CC BY
465
Плазменные осветительные устройства на основе СВЧ-разряда
Ключевые слова: плазменный светильник, безэлектродный СВЧ разряд, серная лампа, магнетрон, колба лампы, световой поток, световая отдача.
Александрова О.Ю.,
старший научный сотрудник ФГУП ВЭИ
Бондаренко С.М.,
к.т.н., доцент кафедры Электронных приборов НИУ "МЭИ"
Гутцайт Э.М.,
дт.н., профессор кафедры Светотехники НИУ "МЭИ" Жидков РА
старший научный сотрудник, начальник сектора светооптические устройства" ФГУП ВЭИ, roman@vei.ru
Эффекты возникновения оптического излучения при взаимодействии электромагнитного поля с веществом в его различных агрегатных состояниях наблюдались, изучались и даже использовались на протяжении уже более столетнего периода. Развитие источников электромагнитных колебаний в направлении повышения уровней мощности и генерируемых частот способствовало, в частности, и расширению исследований и применений безэлектродного газового разряда в высокочастотных, а затем и в СВЧ электромагнитных полях.
В сентябре 1992 г. на VI Международном симпозиуме по науке и технологии источников света в Будапеште инженером М.Ури, физиком Ч.Вудом и их коллегами было сделано первое впечатляющее сообщение о создании нового высокоэффективного источника квазисолнечного света на базе безэлектродной газоразрядной лампы с аргоно-серным наполнением сферической кварцевой колбы и с СВЧ-накачкой на частоте 2450 МГц [1].
При поддержке Департамента энергетики США работы по разработке СВЧ-световых приборов продолжились в компании Fusion System Corporation и затем в выделившейся из нее компании Fusion Lighting, которая занималась разработкой ультрафиолетовых СВЧ-разрядных источников света для ультрафиолетового отверждения в полупроводниковой и печатной промышленности. В 1994 г. в Вашингтоне состоялась презентация осветительной системы Solar 1000 тм, а в 1997 г. — ее модификации Light-drive 1000тм. Однако, производство этих ламп закончилось в 1998 г. после их установки более чем на 100 объектах по всему миру. Все патенты компании Fusion System Corporation были выкуплены компанией LG Electronics, которая разработала свои плазменные светильники (Plasma Lighting System - PLS) и в 2005 г. провела в Корее их торжественную презентацию. В серийном производстве появились два световых прибора: потолочный светильник PSH0731B мощностью 730 Вт со световой отдачей 80 лм/Вт (рис. 1) и уличный прожектор PSF1032A мощностью 1050 Вт со световой отдачей 82 лм/Вт (рис. 2).
В последние годы создана европейская группа по исследованию СВЧ разряда в лампах-горелках с аргоно-серным наполнением —Plasma International Group. Задача этой группы выяснить, какую максимальную световую отдачу возможно получить от серной лам-
Представлен краткий обзор разработок различных плазменных светильников на основе безэлектродного сверхвысокочастотного (СВЧ) разряда. Приведены примеры реализованных и разрабатываемых светильников различных фирм. Отмечаются успехи исследовательских работ, выполняемых в ФГУП ВЭИ. Обсуждаются вопросы развития плазменных ламп в настоящем и будущем. Обращается внимание на то, что безэлектродные СВЧ-лампы и светодиоды не являются конкурентами и могут занять различные ниши применения.
Рис. 1
Рис. 2
пы. Вторая задача — обеспечить пути внедрения данной технологии в область светотехники.
Световой прибор AS1300, разработанный Plasma International Group, показанный на рис. 3, состоит из двух блоков, один из которых является блоком питания СВЧ-генератора — магнетрона, а другой - собственно сам световой модуль. Была достигнута световая отдача такого светового прибора 120 лм/Вт. Долговечность плазменного прибора определяется, к сожалению, не лампой-горелкой (на которую заявлен срок службы 50 тыс.ч), а самим СВЧ-генератором и механизмом, приводящим лампу во вращательное движение. Магнетрон в непрерывном режиме не может работать более 10 тыс.ч. И связанно это с ограниченной эмиссионной способностью катода магнетрона. А себестоимость плазменного светильника не оправдывает его срок службы. Возможно, в этом причина отказа компании LG от массового выпуска плазменных осветительных систем. Кроме того, большим недостатком светильника AS1300 является то, что любой блок, вышедший из строя, очень трудно заменить (конструкция практически неразборная и одноразовая), что в свою очередь, делает его совсем непривлекательным.
В нашей стране экспериментальные и теоретические исследования серных ламп на уровне НИР проводились тремя основными
группами специалистов. Первую группу составило содружество сотрудников ОАО "Плутон", ВЭИ, МЭИ, НИИЯФ МГУ, ИЗМИРАН и Московского ВНИСИ [2-8], вторую — сотрудники Института общей физики РАН и МИФИ [9-11] и третью — сотрудники Саранского ВНИИИС [12].
В настоящее время в ФГУП ВЭИ продолжаются исследования СВЧ разряда в парогазовых смесях и накоплен большой опыт по созданию плазменных осветительных устройств.
Совместно с Российской Академией сельскохозяйственных наук в ФГУП ВЭИ проводятся работы по созданию равноинтенсивного по световому потоку плазменного источника света (основные участники академик РАСХН Стребков Д.С., к.т.н. Малышев В.В., аспирант Жидков РА.). В результате этих работ был создан световой прибор, при разработке которого было уделено внимание непосредственно источнику питания магнетрона. В мировой практике для уменьшения массы и габаритов, а также для повышения КПД, используются высокочастотные инверторные источники питания СВЧ генераторов. В ходе многих экспериментов в ФГУП ВЭИ удалось установить, что на интенсивность светового потока можно влиять путём введения модуляции. В итоге был разработан принципиально новый источник питания (высокочастотный инвертор с обратной связью), в обратную связь которого встроен процессорный блок, обрабатывающий по специальному алгоритму ток анода магнетрона (патент RU №115605 от 22.11.2011, Жидков РА.). Такой источник питания позволил развеять миф о незажигании лампы-горелки при старте и деградации кварца с образованием в парогазовой смеси газа СО с одной стороны, а с другой стороны исключил необходимость усложнения самой лампы-горелки путем ввода в колбу лампы металлогалогенидов. Еще одна привлекательность такого источника питания - это его небольшие габариты и масса. Этот источник питания с предварительным накалом катода магнетрона может продлить срок службы самого магнетрона до 20-25 тыс.ч. На базе такого источника питания в ФГУП ВЭИ был разработан световой облучательный плазменный прибор для освещения теплии, состоящий из светового модуля и сопряженной с ним секцией световода длиной 2,7 м (рис. 4). Данная разработка показала неплохие результаты! при испытаниях, проведенных в лаборатории аэропонных технологий НИИ Сельскохозяйственные биотехнологии Россельхозакадемии (директор Мартиросян Ю.Ц.).
В настоящее время проводится ОКР по государственному контракту № 16.526.11.6018 от "22" мая 2012 г. совместно ФГУП ВЭИ и ФГУП "Приборостроительный завод" (г. Трехгорный) по серийному выпуску плазменных световых приборов и внедрению их на Российский рынок. В отличие от компании Ю продукция перестроена и защищена патентами РФ таким образом, что каждый элемент плазменного светильника легко заменяем. Такая продукция станет привлекательной для широкого массового применения, где легко поменять лампу-горелку (как лампу накаливания), СВЧ-генера-тор или блок питания. Разрабатываемая конструкция легко разборная и включает в себя систему защиты с интеллектуальным управлением. Также проводятся разработки с твердотельным генератором как мощных, так и маломощных плазменных ламп. Такие разработки позволят существенно продлить срок службы плазменных световых устройств со световой отдачей 100 лм/Вт и более.
Рис. 5
Рис. 6
В последние годы все большее количество зарубежных компаний включаются в борьбу за рынок плазменных световых приборов, несмотря на отказ таких компаний, как LG, от этой идеи. Возможно, в результате этой конкурентной борьбы будут созданы новые высокоэффективные плазменные световые системы. Для решения проблем, возникающих при разработке этих приборов, компании идут разными путями.
Английская компания Ceravision разрабатывает продукцию Alvara. Плазменные светильники Alvara400, представленные на рис. 5, разработаны на пониженную мощность от400до 800 Вт в исполнении Indoor. Приборы работают не только на частоте 2,45 ГГц, но и на 5,8 ГГц. Компания начинает внедрять и твердотельные СВЧ-ге-нераторы. Одной из разработок с твердотельным СВЧ-генерато-ром — это автомобильная фара с плазменной лампой (рис. 6).
Американская компания Luxim продолжает разработки маломощных плазменных светильников с твердотельным СВЧ-генерато-ром. Компания представляет целую линейку световых модулей с мощностью от 160 Вт и более. Сама (невращаемая) лампа-горелка представлена на рис. 7 и названа LEPTM (Light Emitting Plasma). Размер лампы горелки 1,5 см, и выполнена она в виде петли, которая помещается в объемный резонатор из диоксида алюминия (рис. 7). На базе LEP ламп американская компания Alphalite производит крупносерийный выпуск осветительных устройств для архитектурной подсветки и уличного освещения мощностью 300-400 Вт (рис. 8).
В последнее время быстрыми темпами развиваются технологии изготовления колб из сапфирового стекла. Такие технологии позволят создавать плазменные лампы-горелки с более долгим сроком службы более 80-90 тыс.ч. Сапфировые колбы позволят создавать и специальные приборы для медицинских целей и для спецтехники, работающие не только в видимом диапазоне, но и в ИК области. В будущем с развитием технологий колба может быть не только кварцевой и сапфировой, но и кремниевой. Такая колба позволит скон-
Рис. 7
Рис. 8
струировать прибор, работающий в дальней ИК области (с длиной волны более 40 мкм).
В заключение следует отметить, что к 2010 г. количество патентов, касающихся только мощных световых приборов с вращаемой лампой-горелкой, составляло около 140. За последние полтора года количество патентов по данной тематике превысило 180 (исключая патенты Бегатеюп и 1_их1т). Такое резкое увеличение количества патентов по данной тематике дает повод считать, что интерес к безэ-лектродным СВЧ лампам возрастает и за такими приборами большое будущее.
И еще на одно очень важное обстоятельство хотелось бы обратить внимание. В настоящее время бурно развивается светодиодная промышленность. Светодиоды, обеспечивающие высокую световую отдачу (американская компания CREE уже получила более 250 лм/Вт [13]) и большие сроки службы (50 тыс. ч.), активно вытесняют традиционные источники света и успешно используются для общего освещения, включая уличное и дорожное освещение. Но светодиодные лампы не являются конкурентами мощным серным лампам и эти осветительные устройства, различные по своей физической сути, могут занять разные ниши применения.
Прежде всего, отметим, что полупроводниковые светодиоды в принципе холодные и сравнительно маломощные источники света. Они наиболее эффективны при излучении светового потока около 100 лм и не следует их нагревать за счет увеличения пропускаемого тока. Поэтому, светодиоды необходимо использовать в большом количестве и размещать с интервалами, не допускающими перегрева и обеспечивающими равномерное распределение освещённости. Кроме того, спектры излучения светодиодов существенно отличаются от спектров стандартных источников света и для обеспечения правильной цветопередачи желательно использовать светодиоды с различными спектрами, перекрывающими диапазон видимого излучения, суммарный спектр которых может смоделировать спектр лю-
бого источника света при соответствующем подборе токов, пропускаемых через светодиоды.
В отличие от светодиодов, разрядные СВЧ лампы наиболее эффективны при высоких температурах и обеспечивают световые потоки более 100 клм, т.е. на три порядка мощнее светодиодов. При этом серные лампы обладают уникальным квазисолнечным спектром излучения и даже более экологичным, чем солнечный свет, поскольку имеют пониженные интенсивности ультрафиолетового и инфракрасного излучения.
Итак, безэлектродные СВЧ лампы выгодны в тех случаях, когда необходимо получить большие световые потоки от квазиточечных источников света. Они более перспективны, чем светодиоды, для использования на входе протяжённых световодов при освещении больших пространств, в прожекторах сверхдальнего действия, в фарах крупных транспортных средств и т.п.
Литература
1. Dolan I.T., Ury M.G., Wood C.H. A Novel High Efficacy Microwave Powered Light Source. Presented as a Land-mark Paper on September 2, 1992 Sixth International Symposium on the Science and Technology of Light Sources Technical University of Budapest.
2. Шлифер ЭД Безэлектродные сверхвысокочастотные газоразрядные лампы/под ред. Ю.Б. Айзенберга. — М.: Дом света,1999. — 24 с.
3. Шлифер Э.Д Некоторые особенности и проблемы создания осветительных и облучательных устройств на базе безэлектродных газоразрядных ламп с СВЧ-накачкой // Светотехника, 1999, №1. — С.6-9.
4. Козлов А.Н., Ляхов ГА., Павлов Ю.В, Резников АЕ., Умарход-жаев Р.М, Шлифер ЭД. СВЧ и ВЧ возбуждение разряда в парах серы с неоном // Письма в ЖТФ,1999. — Т.25. Вып. l3. — C.27-33.
5. Шлифер ЭД Настоящее и будущее безэлектродных СВЧ-разряд-ных источников света // Электроника, наука, технология, бизнес, 2002. № 3. — С. 52-55.
6. Гутцайт Э.М. Безэлектродные источники света, использующие электромагнитную энергию высоких и сверхвысоких частот// Радиотехника и электроника, 2003, № 1. — С.5-38.
7. Александрова О.Ю., Жидков Р.А., Шлифер ЭД. Создание осветительных и облучательньк установок на базе безэлектродных СВЧ-разряд-ных ламп // Светотехника, 2006, №3. — С.21-27.
8. Гутцайт Э.М., Кущ О.К. Анализ квазипараболических отражателей с микроволновыми лампами на входе призматических световодов // Радиотехника и Электроника, 2006, № 12. — С.1488-1495.
9. Диденко А.Н., Виноградов ЕА., Ляхов Г.А., Шипилов К.Ф. Высокоэффективный безэлектродный источник света с квазисолнечным спектром на основе тлеющего СВЧ разряда // Докл. РАН. 1995, Т.334, №2. — С.182-183.
10. Диденко АН, Зверев Б.В. СВЧ-энергетика / М.: Наука, 2000. — 264 с.
11. Диденко АН, Прокопенко А.В., Щукин А.Ю. Высокоэффективная серная лампа малой мощности // Светотехника, 2009, №5. — С.22-24.
12. Вдовин В.Г, Корочков ЮА Проблемы и перспективы создания высокоэффективных безэлектродных разрядных ламп СВЧ возбуждения // Светотехника, 2006, №3. — С.28-32.
13. Туркин А., Дорожкин Ю. Новое поколение мощных светодиодов CREE: особенности, преимущества, перспективы // Полупроводниковая светотехника, 2012, №5. — С.36-41.
Plasma lighting devices based on microwave discharge Alexandrova, O. Bondarenko, S., Gutzeit, EM., Zhidkov, RA., roman@vei.ru
Abstract
A brief review of developments of various plasma lamps based electrodeless microwave discharge. The examples of implemented and developed lamps of different firms. Noting the success of the research work performed by the FSUE VEI. Discusses the development of plasma lamps in the present and the future. Attention is drawn to the fact that the microwave electrodeless lamps and LEDs are not competitors, and may take various niches applications.
Keywords: plasma lamp, electrodeless microwave discharge, sulfur lamp, magnetron, bulb, luminous flux, luminous efficacy.
