Способ питания газоразрядной лампы высокого давления Советский патент 1979 года по МПК H05B41/30 

натрия при одновременном снижении световой отдачи лампы.

Увеличение давления паров натрия равносильно повышению мощности лампы и предполагает работу лампы в режиме повышенной (против номинальной) мощности, при этом цветовую температуру ГУЮЖНО увеличить лишь за счет потери световой отдачи лампы, равной 10 люмен/Вт на каждые 100° К при цветовых температурах выше 2100°К. Однако работа

дампы в режиме повышенной мощности сопровождается повьш1енными потерями натрия, что приводит к более быстрому подъему напряжения и потемнению наружной оболочки и тем самым к сокращению срока службыпампы 2.

Цветопередачу лампы можно улучшить такж осуществляя питание лампы определенным способом.

Известен способ питагшя газоразрядной лампы BbicoKoro давления, имеющей натриевой наполнение внутри баллона, при котором на лампу подают электрические импульсы номинальной мощности.

В этих системах импульсная работа используется только для того, чтобы при низкой средней подводимой к лампе мощности увеличить ее мгновенное нагружение. Продолжительность импульсов при этом не имеет существенного значения, и импульсьЕ должны быть достаточно короткими для того, чтобы общая температура лампы во время одиночного импульса существенно не увеличивалась. Поэтому такие лампы работают от напряжения низкой частоты, обычные на частоте 60Гц,, т.е. на частоте обычных сетей, или же на частоте 12С Гц ,когда импульс генерируется на полупериоде переменного напряжения сети.

При этом не происходит улу пнения индекса цветопередачи и повышения цветовой температуры.

Целью изобретения является создание способа питания газоразрядной лампы высокого давления, имеющей натриевое наполнение, обеспечивающего повышение цветовой температуры лампы без сни сения ее эффективности.

Указанная цель достигается тем, что в способе питания газоразрядной лампы высокого давления, имеющей натриевое наполнение внутри баллона, снабженного разнесенными электродами, заключающемся в подаче на лампу электрических импульсов номинальной мощности, новым является то, что электрические импульсы подают на лампу с частотой 500-2000Г и с длительностью 10 30 периода повторения импульсов.

Способ основан на том, что при подходе к лампе переднего фронта импульса с крутым подъемом и во время его действия происходит сопровождающееся существенной эмиссией возбуждение более высоких состояний натрия, а в лампах, содержащих ртуть, появление заметного излучения ртути. При импульсной работе лампы происходит повышение цветовой температуры и улучшение цветового индекса лампы, что обусловлено эмиссией нескольких натриевых линий и сплошным излучением в видимой, в Частности сине-зеленой, части спектра а также эмиссией ртутных линий. Этот световой поток добавляется к нормальному свету, связанному с самообращением и расширением натриевых Д линий.

Подводимая к лампе между импульсами мощность должна быть практически нулевой, так как поддерживающий ток обеспечивает ионизацию плазмы и устраняет нежелательные эффекты, обусловленные импульсным режимом работы лампы. При питании лампы импульсами с частотой от 500 до 2000 Гц, при длительности импульсов от 10 до 30% цветовую температуру лампы можно повысить с 2050 до 2300° К при одновременном увеличении световой отдачи лампы или же - до 2600°К при некотором, снижении световой отдачи лампы по сравнению с обычными лампами, работающими на переменном токе (естественно без сколько-нибудь заметного снижения срока службы лампы). При желании можно за счет соответствующего снижения световой отдачи повысить цв уовую температуру до 2700° К.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 дана обычная 150-ватная натриевая газоразрядная лампа высокого давления и схема ее питания, обеспечивающая работу лампы в импульсном режиме; на фиг. 2 - спектр лампы при нормальной ее работе от сети переменного тока; на фиг. 3 - спектр, характеризующий работу лампы в режиме повыщенной мощности и при повыщенном давлении паров натрия; на фиг. 4 - спектр лампы, работающий в импульсном режиме; на фиг. 5 - график зависимости цветочных координат лампы от частоты импульсов и их длительности при постоянной величине подводимой к лампе мощности; на фиг. 6 - график зависимости цветовой температуры от пикового тока и времени отсутствия импульса при постоянной величине подводимой к лампе мощности; на фиг. 7 - графики зависимости интенсивности излучения натриевой Д линии и сплошного излучения от частоты импульсов; на фиг. 8 - графики зависимости интенсивности излучения натриевой Д линии и сплошного излучения от длительности импульса; на фиг. 9 - график корреляционной связи между цветовой температурой и световой отдачей лампы для импульсов различной частоты и длительности.

Натриевую газоразрядную лампу 1 высокого давления можно с целью улучшения ее цветопередачи перевести на импульсный режим работы. Лампа имеет мощность 150 Вт, однако такие же точно лампы выпускаются с мощностью от 70 до 1000 Вт. Лампа состоит из наруч ной стеклянной оболочки 2, к которой примыкает стандартный резьбовой цоколь 3. Оболочка 2 имеет расположенный внутри нее щтенгель 4, через который проходят два сравнительно мощных проводника 5, 6, наружные концы которых соединены с металлической винтовой оболочкой цоколя 7 и нижним ко - .тактом 8.

Дуговая трубка 9, центрально расположенная внутри наружной оболочки, изготовлена из керамической окиси алюминия. Трубку 9 можно изготовить из поликристаллической керамики, например из полупрозрачной кристаллической окиси алюминия или из чистого и прозрачного искусственного сапфира. Концы трубки герметично с помощью стеклянной герметизирующей композиции закрыты металлическими колпачками 10, 11 из ниобия, которые соответствуют по своему коэффициенту линейного расширения керамической окиси алюминия. Кол пачок 10 имеет металлическую трубку, герметично соединенную с ним. Трубка запаяна с нижнего конца и образует полость, в которой конденсируется при работе лампы излищек металлического натрия или натриево-ртутной амаль гамы, при этом лампа работает при нижнем положении цоколя. Расположенный внутри разрядной трубки электрод 12 прикрепляется к внутреннему концу трубки 13, а в верхней части трубки 9 расположена глухая трубка 14, которая проходит через колпачок 11 и образует опору для другого электрода 15. Разрядные трубки за полняются, например, ксеноном при давлении около 30 торр, образующим запускающий газ, и 25 мг амальгамы, состоящей из 25% по весу натрия и 75% ртути.

Выпускная трубка соединена проводником 16 и коротким несущим стержнем 17 с подводя. щим проводником 6, который, в свою очередь, соединен с нижним контактом 8 цоколя. Глухая выпускная трубка 14 проходит через кольцо 18 закрепленное сбоку на стержне 19, которое, ограничивая боковые перемещения разрядной трубки, позволяет ей перемещаться в осевом направлении. Гибкая металлическая лента 20 соединяет трубку 14 со стержнем 19, который приварен к подводящему проводнику 5, соединенному с оболочкой цоколя 7. Верхний конец стержня 19 соединен хомутом 2 с расположенным в верхней части оболочки 2 внутренним приливом 22.

Для питания лампы используются двухполупериодный выпрямитель и фильтр 23, которые

питаются от цени пере:-., i.. икм с 1 а;|ряжсиисм 240 В. 60 Гц мере J ре, ;.;,,1Г тралсформатор 24. Лампа 1 послелонлтс;1Ь-1о |;ос:1яяен2 с балластным сопрливлсяием 5 и jjkiXTpotnfbiM выключателем 26, через KOioiibie на нее полается постоянный ток указанной полярности. Обычно к одному балластному сопротивлению 25 подключаются две люмкыесцентные лампы MOUIностыо 1000 Вт. В качестве электрониог-о выключателя используется простой т 1анзистор. .миттерно-коллекторная цепь которого последовательно соединена с лампой, а на базу подаются управляющие снгна-гы, хотя для контролир емого подключения и отключения лампы от источника постоянного тока 23 можно использоват.. и другие электронные устройства. Генерато Ciu налов заданной формы 27, вырабагываюпшй пп.поооразное напряжение, переключает гсн.ер:;тлр inv пульсов 28. который подает на транзистор .я прямоуго.пьные импу.дьсы. В интервале прочеени, ког.да транзистор открыт, напряжение от источника 23 подается на .пампу ,: б:п.части1Ч сопротивление, и величина итого напряжения контролируется регулируемым трансформатором 24. Такая схема позволяет регллировать частоту импульсов, их LЧитeлhнocть и амп.читуду. Д.ПЯ измерения NniioBeHMbi.x значсний папряжения, тока, формы волн1. потербляемсч лампой мощности измерения и :i i;Linna излуч; емого ею светового потока n.;i c-:i; : y iTCH ооычные (не показанные на схс.-с lipiiOopbi.

В результате замеров уста)1-овлено. при импульсной работе лампы в звуковом ;икшазоне частот, в частности на частоте 1000 Гц, происходит улучшение цвета излучаемого лампой светового потока без испсря jihcjicKiniUiocти лампы, чего нельзя сказать об импч.чьсной работе лампы от обычной сети переменного тока, т.е. на частоте 60 Гц- TMint4iniui спектр лампы показана на фиг. 4. Как ви.чпо, правое К)1Ыло спектра мало отличается от спектра обычной лампы (работающей на частоте 6.0 riij , показанного на фиг. 2. Основное отлич-це С 1ектров состоит в увеличении интенсивности излучения (фиг. 4) натриевых .чнний в голубой части сиект ра, т.е. линий с длиной волны 448, 467, 498 и 568 нм, а также в наличии не наб;п€давтегс)ся ранее сплошного участка спектра, начиная от синего конца видимой части спектра вплоть до 450 нм. В лампах, содержащих ртуть, появляются ул чи1аюцше цвет ртутные линии 404, 436, 546 нм. Такое увеличение интенсивности излучения в голубой и зеленой частях спектра и появление сплошного спектра у голубого конца спектра в натриевом разряде при отсутствии заметного красного крыла спектра является принципиально новой и не наб.чюдае.мой никогда ранее особенностью предлагаемсмо способа питания. В рс-зультате этого (юявляется возможнос повысить цветовую температуру лампы без всякого снижения ее световой отдачи. Исследовано также влияние на работу лампы частоты импульсов в диапазоне от 667 до 2000 Гц и длительности импульсов от 15 до 30%. К разрядной трубке подводили мощност 150 Вт, подгдерживая паргщальное давление паров натрия на уровне 60 торр, близком к оп тимальному в смысле люминесцентной светово отдачи. Соответствующее парциальное давление паров ртути (для смеси, состоящей на 257 из натрия и 1У/( ртути) составило приблизительно 200 торр. Полученные результаты /цш различных условий показаны на фиг. 5 сшюшны j ми точками. Все точки для импу.пьсной лампы лежат рядом с показанной на фиг. 5 кривой, которая характеризует излучение объемного излучателя, в том же самом juiana3OHe температур, и выиге цветовой температуры, равной 2500° К. )я сравнения на фиг. 3 показана точка, характеризующая работу такой же ламп от обычнее сети переменного дока (60 Гц). Значения коррелированной ирветовой температры как линейной функции трех переменHhtx, а именно величины пикового тока, про.юлжительность импульса и времени отсутствия импульса можно получить методом множе ственного регрессионного анализа. Рассматрива ряд прямоугольных импульсов, поступающих на лампу при типовой величине тока 17 , ширине импульса ti, времени отЪутствия импуль сов t2, и, предполагая, что напряжение на лам пе V во время импульсов остается постоянны можно записать, что энергия, поступающая к лампе в течение каждого импульса, равна JVt Следовательно, средняя мощность лампы р - .CD -ti-ti При постоянной средней мощности и измен НИИ t, и tj (для того, чтобы избежать измен ний нагрузки на стенку разрядной трубки и температуры центров переохлаждения амальгамы) зависимости между .5, ti и t будет определяться следующим выражением, из котоpoiO следует, уто любые две из зтих трех переменных адекватны в смысле определения наблюдаемых изменений цветовой температуры. Пусть пиковый ток лампы и время отсутствия импульсов (tj) являются переменными, тогда имеем Т-г5П 0,578()(7-10,8) (2, тде Т - корректированная цветовая температура в °К, tj - время отсутствия импульсов в микросекундах.О - пиковое значение импульсного тока, н А. Графически эта зависимость показана на фиг. 6,- и из нее следует, что при постоянной величине подводимой к лампе мощности цвотовая .температура увеличивается с ростом пикового тока и с увеличением интервалов времени между импульсами. Выражение (2) и график, приведенный на фиг. 6, показывают, что наибольшая цветовая температура достигается при минимальной ширине импульсов и максимальном времени между импульсами. Однако постоянной величине подводимой к лампе мощности режим максимального пикового тока совсем не означает, что лампа при этом имеет оптимальные внещиие характеристики. Если увеличить tj и t2 таким образом, чтобы отнощение :fосталось постоянным, то лампа будет работать при постоянной ячительности импульса и постоянной величине пикового тока. На фиг. 7 показаны качественнь е зависимости интенсивности самообращенной и расширенной спектральной Д линии натрия и интенсивность синезеленого спектра при постоянной подводимой к лампе мощности и определенной длительности импульсов от частоты импульсов. Из этих графиков следует, что интенсивность излучения сплоитной части спектра растет с уменьшением частоты, а интенсивность натриевой Д линии соответственно падает. Если с другой стороны работагь-на одной и той же частоте, то пиковыЯ ток будет меняться .обратно пропорционально ширине или длительности импульса. Соответствующие графики приведены на фиг. 8, где показаны зависимости интенсивности излучения расширенной Д линией натрия и сине-зеленым сплошным спектром при постоянной величине подводимой к лампе мощности и постоянной частоте от ширины импульсов и величины пикового тока (с увеличением ширины или длительности импульсов пиковый ток падает). Как видно из приведенных графиков интенсивность излучения Д линии натрия почти не зависит от длительности импульсов и величины пикового тока, тогда как интенсивность излучения сплошного спектра заметно возрастает с ростом ггикового тока. Зависимости, показанные на фиг. 7 и 8, можно использовать для нахождения зависимости от цветовой температуры световой отдачи лампы. Это сделано на фиг. 9, на которой показана зависимость световой отдачи лампы от цветовой температуры для различных значений частоты импульсов и их длительности для лампь мощности 150 Вт, содержащей 25-75% натриево-ртутную амальгаму. Показанные на этом графике кривые проведены через точки постоянной частоты импульсов. Снижение световой отдачи с ростом цветовой температуры при уменьшении частоты с 1000 Гц до 883 Гц и 667 Гц обусловлено уменьшением интенсивности натриевого излучения (фиг. 7а). Снижение световой отдачи с ростом цйетовой температуры при уменьшении длительности импульсов для заданной частоты объясняется характером кривой, построенной иа фиг. 8а.Та же самая лампа при работе от обычной сети переменного тока (60 Гц) имеет световую отдачу всего 103 л/Вт. Графики, приведенные на фиг. 9, четко свидетельствуют о том, что при частоте импульсов ниже 650 Гц лампа по своей эффективности ничем не будет отличаться от лампь, работающей от обычной 60 Гц сети. Максимальная цветовая температура лампы, которая по своей световой отдаче не отличается от лампь, достигается на частоте импульсов 670 Гц при длительности импульсов 20%, а на частоте 833 Гц - 15%. Так как с уменьшением частоты уменьшается величина пикового тока, то такая работа лампы является предпочтительной с точки зрения снижения стоимости балластного сопротивления и влиятя радиочастотных помех. Поэтому при заданных (в смысле световой отдачи) требованиях, оптимальным импульсным режимом рабо ты лампы будет режим 670 Гц и длительности импульсов 20%., при котором цветовая температура лампы равна 2670° К, индекс цветопередачи равен 37, а световая отдача составляет 102, 3 л/Вт. На фиг. 9 все точки лежат слева от пунктирной линии, наклон которой соответствует потере приблизительно 5 л/Вт на каждые 120° К цветовой температуры. Хотя дальнейшее увеличение адетовой температуры зя счет сниже тя световой отдачи и возможно, однако поднимать световую температуру свыше 2700° К вряд ли целесообразно. Поднять цветовую температуру лампы можно и другим путем, в частности, ув личив давление паров натрия или перегрузив лампу, но и в этих случаях неизбежно будет определена потеря световой отдачи лампы. Изготовив разрядную трубку из однокриста лической окиси алюминия, которая более прозрачна, чем поликристаллическая окись алюми ния, можно несколько компенсировать потерю световой лампы, связанную с повышением све оптимального давления паров натрия.Предлагаемые лампы могут работать с мощностью 175 при частоте 667 Гц, длительности импульсов 20 и парциальном давлении паров натрия 10 торр. У таких ламп световая отдача составляет 103 л/йт при цветовой температуре 2700° К и индекс цветопередачи 47. Максимальная тем пература разрядной трубки у таких ламп не ipCBbiuiaeT , что С Пп ; е;7яст сраипитсльно большой срок елчжбь; лампы. Цветовая те,11сратура такой палли;, (Злнзка к цветовой темпераг фе . накаливгни.ч такой же мощности, равной . Однако световая отдача у иакал}шання не превышает 14 л/Вт Это означает, что преллагае.мая импульсная амиа имеет световуто отдачу в 7 раз большую световой отдачи такой же мощности лампы iiaкаливания (при од1тнаковь х инстовых температурах) . Приведенные вь.ше результаты были получены при использовании однонапрзв.пениых импульсов, так как в этом случае ;шя работьг лампы требуется более простой источник питания, в случае .1,ву {аг равлсн1 ых импу.пьсов. При однонапран ен 1ых импульсах желательно анод распололчить в Koiiu.e вертикальной лампы (фиг. 1, т.е. аиолом слс.ч.пь э: ектрод 12. Вьшускную т;убку 13. обпазу Гщую холодную 1Ю.К)сть .uiii 1ат;1иг:г о-ртутр;он амальгамы, также следует рясио.можить в ;1ижней части лампы, так к;1к ипи :TON; устраняется разделение цвета, ня.кипшс с TCNI, что один из концов разр.ч.ин труПкм из-за недостатка натрия имеет более олубой цвет, чем дрУГой конец трубки. Катод i5 должен обеспечить меобхо.нимуго элсктрг)11;}Н1 :iMiiCC)n. а ано.а ; не должен. сол.ержат1, иикикогс испуекаюьмего электроны К ате;1и.л;. r:iK к;1ч при неактивированном н п}Н. о.июиаиривлснных импульсах исключается потемнение стс-к-.к лампы. При двунапр:;Б. .сах сиектральHbie результаты пол ижмся глкимп же, как и при однонаправленных имп и.епх, П :)гс)м случае лампа должна и.ме ь .лиа лчтинируемы.х электрода, расположенных яа концах разрядной трубки. Под;1ерживающ |й ток от|Ииате:;ьно еказыпастея на эмиссии в зелоно- о;1уГ) чаети спектра, от которой зависит уве.ппчение цветовой температуры. Поэтому и предлз лсмой лампе по,гщержд1вающего тока вочбшс не должно быть или же, если это связано с какими-то другими требованиями, предг являсмыми к источнику тока, он .должен быть предельно v;нимальным. Формула и 3 о б р о т е н и я Способ питания газоразрядной лампы выс.окого давления, имеющей натриевое наполнение внутри баллона, снабже11но -о раз} есенными электродами, заключакиаийся в подаче на лампу электрических импульсов fю o нaльнoй мощности, отличающийся тем. что, с целью повышения цветовой температур1,1 лампы без снижения ее эффективности, электрические импульсы подают на лампу с частотой 500--2000 Гц и с длительностью Ю-ЗО/г периода noBTopefmfl импульсов. Источники информации, принятые во внима1дае при экспертизе 1.Патент США № 3248590, кл. , 1970. 2.Патент США № 3624447, кл. 315--246, 1971.

Работа нампь вт y&ivffou сети fi&pet enMoso тт тока(6Ш}

ДуёШзйЗ 25мн Оя ерапае: 5,5мм Нощмость: tOOW

PNa-.

Saa C6emo8aaemdaw:73,5LP Цбетобав температура

700

500

Фиг.

-о

5

:з

53

«« «3

to

С5 I

uysoSeu зазор: 25 MM

Отверстие: 7,2мм Мощность: 220

PNa:235ToKR CSemoSaa

отдача: 59,LPVJ Цёетобая

температура: к

00

Импульсная работаланпы, частота 1кц,

I 600

700

Фиг.з длительность UMny/iicoS 20%

Значения uSemoSbix координат для различной часппоть и длительности импу/7ьсоё

30

Л50 Л60 .470 .480 .490 .500 .510 .520 .530

Забисимость цветовой температурь/ от пикового тока и Времени отсс/тстВия импульса

Z.SOOK Z550°/ ZBOO°K 2в50°К

7350

гзоо

111111T.« .5 .6 .7 .в .9 i.O t.l Время отсутствия импу/гьса (fiu/j/iucex)

ибетобая температура стандартной лампь/

2000 К 2500°К

1111г Значения X Фиг.5

/2

Фиа 6