Виктор Марков
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.