Способи, які застосовують для забезпечення запалювання розрядних ламп
Коли напруга джерела живлення є недостатньою для запалювання розряду в лампі, застосовують різні способи і пристрої для короткочасного підвищення напруги на лампі безпосередньо при її вмиканні. Застосовують також різні способи зниження напруги запалювання ламп. Часто користуються тим і іншим одночасно. Необхідний імпульс підвищеної напруги для запалювання розряду зазвичай створюють або розмикаючи електричне коло з досить великою індуктивністю, або використовуючи резонанс напруг. Він може також створюватися трансформатором або автотрансформатором.
Для зниження напруги запалювання РЛ використовують:
- допоміжні запалюючі електроди, які розміщують у лампі, а також підбір виду газу та його тиску;
- активування електродів (катодів), яке зменшує роботу виходу електронів;
- попередній підігрів електродів для виникнення істотної термоелектронної емісії з них;
- початкову іонізацію газу, зокрема, за допомогою високочастотної іскри, яка утворюється індуктором;
- електропровідні смуги на поверхні розрядних трубок, які певним чином впливають на розподіл електричного поля в них, і т. ін.
Тверді речовини і ртуть, атоми парів яких у більшості РЛ є основним джерелом випромінювання, при низькій температурі випаровуються дуже слабо. Тому тиск парів у холодних колбах, які містять в собі лише ці речовини, виявляється настільки малим, що самостійний електричний розряд у них не виникає.
Для запалювання холодних РЛ в їхні колби поряд з випромінюючими речовинами вводять інертні гази (найчастіше аргон), проте це не єдина мета, з якою ці гази вводять у колби РЛ.
Таким чином, при запалюванні РЛ електричний розряд виникає практично лише в інертному газі.
Напруга запалювання РЛ значно залежить від відстані між електродами і тиску її газового наповнення. Відповідно до закону Пашена ця напруга буде мінімальною при певному значенні їхнього добутку. В РЛ вона звичайно зменшується при зменшенні відстані між електродами. Тому для того, щоб істотно понизити напругу запалювання РЛ, значно скорочують довжину розрядного проміжку при запалюванні РЛ. І роблять це за допомогою допоміжного запалювального електрода або двох електродів.
Тиск газу в РЛ вибирають з урахуванням всіх функцій, які інертний газ спроможний виконувати в РЛ. До таких функцій належать також захист катодів від інтенсивного руйнуючого бомбардування позитивними іонами і збільшення світлової віддачи РЛ.
При стиканні з атомами газу позитивні іони втрачають певну частку кінетичної енергії, яку вони накопичили в електричному полі. Завдяки цьому бомбардування ними катоду стає не таким руйнівним і строк служби РЛ збільшується. При наповненні колб РЛ газом зменшується також середня довжина вільного пробігу електронів у електричному полі і відповідно накопичувана ними енергія. А коли енергія багатьох вільних електронів стає такою як робота збудження атомів випромінюючої речовини, світлова віддача РЛ набагато збільшується (у два і більше разів).
Допоміжний запалюючий електрод зазвичай виготовляють у вигляді провідника (стрижня), один кінець якого розміщують поблизу одного з основних електродів, а інший - через обмежувальний електричний опір з’єднують з протилежним основним електродом. Так значно зменшують довжину розрядного проміжку під час запалювання лампи. Іонізація газу, яка з’являється між основним і допоміжним електродами, та підігрів електродів полегшують виникнення розряду між основними електродами. Схема електричного кола, в якому РЛ з двома запалювальними електродами увімкнена у мережу через індуктивний баласт (дросель), показана на рис. 3.19.
У першу мить після вмикання електричного кола з індуктивністю струм у ньому дорівнює нулю. Відповідно і падіння напруги на дроселі та резисторах (обмежувальних опорах) R1 та R2 в цей час теж дорівнює нулю. Тому при запалюванні лампи напруга між основним і ближчим до нього запалювальним електродом дорівнює напрузі мережі. Але зазор між цими електродами дуже малий, завдяки чому запалювання розряду між ними стає можливим і при напрузі, яка не більша за напругу мережі. Резистори вибирають з такими значеннями опорів, щоб розряд, який виникає між цими електродами, був тліючим. Тоді після виникнення дугового розряду між основними електродами і зменшенням у зв’язку з цим напруги на лампі тліючий розряд згасне, оскільки напруга для його горіння стає недостатньою.
Рис. 3.19. Схема електричного кола, в якому РЛ з двома запалювальними електродами увімкнена у мережу послідовно з дроселем
Струм тліючого розряду нагріває газ, зокрема, який у ртутній лампі передає тепло рідкій ртуті, через що вона поступово випаровується. В результаті проміжок між основними електродами заповнюється парою ртуті і в ній виникає розряд. Дуговим розряд буде тому, що опір замкненого електричного контуру, в який увімкнено основний розрядний проміжок, є набагато меншим, ніж опори контурів, в які увімкнено допоміжні розрядні проміжки і резистори з відносно великими значеннями електричного опору.
Електропровідну смугу, яку розташовують на поверхні розрядної трубки, з’єднують або з одним з електродів, або заземлюють. При наявності такої смуги спочатку відбувається електричний пробій газового проміжку між електродом і смугою, а потім вже між електродами.
Розглянемо способи підвищення напруги на РЛ при їхньому запалюванні розмиканням індуктивного електричного кола та за рахунок резонансу напруг і близьких до нього режимів.
Рис. 3.20. Електрична схема для обгрунтування способу запалювання РЛ розмиканням індуктивного електричного кола (а) і графік змінювання напруги ик (б)
При розмиканні цього електричного кола ЕРС eL, яка виникає в ньому, при L = const і за відсутності розряду між контактами вимикача B згідно із законом Кірхгофа також дорівнює
Резонанс напруг і близькі до нього режими, які також здатні підвищувати напругу до рівня, достатнього для запалювання РЛ, виникають в електричних колах синусоїдального змінного струму з послідовно ввімкненими індуктивними та ємнісними елементами. Схема найпростішого з них показана на рис. 3.21,а. Вона є складовою частиною і багатьох складніших кіл, які використовують з цією метою.
Рис. 3.21. Електрична схема для обґрунтування способу запалювання РЛ з використанням резонансу напруг і близьких до нього режимів (а) та графіки залежностей струму I, опорів xL , хс і напруг Ur, UL і Uc від частоти (б)
де Wj і w2 - число витків первинної та вторинної обмоток трансформатора; U1 і U2 - напруги між їхніми виводами.
Нерідко енергія, яка необхідна для утворення в РЛ досить потужного імпульсу підвищеної напруги, спочатку накопичуєтья в спеціальному (накопичувальному) конденсаторі. Потім цей конденсатор розряджається через первинну обмотку підвищувального трансформатора, який збільшує напругу на РЛ до достатнього для запалювання рівня.
Електричні схеми пристроїв, що забезпечують запалювання та нормальну роботу РЛ, прийнято поділяти на схеми миттєвого (холодного) запалювання і схеми швидкого запалювання (з попереднім підігріванням електродів). В основу такого поділу покладено тепловий стан електродів РЛ при їхньому запалюванні.
При використанні схем миттєвого запалювання основною є електростатична емісія електродів. Тому імпульс напруги, яка створюється, повинен мати більше максимальне значення, ніж при використанні схем швидкого запалювання, коли електроди перед запалюванням РЛ підігріваються. Подається напруга на РЛ при наявності попереднього підігрівання електродів або через невеликий проміжок часу після його початку (схеми очікувального запалювання), або одночасно з ним.
Схеми очікувального запалювання, при використанні яких запалювальний імпульс напруги подається на РЛ лише після достатнього нагрівання електродів, забезпечують РЛ довший строк служби і тому їм віддається перевага.
В свою чергу, схеми швидкого запалювання поділяють на схеми стартерного і безстартерного запалювання. При застосуванні перших з них ПРА має спеціальний пристрій, який називається стартером. Він вмикає попередній підігрів електродів та автоматично вимикає індуктивний елемент електричного кола для створення на РЛ потрібного імпульсу напруги. Стартери, які часто застосовують для запалювання РЛ, мають біметалеву контактну пластинку. Температурні коефіцієнти лінійного розширення пластин, з яких складається ця біметалева пластинка, дуже розрізняються. Тому при нагріванні вона швидко вигинається і різко розриває електричне коло. Коли для нагрівання біметалевої пластинки застосовують окремий нагрівач або резистор, то стартер називають тепловим.
Принципова електрична схема стартерного запалювання РЛ з тепловим стартером показана на рис. 3.22,а.
Рис. 3.22. Принципові схеми електричних кіл для запалювання РЛ: а - з тепловим стартером, б - без стартера
При використанні цієї електричної схеми, доки контактна біметалева пластинка ще холодна, а електричний опір РЛ дуже великий, через індуктивний елемент Др (дросель), резистор r і замкнені контакти стартера CT приходить струм. Тому резистор нагрівається і нагріває біметалеву пластинку стартера, яка різко згинається і розриває електричне коло. Коли лампа горить, біметалева пластинка постійно нагріта і тому контактна система стартера весь час знаходиться в розімкненому стані.
Частіше для запалювання РЛ застосовують стартер тліючого розряду. У ньому необхідне нагрівання біметалевого контакту забезпечується за рахунок теплової енергії тліючого розряду, який відразу ж після запалювання РЛ гасне.
Принципова схема безстартерного резонансного електричного кола для запалювання РЛ показана на рис. 3.22,б.
Після запалювання РЛ її електричний опір дуже зменшується і напруга на РЛ та відповідно на пусковому конденсаторі Сп швидко знижується. Тому стан електричного кола стає далеким від резонансного і струм, що проходить через конденсатор, зменшується настільки, що окремий підігрів електродів практично припиняється, і вони після засвічення РЛ нагріваються самим розрядом.
Що це дійсно так, можна легко переконатися, аналізуючи електричне коло, схема якого показана на рис. 3.23,а. Це просте розгалуджене коло, що має дві паралельні гілки, можна замінити еквівалентним послідовним електричним колом (рис. 3.23,6), для чого досить використати відомі з курсу електротехніки формули
Для електричного кола, що розглядається, r2=0 і x1=0 і тому абсолютне значення еквівалентного реактивного опору
Для стабілізації розряду в РЛ і його запалювання в останній час дуже широке застосовування знаходять напівпровідникові прилади.
Запалювання розряду в РЛ і забезпечення його стійкого горіння за допомогою напівпровідникових приладів має значні переваги, зокрема такі:
- невеликі розміри елементів ПРА;
- безконтактність перемикаючих пристроїв (стартерів), що значно підвищує надійність роботи стартерних ПРА;
- набагато менші втрати потужності в ПРА, і, як наслідок, більш висока світлова віддача всієї системи “РЛ - ПРА”.
Напівпровідникові стартери виконують ті ж самі функції, що і теплові стартери або стартери тліючого розряду, тобто забезпечують автоматичний попередній підігрів електродів РЛ, короткочасно підвищують напругу на РЛ для запалювання розряду в ній, припиняють попередній підігрів електродів РЛ одразу ж після запалення розряду та інше.
Одна з найпростіших електричних схем з напівпровідниковим стартером для забезпечення роботи РЛ наведена на рис. 3.24.
Функції стартера при застосуванні цієї схеми виконує чотиришаровий некерований напівпровідниковий прилад (рис. 3.25) із структурою p-n-p-n або n-p-n-p, який працює в режимі ключа. Як відомо, такі перемикаючі напівпровідникові прилади називають діодними тиристорами або динисторами.
Рис. 3.24. Електрична схема з напівпровідниковим стартером для забезпечення роботи РЛ
Рис. 3.25. Вмикання чотиришарового некерованого напівпровідникового приладу в прямому (а) та зворотному (б) напрямках
Як видно з рис. 3.25, динистор має три р-n-переходи ( П1, П2 i П3). При прямому вмиканні динистора (рис. 3.25,а) два з цих переходів (П1 та П3) знаходяться у провідному стані, а один (П2) у непровідному. При зворотному ввімкненні динистора (рис. 3.25,б), навпаки, два р-n-переходи знаходяться у непровідному стані, а один - у провідному.
В основу принципу дії напівпровідникового стартера, що розглядається, покладені особливості ВАХ динистора (рис. 3.26) та властивості електричного кола, схема якого зображена на рис. 3.24.
Рис. 3.26. Вольт-амперна характеристика динистора
До значення напруги u=UBM (рис. 3.26), яка прикладена до динистора у прямому напрямку, струм, що пропускається ним, дуже малий і тому динистор у цьому діапазоні зміни напруги є закритим.
При напрузі u = UBM , яка називається напругою вмикання, відбувається електричний пробій р-n-переходу П2, який увімкнений у непровідному напрямку, і електричний опір його дуже зменшується. У результаті струм, що проходить через динистор, різко збільшується (ділянка АБ на його ВАХ), тобто відбувається швидке відкривання динистора. Напруга на відкритому динисторі знижується до декількох вольт (Uвідкр), а падіння напруги на навантажувальному опорі RH (див. рис. 3.25,а) та струм і збільшуються до значень, що визначаються другим законом Кірхгофа (точка В на ВАХ):
Струм, що проходить через відкритий динистор Дн, для електричного кола, що розглядається (див. рис. 3.24), є струмом попереднього підігріву електродів РЛ. Його значення майже повністю визначається опором баласту, оскільки опір відкритого динистора дуже малий. Тому майже вся напруга джерела живлення урівноважується падінням напруги на баласті. Відкривання динистора при застосуванні цієї схеми відповідає замиканню контактів стартера тліючого розряду або теплового стартера, в результаті якого через електроди РЛ також починає проходити струм попереднього підігріву електродів РЛ іпп.
При зміні полярності напруги на динисторі його електрична міцність відновлюється і він швидко переходить у запертий стан. У запертому стані динистор продовжує залишатися і при збільшенні напруги на ньому, оскільки в цьому випадку на шляху струму вже знаходяться два запертих p-n-переходи і тому для вмикання динистора у зворотному напрямку потрібна набагато більша напруга, ніж у прямому напрямку.
достатнім для запалювання лампи з попередньо нагрітими електродами. Необхідна для запалювання розряду потужність забезпечується у цьому випадку енергією, що накопичується у магнітному колі дроселя безпосередньо перед запиранням динистора, тобто при струмі і - Іут. Ця енергія дорівнює
.
Осцилограми напруги мережі им, напруги на лампі uл і струму попереднього підігріву електродів лампи іпп зображені на рис. 3.27.
Рис. 3.27. Осцилограми напруг им і ил та струму іпп
Для запобігання відпиранню динистора Дн у зворотному напрямку, коли амплітудне значення напруги джерела живлення (мережі) виявляється достатнім для цього, послідовно з динис- тором вмикають звичайний напівпровідниковий діод (див.рис. 3.24, діод Д). Тоді напруга джерела живлення буде розподілятися між динистором Дн і діодом Д обернено пропорційно їхнім опорам. Отже, в одну половину періоду напруги мережі, коли динистор Дн вмикається в прямому напрямку, відбувається попередній підігрів електродів лампи, а в іншу (коли динистор Дн вмикається у зворотному напрямку) - на лампі виникає короткочасний імпульс підвищеної напруги, і це повторюється до запалення розряду в лампі (0,5 - 2 с).
Після запалення лампи напруга на ній знижується до напруги горіння розряду Uг і динистор протягом світіння лампи залишається запертим, оскільки значення напруги, необхідне для його вмикання, перевищує найбільше значення напруги при світінні лампи. В результаті незалежний підігрів електродів лампи одразу ж після запалення в ній розряду автоматично припиняється.
Хоч процес запалювання РЛ із застосуванням динисторів і є аналогічним процесу запалювання його за допомогою стартерів інших типів, проте, тоді як розрив контактів теплового стартера або стартера тліючого розряду може відбуватися при різних миттєвих значеннях струму попереднього підігріву, в тому числі й при максимальному, при застосуванні динисторів розмикання електричного кола відбувається при миттєвому значенні струму попереднього підігріву електродів Iпп=Iyт.
Одним з істотних недоліків при застосуванні розглянутої вище електричної схеми для забезпечення роботи РЛ є те, що імпульси підвищеної напруги починають подаватися на лампу одразу після її вмикання, тобто коли її електроди ще не нагрілися і тому лампа засвічується лише після декількох спроб. Через це електроди лампи до її засвічення дуже сильно розпиляються, оскільки імпульси підвищеної напруги виникають безперервно один за одним.
Для усунення цього недоліку застосовують складніші електричні схеми, зокрема, з керованими тріодними тиристорами (тринисторами) і схеми, при використанні яких виключається можливість несвоєчасних спрацювань динисторів або тринисторів, які можуть бути спричинені короткочасними підвищенями напруги на лампах при перезапалюванні в них розряду, тобто пов’язаних з піками перезапалювання.
Сучасні напівпровідникові стартери надійно забезпечують режим очікувального запалювання РЛ або за часом попереднього нагрівання електродів, або за зміною їх нього опору, що відповідає певній яскравості світіння нагрітих електродів.
Різні електричні схеми і пристрої, що забезпечують надійне запалювання РЛ та стабілізацію в них розрядів, докладно розглядаються у курсі “ Пуско-регулювальні апарати”.