Содержание к диссертации
Введение
РОЗДІЛ 1 Енергоефективність джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами та напрямки її підвищення 12
1.1. Енерго- та ресурсозбереження в світлотехнічній галузі 12
1.2. Перспективи розвитку виробництва і застосування джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами 15
1.3. Причини скорочення і способи підвищення середньої тривалості горіння теплових джерел світла 19
1.4. Моделювання фізичних процесів у лампах розжарювання 24
1.5. Фізичні процеси на електродах та в приелектродній області в розрядних лампах низького тиску 33
1.5.1. Фізичні процеси на катоді 33
1.5.2. Фізичні процеси на аноді 38
1.6. Особливості запалювання розрядних ламп низького тиску 41
1.7. Вплив параметрів комутаційних процесів запалювання на середню тривалість горіння розрядних ламп низького тиску 45
1.8. Висновки з розділу 49
РОЗДІЛ 2 Особливості методів та технічних засобів дослідження електричних кіл з джерелами світла 52
2.1. Основні вимоги до методики та засобів вимірювань параметрів у електричних колах з джерелами світла 52
2.2. Структура вимірювального інформаційного комплексу 54
2.3. Електронні комутуючі пристрої 57
2.4. Вимірювальні перетворювачі струму, напруги та освітленості... 60
2.5. Повірка вимірювального інформаційного комплексу 62
2.6. Програмне забезпечення 64
2.7. Висновки з розділу 67
РОЗДІЛ 3 Підвищення середньої тривалості горіння теплових джерел світла на основі зменшення піку перехідного струму 69
3.1. Шляхи зменшення впливу комутацій електричних кіл з тепловими джерелами світла на їх середню тривалість горіння 69
3.2. Фазове регулювання пікового значення перехідного струму в колах із тепловими джерелами світла 70
3.3. Ефективність застосування струмообмежувальних елементів для зменшення пікового значення перехідних струмів у колах з тепловими джерелами світла 79
3.4. Баланс енергії газонаповненої лампи розжарювання 88
3.5. Втрати потужності через газ 91
3.6. Інтегральний коефіцієнт випромінювання біспіралі 96
3.7. Моделювання процесів в газонаповнених лампах розжарювання з біспіральним тілом розжарювання 98
3.8. Моделювання фазового регулювання величини перехідного струму в колах із тепловими джерелами світла 102
3.9. Вплив динаміки зростання напруги живлення на пікове значення перехідного струму 106
3.10. Ефект від запропонованих способів обмеження піку перехідних струмів на середню тривалість горіння теплових джерел світла 109
3.11. Висновки з розділу 110
РОЗДІЛ 4 Підвищення середньої тривалості горіння розрядних ламп низького тиску із оксидованими спіралізованими вольфрамовими елементами 112
4.1. Перехідні процеси попереднього підігрівання електродів розрядних ламп низького тиску 112
4.2. Умови виникнення та розвитку приелектродного розряду 121
4.4. Вплив приелектродного розряду на швидкість випаровування оксидного шару 131
4.5. Вплив параметрів імпульсного запалювання на середню тривалість горіння розрядних ламп низького тиску 133
4.6. Експериментальні дослідження середньої тривалості горіння розрядних ламп низького тиску в режимах частих ввімкнень 146
Висновки з розділу 147
Висновки 149
Список використаних джерел
- Перспективи розвитку виробництва і застосування джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами
- Структура вимірювального інформаційного комплексу
- Фазове регулювання пікового значення перехідного струму в колах із тепловими джерелами світла
- Вплив приелектродного розряду на швидкість випаровування оксидного шару
Введение к работе
Актуальність теми. Дефіцит матеріальних та енергетичних ресурсів на фоні постійно зростаючого погіршення екологічної ситуації на планеті, спонукає країни всього світу до розробки, виробництва і використання енергоощадних та екологічно чистих споживачів енергетичних ресурсів. В світлотехнічній галузі основні зусилля спрямовані на розробку енергоефективних джерел світла, систем керування і розподілення світлового потоку в просторі.
Одним з основних параметрів енергоефективності джерел світла, поряд з високою світловою віддачею, є їх середня тривалість горіння. У теплових джерел світла вона не перевищує 4000 год., у той час як у розрядних ламп низького тиску середня тривалість горіння складає 12 – 18 тис. год. Світлова віддача у теплових джерел світла також нижча (в 4 – 5 разів). Незважаючи на це вони залишаються наймасовішим джерелом світла. Це пояснюється їх: а) високою екологічністю і дешевизною; б) великою номенклатурою; в) відсутністю періоду розгорання після вмикання; г) широкими можливостями щодо регулювання світлового потоку; д) найвищими значеннями індексу кольоропередачі; е) можливістю роботи без будь-яких запалюючих і стабілізуючих пристроїв; є) наявністю перспектив збільшення як світлової віддачі (до 100 лм/Вт), так і середньої тривалості горіння (до 5 – 15 тис. год) при застосуванні композитних матеріалів для виготовлення тіл розжарювання. Саме тому знайти достойну заміну тепловим джерелам світла для освітлення житлових споруд важко. На сьогоднішній день великі надії покладаються на компактні люмінесцентні лампи, які переважають теплові джерела світла за енергоефективністю. Вони споживають в 4 рази менше електроенергії і мають більшу середню тривалість горіння (6–10 тис. год).
Але відмовитися від ламп розжарювання за дуже короткий термін (до 3 років) і перейти до компактних люмінесцентних ламп практично неможливо. Перші спроби впровадження компактних люмінесцентних ламп у побут, поки що не є однозначно переконливими. В першу чергу це стосується середньої тривалості горіння в реальних умовах експлуатації.
Загальним для цих джерел світла, з конструктивної точки зору, є наявність спіралізованих вольфрамових елементів: тіл розжарювання у теплових джерел світла та оксидованих електродів у розрядних лампах низького тиску, а з експлуатаційної – залежність їх середньої тривалості горіння від режимів експлуатації.
Теплові джерела світла особливо чутливі до параметрів перехідних процесів вмикання і виходять з ладу явно передчасно при зовсім незначних витратах матеріалу тіла розжарювання (до 10 %). Для розрядних ламп низького тиску дуже важливими є параметри попереднього підігрівання електродів і процесу запалювання. Саме ці параметри в значній мірі визначають їх середню тривалість горіння. Задекларовані середні тривалості горіння джерел світла дійсні тільки для певних режимів експлуатації. Як правило, це трьохгодинні режими експлуатації в електричних колах з номінальною напругою живлення, коли джерела світла горять 165 хв, а 15 хв знаходяться у вимкнутому стані. Реальні умови експлуатації часто відрізняються від зазначених. Напруга відхиляється від номінального значення і джерела світла, в більшості випадків, працюють у режимах частих ввімкнень. Це призводить до зниження середньої тривалості горіння, додаткових витрат енергії і матеріалів для виробництва більших об’ємів джерел світла та подальшого забруднення оточуючого середовища. Саме це обумовлює актуальність широкої постановки робіт, спрямованих на дослідження впливу перехідних процесів, які виникають при вмиканні джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами, на середню тривалість горіння.
Зв’язок із науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до наукової тематики Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя і є складовою частиною науково-дослідницьких тем: "Моделювання перехідних процесів в теплових та розрядних джерелах світла" (№ 0108U001111); "Імітаційне моделювання розрядних джерел світла та електронних пускорегулювальних апаратів" (№ 0105U006698).
Мета і задачі дослідження. Метою роботи стало проведення досліджень параметрів перехідних процесів вмикання джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами для поглиблення теоретичних знань в цій галузі та розробки рекомендацій щодо підвищення середньої тривалості горіння як однієї з основних складових енергоефективності джерел світла.
Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені наступні задачі:
розробити і виготовити засоби та методики для проведення досліджень перехідних процесів у електричних колах з джерелами світла;
провести теоретико-експериментальні дослідження параметрів перехідних процесів у електричних колах з тепловими джерелами світла для визначення: а) впливу початкової фази ввімкнення змінної напруги живлення промислової частоти на параметри перехідного струму; б) впливу потужності ламп на тривалість перехідних процесів при комутаціях; в) ефективності застосування струмообмежувальних елементів та динаміки зростання напруги живлення для придушення кидків струму (відношення пікової величини перехідного струму до амплітуди струму в усталеному режимі), які виникають при комутаціях, з точки зору підвищення енергоефективності теплових джерел світла;
провести теоретико-експериментальні дослідження перехідних процесів попереднього підігрівання електродів та запалювання розрядних ламп низького тиску для визначення: а) взаємозв’язку між тривалістю та кратністю струму попереднього підігрівання електродів; б) умов виникнення і розвитку приелектродного розряду в режимі попереднього підігрівання електродів та його впливу на середню тривалість горіння; в) зв’язку між параметрами запалюючих імпульсів та швидкістю розпилення оксиду із електродів.
Об’єкт дослідження – джерела світла із спіралізованими вольфрамовими елементами: теплові джерела світла та розрядні лампи низького тиску.
Предмет дослідження – перехідні процеси при вмиканні джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами з точки зору їх впливу на середню тривалість горіння.
Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувались на основі теоретико-експериментальних досліджень параметрів перехідних процесів в електричних колах із тепловими джерелами світла та розрядними лампами низького тиску. Аналіз усталених режимів та перехідних процесів в електричних колах з тепловими джерелами світла виконано на основі математичного моделювання. При цьому використовувався метод диференціальної апроксимації електричних характеристик джерел світла та чисельні методи розв’язку диференціальних рівнянь. Узагальнення висновків отримане на основі зведення рівнянь, які описують процеси в досліджуваних електричних колах, до безрозмірної форми. Експериментальні дослідження проведені на спеціально розробленому обладнанні на засадах системного підходу з використанням сучасних засобів і методів вимірювань, математичної статистики та аналітичної обробки даних.
Наукова новизна одержаних результатів. Удосконалено математичну модель перехідних процесів ламп розжарювання, в якій враховано теплові втрати через теплопровідність газу, інтегральний коефіцієнт випромінювання біспіралі та динаміку зміни опору комутуючого елементу, що дало змогу визначити динаміку зростання напруги живлення під час вмикання, при якій піковий струм не перевищує амплітуду миттєвих значень усталеного режиму.
Вперше для існуючих розрядних ламп низького тиску отримано аналітичну залежність тривалості режиму попереднього підігрівання електродів від діючого значення струму, дотримання якого забезпечує підвищення середньої тривалості горіння в реальних експлуатаційних умовах.
Вперше встановлено умови виникнення приелектродного розряду в режимі попереднього підігрівання електродів розрядних ламп низького тиску та визначено його вплив на середню тривалість горіння, що дало змогу підвищити їх енергоефективність.
Набули подальшого розвитку теоретичні залежності для визначення опору струмообмежувальних елементів, які вмикаються послідовно з тепловими джерелами світла на час перехідного процесу і початкової фази синусоїдної напруги живлення, використання яких дозволяє підвищити енергоефективність ламп в режимах частих ввімкнень.
Практичне значення одержаних результатів. Сформульовано рекомендації для розробників схем ввімкнення теплових джерел світла щодо забезпечення задекларованої в нормативно-технічній документації їх середньої тривалості горіння при роботі в режимах частих ввімкнень.
Запропоновано методику розрахунку необхідної тривалості попереднього підігрівання електродів розрядних ламп низького тиску для надійного їх запалювання і забезпечення високих значень середньої тривалості горіння при експлуатації в режимах частих ввімкнень.
Для розробників пускорегулювальних апаратів до розрядних ламп низького тиску визначено умови виникнення приелектродного розряду в режимі попереднього підігрівання електродів, врахування яких приводить до зростання енергоефективності джерел світла.
Результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри світлотехніки Тернопільського державного університету імені Івана Пулюя для проведення лабораторних робіт з курсів "Джерела світла", "Пускорегулювальні апарати" та "Енергозбереження у світлотехніці"
Результати роботи впроваджені в Тернопільській спеціалізованій монтажно-експлуатаційній дільниці управління внутрішніх справ, комунальному підприємстві "Тернопільміськсвітло" та ЛКП "Львівсвітло".
Особистий внесок здобувача. У поданій роботі викладено основні результати досліджень, отримані автором самостійно [7] та у співавторстві. Особистий внесок дисертанта в роботах, виконаних у співавторстві, полягає у розробці методології вимірювань, участі у конструкційній розробці, складанні алгоритму та розробці програмних засобів [1,5]; постановці і проведенні експериментальних досліджень, обробці отриманих даних, обґрунтуванні отриманих результатів та формулюванні висновків [1-8, 9]; виведенні аналітичних залежностей для розрахунку параметрів перехідних процесів у електричних колах з тепловими джерелам світла та розрядними лампами низького тиску [2, 3, 6, 9].
Апробація результатів дисертації. Основні положення виконаних досліджень доповідались і обговорювались на Х, ХІ та ХІІ наукових конференціях Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя та на ІІІ міжнародній науково-технічній конференції "Світлотехніка й електроніка: історія, проблеми і перспективи". У повному обсязі робота доповідалась й отримала позитивний відгук на розширеному науково-технічному семінарі Тернопільського державного технічного університету імені Івана Пулюя.
Публікації. Результати наукових досліджень викладені у 9 друкованих публікаціях, з яких 5 статей у фахових виданнях, 4 тези доповідей на науково-технічних конференціях.
Перспективи розвитку виробництва і застосування джерел світла із спіралізованими вольфрамовими елементами
Основними показниками енергоефективності ДС є їх світлова віддача, СТГ та надійність. Світлова віддача вказує на можливість економії електричної енергії при експлуатації ДС з незмінною величиною освітленості робочої поверхні. СТГ безпосередньо впливає на енергетичні та фінансові витрати при виготовленні, транспортуванні, реалізації, заміні перегорілих ДС та їх утилізації. Надійність впливає на витрати матеріальних, енергетичних ресурсів, екологію оточуючого середовища та формує у покупця позитивне враження до запропонованого виду продукції, підвищуючи його конкурентну здатність на ринку. Як відомо[15], при виробництві ДС широко використовують природний газ для розігріву печей, нагрівання скляних деталей, випалювання біндеру тощо. При транспортуванні готової продукції також витрачається паливо. І все це відбувається на фоні дефіциту (а значить високої вартості) енергоресурсів, обумовлюючи ріст цін та погіршення екологічної ситуації на планеті. Підвищення СТГ ДС відкриває перспективи до значної економії не лише фінансових, але і енергетичних ресурсів, зменшення забруднення навколишнього середовища, викидів промислового виробництва. Це особливо важливо для України, оскільки тут є такі виробники ДС як ВАТ "Іскра", ООО «Газотрон-Люкс», Полтавський «Завод газорозрядних ламп» та інші.
Традиційний шлях підвищення світлової віддачі ТДС – це збільшення температури тіла розжарювання (ТР). Для вольфраму такий підхід майже вичерпаний. Згідно закону Кірхгофа, долю інфрачервоного випромінювання ТР можна зменшити, лише на основі виготовлення його з матеріалу, який прозорий для інфрачервоного випромінювання. Досліди із гексагональним карбідом кремнію показали, що при температурі 1300–1400 К світлова віддача пластинки товщиною 40 мкм, приблизно на порядок вища ніж у вольфраму при такій самій температурі [16]. Але при температурі 2100 К, коли він має найбільшу світлову віддачу, карбід кремнію руйнується. Проте широкозонних напівпровідників відомо багато і ніщо не заперечує той факт, що серед них немає жодного із необхідними оптичними властивостями та більшою термостійкістю ніж у карбіду кремнію. Теоретичні оцінки показують, що з врахуванням всіх втрат на теплопровідність, конвекцію, ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання можна очікувати ККД напівпровідникової ЛР біля 20–30 %, тобто світлову віддачу близько 60–90 лм/Вт.
Світлова віддача ЛЛ становить 110-120 лм/Вт і можливості її збільшення для сучасних конструкцій майже вичерпані [16]. Якщо не згадувати про втрати в пускорегулювальній апаратурі, то в сучасних ЛЛ найбільші втрати обумовлені перетворенням ультрафіолетових квантів у видиме світло. Це близько 60 %. Якби замість ртуті можна було використати інший наповнювач, який би генерував випромінювання із довжиною хвилі порядку 350 нм, втрати на перетворення могли б знизитися до 34 % – тобто майже вдвічі.
На міжнародному семінарі із світлотехніки, який відбувся у Парижі, [4] фахівці зазначили, що в США і Європі в рік продається майже по мільярду КЛЛ, в той час як в експлуатації знаходиться близько 3 і 2 млрд. КЛЛ відповідно. В середньому насиченість КЛЛ в ЄС не перевищує 15 % [4].
За прогнозами [16], у 2020 році в освітлювальних установках будуть застосовуватися високоефективні ДС з великою СТГ, включаючи світлодіоди. Світлова віддача кварцево-галогенових ЛР досягне 50–100 лм/Вт, ЛР загального призначення – 20–30 лм/Вт. У [16, 17] наведені значення параметрів ДС, досягнуті до 2000 р. і вказаний відсоток реалізації теоретичних можливостей для різних ДС. Так для ЛР загального призначення теоретичні можливості реалізовані на 10–16 %, кварцево-галогенових ЛР – 20 %, ЛЛ – 45 %, світлодіодів – 20 %. За прогнозами в 2020 р. в порівнянні із 2000 р. для освітлення буде застосовуватись: а) менше ЛР загального призначення в 1,35 рази (тобто 11 млрд. шт.) та ламп типу ДРЛ в 1,14 рази; б) більше ЛЛ в 1,5 рази, кварцево-галогенових ЛР в 10 раз, металогалогенових ламп в 25 раз та натрієвих ламп високого тиску в 23 рази. 26 лютого 2007 р. в міжнародному енергетичному агентстві (IEA) у
Парижі відбувся міжнародний семінар, метою якого було вироблення основних вимог до якості компактних люмінесцентних ламп (КЛЛ) [4]. На ньому зазначено, що найбільш масовими в житловому секторі є ТДС, хоча вони генерують лише 44 % світла, яке використовується в будинках. В житловому секторі Росії [17], де використовується не менш 450 млн. світлових точок, абсолютна більшість (більше 98 %) – це світильники з ТДС потужністю 60 Вт. В США частка ТДС на ринку ДС не перевищує 85 % та біля 14 % ЛЛ і КЛЛ. Загальна середня світлова віддача ДС в житловому секторі не перевищує 23,7 лм/Вт. В той час як середня світлова віддача КЛЛ складає 50–60 лм/Вт. На перший погляд здається, що виробництво ТДС потрібно припинити, а застосування – заборонити. В країнах ЄС оприлюднена подібна пропозиція – вже до кінця 2009 р. зняти ТДС з виробництва. При цьому виробники, для яких виробництво КЛЛ набагато прибутковіше ніж ТДС, вже на повну силу лобіюють прийняття такого рішення. Хоча ще в грудні 2006 р. в двох прес-релізах компанії Philips пропонувався значно більший, 10-річний, а не 3-х річний період "прощання" з ТДС [18].
Структура вимірювального інформаційного комплексу
РЛНТ вмикають у мережу живлення за допомогою спеціальних схем [54 – 60], які забезпечують надійне запалювання і стабілізацію дугового розряду в лампі. Найбільш поширені з них це стартерна (рис. 1.7) та високочастотна схеми. Можна виділити три етапи при вмиканні РЛНТ: а) температурна підготовка електродів перед пробоєм міжелектродного проміжку; б) формування дугового розряду; в) робочий режим. Кожен з цих етапів характеризується власною специфікою процесів, які протікають на електродах та в приелектродній області.
Стартерна схема вмикання розрядної лампи низького тиску Основними процесами на етапах температурної підготовки електродів та формуванні дугового розряду є розпилення і випаровування оксидного шару, що негативно впливає на СТГ РЛНТ [61, 62, 63]. Швидкість випаровування оксидного шару в значній мірі залежить від температури електродів і енергії активації. Розпилення та випаровування відбувається не лише при вмиканні лампи, але і в робочому режимі. Проте на етапі вмикання ці процеси протікають більш інтенсивніше. Швидкість розпилення оксидного шару визначається густиною іонного струму. Чим більше спроб запалювання, тим інтенсивніше розпилюється оксид, так як режим запалювання – це режим короткого замикання, при якому температура катоду суттєво перевищує робочі значення [64].
В робочому режимі на постійному струмі (рис. 1.8) катод і анод РЛНТ працюють в різних умовах і тому їх конструкція повинна бути різною. На змінному струмі, коли полярність напруги на лампі періодично змінюється, один і той же електрод виступає в додатній півперіод струму анодом, а в від ємний – катодом [65]. Через це обидва електроди виготовляють однаковими і такими, щоб в найбільшій мірі задовольняли вимогам як до катоду, так і до аноду. Прианодна ділянка Прикатодна ділянка
Фото розряду у лампі ДБ-15 на постійному струмі
Катод – це вольфрамова біспіраль або триспіраль, на поверхню якої наносяться оксиди BaCO3, SrCO3 та CaCO3 [63]. Катод використовує термоемісію лужноземельних оксидів і повинен утримувати їх навіть тоді, коли нагрівається до високих температур перед запалюванням.
При робочій температурі і нульовому електричному полі катод має певну термоелектронну емісію. Ця здатність емітувати електрони підсилюється (з коефіцієнтом від 2 до 100) завдяки дії прискорюючих полів на поверхні катода. Це прискорююче поле створюється іонним просторовим зарядом в катодній оболонці і збільшується за наявності іонного струму на катод [57].
Іони, що досягають катоду, утворюються в області від ємного свічення електронами (рис. 1.8), прискореними катодним падінням (воно створюється на катодній плівці) і «інжектуються» у від ємне свічення з енергією, приблизно рівною повному катодному падінню. Іони, утворені в області від ємного свічення, у свою чергу відрізняються за енергією від електронів, прискорених катодним падінням. Іони, що долітають до катоду, бомбардують його з майже повною енергією катодного падіння. Енергія, яка підводиться іонами до катоду досить значна і визначає його температуру. Дослідження [62] залежності механізму руйнування оксидного шару на електродах при запалюванні розряду і формуванні катодної плями (рис. 1.9) показали, що характер процесів на електродах при запалюванні визначається їх температурою.
Вона, в свою чергу, залежить від струму попереднього підігрівання. При невеликих струмах попереднього підігрівання (криві 3 і 4 рис. 1.10, [61]), час прикладання напруги запалювання температура електроду перед запалюванням розряду може бути нижчою за температуру катодної плями в робочому режимі. Тоді після запалювання температура електроду в області катодної плями зростає і за деякий час досягає усталеного значення.
При великих струмах попереднього підігрівання температура електроду більша за температуру катодної плями в робочому режимі. Тому після запалювання розряду вона зменшується до температури в робочому режимі (криві 1 і 2 рис. 1.10). Час від початку запалювання до моменту остаточного формування катодної плями становить від декількох секунд до 15 хв. [62]. Тому неправильне встановлення струму попереднього підігрівання і тривалості цього процесу приводять до зростання часу вмикання лампи і руйнування оксидного шару з поверхні катоду.
На початку попереднього підігрівання катоду концентрація електронів в об ємі лампи мала і провідність прикатодної області незначна. Після підігрівання до температури термоелектронної емісії прикатодна область містить велику кількість електронів, тому провідність цієї області газового простору суттєво зростає. В залежності від температури та емісійної здатності катоду провідність прикатодної області може змінюватись в широких межах, (рис. 1.11) наведена в [66]. Після досягнення напруги на катоді величини напруги запалювання Uз (точка В), вона падає до деякого значення Uм (точка С) після чого виникає приеле-ктродна плазма (ділянка С-D). Проте не з ясовано, які процеси Рис. 1.11. Вольт-амперна характеристика протікають на ділянці В-С. катоду Основним виразом, який характеризує здатність катодів емітувати електрони із своєї поверхні в газовий проміжок, є формула Річардсона Дешмана [67, 68, 69]: де Тк - температура поверхні катоду, К; є -срк - робота виходу з катоду, еВ; А - універсальна константа для всіх термокатодів; k - стала Больцмана, к= 1,3806503 10-23 (м2кг)/(с2К) З поверхні катоду виходять електрони з початковими швидкостями, які відповідають максвеловському закону розподілу. З часом вони створюють в прикатодній області від ємний просторовий заряд. Оскільки РЛНТ наповнені сумішшю газів (Ar, Ar + Kr) і парів ртуті, то при деякому падінні напруги на катоді, наявність вільних електронів призводить до утворення в приелектродному просторі ртутної плазми. Після запалювання приелектродної плазми вираз, який характеризує електропровідність прикатодної області, можна записати в наступному вигляді [70]: Ом; пе, пг - концентрація електронів та іонів, 1/м3; ]іе, щ - рухливість електронів та іонів, м2/(Вс); є - заряд електрона, Кл.
Згідно [66], основну роль в провідності приелектродної плазми відіграє кількість електронів, яка надходить з катоду. Тому
Приелектродна плазма має характерне свічення. В залежності від того, скільки часу пройшло від моменту подачі живлення на катод до виникнення свічення (tce) автори статті [71] пропонують визначати емісійну здатність катоду. Вони також зазначають, що в серійно виготовлених РЛНТ величина tce знаходиться в межах 1,5-2,7 с для ламп потужністю 40 Вт при струмі 0,5 А. Це пояснюється розкидом холодного опору катодів, що може значно вплинути на їх емісійну здатність. Про це свідчать проведені в [71] дослідження, де встановлено, що при зміні холодного опору катоду на 10 % (при рівності всіх інших факторів) tce змінюється на 14
Фазове регулювання пікового значення перехідного струму в колах із тепловими джерелами світла
Дослідження проводилися за допомогою на ВІК на базі персонального комп ютера із спеціалізованим програмним забезпеченням (Додаток В). Після замикання ключа SA1 (рис. 3.7) на електричне коло подавалась змінна напруга живлення 220 В на час перехідного процесу. Після цього ключем SA2 струмообмежувальний елемент шунтувався, щоб подати номінальну напругу на ТДС. В якості ключів SA1 і SA2 використано електронні комутуючі пристрої, що забезпечило високу швидкодію і точність замикання. Миттєві значення напруги живлення (uм), напруги на лампі (uл) і струму лампи (iл) надходили до персонального комп ютера від вимірювальних перетворювачів ВПН-1, ВПН-2 і ВПС-1 відповідно.
В результаті отримано ряд осцилограм електричних параметрів ТДС під час перехідних процесів при вмиканні послідовно з ними резистора, дроселя і конденсатора. Величина їх опорів підбиралась таким чином, щоб пікове значення перехідних струмів при замиканні ключів SA1 і SA2 були мінімально можливі і однакові. Осцилограми відрізняються між собою формою і амплітудним значенням струму через лампу після замикання ключа SAl, а після замикання ключа SA2 лише амплітудним значенням. Тому на рис. 3.8, рис. 3.9 і рис. 3.10 зображено ділянки осцилограм до замикання ключа SA2 для ТДС потужністю 100 Вт, які є найбільш поширені у вжитку, а повна картина
Як видно з рис. 3.10 найбільш наближена форма осцилограм струму до синусоїди має місце при використанні резистора. При використанні конденсатора, в момент вмикання виникає імпульс струму (рис. 3.9), тривалість якого не перевищує 0,5 мс в той час, як по величині він у п ять разів перевищує амплітудні значення в усталеному режимі. Із табл. 3.5 видно також, що при використанні дроселя і резистора кидки струму менші ніж з конденсатором і практично однакові. Проте тривалість перехідних процесів з резистором в 1,7 рази менша. 300
Форма струму Синусоїдна Несинусоїдна з короткотривалимімпульсом в момент вмикання Синусоїдна Враховуючи це можна зробити висновок про те, що найкращим струмообмежувальним елементом є резистор, як за формою так і за величиною кидків струму. Тому було проведено більш глибоке дослідження його роботи з ТДС.
Під час досліджень перехідних процесів в схемі послідовно увімкнених ТДС і резистора, проводились спостереження за піковими значеннями струму h+R - першого (SA1 - замкнуто, SA2- розімкнуто) і Іл - другого (SA2 - замкнуто) перехідних процесів (рис. 3.11, в). Запис осцилограм починався із замиканням ключа SA1 в момент коли напруга живлення мала початкову фазу у/п = 0 або у/п = 90. Замикання ключа SA2 відбувалося тільки після закінчення першого перехідного процесу. Таким чином вимірювалось чотири значення струму: /Ч+І?(0) - струм першого перехідного процесу при у/п = 0; Іл+К(90) - струм першого перехідного процесу при у/п = 90; /л(0) - струм другого перехідного процесу при у/п = 0; Іл (90) - струм другого перехідного процесу при у/п = 90. На рис. 3.11, в наведено осцилограму перехідних процесів для лампи потужністю 100 Вт, яка є найбільш широко використовується.
Для дослідження залежності величини пікових значень перехідних струмів (кидків струмів) через ТДС від опору послідовно увімкненого резистора були зняті осцилограми перехідних процесів у схемах з ТДС зазначених вище потужностей і типів. За отриманими осцилограмами побудовано графічні залежності кидків струму від величини струмообмежувального опору. На рис. 3.12 наведено ділянки цих залежностей для випадків коли кидки струмів через ТДС типу Б 230-25 під час першого і другого перехідного процесу були однакові. З рисунка видно, що найбільший кидок струму має місце при послідовному замиканні ключів SA1 і SA2 у момент коли початкова фаза напруги живлення у/п = 90, що цілком зрозуміло. В даному випадку найменше значення піку перехідного струму (Іж ь) має місце тоді коли кидки струмів першого і другого перехідних процесів однакові (точка b), при опорі послідовно увімкненого резистора 1275 Ом.
Залежність величини кидків струму в ЛР Б230-25 від опору струмообмежувального резистора Враховуючи те, що при замиканні ключів SA1 і SA2 початкова фаза напруги мережі живлення може бути будь-яка і, що допуск на опір виготовлених резисторів становить ± 5 %, значення опору резистора для ТДС Б 230-25 повинно знаходитись в межах 1225 – 1387 Ом (область b-c-d-a рис. 3.12).
В результаті проведених досліджень отримано діапазон опорів резистора для досліджуваних ТДС (табл. 3.7). Також визначено оптимальний опір резистора, при якому кидки струму при найбільш критичних умовах (ц/п = 90) є найменші. Для оперативного визначення дійсного опору резистора для ТДС інших потужностей в діапазоні від 25 до 1000 Вт, побудовано його графічну залежність від потужності лампи (рис. 3.13), яка апроксимована функцією:
Вплив приелектродного розряду на швидкість випаровування оксидного шару
Для аналітичного опису отриманих залежностей (tm = f(kj)) всі дані табл. 4.1 були переведені у безрозмірну форму шляхом ділення їх значень на тривалість перехідного процесу попереднього підігрівання електродів номінальним струмом (4.1), величина якого зазначена в [75] для кожної потужності РЛНТ:
За отриманими даними був побудований єдиний графік залежності Кпзе = /{кі) (рис. 4.7), який показав, що зведена тривалість перехідних процесів попереднього підігрівання електродів не залежить не тільки від роду та частоти напруги живлення, а і від потужності РЛНТ і для різних значень кратності пускового струму добре описується експоненціальною функцією (4.2) із середньоквадратичним відхиленням 0,09:
Це дозволяє, за відомими значеннями тривалості перехідного процесу попереднього підігрівання електродів РЛНТ номінальним струмом tnnH (див. табл. 4.1, виділено жирно), визначити конкретні значення тривалостей 121 попереднього підігрівання електродів за виразом, при яких швидкість випаровування оксиду з електродів мінімальна:
Можливі відхилення tпп від значень, визначених за (4.3) обумовлені виключно культурою технології виробництва електродів РЛНТ стосовно їх емісійної здатності та величини холодного опору. деталізація ходу перехідних процесів в діапазоні (іпп 11 л н) = 0,9 -1,25 не наведена по причині відсутності приелектродного розряду) температурі (Трмк =1000 К, проти Tp.w= 2400 К для чистого вольфраму) і низькій роботі виходу (ecpOK =1,5еВ проти ecpw = 4,54 еВ для вольфраму) ефективність емісії оксидного катоду ( ц =jt/p, де jt - густина струму емісії, яка для оксидного катоду становить jloK = 2 А/см2, а для вольфрамового - jiW = 0,1 А/см2; р - питома споживана потужність катодом при робочій температурі, яка для оксидного катоду становить рок=2 Вт/см2, а для вольфрамового -pw = 50 Вт / см2) сягає цок = 1A/Bm, що майже в 500 раз перевищує ефективність
емісії чистого вольфраму [132]. Саме тому повне випаровування оксиду з поверхні однієї з вольфрамових біспіралей приводить до виникнення аварійного однопівперіодного режиму роботи РЛНТ , а з двох біспіралей - до виходу лампи з ладу.
З поверхні оксидного катоду електрони виходять з початковими швидкостями, які відповідають максвелівському закону розподілення. З ростом температури оксидного катоду приелектродний простір стає все більш насиченим термоелектронами, які створюють навколо нього хмару об ємного заряду (від ємний просторовий заряд), питома електрична провідність якої зростає. В першому наближенні, згідно з [133], це відбувається за формулою (1.26). Таким чином питома електропровідність приелектродного простору визначається концентрацією електронів пе (температурою оксидного катоду), які емітує оксидний катод, і їх рухливістю \іе. Як пе так і \іе з ростом кратності
струму попереднього підігрівання (температури) оксидного катоду зростають. З ростом температури зростає і енергія термоелектронів. До тих пір поки вона не досягне енергії резонансного рівня збудження атомів ртуті (4,89 еВ) в приелектродному просторі відбуватимуться лише пружні зіткнення. Після того, як енергія, налітаючих на атоми ртуті електронів, перевищить потенціал їх збудження (іонізації 10,39 еВ), вірогідність подібних процесів різко зростає. Підвищені значення концентрації та енергії електронів приводять до зростання ролі ступінчатого збудження нерезонансних рівнів атомів Hg та Ar, що і обумовлює виникнення видимого приелектродного свічення.
Як тільки концентрація електронів навколо оксидного катоду і напруга падіння між двома вводами (т. А і К, табл. 4.2), в яких зафіксований оксидний катод, досягають деяких критичних значень (для різних потужностей це має місце при 7 =1,25-1,50) виникає нестаціонарний дуговий приелектродний розряд, який супроводжується релаксаційними коливаннями провідності. Напруга (опір) на електроді різко спадає (ділянка ab табл. 4.2) на декілька вольт (Ом), а струм навпаки різко зростає. Це обумовлено різким падінням об ємної концентрації електронів за рахунок втягування їх в канал дугового розряду, який виникає між нікелевими вводами електродів. При певних (менших) значеннях напруги і зниженій концентрації електронів розряд гасне і знову починається процес поступового зростання ипп та насичення приелектродного простору електронами до критичного значення (ділянка be), при якому знову виникає дуговий розряд.
Приелектродний розряд представляє собою яскраву кулю синього кольору, яка рівномірно заповнює закатодну і прикатодну області, в яку повністю занурений катод (табл. 4.2). Діаметр яскравої кулі приелектродного розряду визначається відстанню, на яку залітають швидкі термоелектрони. Як правило він не перевищує 0,6 діаметра колби РЛНТ . Синій колір від ємного свічення обумовлений збудженням атомів аргону й ртуті до нерезонансних енергетичних рівнів, із яких відбувається випромінювання з довжинами хвиль Ar=488 нм, Hg=491,6 нм.