Пристрій живлення люмінесцентної лампи

Реферат: Пристрій живлення люмінесцентних ламп належить до електротехніки, а саме до електричного освітлення. Робота пристрою базується на принципі паралельного живлення від двох джерел: високовольтного імпульсного та низьковольтного постійного, та використанні залежності вихідної напруги на фільтруючому конденсаторі мостового випрямляча від струму живлення за наявності роздільної ємності на вході випрямляча. Поєднані паралельно формувач імпульсів підпалювання лампи і працюючий протифазно помножувач напруги реалізують п'ятикратний коефіцієнт помноження мережевої напруги і оптимальні умови для підпалювання лампи. Після підпалювання лампи струм через неї зростає і пристрій формує на виході випрямляча напругу, необхідну для стійкого горіння лампи, якої бракує для наступного включення диністорів через зворотний зв'язок: вихід випрямляча - ланцюги заряду конденсаторів формувача імпульсів та помножувача. Технічним результатом є забезпечення ефективного підпалювання лампи та дворазове зменшення споживаної нею потужності, що разом з використанням перемикача полярності напруги живлення лампи та малогабаритного еквівалента роздільної ємності значних номіналів на електролітичних конденсаторах дозволяє суттєво розширити сферу використання пристрою, збільшити ресурс та зменшити собівартість при збереженні конструктивних та світлових характеристик лампи. UA 113799 C2 (12) UA 113799 C2 UA 113799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Пристрій належить до електротехніки, а саме до електричного освітлення, і призначений для зниження собівартості та споживаної потужності, збільшення ресурсу експлуатації лампи, навіть зі зруйнованими нитками запалювання. Відомий пристрій для живлення люмінесцентних ламп [Патент 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 випрямляч-помножувач та електронний баласт на тиристорі з вузлом запуску. Недоліками відомого рішення є неефективна робота помножувача, що має гармонійну вихідну напругу для підпалювання ламп, напружений режим роботи тиристора, імпульсні перешкоди до мережі, 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. - №u2012 08611; заявл. 11/07/2012; опубл. 11.03.2013, Бюл. №5], який містить: роздільний конденсатор; запобіжник; мостовий випрямляч; фільтруючі конденсатори; диністорну схему, яку складають диністор, резистори, конденсатори та діод; блокінг-генератор на двох n-р-n-транзисторах з діодами захисту від викидів 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 відомого рішення є наявність багатоелементної схеми блокінг-генератора на двох n-р-n-транзисторах з діодами захисту від викидів 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 пристрою та зростання собівартості. Відомий пристрій живлення люмінесцентних ламп [Заявка u2015 02918 про видачу патенту України, МПК G05B13/02, Н05В41/26, Н05В37/02. Пристрій живлення люмінесцентних ламп. /Синньоокий В.М., Грива Г.А., заявник ДВНЗ "Запорізький національний університет" МОН України. - заявл. 30.03.2015 р.], до складу якого входять: блок живлення, що містить запобіжник, роздільний конденсатор, мостовий випрямляч, фільтруючий конденсатор, ланцюг обмеження струму та напруги, плюсову та мінусову шини, пов'язані з нитками запалювання лампи; поєднані паралельно помножувач мережевої напруги, що містить два конденсатори з ланцюгами заряду та обмеження струмів, та диністорний формувач імпульсів. Недоліками відомого рішення є обмежений рівень імпульсної напруги підпалювання лампи (900В), значні габарити конденсаторів (роздільного та помножувача напруги) і складність комутації напряму струму через лампу. Спільними ознаками з рішенням, що заявляється, є використання: - блока живлення, який містить запобіжник, роздільний конденсатор, мостовий випрямляч, фільтруючий конденсатор, ланцюг обмеження струму та напруги, плюсову та мінусову шини, пов'язані з нитками запалювання лампи; - поєднаних паралельно помножувача мережевої напруги, що містить два конденсатори з ланцюгами їх заряду та ланцюгом обмеження струму лампи, та диністорного формувача імпульсів підпалювання лампи. В основу винаходу поставлено задачу розробити пристрій живлення люмінесцентної лампи, який шляхом використання емісійної здатності ниток розжарювання лампи за відсутності струму між їх виводами, автоматичної зміни режиму живлення з імпульсного високовольтного на постійний низьковольтний; блокування формувача імпульсів та помножувача напруги після підпалювання лампи та можливого використання перемикача напрямку струму через лампу і електролітичних роздільних конденсаторів, дозволяє суттєво розширити сферу використання, збільшити ресурс, зменшити споживану потужність, габарити, собівартість пристрою та забруднення навколишнього середовищами зруйнованими лампами. Суттєвими ознаками запропонованого рішення є наявність: - блока живлення, який містить запобіжник, роздільний конденсатор, мостовий випрямляч, фільтруючий конденсатор, ланцюг обмеження струму та напруги, плюсову та мінусову шини, до яких приєднуються нитки запалювання лампи; 1 UA 113799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - поєднаних паралельно помножувача мережевої напруги на двох конденсаторах з ланцюгами їх заряду та обмеження струму лампи, та формувача імпульсів, який містить три конденсатори, що поєднані попарно диністорами в послідовний ланцюг, підключених через резистор до шин мережі, до яких через ланцюги заряду приєднані обкладинки середнього конденсатора, одна з них, що з'єднана з анодом диністора, - до шини з запобіжником, інша - до протилежної шини; внутрішні обкладинки зовнішніх конденсаторів поєднані через ланцюги заряду з полюсами фільтруючого конденсатора, одна з них, що з'єднана з анодом іншого диністора, - з позитивним полюсом через резистор, інша - з негативним полюсом; а полярність діодів у ланцюгах заряду конденсаторів відповідає заряду конденсаторів формувача імпульсів за позитивної півхвилі мережевої напруги на шині з запобіжником, а конденсаторів помножувача напруги - за негативної. Крім того, для ламп підвищеної потужності можливо використання пристрою з перемикачем напрямку струму через лампу та блокованих діодами електролітичних роздільних конденсаторів, послідовно поєднаних тотожними полюсами. Відмінними від прототипу ознаками є наявність: - поєднаних паралельно помножувача мережевої напруги на двох конденсаторах з ланцюгами їх заряду та обмеження струму лампи, та формувача імпульсів, який містить три конденсатори, що поєднані попарно диністорами в послідовний ланцюг, підключених через резистор до шин мережі, до яких через ланцюги заряду приєднані обкладинки середнього конденсатора, одна з них, що з'єднана з анодом диністора, - до шини з запобіжником, інша - до протилежної шини; внутрішні обкладинки зовнішніх конденсаторів поєднані через ланцюги заряду з полюсами фільтруючого конденсатора, одна з них, що з'єднана з анодом іншого диністора, - з позитивним полюсом через резистор, інша - з негативним полюсом; а полярність діодів у ланцюгах заряду конденсаторів відповідає заряду конденсаторів формувача імпульсів за позитивної півхвилі мережевої напруги на шині з запобіжником, а конденсаторів помножувача напруги - за негативної; - можливість використання у пристрої перемикача напрямку струму через лампу; - можливість використання для ламп підвищеної потужності двох послідовно поєднаних тотожними полюсами в мережевому ланцюзі електролітичних роздільних конденсаторів одного номіналу ємності з підключеним паралельно кожному з них діодом у напрямку, який забезпечує відповідність півхвилі мережевої напруги полярності конденсатора. На фіг. 1 наведений запропонований пристрій. На фіг. 2 представлена часова діаграма зміни напруги між нитками люмінесцентної лампи, яку забезпечує запропонований пристрій. На фіг. 3 зображена залежність вихідної напруги мостового випрямляча з фільтруючим та роздільним конденсаторами від навантаження (потужності лампи) для запропонованого пристрою. На фіг. 4 зображено схему роздільного електролітичного конденсатора. Пристрій включає блок живлення 1, формувач імпульсів 2, підключений паралельно до помножувача напруги 3. Блок живлення 1, формувач імпульсів 2, помножувач напруги 3 містять ланцюги 4, 5, 6, 7, 8, складені з послідовно поєднаних резистора та діода, і ланцюги 9, 10, до складу яких входять послідовно поєднані резистор та конденсатор. Блок живлення 1 поєднується з шинами мережі 11, 12 і містить запобіжник 13; роздільний конденсатор 14; мостовий випрямляч 15; фільтруючий конденсатор 16; ланцюг 4 обмеження постійного струму, який складається з резистора 17 та діода 18 у плюсовій шині живлення 19, та діод 20 у мінусовій шині живлення 21. Формувач імпульсів 2 містить два диністори 22, 23, три попарно поєднані через них у послідовний ланцюг конденсатори 24; 25; 26 з ланцюгами їх заряду 5; 6; 7; 8, які містять послідовно поєднані резистор та діод відповідно: 27-28; 29-30, 31-32; 33-34. Помножувач напруги 3 містить ланцюги 9, 10, які містять послідовно поєднані резистор та конденсатор відповідно: 35-36; 37-38, а вихідні шини помножувача 3 пов'язані з шинами живлення постійним струмом 19 та 21 і можуть бути поєднані з нитками розжарювання люмінесцентної лампи. Поєднані паралельно помножувач мережевої напруги 3 та формувач імпульсів 2, який містить три конденсатори 24, 25, 26, що поєднані попарно диністорами 22, 23 у послідовний ланцюг, підключені через резистор 35 до шин мережі 11, 12, до яких приєднані через роздільний конденсатор 14 мостовий випрямляч 15 блока живлення 1 та через ланцюги заряду 6, 7 обкладинки середнього конденсатора 25, одна з них, що з'єднана з анодом диністора 22, - до шини 11 з запобіжником 13, інша - до протилежної шини 12; внутрішні обкладинки зовнішніх 2 UA 113799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 конденсаторів 24,26 поєднані через ланцюги заряду 5, 8 з полюсами фільтруючого конденсатора 16, одна з них, що з'єднана з анодом диністора 23, - з позитивним полюсом через резистор 17, інша - з негативним полюсом; а полярність діодів 18, 20; 28, 30, 32, 34 у ланцюгах відповідає заряду конденсаторів 24, 25, 26 формувача імпульсів 2 за позитивної півхвилі мережевої напруги на шині 11, а конденсаторів 36, 38 помножувача напруги 3 - за негативної. Запропонований пристрій завдяки високому рівню імпульсної напруги підпалювання (1000 В) здатний забезпечувати підпалювання лампи за рахунок використання емісійної здатності ниток розжарювання лампи навіть без наявності струму між їх виводами, що дозволяє застосовувати люмінесцентну лампу, виводи кожної з ниток розжарювання якої можуть бути поєднані між собою і підключені до шин 19, 21, які пов'язані з ланцюгами 9 та 10 помножувача напруги 3. Відсутність у пристрої високовольтних конденсаторів, індуктивних елементів дозволяє спростити конструкцію, зменшити її габарити, собівартість та підвищити надійність пристрою. Електрична схема пристрою працює так: Використання роздільного конденсатора 14 обумовлює початкову напругу на виході моста UBИХ=220B▪ 2 ~310B, яка відповідає залежності, наведеній на фіг. 3, оскільки до запалювання лампи споживання енергії пристроєм мінімальне. Діаграма фіг. 2 відображає зміну напруги, масштаб за напругою: 1 велика поділка=500 В, на шинах 19, 21 пристрою в часі, масштаб за часом: 1 велика поділка=5 мс, яка є результатом взаємодії формувача імпульсів 2 та помножувача 3, підключених паралельно через резистор 35 та запобіжник 13 до шин 11, 12 мережі. Конденсатори 24, 25, 26 формувача імпульсів 2 під час дії позитивної півхвилі на шині 11 заряджуються через ланцюги заряду 5, 6, 7, 8 до амплітудного значення мережевої напруги (~300 В). За негативної півхвилі заряджуються через ланцюг 4 та діод 20 конденсатори 36, 38 помножувача 3, а мережева напруга складається з напругами на конденсаторах 24, 25, 26 формувача імпульсів 2. Ця сумарна напруга (4Uвх.ампл.1200 В) забезпечує включення диністорів 22, 23 формувача Імпульсів 2 і формування позитивного імпульсу напруги тривалістю ~1 мс та напругою ~ 900 В на вході помножувача 3 за рахунок розряду конденсаторів 24, 25, 26 через резистор 35. Сумарна пікова напруга конденсаторів 36,38 помножувача 3 ~ 600 В додається до позитивного імпульсу формувача 2, забезпечуючи ефективне підпалювання лампи. Отже, за негативної півхвилі (фіг. 2) діє позитивний імпульс напруги ~ 1200 В, який додається до постійної вихідної напруги ~ 300 В випрямляча 15. Максимальний імпульсний струм через лампу при підпалюванні обмежується резистором 37 на рівні ~ 1А. Підпалювання лампи за негативної півхвилі мережевої напруги забезпечується паралельним живленням від двох джерел завдяки близькості їх напруг, оскільки в цей напівперіод на виході помножувача 3 та випрямляча 15 напруги однакові ~300 В і лише у момент дії Імпульсу підпалювання лампи напруга помножувача З перевищує напругу випрямляча 15, які після підпалювання лампи вирівнюються. Після цього пристрій переходить на робочий режим споживання, що забезпечує зниження напруги на виході мостового випрямляча 15 до рівня, який залежить від величини ємності роздільного конденсатора 14 та струму споживання лампи (фіг. 3). Величину ємності роздільного конденсатора 14 розраховують за відомими формулами [Гальперин М.В. Введение в схемотехніку. - Энергоиздат, 1982. - 122 с., С. 9]: C 45 50  2RHC (1  e )  Uвих , 2  R   Uвх.ампл.Uвих  2  Uпр.д  де С - ємність роздільного конденсатора (мкФ); Uвих - вихідна напруга на фільтруючому конденсаторі 17 (В); -3 Т - період мережевої напруги частотою 50 гц (Т=20▪10 сек); RH - еквівалентний опір навантаження в ланцюзі живлення люмінесцентної лампи постійним струмом (Rh=Ubиx/Iном Ом); Uвx.aмпл. - амплітуда вхідної напруги мережі (UBX.aмпл=220В▪ 2 =310 В); Uпр.д - пряма напруга на діодах мостового випрямляча при струмі в 1А (Uпр.д1 В); Іном - номінальний струм лампи (мА); Сф - ємність фільтруючого конденсатора пристрою живлення люмінесцентної лампи. У випадку, якщо ємність фільтра суттєво перевищує ємність роздільного конденсатора, формулу (1) можна подати у вигляді: 3 UA 113799 C2 C 5 10 4  Rном де С - ємність роздільного конденсатора (мкФ); Uвих - вихідна напруга на конденсаторі (В); ▪ -3 Т- період мережевої напруги частотою 50гц (Т=20 10 сек); Rном - еквівалентний опір навантаження в ланцюзі живлення люмінесцентної лампи постійним струмом (Rном= Uвих /Iном Ом); Uвх…амт - амплітуда вхідної напруги мережі (Uвх…амт = 220В·▪ 2 =310 В); Uпр. д - пряма напруга на діодах мостового випрямляча при струмі в 1Α (Uпр.д 1В); Іном - номінальний струм лампи (мА). Величину номінального струму розраховують за виразом:  ном  15 20 25 30 35 40 45 50  ном   Uвих   , (2)   Uвх.ампл  Uвих  2  Uпр.д  4  Uвх.ампл  Uвих  2  Uпр.д  живл   живл , (3) Uвх.ампл Uм 2 де Іном - номінальний струм лампи (мА); Рживл - потужність люмінесцентної лампи (Вт); Uвх.ампл - амплітуда вхідної напруги мережі (Uвх.ампл=220В▪ 2 =310 В); UM - діюча змінна напруга мережі (UM=220B). Поява постійного струму Іном, величина якого відповідає залежності, наведеній на фіг. 3, забезпечує зниження напруги живлення на виході випрямляча 15 та, як наслідок, на конденсаторах 24, 26 формувача імпульсів 2 та на конденсаторах 36, 38 помножувача напруги 3. Зменшенню напруги на конденсаторах 24, 26 формувача імпульсів 2 та на конденсаторах 36, 38 помножувача напруги 3 також сприяє зворотний зв'язок з напруги 60-100 В горіння лампи, що унеможливить повторне включення диністорів 22, 23. Отже, постійний струм, який виникає після підпалювання люмінесцентної лампи, блокує роботу формувача імпульсів 2 та помножувача напруги 3 і забезпечує економний режим живлення пристрою. У пристрої для підвищення ресурсу роботи лампи за рахунок почергового використання емісійної здатності обох ниток розжарювання передбачено використання перемикача напрямку струму живлення 39. Для живлення потужних енергозберігаючих ламп і збереження малих габаритів як роздільний конденсатор можна використовувати два послідовно поєднаних однаковими полюсами в мережевому ланцюзі ("+" до"+" або "-" до "-") електролітичних конденсатора 40, 41, ємність яких визначається за формулою (1), гранична напруга конденсаторів  400В, а паралельно до кожного з конденсаторів підключений діод відповідно 42, 43 у напрямку, який забезпечує відповідність півхвилі мережевої напруги полярності конденсатора (Фіг.4). Приклад конкретного виконання Схема живлення була реалізована на люмінесцентній лампі фірми Luxel потужністю 11 Вт. Опір резистора 17 ланцюга обмеження постійного струму блока живлення розраховували за формулою: R Uвих  Uгор  ном , (4) де R - опір резистора ланцюга обмеження постійного струму (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, -3 Іном=35▪10 А, Uпрюд1 В. 4 UA 113799 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Ємність роздільного конденсатора 14 була розрахована за формулою 1 і дорівнювала 0,47 мкф. У пристрої використані діоди 1N4007, тиристори КУ102Г та резистори номіналом 1 кОм, підключені між катодом та керуючим електродом кожного з тиристорів. За цих умов напруга перемикання кожного з тиристорів КУ102Г складала від 400 в до 600 в, що забезпечувало амплітуду імпульсів підпалу лампи >1000В. Ємність конденсаторів 24, 26, 36, 38 були визначені експериментально за критерієм мінімальної енергії підпалювання лампи на рівні 33 нФ. Ємність конденсатора 25-0,1 мкФ. Гранична напруга конденсаторів не перевищувала 400 В. Номінал резистора 37 обмеження імпульсного струму підпалювання лампи 1кОм. Номінали резисторів 29, 31, 35-4,7 кОм. Номінали резисторів 27, 33, які визначали сталі заряду конденсаторів 24, 26-22 кОм. Потужність резистора 17 залежала від потужності лампи: 2 P=R▪ Іном , (5) де Ρ - потужність резистора (Вт); Іном - номінальний струм лампи (мА); R- опір резистора 17 (Ом). Потужність резисторів 27, 29, 31, 33, 35, 37 була