УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПИТАНИЕМ ДУГОВОЙ ЛАМПЫ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области светотехники, и может быть использована для зажигания и поддержание горения дуговой лампы постоянного тока в широком диапазоне изменения входного напряжения питания.
Для обеспечения зажигания и поддержания горения дуговой лампы постоянного тока необходимо обеспечить три режима работы дуговой лампы: режим пробоя лампы, режим зажигания лампы, режим горения лампы. В режиме пробоя лампы осуществляется межэлектродный искровой пробой высоким напряжением, обеспечивающим канал проводимости для возникновения дугового разряда. В режиме зажигания лампы необходимо сразу после высоковольтного пробоя передать в лампу энергию, необходимую для первичного разогрева электродов и формирования дуги. В режиме горения лампы необходимо поддерживать постоянный уровень тока через лампу при различных уровнях входного напряжения.
Известно устройство питания дуговой лампы (патент US №2007001624, МПК H05B 41/36, 2007 г.), содержащее регулируемый по напряжению и току источник постоянного тока и схему повышения напряжения. В цепь питания лампы включен диод развязки повышенного напряжения и напряжения питания лампы и устройство зажигания лампы.
Недостатком известного устройства является относительно высокая стоимость, связанная с использованием независимых компонентов для каждого режима работы лампы, невозможность обеспечения номинального режима работы лампы при напряжения источника питания ниже напряжения питания лампы и повышенные потери мощности, поскольку необходимо иметь диод в цепи питания лампы.
Известно устройство питания дуговой лампы (патент CN №101437345, МПК H05B 41/36, 2006 г.), содержащее подключенные к источнику постоянного тока два однотактных преобразователя, запирающий диод и блок управления ключами преобразователей. В цепь питания лампы включены дуговая лампа и устройство зажигания лампы.
Недостатком такого устройства является прямая зависимость режима работы лампы от уровня входного напряжения источника питания, низкая надежность из-за невозможности регулировки мощности, выделяемой на лампе и необходимость диода в цепи питания лампы.
Наиболее близким к заявляемому и принятым за прототип является устройство для питания дуговой лампы (патент US №2007205725, МПК H05B 41/16, 2007 г.), содержащее однотактный преобразователь с запирающим диодом, подключенный к источнику постоянного тока, и блок управления на микроконтроллере.
Недостатком такого устройства является низкая надежность, поскольку нет возможности контролировать ток через лампу, и управление ключом преобразователя осуществляется микроконтроллером. Также будут значительными потери мощности на диоде, расположенном в цепи питания лампы.
Задачей, на решение которой направлена данная модель, является обеспечение работоспособности дуговой лампы в широком диапазоне изменения входного напряжения источника питания.
Техническим результатом, который достигается при осуществлении данной полезной модели, является увеличение срока службы дуговой лампы и повышение надежность работы устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройство для управления питанием дуговой лампы постоянного напряжения, содержащее последовательно соединенные источник питания и блок преобразователя, а также блок зажигания, первый и второй выходы которого соединены с анодом и катодом дуговой лампы, согласно полезной модели, введен фильтр, включенный между блоком преобразователя и блоком зажигания, и блок управления, первый вход которого является входом команды включения, второй вход подключен к третьему выходу блока преобразователя, а выход соединен с третьим входом блока преобразователя, при этом блок управления выполнен с возможностью выработки и подачи сигналов управления на блок преобразователя для выполнения следующих режимов: формирования повышенного напряжения для зажигания дуговой лампы, поддержания номинального режима горения дуговой лампы и защиты от перегрузок, которые реализуются в блоке преобразователя с помощью одних и тех же элементов.
Увеличение срока службы дуговой лампы обеспечивается с помощью совместной работы блока преобразования и блока управления путем поддержания работы дуговой лампы в режиме номинальной мощности в широком диапазоне уровня входного напряжения питания.
Для зажигания дуговой лампы, поддержания номинального тока через лампу и защиты от перегрузки используются один и тот же блок преобразователя и блок управления, что приводит к упрощению устройства и повышению его надежности. Для работы устройства в цепи питания лампы не требуется запирающий диод, что уменьшает потери в цепях питания лампы.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых приведены:
на фиг.1 - структурная электрическая схема устройства;
на фиг.2 - структурная электрическая схема блока преобразователя;
на фиг.3 - структурная электрическая схема блока управления;
на фиг.4 - структурная электрическая схема генератора широтно-импульсных (ШИМ) сигналов;
на фиг.5 - структурная электрическая схема блока зажигания;
на фиг.6 - график зависимости заполнения ШИМ сигналов от приведенного входного напряжения.
Устройство для управления питанием дуговой лампы постоянного тока содержит последовательно соединенные источник питания 1, блок 2 преобразователя, фильтр 4, блок 5 зажигания и лампу 6, а также блок 3 управления. Первый вход блока 3 управления является входом управления включением лампы, вторая входная шина блока 3 управления подключена к третьей выходной шине блока 2 преобразователя, а выходная шина соединена с третьим входом блока 2 преобразователя.
Блок 2 преобразователя управляется блоком 3 управления, и обеспечивает работу в следующих режимах: в повышающем/понижающем, обеспечивающем уровень выходного напряжение соответственно выше/ниже входного, и в режиме защиты от перегрузок по току. Блок 2 преобразователя может быть реализован, например, по схеме, приведенной на фиг.2, которая представляет собой мостовую схему, содержащую ключи VT204-VT207 в виде полевых транзисторов с фильтрующими конденсаторами С201 и С208, датчики U202 и U203 тока и цепь накопления заряда повышенного напряжения, состоящую из низкоомного резистора R209 и конденсатора С210.
Общие точки подключения транзисторов VT204-VT207 соединены дросселем L1. К первому входу блока подключены последовательно соединенные датчик тока U202 и сток транзистора VT204. К первому выходу блока подключены последовательно соединенные датчик тока U203 и сток транзистора VT206. Второй вход, второй выход блока и истоки транзисторов VT205 и VT207 соединены между собой. К первому и второму входам блока параллельно подключен фильтрующий конденсатор С201, а к первому и второму выходам блока параллельно подключены конденсатор С208 и последовательная цепь из резистора R209 и конденсатора С210.
Блок 3 управления предназначен для подачи сигналов управления на блок 2 преобразователя и выполнения следующих режимов работы: формирования повышенного напряжения для зажигания дуговой лампы, поддержания номинального режима горения дуговой лампы и защиты от перегрузок, которые реализуются в блоке 2 преобразователя с помощью одних и тех же элементов. Вид и форма сигналов зависит от наличия входной команды включения дуговой лампы, а также значений входного и выходного напряжений и сигналов с датчиков токов U202 и U203.
Блок 3, структурная электрическая схема которого приведена на фиг.3, включает модуль обработки входных и выходных значений токов и напряжений, поступающих из блока 2, содержащий умножитель 7, пропорциональные интегральные регуляторы 8 и 9 и диоды 10 и 11, а также генератор 12 ШИМ сигналов, блок 13 контроля, драйвера 14-17 транзисторов VT204-VT207 блока 2 преобразователя, источник 18 опорного напряжения и компаратор 19.
Первый вход блока 3 соединен с вторым входом блока 13 контроля и является входом команды на включение устройства. Выводы второй входной шины блока 2 соединены: первый - с первым входом блока 13, второй - с первым входом умножителя 7 и входом пропорционального интегрального регулятора 9, третий - с неинвертирующим входом компаратора 19, четвертый - с вторым входом умножителя 7, выход которого соединен с входом пропорционального интегрального регулятора 8. Выходы блоков 8 и 9 через диоды 10 и 11 соединены с первым входом генератора 12, ко второму входу которого подключен первый выход блока 13, а к третьему - выход компаратора 19. Инвертирующий вход компаратора 19 подключен к источнику 18 опорного напряжения. Второй выход блока 13 контроля соединен с разрешающими входами драйверов 14 - 17. Первый выход генератора 12 соединен с прямым входом драйвера 14 и с инвертирующим входом драйвера 15, а второй выход генератора 12 соединен с прямым входом драйвера 16 и с инвертирующим входом драйвера 17. Выходы драйверов 14-17 являются выводами выходной шины блока 3 управления.
Генератор 12 формирует управляющие ШИМ сигналы, заполнение которых зависит от уровня напряжения на его входе, которое связанно с режимами работы устройства. Генератор 12, структурная электрическая схема которого приведена на фиг.4, содержит синхронизированные межу собой генераторы 20 и 21 нарастающего пилообразного сигнала, компараторы 22 и 23 и элементы 24 и 25 логического И. Генератор 12 ШИМ сигналов выдает сигналы управления на драйверы 14-17.
Генераторы 20 и 21 нарастающего пилообразного сигнала начинают работу при подачи разрешающего сигнала на второй вход генератора 12. Амплитуда и смещение пилообразных сигналов подбираются так, чтобы при поданном уровне напряжения на второй и третий входы блока 12, соответствующем логической единице, генерировались два ШИМ сигнала с заполнением D, соответствующим зависимостям, показанным на фиг.6, где сплошной линией отображена зависимость заполнения ШИМ сигнала с первого выхода генератора 12, а штрих-пунктирной линией - зависимость заполнения ШИМ сигнала со второго выхода генератора 12.
Фильтр 4 предназначен для ограничения прохождения высоковольтных импульсов в блок 2 преобразователя и представляет собой фильтр нижних частот (ФНЧ) с защитой от перенапряжения, выполненной на полупроводником ограничителе напряжения. Фильтр 4 может быть реализован, например, по схеме, приведенной на фиг.7. Схема содержит фильтрующий высоковольтный пленочный конденсатор С701, ограничительный полупроводниковый диод VD702 и сдвоенный дроссель L703. Первый вход фильтра 4 соединен последовательно с первичной обмоткой сдвоенного дросселя L703 и первым выходом, второй вход соединен последовательно с вторичной обмоткой L703 и вторым выходом. Параллельно первому и второму входу фильтра 4 подключены конденсатор С701 и диод VD702.
Блок 5 зажигания предназначен для генерирования высоковольтных импульсов зажигания дуговой лампы и представляет собой работающий от повышенного напряжения генератор высоковольтных импульсов с трансформаторной развязкой от цепи питания лампы. Блок 5 зажигания содержит высоковольтный трансформатор Т508. К первому выводу его первичной обмотки подключен разрядник FV507. Параллельно второму выводу первичной обмотки Т508 и разряднику FV507 подключена цепь однополупериодного выпрямителя, собранного на вторичной обмотке трансформатора Т504, диоде VD505 и конденсаторе С506. К первому выводу первичной обмотки трансформатора Т504 подключен динистор VD503, а ко второму выводу - конденсатор С502, второй вход и второй выход блока. Анод динистора VD503 соединен с конденсатором С502 и резистором R501, второй вывод которого соединен с первым входом блока и с вторичной обмоткой трансформатора Т508, второй выводкоторой является первым выходом блока. При уровне входного напряжения, превышающем напряжение срабатывания динистора VD503, происходит генерация импульсов в первичной обмотке трансформатора Т504. При достижении на конденсаторе С506 уровня напряжения, достаточного для пробоя разрядника FV507 происходит генерация импульса в первичной обмотке трансформатора Т508, в результате чего на вторичной обмотке образуется импульс высокого напряжения, обеспечивающий пробой лампы.
При совместной работе блока 2 преобразователя и блока 3 управления реализуются режим защиты по предельным значениям выходного напряжения, входного тока и входного напряжения.
Для ограничения предельного выходного напряжения в повышающем режиме работы устройства реализуется обратная связь по напряжению за счет подачи на вход пропорционального интегрального регулятора 9 выходного напряжения с выхода блока 2 преобразователя. При выходе повышенного напряжения за пределы заданного, генератор 12 изменяет свойства ШИМ сигналов, поддерживая уровень повышенного напряжения.
При выходе значения входного тока с датчика U202 за пределы заданного источником 18 опорного напряжения, например при пробое транзисторов VT205 или VT207, компаратор 9 выдает запрещающий сигнал, и блокирует работу генератора 12.
При выходе значения входного напряжения за допустимые рабочие пределы работа генератора 12 ШИМ сигналов блокируется запрещающей командой с блока 13 контроля, тем самым обеспечивая работу устройства только при допустимом входном напряжении.
Устройство для управления питанием дуговой лампы постоянного тока работает следующим образом.
При поступлении управляющей команды включения дуговой лампы на вход 2 блока 13 и при уровне напряжения источника, поступающем на вход 1 и находящемся в допустимом диапазоне, с первого выхода блока 13 поступает команда разрешения работы генератора 12, а со второго выхода - команда на разрешение работы драйверов 14 -17. При отсутствии перегрузки по входному току, на третий вход генератора 12 поступает разрешающий сигнал работы с выхода компаратора 19. На первый (управляющий) вход генератора 12 ШИМ через схему аналогового ИЛИ поступает приведенный уровень выходного напряжения блока 2 преобразователя, так как значение тока через лампу (вывод 4 шины 2) равно нулю. Генератор 12 задает работу блока 2 преобразователя в повышающем режиме. При достижении на входе блоке 5 зажигания повышенного уровня напряжения, достаточного для пробоя динистора VD503, происходит генерация импульсов высокого напряжения, обеспечивающих пробой лампы 6. После пробоя дуговой лампы 6 через нее разряжается цепь накопления заряда повышенного напряжения, собранная на R209 и С210, обеспечивая режим зажигания дуговой лампы, напряжение на выходе блока 2 преобразователя падает до рабочего напряжения питания дуговой лампы, и генерирование высоковольтных импульсов прекращается.
После зажигания дуговой лампы 6 значение выходного тока увеличивается и на управляющий вход генератора 12 через схему аналогового ИЛИ, собранную на диодах 10 и 11, начинает поступать приведенное значение выделяемой мощности на дуговой лампе 6 и блок 2 преобразования начинает обеспечивать номинальный режим горения лампы 6. Для этого генератор 12 задает управляющие сигналы для работы блока 2 преобразователя в понижающем режиме при уровне напряжения на первом входе генератора 12 в диапазоне AU2, в повышающем режиме - при уровне в диапазоне ΔU3 (см. фиг.6), поддерживая тем самым номинальный режим работы дуговой лампы, независимо от уровня напряжения источника питания. Напряжение источника питания, при котором обеспечивается номинальный режим работы лампы, может находиться в диапазоне от 0,6 до 1,8 номинального входного напряжения питания. Интервал ΔU1 выбирают из условий обеспечения устойчивой работы блоков 2 и 3 при воздействии импульсных помех.
Устройство может быть осуществлено с использованием широко распространенной элементной базы.
Таким образом, устройство для управления питанием дуговой лампы постоянного напряжения обеспечивает поддержание работы дуговой лампы в режиме номинальной мощности в широком диапазоне уровня входного напряжения питания, что приводит к увеличению срока службы лампы. Использование для зажигания дуговой лампы, поддержания номинального тока через дуговую лампу и защиты от перегрузки одних и тех же элементов приводит к упрощению устройства и повышению его надежности.