182651. lajstromszámú szabadalom • Eljárás miniatűr nagynyomású fémgőz kisüléses lámpa működtetésére és miniatűr nagynyomású lámpaelrendezés
3 182651 4 tetett ívlámpán keresztül folyó áramnak (szaggatott vonal) és az ott fellépő feszültségnek (teljes vonal) az oszcilloszkópon látható nyomvonalát mutatja. Az újragyújtási Nr feszültségarányt az alábbi Nr = Vr/Vip összefüggéssel definiálhatjuk, ahol Vr az újragyújtási csúcsfeszültség és Vip a lámpán fellépő feszültség abban a pillanatban, amikor az áram csúcsértéket vesz fel. Az 5. ábrán az újragyújtási Nr feszültségarány közelítően 3,3. Új rágyújtáskor a feszültségemelkedést az okozza, hogy amikor az áram közel null-értéket vesz fel, akkor a plazma impedanciája megnövekszik. Nagynyomású kisülés esetén az ív impedanciáját az elektron és az ion sűrűségek határozzák meg, és ezek exponenciálisan változnak az ív magjában mért gázhőmérséklettel. A falak révén kondukciósan megvalósított ívhűtésnek elsődleges jelentősége van, és a hűtés mértéke fordítottan arányos az ív kisüléses cső átmérőjével. Ezt a 6. ábrán szemléltettük, amely az újragyújtási feszültségaránynak a frekvenciafüggését szemlélteti két buraméret esetére, ahol az egyiknél a gömb belső átmérője 3,2 mm, külső átmérője mintegy 4,2 mm, a másik esetben pedig a gömb belső átmérője 7 mm. Egy jelenleg előnyösnek talált buraméretnél, amelynek belső átmérője mintegy 6 mm, azt tapasztaltuk, hogy 60 Hz frekvencián az újragyújtási Nr feszültségarány értéke közelítően 2,0 értékű. Ez egy nagy érték ugyan, de nem megvalósíthatatlan 60 Hz-es ballaszt áramkörökkel. Űjragyújtás bemelegedéskor A miniatűr fém-halogenid lámpák 60 Hz-es működtetésének a valóban súlyos problémája a cső felmelegedésekor jelentkezik. Az ív gyújtást követő néhány másodperc elteltével az újragyújtási feszültség jelentős mértékben megnövekszik. Ezután az újragyújtási csúcs értéke lecsökken ahogyan az ívhőmérséklet folyamatosan növekszik és a gőznyomás fokozódik, amíg eléri azt a végső vagy állandó értéket, amelyet a frekvenciától függően a 6. ábrán szemléltettünk. Felmelegedéskor az újragyújtási Vr csúcsfeszültségnek a frekvencia függését a 7. ábrán tüntettük fel ugyanolyan méretű és alakú 6 mm belső átmérőjű, gömb alakú ívlámpa esetében. A rajzon feltüntetett módon az egyik lámpa a szokásos fém-halogenid lámpáknál használt higany és nátrium-, szkandium- és tóriumjodidokat tartalmazó gázzal volt töltve, a másikban pedig higany és higanyjodid töltés volt. A higanyjodid lámpák esetében különösen magas újragyújtási feszültség tapasztalható még tízszeres hálózati frekvencia mellett is. Ennél a lámpánál az újragyújtási feszültség 600 Hz-nél meghaladja a 800 volt értéket, míg a másik lámpánál, amely Na-Sc-Th töltést tartalmazott, a 800 voltos csúcsértéket a görbe már 60 és 100 Hz között túllépte. Ügy véljük, hogy melegedéskor a magas újragyújtási feszültség annak köszönhető, hogy a gázfázisban, mielőtt a gázhőmérséklet elérné a nagynyomású ívben fellépő értékét, a halogén atomokhoz vagy molekulákhoz csatlakozó elektronok veszteségi üteme rohamosan növekszik. Ez a jelenség a hagyományos lámpákban is fellép, és ezt az irodalom is tárgyalja, például J. F. Way mouth „Electric Lamps” című könyvének 10. fejezete (M. I. T. Press, 1971). A gázhalmazállapotú halogének a kondenzált higanyjodidból származhatnak, amelynek sokkal nagyobb gőznyomása van, mint az egyéb halogenideknek, és az magának a higanynak a gőznyomásával hasonlítható össze. Ilyen módon az elektronok elbomlási üteme arányos a gázban (vagy gőzben) jelenlevő jódatomok vagy molekulák számával. Az újragyújtási feszültség egy adott idő után megmaradt elektronok számától függ és fordítottan arányos a frekvenciával. Ennek az elektronkapcsolódási folyamatnak az elsődleges jelentősége normál működési viszonyok mellett már megszűnik, mivel az elektron képződési és veszteségi mechanizmusa már csak az ívmag hőmérsékletétől függ, amely viszonylag független a jód-tartalomtól. Ezenkívül a higanyjodid gőzből származó szabad jód-tartalom az üzeminél lényegesen alacsonyabb falhőmérsékleteknél telítődik. Ezeket az álláspontokat kísérleti úton az a megfigyelés alátámasztja, hogy a felmelegedéskori magas újragyújtási feszültséget határozatlan ideig oly módon fenntarthatjuk, hogy egy működő ívlámpához hideg levegőt áramoltatunk. Ez megakadályozza a higany teljes elpárolgását, és így a kisülési állapothoz tartozó magas gázhőmérsékletet sosem érjük el. A ballaszttal kapcsolatos korlátozások Az alacsony frekvencián működtetett kis méretű fém-halogenid lámpák felmelegedésekor fellépő magas újragyújtási csúcsfeszültség értékét nem könnyű leküzdeni, mert szennyező anyagok, például vízgőz jelenléte elkerülhetetlen, és ezek a halogenid reakciós mechanizmus révén a lámpán belül halogén atomokat szabadítanak fel. Az újragyújtási problémát leküzdeni képes, gyakorlatban alkalmazható nagyfrekvenciás ballaszt áramköröket szilárdtest felépítésű aktív eszközökből, például tranzisztorokból és hozzájuk kapcsolódó ferrit magokból építhetjük fel. 20 kHz alatt a ferrit magok mérete addig a méretig növekszik, ahol már egy kompakt ballaszt áramkör alkalmazhatósága is kétségessé válik. Ezenkívül a zaj szint vagy a hangerő problémát jelent, mert a ferrit anyagban bekövetkező fluxus változásokból származó magnetostrikciós rezgések a hallható tartományba vagy ennek határára esnek. Ezen feltételeket együttesen tekintve, eredményül azt kapjuk, hogy a gyakorlatban használható nagyfrekvenciás ballasztoknak a hallható hangok tartománya felett kell üzemelniük. 50 kHz frekvencia felett a jó hatásfokú működéshez szükséges, gyakorlatban elérhető tranzisztoros kapcsolási sebesség határait túllépjük, és a ballaszt áramkörök vesztesége aránytalanul növekszik. Ugyanakkor az elektromágneses zavarok, azaz a lámpából és a hozzá kapcsolódó áram5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 4
