Устройство возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора
Полезная модель относится к электротехнике и светотехнике, и может быть использована для создания мощной, надежной, с низкой флуктуацией световых характеристик, с малыми массогабаритными параметрами и повышенной степенью унификации источников питания излучающей (например, прожекторной и осветительной) аппаратуры на основе мощного безэлектродного сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда. Предлагаемое устройство возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора, содержащее горелку с колбой (1) из оптически прозрачного материала, наполненную плазмообразующим веществом, СВЧ электродинамическую систему (2), СВЧ генератор в виде магнетрона (3), источник напряжения накала катода магнетрона (4), датчик импульсного тока катода (5), блок оптимизации напряжения накала катода (6) и детектор амплитуды СВЧ колебаний (7), снабжено источниками изменяющихся постоянного и низковольтного импульсного силовых напряжений (8, 9), блоками оптимизации постоянного и импульсного силовых напряжений (12, 13), регулирующим генератором длительности импульса силового напряжения (14), высокочастотными инверторами постоянного силового напряжения (10), импульсного силового напряжения (13) и напряжения накала катода магнетрона (15). Источники изменяющихся постоянного и низковольтного импульсного силовых напряжений (8, 9) позволяют снизить импульсную напряженность магнетрона и обеспечить увеличение надежности, долговечности устройства и массогабариты и себестоимость его питающей части. Блоки оптимизации (6, 12, 13) и регулирующий генератор импульсов силового напряжения (14) обеспечивают оптимальный режим работы магнетрона (3) за счет последовательного и независимого для каждого из источников напряжений (4, 8, 9) поиска оптимального значения соответствующего силового напряжения, что улучшит качество работы магнетрона (3) и всего устройства в целом, значительно повысит его надежность и долговечность. 1 н.з.п. ф-лы, 3 ил.
Полезная модель относится к электротехнике и светотехнике, в частности, к источникам питания высоковольтных импульсных устройств, например, магнетронов и может быть использована для создания мощной, надежной, с низкой флуктуацией световых характеристик, с малыми массогабаритными параметрами и повышенной степенью унификации источников питания излучающей (например, прожекторной и осветительной) аппаратуры на основе мощного безэлектродного сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда.
Известна СВЧ безэлектродная лампа высокой интенсивности, (RU 
2159021 С2, МПК: Н05В 41/24, 41/30, дата публикации 10.11.2000 г.) - [1], которая содержит: горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом вещество, источник постоянного напряжения, СВЧ генератор (магнетрон) и СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения указанной колбы, а также импульсный модулятор, введенный в цепь, содержащую источник постоянного напряжения и СВЧ генератор.
Недостатком устройства [1] является то, что преобразованное из сетевого постоянное напряжение не может обеспечить автоматическую регулировку мощности возбуждения магнетрона. Любое случайное изменение напряжения питания магнетрона из-за нестабильности сети приводит к случайному уменьшению его выходной мощности и электрического КПД или срыву генерации, что, в конечном счете, приводит к снижению мощности излучения или погасанию СВЧ газоразрядной лампы, снижению ресурса магнетрона, а соответственно и всего устройства.
Известно наиболее близкое по технической сущности к предлагаемому техническому решению устройство возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы (RU 104004 U1, МПК: Н05В 41/24, опубликовано от 27.04.2011 г.) - [2], которое является прототипом и содержит горелку с колбой, которая выполнена из оптически прозрачного материала и наполнена рабочим плазмообразующим составом веществ, СВЧ электродинамическую систему, которая имеет светопрозрачную часть в зоне расположения колбы, СВЧ генератор в виде магнетрона, высокочастотный (ВЧ) инвертор питания, вход которого подсоединен к сети, источник напряжения накала катода магнетрона, источник постоянного высокого напряжения, импульсный модулятор, блок оптимизации напряжения катода магнетрона, блок оптимизации напряжения накала катода магнетрона, детектор амплитуды СВЧ колебаний в СВЧ электродинамической системе и датчик импульсного тока катода магнетрона, выполненный в виде, например, датчика Холла.
Недостатком устройства [2] является то, что при наличии высоковольтного возбуждающего импульса снижается электрическая прочность магнетрона и трудно обеспечить стабильную автоматическую регулировку его возбуждения, а, следовательно, приводит к случайному изменению средней выходной мощности и срыву автогенерации при воздействии отдельных высоковольтных импульсов возбуждения магнетрона. Это приводит к изменению длительности импульсов возбуждения и колебанию амплитуды светового потока и повышению уровня пульсаций и флуктуации.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание устройства возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора с максимальным электрическим КПД при одновременной возможностью снижения уровня пульсации питающего катод магнетрона напряжения за счет существенного снижения уровня импульсного питания с целью снижения импульсной напряженности магнетрона и всего устройства в целом.
Техническим эффектом от использования предлагаемого решения является следующее: - повышение надежности и долговечности всего устройства и его магнетрона за счет существенного снижения уровня импульса высокого напряжения питания катода магнетрона;
- повышение стабильности работы лампы прожектора за счет обеспечения плавного изменения генерируемой СВЧ мощности при оптимальном значении напряжения на катоде магнетрона;
- снижение массогабаритов источников питания устройства;
- повышение степени унификации, а, соответственно, себестоимости устройства за счет его питающей части.
Решение поставленной задачи и получение соответствующего результата достигаются тем, что в устройство возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора, содержащее горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом веществ, СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения колбы, СВЧ генератор, выполненный в виде магнетрона, источник напряжения накала катода магнетрона, датчик импульсного тока катода, блок оптимизации напряжения накала катода и детектор амплитуды СВЧ колебаний, при этом магнетрон присоединен к СВЧ электродинамической системе, в которую встроен между колбой и магнетроном детектор амплитуды СВЧ колебаний, кроме того, управляющий вход блока оптимизации напряжения накала катода магнетрона присоединен к одному из управляющих выходов датчика импульсного тока катода магнетрона, а его управляющий выход - к соответствующему входу источника напряжения накала катода магнетрона, который силовыми выходами присоединен к концам нити накала катода магнетрона, введены источники изменяющихся постоянного и импульсного силовых напряжений, высокочастотные инверторы постоянного и импульсного силовых напряжений, блоки оптимизации постоянного и импульсного силовых напряжений, регулирующий генератор длительности импульса силового напряжения, высокочастотный инвертор напряжения накала катода магнетрона и присоединенный входом к сети сетевой выпрямительно-накопительный блок, силовые выходы которого присоединены к силовым входам высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения, силовой выход которого присоединен к соответствующему входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения, высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника изменяющегося постоянного силового напряжения, и высокочастотного инвертора напряжения накала катода магнетрона, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника напряжения накала катода магнетрона, при этом источник изменяющегося постоянного силового напряжения, один силовой выход которого присоединен к заземленному аноду магнетрона, другим силовым выходом присоединен к соответствующему входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения, силовой выход которого присоединен к катоду магнетрона и нити накала катода, причем датчик импульсного тока катода магнетрона размещен на цепи связи силового выхода источника изменяющегося импульсного силового напряжения с катодом магнетрона и нитью накала катода, а его второй управляющий выход присоединен к соответствующему входу блока оптимизации постоянного силового напряжения, управляющий выход которого соединен с соответствующим входом высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения, кроме того, регулирующий генератор длительности импульса силового напряжения одним управляющим выходом присоединен к соответствующему входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения, а другим - к соответствующему входу блока оптимизации постоянного силового напряжения, при этом управляющий выход блока оптимизации импульсного силового напряжения, управляющий вход которого присоединен к детектору амплитуды СВЧ колебаний, присоединен к соответствующему входу высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения.
Введение в устройство включенных последовательно источника изменяющегося постоянного силового напряжения, соответствующий выход которого присоединен к аноду магнетрона, и источника изменяющегося импульсного силового напряжения, выход которого подключен к катоду магнетрона и нити накала катода, позволяет снизить импульсную напряженность магнетрона за счет разделения силового (питающего) напряжения на постоянную составляющую от источника изменяющегося постоянного силового напряжения и импульсную составляющую со значительно сниженным уровнем от источника изменяющегося импульсного силового напряжения, что снизит уровень импульсного питания и обеспечит увеличение надежности работы магнетрона и всего устройства в целом.
Кроме того, использование источников изменяющихся постоянного и низковольтного импульсного силовых напряжений устранит необходимость использовать громоздкую и дорогую высоковольтную импульсную аппаратуру, что позволит снизить массогабариты и себестоимость применяемых в полезной модели источников питания.
При условии обеспечения низкого уровня импульсной составляющей силового напряжения введение в предлагаемое устройство автономно регулируемого регулирующего генератора длительности импульса силового напряжения, который одним выходом, определяющем интенсивность выходной мощности СВЧ генератора (магнетрона), присоединен к источнику изменяющегося импульсного силового напряжения, а другим - к блоку оптимизации постоянного силового напряжения, блокируя оптимизацию постоянного силового напряжения на время генерации импульса, позволяет изменять в сторону уменьшения длительность импульса для обеспечения оптимальной частоты возбуждения СВЧ разряда, исключающей стробоскопический эффект и регулирующей частоту пульсаций света.
Кроме того, совокупность с источником изменяющегося импульсного силового напряжения блока оптимизации, соединенного с детектором амплитуды СВЧ колебаний в СВЧ электродинамической системе, и высокочастотного (ВЧ) инвертора импульсного силового напряжения обеспечивает получение минимально возможного импульсного силового напряжения с целью получения максимально возможной мощности автогенерации СВЧ колебаний магнетроном, повышения надежности и долговечности всего устройства и его магнетрона.
Совокупность источника изменяющегося постоянного силового напряжения с блоком оптимизации, который соединен с датчиком импульсного тока катода, и ВЧ инвертором постоянного силового напряжения обеспечивает получение максимально возможного постоянного силового напряжения и полное отсутствие автогенерации СВЧ колебаний магнетроном во время паузы от датчика импульсного тока катода.
При этом ВЧ инверторы импульсного и постоянного силовых напряжений и ВЧ инвертор напряжения накала катода магнетрона обеспечивают временную развязку работы источников изменяющихся импульсного и постоянного силовых напряжений, а также источника напряжения накала катода магнетрона.
Сопоставительный анализ предлагаемого устройства возбуждения СВЧ газоразрядной лампы прожектора, представляющего электрическую схему двухступенчатого возбуждения магнетрона сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора, с известными устройствами аналогичного назначения и отсутствие описания таковых в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».
На фиг.1 представлена блочная электрическая схема устройства возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора.
На фиг.2 представлен вариант развернутой электрической схемы устройства возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора.
На фиг.3 представлены циклограммы, поясняющие принцип работы источника изменяющегося импульсного силового напряжения и источника изменяющегося постоянного силового напряжения, а также моменты времени генерации СВЧ мощности магнетроном предлагаемого устройства.
Представленная на фиг.1 блок схема устройства возбуждения СВЧ газоразрядной лампы прожектора содержит: горелку с колбой - 1, при этом колба 1 выполнена из оптически прозрачного материала и наполнена рабочим плазмообразующим составом веществ; СВЧ электродинамическую систему - 2, которая имеет светопрозрачную часть в зоне размещения колбы 1, а также имеет волновод (не обозначен) с закрепленным на одном его конце отражателем (не обозначен), в котором закреплен СВЧ светопрозрачный резонатор (не показан) с колбой 1 внутри; СВЧ генератор - 3, выполненный в виде магнетрона, который закреплен на противоположном от отражателя конце волновода СВЧ электродинамической системы 2; источник напряжения накала катода магнетрона - 4; датчик импульсного тока катода -5; блок оптимизации напряжения накала катода - 6 магнетрона - 3; детектор амплитуды СВЧ колебаний - 7, встроенный в СВЧ электродинамическую систему 2; источник изменяющегося постоянного силового напряжения - 8; источник изменяющегося импульсного силового напряжения - 9; высокочастотный инвертор постоянного силового напряжения - 10; высокочастотный инвертор импульсного силового напряжения - 11; блок оптимизации постоянного силового напряжения - 12; блок оптимизации импульсного силового напряжения - 13; регулирующий генератор длительности импульса силового напряжения - 14; высокочастотный инвертор напряжения накала катода магнетрона - 15; присоединенный к сети сетевой выпрямительно-накопительный блок - 16.
При этом в устройстве на фиг.1 силовые выходы сетевого выпрямительно-накопительного блока 16 присоединены к силовым входам высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения 11, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9, высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения 10, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника изменяющегося постоянного силового напряжения 8, и высокочастотного инвертора напряжения накала катода магнетрона 15, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника напряжения накала катода магнетрона 4. Источник изменяющегося постоянного силового напряжения 8, один силовой выход которого присоединен к аноду магнетрона 3, другим силовым выходом присоединен к силовому входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9, силовой выход которого присоединен к катоду магнетрона 3 и нити накала катода, при этом датчик импульсного тока катода 5 магнетрона 3 размещен на цепи связи силового выхода источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9 с катодом магнетрона 3 и нитью накала катода, а один его управляющий выход присоединен к соответствующему входу блока оптимизации постоянного силового напряжения 12, управляющий выход которого соединен с соответствующим входом высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения 10. Кроме того, регулирующий генератор длительности импульса силового напряжения 14 одним выходом присоединен к источнику изменяющегося импульсного силового напряжения 9, а другим - к управляющему входу блока оптимизации постоянного силового напряжения 12, при этом управляющий выход блока оптимизации импульсного силового напряжения 13, управляющий вход которого присоединен к детектору амплитуды СВЧ колебаний 7, присоединен к соответствующему входу высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения 11. Управляющий вход блока оптимизации напряжения накала катода 6 присоединен ко второму управляющему выходу датчика импульсного тока катода 5 магнетрона 3, а его управляющий выход - к соответствующему входу источника напряжения накала катода магнетрона 4, присоединенного силовыми выходами к концам нити накала катода магнетрона 3.
Детектор амплитуды СВЧ колебаний 7 может быть присоединен к СВЧ электродинамической системе 2 с помощью, например, щелевой антенны.
Датчик импульсного тока катода 5 может быть бесконтактным и выполнен в виде, например, датчика Холла.
На фиг.2 представлена подробная блок схема устройства возбуждения СВЧ газоразрядной лампы прожектора с конкретным вариантом выполнения его основных узлов: блока оптимизации постоянного силового напряжения 12 и блока оптимизации импульсного силового напряжения 13.
Структурная схема блока оптимизации постоянного силового напряжения 12 может содержать: инверторный коммутатор - 17, который своим функциональным входом подключен к датчику импульсного тока катода 5, а вторым - управляющим входом - к регулирующему генератору длительности импульса силового напряжения 14; операционный усилитель - 18; дифференциальный блок - 19; триггер - 20; плавный регулятор на уменьшение длительности импульса - 21; плавный регулятор на увеличение длительности импульса - 22; формирователь длительности импульса высокочастотного инвертора - 23; оптрон - 24.
При этом выход инверторного коммутатора 17 при отсутствии потенциала на управляющем входе передает сигнал на вход операционного усилителя 18, выход которого подключен к входу дифференциального блока 19, обеспечивающего определение направления (повышение или уменьшение) изменения напряжения с датчика импульсного тока катода 5. Причем один выход дифференциального блока 19, подсоединенный к одному из входов триггера 20, обеспечивает установку сигнала на увеличение длительности импульсов, т.е. на увеличение напряжения высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения 10, а другой выход, подсоединенный к другому входу триггера 20, обеспечивает установку сигнала на уменьшение длительности импульсов, т.е. на уменьшение напряжения высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения 10. Триггер (защелка) 20 в соответствии с сигналом на входе устанавливается в одно из устойчивых состояний, на каждом из двух его выходов поочередно появляется сигнал для плавного регулятора на уменьшение длительности импульса 21 или для плавного регулятора на увеличение длительности импульса 22, поступающие на вход формирователя длительности импульса высокочастотного инвертора 23, выход которого через оптронную развязку 24 подключен к управляющему входу высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения 10.
Структурная схема блока оптимизации импульсного силового напряжения 13, содержит: усилитель 25, который входом подключен к детектору амплитуды СВЧ колебаний в СВЧ электродинамической системе 2; дифференциальный блок - 26; триггер - 27; плавный регулятор на увеличение длительности импульса - 28; плавный регулятор на уменьшение длительности импульса - 29; формирователь длительности импульса высокочастотного инвертора - 30; оптрон - 31.
При этом вход дифференциального блока 26 подключен к усилителю 25 напряжения от детектора амплитуды СВЧ колебаний (СВЧ мощности) 7. Причем дифференциальный блок 26 содержит два взаимоисключающих (раздельных) выхода, первый из которых соответствует установке на уменьшение напряжения, а второй - на увеличение длительности импульсов высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения 11. Дифференциальный блок 26 своими выходами присоединен к входам триггера 27 и определяет одно из устойчивых состояний триггера (защелки) 27, который своим одним выходом подключен к плавному регулятору на увеличение длительности импульса 28, а вторым выходом подключен к плавному регулятору на уменьшение длительности импульса 29 формирователя длительности импульса высокочастотного инвертора 30, выход которого через оптрон 31 подсоединен к управляющему входу высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения 11.
Работу предлагаемого устройства возбуждения СВЧ газоразрядной лампы прожектора удобно рассматривать на конкретном примере реализации устройства, показанном на фиг.2.
Известно, что если напряжение на катоде магнетрона 3 меньше оптимального, то тока катода нет, а, соответственно, нет автогенерации и ток не потребляется. Если напряжение выше порогового, то автогенерации также нет. Только при напряжении, равном оптимальному, электроны в процессе подлета к аноду отдают энергию электрическому полю, возбуждаемому в объемных резонаторах анода магнетрона 3. В этом случае возникает автогенерация на той частоте, при которой конструктивные параметры анодного резонатора магнетрона 3 имеют максимальную добротность. Небольшое, выше нижнего порога и ниже верхнего порога, импульсное силовое напряжение от источника 9 обеспечивает оптимальный режим автогенерации магнетрона 3 (Фиг.2).
Магнетрон 3 работает в скрещенных электрическом и магнитном полях. Только при оптимальной напряженности магнитного и электрического полей каждая конкретная конструкция магнетрона 3 может обеспечить максимальную мощность автогенерации только на одной частоте. Дополнительно, следует иметь в виду, что только на этой частоте имеет место автогенерация СВЧ колебаний и возможность получения максимального электрического КПД.
Технический результат, обеспечивающий возможность плавного регулирования мощности излучения прожектора, достигается благодаря тому, что напряжение возбуждения подается не непрерывно, а от источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9 в виде прямоугольных низкочастотных импульсов с частотой повторения значительно меньшей рабочей частоты высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения 11, но достаточной для устойчивой работы магнетрона 3 и СВЧ газоразрядной безэлектродной лампы прожектора и допустимой по техническому заданию на качество освещения объекта нормам минимальной частоты пульсаций (например, для исключения стробоскопического эффекта). Такой способ регулирования среднего значения выходной мощности известен как широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Например, при частоте повторения 200 Гц и изменении длительности высоковольтных импульсов возбуждения от 1 до 5 мс выходная средняя мощность, определяемая импульсной P1 (фиг.3d), изменяется от 20 до 100%. Это может быть необходимо также для плавного включения лампы-горелки прожектора или для исключения перегрузки сети при подключении большого числа одновременно работающих прожекторов, или при работе прожекторов в режиме не полной нагрузки при плавном повышении мощности, или в случае выхода из строя отдельных прожекторов с целью удержания постоянства светового потока в рабочей зоне освещения объекта до времени, когда возможно проведение ремонтных работ по замене вышедшего из строя узла прожектора. А также в случае включения прожектора с СВЧ горелкой в условиях экстремально низкой температуры для плавного прогрева всех элементов до рабочей температуры, обеспечивающей максимальный срок службы и надежность. При этом рабочая частота высокочастотных инверторов питания 10, 11, 15 должна быть не менее 10-15 кГц.
Величины оптимальных значений импульсной мощности P1, импульсного U1 (фиг.3a) и постоянного U2 (фиг.3b) силовых напряжений катод-анод магнетрона 3 изменяются за время работы магнетрона 3, так как происходит постепенное уменьшение тока катода (истощение оксидной поверхности), изменение вероятностного распределения скоростей электронов, уменьшение индукции магнита (размагничивание).
Блоки оптимизации постоянного и импульсного силовых напряжений 12, 13 катода обеспечивают независимый поиск оптимального значения двух напряжений в момент паузы и в момент генерации СВЧ мощности P1 путем постоянного изменения величин этих двух составляющих результирующего силового напряжений U3 от оптимального - исходного значения поочередно, в сторону увеличения или в сторону уменьшения. Оптимизация постоянного силового напряжения осуществляется во время паузы (отсутствия автогенерации магнетрона 3), а оптимизация импульсного силового напряжения во время формирования импульса P1 (автогенерации магнетрона 3), в небольших интервалах, не приводящих более чем к 1% изменению средней выходной мощности, пропорциональной импульсной P1. Информация о генерируемой СВЧ мощности P1 поступает от детектора амплитуды СВЧ колебаний 7, присоединенного к СВЧ электродинамической системе 2, а информация об отсутствии тока в момент паузы - от датчика импульсного тока катода 5.
Таким образом, осуществляются две оптимизации:
1) обеспечение максимального значения постоянного силового напряжения U2 от датчика импульсного тока катода 5, что обеспечивает полное отсутствие автогенерации СВЧ колебаний во время паузы;
2) обеспечение минимального значения импульсного силового напряжения U2 от диодного детектора амплитуды СВЧ колебаний 7 (датчика СВЧ мощности), расположенного, например, в ответвителе от основного канала СВЧ электродинамической системы 2, при котором обеспечивается максимально возможная мощность автогенерации СВЧ колебаний магнетроном 3.
Обе оптимизации способствуют увеличению надежности, экономичности и долговечности устройства возбуждения в целом и в частности магнетрона, а соответственно и прожекторной установки в целом, сохраняя максимально возможное электрическое КПД преобразования магнетроном электрической энергии импульсного напряжения в СВЧ колебания.
На циклограмме (фиг.3) приведены четыре временные зависимости, отражающие режимы работы основных узлов при минимально возможной импульсной и максимально возможной постоянной составляющих силового напряжения: a) работа источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9 в функции времени; b) работа источника изменяющегося постоянного силового напряжения 8; c) временная зависимость результирующего силового напряжения катод-анод магнетрона 3; d) моменты возбуждения автогенерации магнетрона 3, где: U1 - импульсная составляющая силового напряжения;
U2 - постоянная составляющая силового напряжения;
U3 - результирующее силовое напряжение;
P1 - выходная СВЧ мощность магнетрона 3;
t1, t3 - фронты импульсного силового напряжения;
t2, t4 - срезы импульсного силового напряжения;
T1 - длительность импульсов возбуждения магнетрона 3;
Т2 - период повторения импульсов возбуждения магнетрона 3. Первая интеллектуальная система управления содержит блок оптимизации постоянного силового напряжения 12 магнетрона 3 в совокупности с датчиком импульсного тока катода 5.
Вторая интеллектуальная система управления содержит блок оптимизации импульсного силового напряжения 13, который получает информацию об уровне СВЧ мощности от детектора амплитуды СВЧ колебаний 7.
Устройство (фиг.2) работает следующим образом: в исходном положении все питающие напряжения отсутствуют. При включении сетевого питания начинает работать сетевой выпрямительно-накопительный блок 16, далее включается высокочастотный инвертор напряжения накала катода магнетрона 15, который подает напряжение на нить накала катода. Постепенно все устройство выходит на оптимальный температурный режим с помощью блоков терморстабилизации, которые на схеме не показаны. После создания оптимального значения температуры термокатода магнетрона 3, всех источников питания (9, 8) и горелки прожектора начинается процесс установления максимального значения постоянного силового напряжения, при котором ток магнетрона 3 еще равен нулю (автогенерации магнетрона нет), а затем минимального импульсного силового напряжения для зажигания лампы прожектора с СВЧ возбуждением путем запуска в работу магнетрона 3 без ударных тепловых и электрических нагрузок при минимально возможной длительности импульса от регулирующего генератора длительности импульса силового напряжения 14, при которой начинается устойчивая автогенерация СВЧ колебаний магнетроном 3.
Оптимальная длительность получается путем отслеживания максимального значения средней СВЧ мощности магнетрона 3 при заданном значении длительности импульса источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9, формирующего импульсную часть силового напряжения. Изменение абсолютного значения мощности осуществляется путем изменения длительности импульсов силового напряжения от блока регулирующего генератора длительности импульса силового напряжения 14, что приводит к пропорциональному изменению средней мощности возбуждения магнетрона 3.
Если возбуждение не произошло, то происходит процесс оптимизации напряжения накала катода магнетрона 3. С помощью интеллектуальной системы управления в виде блока оптимизации напряжения накала катода 6, осуществляется регулирование источника напряжения накала катода магнетрона 3 при постоянном контроле импульсного тока катода, получаемого от датчика импульсного тока катода 5.
При наличии оптимального напряжения накала катода магнетрона, что контролируется наличием тока накала, начинает работать система интеллектуального управления силовым катодно-анодным питанием магнетрона 3, в виде блока оптимизации постоянного силового напряжения 12 и блока оптимизации импульсного силового напряжения 13. Благодаря блоку оптимизации постоянного силового напряжения 12 и блоку оптимизации импульсного силового напряжения 13 изменяется величина сначала регулируемого постоянного силового напряжения до максимального постоянного значения, а затем регулируемого импульсного силового напряжения до минимального значения. Если и в этом случае во всем диапазоне постоянного силового напряжения и импульсного силового напряжения автогенерации нет, то это означает выход из строя магнетрона 3 (нарушение контакта в силовой анодной цепи, истощение катода, нарушение герметичности, размагничивание магнита и др.).
Все интеллектуальные блоки регулируемых источников питания (источника напряжения накала катода магнетрона 4, источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9, источника изменяющегося постоянного силового напряжения 8) после выключения устройства из сети автоматически сохраняют в памяти оптимальное значение напряжения.
Таким образом, осуществляется интеллектуальное управление посредством:
- блока оптимизации напряжения накала катода магнетрона 6;
- блока оптимизации постоянного силового напряжения 12 и присоединенного к нему датчика импульсного тока катода 5, которые обеспечивают получение максимально возможной амплитуды напряжения источника изменяющегося постоянного силового напряжения 8;
- блока оптимизации импульсного силового напряжения 13 и присоединенного к его усилителю 25 детектора амплитуды СВЧ колебаний 7, подсоединенного к СВЧ электродинамической системе 2, которые обеспечивают получение минимально возможного напряжения от источника изменяющегося импульсного силового напряжения 9.
При этих условиях обеспечивается получение максимального значения импульсной мощности P1 и электрического КПД магнетрона 3, а соответственно и всего устройства в целом;
Наличие этих блоков в совокупности с датчиком импульсного тока катода 5 и детектором амплитуды СВЧ колебаний 7 обеспечивает не только получение максимально возможного электрического КПД, но и максимально возможную долговечность устройства возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора.
Наличие формирователей длительности импульса высокочастотного инвертора 23 и 30 (памяти оптимального значения постоянного силового напряжения и импульсного силового напряжения магнетрона 3 соответственно) способствуют более быстрому выходу на рабочий режим магнетрона 3, а соответственно и СВЧ газоразрядной лампы прожектора при изменении внешних условий или характеристик магнетрона 3. В процессе дальнейшей работы параметры постоянного и импульсного силовых напряжений, а также напряжения накала катода магнетрона 3 постоянно в процессе работы оптимизируются интеллектуальной системой управления и сохраняются как опорные.
Применение импульсного с крутыми фронтами (t1, t3) и срезами (t 2, t4) напряжения питания магнетрона 3 прямоугольной формы с малой величиной пульсаций (менее 1%) также способствует увеличению электрического КПД.
Особенно это важно для технологического устройства, каковым является прожекторная установка как источник света, который длительное время находится в условиях экстремально низких или высоких температур при редком (раз в год) техническом обслуживании, например, в условиях Арктики при внешней среде до минус 60°С, или в условиях подводного освещения при монтаже или эксплуатации подводных буровых платформ, или подземного освещения в тоннелях или пещерах.
В предлагаемой полезной модели, кроме оптимизации напряжения накала катода, силовое напряжение имеет постоянную импульсную составляющие и используются дополнительно введенные две интеллектуальные системы регулировки составляющих силового напряжения:
- по максимуму постоянного силового напряжения на катоде магнетрона 3 при отсутствии СВЧ генерации;
- по минимуму импульсного силового напряжения на катоде магнетрона 3 при получении максимально возможной импульсной мощности СВЧ генерации.
В первом случае напряжение обратной связи берется от датчика импульсного тока катода 5 (например, Холла), обеспечивающего бесконтактное преобразование тока катода в напряжение.
Для второго случая напряжение обратной связи берется от полупроводникового детектора амплитуды СВЧ колебаний 7 (который отслеживает мощность СВЧ генерации магнетрона 3) и обеспечивает преобразование СВЧ мощности в напряжение.
Регулируемый генератор длительности импульса силового напряжения 14 обеспечивает возможность плавного изменение длительности импульсов питания магнетрона 3, как в автоматическом режиме при выходе источника 9 на номинальное значение после включения, так и в ручном при задании необходимого уровня светового потока прожектора после окончания цикла выхода магнетрона 3 и СВЧ - газоразрядной лампы-горелки 1 на ранее установленное номинальное значение мощности.
Предлагаемая полезная модель позволяет:
- обеспечить повышение качества работы СВЧ - газоразрядной безэлектродной лампы;
- максимально повысить долговечность генератора СВЧ колебаний - магнетрона;
- обеспечить энергосбережения за счет оптимального значения электрических характеристик всех источников катодного питания магнетрона;
- повысить надежность и долговечность устройства возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора;
- создать устройства, которые не боятся сравнительно быстрых перепадов температур и питающих напряжений.
Устройство возбуждения сверхвысокочастотной газоразрядной лампы прожектора, содержащее горелку с колбой из оптически прозрачного материала, наполненную рабочим плазмообразующим составом веществ, СВЧ электродинамическую систему со светопрозрачной частью в зоне расположения колбы, СВЧ генератор, выполненный в виде магнетрона, источник напряжения накала катода магнетрона, датчик импульсного тока катода, блок оптимизации напряжения накала катода и детектор амплитуды СВЧ колебаний, при этом магнетрон присоединен к СВЧ электродинамической системе, в которую встроен между колбой и магнетроном детектор амплитуды СВЧ колебаний, кроме того, управляющий вход блока оптимизации напряжения накала катода магнетрона присоединен к одному из управляющих выходов датчика импульсного тока катода магнетрона, а его управляющий выход - к соответствующему входу источника напряжения накала катода магнетрона, который силовыми выходами присоединен к концам нити накала катода магнетрона, отличающееся тем, что введены источники изменяющихся постоянного и импульсного силовых напряжений, высокочастотные инверторы постоянного и импульсного силовых напряжений, блоки оптимизации постоянного и импульсного силовых напряжений, регулирующий генератор длительности импульса силового напряжения, высокочастотный инвертор напряжения накала катода магнетрона и присоединенный входом к сети сетевой выпрямительно-накопительный блок, силовые выходы которого присоединены к силовым входам высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения, силовой выход которого присоединен к соответствующему входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения, высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника изменяющегося постоянного силового напряжения, и высокочастотного инвертора напряжения накала катода магнетрона, силовой выход которого присоединен к силовому входу источника напряжения накала катода магнетрона, при этом источник изменяющегося постоянного силового напряжения, один силовой выход которого присоединен к заземленному аноду магнетрона, другим силовым выходом присоединен к соответствующему входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения, силовой выход которого присоединен к катоду магнетрона и нити накала катода, причем датчик импульсного тока катода магнетрона размещен на цепи связи силового выхода источника изменяющегося импульсного силового напряжения с катодом магнетрона и нитью накала катода, а его второй управляющий выход присоединен к соответствующему входу блока оптимизации постоянного силового напряжения, управляющий выход которого соединен с соответствующим входом высокочастотного инвертора постоянного силового напряжения, кроме того, регулирующий генератор длительности импульса силового напряжения одним управляющим выходом присоединен к соответствующему входу источника изменяющегося импульсного силового напряжения, а другим - к соответствующему входу блока оптимизации постоянного силового напряжения, при этом управляющий выход блока оптимизации импульсного силового напряжения, управляющий вход которого присоединен к детектору амплитуды СВЧ колебаний, присоединен к соответствующему входу высокочастотного инвертора импульсного силового напряжения.
