Расчет световых линий
неоновых установок
К.т.н. Марков Виктор Григорьевич
тел. в Москве. 8-916-122-4067
e-mail: tehnolog_neon@mail.ru
Многолетний личный опыт работы в области световой рекламы дает право автору утверждать, что надежность работы газосветных установок в равной мере зависит как от технически грамотного изготовления неоновых трубок, так и от их грамотного монтажа в световой установке.
Монтаж вовсе не сводится к механической установке ламп в держатели и подсоединению проводов, хотя и это тоже важно. Грамотный монтаж начинается за рабочими столами дизайнера и конструктора, с подробного анализа конструктивных особенностей установки, который включает анализ условий эксплуатации, подбор материалов (по механическим свойствам, по пожаробезопасности и т.д.), продумывания взаимного расположения элементов конструкции, с создания электрических схем. Одним из этапов такой работы является расчет световых линий.
Расчет световых линий включает: разбивку световых элементов на световые линии, расчет количества трансформаторов и их характеристик. Подобные расчеты должны закладывать в конструкцию необходимые "запасы" стабильности работы световых элементов. На "крыше" монтажнику некогда думать о физике работы ламп и конструктивных особенностях установок. Он должен работать по чертежам и электрическим схемам подсоединения, не допуская "отсебятины". Только в этом случае можно гарантировать долгую и стабильную работу световых установок.
Оспаривать необходимость предварительных расчетов можно сегодня только в порядке бреда. Есть многочисленные таблицы и калькуляторы, бери и считай. Однако "опыт- сын ошибок трудных" раз за разом подбрасывает одну проблему за другой. Иностранные методики не всегда дают надежные результаты, особенно в условиях низких температур. Поэтому приходится "подгонять" результаты расчетов.
А если не вслепую, а если попытаться понять как "устроены" расчетные таблицы? В чем физический смысл предлагаемых методик? Тут без теоретического анализа не обойтись. Предлагаю попробовать, это может быть интересно.
Известно, что суммарное напряжение горения световой линии определяется следующим выражением:
Us = Uo*N +Ls*E (1), где:
Uo- прикатодное падение напряжения, В;
Е- падение напряжения в положительном столбе разряда на единицу длины, В/м;
N- количество ламп в световой линии;
Ls- суммарная погонная длина световой линии, м.
Из формулы (1) следует, что:
Ls = Us/E - Uo*N/E (2)
Введем полезные обозначения. Величина Us/E носит название электрической длины световой линии и обозначается Lэл . Величина Uo/E определяет прикатодную длину и , для простоты, считается константой. Ее величина будет определена позднее. При создании таблиц используют, обычно, не сами величины Lэл и Uo/E , а их максимальные оценки. Так для Lэл используют следующую оценку:
Us/E меньше или равно Uxx*m/E (3), где:
Uxx - напряжение холостого хода трансформатора;
m - коэффициент, обеспечивающий условие надежного зажигания и горения ламп
световой линии.
Правая часть уравнения (3) называется максимально допустимой электрической длиной световой линии. Коэффициент m удобно представить в следующем виде :
m = m1*m2*m3 (4)
Коэффициент m1 - связан с выбором рабочего тока трансформатора, или допустимой нагрузки. Физический смысл этого коэффициента прост. Напряжение зажигания световой линии должно быть меньше напряжения холостого хода трансформатора. Напряжение зажигания превышает в 2раза (для ламп с неоновым заполнением) и в 1.8 раза (для ламп с аргоновым заполнением) напряжение горения. По данным фирмы FRANCE m1 меньше или равно 0.6. По данным европейских фирм - m1 меньше или равно 0.5.
Величина m1 определяется рабочими характеристиками трансформаторов. Так трансформаторы с керамическим корпусом при нагрузках больших 0.5 могут сильно перегреваться (за счет рассеяния тепла в магнитном шунте) и как следствие выходить из строя. И эти случаи далеко не единичны. Трансформаторы с металлическим корпусом способны выдерживать нагрузки в районе 0.6. Поскольку наиболее популярны в России трансформаторы с керамическими корпусами (FART, Tecnoservice, Siet) , то целесообразно, используя рекомендации указанных фирм, назначать нагрузку m1 меньше или равно 0.5.
Коэффициент m2, являются поправкой к основному коэффициенту m1. Он связан с различием стандартов сетевого напряжения. В России номинальное значение сетевого напряжения 220 В, вместо европейского - 230 В. Поэтому использование европейских трансформаторов при пониженном сетевом напряжении приводит к снижению реального выходного напряжения. Кроме того, важным фактором является наличие допуска на сетевое напряжение. Для надежной работы световой линии предлагается следующая оценка: m2 меньше или равно 0.875 - 0.96. Значение 0.875 необходимо использовать только в том случае, если в сети наблюдаются частые падения напряжения.
Коэффициент m3 также является поправкой к основному коэффициенту. Он учитывает рост величины E при понижении температуры (только для аргоновых ламп). Рост указанной величины связан с резким уменьшением давления паров ртути при понижении температуры. Климатические испытания ламп при отрицательной температуре дают следующую оценку:
m3 меньше или равно 0.87.
Таким образом, окончательно имеем:
m меньше или равно 0.48 - 0.44 - для неоновых ламп и аргоновых ламп, работающих в условиях нормальной
температуры (в помещении).
m меньше или равно 0.42 - 0.38 - для аргоновых ламп, работающих в условиях пониженных температур.
Теперь попробуем дать оценку величине Uo/E .Если использовать данные о Uo и E [1, 2] , то легко получить, что величина Uo/E меняется в пределах 0.2- 1 (в зависимости от рабочего газа и диаметра трубок). Низкие значения этой величины (0.2- 0.3) характерны для трубок малого диаметра, заполненных либо неоном, либо аргон-неоновой смесью с высоким содержанием неона. Высокие значения, наоборот, характерны для трубок большого диаметра (18- 20 мм), заполненных либо чистым аргоном, либо смесью с низким содержанием неона. Однако перечисленные случаи составляют, обычно, малую долю неоновой продукции. Чаще всего производятся трубки диаметров 12-15 мм, заполненные аргон-неоновой смесью. А для таких трубок характерны значения 0.4- 0.5. Поэтому значение Uo/E= 0.3 (рекомендуемое американскими таблицами), мягко говоря, вызывает сомнение. Более реальной мне представляется величина 0.5, рекомендуемая европейскими производителями трансформаторов (данные фирмы Siet). К достоинствам последней оценки, можно добавить то обстоятельство, что в случае малых диаметров и неонового заполнения она дает слегка заниженное значение суммарной погонной длины, что не только не снижает устойчивости работы световой линии, а, наоборот, повышает ее.
Остановимся подробнее на расчете допустимой (максимально возможной) электрической длины. Из формулы (3) видно, что величина Lэл определяется значением E, которое зависит от:
- Диаметра трубки;
- Типа рабочего газа и давления заполнения;
- От величины рабочего тока;
- От методики экспериментального определения.
Обычно, в таблицах указывают значения Lэл для нескольких значений токов. Попробуем разобраться, насколько это обосновано.
Известно, что для неоновых ламп характерно падение напряжения горения (соответственно и E) с ростом тока. Говорят, что динамическое сопротивление разряда носит отрицательный характер. Напротив, изменение указанных величин для аргоновых ламп, практически, несущественно (динамичское сопротивление близко к нулю). Но, если подумать, стоит ли усложнять таблицы темпрературной зависимостью? Используя принцип расчета "на худший случай", можно ограничиться минимальным рабочим током. Таковым можно считать ток в 20 мА. Тогда ошибка в расчете (в случае больших токов) будет в сторону повышения стабильности работы световой линии. Это тем более важно, что в течение срока службы суммарное напряжение световой линии будет расти, а рабочий ток - падать. Следовательно, такой расчет избавляет от необходимости вносить дополнительные корректировки к табличным данным.
Вопрос о заполнении рабочими газами также является довольно запутанным. Известно, что максимальный рабочий ток пропорционален квадрату давления газа и площади поверхности катода. [3]. Следовательно, для обеспечения надежной работы лампы либо повышают давление рабочего газа, либо увеличивают поверхность катодов. Увеличение давления приводит к увеличению срока службы лампы и росту доли электронов, способных возбуждать и ионизировать атомы рабочих газов (существенно в условиях низких температур). Однако при этом растут напряжение горения и напряжение зажигания ламп, что снижает полезную нагрузку. Таким образом, необходим разумный компромисс. К примеру, рекомендации фирмы FRANCE разработаны для нормальных температур, относительно малых рабочих токов 20-35 мА и аргоно-неоновых смесей с высоким содержанием неона. Значения давлений для всех газов одинаковы. Система простая, но не безупречная. Распространение этих рекомендаций на большие токи и низкие температуры неминуемо приводит к снижению срока службы ламп. Поэтому фирмы, ориентирующиеся на иные климатические условия и повышенные рабочие токи (к примеру, фирма EUROCOM INC.), рекомендуют повышать давление на 1-2 Торр., относительно рекомендаций фирмы FRANCE, а неоновые лампы, относительно аргоновых, заполнять на 2 Торр больше. Для наших Российских условий подобные рекомендации являются более предпочтительными. Однако в этом случае табличные значения Lэл не будут соответствовать реальности, и в них приходится вносить поправки.
Проблемным является вопрос о выборе состава аргон-неоновой смеси. Добавление в "аргоновые" лампы неона повышает электронную температуру газового разряда, что увеличивает давление паров ртути. Такие смеси называют морозостойкими. Наиболее часто используют смеси с 25, 50 и 75% содержанием неона. Причем, чем больше неона в смеси, тем эффект от повышения температуры должен быть больше. Это в теории. А на практике автору не удалось найти разумного критерия для выбора наилучшей смеси. Эксперименты показали, что величина напряжения горения, время разгораемости в условиях пониженных температур, а также срок службы ламп (данные исследователей из Саранска), практически, не зависят от соотношения газов в смеси. В таком случае, стоит ли использовать смеси с высоким содержанием неона? Вопрос далеко не праздный, поскольку с повышением процента неона растет напряжение горения. Самое разумное в этом случае остановиться на значении 50%. Впрочем - это дело вкуса.
Но даже при одинаковых токах и величинах заполнения, приведенные в технической литературе, данные о величинах Uo и E значительно отличаются друг от друга. Связано это с тем, что напряжение на лампе носит несинусоидальный характер. В момент зажигания лампы имеет место выброс напряжения, после которого часто наблюдаются колебания относительно среднего значения. То есть переменное напряжение частоты 50 Гц оказывается промодулированным высокочастотными колебаниями тока газового разряда. В этих условиях разные приборы будут давать разные значения действующего напряжения.
Подведем некоторые промежуточные итоги нашим изысканиям:
- Существующие расчетные таблицы не соответствуют Российским условиям эксплуатации газосветных ламп и стандартам сетевого напряжения;
- Рекомендуемые значения заполнения не обеспечивают гарантированного срока службы и надежности работы системы световая линия - высоковольтный трансформатор;
- Надежность работы световой линии достигается
немотивированным снижением нагрузки на трансформатор и использованием
электродов с большим запасом по току, что приводит к удорожанию световой
установки.
Критика, сама по себе, мало перспективное занятие, поэтому, выяснив " что такое плохо", попробуем понять "что такое хорошо".
Чтобы больше не утомлять читателя математическими выкладками, предлагаю ограничиться кратким описанием, проделанной автором работы
.
С помощью простой измерительной схемы, включающей автотрансформатор, высоковольтный трансформатор и измерительные приборы: милливольтметр переменного тока Э-365 и киловольтметр С-502 (со шкалой 0- 1500В), были произведены замеры напряжения горения более чем 2 тысяч газосветных ламп различного диаметра, газового заполнения и длины.
Результаты измерений обрабатывались методом "наименьших квадратов" в координатах U - L для определения физических параметров газосветных ламп Uo, E. Далее, используя приведенные выше соображения о выборе допустимой нагрузки, параметров заполнения и т.д., были получены значения допустимой электрической длины световой линии для наиболее часто используемых номиналов трансформаторов, различных диаметров ламп и различных типов заполнения. Результаты расчетов представлены в таблицах 1-3.
В таблицах указаны значения максимальной электрической длины световой линии Lэл. Погонная длина ламп получается вычитанием из табличного значения произведения количества ламп на 0.5 (N*0.5). В целом, схема расчета полностью идентична общепринятым методикам [1,2].
В предложенном
вашему вниманию исследовании были рассмотрены далеко не все вопросы
расчета световых линий. Как и большинство используемых расчетных схем,
предложенная схема не учитывает особенностей монтажа. Как правильно
учитывать длину проводов, или влияние монтажных емкостей на работу
световой линии (в особенности на высоких частотах)? Какие особенности
возникают в световой линии при работе в динамическом режиме? Как учитывать
погодные условия? Ответы на эти вопросы есть предмет дальнейших
исследований, которые выходят за рамки данной работы.
Таблица 1
Таблица расчета световой линии
Н е о н |
|
Напряжение холостого хода
трансформаторов, кВ |
Диаметр трубки, мм |
| |
8 |
10 |
12 |
15 |
18 |
| 12 |
7 |
8.1 |
9.3 |
11.1 |
12.7 |
| 10 |
5.8 |
6.7 |
7.7 |
9.3 |
10.6 |
| 9 |
5.2 |
6.1 |
7 |
8.3 |
9.5 |
| 8 |
4.7 |
5.4 |
6.2 |
7.4 |
8.4 |
| 7 |
4.1 |
4.7 |
5.4 |
6.5 |
7.4 |
| 6 |
3.5 |
4 |
4.7 |
5.6 |
6.3 |
| 5 |
2.9 |
3.4 |
3.9 |
4.6 |
5.3 |
| 3 |
1.7 |
2 |
2.3 |
2.8 |
3.2 |
| Рекомендуемое давление,Торр |
18 |
16 |
14 |
12 |
10 |
Таблица 2.1
|
Таблица расчета световой линии для
помещений
Неон + аргон + ртуть (Ne -25%, Ar
-75%)
|
|
Напряжение холостого хода
трансформаторов, кВ |
Диаметр трубки, мм |
| |
8 |
10 |
12 |
15 |
18 |
| 12 |
8.7 |
10.5 |
12.3 |
15.1 |
18.5 |
| 10 |
7.3 |
8.7 |
10.3 |
12.6 |
15.4 |
| 9 |
6.5 |
7.9 |
9.2 |
11.3 |
13.9 |
| 8 |
5.8 |
7 |
8.2 |
10 |
12.4 |
| 7 |
5.1 |
6.2 |
7.2 |
8.8 |
10.8 |
| 6 |
4.4 |
5.2 |
6.2 |
7.5 |
9.3 |
| 5 |
3.6 |
4.4 |
5.1 |
6.3 |
7.7 |
| 3 |
2.2 |
2.6 |
3.1 |
3.8 |
4.6 |
| Рекомендуемое давление,Торр |
16 |
14 |
12 |
10 |
8 |
Таблица 2.2
|
Таблица расчета световой линии для уличных условий
Неон + аргон + ртуть (Ne -25%, Ar -75%)
|
|
Напряжение холостого хода
трансформаторов, кВ |
Диаметр трубки, мм |
| |
8 |
10 |
12 |
15 |
18 |
| 12 |
7.6 |
9.2 |
10.8 |
13.2 |
16.2 |
| 10 |
6.4 |
7.7 |
9 |
11 |
15.4 |
| 9 |
5.7 |
6.9 |
8.1 |
9.9 |
12.1 |
| 8 |
5.1 |
6.1 |
7.2 |
8.8 |
10.8 |
| 7 |
4.5 |
5.4 |
6.3 |
7.7 |
9.5 |
| 6 |
3.8 |
4.6 |
5.4 |
6.6 |
8.1 |
| 5 |
3.2 |
3.8 |
4.5 |
5.5 |
6.8 |
| 3 |
1.9 |
2.3 |
2.7 |
3.3 |
4.1 |
| Рекомендуемое давление,Торр |
16 |
14 |
12 |
10 |
8 |
Таблица 3.1
|
Таблица расчета световой линии для
помещений
Неон + аргон + ртуть (Ne-50%,
Ar- 50%)
|
|
Напряжение холостого хода
трансформаторов, кВ |
Диаметр трубки, мм |
| |
8 |
10 |
12 |
15 |
18 |
| 12 |
7.1 |
10.7 |
13.2 |
15.1 |
18.1 |
| 10 |
5.9 |
8.5 |
11 |
12.7 |
15.1 |
| 9 |
5.3 |
7.8 |
9.8 |
11.4 |
13.7 |
| 8 |
4.7 |
6.9 |
8.7 |
10.6 |
12.1 |
| 7 |
4.2 |
6 |
7.6 |
8.7 |
10.6 |
| 6 |
3.6 |
5.2 |
6.6 |
7.6 |
9.1 |
| 5 |
3 |
4.3 |
5.5 |
6.4 |
7.5 |
| 3 |
1.7 |
2.6 |
3.3 |
3.8 |
4.6 |
| Рекомендуемое давление, Торр |
16 |
14 |
12 |
10 |
8 |
Таблица 3.2
|
Таблица расчета световой линии для уличных
условий
Неон + аргон + ртуть (Ne-50%, Ar- 50%)
|
|
Напряжение холостого хода
трансформаторов, кВ
|
Диаметр трубки, мм |
| |
8 |
10 |
12 |
15 |
18 |
| 12 |
6.2 |
8.9; |
11.5 |
13.2 |
15.8 |
| 10 |
5.2 |
7.4 |
9.6 |
11.1 |
13.2 |
| 9 |
4.6 |
6.8 |
8.6 |
10 |
12 |
| 8 |
4.1 |
6 |
7.6 |
8.8 |
10.6 |
| 7 |
3.7 |
5.3 |
6.7 |
7.8 |
9.3 |
| 6 |
3.1 |
4.5 |
5.8 |
6.7 |
8 |
| 5 |
2.6 |
3.8 |
4.8 |
5.6 |
6.6 |
| 3 |
1.5 |
2.3 |
2.9 |
3.3 |
4 |
| Рекомендуемое давление, Торр |
16 |
14 |
12 |
10 |
8 |
Литература:
- Воллин П. Расчет параметров для неоновых трубок. "Наружная реклама России", 1999г.,5-6, с. 78-79;
- Gut Gerhard Handbuch der Lichtwerbung Stuttgart? 1974/
- Актон Д., Свифт Д. "Газоразрядные лампы с
холодным катодом" М., "Энергия",1965г., 480с.
|
