СПОСОБ ЗАЖИГАНИЯ МОЩНОЙ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ
METHOD OF IGNITING POWERFUL GAS-DISCHARGE LAMP

Изобретение относится к области светотехники и предназначено для управления зажиганием и горением газоразрядных ламп низкого давления высокой мощности, в частности ультрафиолетовых (УФ) бактерицидных ламп, применяемых для обеззараживания различных сред.
В лампах подобного типа излучение возникает за счет возбуждения газового разряда между спиральными электродами, покрытыми эмиссионным слоем. Обычно зажигание газоразрядных ламп осуществляют в стартерной схеме или с использованием электронного пускорегулирующего аппарата (ЭПРА).
При стартерной схеме зажигание лампы происходит при подаче напряжения питания после подогрева электродов и отключении стартера. Однако такой режим зажигания ламп отрицательно сказывается на состоянии эмиссионного покрытия электродов из-за существенного температурного воздействия, которое может привести к его распылению или испарению.
В современной светотехнике для зажигания ламп используется способ зажигания при помощи электронного пускорегулирующего аппарата (ЭПРА), который позволяет предупредить повреждение электродов и обеспечить начальную эмиссию электронов за счет предварительного подогрева электродов током высокой частоты в несколько десятков килогерц. Для данного способа характерно то, что подогрев спиралей обычно совмещают с подачей напряжения на лампу. Затем на лампу подают стартовый высоковольтный импульс ВЧ-напряжения, обеспечивающий ионизацию, возникновение газового разряда и зажигание лампы. После возникновения газового разряда наступает режим поддержания горения лампы, важным требованием которого является ограничение рабочего тока лампы. Использование ЭПРА при зажигании лампы обеспечивает наиболее оптимальный сберегающий режим для электродов лампы по сравнению со стартерным способом и увеличивает срок ее службы.
Особенно актуальна проблема продления срока службы для газоразрядных ламп мощностью свыше 300 Вт, работающих при больших токах в несколько ампер и пониженных давлениях (менее 1 торра). Срок службы таких ламп значительно меньше, чем ламп малой и средней мощности, так как в силу своих особенностей - большой массы и развитой площади поверхности, - электроды таких ламп несут повышенную тепловую нагрузку и быстрее выходят из строя. Поэтому разработка способа зажигания и поддержания горения лампы со щадящим режимом воздействия на электроды является важной технической задачей при создании и эксплуатации ламп большой мощности.
Известен способ управления лампой, заключающийся в последовательной подаче напряжения питания на межэлектродное расстояние лампы, подогреве электродов путем приложения к электродам напряжения нагрева, направлении запроса о состоянии электродов лампы при помощи соединенных с лампой идентификационных средств, анализе результата запроса (прерывание процесса в случае отрицательного результата запроса или продолжение процесса при положительном результате запроса), последующем приложении к межэлектродному расстоянию напряжения зажигания для возбуждения газового разряда в лампе, прекращении подогрева электродов путем отсоединения от источника напряжения после начала разряда в лампе и поддержании газового разряда путем приложения напряжения горения (патент США №6906337, H01J 61/02, 2004 г.). Данный способ позволяет контролировать состояние ламп и не допускать запуска перегоревших ламп, что особенно важно для многоламповых систем обеззараживания сред. Однако при указанной последовательности операций электроды ламп подвергаются значительному негативному воздействию, вызванному тем, что первоначально подача напряжения на межэлектродное расстояние лампы и на холодные электроды вызывает последующий бросок тока предварительного прогрева электрода и нарушение его температурного баланса, что приводит к растрескиванию эмиссионного покрытия электродов, интенсивному распылению (испарению) материала электрода и отрыву частиц этого покрытия в плазму газового разряда, и осаждению продуктов распыления на стенках ламповой колбы. Указанные процессы снижают сроки службы электродов и лампы, уменьшают количество циклов включения-выключения и кпд источника света, вызывают спад интенсивности УФ излучения.
Наиболее близким аналогом предложенного изобретения является способ зажигания газоразрядной лампы, описанный в патенте RU 2319323, Н05В 41/02, 2006 г., заключающийся в подаче напряжения питания на межэлектродное расстояние лампы, пропускании тока через электроды лампы, направлении запроса о целостности электродов лампы и анализе результатов запроса, осуществлении предварительного подогрева электродов лампы путем пропускания тока, приложении напряжения зажигания к межэлектродному промежутку лампы и поддержании тока лампы до перехода в нормальный рабочий режим горения, при котором осуществляют подогрев электродов в стационарном режиме.
Данный способ в значительной степени устраняет вышеупомянутые недостатки аналога за счет того, что во время предварительного подогрева преэлектродов ток в лампе отсутствует, а напряжение зажигания лампы подается после окончания предварительного подогрева электродов. После зажигания разряда ЭПРА обеспечивает режим поддержания и стабилизации тока лампы на заданном уровне, а подогрев электродов осуществляется в стационарном режиме, при котором ток подогрева электродов снижается в несколько раз по сравнению с первоначальным током подогрева. Способ обеспечивает наиболее благоприятный для сохранности электродов лампы режим, снижающий эффект испарения эмиссионного покрытия электродов, и позволяет увеличить срок службы лампы и количество циклов включения-выключения.
Основным недостатком способа-прототипа является ограничение области его применения лампами малой и средней мощности и неэффективность его использования для мощных газоразрядных ламп.
Так как электродные узлы мощных ламп несут значительную тепловую нагрузку, то для ее снижения применяют специальные приспособления, как, например, экраны, специальные типы катодов, или используют мощные триспиральные электроды, как в предлагаемом изобретении. Для обеспечения длительного срока службы триспиральные электроды заполняются большим количеством эмиссионного материала, в качестве которого служит керамика из оксидов щелочноземельных металлов. В отличие от электродов ламп средней и малой мощности, которые благодаря относительно небольшим размерам не подвержены возникновению существенных градиентов температур на эмиссионном покрытии, работающем при зажигании лампы в режиме катодного пятна, триспиральные электроды мощных ламп, имеющие большие размеры и развитую площадь поверхности, подвержены в стартовый период большим тепловым нагрузкам. Особенностью зажигания мощных ламп является быстрое формирование катодного пятна с температурой около 1100°С на большой поверхности массивного электрода с относительно низкой температурой. Возникающие при этом в стартовый период лампы значительные градиенты температур могут привести к растрескиванию керамических эмиссионных слоев, имеющих низкую теплопроводность, и потере их сцепления с вольфрамовым керном.
Вышеописанные процессы приводят к ухудшению эксплуатационных характеристик как электродов, так и лампы в целом, так как продукты распыления и испарения покрытия электродов осаждаются на стенках ламповой колбы и приводят к падению интенсивности излучения. Таким образом, способ зажигания ламп, принятый за прототип, не учитывает особенности конструкции электродов мощных ламп и протекающего на их поверхности процесса быстрого формирования катодного пятна и не обеспечивает значительный срок их службы.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в реализации способа зажигания мощной газоразрядной лампы, который позволяет создать оптимальный сберегающий режим так называемого «мягкого» формирования катодного пятна с учетом особенности свойств электрода и характера тепловых процессов, протекающих в период зажигания лампы.
Технический результат, полученный от использования изобретения, заключается в расширении области применения способа для мощных газоразрядных ламп, увеличении количества циклов включения-выключения и срока службы ламп.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе зажигания газоразрядной лампы, включающем подачу напряжения питания на межэлектродное расстояние лампы, пропускание тока через электроды лампы, направление запроса о целостности электродов лампы и анализ результатов запроса, осуществление предварительного подогрева электродов лампы путем пропускания тока, приложение напряжения зажигания лампы и поддержание тока горения лампы при осуществлении подогрева электродов в стационарном режиме, согласно изобретению предварительный подогрев электродов прекращают после зажигания лампы.
л
л
прог
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1. представлены осциллограммы напряжения U, на лампе, тока I разряда лампы и тока I подогрева электродов при зажигании лампы по способу прототипа; а на фиг.2 представлены осциллограммы этих параметров согласно предложенному способу.
л
л
о
1
л
л
ст
о
Как следует из фиг.1, в стартовый период напряжение U на лампе практически отсутствует, при этом ток I разряда лампы тоже равен нулю, а ток I предварительного подогрева электродов является постоянным и поддерживается в течение значительного периода времени (до десятков секунд) на заданном уровне. В известном способе в момент зажигания лампы t предварительный прогрев электродов прекращают, на межэлектродное расстояние лампы подается рабочее напряжение U, возникает дуговой разряд и устанавливается рабочий ток I разряда лампы. ЭПРА переходит в стационарный режим поддержания и стабилизации тока лампы на заданном уровне, а подогрев электродов осуществляется в стационарном режиме, при котором величина тока I подогрева электродов в несколько раз меньше по сравнению с величиной тока I предварительного подогрева и поддерживается на этом уровне в процессе стационарного горения лампы.
о
ст.
о
В предложенном способе зажигания мощных газоразрядных ламп для решения поставленной технической задачи сохраняются достоинства прототипа и также используется двухинверторная схема ЭПРА с независимым подогревом электродов в стартовый период и отсутствием напряжения на лампе, однако, согласно изобретению, для обеспечения «мягкого» формирования катодного пятна предварительный подогрев электродов лампы продолжают после возникновения в лампе дугового разряда, поддерживая величину тока подогрева электродов на начальном уровне I в течение определенного интервала времени, а затем прекращают. В режиме стабильного горения лампы подогрев электродов осуществляют в стационарном режиме путем пропускания тока I, величина которого намного меньше I.
о
1
2
Сущность изобретения поясняется представленными на фиг.2 временными зависимостями параметров лампы, из которых следует, что ток I предварительного прогрева электродов не уменьшают сразу после возникновения дуги в несколько раз, а продолжают поддерживать постоянным в течение времени Δt=t-t, В этот промежуток времени электроды работают в режиме катода без катодного пятна (поверхностью) за счет достаточной для такого режима температуры. После снижения температуры, обусловленного уменьшением величины тока прогрева, электроды остывают, позволяя «мягко» сформировать катодное пятно при уже работающей дуге на уже разогретой поверхности. При этом не происходит существенного разрушения эмиссионного слоя даже самых больших и массивных электродных узлов.
о
л
ст
Способ осуществляется следующим образом. Для зажигания газоразрядной амальгамной лампы мощностью 500 Вт, излучающей в бактерицидном УФ диапазоне, используется электрическая схема ЭПРА с независимым подогревом электродов в стартовый период и отсутствием напряжения на лампе с двумя управляемыми инверторами, например, описанной в патенте РФ №2319323, в которой два блока инверторов работают в режиме стабилизации тока. Устройство для зажигания лампы содержит фильтр 1, выпрямитель 2, корректор коэффициента мощности 3, управляемый инвертор 4 подогрева электродов, управляемый инвертор 5 поддержания тока лампы и блок управления 6. Управляемые инверторы 4, 5 соединены с лампой 14 и блоком управления 6. Инвертор 4 стабилизирует ток электродов как до зажигания лампы, так и в период Δt после него (ток предварительного подогрева электродов) в зависимости от заложенной программы в блоке управления, а второй инвертор 5 обеспечивает поддержание и стабилизацию тока лампы и ток подогрева электродов во время работы лампы (ток подогрева электродов в стационарном режиме). На лампу подается постоянное стабилизированное напряжение +380 В, питающее оба инвертора 4, 5, которые после подачи питания заперты управляющим сигналом блока управления 6. Блок управления 6 опрашивает состояние электродов и при условии их целостности включает управляемый инвертор подогрева электродов 4, обеспечивающий подачу на электроды заданного тока I предварительного подогрева электродов, величина которого составляет 4,1-4,3 А. Время предварительного подогрева электродов составляет около 24-28 сек. Затем, в процессе предварительного подогрева электродов, при работающем инверторе 4 блок управления 6 включает управляемый инвертор 5, обеспечивающий высокое напряжение, необходимое для возникновения газового разряда в лампе. После зажигания дугового разряда в лампе блок управления 6 переводит инвертор 5 в режим стабилизации тока лампы I, величиной 2,5-5,0 А, а инвертор 4 подогрева электродов продолжает работать заданное время Δt (от 1 до 4 сек) после зажигания лампы, поддерживая ток предварительного подогрева электродов первоначальной величины, чем обеспечивается «мягкий» переход к режиму катодного пятна. На этом стартовый период зажигания лампы и предварительный подогрев заканчивается, после чего лампа переходит в режим стационарного подогрева, заключающегося в том, что при горении лампы ток I подогрева электродов снижают до 0,4-0,6 А, что в несколько раз меньше по сравнению с величиной тока предварительного подогрева.
В результате применения данного способа зажигания количество циклов включения для мощных газоразрядных ламп увеличивается с 2000-5000 раз до 100000 раз.