Статья: Особенности конвертеров

В этот раз мы рассмотрим процессы, протекающие в неоновой лампе и электрическом контуре, а также меры, направленные на стабилизацию работы световых установок с их применением.

Виктор Марков, канд. техн. наук, технолог неонового производства

В первой части статьи мы рассказывали о трудностях создания световых установок, которые напрямую связаны с принципом работы конвертера, однако существуют и некоторые косвенные проблемы, возникающие в самой световой линии при протекании в ней тока повышенной частоты. Они порождают ряд явлений, негативно сказывающихся на работе неоновых ламп. В этой части статьи мы опишем и проанализируем основные физические закономерности нелинейных процессов, протекающих в электрическом контуре, образованном неоновыми лампами, конвертером и соединительными проводами, а также сформулируем некоторые практические закономерности, которые помогут специалистам неонового производства правильно проектировать и монтировать световые установки.

Монтажные емкости

При частотах 18–40 кГц уже нельзя пренебрегать утечками рабочего тока, связанными с так называемыми монтажными емкостями, которые образуются элементами ламп, а также высоковольтными проводами с одной стороны и металлическими элементами с другой. Условно любую реальную световую линию можно представить в виде эквивалентной схемы (рис. 1).

Емкость С1 – эквивалентная емкость высоковольтных проводов. Она зависит от длины проводов и расстояния между ними и в принципе может быть рассчитана. На практике для уменьшения этой емкости рекомендуют разносить высоковольтные провода не менее чем на 20–25 мм и не допускать изгибов с радиусом менее 40 мм. Однако, как будет показано ниже, это может оказаться недостаточным в том случае, если кроме основной (несущей) частоты в световой линии появляются высокочастотные гармоники.

Емкости С2 – С6 образуются коаксиальной поверхностью электродов и элементами металлической конструкции. Максимальные значения емкостей характерны для параллельного расположения электродов относительно металлической поверхности (ситуация, характерная для металлических букв с контражурной подсветкой), минимальная – при перпендикулярном расположении электрода относительно металлической подложки или при отсутствии таковой. Следует отметить, что отсутствие близко расположенных металлических частей не может гарантировать полного отсутствия потерь, поскольку ток несущей частоты, протекающий в контуре, способен создавать вне контура переменное электромагнитное поле. В справедливости этого легко убедиться с помощью простейшего пробника с неоновым индикатором, который начинает светиться при приближении к различным элементам электрического контура (проводам, электродам и трубкам ламп). В индикаторе в этом случае электрическим полем контура возбуждается так называемый безэлектродный газовый разряд. Его яркость и протекающий ток зависят от напряженности переменного поля, которая определяется электрическим потенциалом в различных частях контура, частотой и состоянием внешней среды. Поэтому использование конвертеров с напряжением холостого хода выше 9 кВ сопровождается большими потерями, что приводит к перегрузке световой линии.

С7 – С10 – емкости межэлектродного промежутка. Максимальная емкость наблюдается при сближении электродов, ориентированных относительно трубки под 90°. Особенно это опасно в случае длинных ламп, поскольку ток утечки прямо пропорционален напряжению на обкладках конденсатора, которое, в свою очередь, пропорционально длине лампы.

Эквивалентная схема должна быть дополнена индуктивностями – выходной обмотки трансформатора преобразователя, а также столбов газового разряда неоновых ламп (на схеме не показаны). При определенных условиях электрический контур способен проявлять резонансные свойства, то есть самовозбуждаться на определенных частотах. Попробуем разобраться в этом достаточно сложном и до сих пор малоизученном вопросе.

Условия для самовозбуждения связаны с различными колебательными процессами в разрядной плазме, возникающими в нем под действием внутренних и внешних причин. Эти колебательные процессы принято разделять на две группы: реактивные колебания и страты.

Реактивные колебания

Реактивными называют колебания в электрической цепи, содержащей газоразрядные лампы, свойства которой зависят от балластного сопротивления (сопротивление вторичной обмотки выходного трансформатора конвертера), монтажных емкостей и сопротивления лампы. Динамическое сопротивление большой группы ламп (неоновых и ртутных с диаметром 8–12 мм) имеет отрицательную величину. Электрическая цепь, обладающая такими свойствами, склонна к самовозбуждению, то есть при определенном соотношении электрических параметров в ней возникают автоколебания в диапазоне nЧкГцч nЧМГц. Проявляются эти колебания в виде модуляции амплитуды основной (несущей) частоты. В случае электронных трансформаторов несущая частота (18–40 кГц) и частоты реактивных колебаний лежат практически в одном диапазоне. Поэтому нередки случаи, когда несущая частота провоцирует начало реактивных колебаний. В зависимости от величины их амплитуды и формы различают мягкий и жесткий режим возбуждения. Последний еще называют «релаксационным» или «прерывистым» режимом газового разряда.

Начало самовозбуждения в случае обычных электромагнитных трансформаторов связывают с перегрузом световой линии, поскольку в этом случае уменьшается значение балластного сопротивления. Явление перегруза возникает либо в результате неверных расчетов, либо по причине климатических особенностей (низкие температуры, осадки). Действие этих факторов достаточно просто устранить либо компенсировать.

С конвертерами дела обстоят значительно сложнее. Во-первых, более серьезную роль начинают играть монтажные емкости, которые проявляют себя даже в нормальных климатических условиях. Во-вторых, возникающие в электрическом контуре реактивные колебания за счет более высокой частоты увеличивают токи утечки на землю и в пространство. В этом легко убедиться, проведя опыт с неоновым индикатором.

Поскольку токи утечки в разных частях контура могут быть разными (что легко фиксируется индикатором), создаются условия, когда и токи, протекающие через отдельные лампы, окажутся различными, а следовательно, будет наблюдаться неодинаковая яркость свечения отдельных ламп. Так, к примеру, более тускло горят лампы, наиболее удаленные от трансформатора.

Не менее сложные проблемы колебания в разряде порождают в случае близкого расположения соседних световых контуров. За счет электромагнитного поля реактивные колебания одного контура могут спровоцировать аналогичные колебания в расположенном рядом контуре. При этом наиболее опасны динамические режимы работы контуров, что приводит к искажению анимационной картины.

Таким образом, в случае использования конвертеров пороги возбуждения реактивных колебаний могут меняться в самых широких пределах. При повышении нижнего порога возбуждения релаксационных колебаний вполне вероятно возникновение ситуации, когда эти колебания приводят к ложному срабатыванию системы защиты. Это наиболее опасно в случае применения трансформаторов с малыми рабочими токами (≤20 мА). Для снижения нижнего порога возникновения реактивных колебаний релаксационного типа можно рекомендовать использование лишь коротких световых линий, особенно при малых диаметрах и большом количестве поворотов газосветных трубок. К тому же результату приводит уменьшение давления рабочей среды ламп. Однако в этом случае может сократиться срок их службы.

Явление катафореза

Есть еще один эффект, связанный с действием реактивных колебаний, который приводит к искажениям свечения отдельных ламп. Имеется в виду часто наблюдаемое на практике явление катафореза (миграции ртути). Об этом явлении мы говорили в связи с рассмотрением особенностей построения конвертеров. Рассмотрим его более подробно. Катафорез наблюдается только при разряде в газовой смеси, когда за счет различной подвижности и диффузионных характеристик отдельных ионов и атомов возможно образование преимущественного движения примеси в сторону отрицательного электрода (катода).

В газосветных лампах такими примесями в инертных газах могут быть ртутные пары и так называемые молекулярные газы – продукты газовыделения со стенок стеклянных трубок и электродов (водяные пары, СО, СО2). Наиболее часто явление катафореза наблюдается в лампах с ртутным наполнением. Основным газовым компонентом здесь будет арго-неоновая смесь К-4, а примесью – ртутные пары. Из теории газового разряда известно, что газ с меньшим ионизационным потенциалом выделяется у катода. Поскольку в нашем примере пары ртути имеют существенно более низкий потенциал ионизации, то именно они и перемещаются в область катода, где в результате наблюдается наибольшая яркость.

В неоновых лампах (лампах, заполненных только неоном) катафорез – большая редкость и наблюдается, лишь когда лампа недостаточно хорошо изготовлена, в частности, если плохо обезгажены и активированы электроды. В этом случае парциальное давление молекулярных газов превышает допустимое для неоновых ламп значение в 10-3 Тор. Молекулы примесных газов подавляют процесс ионизации атомов неона и начинают излучать свечение, по своему спектру близкое свечению ртутных паров. При больших концентрациях примесей в лампе наблюдается «белесый» разряд. При небольших превышениях порогового значения давления примесей «белизна» смещается в сторону катода. Это и есть катафорез в неоновых лампах, который ошибочно объясняют «зартучиванием» вакуумной системы откачного поста.

Газосветные лампы работают на переменном токе, катод и анод в них меняются каждые полпериода, что, казалось бы, исключает появление катафореза. Однако это не так.

Во-первых, электроды могут иметь разную эмиссионную способность либо вследствие заводского брака, либо из-за плохой обработки на откачном посту. В этом случае амплитудные значения напряжений на лампе в разные полупериоды будут не равны по абсолютной величине, что эквивалентно появлению постоянной составляющей напряжения. Тогда молекулы и атомы примеси, к примеру ртутные пары, приобретут направленное движение в сторону того электрода, который больше катод. Эта ситуация характерна прежде всего при использовании электромагнитных трансформаторов.

Во-вторых, сам трансформатор может обладать постоянной составляющей напряжения, что характерно только для конвертеров. При этом катафорез провоцируется самим трансформатором. Кстати, чтобы убедиться в отсутствии постоянной составляющей, достаточно запитать им контрольную ртутную лампу и проследить за поведением этой лампы в течение некоторого времени. Чем больше время такого тестирования, тем меньшее значение постоянной составляющей можно выявить. В-третьих, как отмечал в своей статье Маркуса Тилена1, в обычных трансформаторах ион ртути за время полупериода может пройти путь в 1,125 м, что сопоставимо со средней длиной ламп. Поэтому слабая несимметричность ламп мало влияет на протекание катафореза. Для электронных трансформаторов этот путь составит 1,5 мм, что значительно меньше длины ламп. В этом случае даже малая несимметричность тока (постоянная составляющая) приводит к накоплению этих элементарных движений, и катафорез достаточно быстро начинает проявляться. Прошу обратить внимание, что чем больше частота работы конвертера, тем быстрее может проявиться катафорез. В-четвертых, отсутствие постоянной составляющей на выходе конвертера еще не гарантирует отсутствия миграции ртути при наличии развитых реактивных колебаний, появление которых приводит к понижению потенциала плазмы, особенно вблизи катода. Механизм данного явления достаточно сложен, поэтому ограничимся простой констатацией, что условия эмиссии электронов в присутствии реактивных колебаний могут меняться. Но ранее мы выяснили, что из-за неравномерности токов утечки по монтажным емкостям и неравномерности излучения электромагнитных волн различными частями контура снижение эмиссии электродов в присутствии реактивных колебаний тоже будет неравномерным. Таков механизм «наведенной» несимметричности ламп, вследствие которого миграция ртути может наблюдаться в отдельных лампах контура даже при абсолютно симметричном выходном напряжении на выходе конвертера. Как видим, важнейшим условием отсутствия этого явления становится максимальная симметричность электрического контура в целом.

Стратовые колебания

Известно, что плазма тлеющего разряда неравновесная. Однородное состояние положительного столба такого разряда часто оказывается неустойчивым, случайные возмущения, постоянно возникающие в этом разряде, могут катастрофически нарастать, и плазма при этом переходит в иное, пространственно неоднородное состояние. Такое неоднородное состояние часто наблюдается визуально в виде плазменных полос, чередующихся с затемнениями. Это так называемый стратифицированный разряд.

Механизмы неустойчивостей, вызывающие возникновение страт, определяются преимущественно ионизационными процессами и зависят от длины трубки, ее формы (наличие поворотов, обратных ходов, сужений и т.д.), а также параметров газовой среды (давление и род газа). К примеру, хорошо известно, что страты редко наблюдаются в смесях. Поэтому в ртутном разряде страты возбуждаются только в особых условиях. Однако, принимая во внимание внутренние причины, нельзя не учитывать влияния параметров внешнего контура. Провоцировать стратовые колебания могут электромагнитные наводки от соседних контуров и даже от близко расположенных ламп того же контура. Физика таких колебаний не менее сложна, чем физика реактивных колебаний. Поэтому в нашем анализе мы постараемся выделить только те закономерности, которые необходимо учитывать в повседневной работе.

Стратовые колебания имеют обычно две границы возбуждения – при низких и высоких токах. Между этими пороговыми значениями страты отсутствуют. Границы возбуждения страт зависят от перечисленных параметров. Так, при увеличении длины ламп область отсутствия страт уменьшается. Повышение диаметра трубки, наоборот, приводит к ее увеличению. Зависимость от давления более сложна и связана с наличием примесей. Для нас наиболее важной является нижняя граница возникновения страт. Поэтому нельзя допускать перегруза трансформаторов. В случае применения конвертеров задача еще больше осложняется. Как известно, при определенных условиях в электрическом контуре возникают локальные области, где токи, протекающие через лампы, меньше нижнего порога возбуждения страт. Если в этих частях контура расположены лампы, склонные к образованию страт (длинные, изогнутые, малого диаметра), то страты возникнут обязательно. Кстати, простым увеличением напряжения холостого хода трансформатора такие колебания далеко не всегда удается исключить, поскольку с повышением напряжения может расти и неоднородность контура. И опять мы вынуждены констатировать, что условием отсутствия стратовых колебаний следует считать симметричность всего электрического контура, которая достигается тщательным подбором ламп по длине, диаметру и конфигурации.

Кроме световых искажений, страты способны провоцировать и другие негативные явления. К примеру, стратифицированный разряд характеризуется возрастанием катодного падения потенциала, что часто приводит к преждевременному распылению активного слоя электродов. Кроме того, в областях пучности стратовых колебаний наблюдается повышенный градиент радиальной составляющей электрического поля, что способствует локальной деградации люминофорного слоя. В результате наблюдается неравномерная яркость свечения трубки. Поскольку стратовые волны возникают преимущественно в неоновых лампах, в которых отсутствует ртуть, то для борьбы с этим явлением могут быть использованы конвертеры с постоянной составляющей напряжения. При этом максимально возрастает безстратовая область. Подобные трансформаторы предлагаются рядом фирм, однако используются крайне редко, так как лишь немногие специалисты знакомы с физическими закономерностями возникновения стратовых волн.

Меры стабилизации

Теперь, когда описаны основные процессы, которые протекают в электрическом контуре, достаточно легко понять смысл многочисленных инструкций фирм, изготавливающих электронные трансформаторы. В основном они касаются особенностей эксплуатации той или иной модели конвертера, а также технологии проведения монтажных работ. Реже встречаются рекомендации, относящиеся к конструкции световых элементов и прогнозированию безотказной работы световой установки. Большинство советов носят универсальный характер и направлены на снижение влияния эффектов, описанных выше. К этой группе рекомендаций относятся меры по снижению паразитных монтажных емкостей, поскольку в этом случае нижний порог реактивных и стратовых колебаний смещается в сторону меньших токов, и значения токов в световых элементах выравниваются. Утечки, связанные с емкостями и внешним излучением, минимизируются, что приводит к симметричности световых элементов и, следовательно, отсутствию миграции ртути. Для решения этих задач подвергают регламентации расстояния между высоковольтными проводами, между лампами, а также расстояния частей светового контура относительно токопроводящих элементов металлоконструкции. Эти рекомендации носят эмпирический характер и сильно отличаются друг от друга. Но в среднем рекомендуемые расстояния лежат в диапазоне 2–2,5 см. Наиболее интересные оценки этих конструктивных параметров, предложенные специалистами неонового завода «Ярко», включают зависимость от напряжения холостого хода трансформатора, к примеру, следующим образом: L = 9 + 4,5 Ч U, где L – геометрический параметр, измеряемый в мм, U – напряжение холостого хода, измеряемое в кВ. Нетрудно заметить, что при высоких значениях напряжения холостого хода оценка L будет существенно отличаться от 2–2,5 см.

Блок требований, связанных с конструктивными параметрами самих ламп, в большинстве инструкций либо отсутствует вообще, либо присутствует фрагментарно. Так, не рекомендуется использовать длинные и сильно изогнутые лампы (прописной шрифт). Мы знаем теперь, что ртутные лампы такой конфигурации склонны к катафорезу, особенно если они расположены в середине световой линии, а в неоновых лампах возникает опасность стратовых колебаний из-за сближения верхней и нижней границ порогов этих колебаний. Следует отметить, что именно такие газосветные лампы сложной конфигурации чаще всего применяются в интерьерных и витринных вывесках совместно с конвертерами.

Зависимость от диаметра в инструкциях присутствует лишь в неявной форме (таблицы расчета световых линий). Для повышения однородности свечения контура следует, на мой взгляд, избегать использования в одной световой линии ламп разного диаметра и заполненных разными газами, а также большого разброса ламп по длине. Желательно также ограничить применение ламп с близким расположением электродов. Существуют рекомендации частного характера. К ним относятся: интерьерное либо уличное исполнение трансформаторов; рекомендация об увеличении давления газа (особенно в длинных трубках) для снижения порогов начала реактивных и стратовых колебаний; заземление элементов конструкции (мера электробезопасности); ограничение на близкое расположение соседних электрических контуров.

В данной статье предлагались и другие инструкции, которые носят не регламентирующий, а скорее технологический характер. Поскольку до изготовления установки невозможно предусмотреть все возможные трудности, то следует рекомендовать проведение следующих технологических мероприятий: предварительный отбор конвертеров на наличие постоянной составляющей (длительная тренировка с использованием ртутной контрольной лампы); симметрирование светового контура в производственных условиях, например, с применением неонового пробника либо других более сложных приборов (подбор трансформаторов, прокладка провода и т.д.); длительное испытание светового контура в производственных условиях на предмет возникновения различных световых дефектов. Отдельно следует остановиться на проблеме расчета световых линий для электронных трансформаторов. Практика лабораторных исследований показывает, что уже при нагрузке, составляющей 60–70% от рекомендуемой, во многих электронных трансформаторах наблюдаются реактивные колебания. При больших нагрузках начинает проявляться неравномерность излучения электрического контура, а также возникают искажения световых характеристик. У ламп, наиболее удаленных от конвертера, снижается яркость свечения, а некоторые лампы проявляют начальные симптомы катафореза. В уличных условиях эти показатели ненормальной работы могут наблюдаться при тех же и даже меньших нагрузках. Отсюда следует практический вывод о том, что нельзя рекомендовать использовать конвертеры для работы на длинные линии, особенно на улице.

Апология конвертеров

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--