Исследование и разработка старт е ров тлеющего разряда и зажига ю щих устройств на их основе для высокоэффективных источников света

На правах рукописи

Майоров Михаил Иванович

Исследование и разработка стартеров тлеющего разряда и зажигающих устройств на их основе для высокоэффективных источников света

Специальность: 05.09.07 - светотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Саранск 2008

Работа выполнена на кафедре общенаучных дисциплин Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н.П.Огарёва»

Научный консультант: доктор физико – математических наук, профессор

Горюнов Владимир Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кокинов Андрей Михайлович;

доктор технических наук, профессор Коротченко Владимир Александрович;

доктор технических наук, профессор Овчаров Александр Тимофеевич.

Ведущая организация – ОАО "ЛИСМА-ВНИИИС им. А.Н.Лодыгина".

Защита состоится «17» декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.13 при ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева» по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68, ауд. 243.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева».

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 430005, г. Саранск, ул. Большевистская, д.68а, ГОУВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарева», Диссертационный совет Д 212.117.13.

Автореферат разослан « » 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.117.13

к.т.н., доцент Кошин И.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Работа разрядных источников излучения низкого и высокого давления невозможна без использования специальных зажигающих устройств. Стартеры тлеющего разряда, появившиеся в 1938 году почти одновременно с началом коммерческого производства люминесцентных ламп, применяли для их зажигания.

Пускорегулирующие устройства со стартерами тлеющего разряда и в настоящее время широко используют для включения люминесцентных ламп.

Влиянию конструктивных и технологических факторов на характеристики газоразрядных стартеров посвящено большое количество публикаций. Однако и до настоящего времени роль различных физических процессов, проходящих в стартере, недостаточно изучена.

Стартер тлеющего разряда является сложным газоразрядным прибором с подвижными электродами, в котором реализуется кроме тлеющего и дуговой разряд с холодным катодом, влияние такого разряда на параметры стартера до последнего времени не было оценено должным образом.

Уже первые наши работы по данной тематике позволили заполнить этот пробел. Привлечение явления взрывной электронной эмиссии объяснило многие экспериментальные данные, накопленные ранее, позволило указать пути улучшения параметров стартеров. Выяснение роли стартера в формировании импульса напряжения в стартерной схеме зажигания люминесцентных ламп расширило сферу применения стартеров и на зажигание ламп высокого давления, усовершенствовать технологию производства стартеров.

Разработка энергоэкономичных люминесцентных ламп потребовала создание стартера тлеющего разряда с повышенной амплитудой зажигающего импульса. Физические механизмы, определяющие амплитуду зажигающего импульса, генерируемого стартерами в соответствующих схемах включения, не были ясны. Выявление этих механизмов и было первоочередной задачей в проведении всего комплекса работ по созданию стартеров тлеющего разряда для новых высокоэффективных источников света.

Заключительным процессом, формирующим качество стартера и определяющим его характеристики, является тренировка — про­цесс обработки отпаянного стартера путем пропускания через него тока. Разработка способа тренировки, при котором ее время могло быть снижено в 10 раз и более по сравнению с сущест­вующими, весьма актуальна.

Газоразрядные стартеры, используемые в основном для за­жигания люминесцентных ламп, совмещают функции прибора тлеющего разряда, металлического коммутатора и газового разрядника. Мно­гообразие физических процессов, реализуемых в стартере, позволяет на их основе создавать дешевые, малогабаритные импульсные зажи­гающиеся устройства разрядных ламп высокого давления.

Широко используют газоразрядные стартеры во встроенных за­жигающих устройствах газоразрядных ламп высокого давления.

Для зажигания некоторых типов ламп высокого давления необходима амплитуда импульса 15 – 30 кВ. Зажигающие устройства с такими параметрами можно изготовить на основе стартеров тлеющего разряда.

Миллиардные тиражи стартеров тлеющего разряда, производимых промышленностью, ставят тему разработки новых стартеров, расширения области применения и усовершенствования технологии их производства в разряд актуальных.

Цель работы

Исследование и разработка стартеров тлеющего разряда и зажигающих устройств на их основе как приборов, обеспечивающих зажигание высокоэффективных источников света.

В соответствии с поставленной целью сформулированы задачи работы:

1. Выявление физических механизмов, реализующихся в стартере при протекании тока, и их роли в формировании импульса напряжения в стартерной схеме зажигания люминесцентных ламп.

2. Разработка и внедрение в производство стартеров тлеющего разряда с повышенной амплитудой зажигающего импульса, для энергоэкономичных люминесцентных ламп.

3. Разработка способа тренировки стартеров, сокращающего время тренировки более чем в 10 раз, при снижении потребления энергии в 100 и более раз.

4. Разработка нового класса импульсных зажигающих устройств со стартерами для зажигания ламп высокого давления.

5. Разработка герметизированных терморазмыкателей, обладающих свойствами ограничителя амплитуды импульса, для ламп высокого давления со встроенными зажигающими устройствами.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

1. Разработана модель ограничения амплитуды импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения стартера. Исследованы механизмы контракции разряда с привлечением взрывной электронной эмиссии.

2. Измерены и проанализированы вольтамперные характеристики (ВАХ) тлеющего разряда в газоразрядных стартерах в диапазоне токов до 4 А при наполнении их инертными газами и смесями, включая органические и радиоактивные примеси. Установлено, что ВАХ стартера, при высоких напряжениях является экспонентой с возрастающем показателем – это связано с ростом коэффициента ионно-электронной эмиссии. Установлена зависимость времени задержки возникновения тока от амплитуды импульса и состава газовой среды в стартере.

3. Определена зависимость теплопроводности наполняющих стартер газов от состава и давления при температуре контактирования стартера.

4. Установлено, что определяющую роль в тренировке стартера играет высоковольтный импульс, генерируемый при размыкании контактов стартера. Определены параметры импульсов, подаваемых на стартер от внешнего генератора, для сокращения времени тренировки в 10 раз по сравнению с традиционным способом.

5. Обнаружена способность стартера работать в режиме быстродействующего газового разрядника и исследованы параметры этого разрядника в зависимости от состава и давления наполняющего газа.

6. Показана теоретически и подтверждена экспериментально возможность стабилизации температурных характеристик биметаллических терморазмыкателей при использовании специальных ограничителей деформации.

Практическая ценность работы

1. Разработаны и созданы экспериментальные установки для исследования газового разряда низкого давления, позволяющие измерять электрические, спектральные и термодинамические характеристики электрода и приэлектродной области в диапазоне токов от 10-4 до 103 А и температур от 77 до 1500 К при напряжениях до 5000 В.

2. Разработаны математические модели процесса генерирования импульса стартером в дроссельной схеме включения (программы «Стартёр», «Импульс»), математическая модель температурной деформации термобиметаллического электрода сложной формы (программа «Биметалл») для инженерного расчета стартеров. На основе численного анализа моделей выбраны оптимальные конструкции и наполнения стартеров.

3. Основываясь на особенностях протекания тока высокой плотности в тлеющем разряде, предложены способы тренировки стартеров, разработано и изготовлено оборудование, сокращающее время тренировки более чем в 10 раз, а потребление энергии в 100 и более раз.

4. По результатам проведенных исследований разработано новое поколение стартеров тлеющего разряда 80С-220-1, 80С- 220-2, 20С-127-1, 20С-127-2, соответствующих требованиям МЭК, серийный выпуск которых осуществляется по настоящее время на протяжении 20 лет.

5. Разработан новый класс импульсных зажигающих устройств со стартерами для зажигания ламп высокого давления. Изделия сертифицированы.

6. Впервые разработаны герметизированные терморазмыкатели, обладающие свойствами ограничителя амплитуды импульса. Конструкция размыкателей позволяет изготавливать их в серийном производстве без существенной дора­ботки оборудования. Эти терморазмыкатели вошли в конструкцию ламп ДНаМТ–340 в качестве элемента встроенного зажигающего устройства.

7. Для генерирования импульсов амплитудой порядка 15 – 30 кВ разрабо­таны и изготовлены простые и эффективные импульсные зажигающие устройства со стартером и автотранс­форматором типа ИЗУС-А, со стартером и транс­форматором типа ИЗУС-Т, обеспечивающие зажигание ламп высокого давления в горячем состоянии.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Амплитуда высоковольтного импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения разрядных источников света, не превышает напряжения, при котором ток аномального тлеющего разряда в стартере равен току через дроссель в момент разрыва контактов стартера.

2. Напряжение перехода аномального тлеющего разряда в стартере в низковольтную форму при средней напряженности электрического поля у катода около 2105 В/см ограничивает максимально возможное значение амплитуды высоковольтных импульсов, генерируемых в дроссельной схеме включения разрядных источников света со стартером, которое в результате этого определяется, в основном, составом и давлением газового наполнения стартера, материалом и конструкцией его электродов, а не величиной емкости помехоподавляющего конденсатора.

3. Введение в состав аргонового наполнения стартера при давлении 8 мм рт.ст. небольшого (10 – 4 %) количества радиоактивного трития, применение самария в качестве активатора, уменьшающего работу выхода электродов, устраняют задержку включения газоразрядных источников света после длительной темновой выдержки, связанную с увеличением времени статистического запаздывания и повышением напряжения зажигания разряда в стартере, при высокой (более 900 В) амплитуде импульсов напряжения, генерируемых схемой запуска.

4. Эффективность тренировки стартеров значительно повышается (необходимое время уменьшается более чем в 10 раз, потребление энергии – в 100 раз) при увеличении частоты следования тренирующих импульсов с 1 – 2 Гц (при традиционном автоколебательном режиме тренировки) до 10 – 20 Гц с использованием специального генератора (длительность импульсов 0.3 мс, напряжение 600 В, средняя мощность 1.5 Вт).

5. Для повышения надежности работы импульсного зажигающего устройства со стартером (ИЗУС), в качестве ограничителя тока предложено использовать токоограничительное сопротив­ление в составе позистора последовательно соединенного с резистором при выполнении следующего условия:

UC/ I0< RA < (UA/ UM)

где RA - суммарное сопротивление позистора и резистора; UC- действующее напряжение сети; UA – амплитудное значение напряжения сети; I0- ток удержания стартера; UM - амплитуда зажигающего импульса; R2 - сопротивление разрядного промежут­ка стартера; L - индуктивность дросселя; С - емкость, включенная параллельно лампе.

6. Определено условие, обеспечивающее высокую стабильность характеристик герметизированного терморазмыкателя для ламп со встроенными зажигающими устройствами:

при ,

где а – расстояние между электродами, мм; b – минимальное расстояние между ветвями U - образной биметаллической пластины, мм; S – толщина пластины, мм; А – удельный изгиб пластины, 1/0С; Т – максимально возможная температура разогрева пластины, 0С; t – температура размыкания контактов, 0С.

7. Показана возможность и доказана целесообразность применения стартеров тлеющего разряда в качестве быстродействующих разрядников с дуговым разрядом в пусковых устройствах с амплитудой импульса напряжения до 30 кВ, обеспечивающих зажигание источников света высокого давления в горячем состоянии.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы по мере их получения докладывались и обсуждались на Всесоюзном научно-техническом совещании «Состояния разработок и производства газоразрядных источников света, пути их дальнейшего совершенствования» (Полтава, 1982 г.); Всесоюзном научно-техническом симпозиуме по газоразрядным источникам света (Полтава, 1991 г.); III Межреспубликанском совещании по вопросам материаловедения для источников света и светотехнических изделий (Саранск, 1992 г.); II Международной светотехнической конференции (Суздаль, 1995г.); Международной конференции «Осветление 96» (Варна, 1996 г.); IV Всероссийском с международным участием совещании по материалам для источников света, электронных приборов и светотехнических изделий (Саранск, 1996 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Особенности и тенденции развития инженерно-университетского образования» (Саранск, 1997 г.); Международной научно-технической конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики» (Саранск, 1997 г.); IV Международной светотехнической конференции (Вологда, 2000 г.); III Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2001 г.); Всероссийской научно-технической конференции «Светотехника, электротехника, энергетика» (Саранск, 2003г.); IV международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики» (Саранск, 2003 г.); XXV Российской школе по проблемам науки и технологий, посвященной 60-летию Победы ( Миасс, 2005 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств» ( Рузаевка, 2005 г.); III и IV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» (Саранск, 2005 г., 2006 г.); VI Международной Светотехнической конференции (Калининград – Светлогорск, 2006 г.); V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света» (Саранск, 2007 г.).

Публикации

Материалы диссертации изложены в 47 работах, включая монографию, 16 патентов, а также статьи, опубликованные в рецензируемых журналах, сборниках материалов и тезисов докладов Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка цитируемой литературы и приложений. Объем диссертации составляет 300 стр., включая 131 рис., 39 табл. Список цитируемой литературы содержит 215 наименований.

Личный вклад автора

Все исследования, представляющие защищаемые положения, выполнены автором лично или под его руководством. Экспериментальные образцы стартеров изготавливались в ходе выполнения хоздоговорных работ, проводимых под руководством автора в интересах ОАО «ЛИСМА - ВНИИИС им. А.Н. Лодыгина», ОАО «ЛИСМА», ООО «ЛИСМА - РУЗМАШ», на этих предприятиях.

На различных этапах исследования в постановке конкретных задач, обсуждении результатов, изготовлении экспериментальных образцов и опытных партий, проведении измерений принимали участие Волков И. Ф., Горюнов В. А., Демышев В. Е., Ермошин В. А., Ивченко И. А, Лашин В. А., Несененко Г. В., Неретин Б. И., Пинясов Е. В., Федоренко А. С., Шумилина Н. В.

Выражаю им свою глубокую благодарность.

Содержание работы

Во введении показана актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая ценность, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, представлена структура диссертации.

В первой главе проводится анализ результатов, накопленных при разработке стартеров и исследований характеристик газового разряда. Рассматривается принцип действия стартера и особенности его работы в «отстающей» и «опережающей» цепях.

Стартер тлеющего разряда - это га­зоразрядный прибор, имеющий, по крайней мере, одну биметаллическую пла­стину, способную при разогреве касаться второго электрода стартера и замы­кать внешнюю электрическую цепь.

Несмотря на разнообразие конструкций по параметрам стартеры можно разделить на две группы – предназначенные для работы в сетях 127 В и предназначенные для работы в сетях 220 В. Стартеры, предназначенные для работы в сетях 127 В по конструкции – несимметричные. На неподвижный электрод в этих стартерах закрепляется активатор, распыляемый при тренировке. Стартеры, предназначенные для работы в сетях 220 В, изготавливают как симметричной, так и несимметричной конструкции.

С целью увеличения дол­говечности стартера и длительности контактирования при прекращении тлею­щего разряда в ряде работ предлагается тер­мочувствительный элемент изготавливать из материала с обратимой памятью фор­мы.

Предлагаются конструкции стартеров, в которых исключен механический контакт электродов. Катод выполнен из материала с мартенситным превращением и имеет форму кардиоиды. Ветви ее подпружи­нены у вершины на величину, состав­ляющую 20-70% максимального свобод­ного хода каждой из ветвей. Это поз­воляет создать интенсивный скачок напряжения зажигания за счет трех­кратной смены двух разрядных поверх­ностей катода при раскрытии катода и соответствующего изменения величины тока. Несмотря на большое число изобретений, предлагающих использовать металлы с обратимой памятью формы, до настоящего времени на практике в качестве термоактивного элемента в стартерах используется исключительно термобиметалл.

Облегчение зажигания тлеющего разряда в стартерах, предназначенных для работы в сетях 127 В, достига­ется путем приварки к одному из элек­тродов активатора. В качестве активатора используют материалы с малой работой выхода: соединения бария, самарий, сплавы на основе церия и других редкоземельных металлов. При соответствующей обработке активатор распыляют, обеспечивая требуемые характеристики стартера по напряжению зажигания. В ряде случаев на внутреннюю сторону баллона наносят слой радиоактивного материала - окиси урана или другого радиоактивного препарата, для предотвращения отрицательного явления, при ко­тором напряжение зажигания стартера в темноте имеет зна­чение, отличное от напряжения зажигания на свету. Кроме того электроды могут быть покрыты цинком, алюминием в целях снижения напряжения зажигания стартера.

Для наполнения стартеров используют инертные газы и их смеси с водородом, азотом, метаном и др. В зависимости напряжения зажигания разряда от рода и давления газа наблюдался эффект смешения чистых газов. Например, небольшая прибавка аргона к неону снижает напряжение зажигания разряда по сравнению с чистым неоном. Так как величина коэффициента вторичной электронной эмиссии зависит от состояния поверхности эмиттера, то следует ожидать, что для различных электродов при одних и тех же наполнениях условия пробоя будут разными. Наименьшее напряжение пробоя имеет место в случае смеси Ne с 0,1% Ar, однако даже минимальная величина этого напряжения при железных катодах оказывается больше величины напряжения пробоя чисто аргонового промежутка в случае катодов с малой работой выхода (Na, Ba). Замена железного катода на натриевый уменьшает минимальное напряжения зажигания разряда с 200 В до 90 В. Применение смеси Ne с 0,1% Ar, позволяет уменьшить напряжение пробоя до 70 В.

Основные данные по катодному слою нормального тле­ющего разряда низкого давления известны достаточно полно. Длина области катодного падения при аномальном тлеющем разряде lКА уменьшается с увеличением катодного падения UКА. Однако это уменьшение lКА /lК ограничено 3-4 кратным отношением.

Достиже­ние определенной плотности тока в аномальном тлеющем разряде приводит к скачкообразному переходу тлеющего разряда в дуговой. Этот переход сопровожда­ется перераспределением тока на катоде (ло­кализацией тока в области катодного пятна) и может происходить в случае, когда электрическое поле на катоде достаточно для иниции­рования автоэмиссии с отдельных участков поверхности. Тогда ток автоэмиссии будет усиливаться объемным заря­дом положительных ионов, что приведет к дальнейшему росту плотности тока, взрыву микроострий и образованию катодного пятна.

В таблице 1 даны параметры катодного слоя при переходе тлеющего разряда в дуговой (р — давление в камере; р* — давление в раз­рядной зоне; jн – плотность тока, j* критическая плотность тока, при которой разряд переходил в дуговой.). Ток и напряжение перехода, а также напряженность поля на катоде, оцененная по плотности тока j*, показаны в четвертом, пятом и шестом столбцах. Оказалось, что в широком диапазоне давлений образование дуги наблюдалось при электриче­ских полях на катоде Еk~106 В/см.

Табл. 1

p, мм рт.ст.	jн, А/см2	p*, мм рт.ст.	j*, А/см2	U,B	Ek, 105 В/см
50	0,12	25	123	730	9,3
140	0,44	47	118	575	9,4
440	1,90	98	117	460	9,9
750	3,30	129	109	400	9,6
1300	4,50	150	98	380	9,4

К общим процессам, которые имеют место в боль­шинстве классов ионных приборов, относятся: а) убыль газа в объеме вследствие поглощения его стенками и элект­родами прибора; б) распыление материала катода под действием ионной бомбардировки (катод­ное распыление). Оба эти фактора ограничивают долговечность прибора, в том числе и стартера. Приведены данные о скорости поглощения газа, а также интенсивности распыления катода, которые зависят от: 1) рода и начального давления газа; 2) амплитуды и длительности прохождения импульсов анодного тока; 3) частоты импульсов.

Во второй главе изложены материалы по разработке стартеров к энергоэкономичным люминесцентным лампам для сети 220 В.

Начало исследований было положено в 1983 году, когда встала задача разработки отечественных стартеров с повышенным зажигающим импульсом для энергоэкономичных люминесцентных ламп.

Для измерения характеристик разряда в стартере, а также для наблюдения за величиной и формой импульса, генерируемого в стартерной схеме включения люминесцентной лампы, были разработаны и изготов­лены соответствующие установки.

Измерены электрические характеристики стартеров 80С-220, выпускавшихся в СССР до начала этой разработки. При измерении вольтамперной характеристики стартера (минус на биметалле) установлено, что ток, равный 1 А в стартере 80С-220, достигался при напряжении 350 В. Больший ток регистрировали при большем напряжении. Максимальная амплитуда импульса, генерируемого стартером при таком включении в стандартной схеме измерения импульса, имела значения – 350 В Выявленное соответствие между напряжением высоковольтного импульса и величиной напряжения, обеспечивающего ток тлеющего разряда, протекающего через стартер на уровне 1 А позволило связать эти два напряжения.

С момента генерации импульса (момент разрыва контакта стартера) энергия, запасенная в дросселе, начинает рассеиваться и утекает в основном через газоразрядный канал стартера. Интенсивность утечки можно описать, введя понятие «сопротивление стартера». Сопротивление это меняется в зависимости от тока разряда, уменьшаясь при возрастании тока. Если принять сопротивление утечки R =, то максимальная амплитуда импульса, генерируемого дросселем индуктивностью 1 Гн, при обрыве тока 0,4 А будет равна 5000 В при емкости С конденсатора, включенного параллельно стартеру С=10-8 Ф. Специально проведенные расчеты, дали зависимость амплитуды и формы импульса напряжения от времени для широкого спектра токов обрыва и различного сопротивления утечки.

При противоположной полярности включения стартера (площадь катода в 10 раз меньше) ни при каком значении тока не удалось получить напряжение на стартере большее 700 В. Осциллограммы токов в дросселе и напряжений на стратере 80С-220 приведены на рис.1 для двух значений помехогасящей емкости, включенной параллельно стартеру (плюс на биметалле, реализуются пробои – резкое уменьшение напряжения на стартере).

Осциллограммы, приведенные на этих рисунках, обозначенные буквами а, б, в, отличаются только длительностью развертки. На рис.1а приведена зависимость тока через дроссель и напряжения на стартере от времени при емкости конденсатора С = 6000 пФ и длительности развертки 50 мс на деление. Момент окончания контактирования совпадает с моментом

Р и с. 1. Осциллограммы импульсов на стартере 80С-220.

Ток в дросселе - (1) - 1А/дел. Напряжение на стартере - (2 ) - 400В/дел. Длительность горизонтальной развертки: а-50 мс/дел.; б-1 мс/дел.; в,г - 200 мкс/дел. Емкость конденсатора: а, б, в – 6000пФ; г –50000пФ. Стрелкой обозначен момент разрыва контактов стартера.

возникновения импульсов (обозначен стрелкой). Видно, что при данной развертке структура импульса не просматривается, его амплитуда составляет 700 В.

Более быстрая развертка (1 мс на деление) позволяет рассмотреть тонкую структуру импульса. Видно, что напряжение в импульсе не постоянно (рис.1 б ). Оно возрастает до величины 700 В и затем быстро падает, затем вновь возрастает и вновь уменьшается, т.е. имеет место серия пробоев, подобных тем, которые характеризуют работу релаксационного генератора. С помощью более быстрой развертки (рис.1 в) удалось установить, что постоянная времени заряда конденсатора подключенного к стартеру, зависит от величины тока, протекающего в цепи в определенный момент времени. Максимальная длительность импульса достигает величины 300 мкс.

Увеличение емкости конденсатора до 50000 пФ не приводит к изменению величины амплитуды импульса (рис.1 г ), однако количество импульсов уменьшается, а длительность каждого увеличивается, т.к. увеличивается время заряда конденсатора до напряжения пробоя (сравни рис.1 в и 1 г). Увеличение длительности импульса должно благоприятно сказаться на зажигании люминесцентных ламп.

Вновь разрабатываемые стартеры 80С-220-1 должны были обеспечить амплитуду импульса не менее 900В и заменить стартеры 80С-220, по крайней мере, в светильниках с энергоэкономичными лампами.

Сравнительные оценки стартеров симметричной и несимметричной конструкций показали, что повышенную амплитуду импульса проще получить при несимметричной конструкции стартера. Важным было и более продолжительное время первого контактирования у стартеров такой конструкции.

Биметалл выбирали исходя из его доступности и наибольшего коэффициента чувствительности. Лучшим по данной совокупности качеств был определен биметалл марки ТБ 148/79-03*12,0-ППК-АЭП ГОСТ10533-86, имеющий удельный термический прогиб k =14,8 * 10- 6 * К-1, удельное электрическое сопротивление = 0.79 Ом*м.

С использованием математического моделирования было исследовано влияние формы и размеров биметаллической пластины стартера на отклонение свободного конца пластины от равновесного состояния при повышении температуры. Округлый изгиб в первом приближении аппроксимировали П- образным изгибом.

Пусть в точке деления Х3 пластина изогнута при t = 200С на 900 по часовой стрелке, а в точке Х4 - еще на 900. При нагреве частичные участки пластины примут вид, показан­ный на рис.2.

Р и с. 2. Повороты частичных участков П – образной пластины при нагреве.

Координаты ( Х4, У4 ) и (Х 5, У5 ) опре­деляли по формулам:

, (1)

, (2)

, (3)

(4)

По принципу формул (1- 4) можно учесть любой предварительный изгиб пластины при расчете ее температурной деформации.

Составлены соответствующие программы расчета отклонения свободного конца пластины при различных соотношениях длин сторон L1, L2, L3. Если общая длина пластины остается неизменной, то наибольшее отклонение У при одной и той же температуре будет в случае максимальной длины свободного конца L3. Увеличение перемычки L2 за счет стороны L3 при постоянном значении L1 ведет к уменьшению отклонения У. Увеличение перемычки L2 за счет стороны L1 при постоянном L3 ведет к увеличению отклонения У.

Соблюдая габариты стартера, наилучший ре­зультат можно получить при максимально возможных длинах сторон L1, L2, L3, причем должно быть выдержано соотношение L1 < L3. Конструкцию биметаллического электрода выбирали исходя из двух сообра­жений - достижение минимальной площади и технологичности. В качестве второго электрода была выбрана проволока диаметром 0,6 мм из спецсплава. Конструкцию стартера, габаритные размеры (см. рис.3) выбрали с учетом существовавшего технологического оборудования.

На рис.4 показано, как влияет давление газовой смеси, состоящей из 98% Ne + 2% CH4, на вольтамперные характеристики стартеров. Как следует из данных рис. 4, увеличение давления приводит к увеличению тока,

Р и с. 3. Конструкция стартеров 80С- 220-1 (а) и 20С- 127-2(б);

1. бусинка, 2- колба стартера, А – активатор.

Р и с. 4. Вольтамперные характеристики стартеров.

Наполнение 98%Nе + 2% СН4 при давлении 1-35мм рт.ст.;2-30мм рт.ст.; 3- 20мм рт.ст.; 4- 40мм рт.ст. (80С-220-1); Плюс на биметалле Минус на биметалле.

протекающего через стартер под действием высоковольтного импульса и снижающего его амплитуду, т.е. повышение давления наполняющей смеси нежелательно. Принятое решение о давлении наполняющей смеси было компромиссным. С учетом эффекта жестчения газа давление было выб­рано равным 40 мм рт.ст. Из всех исследованных составов этот состав показал себя как наиболее оптимальный.

Разработка проводилась при тесном контакте с ВНИИИС им. А.Н.Лодыгина по его заказу. В 1988 году стартер марки 80С-220-1 в алюминиевом корпусе был внедрен в производство по ТУ 16 - 88 ИКВА 675 593. 001 ТУ и в различных модификациях выпускается по настоящее время. Одна из наиболее массово выпускаемых модификаций – 80С-220-2 – стартер в пластмассовом корпусе.

В третьей главе изложены материалы по разработке стартеров к энергоэкономичным люминесцентным лампам для сети 127 В.

Задача разработки стартеров типа 20С-127 с повышенным зажигающим импульсом оказалась более сложной, нежели разработка стартера 80С-220-1. Главная сложность заключалась в обеспечении надежного зажигания стартеров после 15-и часового пребывания в темноте.

На рис. 5 представлены зависимости напряжения зажигания стартёров тлеющего разряда типа 20С - 127 от продолжительности выдержки их в

Р и с. 5. Зависимость напряжения зажигания стартеров от времени выдержки в темноте 1- область возможных значений для стартера 20С-127; 2- с дополнительной лам­пой ИН-3 в корпусе. Переменное напряжение 50 Гц

темноте. Как видно из данных, приведённых на рис.5 (ГОСТ требует проводить измерение параметров стартеров после 15-и часов темновой выдержки), увеличение продолжительности темновой выдержки стартеров приводит к росту напряжения зажигания. На этом же рис. 5 (кривая 2) приведена зависимость напряжения зажигания стартера 20С-I27 от времени выдержки в темноте при подключенной параллельно ему газоразрядной лам­пе ИН-3 с токоограничительным элементом. Видно, что при этом напряжение зажигания стартера почти не зависит от времени выдержки в темноте.

На рис.6 приведены зависимости напряжения зажигания стар­тёра от времени темновой выдержки для экспериментальных образ­цов, наполненных смесями Ne +10 % Ar, Ne +10 % Xe. Выбор для исследования смесей Ne + Ar, Ne + Хе вызван тем что они облада­ют наибольшим значением коэффициента объемной ионизации , т.е. обеспечивают при прочих равных условиях наименьшее напряжение за­жигания. Введение в смесь достаточно большого количества Ar или Хе обусловлено желанием уменьшить влияние "жестчения" газа в процессе срока службы.

Р и с. 6. Зависимость напряжения зажигания стартеров от времени выдержки в темноте 1- 10% Ar +90% Ne, 2-Xe10% +90%Ne.

Так поступают производители приборов тлеющего разряда, не используя в наполнении приборов смесь Ne +0,1 % Ar, имеющую наиболь­шее значение .

Применение смеси Ne +10 % Xе обусловлено тем, что согласно экспе­риментальным данным напряжение пробоя стартера, наполненного этой смесью при давлении 40 мм рт.ст., имеет величину около 100 В (рис.7, кривая 3).

Р и с. 7. Зависимость напряжения темнового зажигания стартеров от состава наполняющего газа при давлении 1-10 мм рт.ст.; 2-20 мм рт.ст.; 3-40 мм рт.ст.;

Повышение содержания Хе в смеси приводит к увеличению времени контактирования стартёра. В чистом Xe время контактирования достигало величин десят­ков секунд, что, конечно, неприемлемо для стартёра. Зависимости рис. 6 показывают, что стартеры, наполненные смесями Ne+10% Ar, Ne +10 % Xe, зажигаются в темно­те практически при том же напряжении, что и на свету. Однако предпочтение в дальнейшем было отдано наполняющей смеси состава Ne +10 % Ar, как обеспечивающей меньшее напряжение зажигания и больший высоковольтный импульс.

Как было показано ранее, величина максимального импульсного напря­жения не превышает напряжение при котором в стартере существу­ет ток аномального тлеющего разряда 1 А. Наилучшие с этой точки зрения результаты дают стартёры с наполнением Ar при давлении 8 мм рт.ст. (рис.8).

Стартеры, наполненные смесью Ne + 10% Ar при Р = 100 мм рт.ст., более быстро разогреваются (ток тлеющего разряда большой), но амплитуда высоковольтного импульса у них меньше. Подходящим для стартеров, работающих в сетях 127 В, с точки зрения напряжения зажигания, является наполнение, состоящее из Ne +10 % Ar при давлении 30 мм рт.ст. Учитывая данные рис. 6, это наполнение обеспечивает и устой­чивое зажигание в темноте, однако, время до первого контактирования стартера при этом велико.

Р и с. 8. Полные вольтамперные характеристики стартеров наполненных:

1- Ne + 10% Ar (Р = 100 мм рт.ст.); 2- Ar (Р = 20 мм рт.ст.); 3- Ar (Р = 8 мм рт.ст.).

Плюс на биметалле; Минус на биметалле.

Если стартер находится в темноте, то для его надежного зажигания самым эффективным приемом считается введение в состав наполняющего газа радиоактивной примеси (трития или Kr85). Очевидно, что в этом случае возникают проблемы обеспечения радиационной безопасности как при производстве, так и при использовании таких стартёров.

Особенность использования трития ( 13Н) в стартерах заключается в том, что при его радиоактивном распаде, протекающем по схеме:

13 Н 23 Не + +

в стартере создаются электрон ( излучение), способный ионизировать инертный газ и антинейтрино - :

Х = Х+ + е -,

Благодаря образующимся при этом ионам Х+ и электронам е - облегчается зажигание стартера в темноте. Одна – частица способна ионизовать большое количество атомов инертного газ Если стартеры заполняются инертным газом с давлением 10 мм рт.ст. и объем 1стартера равен 1 мл. то для заполнения 370000 стартеров требуется 370000 мл = 370 л инертного газа при давлении 10 мм рт.ст. (что соответствует 5 л газа при давлении 760 мм рт. ст. или 1 атм.). При давления 5 атм. этот газ займет объем 1 л. Если предварительно добавить в этот баллон тритий с активностью 100 мкКи, то в каждом из 370000 стартеров окажется тритий в количестве, обеспечивающем радиоактивность 10 Бк. Для расчетов, связанных с приготовлением смесей инертного газа с тритием, используемых для заполнения стартеров, предлага­ются следующие формулы:

А= 20V*р и n =7,6 • 104 V*р,

где А - активность (в мкКи) трития, которую следует добавить в баллон с инертным газом, V –объем (в литрах) баллона с инертным газом, р - давление (в атм.) инертного газа в баллоне, n- число стартеров, которые можно заполнить находящейся в баллоне смесью инертного газа с тритием.

На рис.9 представлены харак­теристики стартеров с тритием. Видно, что введение в состав наполняющей смеси Kr увеличивает ток тлеющего

Р и с. 9. Вольтамперные характеристики стартеров. А- минус на биметалле,

остальное - плюс на биметалле. Наполнение: Kr (8 мм рт.ст.);

80% Kr + 20%Не (15 мм рт.ст.); 80% Kr + 20%Не (8 мм рт.ст.)

90% Nе + 10% Ar (30 мм рт.ст.) Ar (8 мм.рт.ст.)

разряда, уменьшая время до первого контактирования. Однако, как показано ранее, уве­личение тока тлеющего разряда может привести в снижению ампли­туды высоковольтного импульса, что далеко не всегда является желательным.

Судя по данным, приведенным в этой главе, лучшими электрическими характеристиками обладают стартеры, наполненные смесью Kr + 20% Не при давлении 8 мм рт.ст. Однако использование смесей газов столь значительно отличающихся массами молекул, требует специальных мер для предотвращения расслоения смеси при наполнении стартеров, что в условиях массового производства трудновыполнимая задача.

Использование трития в наполнении стартеров полностью снимает проблему темнового зажигания и позволяет рекомендовать для наполнения стартеров аргон при давлении 8 мм рт.ст. Информация, полученная в результате проведенных исследований, позволила выработать рекомендации и разработать стартер для люминесцентных ламп с питанием от сети 127 В. Прибор запатентован.

Разработка проводилась при тесном контакте с ВНИИИС им. А.Н.Лодыгина по его заказу. В 1990 году стартер марки 20С-127-2 был внедрен в производство по ТУ 16 - 90 ИКВА 675 591. 003 ТУ и в различных модификациях выпускается по настоящее время. Выпущено более 50 млн. таких стартеров. Одна из наиболее массово выпускаемых модификаций 20С-127-1 – стартер в пластмассовом корпусе.

Четвертая глава посвящена модернизации технологического процесса. Технологический процесс производства стартеров можно свести к пяти основным операциям: 1- монтаж ножки; 2- заварка; 3- откачка; 4- тренировка; 5- операция сборки.

Заключительным процессом, формирующим качества стартера и во многом определяющим его характеристики, является тренировка — про­цесс обработки отпаянного стартера путем пропускания через него тока.

По существующей технологии стартер включают в сеть 220 В через дроссель. Процесс тренировки можно разложить на 3 основных этапа: 1-й — тлеющий разряд при напряжении меньшем сетевого; 2-й — замыкание контактов, и протекание тока "короткого замыкания"; 3-й — размыкание контактов — при этом дроссель генерирует импульс напряжения, который ока­зывается приложенным к стартеру. Именно 3-й этап наиболее эффективен в процессе тренировки, т.к. во время действия высоковольтного импульса реализуется аномальный тлеющий разряд. Остальные этапы, более продолжительные по времени, менее эффективны для тренировки. Исключение их из процесса тренировки, разработка такого способа тренировки, при котором ее время могло быть снижено в 10 раз и более по сравнению с сущест­вующими методиками, и стало нашей задачей.

Эта задача решалась путем ис­пользования специальных генераторов импульсов. Импульсы напряжения подводили к стартеру, при этом стартер не контактировал. Частота следования импульсов не зависела от свойств стартера, а определя­лась характеристиками генератора.

Исследованы ВAX стартеров 20С-127-1 после импульсной тре­нировки при различных параметрах импульсов, а также влияние полярности напряжения на процесс импульсной тренировки ста­ртеров. ВAX стартера 20C-127-1 после импульсной тренировки при длительности импульса = 100 мкс, частоте повторения f = 50 Гц и импульсном токе IА = 0,5 А представлены на рис.10.

Р и с. 10. ВАХ стартеров 20С-127-1 (тренировка импульсами тока 0,5А)

0 - до тренировки; после тренировки в течение:1- I мин; 2 - Змин; 3 - 5 мин;

4 - 10 мин; 5 - 20 мин

Сравнивая ВАХ стартеров 20С-127-1 после обычной тренировки и после импульсной было установлено, что наиболее эффек­тивной явилась тренировка импульсами тока IА= 0,5 А. Такой режим оказался даже более эффективным, чем тренировка импуль­сами тока величиной 4 А. Причину этого следует искать в дан­ных рис.11, где приведена ВAX стартера 20С-127-1. При токе около IА = 0,6 А разряд в стартере переходил в дуговую форму с малым падением напряжения. Катодное пятно возникало в месте спая металлических электродов со стеклом. От экземпляра к экземпляру стартеров величина тока перехода колеблется от 0,3 А до 0,7 А. Очевидно, что при импульсном токе IА = 4 А раз­ряд в стартере существовал в дуговой форме. Поверхности элек­тродов при такой форме разряда очищались ионной бомбардиров­кой хуже, чем при аномальном тлеющем разряде при токе IА = 0,5А. Поэтому скорость тренировки при импульсном токе IА = 4 А оказалась ниже, чем при импульсном токе IА = 0,5 А (частота импульсов и их длительность в обоих случаях была одинакова).

Р и с. 11. ВАХ стартера 20С-127-1. Стрелкой обозначено напряжение возникновения дугового разряда в стартере

Аналогичные исследования ВАХ: после обычной тренировки, после тренировки тлеющим разрядом, после импульсной трениро­вки были проведены для стартеров 80С-220-2. Тренировку стар­теров следует проводить токами, меньшими, чем ток перехода в дуговую форму. Величина тока перехода мало зависит от наполнения стартера и лежит в пределах 0,3 – 0,7 А для различных экземпляров стартеров.

Специально проведенными исследованиями установлено, что давление наполняющего стартер газа и температура контактирования в процессе импульсной тренировки меняются незначительно.

Данные, полученные нами, позволили установить, что максимальная мощность, которую можно вводить в стартер при тренировке, с тем, чтобы он замкнул контакты не быстрее чем за 1 минуту, составля­ет для стартеров 20С-127-1 - 0,7-0,8 Вт, а для стартеров 80С-220 -2 - 1,3-1,5 Вт. Введение большей мощности умень­шает время до контактирования, что не всегда желательно при тренировке.

Из данных рис. 11 следует, что при токах, превосходящих значение I = 0,6 А ( в разных типах стартеров эта величина меняется от 0,3 до 0,8 А), аномальный тлеющий разряд в стартере переходит в дуговой с малым падением напряжения. Разряд в дуговой фазе мало эффективен для тренировки стартера и поэтому подавать на стартер импульсы тока больше 0,4 А нецелесообразно. Для стартера 20C-127-1 при IА = 0,4 А U= 650 В (рис.11).

Если остановиться на частоте повторения импульсов f = 20 Гц (что в 10 раз больше, чем частота следования импульсов при традиционной тренировке), то при условии Р= 1,5 Вт длительность импульсов тока составит: = Р*Т /I*U = 1,5* 5*10-2 / 0,4*600 = 300 мкс.

Формировать импульсы с такими характеристиками удобно с помощью транзисторных генераторов с индуктивной нагрузкой (рис.12).

Р и с. 12. Схема блока формирования импульсов.

На рис. 13 приведены осциллограммы тока, протекающего через стартер, включенный в схему рис.12. Проведенные опыты показали, что генератор импульсов для тренировки стартеров позволяет оттренировать стартер менее чем за 1 минуту. Частота следования импульсов соответствова­ла расчетной и составляла 20 Гц.

Р и с. 13. Зависимость тока через стартер от времени.

1-стартер 20С-127-1; 2 – стартер 80С-220-2. L – одна половина обмотки

дросселя 1 УБИ-15/127-ВП-040 УИ

Протоколы испытаний подтвер­ждают, что использование предложенного способа тренировки по­зволило выпускать стартеры в соответствии с ГОСТом, причем время тренировки сократилось в 10 раз, а энергозатраты на тренировку уменьшились почти в 100 раз по сравнению с обычной тренировкой.

Еще большего эффекта достигли при тренировке стартеров методом плавления активатора. При реализации этого изобретения применительно к стартерам 20С-127-1 время тренировки составило 5 с., энергия Е = 10 Дж. В результате тренировки время зажигания люминесцентной лампы стартером снизилось до 3 с., в то время как при стандартной тренировке время зажигания лампы достигало 15 с.

В пятой главе представлена разработанная нами модель механизма ограничения амплитуды высоковольтного импульса, генерируемого в стартерной схеме включения газоразрядных ламп.

В эквивалентной электрической схеме включения стартера для зажигания газоразрядных ламп, приведенной на рис.14, стартер S представлен комбинацией трех элементов: ключа К, сопротивления утечки R2, разрядника Р. Направления токов I1, I2, I3 указанны для процессов, проходящих после размыкания ключа К. Параметры разрядника Р (напряжение пробоя) зависят от конструкции стартёра, состава и давления наполняющего газа. Сопротивление R2 определяется для стадии аномального тлеющего разряда в стартёре.

Р и с. 14. Эквивалентная электрическая схема включения стартера для зажигания газоразрядных ламп.

Процесс разрыва контактов в стартёре может быть представлен последовательностью фаз: 1) «мостик»; 2) короткая дуга длиной 0.1 – 1 мкм, при длительности < 5мкс и напряжении горения U ~ 10-20B); 3) плазменная дуга размыкания, время горения которой является функцией тока. При дальнейшем расхождении контактов возникает тлеющий разряд между электродами стартера. За время размыкания контактов, включающего три первых фазы и длящегося единицы микросекунд, энергия, накопленная в дросселе, изменяется незначительно так, что к моменту возникновения в стартёре тлеющего разряда эта энергия , сохраняется почти полностью. Возникающий затем тлеющий разряд и является тем каналом, по которому рассеивается накопленная в дросселе энергия. Контакты стартёра можно представить в виде идеального ключа К.

На рис.15 представлены осциллограммы тока и напряжения на стартере 80С-220-2 при разрыве контактов в типовой схеме включения газоразрядных ламп. На осциллограмме 1 видно, что пробои возникают многократно даже после одного разрыва контактов стартера до тех пор, пока не израсходуется энергия, накопленная в магнитном поле дросселя.

Максимальная амплитуда импульсов Umax ограничивается напряжением пробоя – напряжением перехода аномального тлеющего разряда в низковольтную дугу. Специальные исследования показали, что при каждом таком пробое происходит переход от катодного слоя с равномерной эмиссией со всего катода к слою, в котором эмиссия электронов с малого участка

Р и с. 15. Осциллограммы импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения газоразрядного стартера 80С-220-2. 1- напряжение на стартере - 600 В/дел,

2 - ток в дросселе - 0,5А/дел, развертка-0,2 мс/дел. Стрелкой отмечен момент

разрыва контактов стартера.

обеспечивает ток в столбе на площади, значительно превосходящей площадь эмитирующего участка поверхности катода - тлеющий разряд переходит в дуговой. Время существования дуги – доли микросекунды. Место локализации катодного пятна – место спая электрода со стеклом. В спектре излучения пятна присутствуют интенсивные линии, соответствующие спектру материала электрода, а также дублет Nа, входящего как в в состав стекла так и буры, покрывающей платинит.

Объяснение возникновения пробоев в стартёре дано с позиции возникновения взрывной электронной эмиссии (ВЭЭ). Электроны проводимости, перенося электри­ческий ток, приносят из глубины катода к границе эмиссии среднюю энергию на один электрон, близкую к энергии Ферми. Электроны эмиссии уносят с катода среднюю энергию на один элек­трон, меньшую энергии Ферми. В результате в ка­тоде вблизи границы эмиссии накапливаются го­рячие электроны, что приводит к локальному разогреву катода. Это приводит, в свою очередь, к локальному увеличению электросопротивления и бурному выделению джоулева тепла, что является второй составляющей теплового разрушения. При высоких плотностях тока (108 А/см2 и выше) про­цесс может быть настолько интенсивным, что при­водит к взрывообразному разрушению отдельных участков катода. Из продуктов эрозии катода обра­зуется прикатодная плазма, то есть газ, состоящий из электронов и ионов различной кратности заряда. Температура электронов Те = (4–5) • 104 К, темпера­тура ионов Ti = 1 • 104К.

Концентрация электронов в этой плазме высока, энергия связи их с положительными ионами мала, что обеспечивает высокую эмиссию электронов (плотность тока на несколько порядков выше других видов электронной эмиссии) из этого сгустка плазмы. При расходе вещества катода – 40 мкг/Кл за один пробой испаряется, в нашем случае 4 • 10-10 г вещества электрода (по другим данным – 10-12 г). Для испарения 0,1 мм3 (1 мг) вещества электрода нужно более 107 пробоев, поэтому срок службы стартера – 10000 контактирований ограничивается конечно не пробоями.

Зависимость максимальной амплитуды импульса Umax от давления наполняющего стартер газа для Не и Ne приведена на рис.16 (катодом включен электрод без биметалла). Стартеры по конструкции не отличались от стартеров 80С 220-2.

Р и с. 16. Зависимость амплитуды импульса от давления наполняющего стартер

газа: 1 - Ne; 2 -. Не

Анализ данных графиков, указывает на закономерность: чем больше давление газа в стартере, тем ниже его «пробивное» напряжение; чем легче газ, тем больше максимальная амплитуда импульса Umax.

В тлеющем разряде произведение давления газа р на длину темного катодного пространства lk есть величина постоянная для данного сорта газа:

(5)

Учитывая, что:

Е = Uпр / lk (6)

здесь Е – напряженность поля, Uпр – пробивное напряжение, lk – длина

темного катодного пространства, рассчитаем напряженность поля при пробое стартеров, наполненных Не.

Величину lk можно вычислить из выражения (5), используя данные для Не: ; для Ne: . Таким образом:

1. Для стартеров, наполненных Не, имеем:

Е =Uпр р /1,3 (7)

а) (30 мм. рт. ст.)

б) (40 мм. рт. ст.)

в) (50 мм. рт. ст.)

2. Для стартеров, наполненных Ne имеем:

Е =Uпр р /0,72 (8)

а) (20 мм. рт. ст.)

б) (30 мм. рт. ст.)

в) (40 мм. рт. ст.)

г) (50 мм. рт. ст.)

Таким образом, пробой в стартерах, наполненных как гелием, так и неоном, происходит приблизительно при одной и той же, рассчитанной для гладкого катода, средней напряженности электрического поля: Е ~ 5104 В/см в предположении, что во всем диапазоне прикладываемых напряжений.

Однако в аномальном тлеющем разряде lk уменьшается почти в 4 раза при больших напряжениях. С учетом этого следует считать, что пробой в стартерах, наполненных как гелием, так и неоном, происходит при напряженности поля Е ~ 2105 В/см. Вместе с тем рассчитано, для того, чтобы создать ток, достаточный для инициирования пробоя с гладкой поверхности, характеризуемой работой выхода 4,5 эВ, требуется электрическое поле напряженностью Е = 9 * 106 В/см.

Данное расхождение можно объяснить, основываясь на усилении электрического поля на микровыступах, обязательно присутствующих даже на полированных поверхностях электродов. Если на поверхности электродов имеется микровыступ, электрическое поле вокруг него усиливается в 10 и более раз.

Если же к этому присоединяется снижение работы выхода до 2-3 эВ из-за неизбежного наличия пленок на поверхности электрода, то в этом случае требуемое среднее поле для достижения пробоя может быть в 50 раз меньше, т.е при Е 2•105 В/см аномальный тлеющий разряд может перейти в дугу. Это достаточно близко с данными, полученными нами.

Таким образом, физический механизм, ограничивающий амплитуду высоковольтного импульса, генерируемого в стартерной схеме включения газоразрядных ламп, – это взрывная электронная эмиссия в газоразрядном стартере.

В шестой главе рассмотрены результаты работ по созданию импульсных зажигающих устройств со стартерами для газоразрядных ламп высокого давления. Отлича­ясь малыми габаритами и массой, они способны работать в более жестких ус­ловиях по сравнению с полупроводниковыми аппаратами. К тому же стоимость ИЗУС в 2 – 5 раз ниже стоимости полупроводниковых ИЗУ.

Нами разработано устройство со стартером для зажигания газоразрядных ламп, в котором удалось ограничить ток через стар­тер и устранить перегрев токоограничительного сопротивления. Для этого в качестве токоограничительного сопротивления используют позистор имеющий в диапазоне температур 40о - 60о С сопротивле­ние 300 - 400 Ом. В ряде случаев для улучшения характеристик зажигания целе­сообразно последовательно с позистором включать активное сопро­тивление, холодное сопротивление позистора при этом может иметь величину от десятков до сотен Ом.

Основным элементом, определяющем характеристики ИЗУС, является стартер. Для того чтобы получить определенные параметры высоковольтного импульса напряжения, генерируемого в дроссельной схеме включения ИЗУС, необходимо выбрать конструкцию стартера, оптимальный состав газового наполнения, его давление и материал электродов стартера. Для применения ИЗУС в практике необходимо, чтобы они удовлетворяли определенным требованиям, предъявляемые ко всем типам импульсных зажигающих устройств. Необходимо, чтобы амплитуда высоковольтного импульса, генерируемого ИЗУС в дроссельной схеме включения лампы, удовлетворяла техническим условиям (ТУ) на лампу. ИЗУС должен отключаться при работающей лампе. В случае неисправной лампы генерация импульсов должна прекращаться через 5 – 10 секунд. Для этих целей необходимо чтобы параметры элементов, составляющих ИЗУС – газоразрядного стартера и токоограничительного позистора - выбирались в соответствии с предъявляемыми к ИЗУС требованиями.

Для зажигания ламп высокого давления амплитуда высоковольтных импульсов, генерируемых импульсными зажигающими устройствами (ИЗУ), должна быть в пределах 4,0 – 5,0 кВ. Однако для ламп с цоколем Е27 амплитуда импульса должна иметь значение в пределах от 1,8 кВ до 2,3 кВ. Напряжение ограничивает конструкция цоколя Е27 и патрона.

Для определения возможной области применения ИЗУС необходимо исследовать их характеристики в широком диапазоне токов в зависимости от элементов схемы, в которой работает ИЗУС (сопротивления токоограничительной цепи R1, индуктивности дросселя L, емкости конденсатора C, параметров газового разряда в стартере). Наиболее просто это осуществить с помощью математического моделирования процессов, проходящих в возможных схемах включения ИЗУС. Математическая модель учитывает нелинейность вольтамперной характеристики стартера. Расчеты не учитывают явления запаздывания зажигания тлеющего разряда при приложении к стартеру напряжения, а также явление пробоя.

Выберем направление токов в различных ветвях контура, как показано на рис.14. Применяя правило Кирхгофа к узлам А и В, получим:

I3=I1+I2 (9)

По правилу Кирхгофа для контура AабB, имеем

I1*R1=+ (10)

где: – разность потенциалов между обкладками конденсатора С;

– электродвижущая сила самоиндукции, возникающая в катушке дросселя при протекании по ней переменного тока.

Поэтому,

= -L* (11)

Обозначим заряд первой обкладки конденсатора через q. Тогда сила тока I3 в ветви АСВ

I3 = - и = - (12)

Знак «минус» в формуле (12) введен потому, что положительному направлению тока I3 соответствует убывание положительного заряда первой обкладки конденсатора <0.

Разность потенциалов между обкладками конденсатора равна

= 1 – 2 = (13)

Для участка AR2B, согласно закону Ома

I2R2 =, откуда, I2 = = (14)

Используя формулы (9), (13), (14), выразим ток I1 :

I1 = I3 – I2 = - - . (15)

Запишем формулу (10) с учетом (11), (13), (15)

R1* (16)

, откуда

(17)

С учетом зависимости (17) уравнение (16) примет вид:

, или

(18)

Дифференциальное уравнение (18) описывает динамику процессов в электрической цепи на рис.14.

Определим начальные условия для уравнения (18). В начальный момент размыкания ключа К при t = 0 вся энергия сосредоточена в катушке дросселя. Это выражается в том, что ток I1 имеет максимальное значение, а заряд конденсатора равен нулю:

При t = 0, I1 = I1, 0, q = 0. Следовательно, I2 = 0, I3 = I1 = I1, 0.

Начальные условия имеют вид: При t = 0 q = 0,

I1, 0. (19)

В простейшем случае R2 = const. При этом уравнение (18) с начальными условиями (19) имеет аналитическое решение. Обозначим:

, (20)

. (21)

Уравнение (18) примет вид:

. (22)

Математическая модель электрической схемы «стартер – дроссель», приведенной на рис.14. с учетом зависимости R2=F(U) в целом описывается следующими уравнениями:

, . (23)

, , . (24)

, . (25)

При t = 0 q(0) = 0, I1, 0(0) = I1, 0 (26)

Здесь система дифференциальных уравнений первого порядка (23) и коэффициенты системы (25) получены из уравнения второго порядка (18). Зависимости (24) записаны на основе (9), (13), (14). Написанная программа расчета на ЭВМ позволяла вычислять и выводить в графическом виде зависимости напряжения на стартере от времени.

На рис.18 приведена вольтамперная характеристика (ВАХ) стартера (зависимость 1), которая хорошо апроксимируется экспоненциальной функцией. Для зависимости 1 .

Р и с. 18. Вольтамперные характеристики аномального тлеющего разряда.

1 – стартер конструкции 80С-220-1, наполнение Не 40 мм рт.ст.

2 – по данным С. Брауна, наполнение Не; 3– по данным С. Брауна, наполнение Nе.

В основном мы анализировали работу ИЗУС, в котором использовался газоразрядный стартер с характеристикой 1 (рис. 18.). Результаты анализа математической модели показали, что большое влияние на амплитуду импульса оказывает величина токоограничительного сопротивления R1, определяющего величину тока разрыва (I1 на эквивалентной схеме рис. 14). Вместе с тем амплитуда импульса слабо зависит от L. Это означает, что правильный выбор величины R1 позволит использовать ИЗУС как универсальное устройство для зажигания ламп высокого давления типа ДНаТ мощностью от 35 до 100 Вт.

В результате проведенных исследований разработано импульсное зажигающее устройство со стартером (ИЗУС), предназначенное для зажигания натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), мощностью 35, 50,70, 100 Вт, включенных в сеть 220В 50Гц через балластный дроссель. Устройство включается параллельно лампе и не потребляет электроэнергию при работающей лампе. Устройство обеспечивает защиту дросселя от пробоя, прекращая генерирование высоковольтных импульсов через 5 – 10 секунд в случае неисправной газоразрядной лампы. В исходное состояние ИЗУС возвращается самостоятельно через 1 минуту после снятия сетевого напряжения. Конструктивно устройство выполнено в корпусе стандартного стартера для люминесцентных ламп. Амплитуда импульсов 1,8 – 2,3 кВ. Устройства ИЗУС-100/220 в соответствии с техническими условиями МКЦС 675971.003ТУ, изготовленные ООО «Лисма - Рузаевка» сертифицированы в 2003 г.

Электрическая схема одной из модификаций ИЗУС-100/220 приведена на рис. 19.

Устройство было реализовано с применением позистора 2 марки РТС-Л, у которого Rпх=150 Ом, а Rпг=30кОм. Сопротивление резистора 3 равнялось 390 Ом, дополнительное сопротивление 4 было равно 15 кОм. Устройство надежно зажигало исправную лампу ДНаТ400, а при неисправной лампе отключалось через 10 секунд.

Р и с. 19. Схема ИЗУС с полным отключением тока через стартер.

Уже в 80-х годах прошлого века за рубежом освоили выпуск, например, натриевых ламп высокого давления, имеющих в своем устройстве элементы, позволяющие генерировать высоковольтные импульсы напряжения при включении этих ламп в сеть с токоограничительным дросселем. В состав зажигающего устройства лампы входил термо­чувствительный выключатель.

Функция терморазмыкателя состоит в том, чтобы предотвратить шун­тирование разряда в лампе при ее работе контактами стартера. После зажигания лампы температура всех элементов, расположенных внутри внешнего баллона, растет. При достаточно высокой температуре стартера контакты его замк­нутся и он зашунтирует лампу. Если же последовательно со старте­ром в цепь схемы зажигания включить терморазмыкатель, то при условии, что температура размыкания его контактов ( 1200 С) будет меньше температуры замыкания контактов стартера ( 1600 С) исключается воз­можность шунтирования разряда.

Если разрядная трубка при этом проработала долгое время, или по другим причинам имеет высокое напряжение пробоя, то импульсное напряжение при работе термочувствительного выключателя достигало 10 - 20кВ, в результате чего мог возникнуть пробой изоляции в дросселе и рабочей цепи.

Нами предложено выполнять терморазмыкатели в виде отдельного элемента (рис.20) и наполнять их Не при давлении 20 мм рт.ст., что устранило опасность пробоя дросселя.

Р и с. 20. Конструкция терморазмыкателя.

Для стабилизации температуры размыкания параметры раз­мыкателя с U-образной биметаллической пластиной, расположенной между двумя па­раллельными выводами и присоединенной на конце к одному из них (рис.20), следует выбирать исходя из следующих со­отношений:

, при ,

где: а - расстояние между электродами Э размы­кателя, мм; b - минимальное расстояние между вет­вями U-образной пластины, мм; S - толщина биметаллической пласти­ны, мм; А - удельный изгиб биметаллической пластины, °С – 1 ; L - рабочая длина биметаллической пла­стины, мм; Т - максимально возможная температу­ра разогрева пластины, °С; t - температура размыкания контактов размыкателя, °С.

Эти терморазмыкатели вошли в конструкцию ламп ДНаМТ – 340 в качестве элемента встроенного зажигающего устройства.

Для зажигания некоторых типов ламп высокого давления необходима амплитуда импульса порядка 15–30 кВ. Для генерирования импульсов такой амплитуды были разрабо­таны устройства со стартером и автотранс­форматором (ИЗУС-А). Электрическая схема ИЗУС-А, совместно с дросселем и лампой приведена на рис.21.

Работает устройство следующим образом. При включении устройства в сеть через дроссель 1 в газоразрядном стартере 2 возникает тлеющий разряд. Биметалл стартера нагревается и замыкает цепь. При этом тлеющий разряд в стартере гаснет. Через дроссель протекает ток, в дросселе накапливается энергия WM=LI2 /2, где L - индуктивность дросселя, I - ток. При размыкании контактов стартера энергия магнитного поля дросселя переходит в энергию электрического поля конденсатора 3: W3=CU2 /2, где С - емкость конденсатора, U - напряжение на конденса­торе. Напряжение на конденсаторе 3 нара­стает не мгновенно, а с постоянной времени = LC. С такой же скоростью нарастает напряжение и на стартере 2. Через стартер протекает ток аномального тлеющего разря­да. При некоторой величине напряжения на стартере (называемой амплитудой высоко­вольтного импульса - Umax) аномальный тлеющий разряд в стартере переходит в низковольтную форму, характеризуемую низким напряжением (10 – 30 В). Конденсатор 3,

Р и с. 21. Электрическая схема импульсного зажигающего устройства со стартером и автотрансформатором (ИЗУС - А).

заряженный до Umax, разря­жается через первичную обмотку 4 импуль­сного автотрансформатора, благодаря повышающей обмотке 5 которого к лампе 6 прикладывается высоковольтный импульс. Высоковольтные импульсы генерируются до тех пор, пока не израсходуется вся энергия WM, накопленная в дросселе, или же пока лампа не зажжется. Количество высоковоль­тных импульсов, генерируемых устройством после одного контактирования стартера, близко к числу, определенному отношением WM/W3.

Высоковольт­ный импульс представляет собой серию затухающих колебаний с периодом около 1 мкс (рис.22).

Р и с. 22. Осциллограмма серии высоковольтных импульсов генерируемых ИЗУС-А; По вертикали- 5000В/дел, по горизонтали- 2 мкс/дел.

Изображены 2 импульса из всей серии.

Другой вариант устройства, ИЗУС-Т, разработанный нами, обеспечивает возможность зажигания бездрос­сельных, например, ксеноновых ламп. В реализованном нами варианте устрой­ства для зажигания газоразрядных ламп высоковольтный импульс представляет собой серию затухающих колебаний с периодом около 1 мкс, подобных показанным на рис.22.

В заключении изложены основные выводы и результаты работы.

1. В литературных источниках отсутствовала информация о физике процессов, определяющих амплитуду импульса, генерируемого в стартерной схеме включения разрядных источников излучения. Результаты наших работ, систематизированных в монографии, позволили выявить механизм формирования импульса.
2. Разработаны и созданы экспериментальные установки, позволяющие измерять электрические и термодинамические характеристики электрода и приэлектродной области стартеров тлеющего разряда, в диапазоне токов от 10-4 до 103 А и температур от 77 до 800К при напряжениях до 5000 В, их спектральные характеристики.
3. Установлено, что амплитуда импульса определяется ВАХ стартера и не превышает напряжения, при котором ток тлеющего разряда равен току через дроссель при разрыве контактов стартера в реальной схеме. При измерении в соответствии с ГОСТом амплитуда высоковольтного импульса не превышает величину напряжения, обеспечивающего ток тлеющего разряда, протекающий через стартер на уровне 1А.
4. Разработана модель ограничения амплитуды импульса, генерируемого в дроссельной схеме включения стартера. Исследованы механизмы контракции разряда. Физический механизм, ограничивающий амплитуду высоковольтного импульса, генерируемого в стартерной схеме включения газоразрядных ламп – взрывная электронная эмиссия в газоразрядном стартере.
5. Разработано новое поколение стартеров тлеющего разряда для сети 220 В с повышенной амплитудой зажигающего импульса (более 900В), для энергоэкономичных люминесцентных ламп. Рекомендовано наполнять стартеры смесью состоящей из 98% Ne + 2% CH4 при давлении 40 мм рт.ст. (5,2 кПа). Разработка проводилась при тесном контакте с ВНИИИС им. А.Н.Лодыгина по его заказу. В 1988 году стартер марки 80С-220-1 в алюминиевом корпусе был внедрен в производство по ТУ 16 - 88 ИКВА 675 593. 001 ТУ и в различных модификациях выпускается по настоящее время. Одна из наиболее массово выпускаемых модификаций - 80С-220-2 – стартер в пластмассовом корпусе
6. Разработано новое поколение стартеров тлеющего разряда для сети 127 В с повышенной амплитудой зажигающего импульса (более 900 В), для новых энергоэкономичных люминесцентных ламп. Разработка проводилась при тесном контакте с ВНИИИС им. А.Н.Лодыгина по его заказу. В 1990 году стартер марки 20С-127-2 был внедрен в производство по ТУ 16 - 90 ИКВА 675 591. 003 ТУ в соответствии с нашим патентом и в различных модификациях выпускается по настоящее время. Выпущено более 50 млн. таких стартеров. Одна из наиболее массово выпускаемых модификаций 20С-127-1 – стартер в пластмассовом корпусе.
7. Предложены способы тренировки стартеров, сокращающие время тренировки в более чем 10, а потребление энергии в 100 раз по сравнению с существующими.
8. Для ламп высокого давления со встроенными зажигающими устройствами разработаны герметизированные терморазмыкатели, обладающие свойствами ограничителя амплитуды импульса и повышенной стабильностью температуры размыкания, выполненные в виде отдельного элемента. Терморазмыкатели марки РБГ – 1 – 1 внедрены в производство по ТУ 16 – 90 Мкцс 675871. 002 ТУ. Эти терморазмыкатели вошли в конструкцию ламп ДНаМТ–340 в качестве элемента встроенного зажигающего устройства.
9. Разработано импульсное зажигающее устройство со стартером (ИЗУС) для зажигания натриевых ламп высокого давления (ДНаТ), мощностью 35, 50, 70, 100 Вт, включенных в сеть 220 В 50 Гц через балластный дроссель. Амплитуда импульсов 1,8 – 2,3 кВ. Устройства ИЗУС-100/220 в соответствии с техническими условиями МКЦС 675971.003ТУ, изготовленные ООО «Лисма - Рузаевка», сертифицированы.
10. Для генерирования импульсов амплитудой 15–30 кВ разрабо­таны устройства со стартером и автотранс­форматором (ИЗУС-А) и со стартером и трансформатором (ИЗУС-Т). В устройстве стартер выполняет две функции – прибора, обеспечивающего формирование импульса напряжения для зарядки конденсатора в схеме включения с дросселем (традиционное применение), а также функцию газового разрядника.
11. Разработаны программные комплексы «Биметалл», «Стартёр» «Импульс» для инженерных расчетов элементов стартеров и импульсных зажигающих устройств.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Майоров М. И. Система люминофор-кремниевый фотоприемник и спектры ее фоточувствительности / М. И. Майоров, Б. М. Орлов // Радиотехника и электроника. 1976. №12. С.17-18
2. Майоров М. И. Исследование температуры катодного пятна в люминесцентных лампах низкого давления по инфракрасному излучению / М. И. Майоров, Н. В. Самородова, Г. Т. Тимкаева // Светотехника, 1979. №6. С.11-12.
3. Майоров М.И. О создании стартеров с повышенной надежностью для зажигания ЭЛЛ мощностью 18 Вт / М.И. Майоров, В. Е. Демышев, Г. В. Несененко, Л. Г. Емельяно­ва // Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического симпозиума по газораз­рядным источникам света. Полтава, 1991. С. 17.
4. Пат. 1695419 РФ, МПК7 Н 01 J 61/54 Газоразрядная лампа / В. А. Ермошин, И. Ф. Волков, М. И Майоров (Россия). Опубл. 30.11.91. Бюл. № 44. 3 с.
5. Пат. 1746432 РФ, МПК7 Н 01 J 61/56. Газоразрядная лампа высокого давле­ния / В. А. Ермошин, И. Ф. Волков, М. И. Майоров (Россия). Опубл. 07.07.92. Бюл. № 25. 4 с.
6. Пат. 1771091 РФ, МПК7 Н 05 В 41/08. Стартер тлеющего разряда / В. Е. Демышев, М. И. Майоров, Г. В. Несененко (Россия). Опубл. 23.10.92. Бюл. № 39. З с.
7. Пат. 2004079 РФ, МПК7 Н 05 В 41/231. Осветительное устройство / И.Ф. Волков, В.А. Ермошин, И.А. Ивченко, Е.В. Пинясов, М.И. Майоров (Россия). Опубл. 30.11.93. Бюл. № 43 – 44. 5с
8. Пат. 2006192 РФ, МКП7 Н 05 В 41/08. Способ тренировки стартеров тлею­щего разряда / М. И. Майоров (Россия). Опубл. 15.01.94. Бюл. № 1. 3с.
9. Пат. 2018185 РФ, МПК7 Н 01 77/44. Газоразрядная лампа / В. А. Ер­
   мошин, Е. В. Пинясов, И. Ф. Волков, И. А. Ивченко, М. И. Майоров (Россия). Опубл. 15.08.94. Бюл. Me 15. 3 с.
10. Майоров М. И. Влияние температуры контактирования стартеров тлеющего разряда на срок их службы / М. И. Майоров, А. Г. Борисов, Б. И. Неретин // Светотехника. 1995. № 9. С. 9-10.
11. Майоров М. И. Исследования с целью повышения эффективности режимов тренировки газоразрядных стартеров / М. И. Майоров, А. Г. Борисов, А. В. Лашин, Б. И. Нере­тин // Тезисы докладов II Международной светотехнической конференции. Суз­даль, 1995. С. 7.
12. Майоров М. И. Изменение характеристик стартеров тлеющего разряда при их тренировке / М. И. Майоров, А. Г. Борисов, А. В. Лашин, Б. И. Неретин // Светотехника. 1996. № 5/6. С. 31-32
13. Майоров М. И. Стартеры для зажигания разрядных ламп высокого давле­ния / М. И. Майоров, А. Г. Борисов, Б. И. Неретин // Тезисы докладов Междуна­родной конференции «Осветление 96». Варна, 1996. С. 30.
14. Майоров М. И. Импульсное зажигающее устройство с газоразрядным стар­тером / М. И. Майоров, А. Г. Борисов, Б. И. Неретин // Тезисы докладов IV Всероссийского с международным участием совещания по материалам для источ­ников света, электронных приборов и светотехнических изделий. Саранск, 1996. С. 29.
15. Майоров М. И. Механизм ограничения амплитуды импульса генерируемо­го газоразрядным стартером / М. И. Майоров // Тезисы докладов Международной научно-техни­ческой конференции «Проблемы и прикладные вопросы физики». Саранск, 1997. С. 39.
16. Пат. 2120705 РФ, МПК7 Н05В 41/18. Зажигающее устройство для газораз­рядных ламп / М. И. Майоров, Б. И. Неретин, А. Г. Борисов (Россия). Опубл. 20.10.98. Бюл. №29. 3 с.
17. Пат. 2134496 РФ, МПК7 Н 05 В 41/23. Устройство для зажигания газораз­рядных ламп / М. И. Майоров (Россия). Опубл. 10.08.99. Бюл. № 22. 4 с.
18. Майоров М. И. К вопросу создания зажигающих устройств для короткодуговых металлогалогенных ламп/ М. И. Майоров, В. И. Мартынов, И. Ф. Минаев //Тезисы докладов 4 Международной светотехнической конференции. Вологда, 2000. С.48.
19. Майоров М. И. Исследование причин возникновения пробоя в газоразряд­ных стартерах / М.И. Майоров // Тезисы докладов II Международной научно-технической кон­ференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск, 2001. С. 16.
20. Пат. 2186468 РФ, МПК7 Н 05 В 41/18. Зажигающее устройство для газо­разрядных ламп / М. И. Майоров, Б. И. Неретин (Россия). Опубл. 27.07.02. Бюл. № 21. 5 с.
21. Майоров М. И. Зависимость амплитуды импульса, генерируемого в схеме зажигания ламп высокого давления с ИЗУС от мощности токоограничитсльного дрос­селя / М. И. Майоров. А. М. Майоров, В. А. Горюнов // Тезисы докладов Всерос­сийской научно-технической конференции «Светотехника, электротехника, энерге­тика». Саранск, 2003. С. 36.
22. Майоров М. И. Исследование аномального тлеющего разряда в газоразряд­ных стартерах для их использования в импульсных зажигающих устройствах / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. В. Лосев // Тезисы докладов IV Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физи­ки». Саранск, 2003. С. 13.
23. Майоров М. И. Импульсное зажигающее устройство со стартером / М. И. Майоров // Каталог инновационных разработок. Саранск, 2003. С. 41—42.
24. Майоров М. И. О механизме пробоя газоразрядного стартера / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов // Тезисы докладов Международ­ной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики». Саранск, 2003. С. 12.
25. Пат. 2211549 РФ, МПК7 Н 05 В 41/23. Устройство для зажигания газораз­рядной лампы / М. И. Майоров (Россия). Опубл. 27.08.03. Бюл. № 24. 4 с.
26. Майоров М. И. Явления на границе плазма — анод в разряде низкого давления / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов // Полупроводниковые и газоразрядные приборы. 2004. № 2. С. 65 — 74.
27. Майоров М. И. Влияние материала электродов на характеристики взрыв­ной электронной эмиссии в газоразрядном стартере / М. И. Майоров, А. М. Майо­ров, В. А. Горюнов // Материалы нано- микро- и оптоэлектроники : физические свойства и применение : сб. тр. III межрегион, науч. шк. для студентов и аспиран­тов. Саранск, 2004. С. 116.
28. Пат. 2226753 РФ, МКП7 Н05В41/231 Пускорегулирующее устройство / М. И. Майоров, Б. И. Неретин, А. М. Майоров, В. А. Горюнов, И. С. Майорова (Россия). Опубл. 10.04.04. Бюл. № 10. 4 с.
29. Майоров М. И. Взрывная электронная эмиссия в газоразрядных источни­ках света / М. И. Майоров // Тезисы докладов XXV Российской школы по проблемам науки и тех­нологий, посвященной 60-летию Победы. Миасс, 2005. С. 43.
30. Пат. 2246187 РФ, МКП7 Н05В41/231 Устройство для зажигания натриевых ламп высокого давления / М. И. Майоров, В. А. Горюнов, Б. И. Неретин (Россия). Опубл. 10.12.05. Бюл № 4. 7 с.
31. Пат. 2254693 РФ, МКП7 Н05В41/23 Устройство для зажигания газоразрядных ламп / М. И. Майоров, А. М. Майоров, И. С. Майорова (Россия). Опубл. 10.12.05. Бюл. № 17. 4 с.
32. Майоров М. И. О возможных механизмах ограничения импульсов напряже­ния газоразрядным стартером в цепи с дросселем / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов // Сборник материалов IV Всероссийской научно-практической кон­ференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств». Рузаевка, 2005. Ч. 2. С. 155.
33. Майоров М. И. Исследование влияния материала и конструкции электрода на ток взрывной электронной эмиссии / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов, В. В. Родченкова // Материалы нано-, микро- и оптоэлектроники : физические свойства и применение : сб. тр. IV межрегион, науч. шк. для студентов и аспирантов. Саранск, 2005. С. 141.
34. Майоров М. И. Исследование характеристик взрывной электронной эмиссии в газоразряд­ных светотехнических приборах / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов, B. В. Родченкова // Сборник научных трудов III Всероссийской научно-техниче­ской конференции «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики». Саранск, 2005. С. 72 — 74.
35. Пат. 2259645 РФ, МПК7 Н 05 В 41/08, H01J9|44. Способ тренировки старте­ров тлеющего разряда / М. И. Майоров, А. М. Майоров (Россия). Опубл. 27.08.05. Бюл. № 24. 3 с.
36. Майоров М. И. Устройства зажигающие импульсные ИЗУ-НИ – новое поколение приборов для экономии электроэнергии в осветительных сетях / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов. // Сборник материалов IV Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств», Рузаевка, 2005. Ч.2. С.155-156.
37. Майоров М. И. Пускорегулирующее устройство для безртутной натриевой лампы высокого давления / М. И. Майоров, А. М. Майоров, В. А. Горюнов. // Сборник материалов IV Всероссийской научно-практической конференции «Организационные, философские и технические проблемы современных машиностроительных производств», Рузаевка, 2005. Ч.2. С.157-158.
38. Майоров М. И. Импульсные зажигающие устройства с газоразрядным стартёром для ламп высокого давления / М. И. Майоров, В. А.Горюнов, А. М. Майоров, В. В. Родченкова // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2005. №5(20). С.31–38
39. Майоров М. И. Импульсные зажигающие устройства со стартерами для ламп высокого давления/ М. И. Майоров, В. А. Горюнов, А. М. Майоров, Б. И. Неретин // Тезисы докладов VI Международной Светотехнической конференции. Калининград – Светлогорск, 2006. С.145.
40. Майоров М. И. Импульсные зажигающие устройства с нормирован-ной индуктивностью/ М. И. Майоров, А. Б. Бартанов, В.А. Горюнов, А. М. Майоров // Тезисы докладов VI Международной Светотехнической конференции. Калининград – Светлогорск. 2006. С. 162.
41. Пат. 2279192 РФ, МПК7 Н05В41/18 Зажигающее устройство для газоразрядной лампы / М. И. Майоров, В. А. Горюнов, А. М. Майоров (Россия) Опубл. 27.06.06. Бюл. № 18. 5 с.
42. Горюнов В. А. Механизм ограничения амплитуды высоковольтного импульса, генерируемого в стартерной схеме включения газоразрядных ламп / В. А. Горюнов, А. М. Майоров, М. И. Майоров // Светотехника. 2006. № 2. С. 15—18.
43. Goryunov V. A. Mechanism of limited of the high voltage pulse amplitude generated in starting circuits of fluorescent lamps/ V. A Goryunov, A. M. Maiyorov, M. I. Maiyorov // «Light&Engineering», Volume 14, Number 2, Moscow: Znack Publishing House, 2006. p.67–71
44. Майоров М. И. Влияние емкости помехогасящего конденсатора в стартере на амплитуду высоковольтного импульса/ М. И. Майоров, А.М. Майоров, В. А. Горюнов //Материалы V Всероссийской конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы физики полупроводников и источников света». Саранск, 2007. С. 34.
45. Горюнов В. А. Модуляция проводимости прианодной области в разряде низкого давления/ В. А. Горюнов, А. М. Майоров, М. И. Майоров // Светотехника. 2007. №2. С.8 - 12.
46. Пат. 2291597 РФ, МПК7 Н05В41/231 Пускорегулирующее устройство для газоразрядной лампы/ М.И Майоров, А.М.Майоров, В.А Горюнов (Россия). Опубл.10.01.07. Бюл. № 1. 4 с.
47. Майоров М.И. Стартеры тлеющего разряда. Физические основы конструирования / М.И. Майоров. Саранск: Изд.-во Мордов. ун-та, 2007. 176 с.