Блок живлення люмінесцентних ламп змінним струмом

Винахід відноситься до освітлювальної техніки, а більш конкретно він і стосується джерел живлення люмінесцентних ламп, зокрема джерел живлення змінним струму промислової частоти. Відомо, що четверта частина електроенергії, яка виробляється у світі, витрачається системами штучного освітлення, тому дана область надзвичайно приваблива для прикладання сил в напрямку підвищення ефективності використання і скорочення споживання електроенергії. В даний час найбільш розповсюдженими економічними джерелами світла є газорозрядні лампи, які все частіше застосовуються замість звичайних ламп накалювання. Крім того, люмінесцентні лампи мають значно довший термін служби в порівнянні з лампами накалювання. Однак повсюдному впровадженню люмінесцентних ламп перешкоджає необхідність наявності дорогого дроселя, а термін служби ламп обмежений передчасним перегорянням ниток розжарення. Принцип їхньої дії полягає в люмінесцентному світінні газу, яким заповнена лампа, при протіканні через нього електричного струму (здійсненні високовольтного пробою), що забезпечується подачею високої напруги на електроди лампи. Газорозрядні лампи можна розділити на два види, перший - це лампи високої інтенсивності світіння і люмінесцентні лампи низького тиску. Лампи низького тиску використовуються для освітлення в більшості випадків повсякденного життя - в адміністративних будівля х, о фісах, житлових приміщеннях. Їх відрізняє насичене біле світло, близьке до денного (звідси назва - "лампи денного світла"). Лампи високого тиску використовуються для зовнішнього освітлення - у вуличних ліхтарях, прожекторах і т.п. Якщо звичайна лампа накалювання, коли вона включена, являє собою постійне резистивне навантаження, то всі газорозрядні лампи мають негативні імпедансні характеристики, які вимагають стабілізації струму. Крім того, необхідно враховувати такі моменти як: резонансний режим роботи, захист при виході лампи з ладу; високовольтне запалювання, спеціальне керування силовою шиною. Основний режим, якого необхідно дотримуватися протягом усього терміну експлуатації люмінесцентної лампи - це струмовий режим (в ідеалі, необхідна стабілізація потужності протягом усього періоду експлуатації лампи). В даний час у науково-технічній і патентній літературі описана велика кількість різноманітних пристроїв для живлення люмінесцентних ламп [1]. Як правило, лампи живляться від змінної напруги для вирівнювання зносу електродів (у випадку живлення постійною напругою, термін служби коротший на 50%). Для керування газорозрядними лампами традиційно використовувався так званий магнітний баласт, однак через його неефективність і ненадійність, останнім часом усе більше поширення набувають схеми електронного керування електронний баласт, що дозволяє підвищити КПД і термін служби освітлювальних систем, зробити світло більш рівним і природним для очей. Відомо що у світлоте хніці велике значення має можливість керування світловим потоком випромінювачів світла. Керування світловим потоком люмінесцентних ламп можливо здійснювати або шляхом повного відключення живлення люмінесцентних ламп, або зміною напруги і струму люмінесцентних ламп. При використанні першого методу необхідне створення потужного електронного блоку для відключення напруги живлення від електронних баластів. Другий шлях характерний тим, що кожен ЭПРА (електронний пускорегулюючий апарат) має вхід для подачі низьковольтного керуючого сигналу. Цей сигнал впливає на схему керування ЭПРА, тим самим змінюючи струм і напругу люмінесцентної лампи. До переваг першого методу можна віднести максимально можливе енергозбереження, однак при цьому неможливо здійснювати плавне керування світловим потоком люмінесцентних ламп. При використанні керованих ЭПРА головним недоліком є наявність енергоспоживання навіть при відсутності розряду в лампі. У цьому режимі має місце споживання енергії в схемі керування електронним баластом і також мають місце втрати в катодах лампи, необхідні для їх прокалювання. Головним питанням, що постає при створенні блоків живлення люмінесцентних ламп із можливістю керування світловим потоком, є максимальне зниження їх ціни при максимальному енергозбереженні. При цьому основна перевага віддається системам із плавним регулюванням світлового потоку в максимально широких межах. Відомі три основні шляхи керування світловим потоком люмінесцентних ламп: амплітудне регулювання, частотне регулювання і широтно-імпульсне регулювання напруги на виході силового інвертора [2]. Амплітудне регулювання можна здійснити шляхом зміни значення напруги на виході коректора коефіцієнта потужності. У ЭПРА з амплітудним керуванням необхідно використовувати схему понижуючого перетворювача, що одночасно реалізує функцію коректора коефіцієнта потужності. Значення частоти і тривалості паузи при широтноімпульсному регулюванні задається за допомогою системи керування інвертора. З літератури [3] відомо, що найкращі результати з точки зору ширини діапазону регулювання потужності і лінійності регулювання дають амплітудний і широтно-імпульсний способи регулювання. Однак при побудові керованих ЭПРА одними з найважливіших питань є собівартість і втрати енергії в ЭПРА. Найменші витрати для введення керування можна одержати при використанні частотного способу регулювання, тому що при цьому вносяться невеликі зміни в типову схему керування інвертора. Такий спосіб добре вивчений і широко використовується при розробці мікросхем для баластів як типове рішення. З погляду на енергозбереження, найгіршим є використання амплітудного регулювання. Для введення амплітудного регулювання застосовується схема понижуючого імпульсного перетворювача, що використовується як коректор коефіцієнта потужності. У схемі понижуючого перетворювача транзистор використовується в більш важкому режимі по струму, при тій ж переданій у навантаження потужності, і тому на ньому розсіюється більша потужність, ніж у схемах підвищувальних перетворювачів для побудови коректорів потужності. При використанні широтно-імпульсного регулювання основними перевагами, крім широкого діапазону регулювання потужності і високої лінійності регулювання, є використання схеми підвищувального коректора потужності і введення широтного регулювання шляхом зміни схеми керування. Найбільш близьким серед відомих до запропонованого блоку живлення люмінесцентних ламп є пускорегулюючий апарат для живлення газорозрядних ламп [4], що містить блок живлення з джерелом постійного струму, інвертор, стартовий генератор струму, індуктивно-ємнісний баластовий ланцюг і вузол запалювання газорозрядних ламп. Інвертор включає суматор, два ключі керування і послідовно з'єднані таймер, блок керування і генератор, а апарат споряджено датчиком збільшення напруги на лампах, датчиком зменшення напруги на лампах, датчиком напруги на внутрішніх накалах ламп і датчиком обриву нижнього розжарення ламп, при цьому зазначені датчики з'єднані з гістерезисним суматором, стартовий генератор струму з'єднаний із джерелом постійного струму і включає обмежувальні резистори, польове транзистор, елементи опорної напруги, що фільтрує ємність і токовий резистор, причому при запуску апарата стартовий генератор живиться від керуючих схем інвертора з забезпеченням включення в роботу його ключів і подачею живлення на високочастотний випрямляч, що здійснює живлення джерела постійної напруги і відключення стартового генератора струму. Цей пускорегулюючий апарат надійніший ніж відомі аналогічні пристрої, забезпечує живлення двох з'єднаних послідовно ламп та допускає менші втрати електроенергії. Описаний блок живлення має складну конструкцію, основану на використанні електронного баласту, що обумовлює непродуктивні втрати енергії, та обмежує можливості управління світінням ламп. В основу винаходу покладена задача удосконалення блоку живлення люмінесцентних ламп змінним струмом, в якому за рахунок зміни конструкції ланцюга живлення ламп та блоку запалювання ламп і блоку регулятор світіння, ліквідовано наявність будь-якого баласту, спрощено всю конструкцію блоку живлення, забезпечено широкий діапазон керування світловим потоком ламп, при мінімальних втрата х енергії. Поставлена задача вирішується тим, що в блоці живлення люмінесцентних ламп змінним струмом, який містить ланцюг живлення двох послідовно з'єднаних ламп, підключений до промислової мережі, блок запалювання ламп та блок регулювання їх світіння, запропоновано ланцюг живлення виконати у вигляді послідовно включених електронного переривача, струмового перетворювача і високовольтного генератора, до виходу якого підключити люмінесцентні лампи, а також компаратор, який підключено до струмового перетворювача одним з входів, а до другого його входу підключено задавач струму ламп, при цьому запропоновано блок запалювання ламп виконати у вигляді схеми керування високовольтним генератором, підключеної до виходу компаратора, а блок регулювання світіння ламп виконати у вигляді схеми керування електронним переривником, підключеної до виходу компаратора. Спільними з прототипом суттєвими ознаками винаходу є такі: • Блок живлення люмінесцентних ламп змінним струмом. • Блок містить ланцюг живлення двох послідовно з'єднаних ламп, підключений до промислової мережі. • Блок живлення містить блок запалювання ламп та блок регулювання їх світіння. Новими суттєвими ознаками запропонованого винаходу слід вважати: • Ланцюг живлення виконано у вигляді послідовно включених електронного переривача, струмового перетворювача і високовольтного генератора. • До ви ходу високовольтного генератора підключені люмінесцентні лампи. • До стр умового перетворювача підключений компаратор, одним із входів. • До другого входу компаратора підключено задавач струму ламп. • Блок запалювання ламп виконаний у вигляді схеми керування високовольтним генератором, підключеної до виходу компаратора. • Блок регулювання світіння ламп виконаний у вигляді схеми керування електронним переривником, підключеної до виходу компаратора. Суть винаходу ілюстр ується кресленням, на якому зображена блок-схема запропонованого блок живлення люмінесцентних ламп змінним струмом. Запропонований блок живлення містить ланцюг живлення, виконаний у вигляді включених послідовно електронного переривача 1, струмового перетворювача 2 і високовольтного генератора 3, до виходу якого підключені дві люмінесцентні лампи 4, з'єднані послідовно. До струмового перетворювача одним із входів підключено компаратор 5. При цьому блок регулювання світності ламп виконано у вигляді схеми б керування електронним переривником, яка підключена до виходу компаратора, а блок запалювання ламп виконано у вигляді схеми 7 керування високовольтним генератором, яка теж підключена до виходів компаратора. До другого (інверсного) входу компаратора підключено задавач 8 струму лампи. Крім цей блок живлення споряджений засобом автоматичного відключення від мережі. Запропонований блок живлення працює таким чином. При включенні блоку в роботу напруга промислової мережі через відкритий електронний переривник 1, та омічні ланцюги струмового перетворювача 2 прикладається до точок А и В ламп 4. Одночасно запускається високовольтний генератор 3, який в максимально активному режимі діє на послідовно з'єднані лампи. Через деякий час (2-3) mс., (що залежить від температури навколишнього середовища і стану самих ламп) у них виникає тліючий розряд, який наростаючи лавиноподібно переходить у дуговий. При цьому наростає струм, що протікає через лампи, а значить і через включені послідовно електронний переривник, струмовий перетворювач і високовольтний генератор. В момент включення блоку задавач 8 струму автоматично переводиться на максимально припустиме значення струму ламп (для максимально швидкого виходу ламп на робочий режим). У цьому режимі пристрій знаходиться протягом 3-4 сек., для стабілізації пускових процесів у лампах. По закінченню цього часу задавач стр уму автоматично переходить на заздалегідь обране значення струму ламп. Таким чином, при досягненні максимально допустимого струму в лампах компаратор одночасно впливає на електронний перетворювач і високовольтний генератор через відповідні схеми керування ними, тобто через схему 6 керування перетворювачем і схему 7, керування генератором, утримуючи струм у лампах на цьому рівні протягом 3-4 сек., з метою розігріву газу в лампах і стабілізації іонізаційних процесів. Від моменту включення і до стабільного режиму горіння компаратор керує електронним переривником і генератором, так що стр ум у лампах строго відповідно значенню, обумовленому задавачем струму. Якщо після подачі на вхід блоку живлення напруги від мережі лампи (з якихось причин) не загоряються протягом 3-4 секунд, то блоку живлення автоматично відключається від мережі і для активізації його роботи необхідно зробити повторне включення. Для зміни світіння ламп, задавач 8 переводять на інше значення величини струму. Запропонований блок забезпечує живлення двох послідовно з'єднаних ламп типу ЛБ-40, чи ЛБ-80, що вигідно при використанні цього блоку у світильниках, і при освітленні великих площ. Введені удосконалення забезпечують блоку живлення ряд переваг, як у порівнянні з класичною (дросельно-стартерною) схемою, так і з сучасними схемами з електронним баластом. Насамперед це відсутність усякого баласту взагалі, що дозволяє в широких межах змінювати струм навантаження, а значить світність ламп, а також виключити втрати енергії в омічних ланцюгах баластів. Крім цього, на 20-25 відсотків зростає яскравість світіння ламп завдяки живленню їх змінним струмом високої частоти, а також забезпечена висока надійність загоряння ламп навіть при низьких температурах навколишнього середовища. Джерела інформації 1. Краснопольский А.Е. и др. П ускорегулирующие аппараты для разрядных ламп. - М.: Атомиздат, 1988. С. 139-144. 2. Краснопольский А.Е. и др. П ускорегулирующие аппараты для разрядных ламп. / Краснопольский А.Е., Соколов В.Б., Троицкий А.М. / Под общ. ред. Краснопольского А.Е. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 206 с. 3. Рабодзей А. Электроника в светотехнике. // Электроника. Наука. Технология. Бизнес. - 1997. - № 1. - С. 1519. 4. Патент Росії № 2175818 по М.Кл. 7 - Н05В41/298 Пускорегулюючий апарат для живлення газорозрядних ламп.