НЕОН: Тренировка неоновых ламп

Тренировка — последняя операция электровакуумного цикла изготовления неоновых ламп. Казалось бы простая операция, не требующая высокой квалификации, но при ее детальном анализе возникает масса вопросов:

• в чем заключается ее цель;
• как выбирать способы и режимы ее проведения;
• каковы принципы построения тренировочного оборудования.

По первому вопросу мнения специалистов расходятся. Одни сводят эту операцию к контролю качества ламп. При этом под контролем понимают не только визуальное обнаружение дефектов, но и применение более сложных инструментальных методов контроля. В этом случае целью является выбраковка ламп с явными и скрытыми дефектами. Понятно, что такая постановка вопроса требует использования специализированных технических средств, работающих в автоматическом режиме. Описанный подход эффективен для серийного производства.

Другие специалисты считают, что если лампа после изготовления не демонстрирует явных дефектов, то ее тренировать незачем. К дефектным лампам относят те, которые либо греются, либо имеют пониженную яркость и неравномерность свечения. Время тренировки не регламентируется, поскольку нельзя предугадать, когда исчезнут внешние признаки дефектов. При этом целью тренировки следует считать стабилизацию параметров лампы. Такой подход вполне рационален для единичного и мелкосерийного производства, поскольку снижает технологические потери. Но где гарантия, что среди оттренированных нет ламп со скрытыми дефектами, которые проявляют себя в первые дни ее работы в световой установке? Такой уверенности нет и быть не может, поскольку тренировка скорее маскирует, а не выявляет небольшие дефекты, такие как диффузионные течи, несимметричность (эмиссионные способности электродов различны) и другие.

Так какой же подход следует считать правильным? Истина, как всегда, — посередине. Каждому производителю следует самостоятельно (исходя из условий собственного производства) найти наиболее выгодное сочетание тренировочных и контрольных операций.

Электровакуумная обработка ламп преследует две цели:

• уменьшение газовыделения в полость лампы с внутренней поверхности стеклянной трубки и с поверхностей электродов (операция обезгаживания);
• активирование эмиссии поверхностного слоя электродов.

Чистота поверхности характеризуется значением стационарной скорости газовыделения и скоростью сорбции газообразных примесей. Электроды неоновых ламп, кроме эмиссии электронов, участвуют в другом процессе, который носит название ионной, или электроразрядной, откачки примесных газов. Пока лампа находится на откачном посту, эти процессы мало себя проявляют. Поэтому в литературе о них практически не упоминается. Однако в момент отпайки лампы от поста именно эти процессы становятся определяющими.

Итак, в ходе работы готовой лампы с ее внутренней поверхности постоянно выделяется некоторое количество газообразных примесей. Кроме того, нельзя забывать о примесях, попавших в лампу из расплавленного конца штенгеля при ее отпайке. Однако поступление примесей во внутреннюю полость лампы ограничивается откачивающим действием чистых поверхностей и электродов. В результате через некоторое время устанавливается динамическое равновесие этих разнонаправленных процессов. Оно характеризуется значением давления остаточных газов, что определяет многие, если не все, показатели работы лампы. К примеру, такие как яркость свечения, напряжение горения и напряжение зажигания, работа выхода электронов из электродов и др. Время установления динамического равновесия зависит от размеров лампы, качества комплектующих и качества проведения процессов электровакуумного цикла. Чем хуже была проведена электровакуумная обработка (прожиг) лампы и чем больше ее внутренняя поверхность, тем длиннее будет процесс установления динамического равновесия.

Большое значение остаточного давления провоцирует начало таких нежелательных процессов, как шнурование разряда и забросы плазмы разряда на внешнюю поверхность электродов.

Нормальное функционирование электродов характеризуется работой выхода электронов, которая зависит от структуры активированного слоя и степени его загрязнения. Структура этого слоя начинает формироваться во время операции активирования. Поскольку время ее выполнения чрезвычайно мало (не более 30 секунд), процессы формирования многофазной структуры, которые лимитируются медленными диффузионными процессами, не успевают полностью закончиться. Их завершение происходит во время тренировки, которую желательно проводить не при рабочих режимах тока и формы напряжения, а при специальных. Только в этом случае может быть достигнут предельный срок службы электродов.

Одним из тяжелейших скрытых дефектов электродов является несимметричность. В этом случае наблюдается явление катафореза. В лампах с неоновым заполнением наблюдается локальное изменение цвета разряда — <белесость>, которую ошибочно принимают за загрязнение ртутными парами. А в лампах с ртутным наполнением наблюдается миграция ртути к одному из электродов.

Причины этого явления могут быть разными. Во-первых, производственный брак. Зафиксированы случаи неполного покрытия внутренней поверхности электродов, повышенная пористость и осыпание слоя. Во-вторых, несимметричность может быть вызвана отклонениями при проведении операций электровакуумного цикла. В-третьих, к временной несимметричности приводят забросы плазмы на внешнюю поверхность электродов.

Во время тренировки в обычных режимах (на переменном токе) несимметричность имеет склонность не уменьшаться, а, наоборот, увеличиваться. Другими словами, неправильный выбор способа и режимов проведения тренировочного процесса может ухудшить качество лампы.

Широко известен способ тренировки на переменном токе. Он наиболее прост по технической реализации. В этом случае лампы (одна или несколько) подключаются к газосветному трансформатору по стандартной схеме. Обычно используют трансформаторы с повышенным током, так как в этом случае быстрее протекают сорбционно-десорбционные процессы и соответственно быстрее устанавливается предельное остаточное давление. Однако наблюдается локальная неравномерность температуры разряда, что способствует развитию процесса <шнурования>. Чтобы этого избежать, рекомендуется использовать режим прерывания тренировки, при котором тренируемую лампу многократно включают и выключают. Переходные процессы, протекающие при включении лампы, способствуют выравниванию температуры. В результате процесс установления разряда заметно ускоряется.

Время, необходимое для завершения процессов стабилизации параметров бездефектных ламп, составляет 10-30 минут и зависит от типа люминофора, диаметра и длины ламп. Для люминофоров белого спектра свечения определяющим является время достижения равномерности свечения. Это связано с тем, что они являются смесями люминофоров, а значит, менее однородны и более пористы. То же относится к пигментированным и двойным покрытиям. При меньшем диаметре трубки температура разрядной плазмы повышается, что способствует сокращению времени выравнивания яркости. При увеличении длины ламп и количества <обратных ходов> время тренировки, наоборот,  возрастает.  Временные дефекты — это такие, как <шнурование разряда> и <заброс разрядной плазмы на внешнюю поверхность электрода>.

Неприятной особенностью процесса тренировки является распыление электродов малых диаметров. В этом случае рекомендуется уменьшать либо время, либо ток тренировки (с помощью диммера). Последний способ является более предпочтительным. Эмпирически установлено, что тренировочный ток должен быть в 1,5-2 раза выше рабочего, используемого в лампе электродов.

Об увеличении несимметричности ламп в процессе тренировки на переменном токе говорилось выше. Подбором режимов тренировки эту проблему решить не удается. Еще больше она проявляется при тренировке на высокой частоте. В этом случае возникает неравномерность газового разряда, связанная с усилением реактивных и стратовых колебаний, а также с локальными емкостными утечками тока. Тренировка на высокой частоте может привести к резкому усилению несимметричности и к цветовой неравномерности. Из этого экспериментального факта следует вывод: лампы, предназначенные для включения в цепи высокочастотных трансформаторов, должны быть хорошо оттренированными.

Если лампа проявляет диодные (несимметричные) свойства, логично тренировать ее на постоянном токе. В этом случае, используя режим периодической переполюсовки, можно оттренировать каждый электрод по отдельности. Эксперименты показывают, что для уменьшения несимметричности до допустимого значения требуется от 3 до 10 минут. Поскольку при включении ртутных ламп в цепь постоянного тока процесс катафореза протекает быстрее, указанная тренировка позволяет довольно быстро добиться равномерности в свечении ламп. Другими словами, контролируемые <негативные> процессы дают положительный эффект.

Рис. 1. Схема стенда для тренировки ламп
на переменном токе:
1 — диммер; 2 — газосветные лампы.

На рис.1 представлена схема, реализующая способ тренировки на переменном токе. В качестве трансформатора (Тр) может быть применен любой газосветный трансформатор с номиналом рабочего тока 60-120 мА. Регулировка тока в световой линии осуществляется  диммером. Поскольку нагрузка диммера носит  индуктивный характер (газосветный трансформатор), то для обеспечения      устойчивой работы схемы необходимо применять   специализированные диммеры,  рассчитанные на индуктивную нагрузку, либо специальные сглаживающие фильтры. Миллиамперметр переменного тока должен быть стрелочным. Схема, представленная на рис.1, мало отличается от описанных в технической литературе и вряд ли вызовет трудности в реализации. Конструктивно тренировка на переменном токе может быть реализована как в виде мобильного устройства (фото 1а), так и в виде стационарного (тренировочная рама) (фото 1б).

Фото 1. Установка для тренировки газосветных ламп:
а) мобильная; б) стационарная (миллиамперметр не показан).

Схемы процесса тренировки на постоянном токе могут быть воплощены различными способами, отличающимися, к примеру, методом реализации  перефазировки тренируемой лампы.

Рис 2. Схема стенда для тренировки ламп на постоянном токе:
1-диммер; 2-газосветные лампы.

На рис.2 представлена одна из возможных реализаций этого способа. Ее особенность заключается в том, что перефазировка выполнена на магнитном пускателе, имеющем замыкающие и размыкающие контактные группы. При этом переброска фаз осуществляется вручную с помощью тумблера (S2). Для выпрямления выходного напряжения использовались высоковольтные диоды, включенные по мостовой схеме. В тренировочную схему включена система измерения напряжения горения лампы, состоящая из делителя напряжения (R1, R2), миллиамперметра и кнопки (Кн1) и позволяющая контролировать величину несимметричности. Примером реализации данной схемы может служить мобильный блок (фото 2), в котором предусмотрена возможность контроля несимметричности тренируемых ламп.

Фото 2. Мобильная установка для тренировки газосветных ламп на постоянном токе.

Итак, тренировка газосветных ламп завершает цепочку физико-химических процессов создания стабильной парогазовой среды и структуры эмиссионного слоя электродов, которые оказывают прямое влияние на срок службы неоновых ламп.

Углубленное понимание этих процессов приводит к необходимости создания новых усовершенствованных методов тренировки, решающих многие проблемы с лампами, такие как неравномерная яркость, возникающая вследствие развития катафореза, белизна в электродных узлах лампы, заполненной неоном, забросы на внешнюю поверхность электродов и многое другое.

Методы проведения тренировочного процесса, описанные в статье, позволяют решать две задачи: повышение качества неоновой продукции и уменьшение технологических потерь.

автор Марков В.
журнал «Вывески Реклама OUTDOOR» №6 2005 год