Индукционная лампа , безэлектродная лампа или безэлектродная индукционная лампа представляет собой газоразрядную лампу, в которой электрическое или магнитное поле передает мощность, необходимую для генерации света, снаружи колбы лампы к газу внутри. В этом отличие от типичной газоразрядной лампы, в которой используются внутренние электроды , подключенные к источнику питания с помощью проводников, проходящих через колбу лампы. Отсутствие внутренних электродов дает два преимущества:
Распространены две системы: плазменные лампы , в которых микроволны или радиоволны питают лампу, заполненную парами серы или галогенидами металлов , и люминесцентные индукционные лампы, которые похожи на обычную колбу люминесцентной лампы , которая индуцирует ток с помощью внешней или внутренней катушки провод посредством электромагнитной индукции .
В 1882 году Филип Диль (изобретатель) получил патент на разновидность индукционной лампы накаливания. [1]
Никола Тесла продемонстрировал беспроводную передачу энергии на безэлектродные лампы в своих лекциях и статьях в 1890-х годах и впоследствии запатентовал систему распределения света и мощности на этих принципах. [2]
В 1967 и 1968 годах Джон Андерсон [3] из General Electric [4] [5] подал заявку на патенты на безэлектродные лампы. В 1971 году компания Fusion UV Systems установила безэлектродную микроволновую плазменную УФ- лампу мощностью 300 Вт на линию по производству банок Coors . [6] Philips представила свои системы индукционного освещения QL , работающие на частоте 2,65 МГц, в 1990 году в Европе и в 1992 году в США. В 1992 году компания Matsushita представила системы индукционного освещения. В 1992 году компания Intersource Technologies также анонсировала одну из них, получившую название E-lamp . Работая на частоте 13,6 МГц, он был доступен на рынке США в 1993 году.
В 1990 году Майкл Юри, Чарльз Вуд и коллеги сформулировали концепцию серной лампы . При поддержке Министерства энергетики США он был доработан в 1994 году компанией Fusion Lighting из Роквилля, штат Мэриленд, дочерней компанией подразделения Fusion UV корпорации Fusion Systems. Его происхождение связано с источниками микроволнового разряда, используемыми для отверждения ультрафиолетом в полупроводниковой и полиграфической промышленности.
С 1994 года компания General Electric выпускает свою индукционную лампу Genura со встроенным высокочастотным драйвером , работающим на частоте 2,65 МГц. В 1996 году Osram начала продавать свою систему индукционного освещения Endura , работающую на частоте 250 кГц. Он доступен в США как Sylvania Icetron . В 1997 году компания PQL Lighting представила в США системы индукционного освещения Superior Life Brand . Большинство систем индукционного освещения рассчитаны на 100 000 часов использования, прежде чем потребуется полная замена компонентов.
В 2005 году компания Amko Solara на Тайване представила индукционные лампы с возможностью регулирования яркости и управления на основе IP (Интернет-протокола). Их лампы имеют диапазон мощности от 12 до 400 Вт и работают на частоте 250 кГц.
С 1995 года бывшие дистрибьюторы Fusion, Jenton/Jenact, расширили информацию о том, что плазма, излучающая УФ-излучение, действует как проводники с потерями, создав ряд патентов, касающихся безэлектродных УФ-ламп для стерилизации и бактерицидного использования.
Примерно в 2000 году была разработана система, которая концентрировала радиочастотные волны в твердодиэлектрическом волноводе из керамики, который подавал энергию в светоизлучающую плазму в лампе, расположенной внутри. Эта система впервые позволила создать чрезвычайно яркую и компактную безэлектродную лампу. Изобретение стало предметом споров. Эти претензии, заявленные Фредериком Эспио (тогда из Luxim , теперь из Topanga Technologies), Чандрашекхаром Джоши и Ян Чангом, были оспорены Ceravision Limited. [7] Ряд основных патентов был передан компании Ceravision. [8] [9]
В 2006 году Luxim представила лампу для проектора под торговой маркой LIFI. В течение 2007 и 2008 годов компания еще больше расширила эту технологию, выпустив источники света для приборов, развлечений, улиц, территорий и архитектурного освещения .
В 2009 году компания Ceravision Limited представила первую высокоэффективную плазменную (HEP) лампу под торговой маркой Alvara. Эта лампа заменяет непрозрачный керамический волновод в более ранних лампах на оптически чистый кварцевый волновод, что повышает эффективность. В предыдущих лампах горелка или колба была очень эффективной, но непрозрачный керамический волновод серьезно затруднял проекцию света. Кварцевый волновод пропускает весь свет плазмы.
В 2012 году компания Topanga Technologies представила линейку усовершенствованных плазменных ламп (APL), управляемых твердотельным радиочастотным (RF) драйвером , [10] тем самым обойдя ограниченный срок службы драйверов на основе магнетрона с системным напряжением 127 и 230 вольт. и эффективность системы 96 и 87 люмен /ватт с индексом цветопередачи около 70.
Несколько компаний лицензировали эту технологию, и она стала жизнеспособным энергосберегающим решением для модернизации и модернизации освещения до того, как светодиодное освещение достигло приемлемой точки эффективности. Он широко использовался на дорогах и на высоких мачтах по всему миру, заменяя металлогалогенные лампы мощностью 400, 750 и 1000 Вт и натриевые системы высокого давления. Решение со светоизлучающей плазмой (LEP) было отличным, поскольку оно обеспечивало гораздо более высокую плотность люмен, чем его аналоги HID, примерно на 50% снижение мощности и могло достигать полной интенсивности примерно через 45-60 секунд как при холодном, так и при горячем ударе, в отличие от его решения. Предшественники HID.
Плазменные лампы — это семейство источников света, которые генерируют свет путем возбуждения плазмы внутри закрытой прозрачной горелки или колбы с использованием радиочастотной (РЧ) энергии. Обычно в таких лампах используется благородный газ или смесь этих газов и дополнительных материалов, таких 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, ускоряемые электрическим полем , сталкиваются с газом и атомами металла. Некоторые электроны, кружащиеся вокруг атомов газа и металла, возбуждаются в результате этих столкновений, переводя их в более высокое энергетическое состояние. Когда электрон возвращается в исходное состояние, он испускает фотон , что приводит к видимому свету или ультрафиолетовому излучению в зависимости от материалов наполнителя.
Первой плазменной лампой была лампа ультрафиолетового отверждения с колбой, наполненной аргоном и парами ртути, разработанная Fusion UV. Эта лампа побудила Fusion Systems разработать серную лампу , которая концентрирует микроволны через полый волновод для бомбардировки колбы, наполненной аргоном и серой.
В прошлом магнетрон , генерирующий микроволны, ограничивал надежность безэлектродных ламп. Твердотельное радиочастотное поколение работает и обеспечивает долгий срок службы. Однако использование твердотельных чипов для генерации радиочастот в настоящее время примерно в пятьдесят раз дороже, чем использование магнетрона, и поэтому подходит только для дорогостоящих ниш освещения. Компания Dipolar из Швеции показала, что можно значительно продлить срок службы магнетронов [ необходимы разъяснения ] до более чем 40 000 часов [12], что делает возможным создание недорогих плазменных ламп. Плазменные лампы в настоящее время производятся Ceravision и Luxim и разрабатываются Topanga Technologies.
Компания Ceravision представила комбинированную лампу и светильник под торговой маркой Alvara для использования в системах освещения высоких пролетов и улиц. В нем используется оптически прозрачный кварцевый волновод со встроенной горелкой, поэтому весь свет плазмы проходит сквозь него. Небольшой источник также позволяет светильнику использовать более 90% доступного света по сравнению с 55% для типичных светильников HID. Компания Ceravision заявляет о самом высоком рейтинге эффективности светильника (LER) [13] среди всех осветительных приборов на рынке, а также о создании первой высокоэффективной плазменной лампы (HEP). Ceravision использует магнетрон для генерации необходимой радиочастотной мощности и заявляет о сроке службы 20 000 часов.
Лампа LIFI от Luxim заявлена на уровне 120 люмен на ВЧ-ватт (т.е. без учета электрических потерь). [14] Лампа использовалась в поворотном головном светильнике ROBIN 300 Plasma Spot от Robe Lighting . [15] Он также использовался в линейке телевизоров обратной проекции Panasonic , производство которых сейчас прекращено. [16]
Помимо метода передачи энергии парам ртути , эти лампы очень похожи на обычные люминесцентные лампы . Пары ртути в разрядном сосуде подвергаются электрическому возбуждению и производят коротковолновый ультрафиолетовый свет, который затем возбуждает внутренние люминофоры для получения видимого света. Хотя эти лампы все еще относительно неизвестны 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 колбу исключительно за счет электромагнитной индукции . Существует два основных типа ламп с магнитной индукцией: лампы с внешним сердечником и лампы с внутренним сердечником. Первой коммерчески доступной и до сих пор широко используемой формой индукционной лампы является лампа с внутренним сердечником. Тип внешнего сердечника, который был коммерциализирован позже, имеет более широкий спектр применения и доступен в форм-факторах круглой, прямоугольной и «оливковой» формы.
Лампы с внешним сердечником представляют собой, по сути, люминесцентные лампы с магнитными сердечниками, обернутыми вокруг части газоразрядной 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 по проводам, которые намотаны в виде катушки вокруг тороидального ферритового сердечника , расположенного вокруг внешней 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, ферритовый сердечник содержит практически все магнитное поле.
Следуя закону индукции Фарадея , изменяющееся во времени магнитное поле в сердечнике генерирует изменяющееся во времени электрическое напряжение на любом замкнутом пути, охватывающем изменяющееся во времени магнитное поле. Разрядная трубка образует один из таких замкнутых путей вокруг ферритового сердечника, и таким образом изменяющееся во времени магнитное поле в сердечнике генерирует изменяющееся во времени электрическое поле в газоразрядной трубке. Магнитному полю нет необходимости проникать в разрядную трубку. Электрическое поле, создаваемое изменяющимся во времени магнитным полем, приводит в движение разряд редкотуртутного газа так же, как разряд возбуждается электрическим полем в обычной люминесцентной лампе. Первичная обмотка на ферритовом сердечнике, сердечник и разряд образуют трансформатор , причем разряд представляет собой одновитковую вторичную обмотку этого трансформатора.
В разрядной трубке находится инертный газ низкого давления, такой как аргон и пары ртути . Атомы ртути состоят из капли жидкой ртути или полутвердой амальгамы ртути и других металлов, таких как висмут , свинец или олово . Некоторая часть жидкой ртути или ртути в амальгаме испаряется, образуя пары ртути. Электрическое поле ионизирует некоторые атомы ртути, образуя свободные электроны, а затем ускоряет эти свободные электроны. Когда свободные электроны сталкиваются с атомами ртути, некоторые из этих атомов поглощают энергию электронов и «возбуждаются» на более высокие энергетические уровни. После небольшой задержки возбужденные атомы ртути самопроизвольно релаксируют в исходное состояние с более низкой энергией и испускают УФ- фотон с избыточной энергией. Как и в обычной люминесцентной лампе , УФ-фотон диффундирует через газ внутрь внешней колбы и поглощается люминофором, покрывающим эту поверхность, передавая свою энергию люминофору. Когда люминофор затем возвращается в исходное состояние с более низкой энергией, он излучает видимый свет. Таким образом, УФ-фотон преобразуется в видимый свет с помощью люминофорного покрытия внутри трубки. Стеклянные стенки лампы предотвращают излучение УФ-фотонов, поскольку обычное стекло блокирует УФ-излучение с длиной волны 253,7 нм и более короткими длинами волн.
Во внутренней форме сердечника (см. диаграмму) стеклянная трубка (B) выступает в направлении колбы от дна разрядного сосуда (A), образуя входную полость. Эта трубка содержит антенну , называемую силовым соединителем , которая состоит из катушки , намотанной на цилиндрический ферритовый сердечник . Катушка и феррит образуют индуктор, который передает энергию внутрь лампы.
Антенные катушки получают электроэнергию от электронного высокочастотного драйвера (C), который генерирует высокую частоту . Точная частота зависит от конструкции лампы, но популярные примеры включают 13,6 МГц , 2,65 МГц и 250 кГц. Специальный резонансный контур 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 , в котором силовая связь (индуктор) образует первичную катушку, а газоразрядная дуга в колбе образует одновитковую вторичную катушку и нагрузку трансформатора. Драйвер подключается к электросети 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 с батарейным питанием . Многие драйверы доступны в моделях с низким напряжением, поэтому их также можно подключать к источникам напряжения постоянного тока , таким как батареи , для аварийного освещения или для использования в системах, работающих на возобновляемых источниках энергии ( солнечной и ветровой ).
В других обычных газоразрядных лампах электроды имеют самый короткий срок службы, что серьезно ограничивает срок службы лампы. Поскольку индукционная лампа не имеет электродов, она может иметь более длительный срок службы. Для систем индукционных ламп с отдельным драйвером срок службы может достигать 100 000 часов, что составляет 11,4 года непрерывной работы. Срок службы индукционных ламп со встроенными драйверами составляет от 15 000 до 50 000 часов. Для достижения такого длительного срока службы драйверу необходимы чрезвычайно качественные электронные схемы . Такие лампы обычно используются в коммерческих или промышленных целях. Обычно затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание систем индукционного освещения значительно ниже благодаря их среднему по отрасли жизненному циклу в 100 000 часов и гарантии от пяти до десяти лет.
