Устройство управления газоразрядной лампой

 

Настоящее изобретение относится к электротехнике и светотехнике и может быть использовано для питания газоразрядных ламп с регулируемым спектром и интенсивностью излучения, применяемых, например, для освещения, обработки различных поверхностей, стимуляции роста растений, фотоэкспонирования, в медицине и т.п. Технический результат - создание устройства для управления газоразрядной лампой с давлением не более 1 атм, наполненной инертным газом (например: ксеноном, аргоном, криптоном и т.п.) или какой-либо их смесью, с высоким КПД преобразования электрической энергии в световую в требуемом спектральном интервале, большим сроком службы и с возможностью изменения энергомощностных и спектральных характеристик газоразрядной лампы. Цель достигается тем, что в устройство управления газоразрядной лампы, содержащее блок питания, схему поджига и газоразрядную лампу, дополнительно введены накопительная емкость, подключенная к блоку питания, и формирователь основных разрядных импульсов, выполненный в виде электронного ключа, на управляющий вход которого поступают сигналы управления с выхода генератора прямоугольных импульсов. Отключение ключа происходит на кривой роста тока. Выводы включены в разрядную цепь лампы, при этом катод лампы имеет полость. В газоразрядной лампе с давлением не более 1 атм с помощью электронного ключа формируются импульсы тока высокой амплитуды с высокой скоростью нарастания и спада, а эмиссия электронов не имеет взрывного характера. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и светотехнике и может быть использовано для питания газоразрядных ламп с регулируемым спектром и интенсивностью излучения, применяемых, например, для освещения, обработки различных сред и поверхностей, стимуляции роста растений, фотоэкспонирования и т.п.

Известно устройство [1] для питания газоразрядной лампы, содержащее источник постоянного тока, управляемый ключ, управляющий вход которого соединен с выходом блока формирования импульсов управления, резонансный контур, подключенный к контактам ключа (вход-выход) и к газоразрядной лампе, снабженной устройством поджига.

Недостатком известного устройства является низкая эффективность нагрева газа в лампах с давлением менее 1 атм вследствие нагрева его током синусоидальной формы с низкой амплитудой.

Известно устройство для питания газоразрядной лампы [2], содержащее источник питания с накопительным конденсатором, генератор прямоугольных импульсов тока повышенной частоты и электронные ключи управления напряжением, подаваемым на газоразрядную лампу через коммутирующие устройства.

Недостатком данного изобретения является низкая эффективность передачи электрической энергии в лампу через импульсный трансформатор и, как следствие, - низкая эффективность нагрева плазмы.

Также известно устройство управления газоразрядной лампы [3], содержащее блок питания, подключенный к накопительной емкости, схему управления блоком питания, блок поджига и газоразрядную лампу.

Недостатком этого устройства является невозможность эффективного преобразования электрической энергии в световую в лампах с давлением меньше 1 атм, наполненных любым инертным газом (например: ксеноном, аргоном, криптоном и т.п.) или какой-либо их смесью, из-за того, что плотность тока недостаточна для разогрева газа до требуемой температуры.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является техническое решение, описанное в источнике [4], которое и выбрано в качестве прототипа.

В устройстве управления газоразрядной лампой, содержащем блок питания, схему управления блоком питания, схему поджига и газоразрядную лампу, входное напряжение источника питания преобразуется в высокое напряжение в повышающем трансформаторе. Это высокое напряжение поступает на вход управляемого блока питания, преобразующего это напряжение в напряжение и ток питания газоразрядной лампы высокого давления. Схема управления управляет работой блока питания, а также запускает схему зажигания. Управление блоком питания осуществляется в таком режиме, что газоразрядная лампа в момент зажигания работает с заданной величиной перегрузки. Эту величину подбирают таким образом, чтобы исключить мерцание и появление светящихся перемычек в момент зажигания. Схема управления регулирует величину перегрузки в зависимости от текущего состояния газоразрядной лампы. При этом схема управления учитывает температуру электродов лампы и заполняющего лампу газа.

Недостатком прототипа является низкая эффективность нагрева газа в лампах с давлением меньше 1 атм, наполненных одним из инертных газов (например: ксеноном, аргоном, криптоном и.т.п.) или какой-либо их смесью, из-за того, что плотность электрической мощности, вкладываемая в разряд, недостаточна для эффективного разогрева газа. Кроме того, лампы высокого давления (более 1 атм) являются взрывоопасными (начальное давление в процессе горения лампы повышается до 25 атм), что требует применения специальных мер по обеспечению их безопасной эксплуатации.

Задачей, решаемой данным изобретением, является создание устройства для управления газоразрядной лампой с давлением менее 1 атм, наполненной инертным газом (например: ксеноном, аргоном, криптоном и т.п.) или какой-либо их смесью, с высоким КПД преобразования электрической энергии в световую в требуемом спектральном интервале, большим сроком службы и возможностью изменения энерго-мощностных и спектральных характеристик газоразрядной лампы.

Сущностью изобретения является то, что в устройство управления газоразрядной лампой, содержащее блок питания, схему поджига и газоразрядную лампу, дополнительно введены накопительная емкость, подключенная к блоку питания, и формирователь основных разрядных импульсов, выполненный в виде электронного ключа, на управляющий вход которого поступают импульсы управления с выхода генератора прямоугольных импульсов, а выводы включены в газоразрядную цепь лампы, при этом катод лампы снабжен глухим отверстием.

Технический результат состоит в том, что в лампе с давлением меньше 1 атм с помощью электронного ключа формируются импульсы тока высокой амплитуды, с высокой скоростью нарастания и спада, причем отключение ключа происходит на кривой роста тока. Как известно, эффективность нагрева газа в газоразрядном промежутке определяется мощностью, выделяемой в нем, которая пропорциональна сопротивлению газоразрядного промежутка (которое в начальный момент очень большое) и току, протекающему через него (P = I²R), а также скоростью нарастания мощности. При росте тока в импульсных системах питания сопротивление канала начинает резко падать до момента уменьшения тока (вольт-амперная характеристика газоразрядных ламп с давлением менее 1 атм - падающая). При уменьшении тока в газоразрядном канале (I), поскольку сопротивление газоразрядного промежутка (R) возрастает медленно (за счет плохой теплопроводности газа при невысоком давлении), мощность, выделяемая в газоразрядном промежутке (P =I²R), начинает падать, эффективность нагрева газа снижается, что ведет к потере эффективности всей системы питания. Поэтому отключение ключа целесообразно проводить на участке кривой, где ток растет.

Использование конденсатора, запас энергии в котором многократно превышает энергию, вкладываемую в разряд, дает возможность обеспечить резкое нарастание мощности в канале. Оба этих фактора (отключение ключа на кривой роста тока и увеличение скорости нарастания мощности) приводят к росту эффективности системы питания газоразрядной лампы с давлением 1 атм. В результате этого эффективность нагрева газа (КПД преобразования электрической энергии в энергию излучения газа) резко возрастает, - амплитуда тока в лампе определяется длительностью открытого состояния ключа и может достигать значений 2000 А, - высокая скорость нарастания тока обеспечивается за счет того, что энергия, запасаемая на конденсаторе, значительно больше энергии, вкладываемой в разряд, поэтому напряжение на конденсаторе за время разряда практически не изменяется (- 25 %), - высокая скорость спада тока обеспечивается временем выключения ключа.

Эффективная эмиссия электронов (без эффектов взрывной эмиссии) обеспечивается благодаря выполнению одного электрода ламп с глухим отверстием. Это же обстоятельство позволяет значительно повысить ресурсные характеристики лампы.

Использование электронного ключа позволяет легко изменять параметры разрядных импульсов (амплитуду тока) и их скважность и, как следствие, - спектральную характеристику излучения.

Изменяя с помощью электронного ключа частоту следования разрядных импульсов, можно достигать как стробоскопических эффектов, так и непрерывного свечения лампы.

Изменение интенсивности светового потока возможно как путем изменения амплитуды импульса тока, так и путем изменения частоты следования разрядных импульсов.

Сравнение с известными техническими решениями показывает, что заявляемое техническое решение обладает новизной и имеет изобретательский уровень.

Изобретение поясняется чертежом, где на фигуре 1 изображена структурная схема заявляемого устройства, на фигуре 2 - временная диаграмма импульсов тока в лампе: А - кривая тока при использовании ключа, В - кривая тока без использования ключа, Участок (1-2) t₁ - время открытого состояния ключа до момента отключения (от 1 мкс до 10 мс), Участок (2-3) t₂ - время выключения ключа (от 0 до 500 нс), Участок (1-3) t₃ - время от момента включения до момента выключения ключа, t₄ - время между импульсами (от 1 мс до 1 с).

Устройство содержит блок питания 1, накопительный конденсатор 2, подключенный к выходу блока питания, схему управления блоком питания 3, схему поджига 4, газоразрядную лампу 5 и формирователь основных разрядных импульсов 6, включающий генератор прямоугольных импульсов 7 и электронный ключ 8.

Первый выход схемы управления 3 соединен с блоком питания 1, второй - с блоком поджига 4, а третий - с формирователем основных разрядных импульсов 6, непосредственно с генератором прямоугольных импульсов 7, который выходом соединен с управляющим входом электронного ключа 8, выводы которого (сток-исток) включены в разрядную цепь лампы. Включение возможно между накопительным конденсатором 2 и анодом лампы 5 или катодом лампы 5 и общей шиной.

Схема поджига подключена либо параллельно газоразрядной лампе, либо последовательно с ней или выполнена в виде двух блоков: один - параллельно, другой - последовательно. В случае питания газоразрядной лампы напряжением, большим или равным напряжению самопробоя, схема поджига может вообще отсутствовать.

Для выполнения заявляемого устройства:
блок питания 1 может быть реализован аналогично блоку питания, описанному в источнике [3], в виде, например, высокочастотного преобразователя;
накопительная емкость 2 выбирается по напряжению не менее чем напряжение питания лампы и по емкости, соответствующей энергии, многократно превышающей энергию разрядного импульса;
схема управления 3 может быть выполнена аналогично схеме, указанной в источнике [3];
схема поджига 4 может быть построена одним из известных способов, например смотри источник [5] в виде высоковольтного трансформатора и ключа, а может отсутствовать в случае, если на лампе коммутируется напряжение, достаточное для самопробоя;
газоразрядная лампа представляет собой прозрачную колбу с герметично установленными электродами, при этом один электрод - катод имеет глухое отверстие (полость), колба заполнена одним из инертных газов (например: ксеноном, аргоном, криптоном и.т.п.) или какой-либо их смесью при давлении не более 1,1·10⁵ Па;
в качестве электронного ключа 8 могут быть использованы, например, полевые транзисторы, например, типа IRFK4HE50;
схема генератора 7 прямоугольных импульсов может быть выбрана любой, обеспечивающей требуемую амплитуду импульсов управления ключом 8, их длительность и частоту следования, например как в источнике [6], где раскрыта указанная схема.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения на блок питания 1 и схему управления блоком питания 3 осуществляется заряд накопительной емкости 2 (C) до напряжения питания лампы. Со схемы управления 3 поступает сигнал на схему зажигания 4 газоразрядной лампы 5, формирующей в лампе вспомогательный ионизирующий канал. Затем со схемы управления 3 поступает сигнал на формирователь основных разрядных импульсов 6, а именно на генератор прямоугольных импульсов 7, с выхода которого поступают сигналы на управление электронным ключом 8. В результате в лампе формируются импульсы тока заданной амплитуды, длительности и частоты следования (см. фиг.2). Длительность и частота следования задаются генератором 7.

Все вышеизложенное подтверждает то, что заявляемое техническое решение является промышленно применимым.

Макет, созданный автором, показал, что данное устройство обеспечивает следующие эксплуатационные характеристики:
- спектр излучения лампы - сплошной, с регулируемым положением максимума, что расширяет функциональные возможности устройства;
- КПД преобразования электрической энергии от сети питания в световую энергию лампы в требуемом спектральном интервале может составлять не менее 45%;
- возможность плавного регулирования энерго-мощностных параметров светового потока, а также параметров светового импульса (включая частоту их следования - от 1 Гц до 100 кГц) обеспечивает расширение функциональных возможностей,
- полезный срок службы лампы составляет не менее 10000 часов, в том числе из-за прикатодного процесса, исключающего его взрывной характер.

Источники информации
1. Патент Р.Ф. N 2027326, публ. 20.01.95, кл H 05 B 41/392.

2. Патент Р.Ф. N 2090017, публ. 10.09.97, кл H 05 B 41/28.

3. Книга "Силовые полупроводниковые приборы", перевод с английского под редакцией В.В. Токарева, изд. 1, г. Воронеж, 1995 г., стр. 393-402, рис. 12, 13.

4. Патент WO 9711581, приор. 18.05.96, кл H 05 B 41/29 (прототип).

5. А.С. СССР N 434629, публ. 30.04.72, кл. H 05 B 41/23.

6. Motorola, Inc 1999 Rev 4, 06/1999. http://scgproducts Motorola Com. /Collateral/Data Shet/mc 1455 rev 4.pdf.

Формула изобретения

Устройство управления газоразрядной лампой, содержащее блок питания, схему управления блоком питания, схему поджига и газоразрядную лампу, отличающееся тем, что в него введены накопительная емкость, подключенная к блоку питания, и формирователь основных разрядных импульсов, выполненный в виде электронного ключа, на управляющий вход которого поступают импульсы управления от генератора импульсов, причем отключение ключа происходит на кривой роста тока, а выводы ключа включены в разрядную цепь лампы, при этом катод лампы имеет полость.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2