Sodíková vysokotlaká výbojka

Pokusy s výbojem v sodíkových parách se prováděly již ve dvacátých letech minulého století. Pro světelnou techniku se zpočátku využíval jen výboj při nízkém tlaku těchto par, tedy výboj nízkotlaký. Z hlediska energetického je tento výboj velmi výhodný, neboť jeho veškerá vyzářená energie leží v oblasti sodíkového dubletu 589,0/589,6 nm, což je v těsné blízkosti maximální citlivosti lidského oka 555 nm. Nízkotlaký výboj je tedy světelný zdroj s největší technicky dosažitelnou hodnotou měrného výkonu 200 lm/W (měrný výkon udává účinnost přeměny elektrické energie na světlo, pro porovnání obyčejná žárovka má tuto hodnotu 10 - 15 lm/W). Ptáte se, proč se tedy tato výbojka nerozšířila do všeobecného osvětlování, když je tak úsporná. Odpověď je jednoduchá. Jak již bylo řečeno, nízkotlaký sodíkový výboj produkuje tzv. monochromatické (jednobarevné) záření. Předměty, osvětlené tímto světelným zdrojem, se jeví jako černobílé. Říkáme, že nízkotlaká sodíková výbojka má index barevného podání roven nule (pro porovnání žárovka má tento index barevného podání roven 100, tj. maximální hodnotě). Tím je této výbojce vymezen jen úzký okruh osvětlovacích možností, a to osvětlování dálnic, vodních cest, povrchových dolů, tj. jen tam, kde nezáleží na barevném podání osvětlovaných předmětů.
Vysoce účinný výboj v sodíkových parách však nedal spát konstruktérům světelných zdrojů renomovaných firem. Bylo známo, že zvýšením tlaku sodíkových par dojde k tzv. samoabsorbci sodíkového dubletu a současně ke vzniku kontinuální oblasti záření. Takovýto výboj pak vykazuje mírný pokles měrného výkonu oproti výboji nízkotlakému, a to na maximální hodnotu 120 - 150 lm/W, ale index barevného podání se zvýší nad hodnotu 20. Tak vznikne světelný zdroj s poměrně vysokým měrným výkonem a indexem barevného podání, umožňujícím použití v daleko širším okruhu osvětlování, a to zvláště pro osvětlení veřejné a průmyslové, kde nahradí méně úspornou vysokotlakou výbojku rtuťovou, která dosahuje měrného výkonu maximálně 50 lm/W.
Problém byl však v technologii výroby této vysokotlaké sodíkové výbojky. I když laboratorně byly vlastnosti vysokotlaké výbojky dokázány, nebylo ji možno vyrábět. Se zvýšením tlaku sodíkových par se zvýší i teplota výboje, a to z 200°C u nízkotlaké výbojky až na 2000°C u výbojky vysokotlaké. Dosavadní technologie výroby hořáků výbojek, známé z výbojek rtuťových, využívající jako materiálu hořáku křemenné sklo, nešlo pro sodíkové výbojky využít, neboť horké sodíkové páry jsou vůči sklu velice agresivní a brzy by docházelo k ukončení života těchto světelných zdrojů narušením stěny křemenného hořáku. Musel se tedy hledat jiný materiál na výrobu hořáku a s ním i nová technologie vakuových zátavů proudových průchodek. Po dlouhých pokusech se jako optimální jevil pro tělo hořáku slinutý korund a pro proudové průchodky niob. Těchto materiálů bylo možno využít až na konci 60. let, kdy byly uvolněny z vojenského embarga.
Jelikož se jedná o keramický hořák, nelze provést zátav způsobem známým z technologie rtuťových výbojek, a to vakouvě těsný stisk molybdenové fólie v roztaveném materiálu těla hořáku, křemenném skle. Zde se niobová proudová průchodka s připevněnou elektrodou pájí do otvoru v trubici hořáku pomocí skelné pájky. Pájení průchodek se provádí v tzv. zonálních pecích, kde se pomocí grafitových článků zahřívají pouze konce trubic s průchodkami, zbytek trubic je chlazený. Pájení probíhá ve dvou etapách. Nejdříve se zapájí průchodky na jedné straně trubice v ochranné atmosféře argonu, pak se trubice otočí, naplní přesnou dávkou amalgamu sodíku (slitiny sodíku se rtutí) a zapájí z druhé strany. Ochranná atmosféra je zde současně plnicím plynem hořáku, a to argon, xenon nebo Penningova směs (směs Ne - Ar) podle typu budoucí výbojky. Obsah rtuti v hořáku je nutný pro úpravu elektrických parametrů výboje.
Vyrobené hořáky se montují do systému a zatavují do různých baněk (válcové čiré, eliptické pokryté světlorozptylnou vrstvou) podle typu výbojky. Baňky jsou vakuové, pro dosažení stabilního prostředí uvnitř baňky opatřené baryovým getrem. Výbojky jsou opatřeny paticí E 27 nebo E 40 podle typu.
Nyní je třeba si říci, s jakými typy sodíkových vysokotlakých výbojek je možno se v osvětlovací technice setkat.
1. Standardní řada výbojek.
Hořáky výbojek jsou plněny argonem nebo xenonem, jsou umístěny v čiré válcové nebo eliptické baňce, pokryté světlorozptylnou vrstvou. Výbojky se vyrábějí v příkonové řadě 50 - 1000 W, mají měrný výkon do 120 lm/W. Na síť se připojují přes příslušnou tlumivku a elektronický zapalovač. Použití pro veřejné a průmyslové osvětlení. Označují se NAV E,T (Osram), SON (Philips), SHC, SHL (Tesla), SHP (Sylvania) aj.
2. Výbojky se zvýšeným tlakem xenonu.
Hořáky výbojek jsou plněny xenonem o vyšším tlaku než atmosférickém, jsou umístěny v čiré válcové nebo eliptické baňce, pokryté světlorozptylnou vrstvou. Výbojky se vyrábějí v příkonové řadě 50 - 600 W s měrným výkonem 80 - 150 lm/W. Na síť se připojují přes tlumivku pro výbojky standardní řady a příslušný elektronický zapalovač. Zapalovací schopnosti těchto výbojek jsou horší, proto je třeba použít moderní zapalovače s vn impulzem v obou půlvlnách síťového napětí. Staré zapalovače Tesla TZ 10 nebo TZ 11 tyto výbojky zapalují velmi špatně. Použití pro veřejné a průmyslové osvětlení, mají větší měrný výkon oproti standardní řadě. Označují se NAV Super (Osram), SON Plus (Philips), SHP Super (Sylvania) aj.
3. Výbojky pro přímou náhradu výbojek rtuťových.
Hořáky výbojek jsou plněny Penningovou směsí, jsou opatřeny pomocnou zapalovací elektrodou, jsou umístěny v eliptické baňce opatřené světlorozptylnou vrstvou. Výbojky se vyrábějí v příkonové řadě 110 - 350 (340) W s měrným výkonem 70 - 97 lm/W. Slouží pro přímou náhradu rtuťových výbojek 125 - 400 W k zajištění vyššího měrného výkonu světelných zdrojů v dožívajících svítidlech pro rtuťové výbojky. Na síť se připojují přes tlumivku pro příslušnou rtuťovou výbojku bez zapalovače. Označují se: NAV E (Osram), SON-H (Philips), SHLP, SHCP (Tesla), SHX (Sylvania) aj.
4. Výbojky s interním zapalovačem.
Jsou to verze standardních výbojek 50 a 70 W, opatřených vnitřním doutnavkovým zapalovačem, zapojeným paralelně k výboji. Vlastnosti mají stejné jako odpovídající výbojky standardní řady, zapojují se na síť přes tlumivku pro příslušnou výbojku standardní řady bez zapalovače. Použití ve svítidlech, která nejsou opatřena zapalovačem. Označují se NAVE/I (Osram), SON/I (Philips) aj.
5. Výbojky se zlepšeným barevným podáním.
Hořáky jsou plněny xenonem a amalgamem sodíku odlišného složení od dříve uvedených typů. Vyrábějí se v příkonové řadě 35 - 400 W s měrným výkonem 57 - 93 lm/W. Dosahují indexu barevného podání 60, oproti 20 u ostatních typů. Na síť se připojují přes tlumivku pro příslušnou výbojku standardní řady a příslušný elektronický zapalovač. Použití pro náročnější osvětlování, vhodné i do interiérů, na osvětlování plaveckých bazénů apod. Označují se NAV DE LUXE (Osram), SON COMFORT (Philips).
6. Výbojky speciální.
- Výbojky se dvěma hořáky - výbojky, umožňující okamžité zapálení po krátkodobém výpadku elektrické energie, zvýšení života tím, že po skončení života jednoho hořáku dál svítí hořák druhý. Označují se SHCD (Tesla), SHP SBY Extra (Sylvania).
- Výbojky s oboustrannými vývody v baňce z křemenného skla. Použití do speciálních reflektorů. Označení NAV TS.
- Sodíkoxenonové výbojky („bílý sodík“) - pro komfortní osvětlování s možností přepínání teploty chromatičnosti 2400/2900 K podle potřeby pomocí elektronického předřadníku. Označení DSX-T.
Sodíkové vysokotlaké výbojky jsou moderní světelné zdroje, ve kterých se spojuje vysoký měrný výkon, index barevného podání, postačující pro daný okruh osvětlování, dlouhý život přesahující 20.000 hodin. Aby tyto výborné vlastnosti světelné zdroje dosáhly, je jim třeba zajistit odpovídající provozní podmínky. Jedná se zvláště o provoz na napětí, na které je navržena tlumivka, v toleranci ± 5 % a při impedanci tlumivky v toleranci + 5 - 3 % od hodnoty jmenovité. Provozování výbojek mimo tyto provozní podmínky vede k nestabilitě a nespolehlivosti provozu a ke snižování jejich života. Tím vzniká často dojem, že tyto světelné zdroje mají krátký život, kratší než dříve používané výbojky rtuťové. Je třeba si však uvědomit, že sodíkové vysokotlaké výbojky díky odlišné voltampérové charakteristice výboje jsou daleko citlivější na nevyhovující provozní podmínky (přepětí, nižší impedance tlumivky, náhlé poklesy napětí, vyskytující se zvláště v průmyslových provozech při zapínání různých zařízení s velkým záběrovým proudem), než výbojky rtuťové.