СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛАМП
METHOD FOR INCREASE OF ELECTRIC LAMP EFFICIENCY FACTOR

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, в частности к светотехнике, способам и средствам повышения эффективности использования электрических ламп (ЭЛ), и может быть использовано в осветительных установках различного назначения.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В настоящее время существуют импульсные устройства электропитания ламп накаливания (ЛН) (лит.2) и газоразрядных ламп (ГРЛ) с частотами повторения импульсов от десятков и сотен Гц (лит.1) до сотен кило Гц (лит.3). Их общим недостатком является ограниченная область применения. Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ электропитания ламп накаливания, описанный в патенте RU №2094962 (лит.2). Этот способ может быть использован только с ЛН, имеет ограниченную область установки импульсных режимов, не увеличивает ресурс ЛН - недостатки способа. Малый коэффициент полезного действия (КПД) ЭЛ характерен большим процентом тепловых потерь. Невысокий ресурс обусловлен термоэлектрической эмиссией ионов металлов (ТЭИМ) из спиралей и электродов в колбы ламп, что приводит к утоньшению спиралей и электродов, уменьшению светоотдачи (лит.5, стр. 291), росту плотности токов, перегоранию спиралей. Время ТЭИМ - микросекунды (мкс), время перегорания, расплавления спирали - миллисекунды (мс), десятки, сотни мс (у разных типов ЭЛ).
Очевидно, что для уменьшения интенсивности ТЭИМ нужно сделать длительность импульса меньше времени ТЭИМ, паузу между импульсами - больше времени ТЭИМ. Для предупреждения расплавления - перегорания спиралей нужно сделать паузу между несколькими импульсами в несколько мс, то есть сформировать пакетно-импульсный режим (ПИР) электропитания ЭЛ.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Данное предлагаемое изобретение направлено на решение следующих задач:
1. Уменьшение тепловых потерь и повышение КПД ЭЛ.
2. Увеличение ресурса ЭЛ.
Вышеперечисленные задачи решают за счет ПИР электропитания ЭЛ с превышением импульсной мощности над номинальной мощностью ЭЛ и длительностью импульсов меньше времени ТЭИМ, пауз между импульсами - больше времени ТЭИМ, длительностью пакетов импульсов меньше времени перегорания спирали ЭЛ, длительностью пауз между пакетами более времени перегорания спирали ЭЛ.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
В описании способа повышения КПД электрических ламп
представлены следующие чертежи:
Фиг.1 - временные диаграммы мощности Р и напряжения U при пакетно-импульсном (А) и номинальном (Б) электропитании ламп.
Фиг.2 - схема экспериментальная для отработки технических режимов.
Фиг.3 - структурная схема технологической лазерной установки.
Фиг.4 - структурная схема устройства управления тиристорным коммутатором технологической лазерной установки.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Способ повышения КПД ЭЛ, предлагаемый в изобретении, осуществлен автором в нескольких экспериментах.
ВАРИАНТ 1, схема - фиг.2.
В демонстрационном эксперименте с двумя ЛН LI, L2 марки МО 36 В 40 Вт формирователь пакетов импульсов 16 (ФПИ) выполнен в виде стандартной комбинации двух автоколебательных мультивибраторов (лит.4, стр.222) на микросхеме DD1 (фиг.2). Резистор R3 и конденсатор С1 задают диапазон длительностей импульсов и пауз между импульсами, резисторы R1, R2 и диоды VD1, VD2 раздельно устанавливают длительности импульсов и пауз между импульсами. Резистор R4 и конденсатор С2 задают диапазон длительностей пакетов импульсов и пауз между пакетами импульсов, резисторы R5, R6 и диоды VD3, VD4 раздельно устанавливают длительности пакетов импульсов и пауз между пакетами импульсов. Согласующий усилитель (DA1) и силовой транзисторный ключ VT1 (СТК) соединены по стандартной схеме 17 (фиг.2) из (лит.6). Резистор R8 измерительный - сопротивлением 0,1 Ом для косвенного измерения тока в импульсе осциллографом (подсоединение к точкам b - с схемы на фиг.2). Схема (фиг.2) экспериментальная, для отработки технических режимов, выполнена на микросхемах малой степени интеграции К561ЛЕ5 (DD 1) и IRF7307 (DA 1) в пяти вариантах с незначительными изменениями. При промышленной реализации предлагаемого способа повышения КПД ЭЛ целесообразно использовать современные интегральные технологии. Измерения электрических параметров проводились осциллографом Fluke 199 B.
Числовые параметры одного эксперимента (эскизно изображен) на фиг.1:
2
1
- длительность импульса t-t=2 мкс,
3
2
- длительность паузы между импульсами t-t=8 мкс,
4
1
- длительность пакета импульсов t-t=0,5 мс,
5
4
- длительность пауз между пакетами импульсов t-t=1,5 мс,
N
- номинальное напряжение двух ЛН U=72 В,
1
- амплитуда напряжения в импульсе на двух ЛН U=305 В,
U
1
N
- коэффициент превышения напряжения в импульсе K=U/U=305/72=4,24,
N
- номинальная мощность одной ЛН P=40 Вт,
1
- импульсная мощность одной ЛН P=718 Вт, г
Р
U
2
- коэффициент превышения мощности в импульсе К=К =17,95.
Критерии оптимальности: уменьшение тепловых потерь в СТК, ЛН, незаметные для глаз пульсации светового излучения (500 Гц), невысокая стоимость, сопротивление ламп, как в номинальном режиме 33 Ом, увеличение ресурса.
Работа ЛН МО 36 В 40 Вт в ПИР сравнивалась с работой таких же ЛН МО 36 В 40 Вт в номинальном режиме (HP) с питанием постоянным напряжением 36 В, лампы устанавливались в настольные светильники ННБ37-60-147. Сравнительные измерения освещенности проводились в темной комнате при работе двух светильников поочередно в ПИР и HP цифровым люксметром MS - 1300.
Результаты: освещенность в ПИР 320 лк, в HP 260 лк, соответствуют табл.56.3, табл.56.4, табл.56.5 (лит.5, стр.290, 291): при одинаковой мощности ЛН с большим током (меньшим напряжением) дает больший световой поток. Обе ЛН МО 36 В 40 Вт после экспериментов с ПИР в рабочем состоянии, спирали не провисли, заметного утоньшения их не произошло, снижение светового потока на 8% при наработке 1000 часов, наработка продолжается. При эксплуатации с номинальной мощностью снижение светового потока на 20% происходит после наработки 750 часов (лит.5, стр.291), заметно провисание, утоньшение спиралей.
ВАРИАНТ 2
При импульсных режимах работы устройств проявляются нелинейные термодинамические свойства материалов, происходит перераспределение градиента температуры. Наглядный эффект - в импульсной технологической лазерной установке (ТЛУ) по авторскому свидетельству SU №1810262 (лит.1).
В демонстрационных экспериментах с ГРЛ лазерной накачки по предлагаемому изобретению конструкция ТЛУ изменена путем добавления ФПИ 16 (фиг.3, фиг.4) из вышепредставленного варианта 1 на микросхеме DD 1 (фиг.2). Устанавливались параметры: ток в импульсе до 60 Ампер, амплитуда напряжения в импульсе до 350 Вольт. При частоте повторения импульсов 160 Гц (период 6,25 мс, длительность импульса 3 мс, паузы 3,25 мс) и средней мощности луча в импульсном режиме 120 Вт разрезались пластины из дюралевых и медных сплавов, которые не разрезал непрерывный лазер мощностью 2500 Вт. Ко входу задающего генератора 6 (фиг.3, лит.1) формирователя 4 управляющих импульсов коммутатора 3 (фиг.3 в предлагаемом изобретении, фиг.1 из лит.1) подключен выход (точка а, фиг.2) ФПИ и пауз между пакетами импульсов 16, который переводит ТЛУ в ПИР: через 17 импульсов пакета (106,25 мс) следовала пауза 18,75 мс (отсутствие трех импульсов), средняя мощность луча уменьшалась до 102 Вт (на 15%), при этом качество резки и скорость не уменьшались. Период следования пакетов 125 мс, частота 8 Гц, мигание ГРЛ не имеет значения, критерий оптимальности - качество резки и снижение энергопотребления, увеличение ресурса ГРЛ и ТЛУ. Таким образом ПИР электропитания для ГРЛ накачки предлагаемого изобретения позволяет снизить энергозатраты, повысить ресурс (за счет уменьшения тепловых потерь и перегрева элементов) по сравнению с импульсным режимом ТЛУ изобретения SU №1810262 (лит.1) без снижения качества и производительности обработки материалов.
В настоящее время предлагаемый способ повышения КПД ЭЛ проходит проверку на других типах ЛН и ГРЛ, это подтверждает его эффективность и универсальность.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. Авторское свидетельство SU №1810262 кл. В23К 26/00, опубл. 23.04.93 г.
2. Патент RU №2094962 кл. Н05В 39/09, опубл. 1997.10.27.
3. Заявка на патент RU №95109365 кл. Н05В 41/28, опубл. 1997.04.27.
4. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы. - М.: Радио и связь, 1989 г.
5. Электротехнический справочник, том 3, кн. 2. - М.: Энергоатомиздат, 1988 г.
6. Сайт в Интернете фирмы International Rectifier www.irf.com. Application Note AN-937, pages 5, 6, 7.