Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ литературных данных 15
1.1 Влияние ВЧ-питания на параметры люминесцентных ламп 15
1.2 Технико-экономические показатели, влияющие на выбор частоты питающего напряжения 18
1.3 Состояние теории амплитудно-модулированного разряда в смесях ртуть-интертные газы 29
1.4 Проблемы измерения параметров ЛЛ при импульсном питании 32
1.4.1 Оценка погрешности средств измерения параметров комплектаЗЗ
1.4.2 Оценка частотного диапазона средств измерения 35
1.4.3 Измерение напряжений 37
1.4.4 Измерение тока 38
1.4.5 Измерение мощности 39
Выводы по главе : 45
2 Разработка методов исследования и экспериментальной установки для изучения характеристик разрядного комплекта при импульсном питании 46
2.1 Экспериментальная установка для моделирования ВЧ режимов питания люминесцентных ламп 47
2.1.1 Требования к выбору высокочастотных режимов питания люминесцентных ламп 47
2.1.2 Специальные требования к установке 48
2.1.3 Структурная схема экспериментальной лабораторной установки для моделирования ВЧ режимов питания люминесцентных ламп 48
2.2 Усилитель мощности 54
2.2.1 Обоснование выбора типа активных элементов усилителя мощности 54
2.2.2 Принципиальная схема усилителя мощности 56
2.3 Определение светотехнических характеристик люминесцентных ламп при импульсном питании 60
2.3.1 Методика и установка для измерения светотехнических характеристик люминесцентных ламп при импульсном питании 60
2.3.2 Применимость селеновых фотоэлементов для измерения прерывистых световых потоков 61
2.4 Измерение мощности разрядных лами при импульсном питании 65
2.4.1 Осциллографический метод 66
2.4.2 Метод вольтметра-амперметра 67
2.4.3 Метод трех приборов 70
2.4.4 Алгоритм обработки осциллограмм iijj(t) и ijrft) при импульсном питании 71
Выводы по главе 75
3 Параметры люминесцентных ламп при импульсном питании 76
3.1 Исследование влияния частоты и скважности импульсов на характеристики ЛЛ при однополярном питании 76
3.2 Особенности характеристик люминесцентных ламп при питании двуполярными импульсами тока 98
3.2.1 Методика исследования 98
3.2.2 Экспериментальное исследование 98
Выводы по главе 106
4 Методы аналитического расчета высокочастотных импульсных контуров 108
4.1 Метод гармонического анализа-синтеза 110
4.1.1 Вывод выражений для мгновенных значений тока контура 111
4.1.2 Вывод выражений для интегральных параметров LC-контура. 115 4.2 Метод с использованием функций Грина 128
4.2.1 Расчет импульсного RL-контура 129
4.2.2 Расчет импульсного RC-контура 135
4.2.3 Расчет импульсного RLC-контура 140
Выводы по главе 146
5 Сравнительные исследованрія вч-импульсных ПРА с традиционными ПРА 147
5.1 Разработка установки для проведения сравнительных испытаний ВЧ полупроводниковых ПРА 147
5.1.1 Разработка метода 147
5.1.2 Обоснование электрической схемы испытательной установки 148
5.1.3 Структурная схема установки 149
5.1.4 Принципиальная электрическая схема установки 151
5.2 Разработка метода измерения светового потока ЛЛ, работающих в различных режимах питания 153
5.2.1 Теоретическое обоснование метода 153
5.2.2 Определение коэффициентов связи средней яркости ЛЛ с яркостью ее центральной части 155
5.2.3 Программа обработки данных для вычисления коэффициента корректировки при измерении светового потока 157
5.3 Конструкция специального технологического оборудования 159
5.4 Сравнительные испытания реальных вариантов ИППРА 163
Выводы по главе 170
Заключение 171
Список использованных источников 173
- Состояние теории амплитудно-модулированного разряда в смесях ртуть-интертные газы
- Структурная схема экспериментальной лабораторной установки для моделирования ВЧ режимов питания люминесцентных ламп
- Исследование влияния частоты и скважности импульсов на характеристики ЛЛ при однополярном питании
- Программа обработки данных для вычисления коэффициента корректировки при измерении светового потока
Введение к работе
Актуальность работы. Генеральным направлением развития светотехники на настоящем этапе является повышение эффективности источников света и осветительных установок. Поэтому использование разрядных источников света, в частности, люминесцентных ламп (ЛЛ) для освещения является перспективным. Они прочно завоевало позиции в осветительных установках промышленных и административных зданий, начинают проникать в быт.
Вместе с тем на пути дальнейшего распространения люминесцентного освещения возникают серьезные проблемы. Одна из них обусловлена низким качеством света, создаваемым малоламповыми осветительными установками, другая - возрастающей дефицитностью таких материалов, как медь и сталь, которые необходимы для изготовления пускорегулирующих аппаратов (ПРА), без которых работа разрядных ламп (РЛ) от промышленной сети переменного тока невозможна.
Обе проблемы связаны с недостатками применяемых в настоящее время традиционных электромагнитных ПРА, обязательным элементом которых является индуктивный балласт, имеющий относительно большие вес и размер, работающих на промышленной частоте.
Появившийся в начале 60-х годов прошлого столетия так называемый высокочастотный способ питания ЛЛ показал, что традиционный режим питания является отнюдь не догмой, и что, варьируя режим питания, можно резко улучшить как качественные и энергетические характеристики ЛЛ, так и эксплуатационные параметры ПРА, особенно их металлоемкость.
В конце 70-х появились сообщения, а позже конкретные ПРА, которые показали еще более высокую эффективность "импульсно-модулированного" (в дальнейшем импульсного) режима питания ЛЛ.
К сожалению, высокая стоимость активных элементов ПРА, реализующих эти режимы питания (транзисторы, тиристоры), и низкий уровень их совершенства, приводившие к неоправданному усложнению схем, не позволили создать электронные ПРА (ЭПРА), конкурентоспособные электромагнитным ПРА.
Происходящая на наших глазах научно-техническая революция (НТР) и вызванный ею гигантский прогресс полупроводниковой и электронной техники позволяют сделать уже в настоящее время экономически рентабельным серийный выпуск частично или полностью полупроводниковых ПРА, в которых можно реализовать практически любой режим питания РЛ. Действительно, практически все ведущие светотехнические фирмы мира, включая Россию, разработали и приступили к серийному выпуску высокочастотных ЭПРА и комплектов с ЭПРА первого поколения.
Несмотря на их примерно на порядок более высокую стоимость по срав
нению с традиционными ПРА, высокое качество создаваемого ими света, высо
кая энергоэкономичность и на 50-60 % меньшая гктпттпотнии ні ПЖГЗЩ"ІПТТТ
для них непрерывно расширяющиеся области приме"*0*" НАЦИ {
Еще более высокие параметры обещают иметь ЭПРА следующего поколения, в которых реализуется импульсный режим питания ЛЛ (ИППРА). Импульсный характер тока лампы в этом режиме позволяет применить балластный (ключевой) принцип стабилизации ее работы, который не требует применения электромагнитных элементов (дроссели, трансформаторы, конденсаторы), более соответствует характеру работы высоконадежных импульсных полупроводниковых (ПП) схем, позволяет использовать все достижения полупро-водниково-интегральной технологии вплоть до исполнения всего ЭПРА в виде единой интегральной схемы.
Опытные образцы ИППРА обещают иметь по сравнению с традиционными ПРА на 90-95 % меньшую металлоемкость и в 4-5 раз меньшие потери энергии.
Учитывая, что ЛЛ еще долго будут перспективными источниками свега, совершенствование параметров комплекта ЛЛ-ЭПРА путем использования режима импульсного питания является актуальным.
Цель и задачи работы. Исходя из вышесказанного, видно, что одной из основных причин, сдерживающих развитие и использование импульсного питания ЛЛ, является отсутствие достаточно доступных и надежных методов исследования и расчета импульсных комплектов ЛЛ-ЭПРА, создание которых и является целью данной работы.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать методы измерения основных характеристик ЛЛ и элементов ПРА в условиях импульсного высокочастотногопитания;
-
Разработать установки реализующие эти методы в лабораторных и производственных условиях;
3.Исследовать характеристики современных ЛЛ в режимах импульсного питания с целью выбора целесообразных режимов работы;
4. Разработать методы расчета импульсных разрядных контуров при различных режимах импульсных источников питания;
Объектом исследования явились: люминесцентные лампы широкого применения, с точки зрения влияния режимов питания на их рабочие и эксплуатационные параметры.
Методика исследования заключалась в применении общепринятых и вновь разработанных электротехнических и светотехнических методах измерения параметров люминесцентных ламп.
Научная новизна:
методы расчета параметров импульсных высокочастотных ПРА для ЛЛ;
методологические основы измерения параметров комплекта ЛЛ-ПРА для указанных условий;
предложен и реализован новый (с использованием вычислительной техники) метод определения мощности на элементах контура РЛ-ИППРА, обеспечи-
вающий повышенную точность измерения, не требующий использования сложных труднодоступных приборов;
обоснована возможность использования широко распространенных корригированных селеновых фотоэлементов для измерений прерывистых световых потоков, характерных для импульсных режимов питания;
предложен более мощный и лучше соответствующий физической сущности процессов в импульсном контуре метод расчета с использованием функции Грина.
Научные результаты, выносимые на защиту:
разработка методики для изучения рабочих и эксплуатационных параметров ЛЛ при широкой вариации условий импульсного режима питания;
результаты исследования характеристик ЛЛ в различных режимах одно- дву-полярного импульсного питания;
высокоточный метод измерения мощности на нелинейных искажающих элементах в условиях повышенной частоты и импульсном характере токов и напряжений;
исследование возможности использования корригированных фотоэлементов типа ФЭС для измерения интегральных значений прерывистых световых потоков;
аналитические методы и результаты расчета квазиимпульсного контура с ЛЛ и инвертором с ключевым режимом работы ПП приборов;
разработка принципа экспресс-контроля качества ЭПРА (в том числе не импульсных) в производственных условиях;
компактный оперативный метод измерения светового потока ЛЛ в ВЧ режимах питания для использования в производственных условиях.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
создана экспериментальная установка для изучения рабочих и эксплуатационных характеристик ЛЛ в импульсных режимах;
получены экспериментальные данные иллюстрирующие поведение разряда при широком варьировании условий импульсного режима питания;
разработаны методы и средства для оперативного контроля ЭПРА внедренные на ПО "Ватра" в СТО "ЭКСПРЕСС";
исследованы макетные образцы индивидуального однополярного и группового двуполярного комплекта ЛЛ-ИППРА;
получено авторское свидетельство на способ питания ЛЛ;
результаты проведенных исследований и созданные установки используются аспирантами и в учебном процессе при подготовке инженеров-светотехников в Мордовском государственном университете, а также для оценки качества ЭПРА, разрабатываемых различными фирмами, например, Санкт-Петербургским АОО «ЭлектроПетербург» и др
написаны и отлажены программы для электротехнического расчета импульсных контуров и для обработки осциллограмм.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании (г. Полтава, 1982); VI Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (г. Ленинград, 1983); IX Всесоюзной научно-технической конференции по светотехнике (г. Рига, 1987); Межреспубликанской научно-технической конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (г. Саранск, 1989); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света (г. Полтава, 1991); II международной светотехнической конференции (г. Суздаль, 1995); IV Всероссийском с международном участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (г. Саранск, 1996); XXVUI Огаревских чтениях, проводившихся на базе Мордовского государственного университета имени Н.П. Огарева (г.Саранск, 1999); V Международной светотехнической конференции (г. Санкт-Петербург, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 24 работы в отечественных сборниках, тезисах докладов конференций, совещаний и в технических отчетах, а также получено одно авторское свидетельство на способ питания газоразрядных ламп.
Объем работы. Диссертационная работа изложена на 192 страницах, полностью оформленных с применением компьютера, состоит из введения, 5 глав, выводов по работе, списка литературы (108 наименований, в том числе 20 работ автора по теме диссертации, опубликованных к моменту оформления работы), 24 рисунков, 13 таблиц, 4 приложений.
Состояние теории амплитудно-модулированного разряда в смесях ртуть-интертные газы
Первыми работами, посвященными описанию свойств нестационарного разряда, являются работы В.Л. Грановского с сотрудниками. В [22], в предположении максвелловского распределения электронов по энергиям и прямой ионизации была получена система уравнений, описывающих в общем виде свойства плазмы в нестационарных условиях. Для случая малого синусоидального возмущения тока, протекающего через плазму было получено аналитическое решение этой системы дифференциальных уравнений.
Ясно, что в случае малых амплитуд возмущений параметры плазмы меняются весьма незначительно. В то же время, если глубина модуляции велика, то дифференциальные уравнения, описывающие изменения параметров плазмы, уже невозможно линеаризовать, поэтому найти точное решение не представляется возможным. В то же время плазма в условиях сильных возмущений наиболее интересна для исследований, поскольку именно в этом случае возможно проявление свойств, не наблюдаемых в стационарной плазме.
Далее мы рассматриваем лишь те работы, которые, на наш взгляд, наиболее полно учитывают разнообразие явлений, протекающих в плазме газового разряда в ЛЛ при произвольной глубине модуляции тока.
В [8] определялось влияние ВЧ синусоидального питания на характеристики разряда в смеси аргон-ртуть. Важным результатом этой работы явилось исследование эффективности ВЧ питания. Оказалось что эффективность эта лишь на доли процента превышает эффективность работы лампы.
Особенностью предложенной в [8] модели является учет для каждого процесса заселения обратного ему процесса разрушения уровней возбужденных атомов ртути и предположение о бесселевском распределении вдоль радиуса трубки как концентраций электронов, так и концентрации возбужденных атомов.
Особо отметим, что этот расчет не продемонстрировал качественного совпадения теории с экспериментом, являющегося важнейшим критерием пригодности той или иной модели. Например, характер изменения электрического поля, температуры и концентрации электронов в зависимости от внешних параметров (давления паров ртути и газа-наполнителя, радиуса трубки, величины разрядного тока) довольно широко изучены экспериментально, однако сравнение расчетных и экспериментальных величин проведено только для RTP = 1.8 см, PHg = 6 103 мм рт.ст., //. = 0.4 А, PAr = 3 мм рт.ст. Поэтому неясно, будет ли теория качественно правильно отображать экспериментальные данные.
Важным достижением теории амплитудно-модулированного разряда, разработанной в [9-18], является расчет реального вида функции распределения электронов по энергиям в условиях, характерных для работы ЛЛ.
Знание вида функции распределения электронов по энергиям (проверка [5-7, 11-13] показала удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных функций распределения электронов по энергиям, измеренных зондовым методом в широком диапазоне изменения внешних параметров) позволило создать замкнутую модель для расчета характеристик плазмы при ее амплитудно-модулированном питании без включения в расчеты каких-либо подгоночных коэффициентов.
Несмотря на удовлетворительное количественное согласие теории [24-25] с экспериментом она также не дает качественно правильной зависимости, например, электрического поля от давления газа-наполнителя. Согласно многочисленным экспериментальным данным (и данным этих же авторов [26]) в широких трубках при РЛг 1 мм рт. ст. электрическое поле растет с ростом давления газа. В то же время согласно теории [24-25] с ростом РАг наблюдается уменьшение электрического поля. Такое качественное расхождение теории с экспериментом показывает, что либо какие-то существенные физические эффекты совсем не учтены, либо учтены неточно. Следовательно, как теория [7], так и теория [24-25] нуждаются в существенной доработке.
В заключение по поводу теории [24-25] необходимо отметить также У что она, в противовес теории [7], дает значительное увеличение выхода резонансного излучения при импульсной модуляции разряда. Например, в [27] в результате расчетов получено, что относительное увеличение лучистой отдачи плазмы Дг) имеет место по мере уменьшения разрядного тока, давления аргона и радиуса разрядной трубки. При этом относительное увеличение выхода резонансного излучения может достигать 50% и выше. Результат расчетов Ат для различных радиусов трубки RТР показывает, что по мере уменьшения RTP величина Аг монотонно возрастает. Этот результат противоречит экспериментальным данным, полученным на кафедре источников света Мордовского университета. Так, например, в узких трубках, как показывает эксперимент, эффективность ВЧ питания падает по г, сравнению с эффективностью питания на постоянном токе.
Структурная схема экспериментальной лабораторной установки для моделирования ВЧ режимов питания люминесцентных ламп
Подавляющее большинство усилительных устройств собираются на основе полупроводниковых и электровакуумных усилительных элементов. Известные преимущества полупроводниковых приборов, а именно - малые размеры, вес, высокий КПД, значительно больший срок службы, а также стремительный прогресс полупроводниковой технологии и схемотехники, привели к повсеместной замене в усилительных устройствах электровакуумных элементов на полупроводниковые. Однако до сир пор сохранились еще области, в которых электровакуумные приборы (ЭВП) пока нецелесообразно заменять полупроводниковыми. Это область высоких мощностей, больших нескольких сотен Вт, и область высоких напряжений, больших 1 кВ. Кроме того, как показала практика, у современных полупроводниковых приборов есть один принципиально неустранимый недостаток - малая термоинерционность полупроводниковых структур, исчисляемая тысячными и менее долями секунды.
Из-за этого мощные полупроводниковые схемы чрезвычайно усложняются за счет введения различных схем защиты, в противном случае надежность падает до очень низкого значения. Увеличение сложности схем само по себе, как известно, приводит к снижению надежности схем. получается порочный круг, из-за которого применение полупроводниковых элементов даже в усилителях больших нескольких десятков Вт, становится сомнительным.
Поэтому до сих пор в ряде случаев стационарные кинотеатральные усилители мощностью от 25 Вт и выше выполняются на электровакуумных приборах. Это обусловлено рядом положительных качеств ЭВП [36], основными из которых являются: 1) чрезвычайно большая, на 4-5 порядков, по сравнению с полупроводниковыми, термоинерционность ЭВП (порядка десятков секунд); 2) значительно большие рабочие температуры внутренних структур ЭВП по сравнению с полупроводниковыми (300 -г 400 С по сравнению с 120 -=- 130С); 3) лучшие частотные свойства мощных ЭВП по сравнению с мощными полупроводниковыми приборами; 4) более высокие рабочие напряжения ЭВП (до десятков киловольт и выше); 5) стойкость к импульсным перенапряжениям (межэлектродный пробой не приводит к потере работоспособности ЭВП). Эти преимущества приводят к тому, что при равных выходных мощностях аппаратура на ЭВП получается меньшего размера и веса, лучшей надежности, проще и дешевле, чем полупроводниковая. К недостаткам ЭВП можно отнести: 1) более высокое остаточное напряжение на активном элементе, порядка нескольких десятков вольт, по сравнению с одним вольтом в случае полупроводниковых структур; 2) наличие нити подогрева катода, бесполезно рассеивающей энергию; 3) отсутствие комплементарных пар усилительных элементов у ЭВП, так как в них реализуется только электронная проводимость. Первые два недостатка приводят к снижению КПД аппаратуры, третий -— значительно ограничивает возможности схемных решений аппаратуры на ЭВП. В данном случае при конструировании единичной лабораторной установки вопросы КПД не играют решающей роли, тогда как, наоборот, вопросы надежности аппаратуры, простоты и ремонтопригодности ее играют первостепенную роль. Если принять во внимание также лучшие частотные свойства элементов на ЭВП, то выбор последних для целей конструирования экспериментальной установки будет вполне оправдан. Источник питания представляет собой широкополосный усилитель мощности, выход которого согласован с характеристиками ЛЛ, а вход - со стандартными генераторами, например Г5-54, ЗГ-12М или другими (блок G/ нарис. 2.1). Усилитель не имеет автономного блока питания и предназначен для совместной работы с двумя стандартными источниками питания постоянного тока типа УИП-1. Выходной каскад усилителя построен по квазисимметричной схеме, поэтому может питать ЛЛ током синусоидальной формы, а также двуполярными импульсами, частота и форма которых определяется частотой и формой импульсов, поданных на его вход от задающего генератора. Принципиальная схема усилителя мощности приведена на рис. 2.5. Усилитель состоит из 3 каскадов: выходного, предвыходного и фазоинвертора Выходной каскад собран на лампах V5 и V6 типа 6СЗЗС по бестрансформаторной двухтактно-параллельной схеме последовательного питания, что позволяет заземлить одну клемму на источниках питания и иметь заземленным один электрод испытуемой ЛЛ. Для питания выходного каскада необходимы один двуполярный источник анодного напряжения с независимо регулируемым напряжением каждой полярности: а) положительный - от +200 В до +450 В; б) отрицательный - от+150 В до +300 В; а также два гальванически развязанных источника отрицательного смещения управляющих сеток, независимо друг от друга изменяющих свое напряжение в пределах от -30 В до -150 В. Кроме этого необходимо иметь две отдельные обмотки на 12,6 В для питания подогревателей выходных ламп. Регулировкой напряжения источников анодного напряжения можно осуществлять изменение разрядного тока испытуемой РЛ, а регулировкой источников смещения можно поддерживать симметричность полуволн тока. В качестве источников накальных анодных и сеточных напряжений выходного каскада использованы два серийных источника питания типа УИП-1 с некоторым ограничением, заключающимся в том, что если питание анодных, накальных цепей и цепей смещения верхнего (по принципиальной схеме) плеча выходного каскада производится от одного прибора УИП-1, то это приводит к выходу из под контроля системы стабилизации анодного напряжения. В данной установке для получения накального и сеточного напряжения для лампы V5 используется дополнительная схема на трансформаторе ТІ.
Исследование влияния частоты и скважности импульсов на характеристики ЛЛ при однополярном питании
Как показывают эксперименты [32] и расчеты [33], световые характеристики ЛЛ при импульсном питании током повышенной частоты меняются в пределах 20-30%, что представляет не столь значительную величину. Поэтому важно для снижения погрешностей при световых измерениях использовать метод сравнения, где в качестве базового режима целесообразно выбрать режим питания ЛЛ от стандартной сети (50 Гц). Световой поток может быть определен в фотометрическом шаре, с помощью фотометрической скамьи и путем определения яркости в центральной части трубки (тубус-фотометр или яркомер). Световой поток, определенный по яркости центра ЛЛ, характеризует параметры положительного столба без учета приэлектродных зон. На первом этапе работы был выбран последний метод с применением тубус-фотометра. Применение тубус-фотометра по сравнению с яркомером предпочтительнее из-за того, что в первом случае на приемник попадает поток с полуцилиндрической поверхности трубки площадью около 10 см2, в то же время с помощью яркомера поток снимается с незначительной площадки в несколько мм2, которая вследствие неравномерности слоя люминофора по длине трубке может не отражать среднего значения яркости люминофорного слоя. В дальнейшем предполагается (после определения оптимальной частоты) параллельное использование фотометрического шара.
Селеновые корригированные фотоэлементы типа ФЭС широко распространены в практике фотометрических измерений. Причиной этого являются сравнительно высокая чувствительность, простота эксплуатации и близость относительной спектральной чувствительности к кривой видности глаза. Фотоприемники этого типа являются сравнительно инерционными. Они не способны передавать колебания светового потока чаще единиц герц вследствие большой эквивалентной емкости запирающего слоя и сравнительно высокого внутреннего сопротивления.
Как уже было сказано в главе 1, вопрос о возможности применения селеновых фотоэлементов для измерения величины прерывистых световых потоков до сих пор является дискуссионным. На сегодня фотоэлементы типа ФЭС являются единственными серийно изготавливаемыми корригированными фотоприемниками [37]. Применение фотоэлементов других типов немедленно повлечет за собой сложную проблему корригировки. Поэтому в данной работе мы и поставили задачу проверить пригодность селеновых фотоэлементов для измерения средних значений прерывистых световых потоков с тем, чтобы в дальнейшем использовать именно их.
Для этих исследований применена следующая методика проверки пригодности селеновых фотоэлементов для измерения прерывистых потоков на установке, схема которой показана на рис. 2.6.
На фотометрической скамье 1 установлены три каретки (2, 4, 5). На каретке 2 закреплена ЛЛ, питаемая от импульсного генератора, на каретке 4 -фотометрическая головка, на каретке 5 - люминесцентная лампа сравнения, которая питается от стабилизированного источника постоянного тока. Чтобы излучение ламп следовало за током, обе лампы лишены люминофорного слоя. Испытуемый селеновый фотоэлемент 3 устанавливается на каретку 4 после достижения фотометрического равновесия.
Методика снятия зависимости фототока от частоты и скважности импульсов питающего лампу 2 напряжения заключалась в следующем. Перемещением каретки 4 добиваются равенства освещенности полей сравнения, затем на месте фотометрической головки помещают испытуемый фотоэлемент 3, и, поочередно поворачивая его приемную поверхность к лампам 5 и 2, регистрируют значения фототоков is и /г. После этого повторяют все операции, изменяя частоту и скважность импульсов питающего напряжения.
Для обеспечения большей точности измерений последовательно с испытуемым фотоэлементом включался регулируемый источник ЭДС, позволяющий компенсировать падение напряжения внутри фотоэлемента. Схема включения приборов при измерениях показана на рис. 2.7.
При заданной освещенности, изменением сопротивлений Rj и R2 добиваются нулевого отсчета по милливольтметру PU. При этом эквивалентное сопротивление нагрузки ФЭС равно 0 и через микроамперметр протекает ток короткого замыкания. Использовались приборы типа М-95.
Критерием выполнения закона Тальбота при данной методике является постоянство соотношения токов i2/is - равенство этого соотношения единице во всем диапазоне частот и скважностей означает, что селеновые фотоэлементы можно применять для измерений прерывистых световых потоков без каких-либо ограничений.
Программа обработки данных для вычисления коэффициента корректировки при измерении светового потока
Как показали исследования, при высоких частотах 30 кГц действующее значение напряжения на лампе слабо зависит от коэффициента заполнения (при у 0,25) (см.рис.3.5.), что позволяет при сохранении номинального значения тока лампы легко ввести нужную мощность в разряд, учитывая что при частотеу 30 кГц и у 0,25 градиент потенциала EJt) в 1,5-2 раза превышает Е для /=50 Гц. Как видно из табл.3.1,. при 30 кГц и у 0,25 (при /,=0,43 А) в разряд вводилась мощность Рл-Ъ1 Вт - 41 Вт ( л50=38,5 Вт). Однако, если при высоких частотах действующее значение напряжения меняется мало при уменьшении у (при /л= const), то мгновенные значения напряжения и тока разряда с уменьшением у резко возрастают.
Для объяснения закономерностей изменения световой отдачи ЛЛ при ее питании импульсами тока с различными параметрами необходимо исследовать изменение относительных интенсивностей резонансных (185 и 254 нм) и видимых (404, 435, 546 нм) линий ртути в импульсе тока. На данном этапе работы исследовался характер поведения суммарной интенсивности видимого триплета ртути при изменении режимов импульсного питания. Согласно [13], характер изменения излучения линий видимого триплета ртути по импульсу одинаков, поэтому изменение суммарной интенсивности видимых линий дает представление о характере изменения каждой из них, в том числе и о линии 435 нм, интенсивность которой, в свою очередь, дает представление о заселенности уровня 63Рь с которого начинается резонансная линия 254 нм. В дальнейшем предполагается провести измерения относительной интенсивности линии 254 нм в зависимости от параметров импульсов.
На осциллограммах представлено изменение относительной интенсивности суммарного излучения видимых линий ртути при различных режимах импульсного питания. На осциллограммах .(рис.3.6.-3.7.) представлен достаточно длительный импульс тока (/w=1700 мкс), позволивший выявить все характерные участки изменения интенсивности излучения в импульсном режиме. Как видно из осциллограмм, характер изменения интенсивности излучения не совпадает с характером изменения тока в импульсе. Во всех случаях (у = var,/= var) излучение возникает с запаздыванием относительно начала импульса тока (рис.3.8.) далее излучение нарастает с различной крутизной фронта, зависящей от градиента потенциала в импульсе, связанного, в свою очередь, с длительностью предыдущей паузы в токе (при неизменных действующем и мгновенном значениях тока). Таким образом, мы приходим к выводу о превалирующем влиянии состояния плазмы в паузе тока на все характеристики плазмы, включая излучение, в импульсе - на градиент потенциала, проводимость, динамику излучения, (крутизну нарастания фронта излучения) (рис.3.8.). С увеличением градиента потенциала и кругизна нарастания фронта излучения возрастает. Наблюдается интересная закономерность изменения EJt) в зависимости от длительности пауз тока, определяемых частотой. Как видно из рис.3.8. при неизменных / и i(t) с уменьшением длительности пауз в токе {у = const,/= var) градиент потенциала возрастает, хотя, казалось бы, что с увеличением tn концентрация зарядов должна уменьшаться, что, в свою очередь, должно приводить к большему градиенту в импульсе. Длительность начальной паузы излучения Тф практически равна длительности переднего фронта тока (а не напряжения) и составляет приблизительно 1 мке (рис.3.9.).
Анализируя осциллограммы излучения в импульсе, можно видеть, что характер распределения и интенсивность излучения определяются процессами, происходящими в течение всего импульса. В частности, как и в[13], в данной работе получено, что выбросы разрядного тока, имеющие место в начале импульса, не оказывают влияния на световой поток, возникающий, как уже отмечалось, с запаздыванием после начала импульса тока.
Во всех исследованных режимах работы ЛЛ после выключения импульса наблюдается послесвечение разряда, спадающее в паузе по экспоненте Ф, = P()exp(t/T). Величина постоянной времени послесвечения не зависит от условий разряда и составляет около 4 мке (рис.3.10.) Так как наличие в конце паузы послесвечения разряда не приводит к повышению светоотдачи в импульсе, то желательно, чтобы в паузе разряд полностью высветился. Для практически полного высвечивания разряда в паузе длительность паузы должна быть /и=(5-10)г (рис.3.10.).
