xenon) sau un amestec de gaze inerte (neon şi argon), ce permit amorsarea descărcării. Mercurul are rolul de gaz tampon şi asigură, la temperatura de funcţionare, presiunea optimă de lucru şi un gradient de potenţial ridicat. Incinta de descărcare este protejată de influenţa mediului ambiant printr-un balon de sticlă (3), vidat, a cărui formă poate fi eliptică sau cilindrică.

Anvelopele cilindrice sunt din sticlă clară şi au o temperatură maximă de 350 °C. Anvelopele elipsoidale au peretele interior mătuit, iar temperatura lor poate ajunge la 450 °C. Soclul lămpii (5) este cu filet de tip E27 sau E40, temperatura de lucru fiind de 200 °C și, respectiv, 250 °C. Lampa poate funcționa in orice poziții la temperaturi ale mediului de până la -30 °C.

Deoarece presiunea vaporilor metalici este scăzută la temperatura mediului ambiant, iar distanţa dintre electrozi este suficient de mare, amorsarea descărcării în lampă se realizează cu ajutorul starterelor (igniterelor), ce prezintă o multitudine de tipodimensiuni. Se construiesc ignitere cu transformatoare de impuls sau numai cu elemente semiconductoare, când balastul este de construcţie specială (de tip autotransformator). Igniterul cu transformator de impuls (DAS 05) (fig. 2.91-a) funcţionează după următorul principiu:

• la conectarea montajului la reţea, să presupunem că alternanţa pozitivă a tensiunii de alimentare \(u_s = U_{sm}\sin(\omega t – \varphi)\) se aplică la borna 2, iar condensatorul \(C_1\) se încarcă, cu polaritatea din figură, la valoarea maximă, pe circuitul: borna 2 – dioda \(D_1\) – primarul transformatorului de impuls \(TI\) – capacitorul \(C_1\) – rezistorul \(R_1\) – balastul \(B\) –, borna 1;
• în alternanţa următoare (cu semnele din paranteze) are loc încărcarea condensatorului \(C_2\) cu polaritatea din figură, pe circuitul: borna \(1-B\) – \(R_1\) – \(C_2\) – \(D_3\) – \(D_2\) – borna 2. Condensatorul \(C_1\) îşi păstrează încărcarea \(u_{C1} = U_{sm}\) prin blocarea lui \(D_1\), iar \(C_2\) încărcat la \(u_{C2} = U_{sm}\) urmăreşte variaţia tensiunii de alimentare;
• în momentul în care \(u_s < U_{C2}\), dioda \(D_2\) se blochează şi condensatorul \(C_2\) generează un curent de poartă \(i=U_{C2}/R_2=U_{sm}/R_2\), care conduce la deschiderea tiristorului \(T\). Din acest moment începe descărcarea condensatoarelor înseriate \(C_1 + C_2\) pe primarul \(I\) al transformatorului de impuls \(TI\), căruia i se aplică tensiunea \(2U_{sm}\). Supratensiunea de 3-4,7 kV ce apare la capetele înfăşurării \(II\) se regăseşte la electrozii lămpii \(L\) care va amorsa, iar igniterul iese din funcţiune ca urmare a tensiunii reduse (de la bornele arcului) ce i se aplică la intrare. Igniterul cu tiristor (DAS 25) (fig. 2.91-b) asigură amorsarea lămpii numai dacă se utilizează balasturi de construcţie specială, cu prize, şi funcţionează astfel:
  • dacă la alimentarea montajului tensiunea sursei \(u_s = U_{sm}\sin(\omega t – \varphi)\) are alternanţa pozitivă la borna 1, condensatorul \(C_1\) se încărca la \(u_{C1} = U_{sm}\), cu polaritatea din figură, pe circuitul: borna 1 – balastul \(B\) secţiunea a-b – dioda \(D\) – capacitorul \(C_1\) – borna 2;
  • la următoarea alternanţă (polaritatea din paranteze), prin divizorul \(R_1 + R_2\) apare un curent ce determină o cădere de tensiune pe rezistorul \(R_2\), suficientă pentru deschiderea tiristorului \(T\). Din acest moment, \(C_1\) se descarcă rapid pe înfăşurarea a-b, iar la capetele a-c ale balastului apare un impuls de tensiune de 2,8-4,5 kV, ce permite amorsarea lămpii.

Durata proceselor tranzitorii corespunzătoare intrării lămpii în regim normal de funcţionare este de 5-10 minute în funcție de puterea unitară a sursei. Dacă în timpul regimului stabilizat apar goluri de tensiune, reamorsarea sursei are loc după 2-3 minute necesare răcirii mediului din tubul de descărcare. Lămpile cu vapori de sodiu la înaltă presiune se caracterizează prin: P = 25-1000 W, η = 35-125 lm/W, D = 20000 ore, Tc = 2100-2500 K, IRC = 20-80; se recomandă la iluminatul stradal, al şantierelor şi docurilor, al aeroporturilor, al triajelor de cale ferată, precum şi al halelor industriale de înălţimi apreciabile (peste 8-10 m). Utilizarea acestor surse la iluminatul interior este limitată de luminanța ridicată a tubului de descărcare, ce poate ajunge la 900 sb. Sursele de lumină de acest tip sunt codificate prin grupul de litere: LPNE – anvelopă ovoidală mătuită, sau LPNT – anvelopă cilindrică din sticlă clară, la care se ataşează un număr ce corespunde cu puterea normalizată a lămpii – 150, 250 sau 400 W (exemplu: LPNE 150 – lampă cu vapori de sodiu la înaltă presiune cu balon din sticlă mătuită şi puterea nominală de 150 W).