Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим наукам
Исследование и разработка индукционных люминесцентных источников света на частотах 100-15000 кГц
Автореферат докторской диссертации по техническим наукам
ааНа правах рукописи
а
ПОПОВ Олег Алексеевич
аИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ИНДУКЦИОННЫХ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА
аНА ЧАСТОТАХ 100-15 000 кГц
Специальность:
05.09.07 - Светотехника
05.27.02 Вакуумная и плазменная электроника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
МОСКВА - 2011 г.
Работа выполнена на кафедре Светотехники Московского энергетического института
(технического университета)
Официальные оппоненты Доктор физико-математических наук, профессор
Василяк Леонид Михайлович
Доктор физико-математических наук
Кралькина Елена Александровна
аа аДоктор физико-математических наук, профессор
Степанов Владимир Анатольевич
Ведущая организацияаа ааРязанский государственный радиотехническийа
университет
Защита состоитсяа л 20 аянваря а2012 г. в а14:00 ачасов на заседании диссерта-
ционного советаа Д 212.157.12а приа Московскома энергетическома институте
(Техническом университете)а по адресу: г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 13-Е,
ауд. Е-603.а
аа С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского энергетического института (Технического университета).
Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ.
Автореферат разослан л а _________________ а2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета
Д 212.157.12, к.т.н., доцент аРемизевич Т.В.а а
а ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ:
Актуальность работы
Люминесцентные ампы (ЛЛ) с внутренними электродами являются одним из самых эффективных и широко применяемых источников света. Трубчатые прямые ЛЛ, работающие на переменном токе частотой от 50 Гц до 20 кГц и на мощностяха от 13 до 80 Вт, имеют хорошие цветовые характеристики (цветовая температура Тц = 3000 - 6000 К, общий индекс цветопередачи Ra = 60 - 90), быстрое разгорание (< 1 мин), мгновенное перезажигание и высокие световые отдачи до 100 м/Вт. Однако, аток ЛЛ ограничен сверху (I < 1 А), а давление инертного (буферного) газа снизу (ри.г. > 1 мм рт.ст.) интенсивным и быстрым разрушением оксидного слоя, нанесенного на внутренние электроды ЛЛ, приводящим к выходу лампы из строя. а
С начала 80-х годов прощлого века ведется разработка безэлектродных газоразрядных люминесцентных источников света, использующих для генерации ультрафиолетового излучения плазму индукционного разряда, возбуждаемую в колбе внешним высокочастотным (ВЧ) индуктором. Индукционные лампы имеют простую конструкцию, хорошие световые и эксплуатационные характеристики и параметры, не уступающие таковым ЛЛ с внутренними электродами. А ресурс индукционных ламп 60000Ц100 000 ч значительно превышает срок службы традиционных ЛЛ. Безэлектродные люминесцентные индукционные лампы лишены тех ограничений на конструкцию вакуумного блока и на давление инертного газа, которые имеют ЛЛ с внутренними электродами. Они могут иметь практически любую конфигурацию, определяемую конструкцией и размерами ВЧ индуктора и газоразрядной колбы, и способны работать в широком диапазоне мощностей 15-500 Вт при весьма низких для традиционных ламп давлениях инертного газа 0,01-0,1 мм рт.ст. Это открывает возможности для создания новых типов индукционных люминесцентных ламп и улучшения характеристик и параметров существующих: снижением мощности потерь в ВЧ индукторе и повышением световой отдачи плазмы. Важную роль в повышении конкурентоспособности индукционных ламп играет возможность снижения их себестоимости, веса, габаритов, а также простота конструкции лампы и дешевизна технологического процесса их изготовления.
Существенным прогрессом в технологии индукционных ламп стало бы снижение частоты питающего их напряжения, что привело бы не только к ослаблению психологического барьера, связанного с эксплуатацией ламп, питающихся от генератора ВЧ мощности, но и к ряду технических преимуществ, повышающих энергетическую эффективность всего источника света, упрощающих конструкцию лампы и снижающих себестоимость источника света и стоимость его технического обслуживания. С уменьшением частоты генератора возрастает его к.п.д. и снижается уровень создаваемых ВЧ индуктором и плазмой электромагнитных помех, что устраняет необходимость экранировки лампы и упрощает ее конструкцию. Наконец, работающий на низких частотах 100-400 кГц электронно-пускорегулирующий аппарат (ЭПРА) можно размещать на значительном от лампы расстоянии (до нескольких метров), что упрощает обслуживание источника света и значительно расширает сферу его применения.
В связи с вышеизложенным представляется актуальным:
- Проведение экспериментальных и теоретических исследований индукционных разрядов низкого давления в парах ртути и инертного газа в широком диапазоне частот ВЧ поля, мощности лампы, давления инертного газа, параметров ВЧ индуктора, размеров вакуумного блока.
- Создание новых типов эффективных безэлектродных индукционных люминесцентных источников света, как с магнитным усилением, так и бесферритных, работающих на относительно низких частотах ВЧ поля 100-1000 кГц и низких давлениях инертного газа ри.г. < 0,5 мм рт.ст.
- Усовершенствование конструкций и характеристик существующих типова индукционных люминесцентных ламп, работающих на низких частотах.
аа Результаты работы могут быть использованы в качестве базы данных для исследователей индукционных разрядов низкого давления, для разработчиков источников УФ излучения, стандартов оптического излучения, источников плазмы, применяемых в плазменной технологии, источников ионов и других технологических применений плазмы низкого давления.
Основные цели работы
1. Создание нового направления в газоразрядных индукционных люминесцентных источниках света: индукционные люминесцентные лампы на низких частотах возбуждения f = 100-400 кГц, высоких удельных мощностях плазмы Р1 > 1 Вт/см и низких давлениях инертного газа ри.г. < 0,5 мм рт.ст.
2. Систематическое исследование электрических, энергетических и световых характеристик индукционных люминесцентных ламп различных типов в широком диапазоне условий питания (мощности лампы, частоты ВЧ поля), параметров ВЧ индуктора, размеров разрядной колбы/трубки и давления рабочей смеси.
3.а Создание комплексной модели индукционной люминесцентной лампы низкого давления на частотах возбуждения (ВЧ поля) f = 0,1Ц15 мГц, включающей трансформаторную модель индукционного разряда, электродинамическую модель индукционной плазмы, уравнения мощности потерь в ВЧ индукторе и эмпирические соотношения, связывающие световые характеристики лампы с конструктивными параметрами разрядной колбы и условиями питания разряда. а
4. Создание новых типов эффективных бесферритных индукционных люминесцентных ламп в замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, в которых плазма индукционного разряда возбуждается ВЧ током индуктивной катушки, размещенной по периметру трубки.
5. Создание индукционных люминесцентных ламп с полостью, работающих на относительно низких частотах 100-150 кГц на уровнях мощности от 25 до 500 Вт.
6. Создание новых типов ламп трансформаторного типа на частотах 100-400 кГц.
Основные положения, выносимые на защиту, и научная новизна работы
В диссертационной работе впервые получены следующие результаты:
1. На основе трансформаторной модели индукционного разряда, электродинамических моделей ВЧ индукционного разряда низкого давления, уравнений мощности потерь в ВЧ индукторе и эмпирических соотношений для напряженности ВЧ электрического поля и световой отдачи плазмы диссертантом предложена комплексная модель индукционной люминесцентной лампы, связывающая электрические, энергетические и световые характеристки лампы с конструктивными параметрами вакуумного блока, ВЧ индуктора и плазмы индукционного разряда. Получены аналитические выражения, связывающие параметры плазмы индукционного разряда и мощность потерь в ВЧ индукторе с конструктивными параметрами лампы и условиями ее питания.
2. Созданы математические модели расчета плазмы индукционных разрядов низкого давления в разрядных бесферритных замкнутых и незамкнутых трубках, возбуждаемых индуктивной катушкой с витками, расположенными паралелльно оси разрядной трубки. На основе моделей рассчитано пространственное распределение напряженности ВЧ индукционного электрического поля, плотности разрядного тока и объемной плотности мощности плазмы индукционного разряда.
3. Экспериментальными исследованиями зажигания емкостного и индукционного разрядов, возбужденных ВЧ индуктором на частотах 100-15000 кГц в смеси паров ртути и инертного газа низкого давления, установлено, что зажиганию индукционного разряда предшествует зажигание емкостного разряда. Анализ двух типов ВЧ электрических полей, емкостного и индукционного, генерированных током индуктивной катушки показал, что вблизи витков катушки напряженность емкостного поля в несколько раза превышает напряженность индукционного поля.
4. Экспериментально обнаружено, что на частотах ВЧ поля 100Ц1000 кГц напряженность ВЧ электрического поля зажигания индукционного разряда и ВЧ
напряжение на индуктивной катушке не зависят от частоты поля. ВЧ ток катушки и мощность зажигания индукционного разряда уменьшаются с частотой ВЧ поля.
Результаты эксперимента находятся в хорошем согласии с результатами расчета, проведенного в рамках комплексной модели индукционной лампы.
5. Экспериментальные исследования, проведенные в установившемся режиме работы индукционных ламп с полостью и ламп трансформаторного типа с кольцевыми магнитопроводами, показали что характер зависимости мощности потерь в ВЧ индукторе от мощности лампы определяется отношением частот ?/? и величиной добротности плазменного витка/шнура Q2. На низких частотах ВЧ поля ?/? <<1 и низкой добротности плазмы Q2<< 1, повышение мощности плазмы и частоты ВЧ поля вызывает уменьшение мощности потерь в ВЧ индукторе.
6. Экспериментально обнаружено, что на частотах ВЧ поля ?<? световая отдача плазмы ?pl= Ф/Рpl не зависит от частоты ВЧ поля, но уменьшается с мощностью плазмы со скоростью, практически не зависящей от мощности плазмы, но возрастающей с давлением инертного газа и уменьшающейся с размером разрядного промежутка. К.п.д. ВЧ индуктора ?с возрастает с увеличением мощности лампы, ассимптотически приближаясь к 1.
7. Экспериментально установлено, что на частотах ВЧ поля f = 100-10 000 кГц световая отдача лампы ?vаесть произведение световой отдачи плазмы ?plна к.п.д. ВЧ индуктора ?с, а ее зависимость от мощности лампы имеет максимум, сдвигающийся в сторону меньщих мощностей лампы с увеличением частоты ВЧ поля, давления инертного газа, сечения сердечника/магнитопровода, диаметра разрядной трубки/колбы и с уменьшением длины плазменного витка/щнура. Зависимость световой отдачи лампы от давления инертного газа имеет максимум, который с увеличением мощности лампы и размеров разрядной колбы/трубки сдвигается в сторону меньших давлений.
8. Предложены, сконструированы и экспериментально апробированы два новых типа бесферритных безэлектродных индукционных люминесцентных ламп в
замкнутых и незамкнутых разрядных трубках, возбуждаемых ВЧ током индуктивной катушки, охватывающей лампу по ее продольному периметру. Лампы
работают на частотах ВЧ поля 200-15 000 кГц и мощностях 100-500 Вт со световыми отдачами 80-90 м/Вт.
9. Предложены, сконструированы и исследованы мощные 300-450 Вт индукционные люминесцентные лампы с двумя полостями и ВЧ индукторами, симметрично размещенными на оси цилиндрической разрядной колбы. Лампы работают на частоте 130-400 кГц со световыми отдачами свыше 90 м/Вт.
10. Предложены, сконструированы и экспериментально исследованы новые модификации ламп трансформаторного типа: а) с одной индуктивной катушкой, охватывающей кольцевые магнитопроводы и б) с разрядной трубкой эллиптического сечениия. Лампы работали на частотах 100-150 кГц и мощностях 60-300 Вт со световой отдачей свыше 90 м/Вт.
11. На основе результатов проведенных в работе исследований диссертантом предложены, сконструированы и разработаны:
а) эффективные (?v > 90 м/Вт) индукционные люминесцентные лампы с полостью и ферромагнитным сердечником, работающие на частоте 135 кГц и уровнях мощности от 40 до 450 Вт;
в) компактная индукционная люминесцентная лампаа с ЭПРА, встроенным в цоколе лампы, работающая на частотах 130-200 кГц и мощностях 20-25 Вт со световой отдачей 70 м/Вт.
Результатом исследований свойств и характеристик индукционных люминесцентных ламп низкого давления, проведенных в диссертации в широком диапазоне частот ВЧ поля и мощности лампы, конструкций ВЧ индукторов и конструктивных параметров разрядных колб и трубок стало создание нового направления в технологии индукционных люминесцентных источников света: низкочастотные 100-400 кГц безэлектродные индукционные люминесцентные лампы с низким давлением инертного газа 0,01- 0,3 мм рт.ст. работающие наа высоких удельных мощностях плазмы 1,5Ц15 Вт/см со световой отдачей 80-100 м/Вт.
Практическая значимость работы
1. Полученные в работе аналитические выражения могут быть использованы для создания эффективных инженерных методов расчета характеристик и конструктивных параметров безэлектродных газоразрядных источников излучения.
2. Рассчитанные для частот ВЧ поля 100-400 кГц характеристики и параметры плазмы индукционного разряда низкого давления позволяют оценить, насколько оптимально выбраны конструктивные параметры и условия питания индукционных люминесцентных ламп, и наметить пути их улучшения.
3. Разработаны, исследованы и доведены до опытного образца индукционные люминесцентные лампы с полостью, работающие на частоте 135 кГц со световой отдачей 94-95 м/Вт. На их основе фирмой Matsushita (Panasonic) выполнены инженерные разработки и налажен промышленный выпуск индукционных источников света различной мощности: Everlight 50, Everlight 150 и Everlight 240.
4. Разработана, исследована и доведена до опытного образца компактная индукционная люминесцентная лампа мощностью 23 Вт, работающая на частоте 100 кГц со световой отдачей 65 м/Вт. На ее основе фирмой Matsushita (Panasonic) разработаны два компактных люминесцентных источника света марки Pa-look Ball со сроком службы 30 тыс. часов, работающих на частоте 480 кГц: а) 12 Вт (световой поток 800 м); b) 20 Вт (световой поток 1300 м).
5. Впервые предложены и экспериментально апробированы бесферритные индукционные алюминесцентные лампы с прямой и замкнутой (кольцевой) трубкой, возбужденные ВЧ током индуктивной катушки с продольным расположением витков. Лампы работают на частотах 0,3 - 14 МГц и мощности 100-200 Вт со световой отдачей 83-85 м/Вт. Они отличаются простотой конструкции и представляют апрактический интерес для ламп общего освещения и для источников УФ излучения.
6. Разработаны методы контроля температуры ртутной амальгамы, обеспечивающие в заданном интервале температур окружающей среды
максимальный световой поток лампы. Предложены метод и конструкция устройства, поддерживающие температуру индуктивной катушки и ферромагнитного сердечника ниже критической.
7. Диссертантом получены 19 патентов США на конструкции и материалы индукционных люминесцентных ламп и методы контроля их параметров.
8. Результаты исследований включены в программы курсов Источники оптического излучения, Тенденции развития источников света и ПРА и Расчет и конструирование источников света и легли в основу учебного пособия Индукционные источники света для бакалавров и магистров светотехнической специальности (Изд. дом МЭИ, 2010, 64 с.)
Достоверность полученных результатов
1. Измерения проводились на большом количестве экспериментальных образцов при широком варьировании конструктивных параметров вакуумных блоков и ВЧ индукторов с применением современного высокоточного измерительного оборудования.
2. По результатам исследований предложены, сконструированы и разработаны опытные образцы индукционных люминесцентных ламп, которые легли в основу промышленных изделий, светотехнические и эксплутационные параметры которых соответствуют таковым, полученным диссертантом в ходе исследований.
3. Результаты расчетов электрических и энергетических характеристик индукционных разрядов, проведенных диссертантом в рамках развитой им модели, находятся в хорошем согласии с экспериментальными данными.
аАпробация работы и публикации
Список работ, в которых нашли свое отражение основные результаты диссертации, содержит 45 публикаций, в том числе одна монография, 20 статей в ведущих научно-технических журналах из списка ВАК и 19 патентов США. Материалы диссертации докладывались на отечественных и зарубежных конференциях и симпозиумаха (International Symposium on Science and Technology of Light Sources, International Сonference on Phenomena in Ionized Gases, Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов и др.)
Структура диссертации
Диссертация состоит из введения, восьми глав и заключения. Общий объем диссертации (без Приложения) - 412 страниц машинописного текста, включающего 236 рисунков, 2 таблицы и список литературы из 247 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введенииа диссертации обосновывается актуальность темы исследования, ставится ее цель, формулируются основные результаты и положения, выносимые на защиту.
В первой главе апроводится анализ работ, посвященных исследованиям индукционных разрядов и дается краткая история развития индукционных люминесцентных источников света. Отмечаются работы Томсона, заложившего в 20-х годах ХХ века основы теории электромагнитного возбуждения разряда в газах и предложившего аналитические выражения, описывающие зажигание индукционного разряда, а также работы Таунсенда и Дональдсона,а указавших на важную роль лэлектростатических сил в зажигании и поддержании разрядов в газах. Обсуждаются работы Эккерта, создавшего в конце 60-х годов прошлого века на относительно низких частотах f = 800Ц10 000 Гц индукционный источник плазмы низкого давления в парах ртути в замкнутых разрядных трубках с железным кольцевым магнитопроводом. Подробно обсуждаются работы сотрудника фирмы General Electric Джона Андерсона, предложившего в конце 60-х годов три основных типа индукционных ламп: лампу трансформаторного типа, лампу са полостью и компактную люминесцентную лампу с кольцевым магнитопроводом и с инегрированным в базе лампы электронным пуско-регулирующим аппаратом (ЭПРА). аОбуждаются работы советских специалистов
А.М. Троицкого и Д.Д. Юшкова, разработавших в начале 80-х годов ХХ века компактную индукционную люминесцентную лампу в сферической колбе Db = а8,5
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). аОбсуждаются возможности усовершенствования существующих индукционных ламп и формулируются научно-технические задачи диссертационной работы.аа
Вторая главадиссертации посвящена теоретическим исследованиям свойств и характеристик индукционных разрядов низкого давления, используемых в ВЧ безэлектродных источниках света. Изложен принцип работы и особенности конструкцийа 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. аИсследования 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 (лемкостное) 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 кГца 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 = ?c?plа а(1)
Здесь Р, Рpl аи 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. а
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 ? = 2?f, взаимной индуктивностью плазмы и ВЧ индуктора М = k(LcL2)1/2, длиной плазменного витка/шнура Lpl и параметрами плазмы Еa и Q2:
Iс = LplЕa [1 + Q22]1/2/?Mаа а(2) а
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 аатрансформаторной модели:а
k = [(1+Q22)(P-Рс)/PcQcQ2]1/2а а(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 расчетомаа
k = Scoil/Spl а(4)
где Scoil и Spl - площади сечений индуктивной катушки и плазмы, соответственно.аа
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: lа а
Рсoil = (Ea Lpl)2?w?w(1+ Q22)/(?M)2а а(5) а
pferа = a(22,5)dfc-d(Epl?pl)d/k0,5dSferdа (6)аа
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/Ipl0,2Rt0,5а = 1,27/Ipl0,2Dt0.5аа аа(7) а
Во второй главе в приближении бесконечной цилиндрической плазмы (R<<L) и бесселевского распределения плотности плазмы по сечению трубки разработаны две электродинамические модели индукционного разряда. Одна - для индукционной плазмы в замкнутой бесферритной разрядной трубке, возбужденной ВЧ током катушки с проводами, расположенными на поверхности трубки вдоль ее оси. Рассчитанное по модели относительное радиальное распределение напряженности ВЧ поля адля 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-3аа
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 арасположения витков катушки, к центру трубки (х = 0), где Еpl|х=0=0.
Рис. 2. Распределение wplпо 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 а
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 аРpl хорошо аппроксимируется прямойа
?pl а= ?0 - BPpl (8) а
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/Ic?Mаа (9)
а скорость уменьшения световой отдачи с мощностью плазмы В обратно пропорциональна напряженности ВЧ электрического плазмы Еpl = ?plIpl/Ppl.а аа
ри.г./?dif, амм рт.ст./см
Рис. 3. Зависимость скорости уменьшения светповой отдачи плазмы В от ри.г./?dif. аЛампы с полостью: ? - Db = 60 мм; 0 - Db = 105 мм; ? - Db = 160 мм; ? - Db = 180 мм. Лампы трансформаторного типа: ^- Dt = 35 мм; ? - Dt = 38 мм; ж -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. аПоскольку 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, значительноа 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 м/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.аа
?v, м/Вта
Р,а Вта
Рис.а 4.а Зависимость световой отдачи лампы ?vот мощности лампы Р. рAr = 0,5 мм рт.ст. N = 26.а 0 - 1,4 МГц;а х - 2,4 МГц; ^ - 5 МГц; ?а -а 8 МГц;а ? - 10 МГц.а
аа 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. аа
В пятой главе диссертации исследуются индукционные люминесцентные лампы с аколбой 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.
а а
Рис. 5. Эскиз индукционной лампы. Диаметр Db= 160 мм, высота Hb = 180 мм; диаметр полости Dcav= 25 мм, высота Hcav = 160 мм. а
а аНа 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 < 70 Вт и ВЧ частотах f < 200 кГц, где мощность потерь в ВЧ индукторе Рс > 3 Вт. На боьших 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 м/Вт (P = 120 Вт) до 97-100 м/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 боьших 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 м/Вт (Db = 110 мм) до 107 м/Вт Db = 180 мм). Дальнейшее увеличение диаметра колбы не приводит к росту световой отдачи лампы.
?v, м/Вта
Р, аВт
Рис. 6.а Зависимость ?v от P. Параметры лампы: Db =160 мм, Hb = 180 мм, Dcav =25 мм; pAr = 0,1 мм рт.ст.а N = 40.а То.с. = 25oC. аf = 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 м/Вт. Они были положены в основу инженерной разработки и промышленного производства фирмой Мацушита (Панасоник) источников света Everlight 50, Everlight 150 и Everlight 240.а
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 лотводил магнитное поле от цоколя лампы, где размещался ЭПРА, уменьшая магнитные наводки на компоненты ЭПРА, чувствительные к магнитному полю.а
Рис.а 7.а Схематический эскиз индукционной компактной люминесцентной лампы
Значительное внимание уделено исследованию мощности потерь в ВЧ индукторе ламп, работающих на малой мощности Р < 25 Вт, поскольку для достижения высокого к.п.д. (?с > 0,9) мощность потерь Рс не должно превышать 2 Вт. аВ 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 м/Вт. Это на 20% выше световой отдач индукционной лампы Genura (48 м/Вт), работающей на частоте 2,65 МГц.
?v,а м/Вт
Р,а Вт
Рис. 8.а Световая отдача лампы ?v в зависимости от мощности лампы Р. рAr = 0,8 мм рт.ст.
а аВ 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
а
Каждый ВЧ индуктора 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 = 130Ц400 кГц и полной лампы Р = Р1 + P2 = 250Ц500 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 м/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 hvот мощности лампы Р.
аа 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. а
Рис. 11. Лампа трансформаторного типа с симметрично размещенными магнитпроводами. 1а,b - стенки разрядных трубок; 2а,b Цстенки 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.
аа ампы возбуждались на частотах ВЧ поля от 100 до 400 кГц и мощностях от 30 до 500 Вт. аРасчет 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:а
Рfer = 918?pl2,63 (Dt + Lfer)/f(HferLfer)1,63Ipl0,53Dt1,32 аа(10)
где Vfer, Hfer и Lfer - объем, высота и толщина магнитопровода; ?pl- длина плазменного шнура. На рис. 12 представлена расчитанная по (10) мощность потерь ав 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.а
аа Рfer,а Вт
аа ааSfer, см2а
Рис. 12. Зависимость Рfer от Sfer. Dt = 5 см, рАr = 0,2 мм рт.ст.а f = 135 кГц. Р = 100 Вт. Эксперимент: ?pl: 0 - 60 см,а ? - 80 см,а ? - 100 см.а ЧЧ Расчеты по (10).
а аВ шестой главе аисследуется влияние давления инертного газа, диаметра трубки и длины плазменного шнура на мощность потерь в ВЧ индукторе Рс и его к.п.д ?с, наа световую отдачу плазмы ?pl аи на световую отдачу лампы трансформаторного типа ?v. На рис. 13 приведены зависимости световой отдачи лампы от ее мощности, измеренные для различных давлений криптона .
?v, м/Вт
P,а Вт
Рис. 13. Зависимость ?v от Р в лампе с трубкой эллиптического сечения:а 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.а
аа 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 боьших 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 Lот 360 до 500 мм, но одинаковой удельной мощностью плазмы Р1= 0,8 Вт/см.
а?pl,а м/Вт
Dt, мм
Рис. 14. Зависимость световой отдачи плазмы ?plот диаметра трубки Dt. Удельная мощность Р1 = 0,8 Вт/см. рHg = 7x10-3 мм рт.ст. а? - Ar (0,75 мм рт.ст.);а 0 - 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 м/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 значенияа ?pl = 108-109 м/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. аПредположительно, 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 м/Вт.
В работе обсуждаются пути повышения световой отдачи мощных ламп до 100 м/Вт снижением давления инертного газа до 0,01-0,03 мм рт.ст. и увеличением длины плазменного шнура ?pl (удлинением разрядной трубки). а
В седьмой главе диссертантомвпервые 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).
аа аа
Рис. 15. Бесферритная индукционная люминесцентная лампа с замкнутой разрядной трубкой и индуктивной катушкой, размещенной по внутреннему периметру лампы.
ампы 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 < 10-3 Ом/см и, соответственно, высокую добротность катушки Qсoil = 340 (400 кГц). аа
аа Исследования, проведенные на различных частотах ВЧ поля и давлениях инертного газа показали, напряжение на катушке, требуемое для зажиганияа индукционного разряда Vind, увеличивается с количеством витков катушки N, но не
зависит от частоты ВЧ поля f. Расчитаннаяа 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 аВЧ поля примерно как 1/f.а 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, м/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. а
аа 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 < 10 Вт), а ее к.п.д. высок (?с > 0,95), световые отдачи лампы и плазмы невелики, 78-80 м/Вт и 82-83 м/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 ?plа от мощности плазмы Рpl, измеренная в лампе боьшим диаметром трубки Dt = 70 мм и большей длиной плазменного шнура ?pl = 840 мм.
?pl, м/Вт
аа
Ppl,а Вт
Рис. 17.а 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 м/Вт2), но заметно повышает начальную световую отдачу плазмы ?0: от 100 до 112 м/Вт, что приводит к увеличению световой отдачи плазмы ?pl так, что на мощности Рpl = 220 Вт она возрастает ас 81 до 97 м/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.а 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)а Катушки изготовлялись либо из
литцендрата (108 и 436 жил, f = 200Ц1000 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= wLc/Rc = 150 на f = 200 кГц.аа
Рис. 18а Эскиз экспериментальной бесферритной индукционной люминесцентной лампы.
аа Измерения электрических, энергетических и световых характеристик проводились в широком диапазоне частот ВЧ поля 300 - 15 000 кГц и мощностях лампы до 300 Вт. аНа 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 ауменьшаются 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 дляа 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 м/Вт2 и слабо, но растут с частотой ВЧ поля. На мощности плазмы Рpl = 120 Вт световые отдачи плазмы имеют значения, соответственно 90 м/Вт (383 кГц) и 96 м/Вт (530 кГц).
а?pl,а м/Вт
60аа аа80аа а100а а120 аа140 аа160 аа180
Рpl,а Вт
Рис. 19. Зависимость ?pl от Рpl. Параметры лампы: H = 300 мм, Dtа = 70 мм, рAr = 0,1 мм рт.ст.; ? - 383 кГц; 0 - 530 кГц.
Световая отдача лампы возрастает с частотой ВЧ поля и на мощности лампы Р = 120 Вта увеличивается от 75 до 84 м/Вт.
На более высоких частотах ВЧ поля f = 3-15 МГц мощность потерь Рcoil асначала уменьшается с мощностью лампы, а затем, начиная с Р = 40-60 Вт растет с Р. Зависимость Рcoil аот частоты ВЧ поля f обнаруживает минимум на частотах 6-8 МГц, на которых выполняется условие ? = ?, а затем возрастает с частотой f,аа
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.а 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= 1,5Ц15 Вт/см и высокой световой отдачей 80-100 м/Вт.аа
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 ? << ? ВЧа напряжение зажигания индукционногоа разряда низкого давления Vind, не зависит от частоты ВЧ поля. Ток индуктивной катушки и мощность зажигания разряда уменьшаются с частотой ВЧ поля как 1/?.
5. аРасчитанные 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 < 1 МГц, где выполняется условие ? < ? и где добротность плазменного витка/шнура Q2<0,3, мощность потерь в ВЧ индукторе уменьшается с увеличением мощности плазмы и частоты ВЧ поля. На частотах 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. а
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, апропорциональная (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 аЦ активной составляющей напряженности ВЧ поля в плазме разряда.а аа
8. аПредложены, 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 м/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 м/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 м/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 а>а 90 м/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. аПопов О.А. Эффективный источник света на индуктивном бесферритно
разряде на частотах 300Ц3000 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,а расположенной по периметру продольного сечения разрядной трубки //Светотехника. 2010. 3. С. 63-65.
3.а Попов О.А.,Чандлер Р.Т. Индуктивный источник света трансформаторного типа
на частотах 150Ц400 кГц мощностью 200Ц500 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 200Ц400 кГц //Вестник МЭИ. 2010. 2. C. 159-164.
5.а Никифорова В.А., Попов О.А. Влияние частоты ВЧ поля и разрядного тока наа
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 бесферритнома разряде замкнутого типа // Вестник МЭИ. 2010. 5.
C.114-119.
7. аМайа Дж., Попов О.А., Чандлер Р.Т. Компактная индуктивная люминесцентная
лампа на частотах 100Ц200 кГц // Светотехника, 2007. 1. C. 32-35.
8. Попов О.А. Индукционные источники света // Учебное пособие. Издательство
МЭИ. 2010, 64 c.
9.а Попов О.А. Безэлектродная индукционная лампа низкого давления мощностью аа
300-450 Вт с адвумя 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 люминесцентнаяа
лампа на частотах 2.65Ц13.56 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 100Ц300 кГц и мощности 40Ц70 ватт // Светотехника. 2007. 3. C. 56 - 62.
13. аPopov O.A., Godyak V.A. аPower 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 inа 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 аа
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 1Ц15 MHz // Plasma Sources Sci. Technol. 2000. 9.
P. 227-236.
17. Svitnev S.A. andа 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 а40-70 W // Light & Engineering
2008. vоl. 16. P. 95-98.
19. Popov O.A., Chandler R.T, Maya J. Compact inductively-coupled fluorescent lampа
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, аа
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 IntТl 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 IntТl. Symp. Sci. Technol. Light Sources. 2004. Toulouse. а
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 IntТl. 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. аElectrodeless 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 аа
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 аа
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 аа
2002/0067129 A1. Jun. 6, 2002.
33. Popov O.A. and Chandler R.T. High Frequency Ferrite-free Еlectrodeless Lamp with аа
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 // аа
Proc. IX IntТl Symp. Sci. Technol. Light Sources. 2001. Ithaca. P. 455.
35. Godyak V.A., Popov O.A. аand 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.а 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.а
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.аа
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 Deviceаа
Increasing the LampТs 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 а// US Patent 5,723,947. Mar. 3. 1998.
44. Popov O.A., Maya J. and Shapiro E.K. Electrodeless Fluorescent Lamp // US аа
Patent 5,621,266. Apr. 15, 1997.
45. Popov O.A., Maya J. Inductively Coupled Substantially Flat Fluorescent Light Source а
// US Patent 5,500,574. Mar. 19, 1996.
а
аа
аа
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим наукам