Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Исследование и разработка стартеров тлеющего разряда и зажигающих устройств на их основе для высокоэффективных источников света

Специальность: 05.09.07 - светотехника

Майоров Михаил Иванович

Саранск 2008

Работа выполнена на кафедре общенаучных дисциплин Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва"

Научный консультант:

доктор физико - математических наук, профессор Горюнов Владимир Александрович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Кокинов Андрей Михайлович;

доктор технических наук, профессор Коротченко Владимир Александрович;

доктор технических наук, профессор Овчаров Александр Тимофеевич.

Ведущая организация - ОАО "ЛИСМА-ВНИИИС им.А.Н. Лодыгина".

Защита состоится "17" декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.13 при ГОУВПО "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева" по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68, ауд.243.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева".

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68а, ГОУВПО "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева", Диссертационный совет Д 212.117.13.

Автореферат разослан " " 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент Кошин И.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Работа разрядных источников излучения низкого и высокого давления невозможна без использования специальных зажигающих устройств. Стартеры тлеющего разряда, появившиеся в 1938 году почти одновременно с началом коммерческого производства люминесцентных ламп, применяли для их зажигания.

Пускорегулирующие устройства со стартерами тлеющего разряда и в настоящее время широко используют для включения люминесцентных ламп.

Влиянию конструктивных и технологических факторов на характеристики газоразрядных стартеров посвящено большое количество публикаций. Однако и до настоящего времени роль различных физических процессов, проходящих в стартере, недостаточно изучена.

Стартер тлеющего разряда является сложным газоразрядным прибором с подвижными электродами, в котором реализуется кроме тлеющего и дуговой разряд с холодным катодом, влияние такого разряда на параметры стартера до последнего времени не было оценено должным образом.

Уже первые наши работы по данной тематике позволили заполнить этот пробел. Привлечение явления взрывной электронной эмиссии объяснило многие экспериментальные данные, накопленные ранее, позволило указать пути улучшения параметров стартеров. Выяснение роли стартера в формировании импульса напряжения в стартерной схеме зажигания люминесцентных ламп расширило сферу применения стартеров и на зажигание ламп высокого давления, усовершенствовать технологию производства стартеров.

Разработка энергоэкономичных люминесцентных ламп потребовала создание стартера тлеющего разряда с повышенной амплитудой зажигающего импульса. Физические механизмы, определяющие амплитуду зажигающего импульса, генерируемого стартерами в соответствующих схемах включения, не были ясны. Выявление этих механизмов и было первоочередной задачей в проведении всего комплекса работ по созданию стартеров тлеющего разряда для новых высокоэффективных источников света.

Заключительным процессом, формирующим качество стартера и определяющим его характеристики, является тренировка - процесс обработки отпаянного стартера путем пропускания через него тока. Разработка способа тренировки, при котором ее время могло быть снижено в 10 раз и более по сравнению с существующими, весьма актуальна.

Газоразрядные стартеры, используемые в основном для зажигания люминесцентных ламп, совмещают функции прибора тлеющего разряда, металлического коммутатора и газового разрядника. Многообразие физических процессов, реализуемых в стартере, позволяет на их основе создавать дешевые, малогабаритные импульсные зажигающиеся устройства разрядных ламп высокого давления.

Широко используют газоразрядные стартеры во встроенных зажигающих устройствах газоразрядных ламп высокого давления.

Для зажигания некоторых типов ламп высокого давления необходима амплитуда импульса 15 - 30 кВ. Зажигающие устройства с такими параметрами можно изготовить на основе стартеров тлеющего разряда.

Миллиардные тиражи стартеров тлеющего разряда, производимых промышленностью, ставят тему разработки новых стартеров, расширения области применения и усовершенствования технологии их производства в разряд актуальных.

Цель работы

Исследование и разработка стартеров тлеющего разряда и зажигающих устройств на их основе как приборов, обеспечивающих зажигание высокоэффективных источников света.

В соответствии с поставленной целью сформулированы задачи работы:

1. Выявление физических механизмов, реализующихся в стартере при протекании тока, и их роли в формировании импульса напряжения в стартерной схеме зажигания люминесцентных ламп.

2. Разработка и внедрение в производство стартеров тлеющего разряда с повышенной амплитудой зажигающего импульса, для энергоэкономичных люминесцентных ламп.

3. Разработка способа тренировки стартеров, сокращающего время тренировки более чем в 10 раз, при снижении потребления энергии в 100 и более раз.

4. Разработка нового класса импульсных зажигающих устройств со стартерами для зажигания ламп высокого давления.

5. Разработка герметизированных терморазмыкателей, обладающих свойствами ограничителя амплитуды импульса, для ламп высокого давления со встроенными зажигающими устройствами.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Разработана модель ограничения амплитуды импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения стартера. Исследованы механизмы контракции разряда с привлечением взрывной электронной эмиссии.

2. Измерены и проанализированы вольтамперные характеристики (ВАХ) тлеющего разряда в газоразрядных стартерах в диапазоне токов до 4 А при наполнении их инертными газами и смесями, включая органические и радиоактивные примеси. Установлено, что ВАХ стартера, при высоких напряжениях является экспонентой с возрастающем показателем - это связано с ростом коэффициента ионно-электронной эмиссии г. Установлена зависимость времени задержки возникновения тока от амплитуды импульса и состава газовой среды в стартере.

3. Определена зависимость теплопроводности наполняющих стартер газов от состава и давления при температуре контактирования стартера.

стартер тлеющий разряд люминесцентная лампа

4. Установлено, что определяющую роль в тренировке стартера играет высоковольтный импульс, генерируемый при размыкании контактов стартера. Определены параметры импульсов, подаваемых на стартер от внешнего генератора, для сокращения времени тренировки в 10 раз по сравнению с традиционным способом.

5. Обнаружена способность стартера работать в режиме быстродействующего газового разрядника и исследованы параметры этого разрядника в зависимости от состава и давления наполняющего газа.

6. Показана теоретически и подтверждена экспериментально возможность стабилизации температурных характеристик биметаллических терморазмыкателей при использовании специальных ограничителей деформации.

Практическая ценность работы

1. Разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования газового разряда низкого давления, позволяющие измерять электрические, спектральные и термодинамические характеристики электрода и приэлектродной области в диапазоне токов от 10^-4 до 10³ А и температур от 77 до 1500 К при напряжениях до 5000 В.

2. Разработаны математические модели процесса генерирования импульса стартером в дроссельной схеме включения (программы "Стартёр", "Импульс"), математическая модель температурной деформации термобиметаллического электрода сложной формы (программа "Биметалл") для инженерного расчета стартеров. На основе численного анализа моделей выбраны оптимальные конструкции и наполнения стартеров.

3. Основываясь на особенностях протекания тока высокой плотности в тлеющем разряде, предложены способы тренировки стартеров, разработано и изготовлено оборудование, сокращающее время тренировки более чем в 10 раз, а потребление энергии в 100 и более раз.

4. По результатам проведенных исследований разработано новое поколение стартеров тлеющего разряда 80С-220-1, 80С - 220-2, 20С-127-1, 20С-127-2, соответствующих требованиям МЭК, серийный выпуск которых осуществляется по настоящее время на протяжении 20 лет.

5. Разработан новый класс импульсных зажигающих устройств со стартерами для зажигания ламп высокого давления. Изделия сертифицированы.

6. Впервые разработаны герметизированные терморазмыкатели, обладающие свойствами ограничителя амплитуды импульса. Конструкция размыкателей позволяет изготавливать их в серийном производстве без существенной доработки оборудования. Эти терморазмыкатели вошли в конструкцию ламп ДНаМТ-340 в качестве элемента встроенного зажигающего устройства.

7. Для генерирования импульсов амплитудой порядка 15 - 30 кВ разработаны и изготовлены простые и эффективные импульсные зажигающие устройства со стартером и автотрансформатором типа ИЗУС-А, со стартером и трансформатором типа ИЗУС-Т, обеспечивающие зажигание ламп высокого давления в горячем состоянии.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Амплитуда высоковольтного импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения разрядных источников света, не превышает напряжения, при котором ток аномального тлеющего разряда в стартере равен току через дроссель в момент разрыва контактов стартера.

2. Напряжение перехода аномального тлеющего разряда в стартере в низковольтную форму при средней напряженности электрического поля у катода около 2•10⁵ В/см ограничивает максимально возможное значение амплитуды высоковольтных импульсов, генерируемых в дроссельной схеме включения разрядных источников света со стартером, которое в результате этого определяется, в основном, составом и давлением газового наполнения стартера, материалом и конструкцией его электродов, а не величиной емкости помехоподавляющего конденсатора.

3. Введение в состав аргонового наполнения стартера при давлении 8 мм рт. ст. небольшого (10 ^{- 4} %) количества радиоактивного трития, применение самария в качестве активатора, уменьшающего работу выхода электродов, устраняют задержку включения газоразрядных источников света после длительной темновой выдержки, связанную с увеличением времени статистического запаздывания и повышением напряжения зажигания разряда в стартере, при высокой (более 900 В) амплитуде импульсов напряжения, генерируемых схемой запуска.

4. Эффективность тренировки стартеров значительно повышается (необходимое время уменьшается более чем в 10 раз, потребление энергии - в 100 раз) при увеличении частоты следования тренирующих импульсов с 1 - 2 Гц (при традиционном автоколебательном режиме тренировки) до 10 - 20 Гц с использованием специального генератора (длительность импульсов 0.3 мс, напряжение 600 В, средняя мощность 1.5 Вт).

5. Для повышения надежности работы импульсного зажигающего устройства со стартером (ИЗУС), в качестве ограничителя тока предложено использовать токоограничительное сопротивление в составе позистора последовательно соединенного с резистором при выполнении следующего условия:

U_C/ I₀< R_A < (U_A/ U_M)

где

R_A - суммарное сопротивление позистора и резистора; U_C - действующее напряжение сети; U_A - амплитудное значение напряжения сети; I₀ - ток удержания стартера; U_M - амплитуда зажигающего импульса; R₂ - сопротивление разрядного промежутка стартера; L - индуктивность дросселя; С - емкость, включенная параллельно лампе.

6. Определено условие, обеспечивающее высокую стабильность характеристик герметизированного терморазмыкателя для ламп со встроенными зажигающими устройствами:

при ,

где а - расстояние между электродами, мм; b - минимальное расстояние между ветвями U - образной биметаллической пластины, мм; S - толщина пластины, мм; А - удельный изгиб пластины, 1/⁰С; Т - максимально возможная температура разогрева пластины, ⁰С; t - температура размыкания контактов, ⁰С.

7. Показана возможность и доказана целесообразность применения стартеров тлеющего разряда в качестве быстродействующих разрядников с дуговым разрядом в пусковых устройствах с амплитудой импульса напряжения до 30 кВ, обеспечивающих зажигание источников света высокого давления в горячем состоянии.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы по мере их получения докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании "Состояния разработок и производства газоразрядных источников света, пути их дальнейшего совершенствования" (Полтава, 1982 г.); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света (Полтава, 1991 г.); III Межреспубликанском совещании по вопросам материаловедения для источников света и светотехнических изделий (Саранск, 1992 г.); II Международной светотехнической конференции (Суздаль, 1995 г.); Международной конференции "Осветление 96" (Варна, 1996 г.); IV Всероссийском с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (Саранск, 1996 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Особенности и тенденции развития инженерно-университетского образования" (Саранск, 1997 г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы и прикладные вопросы физики" (Саранск, 1997 г.); IV Международной светотехнической конференции (Вологда, 2000 г.); III Международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы физики" (Саранск, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Светотехника, электротехника, энергетика" (Саранск, 2003г.); IV международной научно-технической конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы физики" (Саранск, 2003 г.); XXV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 60-летию Победы (Миасс, 2005 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции "Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств" (Рузаевка, 2005 г.); III и IV Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики" (Саранск, 2005 г., 2006 г.); VI Международной Светотехнической конференции (Калининград - Светлогорск, 2006 г.); V Всероссийской конференции "Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света" (Саранск, 2007 г.).

Публикации

Материалы диссертации изложены в 47 работах, включая монографию, 16 патентов, а также статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, сборниках материалов и тезисов докладов Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Объем диссертации составляет 300 стр., включая 131 рис., 39 ТаблицаСписок цитируемой литературы содержит 215 наименований.

Личный вклад автора

Все исследования, представляющие защищаемые положения, выполнены автором лично или под его руководством. Экспериментальные образцы стартеров изготавливались в ходе выполнения хоздоговорных работ, проводимых под руководством автора в интересах ОАО "ЛИСМА - ВНИИИС им.А.Н. Лодыгина", ОАО "ЛИСМА", ООО "ЛИСМА - РУЗМАШ", на этих предприятиях.

На различных этапах исследования в постановке конкретных задач, обсуждении результатов, изготовлении экспериментальных образцов и опытных партий, проведении измерений принимали участие Волков И.Ф., Горюнов В.А., Демышев В.Е., Ермошин В.А., Ивченко И. А, Лашин В.А., Несененко Г.В., Неретин Б.И., Пинясов Е.В., Федоренко А.С., Шумилина Н.В.

Выражаю им свою глубокую благодарность.

Содержание работы

Во введении показана актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе проводится анализ результатов, накопленных при разработке стартеров и исследований характеристик газового разряда. Рассматривается принцип действия стартера и особенности его работы в "отстающей" и "опережающей" цепях.

Стартер тлеющего разряда - это газоразрядный прибор, имеющий, по крайней мере, одну биметаллическую пластину, способную при разогреве касаться второго электрода стартера и замыкать внешнюю электрическую цепь.

Несмотря на разнообразие конструкций по параметрам стартеры можно разделить на две группы - предназначенные для работы в сетях 127 В и предназначенные для работы в сетях 220 В. Стартеры, предназначенные для работы в сетях 127 В по конструкции - несимметричные. На неподвижный электрод в этих стартерах закрепляется активатор, распыляемый при тренировке. Стартеры, предназначенные для работы в сетях 220 В, изготавливают как симметричной, так и несимметричной конструкции.

С целью увеличения долговечности стартера и длительности контактирования при прекращении тлеющего разряда в ряде работ предлагается термочувствительный элемент изготавливать из материала с обратимой памятью формы.

Предлагаются конструкции стартеров, в которых исключен механический контакт электродов. Катод выполнен из материала с мартенситным превращением и имеет форму кардиоиды. Ветви ее подпружинены у вершины на величину, составляющую 20-70% максимального свободного хода каждой из ветвей. Это позволяет создать интенсивный скачок напряжения зажигания за счет трехкратной смены двух разрядных поверхностей катода при раскрытии катода и соответствующего изменения величины тока. Несмотря на большое число изобретений, предлагающих использовать металлы с обратимой памятью формы, до настоящего времени на практике в качестве термоактивного элемента в стартерах используется исключительно термобиметалл.

Облегчение зажигания тлеющего разряда в стартерах, предназначенных для работы в сетях 127 В, достигается путем приварки к одному из электродов активатора. В качестве активатора используют материалы с малой работой выхода: соединения бария, самарий, сплавы на основе церия и других редкоземельных металлов. При соответствующей обработке активатор распыляют, обеспечивая требуемые характеристики стартера по напряжению зажигания. В ряде случаев на внутреннюю сторону баллона наносят слой радиоактивного материала - окиси урана или другого радиоактивного препарата, для предотвращения отрицательного явления, при котором напряжение зажигания стартера в темноте имеет значение, отличное от напряжения зажигания на свету. Кроме того электроды могут быть покрыты цинком, алюминием в целях снижения напряжения зажигания стартера.

Для наполнения стартеров используют инертные газы и их смеси с водородом, азотом, метаном и др. В зависимости напряжения зажигания разряда от рода и давления газа наблюдался эффект смешения чистых газов. Например, небольшая прибавка аргона к неону снижает напряжение зажигания разряда по сравнению с чистым неоном. Так как величина коэффициента вторичной электронной эмиссии зависит от состояния поверхности эмиттера, то следует ожидать, что для различных электродов при одних и тех же наполнениях условия пробоя будут разными. Наименьшее напряжение пробоя имеет место в случае смеси Ne с 0,1% Ar, однако даже минимальная величина этого напряжения при железных катодах оказывается больше величины напряжения пробоя чисто аргонового промежутка в случае катодов с малой работой выхода (Na, Ba). Замена железного катода на натриевый уменьшает минимальное напряжения зажигания разряда с 200 В до 90 В. Применение смеси Ne с 0,1% Ar, позволяет уменьшить напряжение пробоя до 70 В.

Основные данные по катодному слою нормального тлеющего разряда низкого давления известны достаточно полно. Длина области катодного падения при аномальном тлеющем разряде l_КА уменьшается с увеличением катодного падения U_КА. Однако это уменьшение l_КА /l_К ограничено 3-4 кратным отношением.

Достижение определенной плотности тока в аномальном тлеющем разряде приводит к скачкообразному переходу тлеющего разряда в дуговой. Этот переход сопровождается перераспределением тока на катоде (локализацией тока в области катодного пятна) и может происходить в случае, когда электрическое поле на катоде достаточно для инициирования автоэмиссии с отдельных участков поверхности. Тогда ток автоэмиссии будет усиливаться объемным зарядом положительных ионов, что приведет к дальнейшему росту плотности тока, взрыву микроострий и образованию катодного пятна.

В таблице 1 даны параметры катодного слоя при переходе тлеющего разряда в дуговой (р - давление в камере; р* - давление в разрядной зоне; j_н - плотность тока, j* критическая плотность тока, при которой разряд переходил в дуговой.). Ток и напряжение перехода, а также напряженность поля на катоде, оцененная по плотности тока j*, показаны в четвертом, пятом и шестом столбцах. Оказалось, что в широком диапазоне давлений образование дуги наблюдалось при электрических полях на катоде Е_k~10⁶ В/см.

Таблица 1

p, мм рт. ст.	jн, А/см2	p*, мм рт. ст.	j*, А/см2	U,B	Ek, 105 В/см
50	0,12	25	123	730	9,3
140	0,44	47	118	575	9,4
440	1,90	98	117	460	9,9
750	3,30	129	109	400	9,6
1300	4,50	150	98	380	9,4

К общим процессам, которые имеют место в большинстве классов ионных приборов, относятся: а) убыль газа в объеме вследствие поглощения его стенками и электродами прибора; б) распыление материала катода под действием ионной бомбардировки (катодное распыление). Оба эти фактора ограничивают долговечность прибора, в том числе и стартера. Приведены данные о скорости поглощения газа, а также интенсивности распыления катода, которые зависят от:

1) рода и начального давления газа;

2) амплитуды и длительности прохождения импульсов анодного тока;

3) частоты импульсов.

Во второй главе изложены материалы по разработке стартеров к энергоэкономичным люминесцентным лампам для сети 220 В.

Начало исследований было положено в 1983 году, когда встала задача разработки отечественных стартеров с повышенным зажигающим импульсом для энергоэкономичных люминесцентных ламп.

Для измерения характеристик разряда в стартере, а также для наблюдения за величиной и формой импульса, генерируемого в стартерной схеме включения люминесцентной лампы, были разработаны и изготовлены соответствующие установки.

Измерены электрические характеристики стартеров 80С-220, выпускавшихся в СССР до начала этой разработки. При измерении вольтамперной характеристики стартера (минус на биметалле) установлено, что ток, равный 1 А в стартере 80С-220, достигался при напряжении 350 В. Больший ток регистрировали при большем напряжении. Максимальная амплитуда импульса, генерируемого стартером при таком включении в стандартной схеме измерения импульса, имела значения - 350 В Выявленное соответствие между напряжением высоковольтного импульса и величиной напряжения, обеспечивающего ток тлеющего разряда, протекающего через стартер на уровне 1 А позволило связать эти два напряжения.

С момента генерации импульса (момент разрыва контакта стартера) энергия, запасенная в дросселе, начинает рассеиваться и утекает в основном через газоразрядный канал стартера. Интенсивность утечки можно описать, введя понятие "сопротивление стартера". Сопротивление это меняется в зависимости от тока разряда, уменьшаясь при возрастании тока. Если принять сопротивление утечки R = ?, то максимальная амплитуда импульса, генерируемого дросселем индуктивностью 1 Гн, при обрыве тока 0,4 А будет равна 5000 В при емкости С конденсатора, включенного параллельно стартеру С=10^-8 Ф. Специально проведенные расчеты, дали зависимость амплитуды и формы импульса напряжения от времени для широкого спектра токов обрыва и различного сопротивления утечки.

При противоположной полярности включения стартера (площадь катода в 10 раз меньше) ни при каком значении тока не удалось получить напряжение на стартере большее 700 В. Осциллограммы токов в дросселе и напряжений на стратере 80С-220 приведены на рис.1 для двух значений помехогасящей емкости, включенной параллельно стартеру (плюс на биметалле, реализуются пробои - резкое уменьшение напряжения на стартере).

Осциллограммы, приведенные на этих рисунках, обозначенные буквами а, б, в, отличаются только длительностью развертки. На рис.1а приведена зависимость тока через дроссель и напряжения на стартере от времени при емкости конденсатора С = 6000 пФ и длительности развертки 50 мс на деление. Момент окончания контактирования совпадает с моментом

а)б)

в)г)

Рис.1. Осциллограммы импульсов на стартере 80С-220.

Ток в дросселе - (1) - 1А/дел. Напряжение на стартере - (2) - 400В/дел. Длительность горизонтальной развертки: а-50 мс/дел.; б-1 мс/дел.; в, г - 200 мкс/дел. Емкость конденсатора: а, б, в - 6000пФ; г - 50000пФ. Стрелкой обозначен момент разрыва контактов стартера.

возникновения импульсов (обозначен стрелкой). Видно, что при данной развертке структура импульса не просматривается, его амплитуда составляет 700 В.

Более быстрая развертка (1 мс на деление) позволяет рассмотреть тонкую структуру импульса. Видно, что напряжение в импульсе не постоянно (рис.1 б). Оно возрастает до величины 700 В и затем быстро падает, затем вновь возрастает и вновь уменьшается, т.е. имеет место серия пробоев, подобных тем, которые характеризуют работу релаксационного генератора. С помощью более быстрой развертки (рис.1 в) удалось установить, что постоянная времени заряда конденсатора подключенного к стартеру, зависит от величины тока, протекающего в цепи в определенный момент времени. Максимальная длительность импульса достигает величины 300 мкс.

Увеличение емкости конденсатора до 50000 пФ не приводит к изменению величины амплитуды импульса (рис.1 г), однако количество импульсов уменьшается, а длительность каждого увеличивается, т.к. увеличивается время заряда конденсатора до напряжения пробоя (сравни рис.1 в и 1 г). Увеличение длительности импульса должно благоприятно сказаться на зажигании люминесцентных ламп.

Вновь разрабатываемые стартеры 80С-220-1 должны были обеспечить амплитуду импульса не менее 900В и заменить стартеры 80С-220, по крайней мере, в светильниках с энергоэкономичными лампами.

Сравнительные оценки стартеров симметричной и несимметричной конструкций показали, что повышенную амплитуду импульса проще получить при несимметричной конструкции стартера. Важным было и более продолжительное время первого контактирования у стартеров такой конструкции.

Биметалл выбирали исходя из его доступности и наибольшего коэффициента чувствительности. Лучшим по данной совокупности качеств был определен биметалл марки ТБ 148/79-03*12,0-ППК-АЭП ГОСТ10533-86, имеющий удельный термический прогиб k =14,8 * 10 ^{- 6} * К^-1, удельное электрическое сопротивление с = 0.79 Ом*м.

С использованием математического моделирования было исследовано влияние формы и размеров биметаллической пластины стартера на отклонение свободного конца пластины от равновесного состояния при повышении температуры. Округлый изгиб в первом приближении аппроксимировали П - образным изгибом.

Пусть в точке деления Х₃ пластина изогнута при t = 20⁰С на 90⁰ по часовой стрелке, а в точке Х₄ - еще на 90⁰. При нагреве частичные участки пластины примут вид, показанный на рис.2.

Рис.2. Повороты частичных участков П - образной пластины при нагреве.

Координаты (Х₄, У₄) и (Х ₅, У₅) определяли по формулам:

, (1)

, (2)

, (3)

(4)

По принципу формул (1 - 4) можно учесть любой предварительный изгиб пластины при расчете ее температурной деформации.

Составлены соответствующие программы расчета отклонения свободного конца пластины при различных соотношениях длин сторон L₁, L₂, L₃. Если общая длина пластины остается неизменной, то наибольшее отклонение У при одной и той же температуре будет в случае максимальной длины свободного конца L₃. Увеличение перемычки L₂ за счет стороны L₃ при постоянном значении L₁ ведет к уменьшению отклонения У. Увеличение перемычки L₂ за счет стороны L₁ при постоянном L₃ ведет к увеличению отклонения У.

Соблюдая габариты стартера, наилучший результат можно получить при максимально возможных длинах сторон L₁, L₂, L₃, причем должно быть выдержано соотношение L₁ < L₃. Конструкцию биметаллического электрода выбирали исходя из двух соображений - достижение минимальной площади и технологичности. В качестве второго электрода была выбрана проволока диаметром 0,6 мм из спецсплава. Конструкцию стартера, габаритные размеры (см. рис.3) выбрали с учетом существовавшего технологического оборудования.

На рис.4 показано, как влияет давление газовой смеси, состоящей из 98% Ne + 2% CH_4, на вольтамперные характеристики стартеров. Как следует из данных рис.4, увеличение давления приводит к увеличению тока,

Рис.3. Конструкция стартеров 80С - 220-1 (а) и 20С - 127-2 (б); бусинка, 2 - колба стартера, А - активатор.



Рис.4. Вольтамперные характеристики стартеров.

Плюс на биметалле

Минус на биметалле.

Наполнение 98%Nе + 2% СН₄ при давлении 1-35мм рт. ст.; 2-30мм рт. ст.; 3 - 20мм рт. ст.; 4 - 40мм рт. ст. (80С-220-1); протекающего через стартер под действием высоковольтного импульса и снижающего его амплитуду, т.е. повышение давления наполняющей смеси нежелательно.

Принятое решение о давлении наполняющей смеси было компромиссным. С учетом эффекта жестчения газа давление было выбрано равным 40 мм рт. ст. Из всех исследованных составов этот состав показал себя как наиболее оптимальный. Разработка проводилась при тесном контакте с ВНИИИС им.А.Н. Лодыгина по его заказу. В 1988 году стартер марки 80С-220-1 в алюминиевом корпусе был внедрен в производство по ТУ 16 - 88 ИКВА 675 593.001 ТУ и в различных модификациях выпускается по настоящее время. Одна из наиболее массово выпускаемых модификаций - 80С-220-2 - стартер в пластмассовом корпусе.

В третьей главе изложены материалы по разработке стартеров к энергоэкономичным люминесцентным лампам для сети 127 В. Задача разработки стартеров типа 20С-127 с повышенным зажигающим импульсом оказалась более сложной, нежели разработка стартера 80С-220-1.

Главная сложность заключалась в обеспечении надежного зажигания стартеров после 15-и часового пребывания в темноте.

На рис.5 представлены зависимости напряжения зажигания стартёров тлеющего разряда типа 20С - 127 от продолжительности выдержки их в темноте.

Рис.5. Зависимость напряжения зажигания стартеров от времени выдержки в темноте 1 - область возможных значений для стартера 20С-127; 2 - с дополнительной лампой ИН-3 в корпусе. Переменное напряжение 50 Гц

Как видно из данных, приведённых на рис.5 (ГОСТ требует проводить измерение параметров стартеров после 15-и часов темновой выдержки), увеличение продолжительности темновой выдержки стартеров приводит к росту напряжения зажигания. На этом же рис.5 (кривая 2) приведена зависимость напряжения зажигания стартера 20С-I27 от времени выдержки в темноте при подключенной параллельно ему газоразрядной лампе ИН-3 с токоограничительным элементом. Видно, что при этом напряжение зажигания стартера почти не зависит от времени выдержки в темноте.

На рис.6 приведены зависимости напряжения зажигания стартёра от времени темновой выдержки для экспериментальных образцов, наполненных смесями Ne +10 % Ar, Ne +10 % Xe. Выбор для исследования смесей Ne + Ar, Ne + Хе вызван тем что они обладают наибольшим значением коэффициента объемной ионизации , т.е. обеспечивают при прочих равных условиях наименьшее напряжение зажигания.

Введение в смесь достаточно большого количества Ar или Хе обусловлено желанием уменьшить влияние "жестчения" газа в процессе срока службы.

Рис.6. Зависимость напряжения зажигания стартеров от времени выдержки в темноте 1 - 10% Ar +90% Ne, 2-Xe10% +90%Ne.

Так поступают производители приборов тлеющего разряда, не используя в наполнении приборов смесь Ne +0,1 % Ar, имеющую наибольшее значение .

Применение смеси Ne +10 % Xе обусловлено тем, что согласно экспериментальным данным напряжение пробоя стартера, наполненного этой смесью при давлении 40 мм рт. ст., имеет величину около 100 В (рис.7, кривая 3).

Рис.7. Зависимость напряжения темнового зажигания стартеров от состава наполняющего газа при давлении 1-10 мм рт. ст.; 2-20 мм рт. ст.; 3-40 мм рт. ст.;

Повышение содержания Хе в смеси приводит к увеличению времени контактирования стартёра. В чистом Xe время контактирования достигало величин десятков секунд, что, конечно, неприемлемо для стартёра. Зависимости рис.6 показывают, что стартеры, наполненные смесями Ne+10% Ar, Ne +10 % Xe, зажигаются в темноте практически при том же напряжении, что и на свету. Однако предпочтение в дальнейшем было отдано наполняющей смеси состава Ne +10 % Ar, как обеспечивающей меньшее напряжение зажигания и больший высоковольтный импульс.

Как было показано ранее, величина максимального импульсного напряжения не превышает напряжение при котором в стартере существует ток аномального тлеющего разряда 1 А. Наилучшие с этой точки зрения результаты дают стартёры с наполнением Ar при давлении 8 мм рт. ст. (рис.8).

Стартеры, наполненные смесью Ne + 10% Ar при Р = 100 мм рт. ст., более быстро разогреваются (ток тлеющего разряда большой), но амплитуда высоковольтного импульса у них меньше. Подходящим для стартеров, работающих в сетях 127 В, с точки зрения напряжения зажигания, является наполнение, состоящее из Ne +10 % Ar при давлении 30 мм рт. ст. Учитывая данные рис.6, это наполнение обеспечивает и устойчивое зажигание в темноте, однако, время до первого контактирования стартера при этом велико.

Рис.8. Полные вольтамперные характеристики стартеров наполненных:

1 - Ne + 10% Ar (Р = 100 мм рт. ст.); 2 - Ar (Р = 20 мм рт. ст.); 3 - Ar (Р = 8 мм рт. ст.).

Плюс на биметалле; Минус на биметалле.

Если стартер находится в темноте, то для его надежного зажигания самым эффективным приемом считается введение в состав наполняющего газа радиоактивной примеси (трития или Kr⁸⁵).

Очевидно, что в этом случае возникают проблемы обеспечения радиационной безопасности как при производстве, так и при использовании таких стартёров.

Особенность использования трития (₁³Н) в стартерах заключается в том, что при его радиоактивном распаде, протекающем по схеме:

₁³ Н ₂³ Не + в + а

в стартере создаются электрон ( в излучение), способный ионизировать инертный газ и антинейтрино - а:

в Х = Х⁺ + е ^- ,

Благодаря образующимся при этом ионам Х⁺ и электронам е ^- облегчается зажигание стартера в темноте. Одна в - частица способна ионизовать большое количество атомов инертного газ Если стартеры заполняются инертным газом с давлением 10 мм рт. ст. и объем 1стартера равен 1 мл. то для заполнения 370000 стартеров требуется 370000 мл = 370 л инертного газа при давлении 10 мм рт. ст. (что соответствует 5 л газа при давлении 760 мм рт. ст. или 1 атм.). При давления 5 атм. этот газ займет объем 1 л. Если предварительно добавить в этот баллон тритий с активностью 100 мкКи, то в каждом из 370000 стартеров окажется тритий в количестве, обеспечивающем радиоактивность 10 Бк. Для расчетов, связанных с приготовлением смесей инертного газа с тритием, используемых для заполнения стартеров, предлагаются следующие формулы:

А= 20V*р и n =7,6 10⁴ V*р,

где А - активность (в мкКи) трития, которую следует добавить в баллон с инертным газом, V - объем (в литрах) баллона с инертным газом, р - давление (в атм.) инертного газа в баллоне, n - число стартеров, которые можно заполнить находящейся в баллоне смесью инертного газа с тритием.

На рис.9 представлены характеристики стартеров с тритием. Видно, что введение в состав наполняющей смеси Kr увеличивает ток тлеющего разряда, уменьшая время до первого контактирования.

Рис.9. Вольтамперные характеристики стартеров.

Однако, как показано ранее, увеличение тока тлеющего разряда может привести в снижению амплитуды высоковольтного импульса, что далеко не всегда является желательным.

Судя по данным, приведенным в этой главе, лучшими электрическими характеристиками обладают стартеры, наполненные смесью Kr + 20% Не при давлении 8 мм рт. ст. Однако использование смесей газов столь значительно отличающихся массами молекул, требует специальных мер для предотвращения расслоения смеси при наполнении стартеров, что в условиях массового производства трудновыполнимая задача.

Использование трития в наполнении стартеров полностью снимает проблему темнового зажигания и позволяет рекомендовать для наполнения стартеров аргон при давлении 8 мм рт. ст. Информация, полученная в результате проведенных исследований, позволила выработать рекомендации и разработать стартер для люминесцентных ламп с питанием от сети 127 В. Прибор запатентован.

Разработка проводилась при тесном контакте с ВНИИИС им.А.Н. Лодыгина по его заказу. В 1990 году стартер марки 20С-127-2 был внедрен в производство по ТУ 16 - 90 ИКВА 675 591.003 ТУ и в различных модификациях выпускается по настоящее время. Выпущено более 50 млн. таких стартеров. Одна из наиболее массово выпускаемых модификаций 20С-127-1 - стартер в пластмассовом корпусе.

Четвертая глава посвящена модернизации технологического процесса. Технологический процесс производства стартеров можно свести к пяти основным операциям: 1 - монтаж ножки; 2 - заварка; 3 - откачка; 4 - тренировка; 5 - операция сборки.

Заключительным процессом, формирующим качества стартера и во многом определяющим его характеристики, является тренировка - процесс обработки отпаянного стартера путем пропускания через него тока.

По существующей технологии стартер включают в сеть 220 В через дроссель. Процесс тренировки можно разложить на 3 основных этапа: 1-й - тлеющий разряд при напряжении меньшем сетевого; 2-й - замыкание контактов, и протекание тока "короткого замыкания"; 3-й - размыкание контактов - при этом дроссель генерирует импульс напряжения, который оказывается приложенным к стартеру. Именно 3-й этап наиболее эффективен в процессе тренировки, т.к. во время действия высоковольтного импульса реализуется аномальный тлеющий разряд. Остальные этапы, более продолжительные по времени, менее эффективны для тренировки. Исключение их из процесса тренировки, разработка такого способа тренировки, при котором ее время могло быть снижено в 10 раз и более по сравнению с существующими методиками, и стало нашей задачей.

Эта задача решалась путем использования специальных генераторов импульсов. Импульсы напряжения подводили к стартеру, при этом стартер не контактировал. Частота следования импульсов не зависела от свойств стартера, а определялась характеристиками генератора.

Исследованы ВAX стартеров 20С-127-1 после импульсной тренировки при различных параметрах импульсов, а также влияние полярности напряжения на процесс импульсной тренировки стартеров. ВAX стартера 20C-127-1 после импульсной тренировки при длительности импульса ф = 100 мкс, частоте повторения f = 50 Гц и импульсном токе I_А = 0,5 А представлены на рис.10.

Рис.10. ВАХ стартеров 20С-127-1 (тренировка импульсами тока 0,5А) 0 - до тренировки; после тренировки в течение: 1 - I мин; 2 - Змин; 3 - 5 мин; 4 - 10 мин; 5 - 20 мин

Сравнивая ВАХ стартеров 20С-127-1 после обычной тренировки и после импульсной было установлено, что наиболее эффективной явилась тренировка импульсами тока I_А= 0,5 А. Такой режим оказался даже более эффективным, чем тренировка импульсами тока величиной 4 А. Причину этого следует искать в данных рис.11, где приведена ВAX стартера 20С-127-1. При токе около I_А = 0,6 А разряд в стартере переходил в дуговую форму с малым падением напряжения. Катодное пятно возникало в месте спая металлических электродов со стеклом. От экземпляра к экземпляру стартеров величина тока перехода колеблется от 0,3 А до 0,7 А. Очевидно, что при импульсном токе I_А = 4 А разряд в стартере существовал в дуговой форме. Поверхности электродов при такой форме разряда очищались ионной бомбардировкой хуже, чем при аномальном тлеющем разряде при токе I_А = 0,5А. Поэтому скорость тренировки при импульсном токе I_А = 4 А оказалась ниже, чем при импульсном токе I_А = 0,5 А (частота импульсов и их длительность в обоих случаях была одинакова).

Рис.11. ВАХ стартера 20С-127-1. Стрелкой обозначено напряжение возникновения дугового разряда в стартере

Аналогичные исследования ВАХ: после обычной тренировки, после тренировки тлеющим разрядом, после импульсной тренировки были проведены для стартеров 80С-220-2. Тренировку стартеров следует проводить токами, меньшими, чем ток перехода в дуговую форму. Величина тока перехода мало зависит от наполнения стартера и лежит в пределах 0,3 - 0,7 А для различных экземпляров стартеров.

Специально проведенными исследованиями установлено, что давление наполняющего стартер газа и температура контактирования в процессе импульсной тренировки меняются незначительно.

Данные, полученные нами, позволили установить, что максимальная мощность, которую можно вводить в стартер при тренировке, с тем, чтобы он замкнул контакты не быстрее чем за 1 минуту, составляет для стартеров 20С-127-1 - 0,7-0,8 Вт, а для стартеров 80С-220 - 2 - 1,3-1,5 Вт. Введение большей мощности уменьшает время до контактирования, что не всегда желательно при тренировке.

Из данных рис.11 следует, что при токах, превосходящих значение I = 0,6 А (в разных типах стартеров эта величина меняется от 0,3 до 0,8 А), аномальный тлеющий разряд в стартере переходит в дуговой с малым падением напряжения. Разряд в дуговой фазе мало эффективен для тренировки стартера и поэтому подавать на стартер импульсы тока больше 0,4 А нецелесообразно. Для стартера 20C-127-1 при I_А = 0,4 А U= 650 В (рис.11).

Если остановиться на частоте повторения импульсов f = 20 Гц (что в 10 раз больше, чем частота следования импульсов при традиционной тренировке), то при условии Р= 1,5 Вт длительность ф импульсов тока составит: ф = Р*Т /I*U = 1,5* 5*10^-2/0,4*600 = 300 мкс.

Формировать импульсы с такими характеристиками удобно с помощью транзисторных генераторов с индуктивной нагрузкой (рис.12).

Рис.12. Схема блока формирования импульсов.

На рис.13 приведены осциллограммы тока, протекающего через стартер, включенный в схему рис.12. Проведенные опыты показали, что генератор импульсов для тренировки стартеров позволяет оттренировать стартер менее чем за 1 минуту. Частота следования импульсов соответствовала расчетной и составляла 20 Гц.

Рис.13. Зависимость тока через стартер от времени. 1-стартер 20С-127-1; 2 - стартер 80С-220-2. L - одна половина обмотки дросселя 1 УБИ-15/127-ВП-040 УИ

Протоколы испытаний подтверждают, что использование предложенного способа тренировки позволило выпускать стартеры в соответствии с ГОСТом, причем время тренировки сократилось в 10 раз, а энергозатраты на тренировку уменьшились почти в 100 раз по сравнению с обычной тренировкой.

Еще большего эффекта достигли при тренировке стартеров методом плавления активатора. При реализации этого изобретения применительно к стартерам 20С-127-1 время тренировки составило 5 с., энергия Е = 10 Дж. В результате тренировки время зажигания люминесцентной лампы стартером снизилось до 3 с., в то время как при стандартной тренировке время зажигания лампы достигало 15 с.

В пятой главе представлена разработанная нами модель механизма ограничения амплитуды высоковольтного импульса, генерируемого в стартерной схеме включения газоразрядных ламп.

В эквивалентной электрической схеме включения стартера для зажигания газоразрядных ламп, приведенной на рис.14, стартер S представлен комбинацией трех элементов: ключа К, сопротивления утечки R₂, разрядника Р. Направления токов I₁, I₂, I₃ указанны для процессов, проходящих после размыкания ключа К. Параметры разрядника Р (напряжение пробоя) зависят от конструкции стартёра, состава и давления наполняющего газа. Сопротивление R₂ определяется для стадии аномального тлеющего разряда в стартёре.

Рис.14. Эквивалентная электрическая схема включения стартера для зажигания газоразрядных ламп.

Процесс разрыва контактов в стартёре может быть представлен последовательностью фаз:

1)"мостик";

2) короткая дуга длиной 0.1 - 1 мкм, при длительности ф < 5мкс и напряжении горения U ~ 10-20B);

3) плазменная дуга размыкания, время горения которой является функцией тока. При дальнейшем расхождении контактов возникает тлеющий разряд между электродами стартера. За время размыкания контактов, включающего три первых фазы и длящегося единицы микросекунд, энергия, накопленная в дросселе, изменяется незначительно так, что к моменту возникновения в стартёре тлеющего разряда эта энергия , сохраняется почти полностью. Возникающий затем тлеющий разряд и является тем каналом, по которому рассеивается накопленная в дросселе энергия. Контакты стартёра можно представить в виде идеального ключа К.

На рис.15 представлены осциллограммы тока и напряжения на стартере 80С-220-2 при разрыве контактов в типовой схеме включения газоразрядных ламп. На осциллограмме 1 видно, что пробои возникают многократно даже после одного разрыва контактов стартера до тех пор, пока не израсходуется энергия, накопленная в магнитном поле дросселя.

Максимальная амплитуда импульсов U_max ограничивается напряжением пробоя - напряжением перехода аномального тлеющего разряда в низковольтную дугу. Специальные исследования показали, что при каждом таком пробое происходит переход от катодного слоя с равномерной эмиссией со всего катода к слою, в котором эмиссия электронов с малого участка обеспечивает ток в столбе на площади, значительно превосходящей площадь эмитирующего участка поверхности катода - тлеющий разряд переходит в дуговой.

Рис.15. Осциллограммы импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения газоразрядного стартера 80С-220-2.1 - напряжение на стартере - 600 В/дел, - ток в дросселе - 0,5А/дел, развертка-0,2 мс/дел. Стрелкой отмечен момент азрыва контактов стартера.

Время существования дуги - доли микросекунды. Место локализации катодного пятна - место спая электрода со стеклом. В спектре излучения пятна присутствуют интенсивные линии, соответствующие спектру материала электрода, а также дублет Nа, входящего как в в состав стекла так и буры, покрывающей платинит.

Объяснение возникновения пробоев в стартёре дано с позиции возникновения взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ). Электроны проводимости, перенося электрический ток, приносят из глубины катода к границе эмиссии среднюю энергию на один электрон, близкую к энергии Ферми. Электроны эмиссии уносят с катода среднюю энергию на один электрон, меньшую энергии Ферми. В результате в катоде вблизи границы эмиссии накапливаются горячие электроны, что приводит к локальному разогреву катода. Это приводит, в свою очередь, к локальному увеличению электросопротивления и бурному выделению джоулева тепла, что является второй составляющей теплового разрушения. При высоких плотностях тока (10⁸ А/см² и выше) процесс может быть настолько интенсивным, что приводит к взрывообразному разрушению отдельных участков катода. Из продуктов эрозии катода образуется прикатодная плазма, то есть газ, состоящий из электронов и ионов различной кратности заряда. Температура электронов Т_е = (4-5) 10⁴ К, температура ионов T_i = 1 10⁴К.

Концентрация электронов в этой плазме высока, энергия связи их с положительными ионами мала, что обеспечивает высокую эмиссию электронов (плотность тока на несколько порядков выше других видов электронной эмиссии) из этого сгустка плазмы.

При расходе вещества катода - 40 мкг/Кл за один пробой испаряется, в нашем случае 4 10^-10 г вещества электрода (по другим данным - 10^-12 г). Для испарения 0,1 мм^{3 (}1 мг) вещества электрода нужно более 10⁷ пробоев, поэтому срок службы стартера - 10000 контактирований ограничивается конечно не пробоями.

Зависимость максимальной амплитуды импульса U_max от давления наполняющего стартер газа для Не и Ne приведена на рис.16 (катодом включен электрод без биметалла). Стартеры по конструкции не отличались от стартеров 80С 220-2.

Рис.16. Зависимость амплитуды импульса от давления наполняющего стартер аза: 1 - Ne; 2 - . Не

Анализ данных графиков, указывает на закономерность: чем больше давление газа в стартере, тем ниже его "пробивное" напряжение; чем легче газ, тем больше максимальная амплитуда импульса U_max.