Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 5/2017 vyšlo tiskem
18. 9. 2017. V elektronické verzi na webu bude 18. 9. 2017.

Svítidla a světelné přístroje
MAYBE STYLE představuje LED designová svítidla německého výrobce Lightnet
TREVOS – nová svítidla pro průmysl i kanceláře
Kolik typů LED panelů vyrábí MODUS?
Inteligentní LED svítidlo RENO PROFI

Osvětlení interiérů
Světlo v bytovém interiéru – otázky a odpovědi

Aktuality

V českých zemích se svítí již 170 let 15. září 1847, tedy přesně před 170 lety se pražské ulice poprvé ozářily plameny z více…

Technologické Fórum 2017 – jedinečné setkání odborníků stavebního trhu Premiéru na letošním ročníku mezinárodního stavebního veletrhu FOR ARCH bude mít…

Nejvyšší dřevěná stavba na světě zahájí konferenci Požární bezpečnost staveb 2017 Přípravy 2. ročníku konference odborného portálu TZB-info Požární bezpečnost staveb 2017,…

FOR ARCH 2017 přinese řadu zajímavých soutěží a konferencí Osmadvacátý ročník mezinárodního stavebního veletrhu FOR ARCH, který se uskuteční ve…

Více aktualit

Světelné zdroje – vysokotlaké rtuťové výbojky, směsové výbojky

Ing. Vladimír Dvořáček, S Lamp s. r. o., Panenské Břežany
 
Obě skupiny těchto výbojek patří do kategorie vysokotlakých výbojových zdrojů využívajících zajímavé vlastnosti výboje v parách rtuti při zvýšeném tlaku. V předcházejících článcích byli čtenáři seznámeni s nízkotlakými rtuťovými výbojkami (lineárními a kompaktními zářivkami), v nichž největší část energie je vyzařována rezonančními čarami v ultrafialové oblasti spektra, která je s využitím vrstvy luminoforu transformována do viditelné části, zatímco vlastní viditelné záření výboje dosahuje úrovně pouze několika procent přiváděné energie. U vysokotlakých výbojek je mechanismus vzniku světla odlišný. Při postupném zvyšování tlaku rtuťových par a zvyšování proudové hustoty se totiž posunuje vyzařovaná energie směrem k větším vlnovým délkám, roste měrný výkon a vzniká spojité spektrum, jehož intenzita s narůstajícím tlakem rtuťových par rovněž roste (obr. 1). Hlavní podíl záření připadá na nerezonanční čáry, z nichž část leží v ultrafialové a čtyři velmi intenzivní ve viditelné modro-zelené oblasti spektra (404
až 407, 436, 546 a 577 nm). Přes poměrně velký měrný výkon (50 až 60 lm/W) však takový zdroj není vhodný pro všeobecné osvětlení, protože ve spektru jeho světla zcela chybí červená složka. Podání barev osvětlovaných předmětů a zejména lidské pokožky je tudíž naprosto nevyhovující.
 
Proto se hledaly způsoby, jak odstranit zmíněný nedostatek a zlepšit spektrum vyzařovaného světla. Lze k tomu využít tyto možnosti:
a) Transformace bohatého ultrafialového záření vysokotlakého rtuťového výboje vhodným luminoforem na chybějící záření v červené oblasti spektra. Tento způsob se využívá u vysokotlakých rtuťových výbojek s luminoforem (spektrální složení světla viz obr. 6a, b).
b) Kombinace modro-zeleného záření vysokotlakého rtuťového výboje se světlem žárovek. Tím lze dosáhnout, na úkor měrného výkonu, podstatného zvýšení obsahu červené složky. Tento způsob se využívá u směsových výbojek, u nichž se navíc využívá i záření luminoforu (spektrální složení světla viz obr. 6c).
c) Přidání dalších vhodných svíticích prvků do rtuťového výboje, jejichž záření vyplňuje mezery mezi viditelnými čárami rtuti. V šedesátých letech dvacátého století byl objeven nový způsob vnášení svíticích příměsí do rtuťového výboje v podobě příslušných halogenidů. Tento způsob se využívá u halogenidových výbojek.
d) Náhrada rtuti jiným prvkem s vhodnějším spektrem ve viditelné oblasti. Zde se otevřelo široké pole působnosti zejména v souvislosti s vývojem dalších materiálů vhodných k výrobě hořáku výbojky (např. korundová keramika). Tento způsob je využit např. u vysokotlakých sodíkových výbojek a u halogenidových výbojek s hořákem z oxidu hlinitého.
 
Vysokotlakým sodíkovým výbojkám a halogenidovým výbojkám – s ohledem na jejich bouřlivý rozvoj a neustále rostoucí význam v osvětlovací technice – budou věnovány samostatné články v dalších číslech časopisu Světlo.
 

1. Vysokotlaké rtuťové výbojky

Vysokotlaké rtuťové výbojky jsou světelné zdroje, v nichž hlavní část světla vzniká ve rtuťovém výboji při parciálním tlaku převyšujícím 100 kPa. Tato definice se vztahuje na výbojky s čirou vnější baňkou i s baňkou pokrytou luminoforem, v nichž část světla vzniká ve výboji a část ve vrstvě luminoforu vybuzeného ultrafialovým zářením výboje.
 
Konstrukce rtuťové výbojky je naznačena na obr. 2. Změněné podmínky výboje v porovnání se zářivkami, tj. podstatně vyšší pracovní tlaky a teploty a odtud vyplývající jiné geometrické a elektrické parametry, si vynutily i použití podstatně odolnějších materiálů na výrobu vlastní výbojové trubice – hořáku. Hořák je zhotoven z křemenného skla, do něhož jsou zataveny hlavní wolframové elektrody a zpravidla jedna pomocná elektroda. Na vakuově těsný zátav elektrod je využita molybdenová fólie. Elektroda je pokryta emisní hmotou na bázi oxidů barya a vápníku s přísadou oxidu yttritého, u starších konstrukcí s oxidem
thoričitým. Do hořáku se dávkuje přesné množství rtuti a argon o tlaku asi 2,6 kPa. Argon usnadňuje zapálení výboje a zabraňuje zvýšenému odpařování emisní hmoty v počáteční fázi jeho rozvinutí, kdy hořákem prochází (při nízkém tlaku rtuťových par) proud převyšující jmenovitou hodnotu až o 50 %.
 
Po připojení napájecího napětí na výbojku nejdříve vzniká výboj mezi pomocnou a nejbližší hlavní elektrodou. Tento výboj je stabilizován rezistorem, který je umístěn vně hořáku v baňce. Pomocný výboj způsobuje předběžnou ionizaci výbojového prostoru a usnadňuje rozvinutí výboje mezi hlavními elektrodami. K zapálení výboje tak postačuje s poměrně značnou rezervou napětí sítě a není zapotřebí používat přídavná zapalovací zařízení. Hořák je umístěn ve vnější baňce, která plní několik funkcí. Stabilizuje teplotní, a tedy i elektrický režim výbojky, a tím i její světelný tok, pohlcuje nežádoucí ultrafialové záření a funguje jako plocha k nanesení vrstvy luminoforu. Vnější baňka je zhotovena z měkkého sodno-vápenatého skla (u výbojek s příkonem do 125 W) anebo z tvrdého borito-křemičitého skla v případě příkonů vyšších než 125 W. Baňka je naplněna směsí argonu a dusíku o tlaku asi 50 kPa. Inertní atmosféra chrání nosný systém hořáku a především molybdenové fólie před oxidací. Na vnitřní stěnu baňky je nanesena vrstva luminoforu, která transformuje část ultrafialového záření na viditelné světlo, zejména v červené oblasti spektra, a zajišťuje tak lepší podání barev. Luminofor, nejčastěji vanadičnan yttritý nebo vanadičnan-boritan-yttritý aktivovaný europiem, se na baňku nanáší suchou cestou v elektrostatickém poli. Výbojka je opatřena závitovou paticí E27 nebo E40 podle příkonu.
 
Potřeba přesného dávkování rtuti do hořáku je dána výraznou závislostí tlaku nasycených rtuťových par na teplotě. V tomto režimu i malé změny teploty stěn trubice vyvolávají značné změny tlaku, a tím i změny všech parametrů výbojky. S cílem snížit tuto závislost jsou vysokotlaké rtuťové výbojky plněny přesným množstvím rtuti tak, aby se v normálních pracovních podmínkách zcela odpařila, a výboj tak probíhal v režimu přehřátých par. Tlak je přitom dán množstvím dávkované rtuti a mění se úměrně k efektivní teplotě hořáku, tedy podstatně pomaleji než v oblasti nasycených par. Postupné vypařování rtuti v první fázi svícení výbojky po zapnutí má za následek odpovídající změny elektrických a světelných parametrů, takže ustálených hodnot se dosáhne po uplynutí asi 5 minut (obr. 3).
 
Vyráběný sortiment standardních vysokotlakých rtuťových výbojek stagnuje a již delší dobu se ustálil na základní příkonové řadě 50, 80, 125, 250, 400, 700 a 1 000 W, vesměs v provedení s luminoforem. Základní parametry jsou uvedeny v tab. 1. Kromě toho se výbojky o příkonu 50 až 400 W vyrábějí i ve varianách označovaných „de luxe“, „super de luxe“ nebo „comfort“, které obsahují kvalitnější luminofor a vyznačují se vyšším světelným tokem (asi o 10 %) i větší červenou složkou při nižší náhradní teplotě chromatičnosti Tcp (2 900 až 3 500 K). Všeobecný index podání barev Ra těchto typů výbojek dosahuje hodnoty 60. Výbojky (125 až 400 W) se vyskytují i v provedení s reflektorovou baňkou; jsou využívány v těžkých provozech se značným stupněm znečištění. Vysokotlaké rtuťové výbojky vyžadují pro svůj provoz tlumivky, jejichž spotřeba činí přibližně 10 až 45 W podle příkonu.
 
K výhodám vysokotlakých rtuťových výbojek patří:
  • dlouhý život 12 000 až 16 000 h; přední výrobci zdůrazňují u vybraných typů nízký podíl vadných zdrojů po deklarovaném životě (max. 10 % vadných), což usnadňuje obsluhu a údržbu osvětlovacích zařízení a umožňuje využívat skupinovou výměnu zdrojů,
  • dobrá stabilita světelného toku v průběhu života – úbytek 20 % počáteční hodnoty (opět u výbojek od vybraných výrobců),
  • libovolná poloha svícení,
  • dobrá spolehlivost, daná jednoduchým schématem zapojení – pouze tlumivka bez zapalovače; z toho rovněž vyplývá jednodušší údržba osvětlovacích soustav,
  • malý vliv okolní teploty na parametry výbojky,
  • spolehlivý provoz i při nízkých teplotách (až do –25 °C),
  • nízká cena, vyplývající z vysokého stupně automatizace výroby a z jednodušší technologie výroby.
Nevýhody:
  • poměrně malá účinnost v porovnání s moderními výbojovými zdroji, především u výbojek s malými příkony,
  • horší podání barev, zejména u základního sortimentu,
  • nemožnost – s ohledem na obsah rtuti – odkládat vyhořelé výbojky do komunálního odpadu,
  • možnost výbojku po vypnutí zapnout až po jejím vychladnutí,
  • materiálová náročnost, související s poměrně velkými rozměry svíticího povrchu výbojky,
  • nevhodnost pro stmívání.
Výbojky s příkonem 125 W se vyrábějí rovněž v provedení bez luminoforu, s vnější baňkou z černého skla, které odfiltruje téměř veškeré viditelné záření a propouští pouze UV záření v oblasti 300 až 400 nm s maximem kolem 365 nm. Tyto výbojky nacházejí své uplatnění např. při luminiscenční analýze materiálů, v kriminalistice, při kontrole pravosti bankovek, v poštovním provozu, při vytváření různých světelných efektů v divadle aj. Schéma zapojení a elektrické parametry výbojky odpovídají výbojkám pro všeobecné osvětlení.
 
Kromě provedení s vnější baňkou nacházejí stále častější upotřebení vysokotlaké rtuťové výbojky bez vnější baňky používané jako zdroje UV záření pro urychlení řady technologických procesů, např. při vytvrzování barev a laků ve výrobě CD, při moderních metodách lepení aj. Jde o poměrně velmi široký sortiment, a to jak z hlediska rozměrů (délka od několika centimetrů až po 1,5 m), tak i elektrických parametrů (hodnota příkonu od několika set wattů po více než 10 kW). Život těchto výbojek, s ohledem na jejich velké teplotní zatížení a provoz bez vnější baňky dosahuje hodnot v rozmezí 1 000 až 2 000 h podle výrobce a příkonu. Jsou vyráběny z běžného křemenného skla propouštějícího i krátkovlnné UV záření, které vyvolává vznik nežádoucího ozonu, i z křemenného skla speciálního složení, kdy se ozon netvoří. V prvním případě je nutné zajistit odsávání ozonu, což u moderních technologických zařízení je běžné. Výbojky pracují ve speciálních elektrických obvodech, které se vesměs odlišují od obvodů s předřadníky určenými pro běžný sortiment vysokotlakých rtuťových výbojek. Bližší informace o některých často používaných typech lze najít např. v [3].
 
Podíl vysokotlakých rtuťových výbojek určených pro všeobecné osvětlení na trhu soustavně klesá (na rozdíl od speciálních typů pro technologické účely zmiňované v předchozím odstavci, kde naopak dochází ke zřetelnému nárůstu); jsou postupně nahrazovány podstatně úspornějšími sodíkovými a halogenidovými výbojkami. Typům s nižšími příkony úspěšně konkurují i kompaktní zářivky s elektronickým předřadníkem a v současné době již i světelné diody. Rovněž vývoj nových vhodných svítidel stagnuje a předřadné obvody jsou zastoupeny pouze energeticky nevýhodnými tlumivkami, jejichž výroba v některých zemích bude právě z energetických důvodů ukončena. Vysokotlaké rtuťové výbojky se používají k venkovnímu osvětlení, osvětlení některých méně významných komunikací, dopravních značek, zvýšený podíl zeleného světla je činí vhodnými při osvětlení parkových ploch. V nových osvětlovacích soustavách jejich používání není žádoucí, a dokonce lze předpokládat – zejména ve vyspělých zemích – jejich omezení i legislativní cestou.
 

2. Směsové výbojky

Směsová výbojka je světelný zdroj, v jehož baňce jsou rtuťová výbojka a žárovkové vlákno zapojeny do série. Záření vlákna doplňuje spektrum rtuťového výboje zejména v červené oblasti, kde záření rtuti chybí. Konstrukce směsové výbojky je znázorněna na obr. 4. Do série s křemenným hořákem vysokotlaké rtuťové výbojky je zapojeno wolframové vlákno, které současně plní i funkci předřadníku, takže není nutné používat tlumivku. Hořák, jehož konstrukce je obdobná jako u klasických vysokotlakých výbojek, i vlákno jsou namontovány do společné baňky s běžnou závitovou paticí. Baňka z měkkého skla je pokryta luminoforem (používá se vanadičnan yttritý aktivovaný europiem) a je plněna inertním plynem. Směsové výbojky s příkonem 160 W jsou k dispozici i ve verzi s reflektorovou baňkou. Výbojky jsou vyráběny na napájecí napětí 225 až 235 V.
 
Základní sortiment se ustálil na typech uvedených v tab. 2. Výhody směsových výbojek:
  • jednoduchý provoz nevyžadující použití předřadných zařízení,
  • výhodná náhrada žárovek s velkým příkonem 200, 300 a 500 W, při delším životě; v těchto případech se spoří elektrická energie, resp. roste osvětlenost na pracovní ploše,
  • příjemný teplý odstín světla s teplotou Tcp = 3 300 až 3 800 K,
  • dobré podání barev charakterizované Ra = 60 až 72,
  • cos φ ~ 1,
  • téměř okamžité dosažení jmenovité hodnoty světelného toku (obr. 5).
K nevýhodám především patří:
  • nízký měrný výkon, který značně omezuje oblast použití,
  • nemožnost je stmívat.
Konstrukčně obdobné jako směsové výbojky jsou i výbojky používané k imitaci slunečního záření. Vnější baňka reflektorového typu je zhotovena ze speciální skloviny, která propouští převážně záření v UV-A a částečně i v UV-B oblasti spektra, vydávané rtuťovým hořákem, i infračervené záření wolframového vlákna, doplňujícího záření hořáku v oblasti IR-A. Tyto výbojky o příkonu 300 W – kromě použití ke kosmetickým účelům v domácnosti a fitcentrech – nacházejí rovněž uplatnění v technické oblasti při vytvrzování barev, laků a speciálních lepidel, při umělém stárnutí plastů, při zkouškách materiálů apod.
 
Podíl směsových výbojek v celkové spotřebě světelných zdrojů trvale klesá, v nových osvětlovacích soustavách nemají své opodstatnění.
 
Literatura:
[1] HABEL, J. a kol.: Světelná technika a osvětlování. FCC Public, Praha, 1995.
[2] Katalog firmy Osram 2008/2009.
[3] S Lamp Panenské Břežany: Katalogový list Speciální vysokotlaké rtuťové výbojky – 2008.
 
Recenze: doc. Ing. Josef Linda, CSc. – Západočeská TU v Plzni
 
Obr. 1. Závislost měrného výkonu rtuťového výboje na tlaku rtuťových par
Obr. 2. Konstrukce vysokotlaké rtuťové výbojky 1 – nosný rámeček, 2 – hlavní elektrody, 3 – pomocná elektroda, 4 – molybdenová fólie, 5 – rezistor, 6 – rtuť, 7 – vnější baňka, 8 – vrstva luminoforu, 9 – patice
Obr. 3. Náběhové charakteristiky vysokotlakých rtuťových výbojek 1 – proud výbojky, 2 – příkon, 3 – napětí výbojky, 4 – světelný tok
Obr. 4. Konstrukce směsové výbojky 1 – nosný rámeček, 2 – rtuťový hořák, 3 – wolframové vlákno, 4 – molybdenové háčky, 5 – vnější baňka, 6 – vrstva luminoforu, 7 – patice
Obr. 5. Náběhové charakteristiky směsových výbojek 1 – příkon, 2 – proud výbojky, 3 – světelný tok
Obr. 6. Poměrné spektrální složení světla vysokotlakých rtuťových a směsových výbojek a) vysokotlaká rtuťová výbojka standard, b) vysokotlaká rtuťová výbojka se zlepšeným podáním barev, c) směsová výbojka
 
Tab.1. Základní sortiment vysokotlakých rtuťových výbojek s luminoforem
Tab. 2. Základní sortiment směsových výbojek