(1)电特性

     和绝大多数其他放电灯一样,高压钠灯有负伏-安特性,这意味着使用时需串联电感性镇流元件。①启动。因为电弧管内实际上不能装辅助启动电极,高压钠灯必须用高压脉冲触发高压脉冲通常由限流线路中的电子触发器提供,但灯内若装有自动开关,也可以利用扼流圈中的电感反向电势。启动电压的脉冲宽度仅有几个微秒,不过这个脉冲宽度已足以能在气体中产生相应的电离,而使灯击穿点燃。控制电路、灯头、灯座以及灯本身的电绝缘性能,必须能承受脉冲电压(对不同额定功率的灯,启动脉冲电压的峰值范围一般为1.5~5 kV)。

     电源的瞬时中断也会使灯熄灭,这时,电子触发器会立即自动产生启动脉冲,但是要等大约 30s的时间后,电弧管内的蒸气压降落到启动脉冲能使钠原子电离的水平,才能使钠灯重新启动。但是,这个时间比起其他高气压放电灯来要短得多。为了使灯能热启动,必须对灯施加更高的脉冲电压(一般为20kV),这也意味着对整个点灯电路需要更高的绝缘和对灯的特殊设计方法。

②趋向稳定的过程。电弧产生时的电弧电压很低,其原因是蒸气压较低,所以能量耗散也低。建立正常的工作气压需要几分钟的时间,并且这和灯的功率和光输出密切相关,如图3.3.5所示。国际电工委员会(IEC662)对高压钠灯的电压趋稳问题有详细规定:即按照上述方法最佳设计的电弧管,既要具备满足快速趋稳要求,又必须达到正确的管壁功率负载条件。

图3.3.5 高压钠灯趋向稳定过程中特性随电流的变化

③ 稳定工作状态。当灯点燃后并用规定的镇流器和电源电压时,高压钠灯的管压应保持在某个范围之内。国际电工委员会(IEC662)在确定这个灯的管压范围时,考虑到引起灯

      对不同额定功率的灯,根据以下3个因素来选择灯管的电压值:a.高压钠灯灯管电压管电压变化的综合效果。波形前沿的再启动峰值要明显地比高压汞灯高,这意味着在相同的均方根灯电压值下,高压钠灯的工作状态较近于不稳定,并且灯的功率因数较差;b.在寿命期间,高压钠灯有上升的灯管电压特性;c.为了得到较高的镇流器效率,希望灯管电流较低。

      因素a和因素b要求有较低的均方根值的灯管电压,而因素c却相反。因此,最后的择还得折衷。当灯管功率减少时,在a中谈到的作用会变得明显,因此,选择的灯管电压

光源原理与设计(第三版)

      电源电压的变化会造成灯电流和灯功率的变化,由此对灯的参数起很大的影响,灯在功率上的变化影响了灯内汞齐储存的温度,从而改变了灯管内的蒸气压,造成灯管电压(功率)的进一步变化,直到建立另一个新的平衡为止。因为这个理由,灯的功率和光输出都受供电必须比较低。电压的强烈影响,所以镇流器的选择必须确保灯在整个寿命期间能稳定工作(见图3.3.6)还应该注意到,同样的原因也发生在灯具,因而会影响灯的工作电压、功率和光输出。为此国际电工委员会对每一种类型的灯规定了最大“灯具电压升高”的允许数值。

图3.3.6 高压钠灯的工作特性与电源电压变化的关系

④启用电子镇流器。高压钠灯也可与电子镇流器一起工作,这会有下述好处:a.稳定灯的电气参数(特别是功率),并补偿其他不稳定过程,如整个寿命期内钠汞齐的冷端温度:b.产生特殊的波形,其重复的脉冲和击穿有利于激发放电过程中的动态特征,而在50~60Hz交流供电下,不会有这些特点;c.减少频闪。

(2)光输出

      高压钠灯光谱最突出的特点是钠D线的自反转,这个覆盖有限波长范围的辐射分布,使灯有高的光效和黄白色的色表(相关色温为2000K)。图3.3.7所示的高压钠灯的两个光谱图,给出了汞作为缓冲气体,以及低气压氙作为启动气体时的光谱输出状况,钠蒸气压在光谱中的显著作用也清晰可见。钠和汞的比例,以及钠汞齐的温度决定了钠和汞的蒸气压汞齐中钠对汞的比例,在恒定的汞齐温度下对光谱的形状有影响,从而说明了汞齐对获得灯的最大光效存在一个最佳比例。通过改变钠汞比增加汞蒸气压力,就会在红光区域产生较多的辐射,如果继续提高汞的比例(譬如说占重量的 90%),会在降低光效的同时,使灯有粉红的色表。相反,在固定的汞齐温度下,当汞齐中钠的比例很高时,会使高压钠灯有黄的色表,同样也使灯的光效降低。

       在固定钠、汞比例时,通过提高汞齐温度来提高钠的蒸气压会影响钠光谱。如果钠蒸气压高于最大光效时的钠蒸气压,则在可见光谱的红光和蓝-绿光区域内有较多的辐射,相应的光呈较白的色表,然而光效却减低了,这是由于增加了红光辐射和自反转宽度的结果。根据应用的具体要求,在光效损失和较白的光色(增加显色性)之间可以折衷地考虑。

图3.3.7 不同钠蒸气压下 400 W高压钠灯的光谱分布

      放电的颜色也会受到电弧单位长度功率的影响,这个影响随电流的减少而减少。因此在一般情况下,低功率的灯泡和较高功率的灯泡相比,颜色向黄色移动,这是由于电弧温度的降低造成了蓝绿光辐射的损失。

      对高压钠灯而言,可以忽略低气压氙气在光谱中的作用。然而,如果气压增加到10000Pa的话,它的确改变了扩展的D线的形状,明显影响了D线的绿色端,产生了略为偏离原来的色表和增加色温的结果。

      脉冲式电子镇流器的脉冲形式可使高压钠灯的光谱和色表产生异乎寻常的变化,造成沿放电轴线上平均温度提高到远比50Hz工作时高的一个水平。利用这个效应,可以使高压钠灯有更高色温的白色色表和良好的显色性。

     光效随着高压钠灯功率的减少而减少,这部分是由于电弧功率负载的降低和增加了未端损失引起的,其相应关系如图 3.3.8所示。

     在高压钠灯的寿命期间,会产生汞齐温度和比例的变化,这会造成电弧中钠和汞蒸气压渐进的变化。这个作用会使高压钠灯的颜色产生偏移,它可能是由于汞齐温度的增加,使光变得更白;也可能是由于钠的损失,而使光变成粉红。这两个变化都会导致灯的光效的降低。

(3)寿命

     高压钠灯的寿命可用灯的存活率曲线表示,这是指在正常燃点条件下,批量试验的灯泡中仍能点燃的灯数。譬如,灯的寿命为24000h,这是指一批400W高压钠灯在燃点24000h后,仍能有50%的试验灯能正常点燃。但是,存活率曲线的形状随工作条件变异而有所不同。譬如,由不正常气候或快速开关周期所引起的过分波动,等等。

    灯管最终损坏的主要原因是由于灯管电压升高到电源无法维持放电,这是由下列原因

图3.3.8 灯的光效和功率的关系(标准型高压钠灯的数据)

引起的:

①与电弧管内组分(电极发射混合物、管壁材料和封接材料)的化学反应造成的钠损失;

②)由于电弧管两端发黑或电极损耗的增加,引起了汞齐温度的提高。

工作电压的逐渐升高,而导致了灯在其寿命终止时的不正常“循环”工作。在这种状况下,灯点燃后,灯电压上升,直到电源的电压不能维持其放电时,随即熄弧;然后灯冷却,直到触发脉冲使其能再点燃灯时,灯又点燃。这时,使灯进人连续的开关状态,每次间隔时间为几分钟。

这些影响的出现是很缓慢的,在整个寿命期间的速度也不同,从而使灯的存活率曲线形状复杂化。至于灯在曲线最初阶段的损坏,则是由偶然因素造成的,臂如说外泡壳泄漏和脱焊。

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