Как работают магнитоиндукционные лампы. Часть 2. Как они устроены

Продолжение
Начало читайте здесь:

Часть 1. Введение. Лампы накаливания. Флуоресцентные лампы

Безэлектродные лампы

Почти все источники света в настоящее время имеют в своем устройстве одну общую деталь – впаянные в стеклянную колбу электроды для передачи тока в лампу.

Основные причины выхода этих ламп из строя (кроме физической поломки):

• Постепенное разрушение нити, т.к. ее атомы уносятся электрическим током.
• Вибрация, разрушающая нить, особенно когда лампа включена и нить раскалена.
• Нарушение герметичности колбы, обычно обусловленное термическим напряжением в местах впайки электродов. Воздух в этом случае может наполнить колбу сразу, или «медленно натекать».

Изобретатели мечтали изобрести лампу без электродов, чтобы устранить эти причины выхода лампы из строя. В безэлектродной лампе колба полностью запаяна, и нет вероятности попадания воздуха из-за нарушения герметичности, нет и возможности поломки или износа электродов. В 1891 году Николаю Тесла выдали патент США на первую индукционную лампу.

В безэлектродной лампе основными причинами поломки (кроме чисто механической) могут быть:

• Обеднение паров ртути в колбе. Когда ионы ртути возбуждаются электрическим током и бомбардируют люминофорное покрытие колбы, небольшой процент их поглощается люминофором. Как только пары ртути в колбе будут истощены, лампа начинает светиться тусклым светом и должна быть заменена.
• Отказ электронного балласта. Это не катастрофический отказ лампы, т.к. обычно балласт может быть легко заменен.

Как же пропустить электрический ток через колбу лампы, чтобы возбудить ионы ртути? На рынке безэлектродных ламп сегодня доступны два типа: микроволновые и магнитоидукционные.

В микроволновой лампе капсула с серой облучается высокочастотным полем, что заставляет серу нагреваться, испускать ионы плазмы и светится. Для предотвращения неравномерного нагрева, капсула с серой должна вращаться и охлаждаться вентилятором. Содержащиеся в этих лампах механические части увеличивают вероятность отказа. Срок службы источника высокочастотного поля, – магнетрона, – ограничен 15000 – 20000 часами, после чего магнетрон необходимо заменять. Таким образом, эксплуатационные издержки у микроволновых ламп выше, чем у стандартных. Единственное их преимущество – спектр светового излучения максимально приближен к спектру солнечного света.

Магнитоиндукционные лампы

Магнитоиндукционные лампы являются флуоресцентными лампами с электромагнитами, надетыми на трубку лампы или включенными в конструкцию лампы. В лампе с внешним индуктором высокочастотная энергия от электронного балласта идет по проводам, намотанным на ферритовый сердечник, и образующим мощный электромагнит.

Прямоугольная и круглая лампы с внешними индукторами.

Катушки индуктора излучают мощное магнитное поле, которое проходит через стекло колбы и возбуждает атомы ртути (пары испарившейся амальгамы). Атомы ртути испускают ультрафиолетовое излучение и, так же как и во флуоресцентной лампе, оно преобразуется в видимый свет люминофорным покрытием внутренней поверхности колбы. Систему можно рассматривать как трансформатор, в котором катушка индуктора является первичной обмоткой, а атомы ртути внутри колбы играют роль одновитковой вторичной обмотки.

В этом варианте конструкции колба лампы имеет традиционную форму, и покрыта изнутри слоем люминофора. Она заполнена инертным газом, в ней есть шарик ртути. Катушка индуктивности намотана на ферритовом стержне и через впускную трубку вставлена в лампу. Катушкой индуктивности, под управлением балласта, создается высокочастотное магнитное поле, которое проникает через стекло колбы и возбуждает атомы ртути. Ультрафиолетовое излучение атомов ртути преобразуется в видимый свет люминофорным покрытием колбы.

Магнитоиндукционные лампы с внешним индуктором имеют то преимущество, что тепло, выделяемое катушкой, легко рассеивается в воздухе конвекцией. Конструкция с внешним индуктором подходит для более мощных ламп, имеющих прямоугольную или кольцевую форму. В лампах с внутренним индуктором тепло, производимое катушкой, выходит в полость лампы и выводится излучением через стеклянные стенки колбы и теплопередачей через цоколь. Лампы с внутренним индуктором имеют более короткий срок службы из-за высоких рабочих температур. Лампа с внутренним индуктором более похожа на стандартную лампочку, чем лампа с внешним индуктором. Иногда это может быть полезным.

Как и в стандартных флуоресцентных лампах, сочетание различных люминофоров в покрытии колбы дает различные цвета свечения. Наиболее общие цветовые температуры свечения ламп – 3500 K, 4100 K, 5000 K и 6500K.

Для работы магнитоиндукционных ламп требуется соответствующий электронный балласт. Балласт питается переменным сетевым напряжением 120 В или 220 В (или постоянным 12 В или 24 В) и выпрямляет его. Затем микросхема управления балластом преобразовывает постоянный ток в переменный ток высокой частоты, обычно от 2.65 МГц до 13.6 МГц, в зависимости от конструкции лампы. Эта высокая частота питает катушку индуктора, создающую мощное магнитное поле, которое проникает через стеклянные стенки колбы и возбуждает атомы ртути в лампе.

Балласты содержат управляющую схему, регулирующую частоту переменного напряжения и силу тока через катушку индуктора, чтобы обеспечить стабильную работу лампы. Кроме того, в балластах должна быть схема, дающая мощный «стартовый импульс» для первоначальной ионизации атомов ртути и запуска лампы. Магнитоиндукционные лампы никогда не запускаются на 100% мощности. Обычно при запуске они работают на 75…80% мощности. Для того чтобы нагреть и испарить достаточное количество ртути, и достигнуть 100% светового потока, лампе требуется от 60 до 120 секунд.

За счет регулирования работы лампы балластом, и использования управляющего микропроцессора, КПД балласта может достигать 98%. Только 2% энергии тратится на его нагрев, против 10…15% в лампах с обычными балластами, применяемыми в большинстве систем освещения в настоящее время.

Типичная магнитоиндукционная лампа мощностью 200 Вт для индустриального освещения.