Віктор Марков
На цей раз ми розглянемо процеси, що протікають в неонової лампи і електричному контурі, а також заходи, спрямовані на стабілізацію роботи світлових установок з їх застосуванням.
Віктор Марков, канд. техн. наук, технолог неонового виробництва
У першій частині статті ми розповідали про труднощі створення світлових установок, які безпосередньо пов'язані з принципом роботи конвертера, однак існують і деякі непрямі проблеми, що виникають у самій світлової лінії при протікання у ній струму підвищеної частоти. Вони породжують ряд явищ, які негативно позначаються на роботі неонових ламп. У цій частині статті ми опишемо і проаналізуємо основні фізичні закономірності нелінійних процесів, що протікають в електричному контурі, утвореному неоновими лампами, конвертером і сполучними проводами, а також сформулюємо деякі практичні закономірності, які допоможуть фахівцям неонового виробництва правильно проектувати і монтувати світлові установки.
Монтажні ємності
При частотах 18-40 кГц вже не можна нехтувати витоками робочого струму, пов'язаними з так званими монтажними ємностями, які утворюються елементами ламп, а також високовольтними дротами з однієї сторони та елементами з іншого. Умовно будь-яку реальну світлову лінію можна представити у вигляді еквівалентної схеми (рис. 1).
Ємність С1 - еквівалентна ємність високовольтних проводів. Вона залежить від довжини проводів і відстані між ними і в принципі може бути розрахована. На практиці для зменшення цієї ємності рекомендують розносити високовольтні дроти не менше ніж на 20-25 мм і не допускати вигинів з радіусом менше 40 мм. Однак, як буде показано нижче, це може виявитися недостатнім у тому випадку, якщо крім основної (несучої) частоти в світловий лінії з'являються високочастотні гармоніки.
Ємності С2 - С6 утворюються коаксіальної поверхнею електродів і елементами металевої конструкції. Максимальні значення ємностей характерні для паралельного розташування електродів щодо металевої поверхні (ситуація, характерна для металевих літер з контражурной підсвічуванням), мінімальна - при перпендикулярному розташуванні електрода щодо металевої підкладки або за відсутності такої. Слід зазначити, що відсутність близько розташованих металевих частин не може гарантувати повної відсутності втрат, оскільки струм несучої частоти, що протікає в контурі, здатний створювати поза контуром змінне електромагнітне поле. У справедливості цього легко переконатися за допомогою найпростішого пробника з неоновим індикатором, який починає світитися при наближенні до різних елементів електричного контуру (проводах, електродів і трубками ламп). У індикаторі в цьому випадку електричним полем контуру збуджується так званий безелектродний газовий розряд. Його яскравість і протікає струм залежать від напруженості змінного поля, яка визначається електричним потенціалом у різних частинах контуру, частотою і станом зовнішнього середовища. Тому використання конвертерів з напругою холостого ходу вище 9 кВ супроводжується великими втратами, що приводить до перевантаження світлової лінії.
С7 - С10 - місткості міжелектродного проміжку. Максимальна ємність спостерігається при зближенні електродів, орієнтованих щодо трубки під 90 °. Особливо це небезпечно у випадку довгих ламп, оскільки струм витоку прямо пропорційний напрузі на обкладинках конденсатора, яке, у свою чергу, пропорційно довжині лампи.
Еквівалентна схема повинна бути доповнена індуктивностями - вихідний обмотки трансформатора перетворювача, а також стовпів газового розряду неонових ламп (на схемі не показані). За певних умов електричний контур здатний виявляти резонансні властивості, тобто самопорушувані на певних частотах. Спробуємо розібратися в цьому досить складному і до цих пір маловивченому питанні.
Умови для самозбудження пов'язані з різними коливальними процесами в розрядній плазмі, що виникають у ньому під дією внутрішніх і зовнішніх причин. Ці коливальні процеси прийнято розділяти на дві групи: реактивні коливання і страти.
Реактивні коливання
Реактивними називають коливання в електричному ланцюзі, що містить газорозрядні лампи, властивості якої залежать від баластного опору (опір вторинної обмотки вихідного трансформатора конвертера), монтажних ємностей і опору лампи. Динамічний опір великої групи ламп (неонових і ртутних з діаметром 8-12 мм) має негативну величину. Електричне коло, що володіє такими властивостями, схильна до самозбудження, тобто при певному співвідношенні електричних параметрів у ній виникають автоколивання в діапазоні nЧкГцч nЧМГц. Виявляються ці коливання у вигляді модуляції амплітуди основної (несучої) частоти. У випадку електронних трансформаторів несуча частота (18-40 кГц) і частоти реактивних коливань лежать практично в одному діапазоні. Тому нерідкі випадки, коли несуча частота провокує початок реактивних коливань. У залежності від величини їх амплітуди і форми розрізняють м'який і жорсткий режим збудження. Останній ще називають «релаксаційним» або «переривчастим» режимом газового розряду.
Початок самозбудження у випадку звичайних електромагнітних трансформаторів пов'язують з перевантаженням світлової лінії, оскільки в цьому випадку зменшується значення баластного опору. Явище перевантаження виникає або в результаті невірних розрахунків, або через кліматичних особливостей (низькі температури, опади). Дія цих факторів досить просто усунути або компенсувати.
З конвертерами справи йдуть значно складніше. По-перше, більш серйозну роль починають грати монтажні ємності, які проявляють себе навіть у нормальних кліматичних умовах. По-друге, виникають в електричному контурі реактивні коливання за рахунок більш високої частоти збільшують струми витоку на землю і в простір. У цьому легко переконатися, провівши досвід з неоновим індикатором.
Оскільки струми витоку в різних частинах контуру можуть бути різними (що легко фіксується індикатором), створюються умови, коли і струми, що протікають через окремі лампи, виявляться різними, а отже, буде спостерігатися неоднакова яскравість свічення окремих ламп. Так, наприклад, більш тьмяно горять лампи, найбільш віддалені від трансформатора.
Не менш складні проблеми коливання в розряді породжують у разі близького розташування сусідніх світлових контурів. За рахунок електромагнітного поля реактивні коливання одного контуру можуть спровокувати аналогічні коливання в розташованому поруч контурі. При цьому найбільш небезпечні динамічні режими роботи контурів, що призводить до спотворення анімаційної картини.
Таким чином, у разі використання конвертерів пороги збудження реактивних коливань можуть змінюватися в найширших межах. При підвищенні нижнього порогу збудження релаксаційних коливань цілком ймовірне виникнення ситуації, коли ці коливання приводять до помилкового спрацьовування системи захисту. Це найбільш небезпечно у разі застосування трансформаторів з малими робочими струмами (≤ 20 мА). Для зниження нижнього порогу виникнення реактивних коливань релаксаційного типу можна рекомендувати використання лише коротких світлових ліній, особливо при малих діаметрах і великій кількості поворотів газосвітних трубок. До того ж результату приводить зменшення тиску робочого середовища ламп. Однак у цьому випадку може скоротитися термін їх служби.
Явище катафорезу
Є ще один ефект, пов'язаний з дією реактивних коливань, який призводить до спотворень свічення окремих ламп. Мається на увазі часто спостерігається на практиці явище катафорезу (міграції ртуті). Про це явище ми говорили у зв'язку з розглядом особливостей побудови конвертерів. Розглянемо його детальніше. Катафорезу спостерігається тільки при розряді в газовій суміші, коли за рахунок різної рухливості і дифузійних характеристик окремих іонів і атомів можливе утворення переважно руху домішки в бік негативного електрода (катода).
У газосвітних лампах такими домішками в інертних газах можуть бути ртутні пари і так звані молекулярні гази - продукти газовиділення зі стінок скляних трубок і електродів (водяні пари, СО, СО2). Найбільш часто явище катафорезу спостерігається в лампах з ртутним наповненням. Основним газовим компонентом тут буде арго-неонова суміш К-4, а домішкою - ртутні пари. З теорії газового розряду відомо, що газ з меншим іонізаційним потенціалом виділяється в катода. Оскільки в нашому прикладі пари ртуті мають істотно більш низький потенціал іонізації, то саме вони і переміщаються в область катода, де в результаті спостерігається найбільша яскравість.
У неонових лампах (лампах, заповнених тільки неоном) катафорезу - велика рідкість і спостерігається, лише коли лампа недостатньо добре виготовлена, зокрема, якщо погано обезгажени і активовані електроди. У цьому випадку парціальний тиск молекулярних газів перевищує допустимий для неонових ламп значення в 10-3 Тор. Молекули домішкових газів пригнічують процес іонізації атомів неону і починають випромінювати світіння, по своєму спектру близьке світінню ртутної пари. При великих концентраціях домішок у лампі спостерігається «білявий» розряд. При невеликих перевищеннях порогового значення тиску домішок «білизна» зміщується в бік катода. Це і є катафорезу в неонових лампах, який помилково пояснюють «зартучіваніем» вакуумної системи откачного посту.
Газосветние лампи працюють на змінному струмі, катод і анод в них змінюються кожні полперіода, що, здавалося б, виключає появу катафорезу. Однак це не так.
По-перше, електроди можуть мати різну емісійну здатність або внаслідок заводського браку, або із-за поганої обробки на відкачної посаді. У цьому випадку амплітудні значення напруг на лампі в різні напівперіоди будуть не рівні за абсолютною величиною, що еквівалентно появи постійної складової напруги. Тоді молекули й атоми домішки, наприклад ртутні пари, придбають спрямований рух у бік того електрода, який більше катод. Ця ситуація характерна перш за все при використанні електромагнітних трансформаторів.
По-друге, сам трансформатор може мати постійної напруги, що характерно тільки для конвертерів. При цьому катафорезу провокується самим трансформатором. До речі, щоб переконатися у відсутності постійної складової, досить живити їм контрольну ртутну лампу і простежити за поведінкою цієї лампи протягом деякого часу. Чим більше час такого тестування, тим менше значення постійної складової можна виявити. По-третє, як зазначав у своїй статті Маркуса Тілена1, у звичайних трансформаторах іон ртуті за час напівперіоду може пройти шлях у 1,125 м, що можна порівняти з середньою довжиною ламп. Тому слабка несиметричність ламп мало впливає на перебіг катафорезу. Для електронних трансформаторів цей шлях складе 1,5 мм, що значно менше довжини ламп. У цьому випадку навіть мала несиметричність струму (постійна складова) призводить до накопичення цих елементарних рухів, і катафорезу досить швидко починає проявлятися. Прошу звернути увагу, що чим більша частота роботи конвертера, тим швидше може проявитися катафорезу. По-четверте, відсутність постійної складової на виході конвертера ще не гарантує відсутності міграції ртуті при наявності розвинених реактивних коливань, поява яких призводить до зниження потенціалу плазми, особливо поблизу катода. Механізм цього явища досить складний, тому обмежимося простою констатацією, що умови емісії електронів у присутності реактивних коливань можуть змінюватися. Але раніше ми з'ясували, що через нерівномірність струмів витоку по монтажних ємностей і нерівномірності випромінювання електромагнітних хвиль різними частинами контуру зниження емісії електродів у присутності реактивних коливань теж буде нерівномірним. Такий механізм «наведеної» несиметричності ламп, внаслідок якого міграція ртуті може спостерігатися в окремих лампах контуру навіть при абсолютно симетричному вихідній напрузі на виході конвертера. Як бачимо, найважливішою умовою відсутності цього явища стає максимальна симетричність електричного контуру в цілому.
Стратових коливання
Відомо, що плазма тліючого розряду нерівноважна. Однорідне стан позитивного стовпа такого розряду часто виявляється нестійким, випадкові збурення, що постійно виникають у цьому розряді, можуть катастрофічно наростати, і плазма при цьому переходить в інше, просторово неоднорідне стан. Таке неоднорідне стан часто спостерігається візуально у вигляді плазмових смуг, що чергуються з затемненнями. Це так званий стратифікованих розряд.
Механізми нестійкостей, що спричиняють виникнення страт, визначаються переважно іонізаційними процесами і залежать від довжини трубки, її форми (наявність поворотів, зворотних ходів, звужень і т.д.), а також параметрів газового середовища (тиск і рід газу). Наприклад, добре відомо, що страти рідко спостерігаються в сумішах. Тому в ртутному розряді страти збуджуються тільки в особливих умовах. Однак, беручи до уваги внутрішні причини, не можна не враховувати впливу параметрів зовнішнього контуру. Провокувати стратових коливання можуть електромагнітні наведення від сусідніх контурів і навіть від близько розташованих ламп того ж контура. Фізика таких коливань не менш складна, ніж фізика реактивних коливань. Тому в нашому аналізі ми постараємося виділити тільки ті закономірності, які необхідно враховувати в повсякденній роботі.
Стратових коливання мають звичайно дві кордону збудження - при низьких і високих струмах. Між цими пороговими значеннями страти відсутні. Межі порушення страт залежать від перерахованих параметрів. Так, при збільшенні довжини ламп область відсутності страт зменшується. Підвищення діаметра трубки, навпаки, призводить до її збільшення. Залежність від тиску більш складна і пов'язана з наявністю домішок. Для нас найбільш важливою є нижня межа виникнення страт. Тому не можна допускати перевантаження трансформаторів. У разі застосування конвертерів завдання ще більше ускладнюється. Як відомо, при певних умовах в електричному контурі виникають локальні області, де струми, що протікають через лампи, менше нижнього порогу збудження страт. Якщо в цих частинах контуру розташовані лампи, схильні до утворення страт (довгі, вигнуті, малого діаметра), то страти виникнуть обов'язково. До речі, простим збільшенням напруги холостого ходу трансформатора такі коливання далеко не завжди вдається виключити, оскільки з підвищенням напруги може рости і неоднорідність контуру. І знову ми змушені констатувати, що умовою відсутності стратових коливань слід вважати симетричність всього електричного контуру, яка досягається ретельним підбором ламп по довжині, діаметру і конфігурації.
Крім світлових спотворень, страти здатні провокувати та інші негативні явища. Приміром, стратифікованих розряд характеризується зростанням катодного падіння потенціалу, що часто призводить до передчасного розпорошення активного шару електродів. Крім того, в областях пучності стратових коливань спостерігається підвищений градієнт радіальної складової електричного поля, що сприяє локальної деградації люмінофорного шару. У результаті спостерігається нерівномірна яскравість світіння трубки. Оскільки стратових хвилі виникають переважно в неонових лампах, в яких відсутня ртуть, то для боротьби з цим явищем можуть бути використані конвертери з постійної напруги. При цьому максимально зростає безстратовая область. Подібні трансформатори пропонуються поруч фірм, однак використовуються вкрай рідко, тому що лише деякі фахівці знайомі з фізичними закономірностями виникнення стратових хвиль.
Заходи стабілізації
Тепер, коли описані основні процеси, які протікають в електричному контурі, досить легко зрозуміти сенс численних інструкцій фірм, що виготовляють електронні трансформатори. В основному вони стосуються особливостей експлуатації тієї чи іншої моделі конвертера, а також технології проведення монтажних робіт. Рідше зустрічаються рекомендації, пов'язані з конструкції світлових елементів і прогнозування безвідмовної роботи світловий установки. Більшість рад носять універсальний характер і спрямовані на зниження впливу ефектів, описаних вище. До цієї групи відносяться рекомендацій заходи щодо зниження паразитних монтажних ємностей, оскільки в цьому випадку нижній поріг реактивних і стратових коливань зміщується в бік менших струмів, і значення струмів в світлових елементах вирівнюються. Витоки, пов'язані з ємностями і зовнішнім випромінюванням, мінімізуються, що призводить до симетричності світлових елементів і, отже, відсутності міграції ртуті. Для вирішення цих завдань піддають регламентації відстані між високовольтними дротами, між лампами, а також відстані частин світлового контуру щодо струмопровідних елементів металоконструкції. Ці рекомендації носять емпіричний характер і сильно відрізняються один від одного. Але в середньому рекомендовані відстані лежать в діапазоні 2-2,5 см. Найбільш цікаві оцінки цих конструктивних параметрів, запропоновані фахівцями неонового заводу «Яскраво», включають залежність від напруги холостого ходу трансформатора, наприклад, наступним чином: L = 9 + 4, 5 Ч U, де L - геометричний параметр, вимірюваний в мм, U - напруга холостого ходу, яка вимірюється в кВ. Неважко помітити, що при високих значеннях напруги холостого ходу оцінка L буде істотно відрізнятися від 2-2,5 см.
Блок вимог, пов'язаних з конструктивними параметрами самих ламп, у більшості інструкцій або відсутня взагалі, або присутня фрагментарно. Так, не рекомендується використовувати довгі і сильно вигнуті лампи (великої шрифт). Ми знаємо тепер, що ртутні лампи такій конфігурації схильні до катафорезу, особливо якщо вони розташовані в середині світлової лінії, а в неонових лампах виникає небезпека стратових коливань через зближення верхньої та нижньої меж порогів цих коливань. Слід зазначити, що саме такі газосветние лампи складної конфігурації найчастіше застосовуються в інтер'єрних і вітринних вивісках спільно з конвертерами.
Залежність від діаметру в інструкціях присутня лише в неявній формі (таблиці розрахунку світлових ліній). Для підвищення однорідності світіння контуру слід, на мій погляд, уникати використання в одній світлової лінії ламп різного діаметру і заповнених різними газами, а також великий розкид ламп по довжині. Бажано також обмежити застосування ламп з близьким розташуванням електродів. Існують рекомендації приватного характеру. До них відносяться: інтер'єрна або вуличне виконання трансформаторів; рекомендація про збільшення тиску газу (особливо в довгих трубках) для зниження порогів початку реактивних і стратових коливань; заземлення елементів конструкції (міра електробезпеки); обмеження на близьке розташування сусідніх електричних контурів.
У даній статті пропонувалися й інші інструкції, які носять не регламентує, а скоріше технологічний характер. Оскільки до виготовлення установки неможливо передбачити всі можливі труднощі, то слід рекомендувати проведення наступних технологічних заходів: попередній відбір конвертерів на наявність постійної складової (тривала тренування з використанням ртутної контрольної лампи); Симетрування світлового контура у виробничих умовах, наприклад, із застосуванням неонового пробника або інших більш складних приладів (підбір трансформаторів, прокладання дроту і т.д.); тривалий випробування світлового контура у виробничих умовах на предмет виникнення різних світлових дефектів. Окремо слід зупинитися на проблемі розрахунку світлових ліній для електронних трансформаторів. Практика лабораторних досліджень показує, що вже при навантаженні, що становить 60-70% від рекомендованої, в багатьох електронних трансформаторах спостерігаються реактивні коливання. При великих навантаженнях починає проявлятися нерівномірність випромінювання електричного контуру, а також виникають перекручування світлових характеристик. У ламп, найбільш віддалених від конвертера, знижується яскравість світіння, а деякі лампи виявляють початкові симптоми катафорезу. У вуличних умовах ці показники поганої роботи можуть спостерігатися при тих же і навіть менших навантаженнях. Звідси випливає практичний висновок про те, що не можна рекомендувати використовувати конвертери для роботи на довгі лінії, особливо на вулиці.
Апологія конвертерів
Зазначені у статті рекомендації та комплекс технологічних заходів дозволяють сподіватися на забезпечення нормальної роботи газосвітних ламп з електронними трансформаторами як в інтер'єрних, так і у вуличних установках.
Труднощі, що виникають при роботі в подібних установках, - не ознака ущербності самих трансформаторів, а скоріше міра нашого нерозуміння тих складних процесів, які протікають в газосвітних лампах і в усьому електричному контурі.
Оскільки ці процеси в розрядній плазмі носять яскраво виражений нелінійний характер, то передбачити, при яких умовах будуть спостерігатися ті чи інші явища (реактивні коливання, страти, міграція ртуті), практично неможливо. Тому табличні розрахунки слід замінювати практичними рекомендаціями та попередніми випробуваннями (у виробничих умовах) світлового контуру.
Список літератури
Вивіски № 7 (85), ЛИПЕНЬ, 2007 р.