БЕЗЭЛЕКТРОДНАЯ ЛАМПА С КОНТРОЛИРУЕМЫМ СПЕКТРАЛЬНЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ Российский патент 2000 года по МПК H01J65/04 H05B41/24 

Изобретение относится к газоразрядным безэлектродным лампам, излучающим спектры различных химических веществ и предназначенным для освещения общественных зданий и сооружений, для наружного освещения городов, населенных пунктов, автомобильных дорог, теплиц, спортивных залов и т.д.

Известна газоразрядная высокочастотная лампа (1), которая состоит из колбы, изготовленной из оптически прозрачного материала и заполненной смесью газов селена и ксенона, причем удельное содержание селена в колбе составляет 0,14-0,22 мг/см, а давление ксенона находится в пределах 450-550 Па.

Особенностью селеновой лампы является то, что работает она при малой подводимой ВЧ-мощности (не более 8 Вт) для получения резонансной линии селена 203,99 нм. При таких условиях эта лампа не может быть использована в целях освещения.

Наиболее близким по технической сущности является безэлектродная лампа с контролем спектрального распределения (2), которая состоит из выполненной из оптически прозрачного материала колбы, содержащей наполнитель в количестве, избыточном по отношению к давлению насыщенного пара этого наполнителя при рабочей температуре лампы (насыщенный пар). В качестве наполнителя безэлектродной лампы помимо буферного газа используют вещества, имеющие сплошной спектр излучения, включающий видимую красную и/или инфракрасную области, например, ртуть, хлорид олова, иодиды индия, лития, ртути и натрия. Устройство содержит мотор, вращающий колбу, размещенную внутри резонатора, соединенную с мотором и через волновод с магнетроном, анод которого соединен с выходом источника анодного напряжения магнетрона. Безэлектродная лампа снабжена баллоном со сжатым воздухом и мотором, регулирующим работу клапана и подающим воздух к колбе с наполнителем, а также схемой сравнения (вычитания), один вход которой соединен с выходом генератора эталонного сигнала, а другой вход через фотоприемник и оптический фильтр воспринимает выходной сигнал лампы, т. е. ее излучение. Схема работает на принципе сравнения выходного сигнала с формируемым эталонным сигналом, который вырабатывает функциональный генератор в соответствии с желаемой величиной светового потока в заданной области спектра. Такая безэлектродная лампа имеет линейчатый спектр излучения на фоне сплошного спектра излучения малой интенсивности. При этом эталонный сигнал вырабатывается, исходя из соотношения интенсивностей отдельных составляющих спектра излучения.

Для получения спектра излучения, близкого к белому, в колбу вводится не одно вещество, а несколько, для каждого из которых существует своя зависимость давления насыщенных паров от температуры. В связи с этим должна быть разная дозировка используемых веществ, из которых одно, например, соединение лития, влияющее на красную линию в спектре излучения, не должно полностью переходить в парообразное состояние в пределах рабочей температуры (т.е. вводится в избыточном количестве по отношению к давлению насыщенного пара этого вещества при рабочей температуре), в то время как другие должны быть взяты с недостатком по отношению к давлению насыщенного пара. В таком случае появляется возможность путем изменения температуры колбы за счет обдува ее воздухом изменять интенсивность красной линии и, тем самым, спектральный баланс излучения лампы.

В том случае, когда эталонный сигнал отличается от выходного сигнала фотоприемника, который зависит от интенсивности излучения красной линии, сигнал на выходе схемы сравнения используется для контроля количества охлаждающего воздуха, который подается на лампу, увеличивая или уменьшая его количество до тех пор, пока эталонный сигнал не становится равным или почти равным выходному сигналу.

Наличие движущихся деталей в системе охлаждения лампы для регулирования потока воздуха приводит к снижению надежности этой системы и нестабильности светового потока, что, в свою очередь, приводит к переохлаждению или к перегреву лампы. Кроме того, наличие в резонаторе отверстия для подачи охлаждающего воздуха к колбе с наполнителем приводит к увеличению излучаемого потока СВЧ-мощности в окружающую среду, что при массовом использовании в средствах освещения представляет экологическую опасность. Утилизация отработавших свой срок ламп, содержащих ртуть и другие опасные элементы, также представляется проблемой для общества.

Решаемая техническая задача - стабилизация спектра излучения безэлектродной лампы, а следовательно, повышение надежности системы и экологической безопасности при максимальном исключении движущихся деталей.

Для достижения поставленной задачи в предлагаемом устройстве осуществляют смещение максимума спектра излучения безэлектродной лампы в направлении красной и/или инфракрасной области путем изменения анодного напряжения магнетрона (или тока), приводящее к изменению мощности возбуждения безэлектродной лампы и, следовательно, к изменению температуры колбы лампы.

Технически задача решается следующим образом. Предлагаемое устройство содержит заполненную наполнителем колбу лампы из оптически прозрачного материала. В качестве наполнителя могут быть использованы вещества, имеющие сплошной спектр излучения в видимой части спектра, включая красную и/или инфракрасную область (например, селен, сера, теллур) в сочетании с буферным газом (аргоном, ксеноном и т.п.). Количество наполнителя выбирается таким, чтобы при рабочей температуре лампы произошло полное его испарение (ненасыщенный пар). Если же вещество не полностью испарится при рабочей температуре, то произойдет деформация спектра излучения за счет фильтрации излучаемого света через пленку расплавленного растворителя, например, излучение приобретает желтый оттенок при использовании серы в качестве наполнителя. Колба лампы размещается в цилиндрическом сетчатом резонаторе, который связан через щель связи с волноводом, в который вводится сверхвысокочастотная энергия от магнетрона. Анод магнетрона соединен с выходом источника регулируемого анодного напряжения (или тока). Излучение безэлектродной лампы, прошедшее через оптический фильтр, пропускающий свет в красном и/или инфракрасном диапазоне, поступает на фотоприемник, выход которого соединен с одним из входов схемы вычитания. Другой вход схемы вычитания соединен с генератором эталонного напряжения (или тока), выход схемы вычитания - со входом усилителя, выход которого соединен со входом источника регулируемого анодного напряжения (или тока) магнетрона, а выход источника регулируемого анодного напряжения (тока) магнетрона соединен с анодом магнетрона. Колба лампы через стойку механически связана с осью мотора, который производит вращение колбы. В сетчатом резонаторе электрическая компонента сверхвысокочастотного электромагнитного поля, возбуждающая разряд в колбе лампы, поляризована. Это приводит к неравномерному распределению температуры на поверхности колбы лампы, т.е. к локальному перегреву. Сглаживание температуры на поверхности колбы обеспечивается ее вращением.

Введение в схему безэлектродной лампы источника напряжения с регулируемым анодным напряжением (или током) и оптического фильтра, выделяющего излучение в красном и/или инфракрасном диапазоне в предлагаемом техническом решении, вместо мотора, регулирующего работу клапана, подающего воздух к колбе с наполнителем в прототипе, приводит к тому, что появляется возможность осуществлять контроль за интегральным потоком излучения в указанном оптическом диапазоне и стабилизацию положения максимума спектра излучения лампы путем изменения анодного напряжения. Таким образом, появляется возможность стабилизировать световой поток и его спектральный состав, не определяя соотношений интенсивности отдельных компонент (красной, синей и зеленой линий в прототипе), а только лишь определяя интегральный поток излучения красной и/или инфракрасной компоненты. При этом улучшается качество свечения (осуществляется приближение его к дневному свету).

На фиг. 1 представлена схема устройства, где 1 - колба лампы с наполнителем, 2 - сетчатый резонатор, 3 - волновод, 4 - магнетрон, 5 - оптический фильтр, 6 - фотоприемник, 7 - схема вычитания, 8 - генератор эталонного напряжения, 9 - усилитель, 10 - источник регулируемого анодного напряжения (тока) магнетрона, 11 - мотор для вращения колбы.

Устройство работает следующим образом. При включении питания напряжение подается на узлы 6, 7, 8, 9, источник 10 анодного напряжения (или тока) магнетрона и на мотор 11. После подачи напряжения на все узлы устройства происходит возбуждение магнетрона, в свою очередь возбуждающего спектр излучения безэлектродной лампы, который находится в синей области. По мере повышения температуры безэлектродной лампы спектр излучения смещается в направлении красной области. Фотоприемник 6 реагирует на световой поток, прошедший от колбы 1 лампы с наполнителем через оптический фильтр 5, пропускающий излучение в красной и/или инфракрасной области спектра. Когда напряжение на фотоприемнике 6 начинает превышать уровень эталонного напряжения генератора 8, что соответствует появлению в спектре излучения лампы красной и/или инфракрасной компоненты, схема вычитания 7 выдает сигнал управления (после дополнительного усиления в усилителе 9) на уменьшение анодного напряжения (тока) магнетрона 4. Если в процессе работы по каким-либо причинам (например, изменение напряжения сети) фиксируемый фотоприемником 6 световой поток в красной и/или инфракрасной области спектра уменьшается, то схема вычитания 7 выдает сигнал управления на увеличение анодного напряжения (тока) магнетрона 4. В результате изменяется световой поток в заданном красном и/или инфракрасном спектральном интервале и автоматически стабилизируется полный спектр излучения в видимой части диапазона лампы, т.е. осуществляется контроль спектрального распределения оптического излучения лампы за счет контроля его красной и/или инфракрасной области спектра.

Авторами созданы экспериментальные образцы предлагаемого устройства. Колба объемом 17 кубических сантиметров выполнена из оптически прозрачного материала - кварца. В качестве наполнителя использована сера с буферным газом - аргоном. Колба лампы с наполнителем помещена внутри сетчатого резонатора из металлически прочного материала. В образце установлен оптический фильтр типа ИКС-1. В качестве фотоприемника использован кремниевый фотодиод. Возможен вариант установки другого фотоприемника, имеющего максимальную спектральную чувствительность в ближней ИК- области. Следует отметить, что в предлагаемом устройстве возможно использование фотоприемника с селективной чувствительностью в красном или ИК-диапазоне вместо оптического фильтра и фотоприемника с относительно широкой спектральной полосой. В качестве генератора эталонного напряжения в устройство включен стабилитрон типа Д 818 Е. Уровень эталонного напряжения определяется для данной лампы экспериментально по появлению в спектре излучения красной и/или инфракрасной компоненты, обеспечивающей излучение белого света. Схема вычитания и усилитель выполнены по традиционным схемам на основе операционных усилителей. В качестве источника СВЧ-колебаний использован магнетрон типа М-155 и волновод, обеспечивающий передачу энергии от магнетрона к сетчатому резонатору на частоте 2,45 ГГц. Источник регулируемого анодного напряжения магнетрона, в общем случае, может быть изготовлен на базе повышающего трансформатора с тиристорной схемой управления в первичной цепи трансформатора, порог отпирания которой изменяется в зависимости от напряжения на выходе схемы вычитания, или на базе импульсного преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, в котором ширина импульса зависит также от напряжения на выходе схемы вычитания. Нами проверена работоспособность предлагаемого устройства с обоими вариантами выполнения источника регулируемого анодного напряжения. Мотор для вращения колбы - типа ДПМ - 30Н1. Принципиально это может быть любой другой, обеспечивающий частоту вращения не менее 300 об/мин.

Экспериментальные образцы прошли опытную проверку и показали следующие технические данные:
- световой поток - 115000 лм;
- цветовой индекс - 0,80
- световая эффективность - 110 лм/Вт;
- частота магнетрона 2,45 ГГц;
- напряжение питания 220 В, 50 Гц;
- потребляемая мощность - 1050 Вт;
- вес - 6 кг
Результаты экспериментальной проверки подтвердили, что предлагаемое техническое решение способствует стабилизации спектра излучения при изменении напряжения питания, а также повышению надежности за счет исключения движущихся деталей в системе регулирования потока воздуха и уменьшению потока излучаемой электромагнитной энергии через сетчатый резонатор.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР N 1282239, МКИ H 01 J 65/04, 1985.

2. Патент США N 4978891, МКИ H 05 B 41/24, НКИ 315/117, 1990.

Изобретение относится к газоразрядным безэлектродным лампам, предназначенным для освещения общественных зданий, производственных помещений, автомобильных дорог, теплиц, спортивных залов и т.д. Техническим результатом является повышение надежности системы и экологической безопасности. Безэлектродная лампа содержит колбу с наполнителем, сетчатый резонатор, волновод, магнетрон, оптический фильтр, фотоприемник, схему вычитания, генератор эталонного напряжения, усилитель, источник регулируемого анодного напряжения (тока) магнетрона и мотор для вращения лампы. При включении безэлектродной лампы в сеть напряжение подается на все узлы лампы, вследствие чего осуществляется возбуждение спектра излучения лампы в синей области спектра. По мере повышения температуры безэлектродной лампы спектр излучения смещается в красную область. Если при этом напряжение на фотоприемнике начинает повышаться или снижаться по сравнению с уровнем эталонного напряжения генератора, то схема вычитания выдает сигнал управления на уменьшение или увеличение анодного напряжения магнетрона. Таким образом, меняется световой поток в заданном красном и/или инфракрасном спектральном интервале и происходит автоматическая стабилизация полного спектра излучения в видимой части диапазона лампы. 1 ил.

Безэлектродная лампа с контролируемым спектральным распределением, содержащая размещенную внутри резонатора заполненную наполнителем колбу из оптически прозрачного материала, соединенную с мотором и через волновод с магнетроном, анод которого соединен с выходом источника анодного напряжения магнетрона, вход источника анодного напряжения через усилитель подключен к выходу схемы вычитания, один из входов которой подключен к генератору эталонного напряжения, а другой - к выходу фотоприемника, оптический вход которого воспринимает излучение безэлектродной лампы через оптический фильтр, при этом в качестве наполнителя используют буферный газ и вещества, имеющие сплошной спектр излучения, включающий видимую красную и/или инфракрасную области, отличающаяся тем, что источник анодного напряжения магнетрона выполнен регулируемым, а оптический фильтр пропускает красный и/или инфракрасный диапазон спектра излучения безэлектродной лампы.