Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Воскресенье, 19 января
 
 

Это интересно!

Ранее

Срок службы светодиодных светильников: рекомендации по тестированию

Статья представляет собой отдельные выдержки из доклада, опубликованного рабочей группой Lifetime and Reliability Working Group при Департаменте энергетики США в мае этого года. В статье рассматриваются основные факторы, определяющие срок службы светодиодов, и даются рекомендации по их тестированию.

Cоздание метода и средств контроля количества ртути в люминесцентных лампах

Освещение торговых площадей. Магазин одежды

С этого материала мы начинаем серию публикаций по освещению торговых площадей. Будут опубликованы статьи по следующим темам: «Освещение магазина обуви», «Освещение магазина белья», «Освещение магазина мехов», «Освещение магазина аксессуаров», «Освещение магазина продуктов малого формата», «Освещение витрины». Первую, «Освещение магазина одежды», из этой серии предлагаем Вашему вниманию.

 

25 ноября

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 12000 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 [1]. Заметим, что на момент ее публикации ENDURA являлась наиболее мощной и эффективной лампой на рынке1.



Краткая история

Идея высокочастотного освещения [2] и первый патент на высокочастотную лампу, питаемую от механического высокочастотного генератора [3], появились задолго до того, как первые люминесцентные и дуговые ртутные лампы стали реальностью. Потребовалось столетие, чтобы первые высокочастотные (ВЧ) лампы (Matsushita, 1991; Philips, 1991) стали коммерчески привлекательными и вышли на рынок2.

Разумеется, наиболее притягательной особенностью ВЧ-питания является отсутствие электродов, которые являются главным сдерживающим фактором увеличения эффективности и срока эксплуатации люминесцентных ламп. Достаточно сказать, что электроды люминесцентных ламп ограничивают срок эксплуатации 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 десятилетие 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 электромагнитного поля с ограниченной плазмой, и, соответственно, трем различным типам ВЧ-разряда [6], а именно:

– емкостной ВЧ-разряд, где текущий в плазме ток замещается током смещения в приэлектродных слоях (независимо от того, находится электрод внутри или снаружи разрядного объема). 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 магнитным3 Н-полем и линии тока представляют собой замкнутые линии. Частота 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 объему (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 промышленных целях) показали, что существенная часть ВЧ-мощности затрачивается на ускорение ионов в приэлектродных ВЧ-слоях [7]. 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 еще больше.

При таком ограниченном выборе применяемых 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 [8], когда в полости4 внутри разрядной колбы располагается индуктивная катушка 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 [4]. Проблемой является и то, что наибольшая часть энергии ВЧ-разряда выделяется вблизи 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 [9] в 1970 г. За основу он взял идею кругового индуктивного разряда и применил ее в стандартной (Т12) лампе с трубкой5, замкнутой на саму себя. Кольцо трубки пронизывает ферритовый сердечник, выполняющий функцию первичной обмотки, и, таким образом, образуется трансформатор, 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 непрактичной. До сих пор среди специалистов-светотехников применение низкочастотного питания считалось направлением тупиковым и недостойным серьезного внимания.

«Переоткрытие» лампы Андерсона

Значительный прогресс в понимании свойств ВЧ-разрядов, достигнутый в последнее 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 индуктора в разряд в таком типе индуктивных ламп показывает, что правильный выбор величины разрядного тока является важнейшим в минимизации потерь в ферритовом сердечнике. Лучше всего понять это позволяют следующие соображения.

Газовый разряд низкого давления имеет отрицательную вольтамперную характеристику, при этом падение напряжение Vd и разрядный ток Id связаны соотношением Vd ~ (Id)-к, где к < 1 . Потери в ферритовом сердечнике Рс зависят от величины магнитной индукции В согласно
Рс ~ Вn, где n > 2. Величина индукции, в свою очередь, пропорциональна Vd, откуда для потерь имеем
Рс ~ (Id)-кn. Учитывая, что мощность разряда Рd = IdVd, для отношения потерь мощности к мощности разряда получаем Рс/Рd ~ (Id)-[к(n-1)+1]. Для разряда, типичного для люминесцентных ламп, к = 0,3; для применяемых ферритов при низких частотах n =2 ,8, т.е. имеем
Рс/Рd ~ (Id)-1,5. Таким образом, при прочих равных условиях (т.е. при одном и том же сердечнике, разрядной геометрии, давлении газа), но с увеличением разрядного тока от 0,5 А (как в лампе Андерсона) до 7,1 А
(в лампе ENDURA), отношение Рс/Рd уменьшается в 54 раза! Чем большую мощность ферритовый сердечник передает разряду, тем меньше в нем потери. Такое необычное поведение отношения Рс/Рd является следствием того, что вольтамперная характеристика разряда является отрицательной. Отметим, что нагрев сердечника и (или) газа в разрядном контуре при очень больших токах приводит к увеличению потерь в сердечнике.

Увеличение эффективности передачи энергии в разряд является, однако, недостаточным для создания экономичной лампы. Чтобы сделать ее эффективной, необходимо оптимизировать и сам разряд — добиться максимального преобразования вводимой в разряд энергии в УФ-излучение при высоких мощностях. Это достигается уменьшением давления буферного газа6 до нескольких сотен мТорр. При давлениях 2—3 Торр, характерных для обычных (электродных) люминесцентных ламп, эффективность такого преобразования при больших разрядных токах весьма низкая.

Конструкция лампы

Принцип работы и обустройство лампы ENDURA те же, что у лампы, описанной в патенте Андерсона [9]. Внешний вид лампы показан на рисунке 1. Разряд создается двумя ферритовыми сердечниками, надетыми на колбу лампы (это замкнутая трубка радиуса ~ 2,5 см, изогнутая в виде скругленного по углам прямоугольника). Средняя длина разрядного промежутка составляет примерно 72 см, изнутри трубка покрыта трехполосным люминофором.

Для контроля давления паров ртути в рабочем цикле в стеклянном отростке помещается амальгама (Wi-In-Hg). Тороидальные ферритовые сердечники сделаны из феррита марки Siemens N87 и имеют внутренний и внешний диаметры 42 и 65 мм. Для уменьшения световых потерь на сердечники нанесено белое покрытие, провода катушек возбуждения покрыты белой изоляцией.

Характеристики ламп

В таблице 1 сравниваются характеристики лампы Андерсона и 150-Вт лампы ENDURA при различных разрядных токах. Как видно из таблицы, при больших токах относительные потери Рс/Рd уменьшаются примерно в тридцать раз. На сегодня существует три типа ламп ENDURA с мощностью 70, 100 и 150 Вт. Характеристики ламп и ЭПРА приводятся в таблице 2.

Основными достоинствами осветительной системы OSRAM ENDURA являются:

– большой срок службы — до 60 тыс. ч.;

– высокий световой поток — 6500, 8000 и 12000 лм соответственно для мощностей 70, 100 и 150 Вт;

– мгновенный запуск — световой поток достигает 90% максимального в течение 10 с после включения лампы; последующие изменения светового потока незначительны и почти незаметны для глаза;

– высокая световая отдача:
≥ 80 лм/Вт;

– высокий индекс цветопередачи Ra;

– гарантированный запуск при низких температурах до — 40°С; нижняя граница зависит от свойств ЭПРА;

– высокая светоотдача в широком диапазоне температур.

Использование амальгамы эффективно стабилизирует давление паров ртути в широком диапазоне температур. Как показывает рисунок 2, при изменении температуры от 52 до 125°С световой поток составляет не менее  90% от максимальных значений. Добавим к тому же, что лампа и ЭПРА могут быть удалены друг от друга на расстояние до 20 м, что зависит от типа ЭПРА, при этом возможна работа в цепях постоянного тока.

 

Таблица 1. Сравнение характеристик ламп Андерсона и ENDURA

 

Параметры лампы

ENDURA в нормальном режиме

ENDURA при малых токах

Лампа Андерсона

Диаметр трубки

54 мм

54 мм

38 мм

Длина разряда

72 см

72 см

89 см

Разрядный ток

7,1 А

0,5 А

0,5 А

Буферный газ

криптон

криптон

криптон

Давление газа

0,25 Торр

0,25 Торр

2,5 Торр

Мощность разряда, Рd

138 Вт

18,6 Вт

32 Вт

Потери сердечника, Рс

2,8 Вт

11 Вт

10 Вт

Отношение потерь Рс/Рd

2%

59%

31%

Масса сердечника

320 г

320 г

1240 г

Световой поток

12280

1860

неизвестно

 

Таблица 2.1. Характеристики различных ламп ENDURA

Тип лампы ENDURA

Ном. мощность (Вт)

Цветность

Индекс цветопередачи

Свет.поток (лм)

Длина (l), мм

Ширина (b), мм

Высота (h), мм

70 W/830

72

Теплый белый

80

6500

315

139

75

70 W/840

72

Холодный белый

80

6500

315

139

75

100W/830

100

Теплый белый

80

8000

315

139

75

100W/840

100

Холодный белый

80

8000

315

139

75

150W/830

150

Теплый белый

80

12000

415

139

75

150W/840

150

Холодный белый

80

12000

415

139

75

Таблица 2.2. Характеристики ЭПРА для ламп ENDURA

Тип ЭПРА

QT ENDURA

Лампа (Вт)

Потр. ток при напр. сети 230...240 В

Коэфф. Мощности

Мощ. системы

(ЛЛ+ЭПРА)

Длина (l), мм

Ширина (b), мм

Высота (h), мм

Вес, гр

Раб. темпер. диапазон

70—100/

120—240 S

70

100

0,34 А

0,46 А

>0,9

>0,9

81 Вт

104 Вт

181

100

43

950

От -20 до +50°С

От –40 до +50°С

100—150/

120—240 S

100

150

0,62 А

0,69 А

>0,9

>0,9

146 Вт

153 Вт

181

100

43

1140

От –40 до +50°С

Рис. 1. Внешний вид лампы ENDURA
Рис. 2. Изменения светового потока в зависимости от температуры амальгамы

 

Рис. 3. Общий вид ламп и ЭПРА

Заключение

Лампа ENDURA, обладая большим сроком службы, является идеальной для применения в труднодоступных местах, где замена их обходится недешево. Они могут применяться для освещения мостов и туннелей, декоративного освещения улиц, парковок, цехов и промышленных площадей. Что касается уровня электромагнитных шумов, возбуждаемых как собственно разрядом, так и балластом, то он существенно меньше допускаемого европейским стандартом EN 55015.

В Европе светильники с лампами ENDURA весьма активно внедряет фирма Adolph Schuch GmbH (Германия). Способность лампы к мгновенному зажиганию даже при значительных отрицательных температурах позволила специалистам фирмы разработать светильники для камер глубокой заморозки. В 1998 г ими была смонтирована светотехническая система (состоящая из ста светильников с лампами Endura по 150 Вт) в цехе хлорного газа химического объединения Buna-Leuna-Olefinverbund. Отметим также фирму Vyrtych (Чехия), производящую, в частности, взрывозащищенные светильники PITBUL–N–ENDURA.

В последние годы в разработке и производстве осветительных систем типа ENDURA активно участвуют китайские производители. В частности, одна из крупных китайских компаний (LVD) выпускает безэлектродные индукционные лампы не только подобные лампам OSRAM, но и более мощные (200 и 300 Вт). Фирма LVD разработала и выпускает широкий спектр уличных, тоннельных и промышленных светильников.

В заключение заметим, что достигнутые мощности являются далеко не предельными. Например, еще в 1997 г. в Берлине была продемонстрирована люминесцентная лампа мощностью 1 кВт.

Подготовил Михаил Мальков

Литература

1. Godyak V., Shaffer J. Proc. 8th inter. simpos. on the science technology of light sources, Greifswald, 1998.

2. Tesla N. Electrical Engineer, 7,549, 1891.

3. Hewitt P.C. US Patent № 843533, 1907.

4. Warmby D.O. Lamps and lighting, p.216, 1997.

5. Shaffer J.W, Godyak V.A. IESNA annual meeting, San Antonio, TX, 1998.

6. Lieberman M.A., Lichtenberg A.J. Principles of plasma discharges and materials. Processing J. Wiley&Sons, Inc., N.Y., 1994.

7. Godyak V.A. J. Appl. Phys., v.69, p.533, 1991.

8. Bethenod J. Et al, US Patent № 2030957, 1936.

9. Anderson J.M., US Patent № 3500118, 1970.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Подготовил Михаил Мальков



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

Горячие темы

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2020 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты