ЭКСКЛЮЗИВНЫЙ ПАРТНЁР НА ТЕРРИТОРИИ УКРАИНЫ

 

 

ENDURA - безэлектродный люминесцентный источник света большой интенсивности

   

   В статье описывается мощная высокоэффективная безэлектродная лампа ENDURA (или ICETRON в США), разработанная фирмой OSRAM SYLVANIA. Лампа работает на частоте 250 кГц и обеспечивает световой поток 12 000 лм при мощности системы 150 Вт.

   Использование низкой частоты позволяет значительно уменьшить уровень электромагнитных шумов и упростить электронный балласт. За основу при этом взята статья разработчиков этой лампы. Заметим что на момент ее публикации ENDURA являлась наиболее мощной и эффективной лампой на рынке (Статья была опубликована в 1998 г.) 

 

Краткая история.

   Идея высокочастотного освещения и первый патент на высокочастотную лампу, питаемую от механического высокочастотного генератора, появились задолго до того, как первые люминесцентные и дуговые ртутные лампы стали реальностью. Потребовалось столетие, что бы первые высокочастотные (ВЧ) лампы (Matsushita, 1991; Philips, 1991) стали коммерчески привлекательными и вышли на рынок.

   Разумеется, наиболее притягательной особенностью ВЧ-питания является отсутствие электродов, которые являются главным сдерживающим фактором увеличения эффективности и срока эксплуатации люминесцентных ламп в пределах 5-20 тыс. ч., не позволяют использовать большие токи (обычно они меньше 1,5 А) и требуют (для приемлемого срока службы) давления буферного газа, которое на порядок больше того, что соответствует максимальной эффективности лампы. Для уменьшения анодно-катодных потерь, характерных для всех электродных разрядов, разрядные трубки должны быть достаточно длинными и тонкими. При этом напряжение лампы не должно быть существенно больше падения потенциала на положительном столбе разряда.

   В ВЧ-лампах для разрядного тока электроды уже не требуются - здесь ток в плазме течет по замкнутому пути. Это открывает неограниченные возможности для разработки ламп различных форм и размеров, мощностей и газового наполнения. Но основным фактором, долго сдерживающим коммерциализацию ВЧ-безэлектродных ламп, было отсутствие электронных компонентов, необходимых для создания надежного и доступного по цене (электронного) источника ВЧ-питания. И только в последнее десятилетние прогресс в полупроводниковой индустрии и в технологиях производства переключающих устройств сделал возможной коммерческую реализацию ВЧ-ламп с компактными, высокоэффективными источниками ВЧ-питания по приемлемым ценам.

Типы высокочастотных разрядов.

Есть три основных способа питания ВЧ-источников света (здесь рассматриваются только ВЧ-люминесцентные лампы), соответствующие трем различным типам взаимодействия электронного поля с ограниченной плазмой, и, соответственно, трем различным типам ВЧ-разряда, а именно:

  • емкостной ВЧ-разряд, где текущий к плазме ток замещается током смещения в приэлектродных слоях (независимо от того, находится электрод внутри или снаружи разрядного объёма). Емкостной ВЧ-разряд возбуждается электростатическим ВЧ-Е-полем, длина волны λ которого много больше размера разрядного сосуда (λ >> d);
  • индуктивный ВЧ-разряд, где текущий в плазме ток возбуждается высокочастотным магнитным Н-полем и линии тока представляют собой замкнутые линии. Часто возбуждающего разряд поля также отвечает условию λ >> d;
  • ВЧ-волновой разряд, который поддерживается электромагнитной волной, падающей на поверхность плазмы или распространяющейся внутри нее, при этом длина волны соответствует плазменному объёму (λ ~ d). ВЧ-волновой разряд обычно поддерживается источником микроволнового питания с частотой ≥ 1000 МГц.

   Столб плазмы в поверхностном волновом разряде работает как замедляющая волновая структура, при этом длина волны становится много меньше, чем при распространении ее в вакууме, и используемая частота может быть много меньше (10...100 МГц)

Выбор частоты и типа разряда.

   Обычно поддерживать ВЧ-разряд проще при высоких частотах, однако чем выше частота, тем более дорогими и менее эффективными становятся источники ВЧ-питания. При этом больше проблем с электромагнитным излучением  разрядов с открытыми поверхностями, в нашем случае - источниками света.

   Одна из первых ВЧ-люминесцентных ламп, основанная на емкостном разряде с частотой 915 МГц, многие годы непрерывно работала в исследовательском центре OSRAM SYLVANIA. Однако низкая эффективность и сложность микроволнового источника питания не оставили шанса коммерциализации такой ВЧ-лампы.

   Попытки осуществлять питание компактных емкостных люминесцентных ламп на частоте 13,56 МГц (используемой в промыленных целях) показали, что существенная часть ВЧ-мощности затрацивается на ускорение ионов в приэлектродных ВЧ-условиях. Это делает такие лампы весьма неэффективными уже при мощностях свыше нескольких ватт. При частоте питания 2,65 МГц (такие частоты применяются в некоторых специфических осветительных приборах) доля теряемой на ускорение ионов энергии становится ещё больше. 

   При таком ограниченном выборе применяемы частот индуктивное возбуждение плазмы кажется наиболее практичным при создании коммерчески приемлемых ламп (одна из них имеет световой поток свыше 1000 лм.) Насколько нам известно, все попытки сконструировать ВЧ-ЛЛ основаны на индуктивном возбуждении плазмы. Все они (за исключением лампы Everlight фирмы Matsushita) следуют концепции, запатентованной более 60 лет назад, когда в полости внутри разрядной колбы располагается индуктивная котушка с ферритовым или воздушным сердечником. Это позволяет сделать ВЧ-лампу колбообразной и достаточно компактной и делает их идеальной заменой сферообразных ламп накаливания. 

   Использование относительно высоких частот в таких лампах требует значительных усилий по подавлению электромагнитных шумов. Они возбуждаются как самим разрядом в лампе, так и при работе электронного ПРА. При этом возбуждается и широкий спектр ВЧ-гармоник. Проблемой является и то, что наибольшая часть энергии ВЧ-разряда выделяется в близи стенок полости, что может приводить к их перегреву.

Низкочастотная индуктивная лампа - новое в забытом старом.

   Первая успешная попытка питания безэлектродной люминесцентной лампы на низкой частоте (100...500 кГц) была предпринята Андерсоном в 1970 г. За основу он взял идею кругового индуктивного разряда и применил ее в стандартной (Т12) лампе с трубкой, замкнутой на саму себя. Кольцо трубки пронизывает ферритовый сердечник, выполняющий функцию первичной обмотки, и, таким образом, образуется трансформатор, в котором в котором функцию вторичной обмотки выполняет замкнутый разряд. Для работы такой лампы требуется значительное количество феррита, к тому же в сердечнике рассеивается значительная доля вкладываемой в разряд энергии, что делает такую лампу весьма не практичной. До сих пор среди специалистов-светотехников применение низкочастотного питания считалось направление тупиковым и недостойным серьёзного внимания.

"Переоткрытие" лампы Андерсона.

   Значительный прогресс в понимании свойств ВЧ-разрядов, достигнутый в последние десятилетие, и обусловленный, главным образом, нуждами плазменных технологий для изготовления полупроводниковых элементов, позволил пересмотреть концепцию Андерсона и найти путь для ее реализации.

   Ключевым моментом в создании эффективного источника света, основанного на ВЧ-разряде, является минимизация потерь мощности в ВЧ-индукторе. В лампе Андерсона - это минимизация потерь в ферритовом индукторе. Величина потерь зависит от материала сердечника, его размера, геометрии, рабочей частоты и различных характеристик возбуждаемого разряда. Анализ эффективности передачи мощности от индукторав разряд в таком типе индуктивных ламп показывает, что правильный выбор величины разрядного тока является важнейшим в минимизациипотерь в ферритовом сердечнике. Лучше понять это позволяют следующие соображения.

VYRTYCH

КАТАЛОГ 2015 (107 МВ)

RELCO GROUP

КАТАЛОГ 2013 (44 МВ)

BENITO URBAN

КАТАЛОГ 2013 (9 МВ)

Статьи