Уэймаус д., Газоразрядные источники света (988969), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Поэтому мы должны ввссти еще один член в уравнение, чтобы учесть тот факт, что частота ионизации будет выше в начале полупериода, когда ток (а следовательно, и плотность электронов) увеличивается по сравнению с током в конце полупериода, когда он уменьшается. Поправкой (2-6) является член (1/л,) (с/а,/г//), который выражает скорость изменения плотности электронов в с-', поэтому Таким образом, можем написать приблизительно: ч, (Г, /) = ~ и ) О + ) ш (2-8) — ' /)) =гг)г)йд де)г я/ а с той оговоркой, что это выражение будет давать большую ошибку при близких к нулю значениях тока в каждом полупериоде. Как будет показано, концентрация электронов никогда не падает до нуля и, следовательно, (2-7) не приводит к бесконечности при нулевых значениях тока П иближепнос уравнение (2-8) было использовано для получения представления о поведении скорости ио р г низации в течение полу- периода, что иллю- ! я;/т,е)ле(й-н) стрируется рис.
2-16. П р о и з в е д е и и е н, /тг,с)-г)еи е еннннм (2,~1//з)я!ч, для скоро-,'' ' знсненяя сти потерь при амбиполярной диффузии в чюминесцентной лампе равно около 2000 с-'. Произведение (1/!) Х Х (~Й/сй) при 60 Гц равно 120псо!и !20пб Из рис. 2-16 видно, что даже вцентре (90') поЛУПЕРиоДа пРОиэведе- Рьс 2-)б. Иллюстрация (схематячние (1/1) (сй/с/!) дает ~ зя) требуемого язмеяеявя частоты значительные поправки яеяязацяя в течение яовуперяода. к требуемо~му значению частоты ионизации и в пределах 30' от пулевого значения тока поправка приближается к 2. Следовательно, электрошгая температура должна меняться в течение полупериода, будучи наибольшей в начале и наименьшей в конце.
Рассмотрим как это влияет иа изменение продольного электрического поля и результирующее падение потенциала в разряде. Мы уже видели, как уравнение для частоты ионизации должно быть видоизменено, когда процессы начинают меняться со временем; нет оснований сомневаться, что уравнение (2-5), которое описывает зависимость напряженности электрического поля от электронной температуры, должно также включить зависимость от времени, и, , действительно, такая зависимость есть. Однако для ламп, работающих на частоте 60 Гц, она незначительна, потому что стационарная скорость потерь энергии элек- тронами значительно больше, чем скорость потерь элек- тронов и ионов.
Одно из объяснений уравнения (2-7) таково, что если образование ионов и электронов было бы внезапно прервано, то концентрация элсктронов бу ет у ньшаться с постоянной времени, равной обратной д стационарной скорости ионизации или равной около с. Наоборот, если подвод энергии к электронному газу был внезапно прекращен, то энергия электронов будет уменьшаться с много большей скоростью, чем с постоянной времени, определяемой в основном продол- жительностью жизни излучения возбужденных атомов.
П ич р ина этого состоит в том, что общее количество энер- гии, запасенное в форме возбужденных атомов в разря- де, значительно превосходит общую кинетическую энер- гию электронного газа и эта энергия передается элек- тронному газу посредством соударений второго рода, поэтому, если электронная температура будет умень- шаться, энергия перейдет назад к электронному газу от возбужденных атомов, что не позволит эчектропной тем- пературе резко упасть до нуля. Однако возбужденный атом также связав с «внеш- ним миром» через потери излучения, и даже в случае внезапного удаления приложенного электрического поля плотность возбужденных атомов будет вынужденаумень- шаться с постоянной времени, определяемой продолжи- тельностью жизни излучения возбужденных атомов.
По- этому из-за наличия сильной связи электронного газа с возбужденными атомами и очень большого прсобла- дания общей энергии, запасенной в возбужденных ато- мах, изменение электронной температуры, вызываемое ступенчатым изменением продольного электрического поля, происходит с постоянной времени, приблизительно равной продолжительности жизни излучения. В случае люминесцснтной лампы с разрядом в смеси ртути и арго- на важно для продолжительности жизни времени плене- ния резонансного излучения, составляющее несколько микросекунд. Т аким образом, пока изменение ть требуемое в тече- ние полупериода для удовлетворения (2-7), остается в пределах нескольких тысяч в секунду, оно будет очень 52 мало по сравнению с частотой потерь на излучение, е, ко- торос равно 1О' в секунду.
Мгновенное значение напряженности электрического поля и электронная температура могут быть еще связаны уравнением (2-5), характеризующим стационарное состояние. Напряженность продольного электрического поля, а следовательно,и падение потенциала на лампе должны тогда превышать значения, характерные для стационарного состояния (см. рис, 2-15) в течение первой половины полупериода, и быть ниже их во второй половине полупериода. Следующее дополнение, которое должно быть сделано„зависит от уже упомянутого факта: так как концентрация электронов пе может спадать с постоянной времени быстрее чем 1/2 мс,дажееслибылокрутопрервано их образование, и так как время между полупериодами при частоте 60 Гц сравнимо с этим значением, то концентрация электронов никогда не падает до нуля.
Она значительна в начале каждого нового полу- периода. Как увидим в гл, 3, напряжение пробоя или напряжение зажигания в значительной степени зависит от числа свободных электронов, способных начать процесс ионизации, будучи более низким, когда уже есть их достаточный запас.
В результате наличия остаточного количества свободных электронов от предыдущего полупериода напряжение зажигания, требуемое для перезажигания разряда каждый полупериод, значительно ниже, чем на. пряжение, необходимое для зажигания разряда в началь. ный момент. Более того, из-за наличия свободных алек. тронов в плазме ток протекает в плазме в течение всего полупериода. Влияние обоих этих эффектов па формы кривых напряжения и тока, представленных на рис. 2-15, показано на рис. 2-!7.
Заметим, что формы кривых тока и напряжения не. синусоидальны, поэтому произведение среднеквадратич. ного значения тока и среднеквадратичного значения па. денна напряжения в общем случае не будет равно сред. неквадратнчному значению произведения мгновенны~ значений тока и напряжения. Короче говоря, произведе. ние тока лампы на напряжение на лампе больше, чех показание ваттметра, и поэтому разряд имеет эффек. тивный коэффициент мощности, хотя ток и напряжени~ совпадают по фазе. Из асимметрии формы напряжении заключаем, что напряжение опережает ток в эток устройстве и с учетом среднеквадратичных значениг„ м Рис. 2-!7. Иллюстрации (схемааичнаи) зависимости напригеении на гааорааридной лампе и тока от времени а течение переменного тока прн частоте 60 Гц.
— — — — — — теоретическая фоРма крепок ллн стационарного состояннн; — го же с учетом нлнаннн (((н,((ип М(Ь лампа имеет индуктивный коэффициент мощности около 90%. При работе лампы изменение электронной температуры в течсинс полуперяода имеет дополнительное значение. При рассмотрении баланса энергии и к. п. д. резонансного излучения неоднократно подчеркивалась важность оптимальной электронной температуры. Из рассмотренного выше становится ясно, что электронная температура должна меняться в течение полупериода и, следовательно, речь может идти о среднем значении оптимальной температуры. Кроме того, уже указывалось, что к. п.
д. умсньшается с увеличением плотности тока. При работе па переменном токе, когда мощность изменяется аналогично среднеквадратичному значению тока, но максимальное значение тока выше, чем среднеквадратичное, лампа должна работать, по крайней мере некоторое время, прн большем значении тока, чем прн постоянном напряжении и той же мощности, и поэтому, по крайней мере пекоторос время, с более высокой кшщсптрацией электронов, чем при постоянном напряжении. Это неблагоприятно сказывается на к. и.
д., как уже указывалось в связи с рис. 2-7. В результате действия этих двух факторов к. и. д. резонансного излучения в лампе на 5 -!0% меньше в случае работы на переменном токе с частотой 60 Гц, чем при работе на постоянном токе прн той же мощности. Почему же тогда лампы не работают иа постоянном токе? Это объясняется различием мощности, потребляемой балластом.
На сегодняшний день только резисторы были о4 успешно использованы в качестве б е балласта па постоян- ном токе. Ток, протекающи" р р ий че ез езистор, вызывает потери, , которые сравнимы с мощностью, пот е ляемой лампой, и соответственно общий к. п. д. ается. На переменном токе, однако, как увидим в гл. шается. ли емкостиое сопро- мо жно использовать индуктивное и тивлеиие для управления током ра р д зя аипотеимощ- Р ше. Следовательно, к. п. д. ности здесь будут много меньш . ° д системы выше при ра о б те на переменном токе при чанесколько стоте 60 Гц, хотя к. п.
д. лампы при этом нес е 60 Гц, скажем в неПри частотах существенно выше сколько килогерц, характеристики р р д р аз я а п одолжают от еиии поведения уравне- меняться дальше, При рассмотр ния (2-7) уже нельзя предположить, что (1/а,) ( и,/ =(1/() ((///Ж), потому что член (1/() (Й/Ж) становится ольшим, что когда он является отрицательным, то значительно превосходит гает отр нцательцую частоту ионизации в уравнении (2-8), то ая физически невозможна. Пробле блема состоит , которая я с а а концентрации в том, что при этих условиях время спада электронов 1/(, ( , с (2 4//х)Чл становится равным нескольким м частоты переменного тока. Концентр- полным периодам ч в течение ция электрон нов теперь сильно не изменяется ся к постоянномузна- о диого полупериода, а приближается к по чению, Электронная температура пр у и этих словиях изк что скорость образования зарядов, усред- меняется так, что олжна авняться скоро- по всему полупериоду„должна ра зновения зарядов за полный полупериод.
о- сти исче и лизительно посто- ско льку концентрация электронов приб ве ет себя как омиче- янна в течение периода, разряд в д ское сопротивление и падение пот ц ен нала и ток стано- в ятся почти синусоидальными и б и близкими по фазе. те ведет се я б В сущности, разряд на высокой часто подобно разряду на по стоянном токе в том смысле, что авнения (2-5) и (2-7) могут быть применены, когда х параметров берутся среднеквадрад ля соответственных па тичные значения. ри .
П рассмотрении рис. 2-7 механизм меньшения к. и. д. с то оком был показан с учетом конр которая принималась пропорцио- центрации электронов, . П аботе на переменном токе с часто- нальной току. .ри ра о ам конблизительно равной нескольким килогерц той, при лизите п име но постоянной, центрация электронов, будучи пр р пропорциональна не мгновенному м значению тока, а бли- вб же к среднеквадратичному, поэтому рис. 2-7 для этого случая совершенно подобен рисунку для постоянного тока. Не вызывает никаких сомнений тот факт, что пиковые значения тока больше, чем среднеквадратичные.
Это означает, таким образом, что та часть потерь к, п. д., которая ранее приписывалась работе на переменном токе, не будет иметь места и к. п. д. разряда становится очень близким к к. п. д. на постоянном токе. Как увидим далее, в связи с влиянием электродов электродные потери также уменьшаются при высоких частотах и, таким образом, к. п. д. люминесцентной лампы при частотах в несколько килогерц может даже превосходить к. п, д. ламп, работающих на постоянном токе.
Люминесцентные лампы обычно не используются при высоких частотах из-за неэффективности преобразовате- 60 лей энергии, трансформирующих энергию с частотой Гц в энергию с частотой в несколько килогерц (к. и. д. преобразователя 85в7» невыгоден) и из-за сложности с коммутацией цепей, возникающей в результате того, что энергия распределяется с частотой порядка килогерц'. Глава третья ЗАЖИГАНИЕ РАЗРЯДА В ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПИ П ри нормальных условиях по температуре и давлению газы являются электрическими изоляторами.
Все атомы и молекулы в газе находятся в состоянии с наименьшей энергией, отсутствуют свободные электроны, за исключением очень небольшого количества ионизованных космическим излучением атомов Вследствие этого, если потенциал, приложенный к люминесцентной лампе (или другому типу газоразрядного прибора), не отличается по величине от нормального рабочего, то в лампе никает н лампе не возникаких явлений (отсутствуют ток и световой поток). Задача этой главы рассмотреть процессы, протекающие при зажигании лампы, включающие процесс превращения наполняющего люминесцентную лампу газа из изолятора с сопротивлением, большим чем !О" Ом см, в умеренно хороший проводник с эффективным сопрогл тивлением 10 — 25 Ом см. Обсуждение концентр трируется авным образом на люминесцентных лампах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
