logo

logo

logo

logo

logo

الإنارة ب-الترددات الراديوية

اناره بترددات راديويه

Radio-frequency lighting - Eclairage à haute fréquence

الإنارة بالترددات الراديوية

محمد عمايا

 

تقوم المصادر الضوئية الكهربائية الصنعية artificial electrical light sources بتحويل الاستطاعة الكهربائية إلى إشعاعات ضوئية، وقد تطورت مبادئ عمل هذه المصادر على مر السنين من تسخين المعادن حتى الإنارة بالترددات الراديوية radio frequency lighting.

يمكن تصنيف المصادر الضوئية إلى ثلاثة أصناف رئيسية. يعتمد الصنف الأول على تسخين المواد الصلبة (فتيلة تنغستين tungsten filament) إلى درجات حرارة عالية وفق أثر جول، وذلك بإمرار تيار كهربائي عبر الفتيلة التي تشكل دارة كهربائية ضمن حُبابة زجاجية مملوءة بغاز خامل، كالمصابيح المتوهجة incandescent lamps. ويعتمد الصنف الثاني على التحويل المباشر للتيار الكهربائي إلى ضوء ضمن عناصر حالة صلبة، كالديودات المضيئة (LEDs) light- emitting diodes  والديودات الليزرية (LDs) laser diodes. أما الصنف الأخير فيعتمد على انفراغ الغازات gas discharge، كمصابيح الفلورسنت fluorescent ومصابيح هاليدات المعادن metal halide lamps. أدى التطور في مجال إلكترونيات تبديل الاستطاعة المصنوعة من أنصاف النواقل، إضافة إلى الفهم المعمَّق لمميزات بلازما الترددات الراديوية؛ إلى ظهور مصابيح الإنارة بالترددات الراديوية. إن تشغيل مصابيح انفراغ الغاز بالترددات الراديوية، الواقعة في المجال (10kHz - 30 GHz)، يجعلها مصادر فعّالة ذات مواصفات مهمة.

مصابيح الإنارة بالترددات الراديوية radio-frequency lamps

تعتمد مصابيح الإنارة بالترددات الراديوية في إضاءتها على مبدأ عمل مصابيح انفراغ الغاز التقليدية ذاته، إلا أن هذه المصابيح لا تحوي أقطاباً كهربائية electrodes. ومن الطرق العديدة لإنتاج البلازما بالترددات الراديوية، ثمة ثلاث آليات انفراغ عملية لإمداد الطاقة إلى مصابيح الإنارة بالترددات الراديوية وهي: الانفراغ المُدعَّم بالأمواج wave sustained discharge، والانفراغ السعوي capacitive discharge، والانفراغ التحريضي inductive discharge.

1 - الإنارة بالانفراغ المُدعَّم بالأمواج: يُحفَّز الانفراغ بوساطة أمواج كهرطيسية تُسلط باستعمال دليل موجة على سطح البلازما الموجودة ضمن جوف طنيني. تُستعمل في هذا النوع أمواج من رتبة طول أنبوب البلازما، وهذا ما يعني ترددات راديوية عالية (وهي غالباً ترددات مكروية من رتبة GHz). يُستعمل الانفراغ المُدعَّم بالأمواج في مصابيح الانفراغ RF العالية الشدة HID بضغط عالٍ.

يبيّن الشكل (1) رسماً توضيحياً لأحد هذه المصابيح المسمى بالمصباح المُغذَّى بالأمواج المكروية microwave-powered sulfur lamps. إذ يُستخدم مغنيترون magnetron باستطاعة 1.5 kW لتوليد أمواج مكروية بتردد 2.45 GHz تُسلط بدليل موجة مناسب على حُبابة زجاجية من الكوارتز بقطر 3 cm مملوءة بالأرغون والقليل من الكبريت sulfur. تُدوَّر الحُبابة بوساطة محرك للحصول على انفراغ مستقر داخل الجوف الرنيني ولتبريد الحُجرة. يتميز هذا المصباح بمردود قدره 95 lm/W، وزمن حياة قدره 15000 ساعة عمل تقريباً. وتجدر الإشارة إلى تحقيق هذا المصباح مخبرياً فقط.

الشكل(1) : المصباح المُغذَّى بالأمواج المكروية

2 - الإنارة بالانفراغ الراديوي السعوي capacitive RF discharge lighting: يوضع أنبوب الانفراغ الراديوي السعوي كمادة عازلة بين قطبين كهربائيين يمثلان لبوسي مكثف، ويُمدان الأنبوب بالطاقة كما هو موضح في الشكل (2). لدى تطبيق جهد كهربائي مستمر، يُشحن القطبان ويحصل الانفراغ طوال مدة الشحن، ولكن تنطفئ الإضاءة الانفراغية مع نهاية عملية الشحن. لحل هذه المشكلة يجري تحفيز الانفراغ الراديوي السعوي بجهد كهربائي متناوب وبتردد من 1 kHz حتى 1 GHz، وطول موجة أكبر بكثير من طول أنبوب الانفراغ، بحيث يكون زمن نصف دور الجهد المتناوب أقل من زمن الشحن. إن مقاومة مادة الأنبوب الزجاجية (العازلة) تحدد تيار الانفراغ، وذلك بسبب قيمتها المرتفعة مقارنةً بمقاومة البلازما. وفي هذه الحالة يهبط جهد مستمر كبير على جدران الأنبوب القريبة من القطبين، وهذا يسرّع إيونات البلازما باتجاهها. يحدّ ذلك من استعمال الانفراغ الراديوي السعوي في الإضاءة؛ كما أن الطاقة المفقودة في تسارع الإيونات تقلّل مردود المصباح الراديوي السعوي.

 

الشكل (2): الإنارة بالانفراغ الراديوي السعوي

3 - الإنارة بالانفراغ الراديوي التحريضي inductive RF discharge lighting: يمكن النظر إلى مصباح الإنارة بالانفراغ التحريضي على أنه محوِّلة مؤلفة من قلب أو حلقات من الفرِّيت مع ملف أولي وآخر ثانوي، حيث يتمثل الملف الثانوي بالغاز ومادة الزئبق (البلازما) الموجودين داخل المصباح. يمكن أن يقع الملف الأولي داخل المصباح أو خارجه كما هو مبيّن في الشكل (3).

الشكل (3): مبدأ عمل مصباح الانفراغ الراديوي التحريضي

وبتطبيق جهد متناوب عالٍ راديوي على الملف الأولي، يمر تيار متناوب راديوي الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\418\Image306.jpgيحرِّض حقلاً مغنطيسياً متناوباً ضمن القلب أو الحلقات الفرِّيتية. يقوم الحقل المغنطيسي بدوره بتحريض تيار الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\418\Image313.jpgيمر ضمن البلازما الموجودة داخل المصباح، والممثِّلة للملف الثانوي، أي تتسارع إلكترونات هذا التيار وتصدم ذرات الغاز والزئبق مسببة إثارتها ورفع بعض إلكتروناتها إلى مدارات عُلوية. وعند عودة الإلكترونات المثارة إلى مداراتها الأولية، تطلق أشعة فوق بنفسجية تتحول إلى أشعة مرئية عن طريق الطبقة الفسفورية. تعطى فعالية تحويل الاستطاعة power transfer efficiency لمصباح الانفراغ التحريضي الراديوي بالعلاقة (1):

الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\418\Image322.jpg

حيث الوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\418\Image330.jpgوالوصف: D:\المجلد 3 تقانة اخراج\418\Image337.jpg تمثلان الاستطاعة المقدَّمة للبلازما، والاستطاعة المبدَّدة في الملف على الترتيب.

بعد عقود من الأبحاث حول فيزياء انفراغ الغاز وعلوم فيزياء مواد الحالة الصلبة ودارات التغذية التقطيعية الإلكترونية، جرى توفير العديد من مصابيح الانفراغ التحريضي تجارياً، منها:

أ- مصباح الانفراغ التحريضي ذو الجوف الرنيني re-entrant cavity induction lamp: يشابه هذا المصباح في شكله الخارجي المصباح المتوهج التقليدي. لإحداث الانفراغ التحريضي يُستعمل ملف أولي معزول وملفوف حول قلب فرِّيتي، ويوضع ضمن تجويف مركزي مصنوع ضمن المصباح كما في الشكل (4). يوضع ضمن الفرِّيت قضيب نحاسي ناقل موصول بالقاعدة لتبريد ملف التحريض والجوف. يُستعمل كبل محوري لتوفير القدرة من دارة التغذية التقطيعية الإلكترونية إلى الملف الأولي المعزول. تعمل دارة التغذية التقطيعية لهذا المصباح عند تردد 2.65 MHz، ويبلغ مردود هذا المصباح 70 lm/W وبنحو 100000 ساعة عمل. يتوفر هذا المصباح باستطاعة 55 W و85 W و165 W.

الشكل (4): مصباح الانفراغ التحريضي ذو الجوف

ب - مصباح التحريض ذو الجوف الذاتي التوازن self-ballasted cavity induction lamp: في هذا المصباح تُثبّت دارة التغذية التقطيعية الراديوية التي تعمل عند تردد 2.65 MHz، ضمن قاعدة مصباح الانفراغ التحريضي ذي الجوف بحيث يقع الملف التحريضي الأولي داخل المصباح كما في الشكل (5). يشبه هذا المصباح في تصميمه المصباح المتوهج، ويمكن أن يُستبدل به مباشرة، ولكن بفعالية أعلى وزمن حياة أطول. يبلغ مردود هذا المصباح 48 lm/W وبنحو 15000 ساعة عمل. تعدّ مشكلات التداخل الكهرطيسي EMI من أهم قيود استعمال المصباحين السابقين، وقد بُذلت جهود كبيرة لحذف المركِّبات المغنطيسية والكهربائية للتلاؤم مع معايير التوافق الكهرطيسي EMC.

الشكل (5): مصباح التحريض ذو الجوف الذاتي الموازنة

 

ج- مصباح الانفراغ التحريضي الكروي بملف خارجي spherical external-coil induction lamp: هو أحد المصابيح المتوفرة أيضاً، إذ يوظِّف هذا المصباح حُبابة فلورسنت بقطر 4.5 cm تُقاد تحريضياً بمنبع تغذية راديوية RF، بتردد 13.56 MHz موضوع ضمن وحدة القاعدة كما في الشكل (6). يقوم ملف أولي ملفوف حول المصباح بتوفير الطاقة إلى غاز النيون وكمية قليلة من الزئبق الموجودين داخل المصباح. يُحاط المصباح بقفص واقٍ لتخفيض مستوى التداخل الكهرطيسي EMI إلى حدٍّ مقبول. يعمل المصباح باستطاعة قدرها 27 W، وبمردود إضاءة 37 lm/W. يُستعمل هذا المصباح في الأماكن التي يصعب الوصول إليها مثل الأبراج والغرف العالية الأسقف.

الشكل (6): مصباح الانفراغ التحريضي الكروي بملف خارجي

د- مصباح التحريض الخارجي المنخفض التردد low-frequency external-coil induction lamp: يتألف هذا المصباح من أنبوب زجاجي بقطر 5.4 cm على شكل مستطيل أو دائرة. يوضع ملفان من الفرِّيت على الضلعين القصيرتين للمصباح يوفران الطاقة، كما في الشكل (7). يبلغ مردود هذا المصباح نحو 95 lm/W، وهو متوفر باستطاعات من 15 W حتى 200 W. يعمل هذا المصباح عند تردد راديوي 250 kHz، وهذا ما يلغي مشكلات التداخل الكهرطيسي EMI ويبسِّط من تصميم دارة التغذية التقطيعية ويقلل التكلفة. كما يتميز هذا المصباح بزمن حياة مقداره 100000 ساعة عمل، ويتعلق ذلك بدارة التغذية التقطيعية وليس بالمصباح. يُعدّ هذا المصباح مفيداً لإنارة الجسور والأنفاق والشوارع والأماكن التي يصعب الوصول إليها.

الشكل (7): مصباح التحريض الخارجي المنخفض التردد

تتميز مصابيح الإنارة بالترددات الراديوية بزمن حياة طويل (حتى 100000 ساعة عمل)، ومردود إضاءة عالٍ (62 – 90 lm/W)، وذلك بفضل غياب الأقطاب الكهربائية. تجدر الإشارة إلى حظر استعمال بعض الغازات والمواد لتشكيل البلازما في المصابيح ذات الأقطاب الكهربائية بسبب تفاعلها معها، وتخريب طبقة الأكسيد المطلية، وتقليص عمر المصباح. كما أن عامل استطاعة هذه المصابيح عالٍ (%95 - %98) بفضل الضياعات المنخفضة ضمن دارات التغذية الإلكترونية التقطيعية بالترددات الراديوية. تعدّ مصابيح الانفراغ التحريضي صديقة للبيئة لأنها تحتاج إلى طاقة أقل، وتتطلب كمية زئبق أقل مما تتطلبه مصابيح الانفراغ التقليدية ذات الأقطاب الكهربائية. كما يمكن إعادة تدوير الزئبق واستعماله بعد تعطل المصباح، لأنه مستخدم في الحالة الصلبة.

يُعدّ إقلاع هذه المصابيح آنيّاً وآمناً؛ ولكن كلفتها ما تزال مرتفعة بسبب كلفة دارة التغذية الإلكترونية التقطيعية في الترددات الراديوية.

تطبيقات وآفاق

تُعدّ مصابيح الإنارة بالترددات الراديوية- وخاصة التحريضية منها- حلّاً اقتصادياً لمجال واسع من التطبيقات وذلك بفضل عمرها الطويل، ومردودها المرتفع، وكلفة صيانتها المنخفضة، وتفاعلها مع البيئة. وعلى الرغم من حداثتها، فقد انتشرت في تطبيقات الإنارة المنزلية والعامة، إضافة إلى إنارة نباتات المزارع والأماكن الخارجية والأماكن التي تكون عملية الصيانة الدورية فيها صعبة كالصالات الرياضية والأنفاق والجسور والأبراج. إن التطوير المستمر لأجزاء المصابيح الراديوية لا يقود إلى تخفيض كلفتها فحسب، بل إلى توسع تطبيقاتها مع استمرار الحفاظ على الطاقة والبيئة. كما يمكن استعمال هذه المصابيح مع مصادر الطاقة المتجددة renewable energy، إذ يكفي لتغذيتها استعمال قالب جهد DC-AC كدارة تغذية إلكترونية تقطيعية مستقبلية.

مراجع للاستزادة:

- A. Bogaerts et al., Review Gas discharge plasmas and their applications, Spectrochimica Acta Part B 57, Elsevier 2002.

- V. A. Godyak et al., Bright idea: Radio frequency light sources, IEEE Industry applications magazine, May/June 2002.

- F. Schubert, Light Emitting Diodes, Cambridge University Press, New York 2006.


التصنيف : الهندسة الكهربائية
النوع : الهندسة الكهربائية
المجلد: المجلد الثالث
رقم الصفحة ضمن المجلد : 0
مشاركة :

اترك تعليقك



آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

هل تعلم ؟؟

عدد الزوار حاليا : 588
الكل : 29598854
اليوم : 53770