Источник питания лампы барьерного разряда
Изобретение относится к источникам питания ламп барьерного разряда и предназначено для использования в различных областях науки и техники, где используются лампы барьерного разряда. Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является уменьшение размеров и повышение эффективности источника питания.
Полезная модель относится к источникам питания, а именно к источникам питания газоразрядных ламп, представляющих собой емкостную нагрузку, например, ламп барьерного разряда.
Известны устройства питания ламп барьерного разряда, которые содержат блок питающего напряжения, конвертер, повышающий трансформатор, в которых формируется импульс напряжения синусоидальной формы [1, с.1669]. Простота преобразования синусоидального напряжения от сети переменного тока в синусоидальное напряжение другой частоты и амплитуды позволило таким устройствам получить широкое распространение. Общим недостатком таких устройств является медленное нарастание фронта импульса напряжения, что, в конечном счете, приводит к снижению эффективности передачи энергии в емкостную нагрузку в сравнении с устройствами, обеспечивающими сравнительно быстрое нарастание фронта напряжения [2].
Известны устройства питания ламп барьерного разряда, которые содержат блок питающего напряжения, конвертер, повышающий трансформатор, которые формируют импульсы напряжения, имеющие пики положительной и отрицательной полярности и градиент напряжения dU/dt, превышающий градиент напряжения устройств, формирующих синусоидальное напряжение [2, 3]. Для коммутации напряжения в таких устройствах используется полупроводниковые ключи с низким сопротивлением в открытом состоянии, что в целом обеспечивают лучшую передачу энергии от повышающего трансформатора к нагрузке емкостного типа. Общим недостатком таких устройств является наличие от двух до нескольких полупериодов колебания напряжения с постепенным затуханием амплитуды, что снижает эффективность передачи энергии в емкостную нагрузку.
Наиболее близкой к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство питания ламп барьерного разряда, содержащее вход питающего напряжения, конвертер, повышающий трансформатор, формирующее импульсы напряжения одной или чередующейся полярности близкие по форме к прямоугольным [4]. Однако здесь использованы импульсы напряжения длительностью намного большей длительности тока лампы, что не эффективно с точки зрения потерь связанных с трансформацией импульсного напряжения.
Задачей полезной модели является уменьшение размеров и повышение эффективности источника питания газоразрядных ламп, представляющих собой емкостную нагрузку.
Указанная задача достигается за счет того, что устройство питания, включает вход питающего напряжения, конвертер, повышающий трансформатор, формирующий импульсы напряжения одной или чередующейся полярности близкие по форме к прямоугольным, газоразрядную лампу барьерного разряда в качестве нагрузки, согласно техническому решению, параметры повышающего трансформатора выбраны такими, чтобы выполнялись следующие условия:
а период действия импульсов напряжения определяется соотношением
где T1 - длительность импульса напряжения U,
U - напряжение трансформатора,
w - количество витков трансформатора,
В - приращение магнитной индукции,
S - сечение магнитопровода,
Т2 - промежуток времени между импульсами.
Выполнение этих условий позволяет при заданном напряжении выбрать сечение и количество витков трансформатора такими, что уменьшаются его габариты и, одновременно, потери, связанные с межвитковыми и межслоевыми паразитными емкостями и индуктивностью рассеяния. Это в целом позволяет улучшить частотную характеристику повышающего трансформатора, а значит, на его выходе получать импульсы напряжения с длительностью фронта близкой к длительности переключения ключей конвертера и минимизировать выбросы напряжения, появляющихся на фронтах прямоугольных импульсов. Ввиду емкостного характера нагрузки сокращение длительности фронта импульсов позволяет осуществлять быстрый и эффективный ввод энергии в газовую среду, что в свою очередь положительно сказывается на характере развития барьерного разряда [2].
Согласно полезной модели на фиг.1 представлен источник питания, который содержит блок питающего напряжения 1, конвертер 2, повышающий трансформатор 3, и в качестве емкостной нагрузки газоразрядный источник света на основе барьерного разряда 4.
На фиг.2 приведены эпюры напряжения U(t) и тока I(t) на лампе барьерного разряда. Видно, что ток лампы благодаря емкостному характеру нагрузки течет только на фронтах напряжения.
Для получения импульсов, по форме близкой к U(t) необходимо с помощью конвертера 2 течение времени T1 прикладывать напряжение к первичной обмотке трансформатора 3, а в течение времени Т2 на входе трансформатора 3 потенциал должен быть равен нулю. В течение времени T1 ток потребляется лампой только лишь в промежуток времени Т3, далее за время T1-Т3 энергия расходуется только на поддержание напряжения на выходе трансформатора 3 на определенном уровне. Для решения поставленной задачи необходимо сократить T1 (увеличивая Т2), до технически реализуемого минимума. При этом интегральное значение тока лампы не изменится.
Согласно соотношению U.T1=w·В·S, где U - напряжение трансформатора, T1 длительность импульса напряжения, w количество витков трансформатора, В - приращение магнитной индукции и S - сечение магнитопровода, T1 пропорционально w и S. Поэтому при сокращении T 1 есть возможность уменьшить количество витков трансформатора и/или сечение магнитопровода, а значит минимизировать габариты трансформатора 3 и потери, связанные с уменьшением межвитковой и межслоевыми паразитными емкостями и индуктивностью рассеяния трансформатора 3.
Выполнение условия (1) является необходимым и достаточным для зарядки и разрядки диэлектрических барьеров ламп барьерного разряда, которое в типичных условиях эксплуатации таких ламп обеспечивает оптимальные с точки зрения выхода излучения энерговклады в рабочую среду [5].
Выполнение условия (2) определяет ситуацию, в которой импульсы излучения следуют друг за другом с высокой частотой, но при этом газовая среда лампы еще успевает и возбуждаться, и релаксировать, высвечивая излучение без потерь в эффективности.
На основе предложенного решения разработано несколько источников питания ламп барьерного разряда мощностью до 2.5 кВт. Например, на фиг.3 приведена блок-схема источника питания портативной лампы мощностью 100 Вт при габаритах 130×70×40 мм, обеспечивающего частоту следования высоковольтных импульсов до 100 кГц с амплитудой до 5 кВ.
Сетевое напряжение выпрямляется и подается на корректор коэффициента мощности (ККМ) [6]. В данной схеме ККМ не только увеличивает коэффициент мощности, но и стабилизирует напряжение на конверторе таким образом, что при изменении сетевого напряжения в пределах 95÷240 В напряжение амплитуда импульсов питания эксилампы не меняет своего значения. С помощью конвертера в виде транзисторного моста со схемой управления импульсы напряжения подаются на высоковольтный импульсный трансформатор.
Благодаря тому что T1 составляет в этой схеме около 2 мкс, число витков w невелико - 10 витков, а вторичная высоковольтная обмотка выполнена в один слой, что минимизирует потери на перезарядке межслоевых паразитных емкостей [7]. В целом это обеспечивает эффективность источника питания 83% при частоте следования импульсов 40 кГц и амплитуде напряжения на выходе 3.5 кВ.
Аналогичный источник питания модульной лампы барьерного разряда мощностью 2.1 кВт при габаритах 410×320×90 мм, обеспечивающий частоту импульсов возбуждения газовой среды до 400 кГц с амплитудой до 7.5 кВ и имеющий структуру, подобную указанной на фиг.3 (отличие состоит лишь в том, что были использованы силовые элементы, рассчитанные на большую мощность) имел КПД 79%.
Предложенное техническое решение позволяет дополнительно получать импульсы высоковольтного напряжения с длительностью фронта, близкой ко времени коммутации полупроводниковых ключей, что приводит к эффективному горению барьерного разряда, а значит повышению КПД устройства в целом. Предложенное техническое решение также дало возможность увеличить частоту импульсов возбуждения газовой среды до 400 кГц, что позволило увеличить мощность возбуждения ламп барьерного разряда малого объема (малой емкости электродов). Благодаря последнему, были созданы источники узкополосного ультрафиолетового излучения с рекордно-высокой плотностью мощности излучения до 150 мВт/см 2.
Таким образом, предлагаемое решение позволяет уменьшать размеры и повышать эффективность устройства питания газоразрядных ламп, представляющих собой емкостную нагрузку.
Литература
1. Kogelschatz U. Silent discharges for the generation of ultraviolet and vacuum excimer radiation // Pure & Appl. Chem. - 1990. - Vol.62. - No.9. - P.1667-1673.
2. Lomaev M.I., Shitz D.V., Skakun V.S., Tarasenko V.F. Influence of excitation pulse form on barrier discharge excilamps efficiency // Proc. SPIE. - 2002. - Vol.4460. - P.38-45.
3. Statnic E., Veser A., Ertl B. Process for generating voltage pulse sequences and circuit assembly therefore // WO Patent 99/05892, priority data: 22.07.1997.
4. Vollkommer F., Hitzschke L. // US Patent No.5, 604, 410, priority data: February 18, 1997.
5. Ломаев М.И., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. Эксилампы - источники спонтанного УФ и ВУФ излучения // Энциклопедия низкотемпературной плазмы. - 2005. - Серия Б. - Том XI-4. - V.3. - С.522-546. - М.: Физматлит, 2005.
6. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М: Техносфера, 2005. - 632 с.
7. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов. - 2-е изд., - Л: Энергоатомиздат 1991. - 208 с.
Источник питания лампы барьерного разряда, представляющую собой емкостную нагрузку, включает блок питающего напряжения, конвертер, повышающий трансформатор, формирующий импульсы напряжения одной или чередующейся полярности близкие по форме к прямоугольным, отличающийся тем, что параметры повышающего трансформатора обеспечивают следующие условия:
а период действия импульсов напряжения определяется соотношением
где Т1 - длительность импульса напряжения U;
U - напряжение трансформатора;
w - количество витков трансформатора;
В - размах магнитной индукции;
S - сечение магнитопровода;
Т2 - промежуток времени между импульсами.
