B04 Мощные 250-400 Вт бесферритные индукционные люминесцентные лампы на частотах 180-380 кГц

О.А. Попов, МЭИ (ТУ), г. Москва

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Введение

В 90-х годах прошлого века компанией OSRAM (Sylvania) были разработаны мощные (100 и 150 Вт) люминесцентные источники света трансформаторного типа (Endura), работающие на частоте f = 250 кГц и использующие для генерации электромагнитного поля ферромагнитные кольца, охватывающие замкнутую разрядную трубку [1,2]. Благодаря высокому к.п.д. контура возбуждения разряда (η = 0,98) и выбору оптимального давления буфферного газа в лампе Endura были получены весьма высокие для таких низких частот световые отдачи: 86,3 лм/Вт (100 Вт) и 88,6 лм/Вт (150 Вт) [2]. Однако, использование магнитопровода усложняет конструкцию источника света и повышает его себестоимость. Поэтому, представляются целесообразными попытки разработать эффективные бесферритные индукционные люминесцентные источники света, работающие на низких разрешенных частотах f < 400 кГц, используя для создания индукционной плазмы катушку индуктивности с низкими потерями мощности.

В патенте [3] мы предложили конструкцию индукционной бесферритной люминесцентной лампы, работающей на килогерцовых частотах,  в работе [4] привели экспериментальные исследования электрических и светотехнических характеристик такого источника света, работающего на низких частотах 160 - 1000 кГц и относительно низких уровнях мощности Pл = 100 - 150 Вт. Индукционная плазма создавалась в замкнутой трубке диаметром 5 см с помощью нескольких витков катушки индуктивности, охватывающих лампу по ее периметру. При работе на частоте 440 кГц и мощности лампы 150 Вт потери в проводе катушки составляли 11 Вт,  световая отдача лампы - 83 лм/Вт [4].

В настоящей работе представлены электрические и фотометрические характеристики более мощного Рл = 250 - 400 Вт бесферритного люминесцентного источника света, работающего на “разрешенных” частотах поля f = 180 - 380 кГц.  

Конструкция лампы и экспериментальная установка

Схематический чертеж индуктивного источника света представлен на рис. 1. Разрядная замкнутая лампа состоит из двух прямых цилиндрических стеклянных трубок диаметром D = 7 см и длиной L = 40 см, соединенных друг с другом прямыми трубками того же диаметра и длиной H2 = 6 cм. На вакуумную поверхность стенок трубок нанесено защитное покрытие и люминофор с цветовой температурой Тц = 3000 К. Давление паров ртути (6х10 -3 мм рт.ст.) определялось температурой холодной точки, расположенной в штенгеле; давление буфферного газа (аргон) в лампе 0,3 мм рт.ст, температура окружающей среды 25 оС. 


Рисунок 1.  Схематический чертеж газоразрядной индукционной лампы

Индуктивные катушки были изготовлены из литцендрата (436 жил),  имеющего на частотах, f = 100-600 кГц низкое удельное сопротивление r < 10-3 Ом/cм. Витки катушки индуктивности (8 витков, Lc = 50 mH) располагались вдоль внутреннего периметра лампы, блокируя около 6% поверхности лампы (Полная поверхность стенок лампы Sw = 2020 см2). Зависимость добротности катушки Qc = wLc/Rc от частоты поля f имеет максимум Qc = 400 на частоте f = 300 кГц (здесь w = 2pf - круговая частота, Rc = 0,27 Ом - сопротивление катушки).

Схема питания разряда и измерений электрических и фотометрических характеристик лампы описана в нашей работе [4]. Высокочастотное напряжение подается от задающего генератора (PM 5193, Philips) на широкополосный усилитель ( 1140LA, ENI), а затем через согласующий контур, состоящий из тонкопленочных конденсаторов, -  подается на катушку индуктивности разрядной лампы. Падающая и отраженная мощности измеряются с помощью направленного ответвителя (C5100, Werlatone) и измерителя ВЧ мощности (RF4300, Boonton).

Напряжение и ток катушки индуктивности, а также сдвиг фазы между ними измерялись с помощью осциллографа (9314А, LeCroy) и трансформатора тока (411, Pearson). Потери мощности в катушке индуктивности определялись методом замещения, описанным в [4]. Разрядная лампа помещалась в фотометрический шар диаметром 1 м, соединенный с компьютеризованным ССД, что позволяло измерять видимый спектр излучения лампы, ее полный световой поток, F, цветовую температуру, Tц, и общий индекс цветопередачи, Ra.   

Электрические и фотометрические характеристики лампы

Измерения напряжения на катушке индуктивности Vc, проведенные на мощностях лампы Рл = 200-400 Вт и на частотах f = 184 - 384 кГц, показали, что Vc не меняется с частотой возбуждения разряда и лишь незначительно уменьшается с увеличением мощности лампы - от 600 В (200 Вт) до 500 В (400 Вт). Ток катушки Ic также слабо зависит от мощности лампы, но уменьшается с ростом частоты поля (рис. 2). Потери мощности в катушке индуктивности Рк, представленные на рис. 3, как функции мощности лампы Рл, следуют за изменениями тока катушки Ic в соответствии с известным соотношением Рк = (Ic)2Rc и на частоте поля f = 184 кГц уменьшаются от 50 Вт (Рл = 250 Вт) до 34 Вт (Pл = 380 Вт). С увеличением частоты поля f потери мощности в катушке индуктивности резко снижаются и на частоте 384 кГц находятся в пределах от 19 Вт (Рл = 210 Вт) до 14 Вт (Рл = 360 Вт).           


Рисунок 2. Ток катушки индуктивности Ic как функция мощности лампы


Рисунок 3.  Потери в катушке Рк как функция мощности лампы Рл

Соответственно, с увеличением частоты поля f возрастает к.п.д. катушки индуктивности h = (Pл - Pк)/Pл  = Рpl/Pл, где Рpl - мощность, поглощаемая плазмой индуктивного разряда. (Заметим, что из-за низкой частоты электромагнитного поля потери ВЧ мощности на рассеивание ничтожны). Как видно из данных, приведенных на рис. 3, КПД катушки индуктивности возрастает с увеличением частоты поля f и мощности лампы Рл: на частоте поля f = 385 кГц и мощности лампы Рл = 350 Вт он достигает высокой величины η = 0,96.

Результаты измерений светового потока лампы, Ф, и рассчитанной по нему световой отдачи ηv = Ф/Pл, проведенные на частоте поля f = 356 кГц, представлены на рис. 4, как функции мощности лампы Рл. Видно, что световой поток лампы монотонно растет с мощностью лампы, достигая 30,000 люмен на мощности Рл = 370 Вт. Этот высокий для люминесцентных ламп световой поток не приводит к деградации люминофора и, следовательно, к сокращению срока службы лампы, поскольку плотность мощности, выделяемой на стенках разрядной трубки b = Pл/Sw, не превышает максимально допустимого значения bmax = 0,2 Вт/см2.

Световая отдача лампы ηv = F/Рл незначительно уменьшается с ростом мощности лампы. Как видно из рис. 4, увеличение Рл на 60% (от 250 Вт до 400 Вт ) ведет к уменьшению световой отдачи лампы всего на 9%: от 86 лм/Вт до 79 лм/Вт.


Рисунок 4.  Световой поток Ф и световая отдача лампы ηv как функции мощности лампы Pл.

Слабая зависимость световой отдачи лампы ηv от ее мощности Рл наблюдалась и в других мощных индукционных люминесцентных лампах, где потери мощности в контуре возбуждения разряда Рк много меньше, чем мощность лампы [1,4]. При работе на таких мощностях световая отдача лампы ηv фактически сравнивается с «плазменной» светоотдачей ηpl = Ф/Ppl, повышение которой до 93-95 лм/Вт достигается снижением давления буферного газа до 0,03 мм рт.ст. [5].

Литература:

  1. V.A. Godyak,  R. Piejak  and B. Alexandrovich.  ”High   Intensity   Electrodeless   Low Pressure  Light  Source   Driven   by   a  Transformer  Core  Arrangement”.  US  Patent    5,834,905.  Nov. 10, 1998.
  2. J.M. Shaffer  and  V.A. Godyak.  ”The  Development of  Low  Frequency,  High Output Electrodeless Fluorescent Lamps”. J. Illum. Eng. Soc. 1999. 28. p.142 - 148.
  3. O.A.  Popov  ”Ferrite-Free  Closed-loop  Electrodeless  Fluorescent  Lamp  Operated  at a Frequency of 200 - 3000 kHz”. US Patent 6,288,490 B1. Sept. 11, 2001.
  4. Oleg A. Popov and Robert Chandler. “Ferrite-Free High Power Electrodeless Fluorescent Lamp Operated at a Frequency of 160 - 1000 kHz”. Plasma Sources Sci. Technol. 2002. 11. p. 218 - 227.
  5. О.А. Попов.”Мощная индукционная люминесцентная лампа, работающая на частоте 135 кГц”. Светотехника. 2008. # 5. с. 57.

Тематика:

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
23 queries. 0.157 seconds.