ЛАМПА С КОАКСИАЛЬНОЙ ЛИНИЕЙ ПЕРЕДАЧИ
LAMP WITH COAXIAL TRANSMISSION LINE

Изобретение относится к технике импульсных источников света, в частности рассматривается принцип построения источника питания для возбуждения активных сред ламп, возбуждаемых барьерным разрядом или других нагрузок.
Традиционно для возбуждения активных сред ламп барьерного разряда используется либо напряжение гармонической формы [1], либо импульсное напряжение [2]. В работах [2, 3] показано, что импульсное возбуждение эксиламп барьерного разряда приводит к более эффективному излучению эксимерных и эксиплексных молекул в сравнении с напряжением гармонической формы. Так используемая схема источника питания, предложенная в [4], содержит источник постоянного напряжения, схему управления, инвертор, нагрузкой которого является повышающий импульсный трансформатор, вторичная обмотка которого подключается к электродам эксилампы. Однако данная схема оказывается малоэффективна, если необходимо обеспечить подключение нагрузки через линию связи даже относительно небольшой длины. В источниках возбуждения такого типа импульсы тока и напряжения возбуждения имеют квазипрямоугольную форму, с малыми временами нарастания и спада, вследствие чего они обладают повышенным уровнем электромагнитных помех.
Также известна лампа со схемой возбуждения [5], содержащая источник постоянного напряжения, схему управления, инвертор, резонансную схему, нагруженную на повышающий трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к электродам лампы. Описываемый источник возбуждения является наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату и принят нами за прототип. Однако он имеет существенный недостаток - значительно меньшую эффективность возбуждения лампы, что связано с отсутствием паузы тока, необходимой для релаксации плазмы в газоразрядном промежутке. Увеличение эффективности при импульсном возбуждении эксиламп при наличии паузы между импульсами длительностью, намного большей длительности импульсов, имеет место благодаря формированию оптимальной функции распределения электронов по энергии и минимизации упругих и неупругих потерь энергии электронов в процессах, не приводящих к образованию эксимерных молекул [2].
Часто бывают востребованы лампы, в которых источник питания и излучатель соединены экранированным коаксиальным кабелем длиной 50 см и более. Как известно коаксиальная линия является существенной нагрузкой для импульсных источников с микросекундными фронтами импульсов, что значительно снижает КПД устройства в целом.
Задачей изобретения - повышение КПД лампы, при ее питании через длинную линию передачи и, соответственно, обладающей значительной емкостью, путем повышения эффективности возбуждения активной среды лампы. При этом желательно минимизировать уровень излучаемых электромагнитных помех, что особенно важно, например, при использовании таких приборов медицинской технике или в приложениях, связанных с высокоточными измерениями.
Указанная задача достигается тем, что в известной лампе, представляющей собой емкостную нагрузку источника питания, содержащего источник постоянного напряжения, подключенный к инвертору, нагруженному на резонансный контур и повышающий трансформатор, согласно изобретению лампа соединена через коаксиальную линию передачи с вторичной обмоткой трансформатора, а инвертор содержит дополнительно прерыватель для возбуждения лампы пачками импульсов гармонической формы.
В предложенной лампе инвертор соединен с импульсным трансформатором и линией не напрямую, а через резонансную цепь, представляющую собой индуктивно-емкостный преобразователь переменного напряжения в ток, что позволяет не только формировать в линии и на нагрузке импульсы напряжения и тока гармонической формы, но и получить некоторое увеличение напряжения, связанное с резонансными процессами, протекающими в образуемых резонансных контурах. Для реализации паузы тока через нагрузку схема источника питания формирует периодически повторяющиеся пачки импульсов гармонической формы для обеспечения возможности передачи сигнала возбуждения по линии связи с малыми потерями. Такое решение позволяет не только достичь лучшего согласования источника переменного напряжения с нагрузкой в виде линии и лампы барьерного разряда, но и реализовать включение силовых транзисторов преобразователя в нуле тока, вследствие чего значительно уменьшаются коммутационные потери источника питания.
На фиг.1 изображена блок-схема источника питания лампы.
На фиг.2 приведены эпюры напряжения на электродах лампы.
Блок-схема источника питания лампы состоит из источника постоянного напряжения 1, инвертора со схемой управления 2, прерывателя 3, резонансного контура 4, повышающего трансформатора 5, линии передачи 6, лампы барьерного разряда 7.
Устройство работает следующим образом. При работе инвертора 2, питаемого от источника постоянного напряжения 1, в резонансном колебательном контуре 4 возбуждаются гармонические колебания. Колебательный контур 4 нагружен на повышающий трансформатор 5, вторичная обмотка которого подключена к электродам лампы барьерного разряда 7 через линию 6. Таким образом, на электроды лампы подается высоковольтное напряжение гармонической формы. Линия 6 представляет собой дополнительную емкость, которая также участвовала в резонансном колебательном процессе. После нескольких осцилляций в колебательном контуре прерыватель 3 запрещает работу инвертора. Колебания в резонансном контуре 4 прекращаются, равно как на электродах лампы. При этом соответственно возбуждение лампы также прекращалось, благодаря чему происходило релаксация плазмы в газоразрядном промежутке. После некоторой паузы инвертор запускается снова и весь процесс повторяется. В результате на электродах лампы появляются пачки гармонических колебаний с паузами между пачками, как показано на фиг.2.
Пример конкретного выполнения заявляемого изобретения.
Источник постоянного напряжения 1 был собран в виде классического выпрямителя сетевого напряжения. Инвертор 2 представлял собой управляемую транзисторную мостовую схему. Колебательный контур 4 в виде индуктивно-емкостного контура, выполненного по Г- или Т-образной схеме. Повышающий трансформатор 5 был собран на ферритовом сердечнике. Линия 6 была изготовлена из кабеля РК-50-7-11 длиной 3 м. Лампа 7 была изготовлена из двух кварцевых трубок разного диаметра, запаянных с торцов. Полость, образованная между двумя трубками, заполнялась смесью газов хлора и ксенона в пропорции 1:200 с общим давлением 220 Торр. На поверхности кварцевой колбы размещались металлические электроды. Частота импульсов внутри пачек импульсов гармонической формы составляла 1 МГц, а частота повторения пачек - 20 кГц.
После измерения мощности потребления источника питания, мощности потребления эксилампы и мощности излучения эксилампы, а также расчет КПД излучателя и полного КПД устройства был получен результат, заключающийся в следующем. Эффективность излучателя, возбуждаемого импульсным источником питания, описанным в [4], была равна эффективности того же самого излучателя, возбуждаемого от заявляемого источника питания с пачками импульсов гармонической формы на выходе. Благодаря переключению транзисторов при нулевых значениях тока КПД заявляемого источника питания был на 17% выше, чем у импульсного источника питания, описанного в [4].
Так как линия 6 имела экранирующую заземленную оплетку высокочастотные помехи, излучаемые источником питания, были минимизированы, а передача высокого напряжения по экранированному кабелю является более электробезопасной нежели по не экранированным проводам.
Литература;
1. Ломаев М.И., Скакун B.C., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. / Эксилампы с накачкой барьерным разрядом.// Оптика атмосферы и океана. 1998. Т.11. №2-3. С.277-285.
2. Mildren R.P., Carman R.J. Enhanced performance of a dielectric barrier discharge lamp using short-pulsed excitation // J. App. Physics D. - 2001. - №34. - L1-L6.
3. Lomaev M.I., Schitz D.V., Skakun V.S., Tarasenko V.F. Influence of excitation pulse form on barrier discharge excilamps efficiency // Proc. of SPIE, - 2002. - V.4460. - P.38-45.
4. Шитц Д.В., Скакун B.C., Тарасенко В.Ф. Комплекс эксиламп на димерах ксенона для проточного фотореактора.// Приборы и техника эксперимента. - 2008. - N 5. - С.129-131.
5. Godoy-Cabrera О., Benitez-Read J. S., Lopezcallejas R., Pacheco-Sotelo J. A high voltage resonant inverter for dielectric discharge barrier cell plasma applications // International Journal of Electronics, Volume 87, No 3, 2000, pp.361-376.