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

В пятой главе диссертации предложена, исследована и разработана компактная индукционная люминесцентной лампа с ЭПРА, интегрированным в базе и цоколе лампы. ВЧ разряд возбуждался в разрядной цилиндрической колбе (Db = 60-80 мм, Hb = 50-70 мм) с полостью (Dcav = 20-35 мм, Hcav= 50-65 мм) (рис. 7). ВЧ индуктор состоял из индуктивной катушки, полого сердечника и ферромагнитного диска (dd =1 мм, Dd = 60 мм), расположенного у дна колбы. Диск удлинял магнитную цепь и

увеличивал на частоте 150 кГц добротность ВЧ индуктора до = 500. Диск «отводил» магнитное поле от цоколя лампы, где размещался ЭПРА, уменьшая магнитные наводки на компоненты ЭПРА, чувствительные к магнитному полю.

Рис. 7. Схематический эскиз индукционной компактной люминесцентной лампы

Значительное внимание уделено исследованию мощности потерь в ВЧ индукторе ламп, работающих на малой мощности Р 0,9) мощность потерь Рс не должно превышать 2 Вт. В работе проведено исследование мощности потерь в проводе катушки и ферромагнитном сердечнике и их зависимостей от материала и размеров катушки и сердечника,

давления инертного газа, размеров колбы и полости. Были получены при Р = 23-25 Вт низкие значения Рс, снижающиеся с увеличением частоты ВЧ поля от 2 Вт (150 кГц) до 1 Вт (480 кГц). Измеренные зависимости световой отдачи лампы v от Р, приведены на рис. 8. Видно, что начиная с частоты 480 кГц световая отдача лампы

v перестает зависеть от частоты ВЧ поля и практически равна световой отдаче плазмы pl, достигая на мощности Р = 23-24 Вт высокой для компактных ламп

величины 65 лм/Вт. Это на 20% выше световой отдач индукционной лампы Genura (48 лм/Вт), работающей на частоте 2,65 МГц.

v, лм/Вт

Р, Вт

Рис. 8. Световая отдача лампы v в зависимости от мощности лампы Р. рAr = 0,8 мм рт.ст.

В конце пятой главы приводятся результаты исследования возможности создания мощной Р = 400-500 Вт индукционной люминесцентной лампы с двумя полостями и двумя ВЧ индукторами, состоящими из индуктивной катушки и ферромагнитного сердечника, и работающими на одинаковой частоте ВЧ поля в диапазоне 100 - 400 кГц. Такой источник света имеет ряд преимуществ перед индукционной лампой, работающей на той же мощности и частоте ВЧ поля, но использующей одну полость с одним ВЧ индуктором. Во-первых, снижается нагрузка мощности на каждую полость, что упрощает охлаждение ее стенок и ВЧ индуктор. Во-вторых, снижение мощностной нагрузки на полость повышает срок

службы лампы. В-третьих, снижение мощности, потребляемой одним ВЧ индуктором, снижает плотность плазмы им создаваемой. В результате, повышается световая отдача плазмы и, следовательно, световая отдача лампы. На рис. 9 приведен эскиз сконструированной диссертантом индукционной лампы с разрядной

колбой диаметром 18 см и длиной 30 см, с двумя симметрично расположенными на оси полостями (Dcav= 42 мм, Hcav= 130 мм), в каждой размещен ВЧ индуктор,

состоящий из индуктивной катушки (литцендрат, 108 жил, 30 витков) и ферромагнитного сердечника Hfer = 100 мм, ОDfer = 28 мм). Цилиндрическая трубка, охлаждающая ВЧ индуктор и стенки полости, соединена с базой лампы, и далее, с корпусом светильника. Для устранения электромагнитных помех, создаваемых «соседским» ВЧ индуктором, полости разведены на расстояние 5 см.

Рис. 9. Эскиз индукционной люминесцентной лампы с двумя полостями и ВЧ индукторами

Каждый ВЧ индуктор настраивался «своим» согласующим контуром, питался от отдельного ЭПРА и имел «свою» схему измерений электрических и энергетических характеристик. Измерения проводились в смеси паров ртути (7х10-3 мм рт.ст.) и аргона (0,1 мм рт.ст.) на частотах f = 130–400 кГц и полной лампы Р = Р1 + P2 = 250–500 Вт. Мощность потерь в каждом ВЧ индукторе незначительно уменьшалось с мощностью лампы Р от 6 Вт (120 Вт) до 5 Вт (250 Вт) и практически не зависила от частоты ВЧ поля.

Приведенные на рис. 10 зависимости световой отдачи лампы v от мощности лампы Р, измеренные на трех частотaх ВЧ поля, свидетельствуют о ее независимости от частоты ВЧ поля. Работающая на мощности 230 Вт (Р1 = P2 = 115 Вт) и частоте f = 135-375 кГц лампа с двумя полостями ВЧ индукторами имеет высокую световую отдачу 105 лм/Вт, на 5% превышающую световую отдачу лампы

Everlight 240, работающую на такой же мощности и частоте ВЧ поля, но с одним ВЧ индуктором.

Рис. 10. Зависимость световой отдачи лампы v от мощности лампы Р.

Шестая глава диссертации посвящена исследованиям электрических, энергетических и световых характеристик ламп трансформаторного типа (ЛТТ) с замкнутыми разрядными трубками, возбужденных ВЧ индуктором, состоящим из двух кольцевых магнитопроводов, симметрично размещенных на разрядной трубке, и охватывающей их индуктивной катушки (рис. 11). Лампы имели длину L от 300 до 500 мм, высоту H от 100 до 200 мм и разрядную трубку диаметром Dt от 35 до 100 мм. Длина плазменного шнура, определяемая по

длине осевой линии замкнутой трубки, менялась вместе с L и H от 600 до 1200 мм. Суммарное сечение магнитопроводов Sfer варьировалось от 8,1 до 25 см2. Давление инертного газа (аргона и криптона) в трубках менялось от 0,12 до 2 мм рт.ст.

Рис. 11. Лампа трансформаторного типа с симметрично размещенными магнитпроводами. 1а,b – стенки разрядных трубок; 2а,b –стенки соединительных трубок; 3 – индуктивная катушка; 4- ось разряда; 5а,b – магнитопроводы; 6 – защитное покрытие; 7- люминофор; 8- отражающее видимый свет покрытие; 9 – амальгама (или жидкая ртуть) 10 – штенгель.

Лампы возбуждались на частотах ВЧ поля от 100 до 400 кГц и мощностях от 30 до 500 Вт. Расчет мощности потерь в магнитопроводе Рfer = ferVfer, изготовленного из феррита F-типа, проводился по формуле, получаемой из (6) и (7) с подстановкой соответствующих значений коэффициента а и показателей степени с и d:

Рfer = 918pl2,63 (Dt + Lfer)/f(HferLfer)1,63Ipl0,53Dt1,32 (10)

где Vfer, Hfer и Lfer – объем, высота и толщина магнитопровода; pl- длина плазменного шнура. На рис. 12 представлена расчитанная по (10) мощность потерь в магнитопроводе Рfer в зависимости от сечения Sfer для ламп с pl = 60, 80 и 100 см, изготовленных из трубок диаметром 5 см. Там же приведены экспериментальные данные Рс, которые находятся в хорошем согласии с расчитанными по (10) значениями Рfer. Это свидетельствует не только о справедливости предложенной в работе модели, но и о том, что мощность потерь в ВЧ индукторе Рс состоит практически из мощности потерь в магнитопроводе Рfer. Как следует из рис. 12 и формулы (10), мощность потерь в магнитопроводе Рfer уменьшается с увеличением его сечения как 1/(HferLfer)0,63 и возрастает с длиной плазменного шнура как pl2,63. Измерения мощности потерь в ВЧ индукторах ламп трансформаторного типа с одинаковой длиной плазменного шнура, но с различными диаметрами трубки Dt = 35-100 мм показали, что увеличение Dt приводит к снижению Рfer на всех уровнях мощности лампы Р.

Рfer, Вт

Sfer, см2

Рис. 12. Зависимость Рfer от Sfer. Dt = 5 см, рАr = 0,2 мм рт.ст. f = 135 кГц. Р = 100 Вт. Эксперимент: pl: – 60 см, – 80 см, - 100 см. —— Расчеты по (10).

В шестой главе исследуется влияние давления инертного газа, диаметра трубки и длины плазменного шнура на мощность потерь в ВЧ индукторе Рс и его к.п.д с, на световую отдачу плазмы pl и на световую отдачу лампы трансформаторного типа v. На рис. 13 приведены зависимости световой отдачи лампы от ее мощности, измеренные для различных давлений криптона.

v, лм/Вт

P, Вт

Рис. 13. Зависимость v от Р в лампе с трубкой эллиптического сечения: а = 60 мм, b = 30 мм. L = 400 мм, H = 200 мм. Sfer = 12,5 см2. рHg = 7x10-3 мм рт.ст. рКr = 0,3; 0,4; 0,5; 0,7 мм рт.ст.

Поскольку с увеличением давления криптона мощность потерь в ВЧ индукторе уменьшается, а его к.п.д. возрастает, то максимум в зависимости v от Р смещается в сторону меньших значений Р. Из рис. 13 следует, что зависимость световой отдачи лампы v от давления криптона имеет максимум, который с увеличением Р сдвигается в сторону меньших значений рKr.

Увеличение длины плазменного шнура pl повышает световую отдачу лазмы pl, но одновременно повышает мощность потерь в ВЧ индукторе и, следовательно, снижает его к.п.д. В результате, максимум в зависимости v от Р сдвигается в сторону больших мощностей лампы. Увеличение площади сечения магнитопровода Sfer, ведущее к снижению мощности потерь в нем Рfer и увеличению к.п.д. ВЧ индуктора с, сдвигает максимум в зависимости v от Р в сторону меньших мощностей лампы.

Влияние диаметра разрядной трубки Dt на световую отдачу плазмы pl проиллюстрированно на рис. 14, где приведены зависимости pl от Dt, измеренные в лампах трансформаторного типа различной длины L от 360 до 500 мм, но одинаковой удельной мощностью плазмы Р1= 0,8 Вт/см.

pl, лм/Вт

Dt, мм

Рис. 14. Зависимость световой отдачи плазмы pl от диаметра трубки Dt. Удельная мощность Р1 = 0,8 Вт/см. рHg = 7x10-3 мм рт.ст. - Ar (0,75 мм рт.ст.); – Kr (0,4 мм рт.ст.).

Из рис. 14 следует, что в лампе со смесью Hg+Kr (0,4 мм рт.ст.) световые отдачи плазмы на 4-5 лм/Вт выше, чем в лампе со смесью Hg+Аr (0,75 мм рт.ст.). На малых диаметрах трубки световая отдача плазмы быстро возрастает с увеличением диаметра трубки до своего максимального значения pl = 108-109 лм/Вт, достигаемого при Dt = 50 мм. Дальнейшее увеличение диаметра трубки (до Dt = 100 мм) не приводит к росту pl и, следовательно, к увеличению световой отдачи лампы v. Предположительно, это связано с эффектом пленения резонансного излучения атомами ртути, роль которого возрастает с увеличением диаметра разрядной трубки. Увеличение мощности лампы до 300-400 Вт и, соответственно, повышение ее удельной мощности до 4-5 Вт/см снижает световую отдачу лампы до 80-85 лм/Вт.

В работе обсуждаются пути повышения световой отдачи мощных ламп до 100 лм/Вт снижением давления инертного газа до 0,01-0,03 мм рт.ст. и увеличением длины плазменного шнура pl (удлинением разрядной трубки).

В седьмой главе диссертантом впервые был предложен и исследован новый тип индукционной люминесцентной лампы, в которой разряд возбуждается в замкнутой трубке током катушки, витки которой расположены по периметру лампы (рис 15).

Рис. 15. Бесферритная индукционная люминесцентная лампа с замкнутой разрядной трубкой и индуктивной катушкой, размещенной по «внутреннему» периметру лампы.

Лампы работали в смеси паров ртути (6-8 х10-3 мм рт.ст.) и аргона (0,2 и 0,3 мм рт.ст.). Индуктивная катушка (6-16 витков) изготовлялась из литцендрата (108 и

436 жил), имеющего на частотах 100 – 1000 кГц низкое удельное сопротивление w

Исследования, проведенные на различных частотах ВЧ поля и давлениях инертного газа показали, напряжение на катушке, требуемое для зажигания индукционного разряда Vind, увеличивается с количеством витков катушки N, но не

зависит от частоты ВЧ поля f. Расчитанная напряженность ВЧ электрического поля зажигания индукционного разряда Eind не зависит от частоты ВЧ поля, но

незначительно уменьшается с N от 1,28 В/см (N = 7) до 0,8 В/см (N = 15). Ток катушки Iind и мощность зажигания индукционного разряда Pст уменьшаются с частотой ВЧ поля примерно как 1/f. Измерения электрических характеристик ламп в установившемся режиме показали, что напряжение и ток катушки Vc и Ic уменьшаются с ростом ВЧ мощности плазмы, a мощность потерь в проводе катушки Pcoil уменьшается с мощностью лампы, хорошо согласуясь с результатами расчета. ВЧ напряжение на катушке Vc не зависит от ВЧ поля, в то время как ток катушки Ic и потери в ней Рcoil уменьшаются с ростом f.

v, лм/Вт

Р, Вт

Рис. 16. Зависимость световой отдачи лампы v от мощности Р. Dt = 50 мм, L = 300 мм, H1 = 150 мм, pl = 640 мм, pAr = 0,2 мм рт.ст.

На рис. 16 приведены зависимости световой отдачи лампы v от мощности лампы Р, измеренные в лампе с размерами (Dt = 50 мм, L = 300 мм, H1 = 150 мм) с 12-витковой индуктивной катушкой. Видно, что чем выше частота ВЧ поля f, тем «слабее» ee влияние на световую отдачу лампы v (выше к.п.д. ВЧ индуктора с) и тем при меньшей мощности лампы световая отдача лампы v приближается к световой отдаче плазмы pl. Однако, даже на относительно высоких частотах ВЧ поля f > 400 кГц и больших мощностях лампы Р > 200 Вт (Р1 > 3 Вт/см), на которых мощность потерь в катушке мала (Рс 0,95), световые отдачи лампы и плазмы невелики, 78-80 лм/Вт и 82-83 лм/Вт, соответственно.

В работе предложены пути повышения световой отдачи плазмы: снижением «скорости» В и увеличением «начальной» световой отдачи плазмы o. Этого можно достичь увеличением диаметра разрядной трубки, снижением давления инертного газа, и увеличением длины плазменного шнура pl (увеличением L и Н1). На рис. 17 приведена зависимость световой отдачи плазмы pl от мощности плазмы Рpl, измеренная в лампе большим диаметром трубки Dt = 70 мм и большей длиной плазменного шнура pl = 840 мм.

pl, лм/Вт

Ppl, Вт

Рис. 17. Зависимость световой отдачи плазмы pl от мощности плазмы Рpl. Dt = 70 мм, L = 400 мм, Н1 = 200 мм, pl = 840 мм; рAr = 0,3 мм рт.ст.)

Видно, что увеличение частоты ВЧ поля oот 225 кГц до 356 кГц (в 1,5 раза) не влияет ни на характер зависимости от Р, ни на величину pl.

Увеличение длины лампы (плазменного шнура) не изменяет величины скорости уменьшения световой отдачи плазмы (В = 0,07 и 0,08 лм/Вт2), но заметно повышает «начальную» световую отдачу плазмы 0: от 100 до 112 лм/Вт, что приводит к увеличению световой отдачи плазмы pl так, что на мощности Рpl = 220 Вт она возрастает с 81 до 97 лм/Вт.

Глава восьмая посвящена исследованию бесферритной индукционной лампы, предложенной автором диссертации, основными элементами которой являются незамкнутая газоразрядная трубка и охватывающая ее в продольном направлении индуктивная катушка (рис. 18). Индукционный разряд зажигался в цилиндрической стеклянной трубке диаметром 50, 60 и 70 мм и длиной 300, 400 и 500 мм. Давление паров ртути в трубке 6x10-3 мм рт.ст.; давление аргона 0,1 мм рт.ст. ВЧ ток катушки Iс индуцирует в разрядной трубке ВЧ электрическое поле, которое зажигает в трубке замкнутый индукционный разряд, протекающий вдоль стенок трубки в продольном направлении. (Распределение обьемной плотности мощности плазмы по сечению трубки приведено на рис. 2) Катушки изготовлялись либо из

литцендрата (108 и 436 жил, f = 200–1000 кГц), либо из медного посеребренного провода (f = 2-15 МГц). Число витков катушки N варьировалось от 2 (10-15 МГц) до 14 (200-600 кГц), добротность катушки Qc= Lc/Rc = 150 на f = 200 кГц.

Рис. 18 Эскиз экспериментальной бесферритной индукционной люминесцентной лампы.

Измерения электрических, энергетических и световых характеристик проводились в широком диапазоне частот ВЧ поля 300 - 15 000 кГц и мощностях лампы до 300 Вт. На относительно низких частотах 300-1000 кГц напряжение и ток катушки Vc и Ic и мощность потерь в проводе катушки Рcoil практически не меняются с мощностью лампы Р.

Частота ВЧ поля не влияет на Vс и на напряженность ВЧ поля в плазме Еpl, в то время как Ic и Рcoil уменьшаются с частотой как 1/f, так что при f > 400 кГц Рcoil не превышает 10-12 Вт. Это обусловило высокий к.п.д катушки, который возрастая с

частотой ВЧ поля достигал насышения на частоте f = 500-600 кГц и на мощности лампы Р = 150 Вт имел высокую величину 0,97. Световая отдача плазмы pl в зависимости от мощности плазмы Рpl приведена для частот ВЧ поля 383 и 530 кГц на рис. 19. Видно, что световые отдачи плазмы уменьшаются с мощностью плазмы с одинаковой скоростью В = 0,22-0,24 лм/Вт2 и слабо, но растут с частотой ВЧ поля. На мощности плазмы Рpl = 120 Вт световые отдачи плазмы имеют значения, соответственно 90 лм/Вт (383 кГц) и 96 лм/Вт (530 кГц).

pl, лм/Вт

60 80 100 120 140 160 180

Рpl, Вт

Рис. 19. Зависимость pl от Рpl. Параметры лампы: H = 300 мм, Dt = 70 мм, рAr = 0,1 мм рт.ст.; - 383 кГц; - 530 кГц.

Световая отдача лампы возрастает с частотой ВЧ поля и на мощности лампы Р = 120 Вт увеличивается от 75 до 84 лм/Вт.

На более высоких частотах ВЧ поля f = 3-15 МГц мощность потерь Рcoil сначала уменьшается с мощностью лампы, а затем, начиная с Р = 40-60 Вт растет с Р. Зависимость Рcoil от частоты ВЧ поля f обнаруживает минимум на частотах 6-8 МГц, на которых выполняется условие = , а затем возрастает с частотой f,