СПОСОБ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF GENERATING OPTICAL RADIATION

Изобретение относится к светотехнике и приборостроению и может быть использовано при проектировании новых энергоэффективных и высоконадежных газоразрядных источников света, в том числе люминесцентных ламп низкого давления. Изобретение направлено на повышение эффективности получения (генерирования) оптического излучения.
Известен способ генерирования оптического излучения, когда возбуждение и высвечивание возбужденных атомов или молекул газа и рабочего вещества происходит в газовом разряде, а передачу энергии в газовый разряд от источника питания на поддержание газового разряда и компенсацию потерь осуществляют в газоразрядной камере, снабженной электродами, за счет переменного электрического тока, который пропускают через электроды газоразрядной камеры (Источники света. Каталог. - OSRAM, 2009. - С.4.11).
Недостатком способа генерирования оптического излучения является низкая эффективность, что обусловлено ограниченностью способа электродной передачи энергии в газовый разряд. Увеличение мощности приводит к увеличению плотности тока проводимости, что снижает величину выхода резонансного излучения рабочего вещества. Одновременно характерен малый срок службы устройств, реализующих электродный способ генерирования оптического излучения, определяемый повышенным износом и старением элементов и частей этих устройств. В частности, имеет место сравнительно быстрый износ электродов и быстрая деградация материала газоразрядной камеры и, например, люминофора (квантового конвертера), наносимого на ее внутреннюю поверхность, из-за их загрязнения продуктами, образующимися в электрическом разряде в процессе эксплуатации, в том числе, и на электродах, выполняемых со специальными оксидными покрытиями для уменьшения работы выхода электронов.
Известен способ генерирования оптического излучения, когда возбуждение и высвечивание возбужденных атомов или молекул газа и рабочего вещества происходит в газовом разряде, а передачу энергии в газовый разряд от источника питания на поддержание газового разряда и компенсацию потерь осуществляют в газоразрядной камере, снабженной индуктором, за счет электромагнитной индукции от индуктора индукционного разряда высокой частоты (Каталог ламп 2009/2010 гг. - GE LIGHTING, 2009. - С.75).
Недостатком способа генерирования оптического излучения является низкая эффективность, что обусловлено значительными потерями электрической энергии в высокочастотном источнике питания. Индуктор при работе на высокой частоте имеет низкий коэффициент полезного действия. Кроме того, высокочастотный источник питания сложен в изготовлении и эксплуатации и имеет низкую надежность работы. Значительны и потери электромагнитной энергии за счет ее рассеивания в пространстве (принципиальные недостатки конструкций газоразрядных камер).
Известен способ генерирования оптического излучения, когда возбуждение и высвечивание возбужденных атомов или молекул газа и рабочего вещества происходит в газовом разряде, а передачу энергии в газовый разряд от источника питания на поддержание газового разряда и компенсацию потерь осуществляют в газоразрядной камере, снабженной двумя индукторами, за счет электромагнитной индукции от двух индукторов и вихревых электрических токов замкнутого индукционного разряда трансформаторного типа средней частоты (Источники света. Каталог. - OSRAM, 2009. - С.3.30).
Указанный способ генерирования оптического излучения, принципиально, подобен способу, использующему индукционный разряд высокой (или средней) частоты. И в том и в другом случае, энергия в разряд поступает за счет электромагнитного поля. Это является решающим преимуществом, обеспечивающим длительный срок службы индукционных устройств генерирования оптического излучения и их сравнительно высокую эффективность на больших мощностях, а также, в частности, малое содержание ртути в газоразрядной камере, если ртуть используется в качестве рабочего вещества. Замкнутый индукционный разряд трансформаторного типа более эффективен энергетически и позволяет снизить рабочие частоты устройств, реализующих способ генерирования оптического излучения. Известный способ генерирования оптического излучения является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком способа генерирования оптического излучения, выбранного за прототип, является недостаточно высокая эффективность. Это обусловлено значительными потерями электрической энергии в источнике питания. Индуктор при работе на высокой и средней частоте имеет сравнительно низкий коэффициент полезного действия. Инициировать разряд в газоразрядной камере довольно сложно, особенно при низкой концентрации ртути и при ее отсутствии. При сравнимых мощностях устройства замкнутого индукционного разряда трансформаторного типа проигрывают электродным устройствам по световой эффективности.
Изобретение направлено на решение задачи повышения эффективности получения оптического излучения, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в способе генерирования оптического излучения, когда возбуждение и высвечивание возбужденных атомов или молекул газа и рабочего вещества происходит в газовом разряде, передачу энергии в газовый разряд от источника питания на поддержание газового разряда и компенсацию потерь осуществляют в газоразрядной камере, снабженной индуктором или несколькими индукторами и электродами, одновременно за счет электромагнитной индукции от индуктора или нескольких индукторов индукционного разряда высокой или средней частоты или вихревых электрических токов замкнутого индукционного разряда трансформаторного типа средней или низкой частоты и от постоянного или переменного электрического тока, который пропускают через электроды газоразрядной камеры.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение эффективности получения оптического излучения, что достигается за счет принятого нового гибридного принципа преобразования электрической энергии в световую энергию. Световая энергия вырабатывается за счет эффективного (и одновременного) использования энергии как тока проводимости, так и энергии индуцированных (вихревых) токов в газоразрядной камере. Оба вида преобразования энергии оптимально дополняют друг друга и позволяют создать источники оптического излучения с высокой эффективностью и максимально длительным сроком службы, что обусловлено существенным снижением скорости износа электродов и замедлением деградации материала газоразрядной камеры и люминофора (если он применяется в качестве квантового конвертера) при загрязнении продуктами, образующимися в электрическом разряде в процессе эксплуатации. Имеет место выраженный синергетический эффект от применения нового принципа преобразования электрической энергии в световую энергию и передачи ее в газовый разряд в газоразрядной камере по двум каналам. Люминофор, в частности, может быть надежно защищен от загрязнения продуктами, образующимися в объеме электрического разряда, за счет использования электродов без специальных оксидных покрытий, работающих, кроме прочего, при меньших плотностях токов. Это существенно снижает скорость его деградации и увеличивает общий срок службы устройств на основе заявляемого способа генерирования оптического излучения. За счет электромагнитной индукции может быть обеспечен и качественный бесконтактный подогрев электродов. Упрощается применение амальгам (ртути в связанном состоянии). Устройства оптического излучения, таким образом, становятся более безопасными с экологической точки зрения. Энергия в разряд через электроды может поступать от постоянного или переменного тока проводимости с высокой эффективностью.
Повышение эффективности получения оптического излучения является полученным техническим результатом, обусловленным новым гибридным принципом преобразования энергии и новыми действиями в способе, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа генерирования оптического излучения являются существенными.
На рисунке приведен пример типовой конструкции источника оптического излучения, в котором реализуется заявляемый способ генерирования оптического излучения.
Способ генерирования оптического излучения, когда возбуждение и высвечивание возбужденных атомов или молекул газа и рабочего вещества происходит в газовом разряде, реализуется следующими действиями. Энергию в газовый разряд от источника питания на поддержание газового разряда и компенсацию потерь передают в газоразрядной камере, снабженной индуктором или несколькими индукторами и электродами. При этом передачу энергии осуществляют одновременно за счет электромагнитной индукции от индуктора или нескольких индукторов индукционного разряда высокой или средней частоты или вихревых электрических токов замкнутого индукционного разряда трансформаторного типа средней или низкой частоты и от постоянного или переменного электрического тока. Электрический ток (проводимости) пропускают через электроды газоразрядной камеры.
Устройство (источник) оптического излучения содержит газоразрядную камеру 1 в виде трубки из оптически прозрачного материала, заполненную газом и рабочим веществом, с индуктором 2 и электродами 3, соединенными с выходами источника питания 4. Индуктор 2 (индукторы) выполнен в виде катушки с сердечником из ферромагнитного материала, имеющей выводы для подключения к источнику питания 4. Индукторов (2) может быть несколько, и они могут располагаться в непосредственной близости от электродов 3, что позволяет осуществить, одновременно, эффективный индукционный подогрев электродов 3. Электрическая цепь устройства замыкается через электроды 3.
Устройство в установившемся режиме работает следующим образом. Газоразрядная камера 1 через электроды 3, установленные на ее противоположных концах, подключается к источнику питания 4. Газоразрядная камера 1, в данном случае, является несущей конструкцией, на которой устанавливаются все остальные элементы устройства (например, цоколи с электродами 4, индуктор (индукторы) 2 с выводами для подключения к источнику питания 4), и основным рабочим элементом всего устройства (источника оптического излучения). При работе устройства часть энергии рассеивается, что приводит к разогреву элементов. Отвод тепла осуществляется, в том числе, газоразрядной камерой 1 через ее стенки. Источник питания 4 устройства выполняется в виде специального электронного блока. Электронный блок преобразует, например, переменное напряжение питающей сети низкой частоты в переменное напряжение повышенной частоты, необходимое для питания разрядной камеры 1 через электроды 3 и индуктора 2 и поддержания в ней электрического разряда за счет передачи энергии от вихревых токов, возникающих за счет электромагнитной индукции (индуктор 2) в плазме электрического разряда газоразрядной камеры 1 и от постоянного или переменного тока проводимости, протекающего через электроды 3 камеры 1. При работе устройства электронный блок обеспечивает требуемые параметры преобразования напряжения питающей сети (низкие пульсации выходного напряжения и тока устройства, стабилизированный выходной ток, высокий коэффициент мощности и коэффициент полезного действия). Электрический разряд в камере 1 излучает свет определенных длин волн, который преобразуется, например, люминофором, нанесенным на ее внутреннюю поверхность, восстанавливающим недостающие части спектра с целью получения «белого света». Энергия, как отмечено выше, поступает в объем газоразрядной камеры 1 по двум каналам преобразования: от вихревых токов, наводимых переменным электромагнитным полем индукторов (дросселей) 2, имеющих выводы для подключения к электронному блоку (источнику питания 4), за счет электромагнитной индукции, и от тока проводимости. Индуктор (индукторы) 2 является рабочим элементом электронного блока и, в частности, выполняет функцию ограничительного дросселя. Электромагнитная индукция (поле высокой напряженности индукторов 2) вызывает ионизацию атомов рабочего вещества газоразрядной камеры 1 и образование плазмы. Плазма представляет собой проводящую среду, и разрядная камера 1, таким образом, выполняет роль вторичной обмотки эквивалентного трансформатора, первичной обмоткой которого является обмотка индуктора (дросселя) 2, а сердечником трансформатора - ферромагнитный сердечник индуктора 2. Электрическая цепь вторичной обмотки также замыкается через электроды разрядной камеры 1, в результате чего через нее дополнительно протекает ток проводимости, поддерживающий разряд. Сердечники из ферромагнитного материала индукторов 2 локализуют магнитный поток индукторов 2 (обмотки индукторов 2) в объеме. Потоки рассеяния индукторов 2 замыкаются через части разрядной камеры 1, вызывая формирование вихревых токов в ее объеме. Ускоренные электроны плазмы возбуждают атомы рабочего вещества разрядной камеры 1. Переход атомов рабочего вещества в нормальное состояние вызывает излучение световых волн, в том числе, в ультрафиолетовом диапазоне. Индукторы 2 являются, как отмечено, компонентами схемы электронного блока устройства, обеспечивая его работоспособность и ограничение тока проводимости через электроды разрядной камеры 1. Разрядная камера 1 включается в электрическую цепь устройства по резонансной схеме через электроды 3 на ее концах (работа на переменном токе). Возможна работа с сохранением принципа и на постоянном токе через электроды 3.
Индукторы 2 лампы могут состоять, в общем случае, из одной или более частей в зависимости от конструкции разрядной камеры 1. Части индукторов 2 могут располагаться и на других участках разрядной колбы 1, например, на ее центральном участке или на концах. Обмотки индукторов 2 целесообразно выполнять из высокочастотного (многожильного) провода с изолированными жилами, что снижает электрические потери и повышает эффективность преобразования энергии. Сердечники индукторов 2 могут быть изготовлены с дополнительными элементами охлаждения, например, со специальными радиаторами из меди (для ламп большой мощности). Электроды 3 разрядной камеры 1, в общем случае, могут не иметь дополнительного специального (оксидного) покрытия, повышающего их эмиссионные свойства. Разрядная камера 1 может быть выполнена без люминофорного покрытия или со специальным люминофорным покрытием, например, в источниках ультрафиолетового излучения, в том числе, амальгамных эритемных лампах. Принцип работы устройства при этом не изменяется. Основным остается гибридный способ преобразования электрической энергии в световую энергию по двум каналам: от вихревых токов, возбуждаемых переменным электромагнитным полем индукторов 2 в объеме разрядной камеры 1, и от тока проводимости через электроды 3 разрядной камеры 1. В результате существенного уменьшения электрической нагрузки на электроды 3 снижается их износ, в частности, распыление оксидного покрытия, если оно наносится, что увеличивает срок службы и надежность работы источника оптического излучения. Отсутствие интенсивного распыления электродов 3 обеспечивает повышение сроков службы и снижение скорости деградации люминофора и материала разрядной камеры 1, вызываемых их загрязнением продуктами, образующимися в объеме электрического разряда.
Срок службы оптического излучения с использованием нового способа, по сравнению с прототипом, может быть увеличен в 1,5 раза (до 60÷70 тыс.ч), в том числе, за счет повышения надежности работы источника питания.
По сравнению с прототипом существенно повышается коэффициент полезного действия устройств на основе заявляемого способа генерирования оптического излучения. Электрическая энергия преобразуется в световую энергию по двум каналам: от вихревых токов за счет электромагнитной индукции и от тока проводимости. В результате, каждый элемент устройств является, фактически, оптимальным и может быть выполнен с минимальными потерями энергии. За счет этого может быть расширен диапазон устройств в сторону повышенных мощностей. Источник питания за счет использования нового принципа работает на оптимальной (сравнительно низкой) частоте с малыми электрическими потерями. Его коэффициент полезного действия увеличивается, приблизительно, на 5÷7%.
Обеспечивается более высокая световая эффективность устройств. По сравнению с прототипом световая эффективность устройств на новом принципе может возрасти до 110÷120 лм/Вт, что на 50÷60% выше, чем в известных устройствах, использующих, в частности, электрический разряд низкого давления.
Может быть снижено и общее количество ртути при выполнении устройств на заданную мощность.
По сравнению с прототипом может быть существенно упрощена конструкция и снижена цена (на 10÷15%) устройств, в том числе, за счет отсутствия необходимости применения электродов с дополнительными (оксидными) покрытиями, уменьшения потерь мощности в элементах и снижения их загрузки по току, следовательно, за счет возможности использования элементов устройств на меньшую установленную мощность и с более низкой ценой.
По сравнению с прототипом могут быть снижены весогабаритные показатели новых устройств, реализованных с использованием заявляемого способа генерирования оптического излучения, за счет оптимизации конструкции.
Устройства могут работать в более широком диапазоне рабочих температур (до - 40°С), в том числе, за счет улучшения условий пуска (зажигания разряда) и оптимизации пусковых режимов.