НЕОН: Проблемы качества газосветных ламп — статья 2

Электрические параметры

Понятно, что переход от описания внешних проявлений дефектов (явные дефекты) к описанию физических параметров лампы (скрытые дефекты) приводит к усложнению классификации, т.е. каждый новый уровень описания порождает новые ряды дефектов, которые являются по существу параметрическими моделями физических процессов, протекающих в лампе при развитии дефекта. Поэтому скрытые дефекты часто называют параметрическими.

Выбор параметров и размерности параметрического пространства является сложнейшей проблемой диагностики дефектов. В данной статье описываются лишь некоторые, перспективные (но мнению автора) диагностические модели, не претендующие на полноту описания всего многообразия физических процессов. Их задача более приземленная — дать в руки технологов электровакуумного производства более или менее надежный инструмент контроля качества отдельного изделия, а также устойчивости технологического процесса изготовления ламп в целом.

Работу газоразрядной лампы будем характеризовать следующими основными электрическими параметрами:

напряжением горения;
динамическим внутренним сопротивлением.

Величина напряжения зажигания (перезажигания) лампы зависит от состояния газовой среды (работы выхода электронов) и геометрии лампы (диаметра и длины трубки).

Под напряжением горения понимают значение установившегося после зажигания разряда. Величина напряжения горения зависит от параметров самой лампы (давления остаточных газов, давления насыщенных паров ртути, давления инертных газов) и состояния электродов, а не от параметров источника питания, и может быть выражена в виде следующей зависимости:

(1) Ug=Uak+E x L,

где Ug — напряжение горения, В;
Uak — прикатодное падение потенциала, D;
Е — падение напряжения в положительном столбе разряда на единицу длины, В/м;
L — длина лампы, м.

Прикатодное падение потенциала слабо зависит от геометрии лампы и определяется состоянием газовой среды и электродов. Величина Е, напротив, не зависит от состояния электродов, а определяется диаметром трубки лампы и состоянием газовой среды.

В случае работы лампы на переменном токе величина напряжения на газосветной лампе носит несинусоидальный характер (рис. 1). Из рисунка видно, что в качестве напряжения горения может быть принята либо величина среднего напряжения на лампе, которая близка к значению напряжения горения по постоянному току, либо средне-квадрагическое значение напряжения. В этом случае величина измеряемого напряжения будет сильно зависеть от конструкции измерительного прибора. Лучше всего в этом случае подходят киловольтметры емкостной системы (например, С-502).

Напряжение горения является наиболее известным в производстве газоразрядных приборов диагностическим параметром. Порядок диагностирования дефектов в этом случае следующий. Вначале проводится подготовительная работа:

измеряется напряжение горения газосветных ламп одинакового диаметра и заполнения, но различной длины при фиксированном значении переменного тока;
методом наименьших квадратов строится зависимость Ug-L в соответствии с формулой (1) и определяются верхняя и нижняя границы доверительного интервала (рис. 2).

Тогда попадание значения напряжения горения произвольной лампы в область 1 будет признаком бездефектности лампы и, соответственно, попадание в области 2,3 — признаком дефекта. Диагностика дефектов ламп по напряжению горения технически проста и надежна. Однако идентификация дефектов (выявление физической причины) практически невозможна.

Несколько большими прогностическими возможностями обладает метод диагностики по напряжению горения, измеренному на постоянном токе (лампа подключается к газосветному трансформатору через диодный мост, выполненный из высоковольтных выпрямительных диодов). В этом случае, меняя фазировку включения лампы в измерительную цепь, можно выявить разницу напряжений Δ = Ug1 — Ug2, которая есть мера несимметричности электродов лампы. Анализ дефектных ламп показал, что если |Δ| < либо = 1%, то явление катафореза, которое описывалось в первой статье, практически не наблюдается. При значениях |Δ| > либо =1%, замеренных сразу после изготовления лампы, через несколько суток работы появляются первые признаки катафореза — неравномерность свечения по длине трубки (для ртутных ламп). Принято считать, что в неоновых лампах катафорез отсутствует. Однако это справедливо лишь в том случае, если давление остаточных газов и скорость газовыделения из электродов в лампе в пределах нормы (10 в -3 степени мм рт. ст. и 10 в -7 степени мм рт. ст./с см2 соответственно). Если это не так, то через некоторое время возле одного из электродов в цвете разряда начинает проявляться белизна или синева. Белизна чаще всего связана с загрязнением откачного поста ртутными порами, а синева — с повышенным содержанием остаточных газов и недостаточной степенью обезгаживания одного из электродов.

Последний пример показывает, что несимметричность газосветных ламп — явление сложное, зависящее от множества физических факторов. Идентификация отдельных дефектов по величине Δ также проблематична. Однако анализ дефектных ламп показал следующее. Если лампа изготовлена без отклонений от технологии (мало давление остаточных газов, хорошо обезгажены электроды и стенки трубки), то в процессе тренировки несимметричность стабилизируется на некотором уровне, который предопределяется только качеством изготовления электродов. В противном случае тренировка на переменном токе приводит к увеличению несимметричности. Отсюда следует практический вывод: проблемные лампы необходимо тренировать на постоянном токе с периодической перефазировкой. Это дает возможность оттренировать отдельно каждый из электродов и уменьшить начальную несимметричность.

Третьим электрическим параметром, который может быть использован для диагностики дефектов, является динамическое сопротивление:

(2) R=ΔUg/ΔI,

где ΔUg — приращение напряжения горения;
ΔI — приращение тока.

Поскольку изменение тока практически не влияет на прикатодное падение потенциала, то динамическое сопротивление характеризует состояние газовой среды. Этот параметр чрезвычайно чувствителен к величине остаточных газов, а также к величине давления паров ртути. Так, к примеру, даже незначительная концентрация ртути в газовой среде неоновой лампы (не приводящая к цветовым искажениям) резко изменяет знак динамического сопротивления (с отрицательного на положительный). Таким образом, характер отклонения динамического сопротивления от среднего значения позволяет идентифицировать целый ряд дефектов.

Так же как в случае напряжения горения, величина динамического сопротивления зависит от геометрических параметров лампы, значит, можно построить зависимость R — L (рис. 3). Измерение динамического сопротивления в процессе тренировки ламп показывает степень его незавершенности, т.е. может служить его критерием. Однако динамическое сопротивление — величина дифференциальная, из-за этого точность его определения мала.

Поэтому величина доверительного интервала значительно выше, чем в случае напряжения горения, и может достигать +30%.

Подведем промежуточные итоги. Анализ основных электрических характеристик, таких как напряжение горения, динамическое сопротивление, а также параметра несимметричности показал, что:

указанные характеристики могут быть использованы для контроля качества газосветных ламп и прогнозирования надежности их дальнейшей работы;
идентификация конкретных физических дефектов с помощью рассмотренных характеристик возможна лишь в отдельных случаях;
границы допустимых отклонений этих характеристик от средних значений зависят от возможностей измерительной аппаратуры и от стабильности технологического процесса изготовления ламп.

Для повышения надежности контроля качества и точности идентификации дефектов логично использовать рассмотренные параметры в виде системы. Один из возможных примеров построения подобной параметрической системы таков. В конце тренировки газосветной лампы измеряются:

напряжение горения Ug1, Ug2, при постоянном токе 16 мА;
динамическое сопротивление R при токе 16 мА.

Вычисляются:

степень несимметричности Δ;
отклонения напряжения горения и динамического сопротивления от средних (для конкретной длины лампы) значений с учетом знака.

Составляется позиционный код дефекта. Первая цифра кода отражает степень несимметричности и может быть либо нулем (|Δ| < либо = 1%), либо единицей (во всех остальных случаях).

Вторая цифра отражает отклонение напряжения горения от среднего значения. Она может принимать значения -1, 0, +1. Нулю соответствуют отклонения менее +5%. Отклонениям свыше +5% соответствует цифра +1, а отклонениям ниже -5%, цифра -1.

Аналогично формируется третья цифра кода, отражающая отклонения динамического сопротивления от среднего значения. Зоне нуля в этом случае соответствуют отклонения +30%.

Для того чтобы система могла идентифицировать дефекты, ее необходимо обучить. Обучение производится пассивно (анализ электрических параметров ламп в процессе изготовления) либо активно (изготавливается лампа с конкретным дефектом).

После обучения были получены коды дефектов (см. табл.).

После процедуры обучения, пользуясь таблицей, можно оценивать качество газосветной продукции и отбраковывать лампы с опасными параметрическими дефектами, которые могут проявиться в течение гарантийного срока эксплуатации. К таким дефектам относятся:

натекание атмосферных газов через диффузионные течи (код 111);
несимметричность электродов (код 100);
шнурование разряда (код 01+1).

Причем следует особо отметить, что первые два дефекта на ранних стадиях жизненного цикла лампы никакими другими способами определить невозможно, т.е. с помощью описанной системы можно прогнозировать качество ламп. Дефекты с кодами 001, 01+1 (кроме случая шнурования разряда), 0-10 характеризуются средней степенью тяжести. Они проявляются в уменьшении яркости свечения, изменении цветности или незначительном снижении срока службы ламп.

Дефекты с кодами 01+1, 10+1, 00-1 чаще всего связаны с недостаточной тренировкой ламп. Поэтому решение о годности ламп с подобными дефектами принимается после проведения дополнительной тренировки. Если, к примеру, забросы плазмы на электроды и шнурование разряда не прекращаются, лампы бракуются либо ремонтируются. То же относится к дефекту 00-1.

Дефект с кодом 010 носит условный характер. Поскольку небольшое увеличение давления инертного газа не снижает, а чаще продлевает срок службы лампы. В этом случае необходимо лишь учесть факт повышения напряжения горения при расчете световой линии.

Повторение отдельных видов дефектов говорит о неустойчивости технологического процесса, связанной либо с низким качеством комплектующих изделий, либо с неисправностью откачного поста. Так, повторение кода дефекта 0+10 свидетельствует о необходимости тарировки датчика давления. Код 001 подсказывает, что пора произвести очистку вакуумной системы и сменить масло в насосе. Повторение дефекта с кодом 00-1 при отсутствии ошибок в дозировке ртути говорит о ее низком качестве (повышенная концентрация загрязнений).

Систематическое проявление дефекта с кодом 100 указывает на низкое качество электродов. Таким образом, диагностическая система экономит время и средства на поиски возможных неисправностей, позволяя сосредоточиться на главном. Учитывая, что любая контрольная операция увеличивает трудоемкость изготовления изделия, достаточно проводить контроль качества газосветных ламп выборочно. В этом режиме происходит отслеживание устойчивости технологического процесса.

Возможно построение диагностических систем на иных принципах. К примеру, для диагностики дефектов можно использовать динамическую характеристику или ее спектральный образ. В этих случаях можно увеличить количество диагностических параметров, а следовательно, и число диагностируемых дефектов. Однако эти методы требуют автоматизации процесса измерений и усложнения математической обработки, что может быть реализовано только на базе компьютера. Понятно, что подобные системы могут стать рентабельными только при больших объемах газосветных ламп.

автор Марков В.
журнал «Вывески Реклама OUTDOOR» №8 2004 год