УСТРОЙСТВО ВОЗБУЖДЕНИЯ БЕЗЭЛЕКТРОДНОЙ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

Полезная модель относится к электротехнике и светотехнике, в частности, к осветительным устройствам на основе безэлектродной газоразрядной лампы со сверхвысокочастотной (СВЧ) накачкой при наличии вращения ее колбы и может быть использована для обеспечения максимально возможного срока службы основных конструктивных элементов (колбы горелки и магнетрона) осветительной аппаратуры на основе мощного безэлектродного СВЧ разряда.
Известна использующая микроволну безэлектродная осветительная установка (RU 2259614 С2, МПК H01J 65/04, Н05В 37/00, опубликовано 27.08.2005 г.) - [1], содержащая безэлектродную электролампу, магнетрон и устройство электропитания, которое обеспечивает магнетрон униполярным постоянным напряжением питания и содержит релейный блок, контроллер, блок охлаждения и высокочастотный преобразователь с высоковольтным трансформатором для преобразования стандартной энергии переменного тока в высоковольтную энергию переменного тока и выдачи высоковольтной энергии переменного тока и блоком удвоения напряжения для преобразования высоковольтной энергии переменного тока в высоковольтную энергию постоянного тока, увеличения частоты тока энергии постоянного тока и выдачи энергии постоянного тока с повышенной частотой.
Основным недостатком этого устройства [1] является отсутствие возможности отследить моменты перегрева колбы СВЧ-газоразрядной лампы при выходе из строя электродвигателя вращения колбы или перегрева магнетрона при погасании или не возбуждении безэлектродной лампы и защитить осветительное устройство от его полного отказа, так как плазма возбуждается в месте лампы, расположенном напротив выходного отверстие СВЧ волновода, внутри лампы в 20-30% объема вблизи колбы и автоматического перемешивания наполнителя (серы) внутри практически нет.
Известно устройство генерации оптического излучения (RU 2159021 С2, МКП Н05В 41/24, 41/30, опубликовано 10.11.2000 г.) - [2], которое содержит СВЧ безэлектродную лампу высокой интенсивности, содержащую горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом веществ (например, порошкообразной серой), источник постоянного напряжения, СВЧ генератор в виде магнетрона и СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения указанной колбы, а также цепь, содержащую источник постоянного напряжения и импульсный модулятор на основе титрона (тиратрона).
Недостатком устройства [2] является отсутствие возможности определения момента для срабатывания аварийного отключения сетевого питания при остановке или уменьшении ниже оптимальной величины скорости вращения колбы СВЧ-газоразрядной лампы. Любое замедление вращения или остановка приводят к перегреву колбы или ее участка и, как следствие, ее расплавлению и разгерметизации, что, в конечном счете, приводит к необратимому погасанию СВЧ-газоразрядной лампы.
Вторым недостатком является отсутствие возможности контролировать предельное значение температуры магнетрона. Превышение его максимального значения приводит к существенному снижению срока службы или полному отказу магнетрона, что, в конечном счете, также приводит к необратимому погасанию СВЧ газоразрядной лампы.
Известна наиболее близкая по технической сущности к предлагаемому техническому решению и выбранная в качестве прототипа безэлектродная разрядная лампа, использующая энергию СВЧ-диапазона (RU 2223572 С1, МПК: H01J 65/04, опубликовано 10.02.2004 г.) - [3], которая содержит: баллон (колбу), выполненный из оптически прозрачного материала, наполненный рабочим плазмообразующим составом веществ, размещенный в сетчатом резонаторе с отражателем и закрепленный на валу присоединенного к сети электродвигателя, СВЧ генератор, выполненный в виде магнетрона, электродинамическую систему в виде коаксиального волновода, генератор высокого напряжения. При этом магнетрон присоединен к резонатору лампы посредством коаксиального волновода, генератор высокого напряжения, присоединенный входом к сети, соответствующими выходами присоединен к катоду и нити накала катода магнетрона, анод которого заземлен.
Недостатком устройства [3] является не возможность обеспечения сохранности основных его элементов (колбы и магнетрона) от выхода из строя при не штатных ситуациях (остановке вращения колбы и/или перегреве магнетрона). Не штатное изменение скорости вращения электродвигателя может происходить при изменении сетевого напряжения питания, повреждения, загрязнения, замерзания подшипника или увеличения аэродинамического сопротивления системы охлаждения блоков питания СВЧ газоразрядной лампы.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства возбуждения безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы, позволяющего устранить возможность необратимого выхода из строя всего устройства из-за локального перегрева колбы лампы (при уменьшении ниже допустимого значения скорости вращения колбы лампы) или перегрева магнетрона (при погасании или не возбуждении СВЧ безэлектродной газоразрядной лампы) за счет возможности автоматического отслеживания моментов не штатного уменьшения скорости вращения электродвигателя или не штатного увеличения температуры магнетрона.
Техническим эффектом от использования предлагаемого технического решения является повышение долговечности (срока службы) излучателя в целом, что достигается за счет возможности автоматического отключения питания в случаях близких к аварийным относительно колбы СВЧ газоразрядной лампы и магнетрона (неравномерном нагреве всей поверхности колбы лампы и возможности ее разрушения, а также необратимом нарушении работы магнетрона и возможности выхода его из строя при температуре выше предельно допустимого значения).
Поставленная задача и указанный технический эффект достигаются тем, что устройство возбуждения безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы, содержащее горелку с колбой, которая выполнена из оптически прозрачного материала, наполнена рабочим плазмообразующим составом веществ, размещена в сетчатом резонаторе с отражателем и закреплена на валу электродвигателя, СВЧ генератор, выполненный в виде магнетрона, электродинамическую систему в виде волновода, генератор высокого напряжения, при этом магнетрон присоединен к резонатору горелки посредством волновода, генератор высокого напряжения, присоединенный соответствующим входом к сети, присоединен соответствующими выходами к катоду и нити накала катода магнетрона, анод которого заземлен, снабжено датчиком вращения, термодатчиком, пороговым устройством равномерности температуры колбы горелки, пороговым устройством предельной температуры магнетрона, блоком аварийного отключения, индикатором аварийного отключения, при этом датчик вращения, который присоединен к валу электродвигателя, электрическим выходом присоединен к входу порогового устройства равномерности температуры колбы лампы, выход которого присоединен к одному из входов блока аварийного отключения, кроме того, термодатчик, который присоединен к корпусу магнетрона, электрическим выходом подсоединен к входу порогового устройства предельной температуры магнетрона, выход которого присоединен к другому входу блока аварийного отключения, один из выходов которого выполнен с гальванической развязкой и присоединен к соответствующему входу генератора высокого напряжения, а другой выход которого присоединен к индикатору аварийного отключения.
Присоединение к валу электродвигателя датчика вращения и присоединение его электрического выхода к пороговому устройству равномерности температуры колбы лампы позволяет обеспечить постоянный контроль числа оборотов электродвигателя, а, следовательно, наблюдение за изменениями температуры колбы лампы. При любом изменении скорости вращения вала электродвигателя по длительности соединенный с пороговым устройством равномерности температуры колбы блок аварийного отключения обеспечивает при необходимости автоматическое отключение генератора высокого напряжения с одновременным включением индикатора аварийного отключения.
Использование подсоединенного к корпусу магнетрона термодатчика, электрический вывод которого подключен к пороговому устройству предельной температуры магнетрона обеспечивает постоянный контроль температуры магнетрона. При превышении ею допустимого значения срабатывает блок аварийного отключения генератора высокого напряжения и включается индикатор аварийного отключения
Таким образом, повышаются надежность работы и долговечность предлагаемой осветительной аппаратуры на основе газоразрядной безэлектродной лампы за счет устранения возможности необратимого выхода из строя всего устройства из-за локального перегрева колбы лампы при уменьшении скорости ее вращения, перегрева магнетрона при погасании или не возбуждении безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы или не штатного увеличения температуры магнетрона, которое вызывает необратимое нарушение его работы. Особенно это важно для источников света, находящихся длительное время в условиях экстремально низких или высоких температур при редком техническом обслуживании, например в условиях Арктики при работе как на поверхности, так и в условиях, например, подводного или подземного освещения.
Сопоставительный анализ предлагаемого устройства возбуждения безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие описания таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
На фиг.1 представлена блочная электрическая схема предлагаемого устройства возбуждения безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы.
На фиг.2 представлен вариант развернутой электрической схемы устройства возбуждения безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы.
Представленное на фиг.1 устройство возбуждения безэлектродной сверхвысокочастотной газоразрядной лампы содержит: горелку с колбой - 1, при этом колба 1 выполнена из оптически прозрачного материала и наполнена рабочим плазмообразующим составом веществ; сетчатый резонатор - 2, в котором размещена колба 1; отражатель - 3, в котором закреплен резонатор 2 с колбой 1; электродвигатель - 4, на валу - 5 которого закреплена колба 1 горелки; СВЧ генератор в виде магнетрона - 6, анод которого заземлен; волновод - 7, соединяющий магнетрон 6 с резонатором 2 горелки; генератор высокого напряжения - 8, который присоединен соответствующими входами к сети и выходами к катоду и нити накала катода магнетрона 6.
Кроме того, устройство на фиг.1 имеет: датчик вращения - 9, присоединенный к валу 5 электродвигателя 4; термодатчик - 10, присоединенный к корпусу магнетрона 6; пороговое устройство равномерности температуры колбы лампы - 11, вход которого соединен с электрическим выходом датчика вращения 9; пороговое устройство предельной температуры магнетрона - 12, вход которого соединен с электрическим выходом термодатчика 10; блок аварийного отключения - 13, к соответствующим входам которого подсоединены выходы пороговых устройств равномерности температуры колбы лампы 11 и предельной температуры магнетрона 12, при этом один выход блока аварийного отключения 13, выполненный обязательно с гальванической развязкой, присоединен к соответственному входу генератора высокого напряжения 8; а другой его выход - к индикатору аварийного отключения - 14, сигнализирующего об отключении генератора высокого напряжения 8 в аварийной ситуации.
На фиг.2 представлено устройство возбуждения безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы с конкретным вариантом выполнения его узлов.
Генератор высокочастотного (ВЧ) напряжения 8 содержит: ВЧ выпрямительно-инверторный блок силового питания - 15, один из входов которого присоединен к сети; трансформаторно-выпрямительный источник высокого напряжения - 16, вход которого соединен с соответствующим выходом ВЧ выпрямительно-инверторного блока силового питания 15; регулируемый модулятор длительности высоковольтных импульсов - 17, который входом соединен с одним из выходов трансформаторно-выпрямительного источника высокого напряжения 16, а выходом - к катоду магнетрона 6; источник напряжения накала катода магнетрона - 18, присоединенный входом к другому выходу трансформаторно-выпрямительного источника высокого напряжения 16, а выходами - к клеммам нити накала катода магнетрона 6.
Пороговое устройство равномерности температуры колбы лампы 11 содержит: интегратор - 19, вход которого соединен с электрическим выходом датчика вращения 9; усилитель - 20, присоединенный входом к выходу интегратора 19; источник опорного напряжения - 21; компаратор - 22, к входу которого присоединены выходы усилителя 20 и источника опорного напряжения 21; пороговое устройство - 23, присоединенное входом в выходу компаратора 22. При этом датчик вращения 9 измеряет число оборотов оси 5 электродвигателя 4 при вращении колбы 1 горелки и передает данные в виде импульсов в интегратор 19 порогового устройства 11. Импульсы с усилителя 20 от интегратора 19 сравнивают в компараторе 22 с эквивалентным заданному числу оборотов опорным постоянным напряжением от источника 21 и передают сигнал в пороговое устройство 23, которое обеспечивает выдачу сигнала на отключение силового питания при появлении напряжения на выходе порогового устройства 23.
Пороговое устройство предельной температуры магнетрона 12 содержит: усилитель - 24, к входу которого присоединен электрический выход термодатчика 10; источник опорного напряжения - 25; компаратор - 26, к входу которого присоединены выходы усилителя 24 и источника опорного напряжения 25; пороговое устройство - 27, вход которого присоединен к выходу компаратора 26. При этом сигнал с термодатчика 10 усиливается и поступает на компаратор 26, обеспечивающий сравнение полученного напряжения с напряжением от источника опорного напряжения 25. При превышении температуры на магнетроне 6 появившийся после компаратора 26 сигнал поступает на пороговое устройство 27.
Блок аварийного отключения 13 содержит: соединенные последовательно логический блок «ИЛИ» - 28, раздельные входы которого соединены с пороговыми устройствами 23 и 27 пороговых устройств равномерности температуры колбы лампы 11 и предельной температуры магнетрона 12 соответственно для обеспечения прохождения сигнала на отключение как от датчика вращения 9, так и от термодатчика 10; накопитель - 29 с саморазрядом, обеспечивающий временную задержку выходного сигнала на отключение; усилитель - 30; оптрон - 31, обеспечивающий гальваническую развязку логической схемы от силового ВЧ питания.
Блок аварийного отключения 13 обеспечивает автоматическое отключение через оптрон 31 ВЧ выпрямительно-инверторного блока силового питания 15 в генераторе высокого напряжения 8 и включение индикатора аварийного отключения 14 от усилителя 30 как при уменьшении скорости вращения электродвигателя 4, так и/или при повышении температуры магнетрона 6.
Защита от уменьшения числа оборотов электродвигателя 4 достигается благодаря тому, что напряжение от датчика вращения 9 в виде импульсов, пропорциональных скорости вращения электродвигателя 4, подается непрерывно и также непрерывно сравнивается с сигналом от источника опорного напряжения 21. Поэтому любой спад скорости вращения колбы 1 по длительности, превышающий временную задержку, установленную накопителем 29, вызывает отключение ВЧ выпрямительно-инверторного блока силового питания 15. Временная задержка, устанавливаемая накопителем 29 необходима для возможности запуска в работу всего устройства в целом.
Предлагаемое устройство возбуждения безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы, изображенное на фиг.2, работает следующим образом.
Сначала все устройство выходит на оптимальный температурный режим с помощью блоков терморстабилизации, которые на схеме условно не показаны, так как не влияют на достижение технического эффекта. После создания оптимального внешнего температурного режима магнетрона 6, источника питания (генератора высокого напряжения 8), лампы в форме горелки с СВЧ-возбуждением и электродвигателя 4 вращения колбы 1 этой лампы, начинается процесс зажигания плазмы в колбе 1 лампы с СВЧ возбуждением путем запуска в работу магнетрона 6 без ударных тепловых и электрических нагрузок при минимально возможной длительности импульса.
В исходном положении все питающие напряжения отсутствуют. При включении сетевого питания начинает работать сетевой высокочастотный выпрямительно-инверторный блок силового питания 15. Высокочастотное напряжение повышается и выпрямляется с помощью трансформаторно-выпрямительного источника высокого напряжения 16, постоянное напряжение с которого с помощью регулируемого модулятора длительности высоковольтных импульсов 17 превращается в импульсное, модулированное по длительности, обеспечивая возможность плавного изменения мощности возбуждения магнетрона 6 при сохранении его электрического КПД. Чем больше длительность, тем больше выходная мощность и наоборот. Одновременно высокочастотное напряжение после трансформаторно-выпрямительного источника высокого напряжения 16 поступает на источник напряжения накала катода магнетрона 18, где понижается, выпрямляется и фильтруется. Под воздействием этого напряжения катод магнетрона 6 разогревается и появляется электронный ток катод-анод и магнетрон 6 начинает генерировать СВЧ импульсы длительностью, заданной регулируемым модулятором длительности высоковольтных импульсов 17. СВЧ импульсы по волноводу 7 поступают в резонатор 2, вызывая возбуждение безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы.
Если скорость вращения колбы 1 лампы окажется ниже заданной или температура магнетрона 6 окажется выше заданной, то сработает блок аварийного отключения 13 и один сигнал с оптрона 31 отключит высокочастотный выпрямительно-инверторный блок силового питания 15, при этом второй сигнал от усилителя 30 включит индикатор аварийного отключения 14. Далее при необходимости вручную отключается сетевое питание.
Повторное включение сетевого питания может быть проведено вручную после устранения дефекта двигателя и/или магнетрона.
Таким образом, пороговые устройства 11, 12 и блок аварийного отключения 13 обеспечивают не только защиту колбы 1 СВЧ газоразрядной лампы, но и защиту магнетрона 6 от перегрева.
Особенно это важно для технологического устройства, которым является источник света, находящийся длительное время в условиях экстремально низких или высоких температур при редком (раз в год) техническом обслуживании, например, в условиях Арктики при температуре внешней среды до минус 60°С, или в условиях подводного освещения при монтаже или эксплуатации подводных буровых платформ, или подземного освещения в тоннелях или пещерах, то есть при большом удалении от сервисного обслуживания.
В этом устройстве используется отключение высокочастотного выпрямительно-инверторного блока силового питания 15 при снижении меньше порогового значения скорости вращения электродвигателя колбы 1 СВЧ газоразрядной лампы и/или при превышении температуры магнетрона 6.
Все функциональные блоки предлагаемого устройства с целью обеспечения стабильности работы устройства при возможном изменении исходного сетевого напряжения питания работают от источника собственных нужд на высокой промежуточной частоте, например, не менее 20 кГц.
Предлагаемая полезная модель позволяет:
- обеспечить повышение качества работы и долговечности безэлектродной СВЧ газоразрядной лампы в целом и ее магнетрона в частности.
Исходя из вышеизложенного, созданное по энергосберегающей экологически чистой технологии предлагаемое устройство решает задачу создания долговечного биокомфортного осветительного устройства с СВЧ-возбуждением, не боящегося отказа одного из наименее надежных элементов - электродвигателя или магнетрона при изменении внешних температур или напряжения питания.