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

Зависимость световой отдачи лампы от мощности лампы на частотах 2-15 МГц обнаруживает максимум, который сдвигается в сторону меньших мощностей с увеличением частоты ВЧ поля. Световые отдачи лампы на частотах 3-15 МГц близки к таковым на частотах 600-1000 кГц и не обнаруживают явной зависимости от частоты ВЧ поля.

Заключение содержит перечень основных результатов и выводов, полученных в диссертации. В конце каждой главы приведены основные выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ:

1. Создано новое направление в газоразрядных индукционных люминесцентных источниках света - низкочастотные 100-400 кГц индукционные люминесцентные лампы с низким давлением инертного газа 0,01 - 0,3 мм рт.ст., высокой удельной мощностью плазмы Р1= 1,5–15 Вт/см и высокой световой отдачей 80-100 лм/Вт.

2. На основе трансформаторной модели, электродинамической модели плазмы индукционного разряда низкого давления и уравнений мощности потерь в ВЧ индукторе создана комплексная модель безэлектродного индукционного разряда, в рамках которой получены аналитические выражения, связывающие параметры плазмы разряда с конструктивными параметрами колбы/трубки и ВЧ индуктора.

3. Анализ ВЧ полей, создаваемых ВЧ индуктором, показал, что напряженность потенциального (емкостного) электрического поля в колбе в несколько раз превышает напряженность индукционного поля. Экспериментальные исследования

индукционных ламп низкого давления показали, что зажиганию индукционного разряда на частотах 100-15000 кГц предшествует зажигание емкостного разряда.

4. Экспериментально установлено, что на частотах ВЧ поля

5. Расчитанные в рамках предложенной модели зависимости мощности потерь в ВЧ индукторе Рcoil и Pfer от параметров лампы и ее мощности находятся в хорошем согласии с экспериментальными, измеренными в стационарном режиме работы лампы. Увеличение диаметра колбы снижает Рcoil и Pfer, а увеличение длины плазменного витка/шнура повышает потери. На относительно низких частотах ВЧ поля f 6 МГц, где в условиях эксперимента выполняется условие > , а добротность плазмы Q2 > 0,3, мощность потерь в ВЧ индукторе растет с Ppl и с частотой ВЧ поля.

6. Экспериментально обнаружено, что в интервале исследованных частот ВЧ поля f = 0,1 – 15 МГц световая отдача плазмы pl не зависит от частоты ВЧ поля, но определяется мощностью плазмы, размерами разрядной колбы/трубки и давлением паров ртути и инертного газа. Зависимость световой отдачи плазмы от давления

инертного газа имеет максимум, который с увеличением мощности плазмы сдвигается в сторону меньших давлений газа.

7. Экспериментально установлено, что в индукционных лампах с удельной мощностью плазмы Р1 > 0,5 Вт/см световая отдача плазмы pl уменьшается с мощностью плазмы как pl = 0 – BРpl, где В - «скорость» уменьшения pl с Рpl, пропорциональная (ри.г./dif)1/2, а 0 - «нулевая» (Рpl = 10 Вт) световая отдача плазмы, возрастающая с увеличением давления инертного газа ри.г., характерного размера разрядного промежутка dif и длины плазменного витка pl. Экспериментальные зависимости pl от Рpl хорошо коррелируют с рассчитанными зависимостями Ipl от

Ppl, а скорость уменьшения световой отдачи плазмы В обратно пропорциональна Еа – активной составляющей напряженности ВЧ поля в плазме разряда.

8. Предложены, сконструированы и исследованы два новых типа бесферритных

индукционных люминесцентных ламп в замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, в которых индукционный разряд создается ВЧ током индуктивной катушки, охватывающей лампу по ее продольному периметру. Лампы работают на мощностях 100-500 Вт, частотах 200 - 14000 кГц со световой отдачей 80 - 90 лм/Вт.

9. На основе результатов экспериментальных и теоретических работ исследованы и разработаны индукционные люминесцентные лампы с полостью, катушкой и сердечником, работающие на частоте 135 кГц и трех уровнях мощности: 60, 160 и 230 Вт со световой отдачей, превышающей 90 лм/Вт. Конструкции и характеристики этих ламп легли в основу нженерных разработок трех источников света модели Everlight, выпускаемых японской фирмой Мацушита (Панасоник).

10. Разработана компактная индукционная люминесцентная лампа с полостью, катушкой и сердечником, работающая на частотах 130-170 кГц и мощности 23-25 Вт со световой отдачей до 73 лм/Вт. Конструкция и характеристики лампы легли в

основу инженерной разработки двух компактных индукционных люминесцентных источников света модели Palook-Bal (фирма Панасоник), работающих на частоте 480 кГц и мощностях 12 и 20 Вт. Их световые отдачи превышают световую отдачу

индукционной лампы Genura (фирма Дженерал Электрик) и световые отдачи компактных люминесцентных ламп с внутренними электродами.

11. Сконструированы, изготовлены и исследованы индукционные люминесцентные лампы с двумя полостями и ВЧ индукторами мощностью 300-500 Вт, работающие на частоте 100-200 кГц со световыми отдачами v > 90 лм/Вт.

12. Проведены систематические экспериментальные исследования электрических, энергетических и световых характеристик в лампах трансформаторного типа. Результаты исследований вместе с аналитическими соотношениями, полученными в рамках разработанной модели, позволяют рассчитать оптимальные конструкции и размеры ламп трансформаторного типа с различным световым потоком.

ПУБЛИКАЦИИ

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Попов О.А. Эффективный источник света на индуктивном бесферритно

разряде на частотах 300–3000 кГц // Журнал технической физики. 2007. 6. C.74-81.

2. Свитнев С.А., Попов О.А. Пространственное распределение параметров плазмы индукционного разряда, возбужденного индуктивной катушкой, расположенной по периметру продольного сечения разрядной трубки //Светотехника. 2010. 3. С. 63-65.

3. Попов О.А.,Чандлер Р.Т. Индуктивный источник света трансформаторного типа

на частотах 150–400 кГц мощностью 200–500 Вт // Теплофизика высоких темпе-

ратур. 2007. 4. C. 795-804.

4. Попов О.А., Никифорова В.А. Индукционный бесферритный источник света мощностью 300-400 Вт на частоте 200–400 кГц //Вестник МЭИ. 2010. 2. C. 159-164.

5. Никифорова В.А., Попов О.А. Влияние частоты ВЧ поля и разрядного тока на

пространственное распределение параметров плазмы бесферритного индукцион-

ного разряда в замкнутой трубке // Вестник МЭИ. 2011. 6.

6. Никифорова В.А., Попов О.А. Пространственное распределение параметров

плазмы в бесферритном разряде замкнутого типа // Вестник МЭИ. 2010. 5.

C.114-119.

7. Майа Дж., Попов О.А., Чандлер Р.Т. Компактная индуктивная люминесцентная

лампа на частотах 100–200 кГц // Светотехника, 2007. 1. C. 32-35.

8. Попов О.А. Индукционные источники света // Учебное пособие. Издательство

МЭИ. 2010, 64 c.

9. Попов О.А. Безэлектродная индукционная лампа низкого давления мощностью

300-450 Вт с двумя симметричными индукторами, работающая на частотах 130-

400 кГц // Светотехника. 2009. 6. С. 68.

10. Попов О.А. Мощная индукционная люминесцентная лампа, работающая на

частоте 135 кГц // Светотехника, 2008. 5. с. 57.

11. Майа Дж, Попов О.А.,Чандлер Р.Т. Бесферритная индуктивная люминесцентная

лампа на частотах 2.65–13.56 МГц и мощностях 80-160 Вт // Светотехника. 2007.

5. С. 42-46.

12. Майа Дж., Попов О.А., Чандлер Р.Т. Индуктивная люминесцентная лампа, работающая на частоте 100–300 кГц и мощности 40–70 ватт // Светотехника. 2007. 3. C. 56 – 62.

13. Popov O.A., Godyak V.A. Power Dissipated in Low Pressure RF Discharge Plasmas

// J. Appl. Phys. 1985. 57. P. 53-57.

14. Popov O.A., Godyak V.A. Electric Field and Electron Oscillation Velocity in Collisionless RF Discharge Plasmas // J. Appl. Phys. 1986. 59. Р. 1759-1761.

15. Popov O.A., Chandler R.T. Ferrite-free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp

Operated at a Frequency of 160-1000 kHz // Plasma Sources Science and Technology.

2002. 11. P. 218- 226.

16. Popov O.A. and Maya J. Characteristics of Electrodeless Ferrite-free Fluorescent Lamp Operated at Frequencies of 1–15 MHz // Plasma Sources Sci. Technol. 2000. 9.

P. 227-236.

17. Svitnev S.A. and Popov O.A. Plasma parameters radial and azimuthal distributions in an RF discharge excited with a induction coil disposed on tube walls in the axial direction // Light and Engineering. 2011. vol. 19. 1. P. 79-82.

18. Popov O.A., Maya J., and Chandler R.T. Inductively-coupled fluorescent lamp

оperated at frequencies of 100-300 kHz and powers of 40-70 W // Light & Engineering

2008. vоl. 16. P. 95-98.

19. Popov O.A., Chandler R.T, Maya J. Compact inductively-coupled fluorescent lamp

оperated at frequencies of 100 – 200 kHz // Light & Engineering. 2007. 1. P. 68-43.

20. Popov O.A., Chandler R.T., and Maya J. Inductively-coupled Linear Light Source

Operated аt Frequencies of 2-14 MHz // Light & Engineering, 2009. 17. 1. С. 98-101.

21. Chandler R.T., Popov O.A., Maya J. Electrodeless fluorescent lamp with stabilized

operation at high and low ambient temperatures // US Patent 7,088,033. Aug.8, 2006.

22. Popov O.A., Chandler R.T, and Maya J. Electrodeless High Power Fluorescent Lamp

with Controlled Coil temperature // US Patent Application US 2006/0076864 A1,

Apr. 13, 2006.

23. Popov O.A., Chandler R.T., and Maya J. High Power (100 – 200 W) Ferrite-free

Electrodeless Fluorescent Lamp // Proc. X Int’l Symp. Sci. Technol. Light Sources.

2004. Toulouse, Р. 173.

24. Popov O.A., Chandler R.T., and Maya J. Low Frequency Electrodeless Compact

Fluorescent Lamp // Proc. X Int’l. Symp. Sci. Technol. Light Sources. 2004. Toulouse.

P. 417.

25. H. Kakehashi, K. Hiramatsu, S. Hizuma, O.A. Popov, R.T. Chandler, and J. Maya.

Effect of Induction Coil Factor on Efficacy of 100 kHz Electrodeless Fluorescent Lamps // Proc. X Int’l. Symp. Sci. Technol. Light Sources. 2004. Toulouse. P. 441.

26. Chandler R.T., Popov O.A., Shapiro E.K., and Maya J. Electrodeless Lamp // US

Patent 6,768,248 B2, Jul. 27, 2004.

27. Anami S., Chandler R.T., Popov O.A. Electrodeless Low Pressure Lamp with

Multiple Ferrite Cores and Coils // US Patent 6,605,889 B2, Aug. 12, 2003.

28. Maya J., Popov O.A., Chandler R.T. Electrodeless Fluorescent Lamp with Low Wall

Loading // US Patent 6,548, 965 B1, Apr. 15, 2003.

29. Popov O.A., Ravi J., Chandler R.T., Shapiro E.K. High Light Output Electrodeless

Fluorescent Closed-loop Lamp // US Patent 6,522,085 B2. Feb. 18, 2003.

30. Chandler R.T., Popov O.A., Shapiro E.K., Maya J. High Frequency Electrodeless

Compact Fluorescent Lamp // US Patent 6,433,478 B1. Aug.13, 2002.

31. Miyazaki K., Matsumoto S., Takeda M., Cho Y.-J., Kurachi T., Chandler R.T.,

Popov O.A., Maya J. Electrodeless Discharge Lamp // US Patent 6,404,141 B1. Jun. 11.

2002.

32. Chamberlain J., Popov O.A., Shapiro E.K., Chandler R.T., Kurachi T. Ferrite Core

For Electrodeless Fluorescent Lamp Operating at 50-500 kHz // US Patent Application

2002/0067129 A1. Jun. 6, 2002.

33. Popov O.A. and Chandler R.T. High Frequency Ferrite-free Еlectrodeless Lamp with

Axially Uniform Plasma // US Patent 6,362,570 B1. Mar. 26, 2002.

34. Popov O.A. Ferrite-free High Output 100-600 kHz Electrodeless Fluorescent Lamp //

Proc. IX Int’l Symp. Sci. Technol. Light Sources. 2001. Ithaca. P. 455.

35. Godyak V.A., Popov O.A. and Khanneh A.H. Investigation of Electrode Space Charge Sheath in RF Discharges // Proc. XIII Int. Conf. Phenom. Ion. Gases. 1977. Berlin. P. 347.

36. Свитнев С.А., Попов О.А. Пространственное распределение электрического поля и удельной мощности в плазме индукционного разряда низкого давления // Тезисы докл. научно-тех. конф. «Молодые светотехники России», Москва, декабрь, 2008. C. 24-28.

37. Popov O.A. Ferrite-free Closed-loop Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a

Frequency of 200 – 3000 kHz // US Patent 6,288,490 B1. Sept. 11, 2001.

38. Popov O.A. and Maya J. Electrodeless Fluorescent Lamp with Spread Induction Coil // US Patent 6,249,090 B1. Jun. 1, 2001.

39. Popov O.A., Nandam P.K., Shapiro E.K., Maya J. High Frequency Electrodeless

Fluorescent Lamp // US Patent 6,081,070. Jun. 27, 2000.

40. Maya J., Popov O.A. Electrodeless Fluorescent Lamp with Cold Spot Control // US

Patent 5,773,926. Jun. 30, 1998.

41. Popov O.A., Maya J., and Ravi J. Electrodeless Flurescent Lamp with Bifilar Coil

and Faraday Shield // US Patent 5,726,523. Mar. 10, 1998.

42. Maya J., Popov O.A., Shapiro E.K. Electrodeless Discharge Lamp and Device

Increasing the Lamp’s Luminous Development // US Patent 5,698,951. Deс. 16, 1997

43. Popov O.A., Maya J., Kobayashi K., Shapiro E.K. Еlectrodeless Inductively-coupled

Fluorescent Lamp with Improved Cavity and Tubulation // US Patent 5,723,947. Mar. 3. 1998.

44. Popov O.A., Maya J. and Shapiro E.K. Electrodeless Fluorescent Lamp // US

Patent 5,621,266. Apr. 15, 1997.

45. Popov O.A., Maya J. Inductively Coupled Substantially Flat Fluorescent Light Source

// US Patent 5,500,574. Mar. 19, 1996.