PL227530B1 - Lampa plazmowa z zasilaczem - Google Patents

Abstract

Lampa plazmowa mająca postać rury szklanej wypełnionej gazem roboczym pod obniżonym ciśnieniem, wyposażonej w układ elektrod, z których jedna jest katodą (C) przyłączoną do ujemnego zacisku zasilacza (PS), zaś druga elektroda jest anodą (A) przyłączoną do dodatniego zacisku zasilacza (PS), przy czym zasilacz zasila lampę (LA) prądem zmiennym (I), charakteryzuje się tym, że zawiera układ monitorowania prądu (I) zasilania lampy (LA) zawierający: przyłączony do jednego z zacisków zasilacza filtr górnoprzepustowy (HPF) o częstotliwości granicznej wyższej od częstotliwości podstawowej prądu (I) zasilania lampy (LA), do którego wyjścia jest przyłączony detektor amplitudy (ADT) przystosowany do pomiaru wielkości obwiedni amplitudowej sygnału wyjściowego filtra górnoprzepustowego (HPF) reprezentującej poziom zakłóceń (Ur), oraz układ regulacji (DR) zasilacza, przyłączony pomiędzy wyjściem detektora amplitudy (ADT) a wejściem sterującym zasilacza (PS), przystosowany do sterowania zasilaczem (PS) do dostarczania do lampy (LA) prądu zasilania (1) w określonym zakresie ΔI względem prądu Is, dla którego wartości poziomu zakłóceń (Ur) są najwyższe (Urmax).

Description

Przedmiotem wynalazku jest lampa plazmowa z zasilaczem, przeznaczona zwłaszcza do modyfikowania cieczy polarnych.

Lampy plazmowe to lampy, w których czynnikiem świecącym, przetwarzającym energię elektryczną na promieniowanie widzialne jest substancja wzbudzona do stanu plazmy. Lampy plazmowe wykorzystywane są w rożnych działach techniki jako źródła światła, źródła ciepła oraz jako źródła promieniowania rezonansowego. Lampy plazmowe stanowiące źródła promieniowania rezonansowego ostatnio znajdują zastosowanie przy deklasteryzacji cieczy polarnych, co zostało opisane m.in. w publikacji I. Tereshko, V. Abidzina, I. Elkin, N. Kalinowskaya, I. Melnikau „Self-Organization and Nanocluster Formation Processes in Nonlinear Molecular Chains” (Materials Research Society, MRS Proceedings, Volume 1054, 2007). Deklasteryzacja cieczy polarnych polega na rozbijaniu agregatów (klastrów) cieczy na agregaty o mniejszych rozmiarach, przykładowo poniżej 10 nm. Taka ciecz, w której dzięki deklasteryzacji rozmiary klastrów są zredukowane tak, że w skład klastra wchodzi zaledwie 5-10 molekuł, cechuje się zmienionymi parametrami fizykochemicznymi, przykładowo ma zwiększoną rozpuszczalność, zwiększoną temperaturę wrzenia, obniżoną temperaturę zamarzania, czy też posiada przenikalność dielektryczną znacznie zniżoną w stosunku do cieczy przed deklasteryzacją.

W znanych dotychczas rozwiązaniach zmianę właściwości cieczy uzyskiwano stosując duże natężenia prądu zasilającego lampę plazmową stosowaną jako źródło promieniowania. Sposób ten był nieefektywny prowadząc do powstawania groźnych dla zdrowia rodników chemicznych.

W celu uniknięcia zbyt wysokiej mocy lampy bez straty jej skuteczności jako źródła promieniowania autorzy opisu wykorzystali rezonansowe właściwości plazmy pobudzanej periodycznie przebiegiem prądowym. Pozwoliło to opracować lampę plazmową stanowiącą źródła promieniowania rezonansowego, która umożliwia osiągnięcie zmiany właściwości cieczy wskutek deklasteryzacji przy pracy lampy z mocą zdecydowanie niższą od maksymalnej.

Przedmiotem wynalazku jest lampa plazmowa mająca postać rury szklanej wypełnionej gazem roboczym pod obniżonym ciśnieniem, wyposażonej w układ elektrod, z których jedna jest katodą przyłączoną do ujemnego zacisku zasilacza, zaś druga elektroda jest anodą przyłączoną do dodatniego zacisku zasilacza, przy czym zasilacz zasila lampę prądem zmiennym, charakteryzująca się tym, że zawiera układ monitorowania prądu zasilania lampy zawierający: przyłączony do jednego z zacisków zasilacza filtr górnoprzepustowy o częstotliwości granicznej wyższej od częstotliwości podstawowej prądu zasilania lampy, do którego wyjścia jest przyłączony detektor amplitudy przystosowany do pomiaru wielkości obwiedni amplitudowej sygnału wyjściowego filtra górnoprzepustowego reprezentującej poziom zakłóceń; oraz układ regulacji zasilacza, przyłączony pomiędzy wyjściem detektora amplitudy a wejściem sterującym zasilacza, przystosowany do sterowania zasilaczem do dostarczania do lampy prądu zasilania w określonym zakresie względem prądu, dla którego wartości poziomu zakłóceń są najwyższe.

Korzystnie, układ regulacji zasilacza zawiera pamięć przystosowaną do generowania wartości pośredniej pomiędzy najmniejszą wykrywalną wartością (Urcz) i wartością maksymalną wykrytymi w przebiegu poziomu zakłóceń, przy czym układ regulacji jest przystosowany do sterowania zasilaczem do zmiany prądu zasilania lampy poprzez przemiatanie prądem ze zmianą kierunku przemiatania tak, aby wartości poziomu zakłóceń przyjmowały wartości w zakresie pomiędzy wartością pośrednią a wartością maksymalną.

Korzystnie, układ regulacji zawiera źródło prądowe przyłączone do wejścia sterującego zasilacza i sterowane sygnałem zależnym od wartości poziomu zakłóceń.

Przedmiot rozwiązania został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym: Fig. 1 przedstawia schemat ilustrujący budowę zasilacza do lampy,

Fig. 2 przedstawia przebiegi związane z dostosowaniem poziomu prądu zasilania lampy w zależności od poziomu zakłóceń,

Fig. 3A przedstawia przykład przebiegu prądowego i napięciowego lampy bez zakłóceń,

Fig. 3B przedstawia przykład przebiegu prądowego z zakłóceniami w stanie rezonansu.

Schemat budowy zasilacza do lampy przedstawiono na fig. 1. Lampa LA ma postać rury szklanej wypełnionej gazem roboczym pod obniżonym ciśnieniem, wyposażonej w układ elektrod, z których jedna jest katodą C podłączaną do ujemnego zacisku zasilania, zaś druga elektroda jest anodą A podłączaną do dodatniego zacisku zasilania. Lampa jest zasilana regulowanym zasilaczem prądu

PL 227 530 B1 zmiennego PS. Zasilacz przedstawiony w przykładzie wykonania stanowi jedynie przykładowy układ, stosowany może być dowolny inny regulowany zasilacz prądu zmiennego.

W przedstawionym przykładzie wykonania zasilacz PS zawiera transformator T, po którego stronie pierwotnej przyłączony jest regulator RG, którym może być przykładowo regulator tyrystorowy prądu zmiennego pobierający energię z sieci zasilania prądu zmiennego, sterowany wzmacniaczem operacyjnym W1. Po wtórnej stronie transformatora T przyłączony jest prostownik RECT, którym może przykładowo być znany prostownik dwupołówkowy. Do pierwszego wejścia wzmacniacza operacyjnego przyłączone jest za pośrednictwem rezystora R1 regulowane źródło napięcia sterującego Ust, a do drugiego wejścia sygnał sprzężenia zwrotnego FB z jednego z wyjść prostownika RECT, do którego szeregowo przyłączony jest bocznik prądowy Rs. Regulator napięcia działa w ten sposób, aby napięcie na pętli sprzężenia bocznego FB było równe napięciu sterującemu Ust.

Zauważono, że dla pewnego napięcia zasilania lampy, znacznie poniżej maksymalnego napięcia zasilania, tj. takiego, przy którym lampa osiąga maksymalne natężenie światła, zwykle poniżej połowy maksymalnego napięcia zasilania, pojawia się rezonans, który intensyfikuje oddziaływanie lampy z deklasteryzowaną cieczą, zwiększający skuteczność deklasteryzacji cieczy do poziomu wyższego niż dla pracy z maksymalnym napięciem zasilania, gdy plazma jawi się w większej objętości i intensywności świecenia w zakresie widzialnym. Rezonans ten wynika z procesów samogeneracyjnych zachodzących w plazmie (przykładowo, tak zwanego wyładowania anormalnego, w którym potęgują się tzw. niestabilności jonizacyjne). Poziom napięcia, dla którego występuje rezonans uzależniony jest od rodzaju cieczy, ilości cieczy, rodzaju i wymiarów lampy, warunków otoczenia itp. Celowym stało się więc opracowanie układu samoregulacji, który pozwoli na automatyczne dostosowanie prądu zasilania lampy tak, aby ustalić je w pobliżu tej wartości prądu, dla której występuje rezonans.

Nieoczekiwanie zauważono, że w stanie rezonansu występują zakłócenia w prądzie zasilania lampy, które mają charakterystyczną częstotliwość wielokrotnie wyższą od częstotliwości podstawowej prądu zasilania lampy LA. I tak wobec częstotliwości sieci 50 Hz zaobserwowane częstotliwości zakłóceń wynosiły od 300 Hz do 1000 Hz. Przykład przebiegu prądowego bez zakłóceń, dla napięcia zasilania znacznie różnego od napięcia rezonansu przedstawiono na fig. 3A, a przykład przebiegu dla napięcia rezonansu przedstawiono na fig. 3B.

W zasilaczu według wynalazku zaprojektowano więc układ monitorowania prądu zasilania lampy funkcjonujący jako automatyczna pętla do wykrywania zakłóceń.

Pętla rozpoczyna się filtrem górnoprzepustowym HPF o częstotliwości granicznej równej co najmniej 2-krotności częstotliwości podstawowej prądu I zasilania lampy LA, przykładowo 200 Hz. Wyjście filtra HPF podłączone jest do detektora amplitudy ADT, będącego detektorem obwiedni. Detektor ADT podaje sygnał reprezentujący poziom zakłóceń w prądzie zasilania lampy. Poziom sygnału z detektora ADT zapisywany jest w pamięci MEM tak, że zapisywany jest najmniejszy czytelny poziom Urcz oraz poziom maksymalny Urmax i na tej podstawie obliczana jest wartość pośrednia Urs, będąca wartością pomiędzy Urcz a Urmax. Przykładowo, wartość pośrednia może być wartością średnią, równą (Urcz+Urmax)/2. Wartość aktualnie podawana przez detektor ADT Ur oraz wartość średnia Urs podawane są na wejścia wzmacniacza operacyjnego W2, którego wyjście steruje przełącznikiem SW. Jeśli wartość aktualna Ur jest wyższa od wartości Urs, to przełącznik jest ustawiany w pozycję 1, tj. podłączany do dodatniego napięcia ładowania Uład, a jeśli niższa, to przełącznik jest ustawiany w pozycję 2, tj. podłączany do ujemnego napięcia ładowania -Uład lub do uziemienia. Pozycja przełącznika SW warunkuje to, czy kondensator CF będzie ładowany, czy rozładowywany, a więc czy napięcie na kondensatorze CF będzie rosło czy malało. Napięcie to steruje poziomem prądu źródła prądowego zbudowanego na tranzystorze po T1. Tranzystor T1, przykładowo tranzystor polowy FET, stanowi źródło prądowe sterowane wzmacniaczem operacyjnym W3. Źródło tranzystora polowego T1 przyłączone jest do oporności Rmin określającej minimalny prąd zasilania lampy, natomiast dren tranzystora T1 przyłączony jest do kondensatora CF.

Sposób działania układu regulacji UR zasilacza PS widoczny jest na przebiegach prądu i napięcia zasilania lampy przedstawionych na fig. 2. Pracę układu rozpoczyna się od dostarczenia do lampy prądu lign, który jest względnie wysoki i pozwala na zapalenie i rozruch lampy. Następnie, przy przełączniku SW ustawionym w pozycję 1, zwiększa się napięcie na kondensatorze CF, co powoduje wzrost prądu na tranzystorze T1 i spadek prądu zasilania lampy. W pewnym momencie pojawiają się zakłócenia wykrywane przez filtr HPF na minimalnym czytelnym poziomie Urcz. Zakłócenia te rosną do poziomu maksymalnego Urmax (w stanie rezonansu) po czym ich poziom spada. Po ustaleniu pierwszego poziomu maksymalnego Urmax możliwe jest ustalenie wartości średniej Urs. Gdy amplituda

PL 227 530 B1 zakłóceń spadnie do poziomu poniżej Urs przełącznik SW zostaje przełączony w pozycję 2, co powoduje stopniowe rozładowanie kondensatora CF, spadek prądu na tranzystorze T1 i wzrost prądu zasilania lampy. Odczytywany poziom zakłóceń zaczyna rosnąć do poziomu maksymalnego Urmax, po czym znów spada, aż osiągnie poziom średni Urs, co powoduje przełączenie przełącznika SW w pozycję 1, a tym samym ponowne ładowanie kondensatora CF. Proces przebiega w ten sposób analogicznie dalej, tak że prąd zasilania lampy LA utrzymywany jest w pobliżu poziomu, dla którego występuje najwyższy poziom zakłóceń (to znaczy w określonym zakresie, zależnym od wartości pośredniej napięcia Urs w stosunku do wartości maksymalnej Urmax). Układ regulacji UR zasilacza stosuje więc przemiatanie prądem ze zmianą kierunku przemiatania.

Możliwe jest również, jako alternatywa dla układu automatycznej regulacji zasilacza, ręczne sterowanie poziomem prądu zasilania lampy tak, aby ustawić go na wartość, przy której występują zakłócenia o podwyższonej częstotliwości. W takim przypadku nie trzeba stosować automatycznie regulowanego źródła prądowego opartego na tranzystorze T1. Wówczas do badania kształtu przebiegu prądu zasilania lampy użytkownik lampy może zastosować oscyloskop. Można zastosować również miernik napięcia przyłączony do wyjścia detektora ADT. Na podstawie obserwacji wskazań oscyloskopu lub miernika napięcia użytkownik lampy może ręcznie sterować poziomem napięcia Ust. Wymaga to jednak, przynajmniej na początku pracy lampy, systematycznej obserwacji poziomu zakłóceń, gdyż wartość prądu zasilania, przy której występuje rezonans, podlega fluktuacjom, przykładowo o charakterze termicznym.

Claims (3)

1. Lampa plazmowa mająca postać rury szklanej wypełnionej gazem roboczym pod obniżonym ciśnieniem, wyposażonej w układ elektrod, z których jedna jest katodą (C) przyłączoną do ujemnego zacisku zasilacza (PS), zaś druga elektroda jest anodą (A) przyłączoną do dodatniego zacisku zasilacza (PS), przy czym zasilacz zasila lampę (LA) prądem zmiennym (I), znamienna tym, że zawiera układ monitorowania prądu (I) zasilania lampy (LA) zawierający:

- przyłączony do jednego z zacisków zasilacza filtr górnoprzepustowy (HPF) o częstotliwości granicznej wyższej od częstotliwości podstawowej prądu (I) zasilania lampy (LA), do którego wyjścia jest przyłączony detektor amplitudy (ADT) przystosowany do pomiaru wielkości obwiedni amplitudowej sygnału wyjściowego filtra górnoprzepustowego (HPF) reprezentującej poziom zakłóceń (Ur); oraz

- układ regulacji (UR) zasilacza, przyłączony pomiędzy wyjściem detektora amplitudy (ADT) a wejściem sterującym zasilacza (PS), przystosowany do sterowania zasilaczem (PS) do dostarczania do lampy (LA) prądu zasilania (I) w określonym zakresie (Al) względem prądu (Is), dla którego wartości poziomu zakłóceń (Ur) są najwyższe (Urmax).

2. Lampa plazmowa według zastrz. 1, znamienna tym, że układ regulacji (UR) zasilacza zawiera pamięć (MEM) przystosowaną do generowania wartości pośredniej (Urs) pomiędzy najmniejszą wykrywalną wartością (Urcz) i wartością maksymalną (Urmax) wykrytymi w przebiegu poziomu zakłóceń (Ur), przy czym układ regulacji (UR) jest przystosowany do sterowania zasilaczem (PS) do zmiany prądu zasilania (I) lampy (LA) poprzez przemiatanie prądem ze zmianą kierunku przemiatania tak, aby wartości poziomu zakłóceń (Ur) przyjmowały wartości w zakresie pomiędzy wartością pośrednią (Urs) a wartością maksymalną (Urmax).

3. Lampa plazmowa według zastrz. 2, znamienna tym, że układ regulacji (UR) zawiera źródło prądowe (T1) przyłączone do wejścia sterującego zasilacza (PS) i sterowane sygnałem zależnym od wartości poziomu zakłóceń (Ur).