Запуск и питание безэлектродных ламп

[Призрачный Суслик]

Кто нибудь тут занимался вопросами запуска и питания индукционных ламп. А именно проектирования генератора под эту задачу. Как он хоть выглядеть должен в транзисторном исполнении ?

Уж больно сложная это нагрузка. Вот что узнал.

Сама лампа находится в объемном резонаторе, настроенном на резонансную частоту в несколько десятков МГц. Лампа и её арматура даны изначально и тут ничего менять нельзя.

Генератор работает на частоте резонанса или близко к ней. Пока лампа не зажглась , наша задача создать в резонатора такую напряженность поля, что бы в баллоне лампы произошел пробой первичного газа, как понял, паров ртути. При этом выходной сигнал генератора должен быть ограничен, что бы напряжение на выходе или резонаторе не вывело из строя выходной каскад. Если генератор на лампах то эта проблема решается, а вот на транзисторах как ?

Как только лампа зажглась, она шунтирует резонансный контур и щедро забирает из него энергию, тут мы должны поднять выходную мощность генератора до режима форсированного разогрева (примерно 100 Ватт) иначе разряд просто погаснет. Это уже личный опыт работы с спектральными электродными лампами.

Через какое то время, примерно 30 секунд, начинается разряд в целевом веществе, факт чего ловит специальный фотодатчик, тут мы должны перейти в рабочий режим работы, снизить мощность до примерно 15 ватт и стабилизировать яркость лампы по сигналу фотодатчика обратной связи. Стабилизация тут не обязательно, но если её получится прикрутить, то это хорошо.

Частота фиксирована, менять её значительно нельзя из соображений электромагнитной совместимости. Режим работы повторно-кратковременный, питание 18-32 вольта.

Как я понял, использовать связку: кварцевый генератор и усилитель мощности УКВ диапазона не получится. Напряжение на резонаторе до зажигания лампы просто пробьёт транзисторы выходного каскада. Но ведь как-то это реализуется в промышленных установках.

Вопрос пока теоретический, приветствуются схемы промышленных генераторов для питания безэлектродных дамп большой мощности на транзисторах. По теме излучателя "Фотон" и его "клонов" у меня достаточно информации. Его можно не упоминать. Схем ламповых генераторов тоже в достатке, но все они опираются на достаточную электрическую прочность и перегрузочную способность ламп, а потреблять 200 Вт, выдавая 15 для них нормальное явление.

[piligrim130]

не особо там мудрили

[ejsanyo]

Наш чешский коллега однажды подобные ковырял и немного поизучал их устройство: https://www.youtube.com/watch?v=0pqVyttbC7A Если хоть немного знаете текникл енглиш, и при этом у вас есть тырнет с какими-нибудь тремя буквами.
Он упоминает, что схема сделана на основе IR2156. Хмм, как ни странно, это тот же драйвер полумоста, который идёт на качественные балласты для обычных электродных люмок...

[Призрачный Суслик]

1) Про "Фотон" и его аналоги я просил не поминать.
2) Ютуб - увы.... инет-то с диалапной скоростью ползает и только служебный, по обычному только "белый списки". Но попробую что-то придумать.

2156 не трогал, только 2151, 2153 и навёрнутую в три оборота 21571

Аааа 2156 из той-же серии. Но она не подойдёт, там верхняя частота генерации килогерц 100 всего, а у меня на три порядка выше. Он видимо запускал ртутные лампы с индуктивным возбуждение, так как раз около 100 кГц. Я такие тоже запускал. А тут задача запуска лампы с большей много частотой накачки.

[khach]

Разве что безэлектродные лампы рубидиевых атомных часов. Схемы есть в сети. Но те что попадались, были сильно изношенными, режим лампы далек от паспортного, в основном из за утечки гелия через стекло лампы.

[Призрачный Суслик]

Да знаю, там мощность мизерная, КТ904 в автогенераторе, если правильно помню. Тут лампочки побольше и по мощнее.

[khach]

Тут надо разобраться что за лампа. Потому что если это безэлектродная люминесцентная- это одно дело. Там рабочие частоты достаточно низкие, и инверторы можно найти готовые. А вот если что то другое, то надо более полное описание. Приходилось заниматься плазмохимическим травлением, та же лампа безэлектродная, но без колбы, вернее колба- корпус установки, ну и газовый состав переменный. Частоты обычно 13.6 мгц, мощности до киловатта, используется активный ВЧ тюнер для согласования плазмы разряда с генератором, процесс поджига тоже непростой. П-контур согласователя на сервоприводах, датчики КСВ по обе стороны согласователя- один к плазме, второй к генератору. Датчики КСВ часто фазочувствительные, т.к тогда проще строить контур.

[Призрачный Суслик]

Безэлектродная спектральная лампа. Напролнение это ртуть и целевой элемент. Просто стеклянная баночка.

А более подробно про поджиг и согласование можете рассказать ?

[khach]

Ртуть сама по себе без дополнительного балластного газа? Там режим будет очень сложный, т.к давление в лампе будет менятья на порядки по мере прогрева.
Согласование - гуглите plasma matching box. Что то типа такого, но это как пример, схемы могут отличаться и реализация тоже. На фото с вакуумными конденсаторами на большие мощности, но встречаются и переменные воздушные. Для поджига разряда конденсаторы ставят в положение, когда на плазменных электродах будет пучность напряжения. Для индукционной лампы это наверно условие резонанса контура без разряда.
После поджига на минимально достаточном уровне ВЧ мощности конденсаторы согласуют разряд с генератором по минимуму отраженного сигнала, т.е надо немного подождать на время реакции matching box. Потом поднимаем уровень мощности до требуемого, тоже плавно, чтобы matching box успевал отрабатывать измерение нагрузки. В общем задача для микроконтроллера или PLC (промышленного контроллера).
Где то встречал вариант для относительно маломощного matching box c ВЧ дросселями, перестраиваемыми подмагничиванием сердечника постоянным током. Тогда можно обойтись без механики, но мощности ватт до 200 только.

[Призрачный Суслик]

Да без балластного газа. В лампе капелька ртути видимо в сплаве с целевым элементом. Рекомендуется перед использованием прогреть баллон лампы до 100-130 градусов. Мощность в рабочем режиме примерно 15 ватт, при прогреве, сколько получится.

Продолжаю поиск информации и практических схем.

Как я предполагаю, надо, регулируя конденсатор, поддерживать определённую амплитуду сигнала на выходе генератора. Как бы ёмкостный делитель.

[khach]

Ну при 15 ваттах в рабочем режиме, если пременять выходной усилитель на GaN или современных LDMOS трнзисторах, кторые выдерживают достаточно большой КСВ нагрузки, можно наверно и не заморачиваться сложным согласованием лампы. Один раз настроить согласование при прогретой лампе, совсем не обязательно что оно будет 50 ом. А при разогреве просто ограничивать отраженную волну на уровне, безопасном для транзистора. Т.е все равно датчик КВС надо ставить после усилка и с него заводить обратную связь в цепь АРА.

[Призрачный Суслик]

Я с ВЧ техникой пока на "Вы" поэтому приму любую более конкретную информацию. Например как регулировать уровень ВЧ, какие доступные транзисторы и по какой схемотехнике использовать. Желательно экзотических полупроводников, недоступных или черезвычайно дорогих в РФ не применять. Предположу, что некоторое количество транзисторов будет выведено из строя при отладке и экспериментах.

[khach]

Желательно экзотических полупроводников, недоступных или черезвычайно дорогих в РФ не применять.

Вот это требование сильно усложнит схемотехнику, потому что старые доступные ВЧ транзисторы при таких условиях будут дохнуть. Управлять уровнем- любой управляемый аттенюатор на PIN диодах, подходящий по частоте, двухзатворынй полевик с управлением по второму затвору, интегральный VGA ( variable gain amplifier) если частоты рабочей хватает. Ну или тупо понижать питание выходного каскада- лампочке и такое подойдет.
Рабочая частота лампы то какая? Постоянная кварцованная как в плазмохимии 13.56 МГц или 42 Мгц с копейками (ISM частоты) или надо следить за резонансом, типа как в схемах накачки ламп рубидиевых эталонов частот с самовозбуждением однокаскадных?
Возьмите nanoVNA и обмертье резонатор лампы на-холодную без разряда для начала.
зы https://patents.google.com/patent/US5489821A/en там схемка стабилизации автогенератора для рубидия есть. Может и больше мощности потянет, если тразистор соответствующий выбрать.

[Призрачный Суслик]

Вот это требование сильно усложнит схемотехнику, потому что старые доступные ВЧ транзисторы при таких условиях будут дохнуть.

Вот поэтому я хочу во всём хорошо разобраться перед макетированием.

Управлять уровнем- любой управляемый аттенюатор на PIN диодах

Такой знаю, но схема сложная , нужно 7 одинаковых диодов, а их и 1 штуку найти сложно.

подходящий по частоте, двухзатворынй полевик с управлением по второму затвору

Вот бы по подробнее. Двухзатворный полевой транзистор могу добыть из УКВ блоков старых японских автомагнитол. Тип неизвестен, но рабочая частота подходит. Не будет ли он генерить гармоники ? как я понимаю, мы напряжение отсечки регулируем, то есть тупо обрезаем край сигнала.

интегральный VGA ( variable gain amplifier) если частоты рабочей хватает

Безумный ценник, совершенно неудобный для ручного монтажа корпус. QFN/BGA, управление обычно от микроконтроллера или "провод-команда". С аналоговым не встречал, если кто знает посоветуйте.

Ну или тупо понижать питание выходного каскада

А поможет ? Я как то таких вариантов пока не встречал, хотя самый простой.

Рабочая частота лампы то какая?

Десятки мегагерц, больше 30 но менее 100, точное значение, увы ДСПшное.

Постоянная кварцованная

Да кварцевый генератор.

или надо следить за резонансом, типа как в схемах накачки ламп рубидиевых эталонов частот с самовозбуждением однокаскадных?

Вроде нет. В рубидиевых стандартах частота вообще определяется , по моему, LC контуром.

Возьмите nanoVNA и обмертье резонатор лампы на-холодную без разряда для начала.

Такого прибора нет, но с ГСС измерял - четкий резонанс на частоте требуемой для возбуждения.

https://patents.google.com/patent/US5489821A/en там схемка стабилизации автогенератора для рубидия есть. Может и больше мощности потянет, если транзистор соответствующий выбрать.

Спасибо. Но там похоже автогенератор и режим меняется по постоянной составляющей тока базы. На первый взгляд непонятно, надо переводить.

[khach]

Можно еще посмотреть схемы ВЧ генераторов для CO2 лазеров. Но там для мощных обычно пуш-пул на 100 МГц или около, был вариант для synrad маломощного на 10 ватт излучения, но там автогенератор на одном мощном ВЧ транзисторе, который найти тяжело, да и без обратных связей для стабилизации мощности.
PIN диодный аттенюатор с глубиной регулировки 10 дб собирается на одном диоде, можно вообще выпрямительные диоды использовать на частотах в десятки мгц. Управляемый аттенюатор ставится перед предусилителем оконечного каскада обычно. Гармоники для резонансной нагрузки без разницы, разве что если у них высокий уровень то надо поглощающий фильтр ставить на них чтобы даром транзистор не греть, но это обычно от сотен ватт начиная делают. Поэтому и допускается регулировка по питанию, что лампе высшие гармоники не мешают, особенно если она в резонаторе.
Интересно бы было обмерить резонатор "на горячую" с зажженным разрядом- чтобы узнать добротность и нет ли ухода частоты.
Кстати, в резонаторе нет ли дополнительно электрода или петли связи для "самопрослушивания" типа ОС по РЧ сигналу резонатора?

[Призрачный Суслик]

Можно еще посмотреть схемы ВЧ генераторов для CO2 лазеров.

А никаких ссылок на схемы этих генераторов нет ?

PIN диодный аттенюатор с глубиной регулировки 10 дб собирается на одном диоде

Схему бы увидеть. Еще мне кажется, что 10 дБ маловато. Я думаю, максимальная величина ослабления нужна минимум 40, а то и все 50 дБ.

Вот от Х1-50, которых мне предстоит восстановить несколько штук.



От обеспечивает ослабление всего до 50 Дб.

Управляемый аттенюатор ставится перед предусилителем оконечного каскада обычно.

Это понятно. Проще всего регулировать выход кварцевого опорного генератора. Он синусоидальный 1 вольт амплитуды на 300 Ом.

Поэтому и допускается регулировка по питанию, что лампе высшие гармоники не мешают, особенно если она в резонаторе.

Резонатор, как я предполагаю, высокодобротен.

Интересно бы было обмерить резонатор "на горячую" с зажженным разрядом- чтобы узнать добротность и нет ли ухода частоты.

Для этого нужен генератор.

Кстати, в резонаторе нет ли дополнительно электрода или петли связи для "самопрослушивания" типа ОС по РЧ сигналу резонатора?

Нет. Просто массивный латунный посеребрённый полый цилиндр, внутри на керамических распорках колба лампы, около одной из стенок дисковый электрод, соединенный через изолятор с нестандартным ВЧ разъемом, корпус разъёма - корпус резонатора. Имеется люк для установки лампы совмещённый с выходной оптикой.

В общем какие либо практические схемы увидеть или людей услышать, которые эти вопросом занимались.

[piligrim130]

https://habr.com/ru/articles/1073374/
красиво

[khach]

У Х1-50 огромный частотный диапазон, да и диоды советские на СВЧ имели большой пролаз, поэтому так накручено. В усилке где достаточно 10 дб регулировки мощности и такая схема справлялась без особых проблем.

Ну можно конечно классику в виде 4 пин диодов, но думаю это излишне.