СПОСОБ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ И СИСТЕМА ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ КОМБИНИРОВАННУЮ РАДИАЛЬНУЮ И ПРОДОЛЬНУЮ АКУСТИЧЕСКУЮ МОДУ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СЕГРЕГАЦИИ
METHOD OF OPERATING GAS DISCHARGE LAMP SYSTEM AND DISCHARGE LAMP SYSTEM EXPLOITING COMBINED RADIAL AND LENGTHWISE ACOUSTIC MODE TO REDUCE VERTICAL SEGREGATION

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу работы газоразрядной лампы и к системе газоразрядной лампы, в которой уменьшена вертикальная сегрегация.
Уровень техники
При работе системы газоразрядной лампы в вертикальном положении может произойти вертикальная сегрегация (разделение) веществ паровой фазы, что в свою очередь приводит к цветоделению по длине лампы, снижению выхода светового излучения, к местному перегреву стенки трубки дугового разряда и другим проблемам, вследствие которых лампа может преждевременно выйти из строя, или к неудовлетворительной работе лампы. Это, в частности, относится к лампам со значительным соотношением размеров (лампам с высоким отношением длины к ширине).
Решение этой проблемы предложено в патенте США № 6124683, согласно которому дугу в газоразрядной лампе выпрямляют акустической модуляцией мощности лампы. Модуляция мощности может также обеспечивать возможность некоторого регулирования вертикальной сегрегации во время работы лампы в вертикальном положении.
Известно, что модуляция мощности лампы обусловливает модуляцию распределения температуры дуги и в результате модуляцию распределения давления газа в лампе. Определенные частоты модуляции вызывают колебание стоячей волны давления в газоразрядной трубке лампы. Акустические моды в системах газоразрядной лампы обычно определяются на основе цилиндра, размер которого сравним с размером газоразрядной трубки лампы. Если давление имеет пространственную зависимость по оси трубки, то мода является продольной. Число половин длины волны в стоячей волне определяет конкретное число моды. Если имеются две половины длины волны, то лампа работает во второй продольной моде. Если давление имеет пространственную зависимость по радиусу трубки, то мода является радиальной, и если давление имеет пространственную зависимость по окружности трубки, то мода является азимутальной. Также возможна комбинация акустических мод, таких как радиально-продольная мода и азимутально-продольная мода, в которых распределение давления зависит от более чем одной координаты. Эти комбинированные моды можно также определить, в зависимости от числа половин длины волны, как комбинированную акустическую моду третьей азимутальной и второй продольной мод.
Частоты для каждой из этих акустических мод (резонансные частоты) определяются по размерам газоразрядной трубки и по скорости звука в газовой фазе лампы. Скорость звука имеет температурную зависимость, а температурный профиль дуги может зависеть от положения. Тем не менее, резонансные частоты можно определить с помощью изотермической цилиндрической модели.
Частоты продольной моды приблизительно определяются следующим выражением:
nL
f = (nC)/(2Длина),
nL
где: f - n-ая продольная мода; С - средняя скорость звука; и Длина - длина резонатора.
Частоты радиальной моды приблизительно определяются следующим выражением:
nR
nR
f = (kC)/(πD),
nR
nR
где: f - n-ая радиальная мода; k - постоянная, известная для каждой радиальной моды (составляет 3,83 для первой радиальной моды и более для последующих мод); С - средняя скорость звука и D - диаметр резонатора.
Частоты азимутальной моды приблизительно определяются следующим выражением:
nA
nA
f = (kC)/(πD),
nA
nA
где f - n-ая азимутальная мода; k - постоянная, известная для каждой азимутальной моды (составляет 1,84 для первой азимутальной моды, 3,05 для второй, и 4,20 для третьей и последующих мод); С - средняя скорость звука, D - диаметр резонатора.
Лучшие оценки резонансных частот можно получить путем вычисления конечного элемента собственных мод сосудов, приближающихся к форме резонатора, в котором образуется дуга, с помощью хорошо поддающихся оценке распределений температуры и состава.
Возможно также использовать и другие оценочные методы. Например, для радиальной акустической моды непрерывный радиальный профиль скорости звука можно дискретизировать на имеющие одинаковую скорость соосные цилиндры. Характеристическое время можно вычислить для каждого цилиндра методом обращения первой радиальной резонансной частоты для данного цилиндра. Совокупное характеристическое время можно вычислить из суммы значений характеристического времени отдельных цилиндров. Уточненную оценку частоты первой радиальной акустической моды можно вычислить из инвертированного значения совокупного характеристического времени.
Кроме того, резонансные частоты можно настроить исходя из визуальных признаков, таких как накапливание соли наполняющих трубку веществ на стенках трубки дугового разряда в виде характерных рисунков и исчезновение цветоделения. Например, солевые кольца могут появиться на трубке, если частоты должным образом настроены на продольные резонансы.
Комбинированные моды можно определить комбинированием частот отдельных мод в квадратуре (сдвиг по фазе на 90°), если одна из мод является продольной. Например, резонансная частота первой радиальной и четвертой продольной комбинированной моды определяется следующим выражением:
1R4L
1R
4L
2
2
2
f  = f  + f
Эти частоты являются частотами модуляции мощности (далее для краткости «частоты мощности»). Соответствующие частоты тока (или напряжения) являются половиной частот мощности.
Еще одно решение проблемы вертикальной сегрегации предложено в патенте США 6184633. Как показано на фиг. 1, мощность лампы модулируют периодическим качанием гармонической волны выше частотного диапазона 10, что соответствует выпрямлению дуги, и на более низкой частоте 12, соответствующей продольной моде. Диапазон качания частот модуляции мощности составляет 90-110 кГц, и частота мощности продольной моды 24,5 кГц (частоты тока составляют половину этих частот мощности). Это решение позволяет улучшить регулирование дуги, но эффективно генерировать более низкую частоту трудно, и она слишком близка к звуковым частотам.
Еще одно усовершенствование предложено в патенте США № 6437517, согласно которому способ качания частоты тот же, что и на фиг. 1, но более низкая частота заменена частотой более высокой, чем частота выпрямления дуги. Более высокая частота может представлять собой одну частоту либо совершать качание в некотором диапазоне частот. Более высокая частота возбуждает комбинированную акустическую моду, которая объединяет азимутальную моду (в частности - третью или более высокую азимутальную моду), и продольную моду (в частности - n-ую продольную моду). Для лампы длиной 19 мм с внутренним диаметром 4 мм частотный диапазон выпрямления дуги составляет 90-110 кГц. При этом комбинированная мода сосредоточена на 150 кГц (± 10 кГц), и качание следует на частоте около 100 кГц. По причине симметрии возбуждение все же затруднено, и была сделана попытка найти соответствующую заменяющую комбинированную акустическую моду, более легко возбуждаемую.
Сущность изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание новой системы лампы и способа работы системы газоразрядной лампы, согласно которым возбуждение комбинированной акустической моды облегчено по сравнению с известным уровнем техники.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание новой системы лампы и способа, согласно которым комбинированной акустической модой является комбинированная радиальная плюс продольная мода.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание новой системы лампы и способа работы системы газоразрядной лампы, согласно которым мощность лампы модулируют частотой выпрямления дуги и частотой, которая возбуждает комбинированную радиальную плюс продольную моду лампы.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание новой системы лампы и способа, согласно которым комбинированная радиальная плюс продольная мода является объединением первой радиальной моды и n-ой продольной моды, где “n” предпочтительно четное число, и более предпочтительно одно из чисел 2, 4 и 6.
Еще одной задачей настоящего изобретения является создание новой системы газоразрядной лампы с первым генератором, который модулирует мощность лампы посредством частоты выпрямления дуги, и вторым генератором, который модулирует мощность лампы на частоте, которая возбуждает комбинированную радиальную плюс продольную моду лампы.
Перечень фигур
В дальнейшем настоящее изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает диаграмму последовательности частот модуляции мощности в известной системе газоразрядной лампы;
фиг. 2 - диаграмму последовательности частот модуляции мощности системы газоразрядной лампы согласно изобретению;
фиг. 3 - диаграмму спектра мощности, где частота выпрямления дуги и частота, возбуждающая комбинированную акустическую моду, подаются одновременно, согласно изобретению;
фиг. 4 - блок-схему системы газоразрядной лампы согласно изобретению.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Настоящее изобретение представляет собой систему газоразрядной лампы и способ работы системы газоразрядной лампы, в которой уменьшена вертикальная сегрегация веществ паровой фазы. Мощность лампы модулируют посредством частоты выпрямления дуги и частоты, которая возбуждает комбинированную радиальную плюс продольную акустическую моду лампы. Эти две частоты можно использовать одновременно, или частоту 20 (фиг. 2) выпрямления дуги можно использовать в нескольких отдельных полосах, которые могут быть качаниями частоты, а частоту 22, которая возбуждает комбинированную радиальную плюс продольную акустическую моду лампы, можно использовать между отдельными полосами.
Было установлено, что комбинированная радиальная-продольная акустическая мода возбуждается легче, чем комбинированная азимутальная-продольная акустическая мода в системе цилиндрической газоразрядной лампы, и поэтому настоящее изобретение обеспечивает усовершенствование по сравнению с уровнем техники.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, комбинированная радиальная плюс продольная мода является комбинацией первой радиальной моды и n-ой продольной моды, где “n” предпочтительно является четным числом (из соображений симметрии) и более предпочтительно равно 2, 4 или 6. Комбинированную акустическую моду можно возбудить одной частотой мощности 20 (в пределах показанных горизонтальными пунктирными линиями 22) или диапазоном 24 качания частоты мощности (показаны наклонными линиями 22). Диапазон качания частоты может быть небольшим, порядка 1 кГц. Для лампы, имеющей разрядный резонатор с внутренним диаметром в центре, равным 3,7 мм, суживающимся до 3,0 мм на концах и с длиной 23 мм, 12 кГц возбуждают первую продольную моду, 139 кГц возбуждают вторую азимутальную моду, 175 кГц возбуждают первую радиальную моду, и комбинированная радиальная-продольная акустическая мода возбуждается частотой 22, имеющей диапазон 179-182 кГц либо 188-190 кГц, в зависимости от “n”.
Частота 20 выпрямления дуги предпочтительно возбуждает вторую азимутальную моду или комбинированную вторую азимутальную моду и продольную моду (предпочтительно - моду четного числа) лампы. Частота 20 может быть в диапазоне 26 (фиг. 2). Для упомянутой лампы полоса частоты мощности составляет около 15 кГц в диапазоне 130-150 кГц.
Если частота 20 выпрямления дуги используется в отдельных полосах, то временной период каждой из полос может быть в 2-16 раз более длительным, чем последующая модуляция при комбинированной радиальной плюс продольной моде лампы, осуществляемая частотой 22. Например, полосы частот выпрямления дуги могут иметь длительность 2-9 мсек, и возбуждение комбинированной акустической моды 22 может длиться 0,2-5 мсек. Также возможны и другие комбинации и значения длительности, и в одном варианте осуществления цикл действует на частоте около 200 Гц с длительностью 5 мсек для каждого цикла, при этом каждая полоса частот выпрямления дуги длится 4,7 мсек, и каждый период возбуждения комбинированной акустической моды составляет 0,3 мсек.
Если частота выпрямления дуги и частота, возбуждающая комбинированную акустическую моду, используются одновременно, то сигнал может иметь спектр мощности, показанный на фиг. 3.
Цепь 30 для системы газоразрядной лампы согласно предпочтительному варианту осуществления содержит первый генератор 32, который модулирует мощность лампы посредством частоты выпрямления дуги, и второй генератор 34, который модулирует мощность лампы при комбинированной радиальной плюс продольной моде лампы. Первый и второй генераторы 32, 34 могут обеспечивать синусоидальные напряжения. Эти генераторы могут обеспечивать напряжения с известными формами волн по известной методике, включая способ, раскрытый в патенте США 6522089.
Лампа 30 может также содержать первый умножитель 36, обеспечивающий сигнал от первого генератора 32, второй умножитель 38, обеспечивающий сигнал от второго генератора 34, сумматор 40 для объединения сигналов от первого и второго умножителей 36, 38 и контроллер 42 для обеспечения ненулевого кратного только одному либо первому, либо второму умножителям 36, 38 во время, когда напряжения от первого и второго генераторов 32 и 34 должны обеспечиваться в отдельные временные интервалы. Ненулевое кратное является стробирующим напряжением для определения, какой из сигналов является активным. Согласно предпочтительному варианту осуществления, сумматор 40 выдает сигналы модулируемой мощности в усилитель 44, который обеспечивает соответствующие сигналы электродам газоразрядной трубки 46 по двухполупериодной мостовой схеме 48.
Настоящее изобретение определяется приводимой ниже формулой изобретения, являющейся неотъемлемой частью описания и чертежей.