Введение

Газоразрядная лампа, использующая электрические и магнитные поля для передачи энергии газу внутри. Индукционная лампа, лампа без электродов или электробесконтактная лампа – это газоразрядная лампа, в которой электрическое или магнитное поле передает энергию, необходимую для генерации света, от внешних источников к газу внутри лампы. Это отличается от обычной газоразрядной лампы, использующей внутренние электроды, соединенные с источником питания проводниками, проходящими через колбу лампы. Исключение внутренних электродов дает два преимущества: увеличенный срок службы лампы (внутренние электроды являются основным фактором, ограничивающим срок службы лампы, поскольку их металлический состав распыляется на концы лампы при каждом включении) и возможность использования более эффективных светоизлучающих веществ, которые вступали бы в реакцию с внутренними металлическими электродами в традиционных люминесцентных лампах. Существуют две распространенные системы: плазменные лампы, в которых микроволны или радиоволны возбуждают колбу, заполненную парами серы или металлических галогенидов, и люминесцентные индукционные лампы, которые по принципу работы схожи с обычной люминесцентной лампой, в которой ток индуцируется внешней или внутренней катушкой проволоки посредством электромагнитной индукции.

История

В 1882 году Филипп Диль (изобретатель) получил патент на индукционную лампу накаливания. Никола Тесла продемонстрировал беспроводную передачу энергии к лампам без электродов в своих лекциях и статьях в 1890-х годах, а затем запатентовал систему распределения света и энергии, основанную на этих принципах. В 1967 и 1968 годах Джон Андерсон из General Electric подавал заявки на патенты на лампы без электродов. В 1971 году Fusion UV Systems установила 300-ваттную бесэлектродную микроволновую плазменную УФ-лампу на производственную линию Coors. Philips представила свои QL индукционные системы освещения, работающие на частоте 2,65 МГц, в 1990 году в Европе и в 1992 году в США. В 1992 году компания Matsushita предлагала индукционные системы освещения. Intersource Technologies также объявила о подобной в 1992 году, под названием лампа E. Работающая на частоте 13,6 МГц, она стала доступна на рынке США в 1993 году. В 1990 году Майкл Ури, Чарльз Вуд и их коллеги сформулировали концепцию серной лампы. При поддержке Министерства энергетики США она была доработана в 1994 году компанией Fusion Lighting из Роквилла, штат Мэриленд, как подразделение Fusion UV корпорации Fusion Systems Corporation. Её истоки – в источниках микроволнового излучения, используемых для ультрафиолетового отверждения в полупроводниковой и полиграфической промышленности. С 1994 года General Electric производит свою индукционную лампу Genura со встроенным высокочастотным драйвером, работающим на частоте 2,65 МГц. В 1996 году Osram начала продавать свою индукционную световую систему Endura, работающую на частоте 250 кГц. В США она доступна под названием Sylvania Icetron. В 1997 году PQL Lighting представила в США индукционные системы освещения Superior Life Brand. Большинство индукционных систем освещения рассчитаны на 100 000 часов работы до необходимости полной замены компонентов. В 2005 году Amko Solara на Тайване представила индукционные лампы с возможностью диммирования и управления по протоколу IP (Internet Protocol). Их лампы имеют диапазон мощности от 12 до 400 Вт и работают на частоте 250 кГц. С 1995 года бывшие дистрибьюторы Fusion, Jenton / Jenact, развивали идею о том, что возбужденные излучающие УФ-плазмы действуют как диэлектрические проводники, что позволило создать ряд патентов на бесэлектродные УФ-лампы для стерилизации и дезинфекции. Около 2000 года была разработана система, которая концентрировала радиочастотные волны в твердый диэлектрический волновод из керамики, который возбуждал светоизлучающую плазму в лампе, расположенной внутри. Эта система впервые позволила создать чрезвычайно яркую и компактную бесэлектродную лампу. Изобретение стало предметом споров. Претензии на него выдвигали Фредерик Эспио (в то время работавший в Luxim, а ныне в Topanga Technologies), Чандрашекхар Джоши и Ян Чанг, но они были оспорены компанией Ceravision Limited. Ряд ключевых патентов был передан компании Ceravision. В 2006 году Luxim представила лампу для проекторов под торговой маркой LIFI. Компания расширила технологию, разработав источники света для приборов, развлечений, уличного, общего и архитектурного освещения и других областей применения в 2007 и 2008 годах. В 2009 году Ceravision Limited представила первую высокоэффективную плазменную (HEP) лампу под торговой маркой Alvara. Эта лампа заменила непрозрачный керамический волновод в более ранних лампах на оптически прозрачный кварцевый волновод, что повысило эффективность. В предыдущих лампах горелка, или лампочка, была очень эффективной, но непрозрачный керамический волновод значительно препятствовал проецированию света. Кварцевый волновод пропускает весь свет от плазмы. В 2012 году Topanga Technologies представила линейку передовых плазменных ламп (APL) с твердотельным радиочастотным (RF) драйвером, что позволило избежать ограниченного срока службы драйверов на основе магнитронов. Системная мощность составляла 127 и 230 вольт, а эффективность системы – 96 и 87 люмен/ватт при CRI около 70. Несколько компаний лицензировали эту технологию, и она стала жизнеспособным энергосберегающим решением для модернизации освещения до появления светодиодного освещения с достижимой эффективностью. Она широко использовалась в дорожном и высотном освещении по всему миру, заменяя металлогалогенные и натриевые лампы высокого давления мощностью 400, 750 и 1000 ватт. Решение с плазмой светоизлучения (LEP) было отличным, поскольку предлагало гораздо более высокую плотность светового потока, чем его HID-аналоги, примерно на 50% снижение энергопотребления и могло достигать полной интенсивности примерно за 45-60 секунд как при холодном, так и при горячем пуске, в отличие от своих предшественников HID.

Плазменные лампы

Плазменные лампы – это семейство источников света, генерирующих свет путем возбуждения плазмы внутри закрытого прозрачного разрядника или лампы с использованием радиочастотной (РЧ) энергии. Обычно в таких лампах используется благородный газ или смесь этих газов с дополнительными материалами, такими как галогениды металлов, натрий, ртуть или сера. Волновод используется для ограничения и фокусировки электрического поля в плазме. В процессе работы газ ионизируется, и свободные электроны, ускоренные электрическим полем, сталкиваются с атомами газа и металла. Некоторые электроны, вращающиеся вокруг атомов газа и металла, возбуждаются в результате этих столкновений, переходя в более высокое энергетическое состояние. Когда электрон возвращается в исходное состояние, он излучает фотон, что приводит к появлению видимого света или ультрафиолетового излучения, в зависимости от состава газовой смеси. Первой плазменной лампой была ультрафиолетовая лампа с колбой, заполненной аргоном и парами ртути, разработанная компанией Fusion UV. Эта лампа привела Fusion Systems к разработке серной лампы, которая концентрирует микроволны через полый волновод для облучения колбы, заполненной аргоном и серой. В прошлом магнитрон, генерирующий микроволны, ограничивал надежность беэлектродных ламп. Твердотельная генерация РЧ-энергии работает и обеспечивает долгий срок службы. Однако использование твердотельных чипов для генерации РЧ-энергии в настоящее время примерно в пятьдесят раз дороже, чем использование магнитрона, и поэтому целесообразно только для нишевых осветительных решений с высокой добавленной стоимостью. Шведская компания Dipolar показала, что срок службы магнетронов можно значительно продлить – до более чем 40 000 часов, что делает возможным создание недорогих плазменных ламп. В настоящее время плазменные лампы производятся компаниями Ceravision и Luxim, а также разрабатываются компанией Topanga Technologies. Ceravision представила комбинированную лампу и светильник под торговым названием Alvara для использования в системах освещения высоких пролетов и уличного освещения. В нем используется оптически прозрачный кварцевый волновод с интегрированным разрядником, благодаря чему весь свет от плазмы проходит через него. Небольшой размер источника также позволяет светильнику использовать более 90% доступного света по сравнению с 55% для типичных светильников на основе HID-технологий. Ceravision заявляет о самом высоком рейтинге эффективности светильника (LER) среди всех осветительных приборов на рынке и утверждает, что создала первую плазменную лампу высокой эффективности (HEP). Ceravision использует магнитрон для генерации необходимой РЧ-мощности и заявляет о сроке службы в 20 000 часов. Лампа Luxim LIFI заявляет о 120 люменах на РЧ-ватт (т.е. без учета электрических потерь). Эта лампа использовалась в движущемся световом приборе ROBIN 300 Plasma Spot от Robe lighting, а также в линейке телевизоров Panasonic с задней проекцией, производство которых было прекращено.

Магнитные лампы индукции

Помимо способа ввода энергии в ртутные пары, эти лампы очень похожи на обычные люминесцентные лампы. Ртутные пары в разрядном сосуде электрически возбуждаются для создания ультрафиолетового света коротких волн, который затем возбуждает внутренние люминофоры, производя видимый свет. Хотя эти лампы пока относительно малоизвестны публике, они доступны с 1990 года. В отличие от ламп накаливания или обычных люминесцентных ламп, внутри стеклянной колбы нет электрического соединения; энергия передается через стеклянную оболочку исключительно электромагнитной индукцией. Существует два основных типа магнитных индукционных ламп: лампы с внешним сердечником и лампы с внутренним сердечником. Первой коммерчески доступной и до сих пор широко используемой формой индукционной лампы является тип с внутренним сердечником. Тип с внешним сердечником, который был коммерциализирован позже, имеет более широкий спектр применения и доступен в круглых, прямоугольных и "оливковидных" форм-факторах. Лампы с внешним сердечником по сути являются люминесцентными лампами с магнитными сердечниками, обернутыми вокруг части разрядной трубки. Сердечник обычно изготавливается из феррита – керамического материала, содержащего оксид железа и другие металлы. В лампах с внешним сердечником высокочастотная энергия от специального источника питания проходит через провода, обмотанные катушкой вокруг тороидального ферритового сердечника, расположенного снаружи части стеклянной трубки. Это создает высокочастотное магнитное поле внутри ферритового сердечника. Поскольку магнитная проницаемость феррита в сотни или тысячи раз выше, чем у окружающего воздуха или стекла, а ферритовый сердечник обеспечивает замкнутый путь для магнитного поля, практически все магнитное поле сосредоточено в ферритовом сердечнике. В соответствии с законом индукции Фарадея, изменяющееся во времени магнитное поле в сердечнике генерирует изменяющееся во времени электрическое напряжение в любом замкнутом контуре, охватывающем это магнитное поле. Разрядная трубка образует один из таких замкнутых контуров вокруг ферритового сердечника, и таким образом изменяющееся во времени магнитное поле в сердечнике генерирует изменяющееся во времени электрическое поле в разрядной трубке. Нет необходимости, чтобы магнитное поле проникало в разрядную трубку. Электрическое поле, генерируемое изменяющимся во времени магнитным полем, инициирует ртутный газовый разряд так же, как разряд инициируется электрическим полем в обычной люминесцентной лампе. Первичная обмотка на ферритовом сердечнике, сердечник и разряд образуют трансформатор, где разряд является однооборотной вторичной обмоткой этого трансформатора. Разрядная трубка содержит низкое давление инертного газа, такого как аргон, и ртутных паров. Атомы ртути обеспечиваются каплей жидкой ртути или полутвердой амальгамой ртути и других металлов, таких как висмут, свинец или олово. Часть жидкой ртути или ртути в амальгаме испаряется, образуя ртутный пар. Электрическое поле ионизирует некоторые атомы ртути, создавая свободные электроны, а затем ускоряет эти электроны. При столкновении свободных электронов с атомами ртути некоторые из этих атомов поглощают энергию от электронов и "возбуждаются" до более высоких энергетических уровней. После небольшой задержки возбужденные атомы ртути спонтанно возвращаются в свое первоначальное, более низкое энергетическое состояние и излучают ультрафиолетовый фотон с избыточной энергией. Как и в обычной люминесцентной лампе, ультрафиолетовый фотон распространяется через газ к внутренней поверхности внешней колбы и поглощается люминофорным покрытием, передавая ему свою энергию. Когда люминофор возвращается в свое первоначальное, более низкое энергетическое состояние, он излучает видимый свет. Таким образом, ультрафиолетовый фотон преобразуется в видимый свет люминофорным покрытием внутри трубки. Стеклянные стенки лампы предотвращают излучение ультрафиолетовых фотонов, поскольку обычное стекло блокирует ультрафиолетовое излучение на длинах волн 253,7 нм и короче. В конструкции с внутренним сердечником (см. схему) стеклянная трубка (B) выступает из нижней части разрядного сосуда (A), образуя реэнтрантную полость. Эта трубка содержит антенну, называемую силовым согласующим устройством, состоящую из катушки, намотанной на цилиндрический ферритовый сердечник. Катушка и феррит образуют индуктор, который вводит энергию во внутреннюю часть лампы. Катушки антенны получают электрическую мощность от электронного высокочастотного драйвера (C), который генерирует высокочастотный сигнал. Точная частота варьируется в зависимости от конструкции лампы, но типичные значения включают 13,6 МГц, 2,65 МГц и 250 кГц. Специальная резонансная схема в драйвере создает начальное высокое напряжение на катушке для запуска газового разряда; после этого напряжение снижается до нормального рабочего уровня. Систему можно рассматривать как тип трансформатора, где силовое согласующее устройство (индуктор) образует первичную обмотку, а газоразрядная дуга в колбе – однооборотную вторичную обмотку и нагрузку трансформатора. Драйвер подключается к сети переменного тока и обычно рассчитан на работу от напряжения от 100 до 277 В переменного тока с частотой 50 или 60 Гц, или от напряжения от 100 до 400 В постоянного тока для систем аварийного освещения, работающих от аккумуляторов. Многие драйверы доступны в моделях низкого напряжения, поэтому их также можно подключать к источникам постоянного тока, таким как аккумуляторы, для аварийного освещения или для использования с системами, работающими от возобновляемых источников энергии (солнечной и ветровой). В других обычных газоразрядных лампах электроды являются частью с наименьшим сроком службы, что серьезно ограничивает срок службы лампы. Поскольку индукционная лампа не имеет электродов, она может иметь более длительный срок службы. Для индукционных систем с отдельным драйвером срок службы может достигать 100 000 часов, что составляет 11,4 года непрерывной работы. Для индукционных ламп со встроенными драйверами срок службы составляет от 15 000 до 50 000 часов. Для достижения такого длительного срока службы драйверу требуются высококачественные электронные схемы. Такие лампы обычно используются в коммерческих или промышленных приложениях. Как правило, эксплуатационные и затраты на техническое обслуживание ниже в системах индукционного освещения благодаря их среднему отраслевому сроку службы в 100 000 часов и пяти-десятилетней гарантии.

Недостатки

Некоторые внутренние индукционные лампы, использующие высокочастотные драйверы, могут создавать радиочастотные помехи (РЧП), которые могут мешать радиосвязи. Более новые внешние индукционные лампы используют низкочастотные драйверы, которые обычно сертифицированы FCC или другими организациями, что свидетельствует об их соответствии требованиям по подавлению РЧП. Некоторые типы индукционных ламп содержат ртуть, которая является высокотоксичной при попадании в окружающую среду.