Исследование и разработка индукционных люминесцентных источников света на частотах 100-15 000 кгц

и 10 см) с «внутренней» цилиндрической полостью диаметром 2,6 см. Лампы работали на частоте 5 МГц и мощности 25 Вт. В конце первой главы приведены особенности конструкций и параметры современных индукционных люминесцентных ламп, как с внутренней полостью, работающих с магнитным усилением на частоте 2,65 МГц (QL, Philips; Genura, General Electric), так и лампы трансформаторного типа, работающие на частоте 250 кГц (Endura/Icetron, OSRAM). Обсуждаются возможности усовершенствования существующих индукционных ламп и формулируются научно-технические задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена теоретическим исследованиям свойств и характеристик индукционных разрядов низкого давления, используемых в ВЧ безэлектродных источниках света. Изложен принцип работы и особенности конструкций индукционных ламп, исследованных в диссертации, в т.ч.впервые предложеных диссертантом: а) замкнутая трубка с индуктивной катушкой, расположенной по внешнему (или «внутреннему») периметру лампы и незамкнутая разрядная трубка с индуктивной катушкой, охватывающей трубку по ее продольному периметру. Исследования проводились на частотах f 100 кГц, на которых параметры плазмы не меняются в течение периода колебаний ВЧ поля. Анализировались возбуждаемые ВЧ индуктором в разрядной колбе два типа электрических ВЧ полей: потенциальное («емкостное») и вихревое (индукционное). Показано, что отношение напряженности емкостного ВЧ поля Еz к напряженности индукционного поля E вблизи индуктивной катушки ВЧ индуктора равно отношению периметра катушки к ее шагу и более чем в три раза превышает его. Проведенные в диссертации исследования зажигания ламп разных типов обнаружили, что в диапазоне частот ВЧ поля от 100 кГц до 15 МГц при подаче ВЧ напряжения на катушку ВЧ индуктора в колбе/трубке вначале зажигается

емкостной разряд, который переходит в индукционный лишь после увеличения ВЧ напряжения на индуктивной катушке.

Во второй главе диссертации показано, что в диапазоне частот 100-15 000 кГц световая отдача лампы v = Ф/Р может быть представлена произведением световой отдачи плазмы pl = Ф/Рpl на энергетическую эффективность (к.п.д.) ВЧ индуктора c = (P – Pc)/P = Ppl/P:

v = cpl (1)

Здесь Р, Рpl и Pc, соответственно, мощность лампы, мощность плазменного витка и мощность потерь в ВЧ индукторе. Это позволило «разделить» исследование световой отдачи лампы на исследование к.п.д. ВЧ индуктора (мощности потерь в ВЧ индукторе) и на исследование световой отдачи плазмы индукционного разряда.

В этой же главе диссертации предложена и развита комплексная модель, основанная на трансформаторном методе, электродинамической модели плазмы индукционного разряда, уравнений мощности потерь в ВЧ индукторе (проводе катушки и ферромагнитном сердечнике/магнитопроводе) и эмпирических соотношений: а) зависимости световой отдачи плазмы от мощности плазмы и б) зависимости напряженности ВЧ поля в плазме от диаметра трубки и разрядного тока. Модель позволила связать параметры трех основных узлов индукционной лампы, определяющих световую отдачу лампы: разрядной колбы, ВЧ индуктора и плазмы индукционного разряда. В рамках модели получено аналитическое выражение для тока катушки ВЧ индуктора Ic, определяющего мощность потерь в индукторе Рс и связывающее его с частотой ВЧ поля = 2f, взаимной индуктивностью плазмы и ВЧ индуктора М = k(LcL2)1/2, длиной плазменного витка/шнура pl и параметрами плазмы Еa и Q2:

Iс = plЕa [1 + Q22]1/2/M (2)

Здесь Q2 = L2/Rpl – добротность плазменного витка, рассчитываемая в рамках модели по экспериментально определяемым параметрам ВЧ индуктора; Rpl – активное сопротивление плазменного витка/шнура; Еa = Еpl[1+(/)2]-1/2 - активная

составляющая напряженности ВЧ поля в плазме индукционного разряда Epl. - частота упругих соударений электронов с атомами ртути и инертного газа. L2 –

геометрическая индуктивность плазменного витка. Коэффициент связи плазмы с ВЧ индуктором k рассчитывался по формуле, полученной нами с использованием трансформаторной модели:

k = [(1+Q22)(P-Рс)/PcQcQ2]1/2 (3)

где добротность ВЧ индуктора Qc = Lc/Rc, a Rc – активное эквивалентное сопротивление ВЧ индуктора. Рассчитанный по (3) коэффициент связи k не обнаружил зависимости от частоты ВЧ поля, но незначительно возрастал с мощностью плазмы. Расчет k по (3) находится в хорошем согласии с расчетом

k = Scoil/Spl (4)

где Scoil и Spl - площади сечений индуктивной катушки и плазмы, соответственно.

В рамках развитой модели получены соотношения, связывающие мощность потерь в проводе катушки индуктора Рсoil и удельную мощность потерь в ферромагнитном сердечнике/магнитопроводе pfer с параметрами плазмы индукционного разряда: l

Рсoil = (a pl)2ww(1+ Q22)/(M)2 (5)

pfer = a(22,5)dfc-d(plpl)d/k0,5dSferd (6)

Здесь w() – сопротивление провода на 1 см его длины, зависящее от частоты ВЧ поля, w – длина провода катушки, Sfer – сечение сердечника/магнитопровода; а – коэффициент, с и d – показатели степени, определяемые типом ферромагнетика и диапазоном частот ВЧ поля.

Расчет напряженностей ВЧ поля Еa, проведенный для индукционных ламп различного типа в рамках нашей модели, показал, что они весьма близки к экспериментальным напряженностям ВЧ полей в плазме люминесцентных ламп с внутренними электродами в трубках такого же диаметра Dt, с рабочей смесью такого давления и работающих на одинаковом разрядном токе Ipl.

Экспериментальные зависимости Еа от Ipl и Dt, измеренные в люминесцентных лампах с внутренними электродами при давлениях рHg = 7x10-3 мм рт.ст., pAr = 0,1-5

мм рт.ст., разрядных токах Ipl = 0,2 – 10 A и диаметрах трубки Dt = 2 – 10 см, хорошо аппроксимируются выражением:

Еа = 0,9/Ipl0,2Rt0,5 = 1,27/Ipl0,2Dt0.5 (7)

Во второй главе в приближении бесконечной цилиндрической плазмы (Rдля частоты f = 1,65 МГц дано на рис. 1.

Е(r)/E(0)

Рис. 1. Относительное распределение Е в радиальном и азимутальном направлениях. – азимутальный угол, отсчитываемый от места приложения провода катушки. f = 1,65 МГц; рHg = 7x10-3 мм рт.; рАr = 0,3 мм рт.ст. Плотность плазмы на оси трубки ne(0) = 0,3х1012 см-3

Для индукционного разряда низкого давления, возбуждаемого в бесферритной незамкнутой трубке ВЧ током катушки, охватывающей трубку в продольном направлении, был применен метод двухпроводной линии. Напряженность ВЧ поля в плазме спадает от максимума у стенок трубки в месте расположения витков катушки, к центру трубки (х = 0), где Еpl|х=0=0.

Рис. 2. Распределение wpl по сечению разрядной трубки. Dt = 50 мм, давление аргона 0,1 мм рт.ст., частота ВЧ поля f = 1 МГц, плотность плазмы на оси трубки ne(0) = 5x1011 см-3

В результате, плотность тока Jpl и объемная плотность мощности плазмы wpl также равны нулю на прамой линии х=0, а их максимальные значения сдвинуты к стенкам трубки к местам, где расположены два провода катушки (рис. 2). По расположению максимумов плотности тока J(r) нами определялся «путь» разрядного тока и соответственно, длина плазменного витка pl, необходимая для расчетов параметров плазмы и мощности потерь в ВЧ индукторе.

В третьей главе анализируются основные узлы и компоненты индукционных ламп, их функции и критерии выбора материалов, размеров и температурного режима. Большое внимание уделено индуктивным катушкам и ферромагнитным сердечникам; их конструкциям и материалам. Выведены уравнения, связывающие мощность потерь в проводе катушки и сердечнике с параметрами ВЧ индуктора и индукционной плазмы. Впервые в технологии индукционных ламп применен многожильный провод (литцендрат), имеющий на частотах 50-500 кГц низкое

удельное сопротивление w = (2-5)x10-4 Ом/см, что позволило сконструировать индуктивные катушки с высокой добротностью Qcoil > 200 и, соответственно, с

высоким к.п.д. ВЧ индуктора. В диссертации приведены результаты экспериментальных исследований к.п.д ВЧ индукторов с и световых отдач плазмы pl индукционных ламп различных типов и их зависимостей от мощности лампы, частоты ВЧ поля и давления инертного газа. Было обнаружено, что при малых добротностях плазменного витка/шнура Q2 0,3 (низкие частоты ВЧ поля, малые плотности плазмы) увеличение мощности плазмы Ppl и частоты ВЧ поля f сопровождается уменьшением тока индуктивной катушки Iс и связанных с ним мощностей потерь в ВЧ индукторе Рс и Рfer. На высоких добротностях плазмы Q2 1 (высокие частоты, высокие плотности плазмы) увеличение Рpl и f ведет к росту напряженности ВЧ поля Еpl, тока катушки Ic и мощности потерь в ВЧ индукторе Pc.

Экспериментальные исследования световой отдачи плазмы индукционных люминесцентных ламп pl не обнаружили ee зависимости от частоты ВЧ поля f. Установлено, что на исследованных в диссертации мощностях плазмы Рpl = 10 - 500 Вт световая отдача плазмы монотонно уменьшается с ростом Рpl. Зависимость pl от Рpl хорошо аппроксимируется прямой

pl = 0 – BPpl (8)

где 0 – «начальная» световая отдача плазмы (Р0 = 10 Вт), а В - скорость уменьшения pl с мощностью плазмы Рpl. При оптимальном давлении паров ртути (6-8)х10-3 мм рт.ст. «начальная» световая отдача плазмы 0 незначительно возрастает с давлением инертного газа, длиной плазменного витка/шнура pl и характерным размером разрядного промежутка dif. Скорость уменьшения pl практически не меняется с Рpl, но возрастает с давлением инертного газа и уменьшается с размером разрядного промежутка как В = C(ри.г/dif )1/2 (рис. 3). Здесь С – формфактор, зависящий от геометрии разрядного промежутка. Обнаружено, что экспериментальная зависимость pl от Ppl хорошо коррелируют с рассчитанной в рамках трансформаторной модели зависимостью Ipl от Ppl

Ipl = Ppl(1+Q22)1/2/IcM (9)

а скорость уменьшения световой отдачи с мощностью плазмы В обратно пропорциональна напряженности ВЧ электрического плазмы Еpl = plIpl/Ppl.

ри.г./dif, мм рт.ст./см

Рис. 3. Зависимость скорости уменьшения светповой отдачи плазмы В от ри.г./dif. Лампы с полостью: – Db = 60 мм; – Db = 105 мм; - Db = 160 мм; – Db = 180 мм. Лампы трансформаторного типа: - Dt = 35 мм; – Dt = 38 мм; -Dt = 100 мм.

В диссертации экспериментально обнаружено, что зависимость световой отдачи плазмы pl от давления инертного газа имеет максимум, который с увеличением мощности плазмы сдвигается в сторону меньших давлений. Поскольку увеличение мощности плазмы ведет к увеличению к.п.д. ВЧ индуктора c и к уменьшению световой отдачи плазмы pl, то зависимость световой отдачи лампы v от лампы P имеет максимум. Его расположение с уменьшением Pc и увеличением давления инертного газа ри.г сдвигается в сторону меньших значений мощности лампы Р.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния емкостной связи индуктивной катушки с индукционной плазмой на энергетическую и световую эффективность лампы и предложены и экспериментально апробированы три конструктивных способа, устраняющие (или существенно снижающие) негативные эффекты этой связи (формирование слоев пространственного заряда, в которых ускоряются ионы плазмы, бомбардирующие поверхность трубки/полости): а) электростатический экран с щелями, б) разделение областей зажигания емкостного и индукционного разрядов; в) бифилярная катушка.

В диссертации разработаны методы регулирования и контроля температуры амальгамы, расположенной в штенгеле, обеспечивающие в заданном интервале температур окружающей среды максимальный световой поток лампы. Разработана и апробирована конструкция вспомогательной амальгамы, значительно сокращающей время разгорания индукционной лампы. Для обеспечения стабильной работы лампы разработан и апробирован метод и конструкция устройства, поддерживающие температуру ВЧ индуктора ниже критической. (Подробное описание приведено в соответствующих Приложениях).

В конце третьей главы приводятся схемы питания индукционных ламп и схемы измерения их электрических, энергетических, световых и температурных характеристик. Обсуждаются различия в измерительном оборудовании и методиках измерений в килогерцовом и мегагерцовом диапазоне частот ВЧ поля.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных и теоретических исследований электрических, энергетических и световых характеристик ламп с полостью, работающих на частотах 2-15 МГц и мощностях 40-70 Вт с индуктивной катушкой без магнитного усиления. Экспериментально показано, что добротность плазменного витка Q2 = (Lc/Rpl +1/) растет с мощностью плазмы Рpl и с частотой ВЧ поля, что приводит к росту мощности потерь в проводе катушки Рcoil. Результаты расчета Pcoil, проведенного для индукционных ламп с колбой одинаковых размеров (Db = 10 см, Hb = 12 см), но с полостями разного диаметра Dcav, находится в хорошем согласии с результатами эксперимента.

Измерения светотехнических характеристик индукционных ламп с полостью, проведенные на разных частотах ВЧ поля, показали, что максимум в зависимости v от Р с увеличением f сдвигается в сторону меньших мощностей (рис.4).

Увеличение частоты ВЧ поля свыше 5 МГц практически не влияет на световую отдачу лампы, которая на мощности Р = 30-40 Вт достигает высоких значений 95-97 лм/Вт. Из рис. 4 также видно, что на относительно больших мощностях лампы, где Р>>Рcoil, a к.п.д. ВЧ индуктора с 1, световая отдача лампы v практически совпадает со световой отдачей плазмы pl и удовлетворительно аппроксимируется прямой линией pl = о – ВРpl.

v, лм/Вт

Р, Вт

Рис. 4. Зависимость световой отдачи лампы v от мощности лампы Р. рAr = 0,5 мм рт.ст. N = 26. - 1,4 МГц; х - 2,4 МГц; - 5 МГц; - 8 МГц; - 10 МГц.

В четвертой главе исследуется влияние диаметра разрядной колбы, давления инертного газа и паров ртути на электрические и световые характеристики лампы в момент ее зажигания и в стационарном режиме.

В пятой главе диссертации исследуются индукционные люминесцентные лампы с колбой и «внутренней» полостью различных размеров (Db=60-180 мм, Dcav=20-51 мм), работающие на низких частотах f = 100-500 кГц и мощностях Р = 20-450 Вт с индуктивной катушкой и ферромагнитным сердечником. Эскиз одной из таких ламп с колбой диаметром 160 мм и полостью диаметром 25 мм, работающей на мощностях Р = 140-170 Вт, приведен на рис. 5. Исследования электрических и энергетических характеристик ламп в установившемся режиме показали, что

мощность потерь в ВЧ индукторе Pc составляет 3-5 Вт на относительно малых мощностях лампы Р = 30-50 Вт и частотах поля f = 100-200 кГц. С увеличением мощности лампы и частоты ВЧ поля мощность потерь в ВЧ индукторе спадает до 1,0-1,5 Вт и при Р=150 Вт и f=200 кГц остается практически неизменной.

Рис. 5. Эскиз индукционной лампы. Диаметр Db = 160 мм, высота Hb = 180 мм; диаметр полости Dcav = 25 мм, высота Hcav = 160 мм.

На относительно высоких уровнях мощности Р > 200 Вт и частотах f > 200 кГц, где Q2 > 0,3, мощность потерь в ВЧ индукторе Pc обнаруживает незначительный рост с увеличением мощности плазмы. Влияние частоты ВЧ поля f на световую отдачу лампы v проявляется лишь на малых мощностях лампы Р 3 Вт. На больших мощностях лампы P> 120 Вт, где с > 0,95, световая отдача лампы не зависят от f и практически равна световой отдаче плазмы pl, уменьшаясь с мощностью лампы Ppl от 108-110 лм/Вт (P = 120 Вт) до 97-100 лм/Вт (Р = 150 Вт) (рис. 6). Измерения световых отдач ламп с полостью обнаружили, что с увеличением мощности лампы максимум в зависимости v от давления аргона рAr смещается в сторону меньших давлений. Установлено, что зависимость v от диаметра полости Dcav имеет максимум, сдвигающийся с увеличением диаметра колбы Db и уменьшением давления инертного газа в сторону больших значений Dcav. На относительно малых диаметрах колбы Db его увеличение ведет к заметному росту световой отдачи лампы и на мощности лампы 150 Вт световая отдача v возрастает от 92 лм/Вт (Db = 110 мм) до 107 лм/Вт Db = 180 мм). Дальнейшее увеличение диаметра колбы не приводит к росту световой отдачи лампы.

v, лм/Вт

Р, Вт

Рис. 6. Зависимость v от P. Параметры лампы: Db =160 мм, Hb = 180 мм, Dcav =25 мм; pAr = 0,1 мм рт.ст. N = 40. То.с. = 25oC. f = 96; 115; 125; 150; 188; 230; 300 кГц.

На основе проведенных исследований диссертантом были разработаны опытные образцы индукционных люминесцентных ламп с полостью, работающих на частоте 135 кГц на уровнях мощности от 60 до 240 Вт со световой отдачей превышающей после 100 ч работы 90 лм/Вт. Они были положены в основу инженерной разработки и промышленного производства фирмой Мацушита (Панасоник) источников света Everlight 50, Everlight 150 и Everlight 240.