Способ питания газоразрядной лампы высокого и сверхвысокого давления

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при работе газоразрядных ламп в различных осветительных устройствах. Целью изобретения является увеличение яркости газоразрядной лампы высокого и сверхвысокого давления за счет увеличения числа атомов в канале дуги при сохранении срока службы ламп. Сущность способа питания газоразрядной лампы, заключающегося в том, что к электродам лампы прикладывают импульсное, положительное относительно ее катода напряжение, превышающее по величине напряжение горения лампы при постоянном токе, а в промежутках времени между импульсами к электродам лампы прикладывают положительное относительно катода и меньшее импульсного напряжения, но большее напряжения погасания лампы, состоит в том, что длительность воздействия импульсного напряжения выбирают меньше времени термодиффузии атомов поперек канала дуги, а время между импульсами напряжения выбирают больше времени термодиффузии атомов поперек канала дуги, причем скважность импульсов не превышает 10. 1 ил.

Изобретение относится к светотехнике и может быть использовано при работе газоразрядных ламп в различных осветительных устройствах.

Целью изобретения является увеличение яркости газоразрядной лампы высокого и сверхвысокого давления за счет увеличения числа атомов тока при сохранении срока ее службы.

Сущность изобретения заключается в увеличении числа атомов в канале тока лампы, что приводит к увеличению яркости излучения газоразрядной лампы. Увеличение концентрации атомов в канале тока приводит к уменьшению плазмы и увеличению продольного градиента потенциала электрического поля. Вследствие этого растет доля электрической мощности, рассеиваемой в положительном столбе разряда, и уменьшается доля мощности, идущая на нагрев анода.

В газоразрядных лампах высокого и сверхвысокого давления излучение плазмы создается главным образом тормозным излучением электронов на атомах и ионах газа. Яркость этого излучения определяется концентрацией атомов, ионов и электронов в канале дуги и температурной плазмы. В современных газоразрядных лампах высокого и сверхвысокого давления, питаемых постоянным током, эти характеристики выбраны оптимальным образом. Дальнейшее увеличение яркости за счет повышения давления газа (увеличение концентрации атомов) снижает надежность конструкции лампы, а увеличение яркости за счет повышения мощности, рассеиваемой в лампе (увеличение концентраций заряженных частиц и температуры электронов), приводит к тому, что, во-первых, температура плазмы становится выше оптимальной и максимум излучения плазмы смещается из рабочей области спектра и, во-вторых, увеличивается термическая нагрузка на электроды лампы, что снижает срок ее службы.

Использование предлагаемого способа позволяет увеличить яркость газоразрядной лампы за счет увеличения (по сравнению с разрядом постоянного тока) концентрации атомов в канале дуги без снижения надежности и срока ее службы.

Концентрация атомов N в канале дуги обратно пропорциональна температуре плазмы. Температура плазмы в канале может существенно превышать температуру газа в пристеночных областях лампы. Особенно велика эта разница температур (порядок и больше) в сильнотечных дуговых разрядах высокого и сверхвысокого давления. Поэтому при условии постоянства давления газа во всем объеме колбы лампы концентрация атомов N в канале тока меньше первоначальной концентрации (при i= 0) и концентрации вблизи стенок колбы. Переход к импульсно-периодическому способу создания плазмы приводит к тому, что наряду со стадией нагрева газа (импульс тока) появляется стадия остывания газа (время между импульсами), т.е. наряду со стадией, когда концентрация атомов в канале дуги уменьшается из-за нагрева, возникает стадия, когда концентрация атомов в объеме плазмы стремится выравняться. Если длительность импульса меньше, а время между импульсами больше времени ухода атомов газа из канала дуги за счет термодиффузии, то концентрация атомов больше той, которая существовала бы при протекании постоянного тока. Проводимость газа обратно пропорциональна концентрации атомов N, поэтому увеличение N ведет к уменьшению проводимости и к необходимости увеличения градиента потенциала электрического поля для создания одного и того же значения тока. При этом растет доля мощности, рассеиваемая в плазме (возрастает ее сопротивление), и, следовательно, уменьшается доля мощности, идущая на нагрев анода.

Увеличение напряженности электрического поля Е в плазме при одновременном росте концентрации атомов N в указанном диапазоне длительностей импульсов и их скважности слабо изменяет температуру электронов, поскольку она определяется отношением . Следовательно, увеличение яркости излучения плазмы не сопровождается заметным изменением спектрального состава излучения и "уходом" максимума из рабочей области спектра.

Параметры импульсно-периодического режима выбираются следующим образом. Время термодиффузии атомов из канала дуги зависит от условий разряда и может быть рассчитано по известному соотношению, вытекающему из диффузионной теории (см. например, Силин В.П. Введение в кинетическую теорию газов. М.: Наука, 1971), τ_д= (1) где D = - коэффициент диффузии атомов газа; r_о - радиус токового канала; λ- длина свободного пробега атомов; = - средняя скорость их движения при температуре Т; М - масса атомов.

Практическая проверка способа питания ламп высокого и сверхвысокого давления проводилась на примере ксеноновой лампы сверхвысокого давления ДКсЭЛ 250. Измерялись яркость источника света (в относительных единицах) в импульсно-периодическом режиме и при питании постоянным током, температура анода, эпюры напряжения и тока, протекающего через лампу, при различных длительностях и скважностях импульсов. Время термодиффузии атомов в канале дуги для рассматриваемой лампы, рассчитанное с помощью соотношения (1), дает величину τ_д= 2 ˙10^-4с. Как показали измерения, при длительности импульса меньше τ_ди времени между импульсами больше τ_дпри скважности≅10 и выборе такой мощности импульсно-периодического разряда, при которой термическая нагрузка на анод лампы равна номинальной (что контролировалось по температуре анода), яркость свечения ксеноновой лампы увеличивается в 1,5-2 раза. Например, при длительности импульса Т_и= 140 мкс и времени между импульсами Т_п = 430 мкс (скважность равна 4,1) увеличение яркости составляет величину 1,7±0,2 раза по сравнению с яркостью в разряде постоянного тока.

Реализация предлагаемого способа осуществлялась с помощью устройства, блок-схема которого представлена на чертеже.

Постоянное напряжение с блока 1 питания поступает на включенные последовательно электронный ключ 2 и конденсатор 3. Параллельно конденсатору 3 подключены последовательно соединенные второй электронный ключ 4 и газоразрядная лампа 5. Электронные ключи 2 и 4 управляются блоком 6 управления. Блок 7 создает ток дежурной дуги в промежутках времени между импульсами. После зажигания лампы и перехода в режим дежурной дуги импульсно-периодический режим питания осуществляется следующим образом.

Блок 6 управления открывает ключ 2 на время паузы Т_п между импульсами тока, что обеспечивает заряд конденсатора 3. Ключ 4 при этом закрыт. Через время t = Т_п ключ 2 закрывается, ключ 4 открывается (на время Т_и), напряжение, существующее на обкладках конденсатора 3, прикладывается к электродам лампы и через нее протекает импульс тока. Через время Т_и после момента открывания ключа 4 блок 6 управления запирает ключ 4, открывает ключ 2, и процесс повторяется.

Данный способ питания обеспечивает существенное увеличение яркости излучения газоразрядной лампы при сохранении термической нагрузки на анод и, следовательно, срока ее службы.

Формула изобретения

СПОСОБ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ ВЫСОКОГО И СВЕРХВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, заключающийся в том, что к электродам лампы прикладывают импульсное, положительное относительно катода лампы напряжение, по величине превышающее напряжение горения при постоянном токе, а в промежутках времени между импульсами к электродам лампы прикладывают положительное относительно катода лампы постоянное напряжение, причем величину постоянного напряжения выбирают меньше напряжения в импульсе и больше напряжения погасания газоразрядной лампы, отличающийся тем, что, с целью увеличения яркости за счет увеличения числа атомов в канале дуги, длительность воздействия импульсного напряжения выбирают меньше времени термодиффузии атомов поперек канала дуги, а время между импульсами напряжения выбирают больше времени термодиффузии атомов поперек канала дуги, причем скважность импульсов не превышает 10.

РИСУНКИ

Рисунок 1