Пристрій живлення люмінесцентних ламп

Реферат: Пристрій живлення люмінесцентних ламп містить запобіжник, роздільний конденсатор, мостовий випрямляч, фільтруючий конденсатор, лампу та ланцюг її живлення постійним струмом, диністорну схему запуску формувача імпульсів підпалювання лампи. Додатково містить помножувач мережевої напруги, який складається з двох конденсаторів та ланцюгів їх заряду; діод резервування, що підключений між виводами однієї з ниток розжарювання лампи та поєднаних виводів іншої нитки; диністорний формувач імпульсів підпалювання лампи, що має диністор, резистор, ланцюг обмеження імпульсного струму та конденсатор роз'єднання постійної та імпульсної напруг. Кожний з двох конденсаторів помножувача мережевої напруги підключений між входами мостового випрямляча та диністором і з'єднаний через ланцюг заряду з однією з шин живлення лампи, що поєднані з нитками розжарювання лампи. До нитки розжарювання з поєднаними виводами лампи підключені плюсова шина живлення та ланцюг обмеження імпульсного струму лампи, який з'єднаний з конденсатором помножувача мережевої напруги. До катода діода резервування, що підключений між виводами другої нитки розжарювання лампи, приєднана мінусова шина блока живлення, між анодами діода резервування та диністора підключений конденсатор формувача імпульсів підпалювання лампи. UA 101662 U (12) UA 101662 U UA 101662 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до електротехніки, а саме до електричного освітлення, і призначена для зниження собівартості люмінесцентних ламп та споживаної ними потужності, збільшення ресурсу їх експлуатації, навіть за умови перегорання ниток розжарювання ламп. Відомий пристрій для живлення люмінесцентних ламп (Пат. 2396735 Российская Федерация, МПК Н05В41/16. Устройство для зажигания и питания газорозрядных ламп / Кокушкин Е.Г., заявитель и патентообладатель Е.Г. Кокушкин. - № 2005133035/28; заявл. 26.10.2005; опубл. 10.08.2010, Бюл. № 22), який містить послідовно поєднаний випрямлячпомножувач та електронний баласт на тиристорі з вузлом запуску. Недоліками цього рішення є неефективна робота помножувача, що має гармонійну вихідну напругу для підпалювання ламп, напружений режим роботи тиристора, імпульсні перешкоди в мережу, зменшення споживаної потужності лише на 10-15 % відносно стандартних пристроїв живлення люмінесцентних ламп. Відомий пристрій живлення люмінесцентних ламп (Пат. 78033 Україна, МПК G05B13/02, Н05В41/26, Н05В37/00. Пристрій живлення енергозберігальних люмінесцентних ламп / В.М. Синьоокий, А.В. Ткаченко, заявник и патентовласник ДВНЗ "Запорізький національний університет" Міністерства освіти і науки України. - № u201208611; заявл. 11/07/2012; опубл. 11.03.2013, Бюл. № 5), який містить: розподільчий конденсатор; запобіжник; мостовий випрямляч; фільтруючі конденсатори; диністорну схему запуску блокінг-генератора на двох n-pn-транзисторах з діодами захисту від перепадів напруги та резисторами в емітерних і базових ланцюгах та резонансним контуром, до якого входять трансформатор, дросель, високовольтний та низьковольтний конденсатори; лампу з нитками розжарювання; розв'язуючі резистор та/або діод; плюсову шину живлення; ланцюг живлення постійним струмом, до якого входять діод, резистори, малопотужний n-p-n-транзистор з резистором; мінусову шину. Недоліками цього рішення є наявність багатоелементної схеми блокінг-генератора на двох n-p-n-транзисторах з діодами захисту від перепадів напруги та резисторами в емітерних та базових ланцюгах і резонансним контуром, до якого входять трансформатор, дросель, високовольтний та низьковольтний конденсатори, який використовується лише для підпалювання лампи і знеструмлюється після її запалювання. Це обумовлює високу вірогідність відмов працездатності елементів схеми та значну собівартість ламп. Спільними ознаками з рішенням, що заявляється, є використання запобіжника; роздільного конденсатора; мостового випрямляча; фільтруючого конденсатора; лампи та ланцюга її живлення постійним струмом; диністорної схеми запуску формувача імпульсів підпалювання лампи (блокінг-генератора), яку складають диністор, резистор, конденсатор. В основу корисної моделі поставлена задача розробити пристрій живлення люмінесцентних ламп, який шляхом автоматичної зміни режиму живлення люмінесцентної лампи з імпульсного високовольтного на постійний низьковольтний та блокування автоколивань після підпалювання лампи дозволяє зменшити його складність, собівартість, енергоспоживання, збільшити ресурс роботи лампи та зменшити забруднення навколишнього середовища лампами, які вийшли з ладу. Суттєвими ознаками запропонованого рішення є наявність: - блока живлення, що містить запобіжник, роздільний конденсатор, мостовий випрямляч, фільтруючий конденсатор, ланцюг обмеження струму, плюсову та мінусову шини; - помножувача мережевої напруги, який складається з двох конденсаторів та ланцюгів їх заряду; - діода резервування, підключеного між виводами однієї з ниток розжарювання люмінесцентної лампи, та поєднаних виводів іншої нитки; - диністорного формувача імпульсів підпалу люмінесцентної лампи, який містить диністор, резистор, ланцюг обмеження імпульсного струму та конденсатор роз'єднання постійної та імпульсної напруг. - причому кожний з двох конденсаторів помножувача мережевої напруги підключений між входами мостового випрямляча та диністором і з'єднаний через ланцюг заряду з однією з шин живлення лампи, які з'єднані з нитками розжарювання лампи, до нитки розжарювання з поєднаними виводами лампи підключені плюсова шина живлення та ланцюг обмеження імпульсного струму лампи, який пов'язаний з конденсатором помножувача мережевої напруги, а до катода діода резервування, що підключений між виводами другої нитки розжарювання лампи, приєднана мінусова шина блока живлення, між анодами діода резервування та диністора підключений конденсатор формувача імпульсів підпалювання лампи; - ланцюги заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги можуть бути підключені до входів мостового випрямляча; 1 UA 101662 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - виводи зруйнованих ниток розжарювання люмінесцентної лампи можуть бути поєднані між собою. Відмінними від прототипу ознаками є додаткове введення: - помножувача мережевої напруги, який складається з двох конденсаторів та ланцюгів їх заряду; - діода резервування, підключеного між виводами однієї з ниток розжарювання люмінесцентної лампи, та поєднаних виводів іншої нитки; - диністорного формувача імпульсів підпалювання лампи, що включає диністор, резистор, ланцюг обмеження імпульсного струму та конденсатор роз'єднання постійної та імпульсної напруг, - причому кожний з двох конденсаторів помножувача мережевої напруги підключений між входами мостового випрямляча та диністором і з'єднаний через ланцюг заряду з однією з шин живлення лампи, що з'єднані з нитками розжарювання лампи, до нитки розжарювання з поєднаними виводами лампи підключені плюсова шина живлення та ланцюг обмеження імпульсного струму лампи, який пов'язаний з конденсатором помножувача мережевої напруги, а до катода діода резервування, що підключений між виводами другої нитки розжарювання лампи, приєднана мінусова шина блока живлення, між анодами діода резервування та диністора підключений конденсатор формувача імпульсів підпалювання лампи; - ланцюги заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги можуть бути підключені до входів мостового випрямляча; - виводи зруйнованих ниток розжарювання люмінесцентної лампи можуть бути поєднані між собою. На фіг. 1 наведений пристрій з ланцюгами заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги, які поєднані з шинами живлення люмінесцентної лампи постійним струмом. На фіг. 2 наведений пристрій з ланцюгами заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги, які поєднані з входами мостового випрямляча. На фіг. 3 наведений пристрій живлення люмінесцентних ламп з ланцюгами заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги, які поєднані з шинами живлення лампи постійним струмом, виводи обох ниток поєднані. На фіг. 4 наведений пристрій живлення люмінесцентних ламп з ланцюгами заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги, які поєднані з входами мостового випрямляча, виводи обох ниток поєднані. На фіг. 5 наведено залежність вихідної напруги мостового випрямляча з фільтруючим та роздільним конденсаторами від навантаження (потужності лампи). Пристрій включає блок живлення 1, помножувач мережевої напруги 2, люмінесцентну лампу 3, формувач імпульсів підпалювання лампи 4. Блок живлення 1, помножувач мережевої напруги 2 та формувач імпульсів 4 містять уніфіковані ланцюги 5, 6, 7, 8, складені з послідовно поєднаних резистора та діода. Блок живлення 1 містить запобіжник 9; роздільний конденсатор 10; мостовий випрямляч 11; фільтруючий конденсатор 12; ланцюг обмеження постійного струму 5 лампи 3, що складається з резистора 13 та діода 14; плюсову 15 та мінусову 16 шини живлення. Помножувач мережевої напруги 2 містить конденсатор 17 та ланцюг його заряду 6, який складається з резистора 18 та діода 19; конденсатор 20 та ланцюг його заряду 7, який складається з резистора 21 і діода 22. Виводи однієї з ниток розжарювання 23 лампи 3 поєднані між собою, а між виводами другої нитки розжарювання 24 підключений діод резервування 25. Формувач імпульсів 4 підпалювання люмінесцентної лампи 3 містить диністор 26; резистор 27; ланцюг обмеження імпульсного струму 8, який складається з резистора 28 і діода 29; конденсатор роз'єднання постійної та імпульсної напруг 30. Роздільний конденсатор 10 блока живлення 1 з'єднаний послідовно з запобіжником 9 у вхідному ланцюзі мостового випрямляча 11. До плюсового полюса фільтруючого конденсатора 12 підключений ланцюг 5 обмеження постійного струму лампи 3. Конденсатор 17 помножувача мережевої напруги 2 підключений між одним із входів мостового випрямляча 11 та анодом динiстора 26, а конденсатор 20 помножувача напруги 2 підключений між іншим входом мостового випрямляча 11 та катодом динiстора 26 формувача імпульсів 4; через ланцюги заряду 6, 7 конденсатори 17, 20 поєднані з плюсовою 15 та мінусовою 16 шинами живлення постійним струмом лампи 3, поєднаними з нитками розжарювання 23, 24 люмінесцентної лампи 3: причому до нитки розжарювання 23 лампи 3 підключені плюсова шина живлення 15 та ланцюг обмеження імпульсного струму 8 лампи 3, пов'язаний безпосередньо з конденсатором 2 UA 101662 U 5 10 15 20 17 помножувача мережевої напруги 2, а до катода діода резервування 25, підключеного між виводами нитки розжарювання 24 лампи 3, приєднана мінусова шина 16 блока живлення 1. Конденсатор 30 формувача імпульсів 4 підпалу люмінесцентної лампи 3, підключений між анодами діода резервування 25 та динiстора 26 для роз'єднання постійної та імпульсної напруг. У лампи 3 зі зруйнованими нитками розжарювання 23, 24 виводи зруйнованої нитки поєднують між собою; у цьому разі використання діода резервування 25 недоцільно. Пристрій живлення люмінесцентної лампи 3 формує комбінований режим живлення (короткочасний імпульсний та основний постійний), що дозволяє досягти дворазового зменшення споживаної потужності. При підключенні пристрою живлення лампи 3 до мережі роздільний конденсатор 10 обумовлює початкову напругу на виході моста Uвих  220 В  2  310 В , яка відповідає залежності, наведеній на фіг. 5. Підпалювання люмінесцентної лампи 3 здійснюється імпульсною напругою >600 В, яка формується на резисторі 27 при включенні диністора 26 від напруги 3Uвих≈900 В помножувача мережевої напруги 2. Імпульсна напруга додається до постійної напруги 310 В на конденсаторі 30 і забезпечує ефективне підпалювання лампи 3. Після запалювання лампи 3 пристрій переходить на робочий режим споживання, що призводить до зниження напруги на виході мостового випрямляча 11 до рівня, який залежить від величини ємності роздільного конденсатора 10 та струму споживання (фіг. 5). Величину ємності роздільного конденсатора 10 розраховують за відомими формулами [Гальперин М.В. Введение в схемотехнику. - Энергоиздат. 1982. 122 с., - С. 9]: C10  T 2RнCф (1  e )  Uвих 2  Rн  (Uвх. ампл. - Uвих - 2  Uпр. д. ) , (1) де C10 - ємність роздільного конденсатора, (мкФ); Uвих - вихідна напруга на фільтруючому конденсаторі (В); 25 Т - період мережевої напруги частотою 50 гц, ( Т  20  10 3 сек. ); R н - еквівалентний опір навантаження в ланцюзі живлення люмінесцентної лампи постійним струмом, ( Rн  Uвих / Іном Ом ); Uвх. ампл. - амплітуда вхідної напруги мережі, ( Uвх. ампл.  220В  2  310В ); Uпр. д. - пряма напруга на діодах мостового випрямляча при струмі в 1А, Uпр. 30 ); Іном - номінальний струм лампи, (мА). Сф - ємність фільтруючого конденсатора пристрою живлення люмінесцентної лампи. У випадку Сф  С12  (C10 ) : C10  35 д.  1В 4  Rном Uвих  T  (Uвх. ампл. - Uвих - 2  Uпр. д. )  Iном  T 4  (Uвх. ампл. - Uвих - 2  Uпр. д. ) , (2) де C10 - ємність роздільного конденсатора, (мкФ); Uвих - вихідна напруга на конденсаторі, (В); Т - період мережевої напруги частотою 50 гц, ( Т  20  10 3 сек. ); Rном - еквівалентний опір навантаження в ланцюзі живлення люмінесцентної лампи постійним струмом, ( Rн  Uвих / Іном Ом ); 40 Uвх. ампл. - амплітуда вхідної напруги мережі, ( Uвх. ампл.  220В  2  310В ); Uпр. д. - пряма напруга на діодах мостового випрямляча при струмі в 1А, ( Uпр. Іном - номінальний струм лампи, (мА). Величину номінального струму розраховують за формулою: Pживл P Іном   живл , (3) Uвх. ампл. Uм 2 45 де 3 д.  1В ); UA 101662 U Іном - номінальний струм лампи, (мА). Pживл - потужність люмінесцентної лампи, (Вт); Uвх. ампл. - амплітуда вхідної напруги мережі, ( Uвх. ампл.  220В  2  310В ); 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Uм - діюча змінна напруга мережі, ( Uм  220 В ); Імпульс напруги на резисторі 27 передається через ланцюг обмеження імпульсного струму 8 та конденсатор 30 до ниток запалювання 23 та 24 лампи 3, на яких підтримується напруга мостового випрямляча 11 (310 В), що забезпечує підпалювання люмінесцентної лампи 3 і її живлення постійним струмом від фільтруючого конденсатора 12 через ланцюг обмеження постійного струму 5 до досягнення постійної напруги 60-120 В горіння лампи 3. Поява постійного струму Іном , величина якого відповідає залежності, наведеній на фіг. 5, забезпечить зниження напруги живлення на виході випрямляча 11 та, як наслідок, на конденсаторах 17, 20 помножувача мережевої напруги 2. Зменшення струму через диністор 26 призводить до його закриття, а зниження вихідної напруги помножувача мережевої напруги 2 унеможливить повторне спрацювання формувача імпульсів 4. Отже, постійний струм, який виникає після підпалювання люмінесцентної лампи 3, блокує роботу формувача імпульсів 4 підпалу лампи 3 і забезпечує економічний режим живлення за рахунок зворотних зв'язків через роздільний конденсатор 10 та через ланцюги заряду 6, 7. Оскільки мережева напруга ( Uвх. ампл.  310 В ) розподілиться між роздільним 10 та фільтруючим 12 конденсаторами згідно з залежністю фіг. 5, забезпечивши двократне пониження напруги, а отже, й потужності живлення лампи. Діод 25 забезпечує працездатність лампи зі зруйнованою ниткою розжарювання 23, водночас прискорює підпалювання люмінесцентної лампи 3 з працездатною ниткою розжарювання, за рахунок термічної дії струмів заряду конденсатора 30 та сприяє збільшенню ресурсу експлуатації люмінесцентної лампи 3. Для надійного вимкнення диністора після підпалювання лампи не лише за рахунок зниження струму через нього, але й зміни полярності напруги ланцюги заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги можуть бути підключені до входів мостового випрямляча. Для збільшення ресурсу лампи виводи зруйнованих ниток розжарювання люмінесцентної лампи можуть бути поєднані між собою. Приклад конкретного виконання. Схема живлення була реалізована на люмінесцентній лампі фірми Luxel потужністю 11 Вт. Опір резистора 13 розраховували за формулою: Uвих  Uгор. , (4) R13  Іном де R13 - опір резистора, (Ом): Uвих - вихідна напруга на конденсаторі випрямляча (В); Uгор. - напруга горіння лампи, (В); Іном - номінальний струм лампи, (мА). У нашому випадку: Uвих  150 В , Uгор.  100 В , Іном  35  10 3 А , Uпр. д. 1В . Ємність роздільного конденсатора 10 була розрахована за формулою 2 і дорівнювала 1 мкф. У пристрої використані діоди 1N4007, два послідовно поєднаних тиристори КУ102Г з резисторами номіналом 1 кОм, які підключені між катодом та керуючим електродом кожного з тиристорів. Ємності конденсаторів 17, 20 та 30 були визначені експериментально за критерієм мінімальної енергії підпалювання лампи 3 на рівні 0,1 мкФ. Номінал резистора 28, який обмежує імпульсний струм підпалювання лампи 3 на рівні 1А, складав 1 кОм. Номінал резистора 27, який визначає мінімальний струм включення диністора 26 на рівні >100 мА, складав 4,7 кОм. Номінали резисторів 18, 21, які зумовлювали постійні заряду конденсаторів 17, 20 та струм через диністор 26 після запалювання лампи 3, було визначено на рівні 33 кОм. Розсіювана потужність резистора 13 залежала від потужності лампи 3: 4 UA 101662 U 5 10 15 20 2 P  R13  Iном , (5) де P - потужність резистора, (Вт); R13 - опір резистора, (Ом): Іном - номінальний струм лампи, (мА). Потужність резисторів 18, 21, 27, 28 дорівнювала 0,25 Вт. Процеси на люмінесцентній лампі 3 спостерігали на осцилографі С1-83 за допомогою подільника напруги зі співвідношенням опорів 40 кОм : 4000 кОм (1:100). Поєднання виводів нитки розжарювання 24, пов'язаної з мінусовою шиною 16 блока живлення 1, з діодом 25 забезпечувало ефективне підпалювання лампи 3 з незруйнованою ниткою розжарювання 24, резервуючи її працездатність у випадку перегорання нитки 24. Мережеву напругу подавали на люмінесцентну лампу 3 через роздільний трансформатор з коефіцієнтом трансформації 1:1 для виключення можливості заземлення фази осцилографом. На екрані двопроменевого осцилографа С1-83 спостерігали процеси формування імпульсів підпалу, підпалювання та горіння люмінесцентної лампи 3 та процеси на всіх елементах схеми. Загальну потужність живлення лампи визначали за формулою 6: 2 Pживл .  R13  Iном  Uгор.  Іном де Pживл. - потужність люмінесцентної лампи, (Вт); R13 - опір резистора, (Ом); Іном - номінальний струм лампи, (мА); Uгор. - напруга горіння лампи, (В). 25 30 35 40 45 У нашому випадку Pживл .  1,5  10 3  (35  10 3 )2  100  35  10 3  5,5 Вт , тобто 50 % від розрахункової потужності лампи 11 Вт. Світлові характеристики люмінесцентної лампи в режимах живлення змінним та постійним струмом були тотожними і складали ≈6000 лкс. У схемі пристрою на фіг. 2, 4 ланцюги заряду 6, 7 конденсаторів 17, 20 помножувача мережевої напруги 2 відключені від шин 15, 16 живлення лампи 3 постійним струмом і приєднані до входів мостового випрямляча 11: ланцюг 7 заряду конденсатора 20 - до входу, поєднаного з полюсом мережі через роздільний конденсатор 10, а ланцюг 6 заряду конденсатора 17 підключений до входу випрямляча 11, пов'язаного безпосередньо з іншим полюсом мережі. Виконання пристрою за схемами фіг. 2, 4, не змінюючи загального принципу дії та характеристик пристрою, забезпечує вимкнення диністора 26 після підпалювання лампи 3 не лише за рахунок зниження струму через нього, але й через зміну полярності мережевої напруги, яка діє на входах мостового випрямляча 11 та ланцюгах заряду 6, 7 конденсаторів 17, 20. Запропонований пристрій має невеликі габарити, низьку собівартість за рахунок використання безіндуктивних елементів, а за рахунок автоматичної зміни режиму живлення з високовольтного на низьковольтний дозволяє удвічі знизити потужність, споживану лампою, при збереженні її конструктивних та світлових характеристик. Крім цього, запропонований пристрій дозволяє збільшити ресурс роботи лампи за рахунок діода резервування, який включений паралельно виводам нитки розжарювання і резервує можливе руйнування ланцюга заряду конденсатора у разі руйнування нитки розжарювання, яка підключена до мінусової шини. Використання пристрою сприятиме зменшенню забруднення навколишнього середовища лампами, які вийшли з ладу через руйнування ниток розжарювання або численних елементів стандартного "електронного баласту" люмінесцентної лампи. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 1. Пристрій живлення люмінесцентних ламп, що містить запобіжник, роздільний конденсатор, мостовий випрямляч, фільтруючий конденсатор, лампу та ланцюг її живлення постійним струмом, диністорну схему запуску формувача імпульсів підпалювання лампи, який відрізняється тим, що додатково містить помножувач мережевої напруги, який складається з двох конденсаторів та ланцюгів їх заряду; діод резервування, що підключений між виводами однієї з ниток розжарювання лампи та поєднаних виводів іншої нитки; диністорний формувач імпульсів підпалювання лампи, що включає диністор, резистор, ланцюг обмеження імпульсного струму та конденсатор роз'єднання постійної та імпульсної напруг, причому кожний з двох 5 UA 101662 U 5 10 конденсаторів помножувача мережевої напруги підключений між входами мостового випрямляча та диністором і з'єднаний через ланцюг заряду з однією з шин живлення лампи, що поєднані з нитками розжарювання лампи, до нитки розжарювання з поєднаними виводами лампи підключені плюсова шина живлення та ланцюг обмеження імпульсного струму лампи, який з'єднаний з конденсатором помножувача мережевої напруги, а до катода діода резервування, що підключений між виводами другої нитки розжарювання лампи, приєднана мінусова шина блока живлення, між анодами діода резервування та диністора підключений конденсатор формувача імпульсів підпалювання лампи. 2. Пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що ланцюги заряду конденсаторів помножувача мережевої напруги підключені до входів мостового випрямляча. 3. Пристрій за пп. 1, 2, який відрізняється тим, що виводи зруйнованих ниток розжарювання люмінесцентної лампи з'єднані між собою. 6 UA 101662 U 7 UA 101662 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8