Индукционная лампа , безэлектродная лампа или безэлектродная индукционная лампа — это газоразрядная лампа , в которой электрическое или магнитное поле переносит мощность, необходимую для генерации света, извне колбы лампы в газ внутри. Это отличается от типичной газоразрядной лампы, которая использует внутренние электроды, подключенные к источнику питания проводниками, проходящими через колбу лампы. Устранение внутренних электродов дает два преимущества:
Распространены две системы: плазменные лампы , в которых микроволны или радиоволны питают колбу, заполненную парами серы или галогенидами металлов , и люминесцентные индукционные лампы, которые похожи на обычную люминесцентную лампу , которая индуцирует ток с помощью внешней или внутренней катушки провода посредством электромагнитной индукции .
В 1882 году Филипп Диль (изобретатель) получил патент на разновидность индукционной лампы накаливания. [1]
Никола Тесла продемонстрировал беспроводную передачу энергии безэлектродным лампам в своих лекциях и статьях в 1890-х годах, а затем запатентовал систему распределения света и энергии на этих принципах. [2]
В 1967 и 1968 годах Джон Андерсон [3] из General Electric [4] [5] подал заявки на патенты на безэлектродные лампы. В 1971 году Fusion UV Systems установила 300- ваттную безэлектродную плазменную микроволновую УФ- лампу на производственной линии банок Coors . [6] Philips представила свои индукционные системы освещения QL , работающие на частоте 2,65 МГц, в 1990 году в Европе и в 1992 году в США. Matsushita выпустила индукционные системы освещения в 1992 году. Intersource Technologies также анонсировала одну в 1992 году, названную E-lamp . Работающая на частоте 13,6 МГц, она была доступна на рынке США в 1993 году.
В 1990 году Майкл Юри, Чарльз Вуд и коллеги сформулировали концепцию серной лампы . При поддержке Министерства энергетики США она была доработана в 1994 году компанией Fusion Lighting из Роквилла, штат Мэриленд, ответвлением подразделения Fusion UV корпорации Fusion Systems. Ее истоки лежат в микроволновых разрядных источниках света, используемых для ультрафиолетового отверждения в полупроводниковой и полиграфической промышленности.
С 1994 года компания General Electric выпускает индукционные лампы Genura со встроенным высокочастотным драйвером , работающим на частоте 2,65 МГц. В 1996 году компания Osram начала продавать индукционную систему освещения Endura , работающую на частоте 250 кГц. В США она доступна как Sylvania Icetron . В 1997 году компания PQL Lighting представила в США индукционные системы освещения Superior Life Brand . Большинство индукционных систем освещения рассчитаны на 100 000 часов работы, прежде чем потребуется полная замена компонентов.
В 2005 году компания Amko Solara в Тайване представила индукционные лампы, которые могут диммироваться и использовать управление на основе IP (интернет-протокола). Их лампы имеют диапазон от 12 до 400 Вт и работают на частоте 250 кГц.
С 1995 года бывшие дистрибьюторы Fusion, Jenton / Jenact, расширили представление о том, что возбужденная плазма, излучающая УФ-излучение, действует как проводники с потерями, и создали ряд патентов на безэлектродные УФ-лампы для стерилизации и бактерицидных целей.
Около 2000 года была разработана система, которая концентрировала радиочастотные волны в сплошной диэлектрический волновод из керамики, который возбуждал светоизлучающую плазму в колбе, расположенной внутри. Эта система впервые позволила создать чрезвычайно яркую и компактную безэлектродную лампу. Изобретение стало предметом спора. Заявленные Фредериком Эспио (тогда Luxim , сейчас Topanga Technologies), Чандрашекхаром Джоши и Йианом Чангом, эти претензии были оспорены Ceravision Limited. [7] Ряд основных патентов были переданы Ceravision. [8] [9]
В 2006 году Luxim представила лампу для проектора под торговой маркой LIFI. Компания продолжила развивать технологию с помощью источников света в инструментальном, развлекательном, уличном, зональном и архитектурном освещении , среди прочего, в течение 2007 и 2008 годов.
В 2009 году Ceravision Limited представила первую высокоэффективную плазменную лампу (HEP) под торговой маркой Alvara. Эта лампа заменяет непрозрачный керамический волновод в более ранних лампах на оптически прозрачный кварцевый волновод, который повышает эффективность. В предыдущих лампах горелка, или колба, была очень эффективна, но непрозрачный керамический волновод сильно затруднял проекцию света. Кварцевый волновод пропускает весь свет из 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 магнетронных драйверов, с системной мощностью 127 и 230 вольт и системной эффективностью 96 и 87 люмен /ватт с индексом цветопередачи около 70.
Несколько компаний лицензировали эту технологию, и она стала жизнеспособным решением для энергосбережения при модернизации и обновлении освещения, прежде чем светодиодное освещение достигло точки жизнеспособного решения эффективности. Оно широко использовалось в дорожных и мачтовых приложениях по всему миру, заменяя 400-ваттные, 750-ваттные и 1000-ваттные металлогалогенные и натриевые системы высокого давления. Решение с использованием светоизлучающей плазмы (LEP) было отличным, поскольку оно предлагало гораздо более высокую плотность светового потока, чем его аналоги HID, примерно 50% снижение мощности и могло достигать полной интенсивности примерно через 45-60 секунд как от холодного, так и от горячего удара, в отличие от его предшественников HID.
Плазменные лампы — это семейство источников света, которые генерируют свет путем возбуждения плазмы внутри закрытой прозрачной горелки или колбы с помощью радиочастотной (РЧ) мощности. Обычно такие лампы используют инертный 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 плазму. 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 этими столкновениями, переводя их в более высокое энергетическое состояние. Когда электрон возвращается в свое исходное состояние, он испускает фотон , что приводит к видимому свету или ультрафиолетовому излучению в зависимости от материалов наполнения.
Первая плазменная лампа была ультрафиолетовой лампой отверждения с колбой, заполненной аргоном и парами ртути, разработанной Fusion UV. Эта лампа привела Fusion Systems к разработке серной лампы , которая концентрирует микроволны через полый волновод для бомбардировки колбы, заполненной аргоном и серой.
В прошлом магнетрон , который генерирует микроволны, ограничивал надежность безэлектродных ламп. Твердотельная генерация радиочастот работает и обеспечивает длительный 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 ниш дорогостоящего освещения. Dipolar of Sweden показала, что можно значительно продлить срок службы магнетронов [ необходимо разъяснение ] до более чем 40 000 часов [12], что делает возможным производство недорогих плазменных ламп. В настоящее время плазменные лампы производятся компаниями Ceravision и Luxim , а также разрабатываются компанией Topanga Technologies.
Компания Ceravision представила комбинированную лампу и светильник под торговой маркой Alvara для использования в уличном освещении и освещении высоких пролетов. В нем используется оптически прозрачный кварцевый волновод со встроенной горелкой, через который проходит весь свет от плазмы. 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 светильников на рынке и о создании первой высокоэффективной плазменной (HEP) лампы. Ceravision использует магнетрон для генерации необходимой мощности RF и заявляет о сроке службы 20 000 часов.
Лампа LIFI от Luxim , как утверждается, выдает 120 люмен на Ватт радиочастот (т.е. до учета электрических потерь). [14] Лампа использовалась в подвижной головке ROBIN 300 Plasma Spot от Robe lighting . [15] Она также использовалась в линейке телевизоров Panasonic с обратной проекцией, производство которых сейчас прекращено. [16]
Помимо метода передачи энергии в пары ртути , эти лампы очень похожи на обычные люминесцентные лампы . Пары ртути в разрядном сосуде электрически возбуждаются для получения коротковолнового ультрафиолетового света, который затем возбуждает внутренние люминофоры для получения видимого света. Хотя эти лампы все еще относительно неизвестны широкой публике, они доступны с 1990 года. В отличие от лампы накаливания или обычных люминесцентных ламп, внутри стеклянной колбы нет электрического соединения ; энергия передается через стеклянную оболочку исключительно посредством электромагнитной индукции . Существует два основных типа магнитно-индукционных ламп: 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. Лампа с внешним сердечником, которая была коммерциализирована позже, имеет более широкий спектр применения и доступна в круглых, прямоугольных и «оливковых» форм-факторах.
Лампы с внешним сердечником в основном представляют собой люминесцентные лампы 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, которые обернуты в катушку вокруг тороидального ферритового сердечника , размещенного 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 в любом замкнутом контуре, который охватывает изменяющееся во времени магнитное поле. Разрядная трубка образует один такой замкнутый контур 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, создаваемое изменяющимся во времени магнитным полем, возбуждает разряд ртути и инертного газа таким же образом, как разряд возбуждается электрическим полем в обычной люминесцентной лампе. Первичная обмотка на ферритовом сердечнике, сердечник и разряд образуют трансформатор , причем разряд является одновитковой вторичной обмоткой на этом трансформаторе.
Разрядная трубка содержит низкое давление инертного газа, такого как аргон и пары ртути . Атомы ртути поставляются 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 пары ртути. Электрическое поле ионизирует некоторые атомы ртути, производя свободные электроны, а затем ускоряет эти свободные электроны. Когда свободные электроны сталкиваются с атомами ртути, некоторые из этих атомов поглощают энергию электронов и «возбуждаются» до более высоких энергетических уровней. После короткой задержки возбужденные атомы ртути спонтанно релаксируют в свое исходное состояние с более низкой энергией и испускают УФ- фотон с избыточной энергией. Как и в обычной люминесцентной трубке , УФ-фотон диффундирует через газ внутрь внешней колбы и поглощается люминофорным покрытием этой поверхности, передавая свою энергию люминофору. Когда люминофор затем релаксирует в свое исходное состояние с более низкой энергией, он испускает видимый свет. Таким образом, УФ-фотон преобразуется в видимый свет с помощью фосфорного покрытия внутри трубки. Стеклянные стенки лампы предотвращают испускание УФ-фотонов, поскольку обычное стекло блокирует УФ-излучение на длине волны 253,7 нм и более коротких.
В форме внутреннего сердечника (см. схему) стеклянная трубка (B) выступает в направлении колбы из нижней части разрядной камеры (A), образуя реципрокную полость. Эта трубка содержит антенну, называемую силовым соединителем , которая состоит из катушки, намотанной на цилиндрический ферритовый сердечник . Катушка и феррит образуют индуктор, который соединяет энергию с внутренней частью 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, чтобы начать газовый разряд; после этого напряжение снижается до нормального рабочего уровня.
Система может рассматриваться как тип трансформатора , в котором силовой соединитель (индуктор) образует первичную катушку, а газовая разрядная дуга в колбе образует одновитковую вторичную катушку и нагрузку трансформатора. Драйвер подключается к электросети и, как правило, рассчитан на работу при напряжении от 100 до 277 В переменного тока с частотой 50 или 60 Гц или при напряжении от 100 до 400 В постоянного тока для систем аварийного освещения с питанием от батареи . Многие драйверы доступны в моделях низкого напряжения, поэтому их также можно подключать к источникам постоянного напряжения, таким как батареи, для целей аварийного освещения или для использования с возобновляемыми источниками энергии ( солнечной и ветровой ).
В других обычных газоразрядных лампах электроды являются частью с самым коротким сроком службы, что существенно 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. Для индукционных ламп со встроенными драйверами срок службы составляет от 15 000 до 50 000 часов. Для достижения такого длительного срока службы драйверу необходимы чрезвычайно высококачественные электронные схемы . Такие лампы обычно используются в коммерческих или промышленных целях. Обычно эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание значительно ниже для индукционных систем освещения из-за их среднего по отрасли срока службы в 100 000 часов и гарантии от пяти до десяти лет.
