气体放电光源之高压钠灯篇

高压钠灯

一、气体放电与光源简介

气体放电光源是利用气体放电发光原理制

成的。

外界电场加速放电管中的电子，通过气体（包括某些金属蒸气）放电而导致原子发光的光谱，如日光灯，汞灯，钠灯，金属卤化物灯气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压 3种。弧光放电光源包括：荧光灯、低压钠灯等低气压气体放电灯，高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯。此种光源具有分立的线状谱。

正常状态下气体不是导体。当气体原子受到具有一定能量的电子碰撞时会被激发和电离而发光。当放电电流很小时，放电处于辉光放电阶段；放电电流增大到一定程度时，气体放电呈低电压大电流放电，这就是弧光放电。

我们可把气体放电光源分为三类：

1) 低压放电光源

灯内气体的总压强约1%大气压左右。

低气压放电光源有两种：辉光放电光源（霓虹灯、氖灯等）和弧光放电光源（低压钠灯、荧光灯、紫外线灯合部分感应无极灯等）。

低压气体放电灯发光体较大，发光均匀。其工作电流较小，辉光放电灯在几百毫安以内，弧光放电灯在1安培以内。灯功率因而也较小，一般在200瓦以内。低压气体放电灯从启动方式看有冷阴极和热阴极两种。冷阴极灯不需预热可直接高电压启动，如霓虹灯。热阴极灯需进行预热，当灯丝达到电子发射温度时再启动，如预热式荧光灯，需配用适宜的启动器进行预热启动。低压气体放电灯在灯点燃熄灭后一般可以立即再启动点燃。

2) 高压放电光源

灯内气体的总压强在1个～10个大气压。

光源有高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯和微波硫灯、长弧氙灯等。

高压气体放电灯工作电流可以较大，是大电流工作，因而灯功率可以做得较大。它不需预热启动，可配用适宜的触发器直接启动。但高压气体放电灯在灯点燃熄灭后一般不可以立即再启动点燃，需间隔一段时间待灯冷却后再启动。

3) 超高压放电光源

灯内的气体总压强大于10个大气压。

光源有超高压氙灯、超高压汞灯等。发光体较小，近似高亮度点光源，便于控光。

二、高压钠灯

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气受热蒸发成为汞蒸气和钠蒸气，阴极发射的电子在向阳极运动过程中，撞击放电物质的原子，使其获得能量产生电离或激发，然后由激发态回复到基态；或由电离态变为激发态，再回到基态无限循环，此时，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，最后直至灯管或电路中的零部件被过流烧毁。

2、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元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，在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。其缺点较笨重及价格偏高。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。

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。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。

光和电参数

高压钠灯的光和电参数

显色指数已提高到 Ra =70 ～ 80

光通量维持率

发光效率可达 80 流明 / 瓦以上，最高发光效率140流明/瓦

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。

寿命

高压钠灯的寿命

高显色高压钠灯的寿命

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。

显色性的改善