高压钠灯的基本知识

1 高压钠灯的基本知识
高压钠灯使用时发出金白色光，它具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不诱虫等优点。广泛应用于道路、高速公路、机场、码头、船坞、车站、广场、街道交汇处、工矿企业、公园、庭院照明及植物栽培。高显色高压钠灯主要应用于体育馆、展览厅、娱乐场、百货商店和宾馆等场所照明。
1.1 工作原理
当灯泡启动后，电弧管两端电极之间产生电弧，由于电弧的高温作用使管内的钠汞齐受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电在向阳极运动过程中，撞击放电物质有原子，使其获得能量产生电离激发，然后由激发态回复到稳定态；或由电离态变为激发态，再回到基戊无限循环，多余的能量以光辐射的形式释放，便产生了光。高压钠灯中放电物质蒸气压很高，也即钠原子密度高，电子与钠原子之间碰撞次数频繁，使共振辐射谱线加宽，出现其它可见光谱的辐射，因此高压钠灯的光色优于低压钠灯。
高压钠灯是一种高强度气体放电灯泡。由于气体放电灯泡的负阻特性，如果把灯泡单独接到电网中去，其工作状态是不稳定的，随着放电过程继续，它必将导致电路中电流无限上升，最后直至灯光或电路中的零、部件被过流烧毁。
1.1.1 伏—安特性
高压钠灯同其他气体放电灯泡一样，工作是弧光放电状态，伏—安特性曲线为负斜率，即灯泡电流上升，而灯泡电压却下降。在恒定电源条件下，为了保证灯泡稳定地工作，电路中必须串联一具有正阻特性的电路无件来平衡这种负阻特性，稳定工作电流，该元件称为镇流器或限流器。电阻器、电容器、电感受器等均肯有限流作用。
电阻性镇流器体积小，价格便宜，与高压钠灯配套使用会发生启动困难，工作时电阻产生很高的热量，需有较大的散热空间、消耗功率很大，将会使电路总照明效率下降。它一般在直流电路中使用，百交流电路中使用灯光有明显所闪烁现象。
电容性镇流器虽然不象电阻性镇流器自身消耗功率很大，温升低，在电源频率较低时，电容器充电时，会产生脉冲峰值电流，对电极造成极大损害，灯光闪烁，影响灯泡使用寿命；在高频电路中工作，电压波动能达到理想状态，成为理想的镇流器。
电感性镇流器损耗小，阻抗稳定，阻抗菌素性偏差小，使用寿命长，灯泡的稳定度比电阻性镇流器好，目前与高压钠灯配套使用的镇流器均为电感性镇流器。其缺点较苯重及价格偏高。
另外，电子镇流器已经开始出现，目前其价格昂贵，可靠性还不能与高压钠灯相匹配，除特殊场合使用外，一般情况下很少被采用。
所以，高压钠灯必须串联与灯泡规格相应的镇流器后方可使用。高压钠灯的点灯电路是一个非线性电路，功率因数较低，因此在网路上考虑接补偿电容，以提高网路的功率因数。
1.2 结构和材料
1.2.1 电弧管
电弧管是高压钠灯的关键部件。电弧管工作时，高温高压的钠蒸气腐蚀性极强，一般的抗钠玻璃和石英玻璃均不能胜任；而采用半透明多晶氧化铝和陶瓷管做电弧管管体较为理想。它不仅具有良好的耐高温和抗菌素钠蒸气腐蚀性能，还有良好的可见光穿越能力。另外，单晶氧化铝陶瓷管在耐高温、抗菌素钠蒸气腐蚀和透光率等性能均优于多晶扪化铝陶瓷管；因其价格昂贵，所以目前很少被采用。
电弧管是把电极、多晶扪化铝陶瓷这、帽、焊料环装配在一起，加入钠汞齐进入封接炉封接；同时充入少量氙气，以改善灯泡的启动特性。电极是用高纯钨丝绕成螺旋状，在螺旋孔中插入芯杆，浸渍电子粉，然后将电极芯杆一端和铌管封闭端焊接成一体。多晶氧化铝陶瓷管（帽）是选用多晶氧化铝陶瓷粉经混粉、喷泉雾干燥、等静压成形、素烧、高温烧结和切割等工序制成。
高压钠灯的光、电参数与电弧管的内径和弧长（两电极之间距离）有着密切联系。
1.2.2 灯芯
灯芯是采用金属支架将电弧管、消气剂环等固定在芯柱上，电弧管两端电极分别与芯柱上两根内导丝相连接。芯柱由导丝、排气管和喇叭经高温火焰熔融成一体。金属导丝与玻璃封接部分的膨胀系数应与匹配，可避免因二种封接材料的膨胀系数不相同，造成封接处玻璃产生应力而爆裂或灯泡慢性漏气。
1.2.3 玻壳
玻壳是选用高温的硬料玻璃制造。玻壳与灯芯的喇叭口经高温火焰熔融封口，然后抽真空或充入惰性气体后，再装上灯头整个灯泡基本成型。由于电弧管在高温状态下工作，其外裸的金属极易氧化、变 脆，就必须将电弧管置于真空或惰性气体的外壳内。这样还可减少电弧管热量损失，提高冷端温度，提高发光效率。
1.2.4 灯头
灯头的作用是方便灯泡与灯座、电路相连接。长寿命灯泡要求灯头与玻壳连接应牢固，不能有松动和脱落现象。所以，目前一般采用螺纹机械紧固技术，可防止焊泥自然老化而脱落。制造灯头的材料一般采用黄铜带，它可与灯座保持较小的接触电阻，减轻金属表面氧化层。如灯泡在特殊环境中使用，还可以在黄铜灯头表面涂覆铬层或镍层。其规格型号有： E27 、 E40 二种。
1.2.5 消气剂
玻壳内经抽真空后，其真空度仅为 6.6X10 -2 Pa ，仍可使金属零件氧化，影响灯泡稳定地工作；所以在玻壳内放置适量消气剂，可将灯泡内真空度提高到 1.4X10 -4 Pa 高真空状态。目前，高压钠灯一般采用钡消气剂，它是把钡钛合金置于金属环内，再将其固定在消气剂蒸散后不影响光输出的位置。灯泡经抽真空工序后，采用高频感应加热金属环，使环内钡钛合金受热后蒸散，在蒸散过程中吸收残余有害气体，同时在玻壳颈部形成 一层黑色镜面。必须指出 ，消气剂放置位置非常重要，以黑色镜面不阻碍光线输出为宜；在使用过程中如发现黑色镜面部分或全部变成灰白色，它指示该灯泡已漏气，不能继续使用，必须调换新灯泡。
1.2.6 汞
汞常态时呈液态状，具有银白色镜面光泽。在电弧管中加入泵可提高灯管工作电压，降低工作电流，减小镇流器体积，改善电网的功率因数，增高电弧温度，提高辐射功率。
1.2 7 钠
该元素呈银白色金属，也称金属钠。它的理化性能有质软而轻，可溶于汞生齐。钠光谱特点为共振辐射线宽，偏向红色区，总辐射功率高；高压钠灯的光色和发光效率与钠蒸气压有关。目前，工业化生产的高压钠灯均采用钠汞齐添加入灯泡内，可简化生产工艺，同时使灯泡参数一致性有很大提高。
1.2 8 氙
氙气是一种稀有气体，它在灯泡中的作用是帮助启动和降低启动电压。氙气压的高低还将影响灯泡的发光效率。
1.3 显色性的改善
白炽灯泡工作时发出暖色光，而且显色性极佳（显色指数 Ra=100 ），从它诞生至今的相当长时间时里，仍然被人们广泛使用的照明光源。虽然使用高压钠灯虽然有许多优点，但是光色（ Ra=30 ）、色温约 2000K 。为了保持高压钠灯的长寿命、高发光效率和暖色调气氛；在改善显色性方面，人们经过孜孜不倦地努力，已研制出符合上述要求的高显色高压钠灯（又称白光高压钠灯）。
高显色高压钠灯是在高压钠灯的基础上，采用提高钠蒸气压和增大电弧管管径，同时在电弧管两端裹上一层铌箔，提高冷端温度等措施来改善显色性；另外，提高充入电弧管内氙气压力，使电弧中心部分温度升高，而其余放电部分温度较低，通过改变电弧温度分布的途径来改善显色性，其显色指数已提高到 Ra =70 ～ 80, 发光效率可达 80 流明 / 瓦以上，可拓宽应用领域，为使用高显色高压钠取代白炽煤泡成为现实。
2 高压钠灯的技术参数
2.1 启动特性
高压钠灯启动后，在初始阶段是汞蒸气和氙气的低气压放电。这时候，灯泡工作电压很低，电流很大；随着放电过程的继续进行，电弧温度渐渐上升，汞、钠蒸气压由放电管最冷端温度所决定，当放电管冷端温度达到稳定，放电便趋向稳定，灯泡的光通量、工作电压、工作电流和功率也处于正常工作状态。在正常工作条件下，整个启动过程约需 10 分钟左右。
2.2 光和电参数
2.2.1 高压钠灯的光和电参数
2.2.2 高显色高压钠灯的光和电参数
2.2.3 光通量维持率
2.3 电源电压变化对光、电参数的影响
电源电压的波动必将引起灯泡个、电参数的变化，由图 2.3 可见，如果电源电压上升将引起灯泡工作电流增大，促使电弧管冷端温度提高，汞、钠蒸气压增高，工作电压、灯泡功率随着增高，造成要泡寿命大大下降；反之。电源电压降低，灯光不能正常工作，发光效率下降，还可能造成灯泡不能启动或自行熄灭。所以，要求客户在灯泡使用时，电源电压的波动不宜过大，一般要求在额定值 +6% ～ -8% 范围之内变化。
2.4 寿命
2.4.1 高压钠灯的寿命
2.4.2 高显色高压钠灯的寿命
2.4.3 平均寿命
平均寿命指一批受试灯泡样品点燃至 50% 数量损坏时之时数。
3 高压钠灯的工作电路系统
在高压钠灯的工作电路中除了灯泡外，还必须按内触发高压钠灯或外触发高压钠灯分别选用相应的工作电路，如灯泡 + 镇流器或者灯炮 + 镇流器 + 触发器的工作电路，方可达到高压钠灯正常工作的要求。
3.2 外触发高压钠灯的燃点电路
外触发高压钠灯的燃点电路中必须与配套镇流器串联使用外，还要在灯泡两端并联一个触发器后，高压钠灯方可正常使用。目前，高压钠灯触发器普遍由电子元件组成，亦称为电子触发器。它具有无机械触点、可靠性好、体积小、重量轻、使用方便等优点，而受到用户的青睐。
3.2.1 两端倍压式电子触发器的启动电路
两端倍压式电子触发器的电原理图，其工作原理如下：电源电压在负半周时，电流经过 V 1 、 L 1 和 L 2 向 C 2 充电，同时，经过 L 1 向 C 1 充龟，当电源电压达到最大值 220V ×√ 2=311V 时， C 1 和 C 2 充电电压达到约 300V ，由于 V 1 的单向导电特性， U C2 电压值保持不变，而 U C1 逐渐放电，直至电压为零；当电源电压在正半周时，又通过 L 1 对 L 2 的匝数比为 10 ： 1 ，经过 L 1 升压后输出脉冲电压可达 3000V ，使灯泡启动点燃。
两端倍压式电子触发器的电路简单，因晶闸管的触发电流随温度为化较大，开启式电压会在很大范围内漂移工作可靠生差。它是早期使用的高压钠灯电子触发器。
3.2.2 双向晶闸管触发器启动电路
近年来，双向晶闸管触发器使用普遍电原理图，其工作原理如下：当电源电压正半周时， V2 触发导通， C1 经过 L2 和 C2 放电， L2 上产生感应电动势，经 L1 耦合产生脉冲高压，使灯泡启动点燃；在电源负半周时，灯泡仍然能启动点燃。
图 3.4
3.3.3 三端电子触发器启动电路
由于某些使用场合的局限性，往往灯泡与镇流器、触发器之间距离甚远，导致电子触发器输出的脉冲高压在输送至灯泡途中损耗很大，灯泡两端电压偏低不能启动。建议用刻使用三端式电子触发器和三端式镇流器组成的启动电路，就可以改善电路和启动特性。此电路特点：它运用镇流器的电感线圈作为脉冲变压器，使电感量增加，放电持续时间延长，有利于灯光启动。
4 高压钠灯镇流器
在高压风俗灯的工作电路中，与灯泡配套使用的镇流器有电感式镇流器和电子式镇流器两种。电感受式镇流器由电感线圈和矽钢片回路制成非封闭状，而专门留有很小间隙，使磁场处于非饱和状态，从而起到稳定电流的作用。电子式镇流器顾名思义它是有电子元件组成的阴流器件，也是近年来实施照明节电的产品，它具有功耗低、体积小、重量轻、功率因数高，灯泡瞬时启动等特点；目前在小功率气体放电灯（紧凑型节能灯）中应用较广泛，而在大功率气体放电灯方面，困难度较大，还未达到推广应用阶段。
4.1 一般要求
镇流器是高压钠灯的重要配套件，它的性能和质量好坏直接对高压钠灯的寿命、发光效率和自熄产生影响。高压钠灯镇流器一般要求功率损耗小，安装方便、牢固，具有良好的防水、防腐蚀和安全性能，在环境温度 -40 ～ +45 ℃的条件下，能连续工作 12 小时以上。在额定电压下用镇流器测试灯泡功率与用规定的基准镇流器测试灯泡功率相对比，其偏差应在± 7.5% 范围内。
必须重申： 不同规格的高压钠灯必须配用相应规格的镇流器，灯泡与镇流器不能任意配用，尤其小功率灯泡配用大功率镇流器后，导致灯泡工作电流过大，缩短使用寿命，甚至会使灯泡烧毁。
在煤泡整个寿命期间，镇流器的电压——功率特性曲线必须在规定的灯泡电压和功率极限范围内变化。
4.2 电压 - 功率特性曲线
为了使镇流器符合灯泡的工作性能要求，灯泡电压在 95 ～ 105% 的范围内任意变动，灯泡电压的极限线交点都应在功率极限范围内，并且在灯泡电压的整个偏差范围内始终保持在功率偏差范内。理想的高压钠灯镇液压器应为：在灯泡电压上升至上偏差极限点，灯泡功率反而下降。图中以 250W 高压钠灯为例：

曲线 A 表示在高压钠灯整个寿命过程中，工作电压上升，灯泡功率变化较小，镇流器性能佳。
曲线 B 表示在高压钠灯大部分工作时间处于过载状态，镇流器性能差。
曲线 C 表示在高压钠灯寿命前期，工作电压上升，使灯泡功率上升很快，缩短灯泡寿命；在灯泡寿命后期，灯泡功率及发光效率急剧下降，同样也影响灯泡使用寿命，镇流器对灯泡功率限制作用太差，镇流器性能很差，不宜采用。
4.3 技术参数