1. Lịch sử hình thành.
Đèn Natri áp suất thấp (
LPS hay SOX) được phát minh đầu tiên vào năm 1920 bởi Arthur H. Compton tại Westinghouse. Đèn đầu tiên là 1 bóng đèn tròn với 2 điện cực ở mỗi bên. Natri kim loại rắn được gắn vào trung tâm dưới cùng của bóng đèn. Khi nóng lên kim loại sẽ bốc hơi và đèn sẽ phát ra ánh sáng màu vàng. Đèn được thiết kế hình cầu vì sau khi tắt điện, kim loại sẽ nguội đi. Natri sẽ di chuyển đến phần mát nhất của bóng đèn sau khi tắt và đèn nguội dần. Một thiết kế ống sẽ chứa được nhiều hạt Natri hơn cũng được phát triển năm 1920 (giống như đèn Neon), nhưng natri có thể chuyển động đến tận bên ngoài của ống và khi đó nó sẽ phá hủy các điện cực theo thời gian (Khi không đủ nóng để làm bay hơi). Vấn đề lớn đối với mô hình của Compton là sự ăn mòn cao sẽ tấn công và làm đen thủy tinh vỏ đèn.
Marcello Pirani đã có bước phát triển lớn tiếp theo cho đèn LPS. Ông làm việc cho OSRAM ở Đức, nơi ông đã phát triển một kính điện trở natri vào năm 1931. Ông đã sử dụng lò nướng để làm nóng đèn, sau khi natri bắt đầu bốc hơi , đèn được khởi động.
Đèn LPS đầu tiên được bán thương mại vào năm 1932 bởi Philips. Philips đã không công bố tên của những người nghiên cứu. Các đèn đầu tiên có lớp vỏ có thể tháo rời, bên trong có lớp kính hút chân không để ngăn cách bóng đèn sao cho natri có thể biến thành hơi khi đốt nóng.
Phát triển sau này gồm:
- Lớp vỏ bên ngoài được hút chân không như một bóng đèn với các điện cực xả bên trong, do đó loại bỏ được lớp vỏ tách rời trước đó, làm cho nó "giống" với bóng đèn hơn.
- Phủ lớp Indium ở bên trong vỏ, giúp cho hồng ngoại phản xạ ngược vào trong đèn, giúp cho đèn nóng hơn và giúp cho LPS hoạt động tin cậy khi trời lạnh.
Kể từ khi được giới thiệu thương mại vào năm 1932, LPS đã liên tục duy trì được vị trí tuyệt vời của nó như là nguồn ánh sáng hiệu quả nhất sẵn có. Trong những năm gần đây, sự cạnh tranh ngày càng tăng từ các loại đèn khác làm suy giảm chậm LPS trên thị trường. Nhưng LPS tiếp tục được chỉ định cho việc lắp đặt mới, đặc biệt là tại Bỉ, Hà lan và các khu vực khác trên toàn cầu nơi có yêu cầu giảm ô nhiễm môi trường do các nguồn sáng gây ra.
Hình 1 là mô hình LPS điển hình:
2. Cấu trúc của đèn
Vì lý do hiệu quả tối ưu hơi natri được giữ ở áp suất thấp, cần ống phóng kích thước lớn có nhiệt độ hoạt động tương đối thấp. Điều này cho phép sử dụng các loại kính thông thường như silicat soda-vôi hoặc borosilicate, tuy nhiên một lớp bảo vệ bằng kính borat đặc biệt được thổi lên bề mặt bên trong của ống kính để giảm tỷ lệ ăn mòn hóa học của hơi natri. Để giảm bớt chiều dài của ống phóng người ta gấp nó thành một hình chữ U, mặc dù thiết kế ống phóng thẳng cũng tồn tại. Ống phóng chứa natri kim loại và một loại khí hiếm, thường là neon-based, sẽ thuận lợi cho khởi động đèn. Dòng điện được cung cấp thông qua các điện cực thermionic ở hai đầu, tương tự như trong đèn huỳnh quang thủy ngân áp suất thấp. Ống phóng yêu cầu cách nhiệt để đảm bảo hiệu quả đèn cao, điều này được thực hiện bằng cách lắp nó bên trong một bóng đèn, ở giữa là lớp chân không do đó có thể giảm thiểu dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt. Trong các loại đèn hiện đại hơn được phủ trên bề mặt bên trong của lớp indium phản chiếu tia hồng ngoại để giảm thiểu tổn thất nhiệt bức xạ.
3. Đặc điểm cơ bản.
Giải thích lý do cho sự hiệu quả rất cao của việc ử dụng natri áp suất thấp là vì quá tình phóng điện để chuyển đổi điện năng thành ánh sáng nhìn thấy đặc biệt hiệu quả, hơn nữa thực tế cho thấy các bước sóng ánh sáng LPS phát ra rất gần với độ nhạy cao điểm của mắt người trong điều kiện bình thường. Hình 2 cho thấy sự cân bằng năng lượng của đèn natri áp suất thấp điển hình, trong đó cho thấy rằng trong thực tế chỉ có khoảng 30% năng lượng đầu vào được chuyển đổi thành ánh sáng nhìn thấy. Tỷ lệ này có thể so sánh với đèn phóng điện hiện đại khác. Hình 3 trong khi đó minh họa quang phổ của nó chồng lên đường cong độ nhạy của mắt người, trong đó cho thấy sự chất khí phóng điện gần với các bước sóng hiệu quả nhất.
Hình 2: Cân bằng năng lượng của đèn SOX Hình 3: Độ nhạy của mắt đối với ánh sáng đèn SOX
Đèn SOX đã liên tục được cải tiến về vật liệu và công nghệ trong những năm vừa qua, điều đó cho phép nó luôn duy trì được vị trí của nó như là một nguồn ánh sáng hiệu quả nhất. Hình 4 minh họa quang hiệu của mỗi công nghệ nguồn ánh sáng chính theo thời gian. Có điều thú vị để lưu ý từ biểu đồ này là: kể từ khi khởi đầu của mỗi công nghệ nguồn sáng khác, đèn SOX luôn duy trì được lợi thế cạnh tranh. Ngoại lệ duy nhất là công nghệ đèn LED đang phát triển vượt bậc trong những năm gần đây. Quang thông và chi phí của đèn LED sẽ phát triển sang cả những lĩnh vực khác (ngoài đèn đường). Vị trí của đèn LPS giữ ở trên cung biểu đồ này dự kiến sẽ được duy trì trong nhiều năm trong tương lai.
Hình 4: Quang hiệu các nguồn sáng.
4. Ưu điểm
Ánh sáng Sodium thấp áp có một số đặc tính độc đáo do quang phổ của nó, phần lớn nhất trong số đó về mặt kỹ thuật LPS là nguồn ánh sáng phù hợp nhất cho chiếu sáng đường. Ngoài ra, kích thước vật lý lớn của đèn có nghĩa nó có độ sáng bề mặt thấp do đó ít có khả năng làm tăng độ chói. Nhiệt độ hoạt động thấp cho phép sử dụng tích hợp các thiết bị trong đèn và có thể sử dụng vỏ nhựa. Nguồn sáng này được dùng phổ biến cho ánh sáng đường hầm, đặc biệt ở Hàn Quốc và Nhật Bản nơi có rất nhiều đường hầm hơn 10km. Các đèn có kích thước lớn có thể được liên kết từ đầu đến cuối con đường tạo ra dòng ánh sáng liên tục và điều nay gần như loại bỏ hiệu ứng hoạt nghiệm (stroboscopic effect ). (Hiệu ứng hoạt nghiệm: Ánh sáng nhấp nháy, mắt sẽ liên tục phải điều tiết gây hoa mắt, mỏi mắt). Điều này được chứng minh bằng thực tế tỷ lệ tai nạn giảm đáng kể trong đường hầm sử dụng đường này. Đèn huỳnh quang cũng có thể áp dụng trong mô hình này, nhưng SOX có hiệu quả năng lượng điện rõ rệt. Hơn nữa giá đèn SOX tương đối rẻ, chi phí vận hành thấp.
Một ý nghĩa thực tế lớn của loại đèn này là nó không chứa thủy ngân, và có thể xử lý nó như một chất thải không độc hại. Hầu hết các đèn sodium cao áp và các nguồn ánh sáng khác sử dụng trong ánh sáng đường phố đều chứa thủy ngân và việc xử lý chất thải đặc biệt tốn kém.
Quang thông của đèn gần như không thay đổi trong suốt thời gian hoạt động của nó (giảm khoảng 10% đến khi cháy 20.000h).
Một lợi thế cuối cùng của đèn LPS là khả năng khởi động lại. LPS có thể khởi động lại ngay khi có điện (như đèn huỳnh quang)
5. Nhược điểm
Không có nguồn ánh sáng cung cấp nào có đủ mọi lợi thế, đèn LPS cũng như vậy. Một trong những điểm yếu của nó là chỉ số hoàn màu thấp và điểm yếu chính là tuổi thọ thấp hơn các loại đèn khác. Loại đèn SOX-Plus được giới thiệu vào năm 1994 chỉ thỏa mãn được 1 phần. Năm 2003 đèn SOX-PSG được giới thiệu, qua thử nghiệm đèn lỗi trước 6000 giờ, hoặc sau 18 tháng sử dụng không xảy ra. Vì vậy tới nay chu kỳ bảo dưỡng 3 năm hoàn toan khả thi với 92% tỷ lệ sống sót sau 12.000 giờ hoạt động.
6. Ứng dụng:
Sử dụng LPS làm đèn đường, đèn an ninh , đèn phòng chụp ảnh, xử lý ảnh.
7. So sánh với đèn Cao áp:
- Về tuổi thọ của bóng đèn: 2 x SOX = 1 SON.
-
Về công suất tiêu thụ: 3 x SON = 1 SOX