RU2505744C2 - Electric lighting system (versions) - Google Patents
Electric lighting system (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2505744C2 RU2505744C2 RU2012108207/07A RU2012108207A RU2505744C2 RU 2505744 C2 RU2505744 C2 RU 2505744C2 RU 2012108207/07 A RU2012108207/07 A RU 2012108207/07A RU 2012108207 A RU2012108207 A RU 2012108207A RU 2505744 C2 RU2505744 C2 RU 2505744C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- electric
- lamp
- transformer
- line
- lamps
- Prior art date
Links
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 25
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 23
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 13
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 12
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims description 10
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 8
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 7
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 abstract description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 5
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 2
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004064 recycling Methods 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 20
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 11
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 3
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 239000012799 electrically-conductive coating Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000003574 free electron Substances 0.000 description 2
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000005428 wave function Effects 0.000 description 2
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000002134 carbon nanofiber Substances 0.000 description 1
- 238000005136 cathodoluminescence Methods 0.000 description 1
- 230000003749 cleanliness Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N indium atom Chemical compound [In] APFVFJFRJDLVQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical class C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Discharge Lamps And Accessories Thereof (AREA)
- Circuit Arrangement For Electric Light Sources In General (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области преобразования солнечной энергии в электрическую и последующего использования электрической энергии для освещения улиц, зданий и подземных сооружений.The invention relates to the field of converting solar energy into electrical energy and the subsequent use of electric energy for lighting streets, buildings and underground structures.
Известна система электрического освещения на базе солнечного светильника, состоящая из солнечной батареи, химического аккумулятора, контроллера заряда, соединительных проводников электрической линии и люминесцентной лампы. При большой мощности светильника используют дополнительно инвертор и трансформатор (см. Солнечный светильник. Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог изделий, разработанных и производимых в системе ВИЭСХ. - М.: ВИ-ЭСХ, 2001. - С.7). Недостатком известного устройства является низкий КПД светильника и потери энергии в соединительных проводах. Другим недостатком является возможность короткого замыкания соединительных проводников.A known electric lighting system based on a solar lamp, consisting of a solar battery, a chemical battery, a charge controller, connecting conductors of an electric line and a fluorescent lamp. When the luminaire’s power is high, an inverter and a transformer are also used (see. Solar luminaire. Technologies and equipment for renewable energy. Catalog of products developed and manufactured in the VIESH system. - M .: VI-ESH, 2001. - P.7). A disadvantage of the known device is the low efficiency of the lamp and energy loss in the connecting wires. Another disadvantage is the possibility of a short circuit of the connecting conductors.
Известен светильник, в котором вместо люминесцентной лампы используют светодиоды. Такой светильник имеет высокий КПД преобразования электрической энергии в световую 50-70% (см. Шахтный светильник индивидуального использования. Патент №2187039, опубл. 10.03.2002 г. Бюл. №22). Недостатками известного светильника являются потери электрической энергии в проводниках линии, высокая стоимость светодиодов и арматуры светильника, в которой закрепляют светодиоды. Другим недостатком является опасность короткого замыкания в проводах линии, что может вызвать взрыв горючего газа.A known lamp in which instead of a fluorescent lamp using LEDs. Such a lamp has a high efficiency of converting electric energy into light 50-70% (see. Mine lamp for individual use. Patent No. 2187039, published on March 10, 2002, Bull. No. 22). The disadvantages of the known lamp are the loss of electrical energy in the conductors of the line, the high cost of the LEDs and fixtures of the lamp, in which the LEDs are fixed. Another disadvantage is the risk of a short circuit in the wires of the line, which can cause an explosion of combustible gas.
Наиболее близкой к предлагаемой системе электрического освещения является система электрического освещения, содержащая солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов (m=1, 2, 3, …, m), а каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела (см. Солнечный светильник (варианты). Патент №2241176, опубл. 27.11.2004 г. Бюлл. №33).Closest to the proposed electric lighting system is an electric lighting system containing a solar battery, an electric energy battery, a charge controller, an inverter, a transformer, an electric line and lamps based on commutated LEDs, the inverter is made in the form of a frequency converter, which is connected to a series resonant circuit, which consists of the capacitance and inductance of the primary winding of a resonant high-frequency boost transformer with open with or without a core, the high-potential terminal of the high-voltage winding of the transformer is connected to a single-wire line, parallel to one of the terminals of n fixtures (n = 1, 2, 3, ..., n) are connected to the line, each of the fixtures consists of m parallel-connected LED pairs (m = 1, 2, 3, ..., m), and each pair of LEDs consists of two parallel-opposed LEDs, the second output of each lamp is connected to the natural capacitance in the form of an insulated conductive body (see Solar lamp (options). Patent No. 2221176, publ. November 27, 2004 Bull. No. 33).
Недостатком известного светильника является высокая стоимость арматуры светильников, а также высокая стоимость светодиодов, производство которых сопряжено с повышенными экологическими рисками и часто нуждающееся в применении материалов, имеющихся на Земле в ограниченном количестве (например, галлий, индий).A disadvantage of the known luminaire is the high cost of fixtures for the luminaires, as well as the high cost of LEDs, the production of which is associated with increased environmental risks and often requiring the use of materials available on Earth in limited quantities (for example, gallium, indium).
Задачей предлагаемого изобретения является создание системы электрического освещения, в которой обеспечивается снижение стоимости системы, снижение потерь энергии, увеличение срока службы (не ниже 50 тыс. часов), обеспечение высоких экологических характеристик при производстве и утилизации ламп системы, достижение значительной эксплуатационной эффективности системы освещения за счет высокой световой отдачи и яркости ламп, возможность работы ламп в широком диапазоне температур (от -196°С до +150°С).The objective of the invention is the creation of an electric lighting system, which provides a reduction in the cost of the system, reducing energy losses, increasing the service life (not less than 50 thousand hours), ensuring high environmental performance in the production and disposal of system lamps, achieving significant operational efficiency of the lighting system for due to the high light output and brightness of the lamps, the ability to operate lamps in a wide temperature range (from -196 ° C to + 150 ° C).
1. Технический результат достигается тем, что в системе электрического освещения содержащей солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников содержит лампу с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света с автокатодами, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела, каждая лампа в светильнике выполнена в виде шарообразной сферы из прозрачного стекла, в которую через стеклянные впаянные капли введены два держателя электродов, изнутри сфера вакуумирована, разделена сплошной стенкой на две полусферы, покрытые изнутри слоем люминофора, поверх люминофора нанесен тонкий слой алюминия для выполнения функции анода, при этом автокатоды и алюминиевые покрытия люминофоров подключены к держателям электродов таким образом, что к каждому из электродов оказывается подсоединенным один автокатод одного полусферического источника света и один анод другого полусферического источника света, два полусферических источника света, включенные встречно-параллельно, попеременно включаются и выключаются при смене полярности питающего тока, обеспечивая естественную коммутацию при прохождении тока через «ноль», при этом автокатоды выполнены из нано-структурированного графита и расположены в центре сферы лампы, а нано-острия автокатодов направлены от центра полусферы к поверхности, покрытой люминофором и тонким алюминиевым слоем поверх люминофора.1. The technical result is achieved by the fact that in an electric lighting system containing a solar battery, an electric energy accumulator, a charge controller, an inverter, a transformer, an electric line and lamps, the inverter is made in the form of a frequency converter, which is connected to a series resonant circuit, which consists of a capacitance and inductance of the primary winding of a resonant high-frequency boost transformer with an open core or without a core, high-potential high-voltage output the transformer winding is connected to a single-wire line, parallel to one of the terminals of n fixtures (n = 1, 2, 3, ..., n), each of the fixtures contains a lamp with two counter-parallel connected cathodoluminescent light sources with autocathodes, the second terminal each lamp is connected to a natural container in the form of an insulated conductive body, each lamp in the lamp is made in the form of a spherical sphere made of transparent glass, into which two electrode holders are inserted through soldered glass droplets c, the sphere is evacuated from the inside, divided by a solid wall into two hemispheres, coated with a phosphor layer from the inside, a thin layer of aluminum is applied over the phosphor to act as an anode, while the cathodes and aluminum coatings of the phosphors are connected to the electrode holders in such a way that each electrode is connected one autocathode of one hemispherical light source and one anode of another hemispherical light source, two hemispherical light sources connected counter-parallel, transverse they turn on and off when changing the polarity of the supply current, providing natural switching when the current passes through "zero", while the cathodes are made of nano-structured graphite and are located in the center of the lamp sphere, and the nano-tips of the cathodes are directed from the center of the hemisphere to the surface covered phosphor and a thin aluminum layer on top of the phosphor.
В другом варианте системы электрического освещения, к однопроводной линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников содержит лампу с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света с автокатодами, второй вывод каждого светильника через токоограничивающий резистор заземлен.In another embodiment of the electric lighting system, parallel to one of the leads are n parallel fixtures of n fixtures (n = 1, 2, 3, ..., n), each of the fixtures contains a lamp with two counter-parallel connected cathodoluminescent light sources with autocathodes, the second output each lamp through a current-limiting resistor is grounded.
Еще в одном варианте системы электрического освещения, в электрическом поле однопроводной линии находятся электропроводящие тела, образующие с линией электрические емкости, к которым присоединены выводы n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников содержит лампу с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света с автокатодами, второй вывод каждого светильников заземлен.In another embodiment of the electric lighting system, in the electric field of a single-wire line there are electrically conductive bodies forming electric capacitances with a line, to which the conclusions of n fixtures are connected (n = 1, 2, 3, ..., n), each of the fixtures contains a lamp with two counter-parallel connected cathodoluminescent light sources with auto-cathodes, the second output of each lamp is grounded.
В варианте светильника изолированное проводящее тело, представляющее естественную емкость, выполнено в виде металлизированных корпусов катодолюминесцентных ламп с автокатодами.In the embodiment of the luminaire, an insulated conductive body representing a natural capacity is made in the form of metallized housings of cathodoluminescent lamps with autocathodes.
Систему электрического освещения, схемы включения и принцип работы поясняют Фиг.1, 2, 3, 4, 5.The electric lighting system, the switching circuit and the principle of operation are explained in Figures 1, 2, 3, 4, 5.
На Фиг.1 представлена общая блок-схема подключения светильников к однопроводной линии и естественные емкости, представляющие собой изолированные проводящие тела. На Фиг.2 представлена общая блок-схема подключения светильников к однопроводной линии и земле через токоограничивающие резисторы. На Фиг.3 представлена общая блок-схема подключения светильников к электропроводящим телам, образующим с линией электрические емкости, и к земле. На Фиг.4 представлена картина энергетических состояний электрона внутри материала автокатода и распределение электрического потенциала а вакууме над поверхностью материала автокатода при включении внешнего электрического поля, снижающего работу выхода электрона из автокатода за счет возникновения «туннельного» эффекта прохождения электронами потенциального барьера. На Фиг.5 представлена конструкция катодолюминесцентной лампы содержащей два параллельно-встречно включенных источника света с автокатодами на основе нано-структурированного углеродного материала, используемого в качестве эмиттера электронов в автокатоде.Figure 1 presents the General block diagram of the connection of the luminaires to a single-wire line and natural capacities, which are isolated conductive bodies. Figure 2 presents the General block diagram of the connection of the fixtures to a single-wire line and ground through current-limiting resistors. Figure 3 presents the General block diagram of the connection of the luminaires to the electrically conductive bodies forming electric capacitances with the line, and to the ground. Figure 4 presents a picture of the energy states of the electron inside the material of the autocathode and the distribution of the electric potential in vacuum above the surface of the material of the autocathode when an external electric field is switched on, which reduces the work function of the electron from the autocathode due to the occurrence of a "tunneling" effect of the passage of electrons through the potential barrier. Figure 5 shows the design of a cathodoluminescent lamp containing two parallel-on-counter light sources with autocathodes based on a nano-structured carbon material used as an electron emitter in an autocathode.
На Фиг.1 электрическая энергия от солнечной батареи 1 или от аккумулятора 2 с контроллером заряда 3 подается на вход преобразователя 4, затем через конденсаторы 12, 13 на низковольтную обмотку 5 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 7 через конденсатор 15 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 7 высокочастотного резонансного трансформатора 6 своим высоковольтным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9 со светильниками 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n), имеющими естественные емкости 11-1, 11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n). Благодаря этому осуществляется подача электрической энергии к светильникам и их работа.In Fig. 1, electric energy from a
На Фиг.2 электрическая энергия от солнечной батареи 1 или от аккумулятора 2 с контроллером заряда 3 подается на вход преобразователя 4, затем через конденсаторы 12, 13 на низковольтную обмотку 5 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 7 через конденсатор 15 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 7 высокочастотного трансформатора 6 своим высокопотенциальным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9. Светильники 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n) одним выводом соединены с однопроводной линией 9. а другим через токоограничивающие резисторы 16-1, 16-2, 16-3, …, 16-n (n=1, 2, 3, …, n) соединены с землей 17.In Fig.2, electric energy from the
На Фиг.3 электрическая энергия от солнечной батареи 1 или от аккумулятора 2 с контроллером заряда 3 подается на вход преобразователя 4, затем через конденсаторы 12, 13 на низковольтную обмотку 5 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6. Низкопотенциальный вывод 14 высоковольтной обмотки 7 через конденсатор 15 соединен с землей. Высоковольтная обмотка 7 высокочастотного трансформатора 6 своим высокопотенциальным выводом 8 соединена с однопроводной линией 9. Однопроводная линия 9 генерирует высокочастотное электрическое поле Е. В электрическом поле Е находятся электропроводящие тела 18-1, 18-2, 18-3, …, 18-n (n=1, 2, 3, …, n), образующие с однопроводной линией 9 электрические емкости. К электропроводящим телам 18-1, 18-2, 18-3, …, 18-n (n=1, 2, 3, …, n) присоединены выводы катодолюминесцентных светильников 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n), другие выводы светильников соединены с землей 17.In Fig. 3, electric energy from the
На Фиг.4 показана зависимость потенциальной энергии электрона, от расстояния до поверхности материала автокатода. По горизонтальной ординате Х отложено расстояние от поверхности автокатода в ангстремах Å. По вертикальной ординате откладывается энергетический потенциал Ve электрона в электрон-вольтах (эВ). Вертикальная граница 19 разделяет материал автокатода и вакуум. Потенциальная функция электрона φе над поверхностью материала в отсутствие внешнего поля Е изображена кривой 20, она представляет собой работу по разведению на расстояние Х двух разнополярных электрических зарядов, равных по величине заряду электрона е. Потенциальная функция электрона φE в электрическом поле Е изобразтена кривой 21. Суммарная потенциальная функция φ электрона над поверхностью материала автокатода в присутствии внешнего электрического поля Е изображена кривой 22. Слева от границы 19 раздела «материал автокатода - вакуум» показаны три энергетических уровня. Первый уровень - уровень нулевого потенциала. Он приравнен потенциалу электрона, удаленного из материала автокатода в «бесконечность». Второй уровень - уровень дна зоны проводимости. Он говорит о ширине зоны разрешенных энергий электронов в материале автокатода, участвующих в актах переноса электричества в внутри материала. Третий уровень - уровень Ферми (φf). Это среднестатистический уровень энергии, с которого «стартуют» электроны, участвующие в процессе эмиссии из материала автокатода в вакуум. Потенциалом (рвых обозначена энергия электрона, преодолевающего потенциальный барьер в режиме «над барьером». Ширина потенциального барьера, а на уровне φf - расстояние, которое преодолевает эмитирующий электрон при прохождении «под барьером», т.е. в режиме «туннелирования», следовательно, не совершая «работу выхода». Волнистой линией условно изображено «туннелирование» электрона и далее прямой линией вправо обозначено движение свободно ускоряющегося электрона е полем Е в сторону проводящего покрытия на люминофоре катодолюминесцентного источника света.Figure 4 shows the dependence of the potential energy of the electron, on the distance to the surface of the material of the cathode. The horizontal ordinate X shows the distance from the surface of the cathode in angstroms Å. The vertical ordinate represents the energy potential V e of the electron in electron volts (eV). The
На Фиг.5 показана конструкция катодолюминесцентной лампы. Она представляет собой стеклянную сферу 23, изнутри сфера покрыта слоем люминофора 24, 25, на люминофор нанесены две полусферы 26, 27 тонкого слоя алюминия. Полусферические алюминиевые покрытия подключены к металлическим выводам 28, 29, впаянным в стенку сферы 23. К выводам 28, 29 также подключены автокатоды 30, 31. Таким образом, к выводам 28, 29 оказываются подключенными два источника света 32 и 33 параллельно друг к другу во встречном режиме, за счет этого обеспечивается равнонагруженность питающей лампу цепи: в один полу период работает один источник света, например, 32, в другой полупериод работает второй источник, соответственно рассматриваемому случаю, 33. Когда автокатод 30 или 31 оказывается под отрицательным потенциалом по отношению к соответствующей алюминиевой полусфере 26 или 27, выполняющей в это время роль анода, электроны в режиме «тунцельного» эффекта эмитируют из автокатода и, набрав кинетическую энергию, равную произведению заряда электрона на потенциал анода, падают на алюминиевое покрытие люминофора. Толщина алюминиевого слоя такова, что электрон, практически без потерь энергии проникает через нее и ударяется о люминофор, где теряет весь запас энергии. Кинетическая энергия электрона переходит в люминесцентное излучение фотонов с энергией hν. Здесь ν - частота, h - постоянная Планка, h=6,62-10-34 Дж.·сек. Частота люминесцентного излучения ν зависит от материала люминофора. Если ν лежит в области видимого света, такой источник может быть использован в качестве источника освещения. В зависимости от спектрального состава свет может быть окрашенным или белым. Может быть подобран состав люминофора, дающий свет близкий по составу к солнечному.Figure 5 shows the design of a cathodoluminescent lamp. It is a
В качестве активной эмиссионной среды автокатода используется терморасширенный графит или углеродные нановолокна. На поверхности этого материала создается большое количество стабильных эмиссионных центров, выполненных в виде участков поверхности с очень малыми радиусами кривизны.Thermally expanded graphite or carbon nanofibers are used as the active emission medium of the autocathode. A large number of stable emission centers are created on the surface of this material, made in the form of surface sections with very small radii of curvature.
Система электрического освещения (Фиг.1) работает следующим образом. Электрическую энергию от источников энергии постоянного тока 1 или 2 преобразуют в энергию переменного тока в преобразователе частоты 4, повышают по напряжению с помощью повышающего высокочастотного резонансного трансформатора 6 и создают резонансные колебания тока и напряжения в первичной обмотке 5, вторичной обмотке 7 и в однопроводной линии 9 с частотой f0=1-100 кГц, равной частоте переменного тока на выходе преобразователя частоты 4.The electric lighting system (Figure 1) works as follows. The electrical energy from direct
Так как однопроводная линия 9 относительно обмотки 7 разомкнута, между током и напряжением в ней существует фазовый сдвиг 90 градусов. Ток опережает напряжение на 90 градусов и перезаряжает емкость однопроводной линии 9, емкости светильников 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n), и естественные емкости 11-1, 11-2,11-3, …,11-n (n=1, 2, 3, …, n).Since the single-
Электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 8 с высоким потенциалом вдоль линии 9 через светильники 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n) к естественным емкостям 11-1, 11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n) с более низким потенциалом, представляющим собой результат деления потенциала линии в отношении:Electromagnetic energy in the form of a stream of current and voltage waves moves from
где: φ11 - потенциал изолированного проводящего тела, реализующего собой естественную емкость тела по отношения к земле, [В];where: φ 11 is the potential of an isolated conductive body that realizes the natural capacity of the body in relation to the earth, [B];
φ9 - потенциал однопроводной линии системы освещения, [В];φ 9 is the potential of a single-wire line of the lighting system, [V];
Сак - межэлектродная емкость (проходная емкость «анод - катод») люминесцентного светоизлучателя, [Ф];With AK - interelectrode capacitance (passage capacity "anode - cathode") of a luminescent light emitter, [Ф];
С11 - электрическая емкость изолированного проводящего тела по отношению к земле, [Ф].C 11 is the electrical capacitance of an insulated conductive body with respect to the earth, [Ф].
В другом варианте системы электрического освещения (Фиг.2) электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 8 с высоким потенциалом вдоль линии 9 через светильники 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n) к естественным емкостям 11-1,11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n), заземленным через токоограничивающие резисторы R. Потенциал изолированного проводящего тела будет равенIn another embodiment of the electric lighting system (Figure 2), electromagnetic energy in the form of a stream of current and voltage waves moves from
здесь: ω - круговая частота тока в линии [сек-1];here: ω is the circular frequency of the current in the line [sec -1 ];
R - сопротивление токоограничивающего резистора, [Ом].R is the resistance of the current-limiting resistor, [Ohm].
Еще в другом варианте системы электрического освещения (Фиг.3) электромагнитная энергия в виде потока волн тока и напряжения перемещается от вывода 8 с высоким потенциалом вдоль линии 9 через электрическую емкость между линией 9 и изолированными проводящими телами 11-1, 11-2, 11-3, …, 11-n (n=1, 2, 3, …, n) к светильникам 10-1, 10-2, 10-3, …, 10-n (n=1, 2, 3, …, n). Другой конец светильников заземлен. В этом варианте потенциал φ11 изолированного проводящего тела составляетIn another embodiment of the electric lighting system (FIG. 3), electromagnetic energy in the form of a stream of current and voltage waves travels from
здесь: С9 - электрическая емкость изолированного проводящего тела по отношению к однопроводной линии 9, [Ф].here: C 9 is the electric capacitance of an insulated conductive body with respect to a single-
Работа источников света на основе нано-структурированного углеродного материала в качестве эмиттера электронов с последующим ускорением их полем анода, соударением разогнанных электронов с люминофором и возбуждением люминесцентного света не сопровождается расходом энергии на эмиссию электронов, поскольку в источнике света создаются необходимые условия для «вытягивания» электронов из эмиттера в режиме «туннельного» эффекта, т.е. прохождение электронами границы эмиттера и вакуума «под энергетическим барьером». Люминофор, в зависимости от состава, может излучать синий, зеленый, красный или белый свет. Для ламп общего назначения свет люминесценции может быть выбран наиболее близким по спектру к солнечному свету.The operation of light sources based on a nano-structured carbon material as an emitter of electrons followed by their acceleration by the anode field, the collision of dispersed electrons with a phosphor and excitation of luminescent light is not accompanied by the energy consumption for electron emission, since the necessary conditions are created in the light source for “drawing” electrons from the emitter in the “tunnel” effect mode, i.e. the passage of electrons between the emitter and the vacuum “under the energy barrier”. The phosphor, depending on the composition, can emit blue, green, red or white light. For general-purpose lamps, the luminescence light can be chosen closest in spectrum to sunlight.
Плотность эмитируемого автокатодом тока может быть описана выражениемThe density of the current emitted by the cathode can be described by the expression
где: А - эмиссионная постоянная материала эмиттера, [А/(м2·град° К2)];where: A is the emission constant of the material of the emitter, [A / (m 2 · deg ° K 2 )];
Т - температура эмиттера, [град° К];T is the temperature of the emitter, [deg ° K];
е - заряд электрона, е=1,6·10-19, [К];e is the electron charge, e = 1.6 · 10 -19 , [K];
φ - высота потенциального барьера, препятствующего выходу электрона из материала эмиттера, [эВ];φ is the height of the potential barrier preventing the electron from leaving the material of the emitter, [eV];
k - постоянная Больцмана, k=1,38 -10-23 [Дж/град° К].k is the Boltzmann constant, k = 1.38 -10 -23 [J / deg ° K].
Высота потенциального барьера вычисляется по законам квантовой физики, в первом приближении определяется той работой, которую должен произвести вылетающий из эмиттера электрон, против сил электрического притяжения к возникающему в материале эмиттера не скомпенсированному положительному заряду. Графическая иллюстрация вышеуказанного процесса представлена на Фиг.4.The height of the potential barrier is calculated according to the laws of quantum physics; in a first approximation, it is determined by the work that the electron emitted from the emitter must perform against the forces of electric attraction to the uncompensated positive charge arising in the material of the emitter. A graphic illustration of the above process is presented in FIG. 4.
Термоэмиссионные катоды работают за счет увеличения температуры Т. При этом расходуется большая энергия. Автоэмиссионный катод работает за счет уменьшения высоты φвых и ширины потенциального барьера аThermionic cathodes work by increasing the temperature T. This consumes a lot of energy. The field emission cathode operates by decreasing the height φ o and the width of the potential barrier a
являющегося максимумом в математической зависимости совершаемой работы от расстояния X, на которое удален электрон.which is the maximum in the mathematical dependence of the work being done on the distance X by which the electron is removed.
Здесь: φf- энергетический уровень Ферми для электронов в материале эмиттера, [эВ];Here: φ f is the Fermi energy level for electrons in the material of the emitter, [eV];
Е - напряженность электрического поля у поверхности центра эмиссии, [В/м];E is the electric field strength at the surface of the emission center, [V / m];
ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, ε0=8,85-10-12 [Ф/м].ε 0 is the dielectric constant of vacuum, ε 0 = 8.85-10 -12 [F / m].
За счет увеличения напряженности электрического поля у эмитирующей поверхности можно снижать высоту потенциального барьера, при этом так же уменьшается ширина потенциального барьера а. Когда ширина потенциального барьера а (Фиг.4) становится соизмеримой с половиной длины волны волновой функции электрона внутри материала эмиттера, наблюдается эффект прохождения электронов сквозь потенциальный барьер без энергетического преодоления его, т.е. без затраты запаса собственной энергии - туннельный эффект. Волновая функция электрона описывает распределение плотности вероятности нахождения электрона в интересующей точке пространства, а ее квадрат - вероятность обнаружения электрона в этой точке.By increasing the electric field strength at the emitting surface, the height of the potential barrier can be reduced, while the width of the potential barrier a also decreases. When the width of the potential barrier a (Fig. 4) becomes comparable with half the wavelength of the electron wave function inside the emitter material, the effect of the passage of electrons through the potential barrier without energy overcoming it is observed, i.e. without the cost of supplying one's own energy, a tunnel effect. The wave function of an electron describes the probability density distribution of an electron at a point in space of interest, and its square is the probability of detecting an electron at that point.
Увеличение напряженности электрического поля у эмитирующей поверхности можно получить с помощью увеличения напряжения на аноде (металлизированная поверхность люминофора) или с помощью уменьшения радиуса поверхности эмиссии:An increase in the electric field at the emitting surface can be obtained by increasing the voltage at the anode (metallized surface of the phosphor) or by reducing the radius of the emission surface:
Здесь: k - коэффициент пропорциональности, [В·м];Here: k is the coefficient of proportionality, [V · m];
R - радиус искривления эмитирующей поверхности, [м].R is the radius of curvature of the emitting surface, [m].
Названия и назначение элементов катодолюминесцентной лампы (Фиг.5):The names and purpose of the elements of the cathodoluminescent lamp (Figure 5):
23 - стеклянная сфера (колба) лампы;23 - glass sphere (bulb) of the lamp;
24 - люминофорное покрытие источника света 32;24 - phosphor coating of the
25 - люминофорное покрытие источника света 33;25 - phosphor coating of the
26 - электропроводящее алюминиевое покрытие на люминофоре 24 источника света 32, служащее анодом в источнике света 32;26 - an electrically conductive aluminum coating on the
27 - электропроводящее алюминиевое покрытие на люминофоре 25 источника света 33, служащее анодом в источнике света 33;27 - an electrically conductive aluminum coating on the
28 - электрический вывод лампы, служащий в качестве несущего электрода для автокатода 31 и используемый в качестве электрического контакта для электропроводящего покрытия 26;28 is an electrical terminal of a lamp serving as a carrier electrode for an
29 - электрический вывод лампы, служащий в качестве несущего электрода для автокатода 30 и используемый в качестве электрического контакта для электропроводящего покрытия 27;29 is an electrical terminal of a lamp serving as a supporting electrode for an
30 - эмиттер электронов, автокатод из нано-структурированного углеродного материала для источника света 32;30 - electron emitter, a cathode made of nano-structured carbon material for a
31 - эмиттер электронов, автокатод из нано-структурированного углеродного материала для источника света 33;31 - electron emitter, a cathode made of nano-structured carbon material for a
32 - один источник света, размещенный в лампе;32 - one light source located in the lamp;
33 - другой источник света, размещенный в лампе.33 is another light source located in the lamp.
Конструктивно (Фиг.5) лампа представляет собой шарообразную сферу 23 из прозрачного стекла с введенными в нее через стеклянные впаянные проходные «капли» и расположенными внутри сферы держателями электродов 28, 29. На один из электродов 29 крепится с обеспечением электрического контакта один из эмиттеров 30 электронов. Эмиттер 30 служит для генерации свободных электронов в одном источнике света 32. Другой электрод 28 соединяется с металлическим покрытием люминофора - анодом 26. На другой из электродов 28 крепится также с обеспечением электрического контакта эмиттер 31 электронов. Эмиттер 31 служит для генерации свободных электронов в другом источнике света 33. Анодом в источнике света 33 служит металлическое покрытие 27 люминофора 25. Во внешнюю цепь питания анод 27 подключается с помощью электрода 29. Таким образом, к электроду 28 подключены эмиттер 31 электронов - автокатод источника света 33 и металлическое покрытие 26 люминофора 24 - анод источника света 32, чем обеспечивается встречно-параллельное включение источников света в лампе.Structurally (Figure 5), the lamp is a
В системе электрического освещения катодолюминесцентные лампы содержат в каждой колбе по два (Фиг.5) параллельно соединенных источника света 32 и 33, встречно включенных по отношению к питающему напряжению. В один полупериод светит источник 32, в другой полупериод питающего напряжения светит другой источник 33.In an electric lighting system, cathodoluminescent lamps contain in each bulb two (Figure 5) parallel-connected
В результате применения в системе электрического освещения катодолюминесцентных ламп с автокатодами, система приобретает ряд существенных преимуществ перед известными источниками освещения:As a result of the use of cathodoluminescent lamps with auto-cathodes in the electric lighting system, the system acquires a number of significant advantages over known lighting sources:
- высокая световая эффективность и яркость;- high light efficiency and brightness;
- благоприятный для человека спектр излучения;- human-friendly radiation spectrum;
- экологическая чистота - отсутствие вредных и ядовитых веществ;- environmental cleanliness - the absence of harmful and toxic substances;
- мгновенная готовность к работе;- instant readiness for work;
- широкий диапазон рабочих температур (от -196°С до +150°С);- a wide range of operating temperatures (from -196 ° С to + 150 ° С);
- большая площадь светоизлучающей поверхности;- a large area of the light emitting surface;
- срок службы более 50 тысяч часов;- service life of more than 50 thousand hours;
- в производстве ламп используются простая технология и широко распространенные в природе и дешевые материалы.- In the manufacture of lamps, simple technology and widespread in nature and cheap materials are used.
В таблице приведены сравнительные характеристики катодолюминесцентных источников света и других существующих источников света, работающих на основе иных физических процессов.The table shows the comparative characteristics of cathodoluminescent light sources and other existing light sources operating on the basis of other physical processes.
Пример выполнения устройства системы электрического освещения.An example of a device for an electric lighting system.
Солнечная батарея 1 (Фиг.1) мощностью 300 Вт напряжением 12 В и аккумуляторная батарея 2 напряжением 12 В включены для работы с преобразователем 4 частоты 25 кГц мощностью 150 Вт с выходным напряжением 12 В. Повышающий высокочастотный резонансный трансформатор 6 содержит 8 витков низковольтной обмотки 5 и 2500 витков высоковольтной обмотки 7, при этом на высоковольтном выводе 8 генерируется потенциал с напряжением 10 кВ при частоте 25 кГц. Каждый из светильников 10-1, 10-2, …, 10-n содержит лампу (Фиг.5) с двумя встречно-параллельно включенными катодолюминесцентными источниками света 32 и 33 с автокатодами. Лампа белого свечения с рабочим напряжением 10 кВ при частоте 25 кГц, со световым потоком около 1200 лм и рабочим током 5 мА.A solar battery 1 (Fig. 1) with a power of 300 W and a voltage of 12 V and a
За счет потребления электрической энергии в резонансном режиме и в результате использования катодолюминесценции в качестве светоизлучающего механизма, генерации катодного пучка электронов с помощью энергоэффективного механизма переноса зарядов - в результате туннельного прохождения электронами потенциального барьера на поверхности эмиттера, а также передачи энергии к светильнику по однопроводной линии с малыми потерями в проводнике, работа системы электрического освещения осуществляется с высоким КПД, равным 80-90%. При питании светильника по однопроводной линии исключается возможность короткого замыкания, так как отсутствуют проводники с разностью потенциалов между ними, как это имеет место в обычной электрической сети. В качестве источника электрической энергии может быть использована не только солнечная батарея, но и любой другой источник электрической энергии.Due to the consumption of electrical energy in the resonant mode and the use of cathodoluminescence as a light-emitting mechanism, the generation of a cathode electron beam using an energy-efficient charge transfer mechanism - as a result of the passage of electrons through a potential barrier on the surface of the emitter, as well as the transfer of energy to the lamp via a single-wire line with low losses in the conductor, the operation of the electric lighting system is carried out with high efficiency equal to 80-90%. When the luminaire is powered via a single-wire line, the possibility of a short circuit is excluded, since there are no conductors with a potential difference between them, as is the case in a conventional electrical network. As a source of electrical energy can be used not only a solar battery, but also any other source of electrical energy.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012108207/07A RU2505744C2 (en) | 2012-03-06 | 2012-03-06 | Electric lighting system (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012108207/07A RU2505744C2 (en) | 2012-03-06 | 2012-03-06 | Electric lighting system (versions) |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011109387 Previously-Filed-Application | 2011-03-14 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2012108207A RU2012108207A (en) | 2013-09-20 |
| RU2505744C2 true RU2505744C2 (en) | 2014-01-27 |
Family
ID=49182715
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012108207/07A RU2505744C2 (en) | 2012-03-06 | 2012-03-06 | Electric lighting system (versions) |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2505744C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662796C1 (en) * | 2017-05-03 | 2018-07-31 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Объединение "Волновые Технологии" | Electrical lighting system |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0087962A2 (en) * | 1982-02-26 | 1983-09-07 | GTE Laboratories Incorporated | Beam mode fluorescent lamp having dual cathodes with unipotential ends |
| SU1218936A3 (en) * | 1979-11-07 | 1986-03-15 | Лумалампан Актиеболаг | Cathode unit for luminiscent lamps |
| RU2150767C1 (en) * | 1997-07-08 | 2000-06-10 | Трайпл "А"Девайсес Лтд. | Luminescent photocathode light source |
| RU2241176C1 (en) * | 2003-10-14 | 2004-11-27 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Sunlight lamp |
| WO2006088934A2 (en) * | 2005-02-16 | 2006-08-24 | Elmet Technologies, Inc. | Fluorescent lamp cathode and method of making cathodes |
| RU2364783C1 (en) * | 2008-05-06 | 2009-08-20 | Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) | Feed system of gas-discharge lamp |
-
2012
- 2012-03-06 RU RU2012108207/07A patent/RU2505744C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1218936A3 (en) * | 1979-11-07 | 1986-03-15 | Лумалампан Актиеболаг | Cathode unit for luminiscent lamps |
| EP0087962A2 (en) * | 1982-02-26 | 1983-09-07 | GTE Laboratories Incorporated | Beam mode fluorescent lamp having dual cathodes with unipotential ends |
| RU2150767C1 (en) * | 1997-07-08 | 2000-06-10 | Трайпл "А"Девайсес Лтд. | Luminescent photocathode light source |
| RU2241176C1 (en) * | 2003-10-14 | 2004-11-27 | Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства | Sunlight lamp |
| WO2006088934A2 (en) * | 2005-02-16 | 2006-08-24 | Elmet Technologies, Inc. | Fluorescent lamp cathode and method of making cathodes |
| RU2364783C1 (en) * | 2008-05-06 | 2009-08-20 | Российская Академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ РОССЕЛЬХОЗАКАДЕМИИ) | Feed system of gas-discharge lamp |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2662796C1 (en) * | 2017-05-03 | 2018-07-31 | Общество С Ограниченной Ответственностью Научно-Производственное Объединение "Волновые Технологии" | Electrical lighting system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2012108207A (en) | 2013-09-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4818914A (en) | High efficiency lamp | |
| EP1498931B1 (en) | Cathodoluminescent light source | |
| US3040202A (en) | Electroluminescent cell and method | |
| JPS63141252A (en) | Low pressure discharge lamp | |
| RU2505744C2 (en) | Electric lighting system (versions) | |
| US9288885B2 (en) | Electrical power control of a field emission lighting system | |
| AU2007212811A1 (en) | Device for fluorescent tube armatures | |
| JP5757957B2 (en) | Field emission lighting device | |
| EP2337432B1 (en) | Resonance circuitry for a field emission lighting arrangement | |
| CN100561633C (en) | Field Emission Luminescence Lighting Source | |
| Masoud et al. | High efficiency, fluorescent excimer lamps, an alternative to cfls and white light leds | |
| CN100454479C (en) | field emission lighting source | |
| RU123578U1 (en) | CATODOLUMINESCENT LAMP | |
| CN100426450C (en) | Field emission light source and backlight module of using the light source | |
| CN100530518C (en) | Field emission illuminating light source | |
| KR200230709Y1 (en) | Cold cathod type fluorescent lamp | |
| RU118122U1 (en) | CATODOLUMINESCENT LAMP | |
| EP2472552A1 (en) | Field emission lighting arrangement | |
| CN100446171C (en) | Field emission light source and backlight module using the light source | |
| CN100583384C (en) | Lighting source | |
| SU1730686A1 (en) | Cathode luminescent lamp | |
| TWM448782U (en) | Field emission anode and field emission lamp thereof | |
| RU132615U1 (en) | CATODOLUMINESCENT LAMP | |
| KR101760606B1 (en) | Field emission light device and illumination having this same | |
| TWM448783U (en) | Field emission cathode and field emission lamp thereof |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20140307 |