ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЫ

Полезная модель устройства относится к электротехнике, в частности к пускорегулирующим аппаратам (ПРА) для люминесцентных ламп, при питании от сети переменного тока, со стабилизацией мощности на лампе. Управление световым потоком люминесцентных ламп возможно осуществить следующими способами, амплитудным или частотным регулированием напряжения на выходе силового инвертора ПРА. Амплитудное регулирование можно производить путем изменения значения напряжения на выходе корректора коэффициента мощности. Существуют два основных вида схем корректора коэффициента мощности: активная и пассивная. Типичная схема ПРА с активной коррекцией коэффициента мощности, содержащая источник питания, активный корректор коэффициента мощности, инвертор питающий лампу через балластный дроссель, генерирует стабилизированный постоянный ток, но с более высоким напряжением, чем максимальное пиковое напряжение источника переменного тока, и использует простую конструкцию с добавление напряжения, которая может работать на постоянной высокой частоте с непрерывным током дросселя, или в режиме критической проводимости, где допускается, что дроссель разряжается до нулевой энергии к началу нового цикла зарядки. Большая часть выпускаемых управляющих интегральных микросхем коррекции коэффициента мощности относится к последнему типу. Схема активной коррекции коэффициента мощности полностью достигает гармонического соответствия стабилизации мощности на лампе, но стоимость дополнительных схем часто бывает неприемлемой при массовом производстве недорогих ПРА. С другой стороны, схема пассивной коррекции коэффициента мощности позволяет повысить коэффициент мощности (более 0.95) и производить недорогие ПРА. В этой схеме конденсаторы фильтра заряжаются последовательно через диод и резистор в каждой полуволне выпрямленной сети переменного тока. Каждый конденсатор заряжается до половины пикового напряжения переменного тока минус три падения напряжения на диодах - два в мостовом выпрямителе, а одно на диоде между двумя конденсаторами. Назначение резистора - снизить пики на кривой тока при зарядке конденсаторов. Поскольку каждый конденсатор заряжается до
половины пикового напряжения переменного тока, то они питают выходной ток только после того, как напряжение на шине примет синусоидальную форму сигнала вплоть до Vp/2. В это время конденсаторы по-существу являются параллельными и питают ток нагрузки до тех пор, пока входное выпрямленное переменное напряжение снова не превысит значение Vp/2 в следующей половине цикла. Скважность при разряде для этих конденсаторов составляет приблизительно 37% с последующим реактивным периодом, во время которого нагрузка питается непосредственно от выпрямленного входного переменного напряжения. На пике входного переменного напряжения существует дополнительный ток для подзарядки конденсаторов до Vp. Величина и продолжительность этого тока зависит от глубины разрядки и параметра резистора в схеме зарядки. Несмотря на то, что схема пассивной коррекции дает достаточно хорошее значение коэффициента мощности (более 0.95), а гармоники могут быть сглажены входным фильтром источника питания, основным недостатком этой схемы является 50% пульсация напряжения питания, что приводит к значению пик-фактора выше 2.1, а рекомендуемое максимальное значение пик-фактора равно не более 1.7, что способствует увеличению срока службы люминесцентной лампы (фиг.2, 5).
Наиболее близким по сущности, является устройство со схемой пассивной коррекции коэффициета мощности и низким значением пик-фактора, за счет стабилизации тока лампы (см. Питер Н.Вуд, International Rectifier 27.12.1999 г. "Схема балласта люминесцентных ламп с использованием пассивной коррекции коэффициента мощности (P.F.C) и управление пик-фактором", рис.7), являющаяся прототипом, содержащее источник питания ИП, состоящий из выпрямительного моста VI, фильтра L2,C11, напряжение питания с которого через пассивный корректор ПК (C8, C9, VD8, VD9, VD10, R4), нить накала катода лампы HL1 поступает на силовой преобразователь СП (VT2, VT3, C6) и через дополнительные цепи питания (R5, VD5, VD7, C5, C7) на задающий генератор ЗГ, состоящий из (генератора DA1, VD4, C3, частотно задающих элементов R3, C2, схемы управления частотой VD2, VD3,) на которую поступает управляющее напряжение с 2-х ступенчатой схемы предварительного прогрева СП (VT1, R1, R2, C1, VD1) во время режима прогрева и поджига лампы HL1, а в рабочем режиме вторичная обмотки трансформатора тока Т1, через выпрямитель (VD6, C4) создает напряжение на резисторе RD, выполняющий роль датчика тока, пропорциональное току лампы и это напряжение используется в качестве опорного смещения для управления частотой задающего генератора ЗГ, его первичные обмотки соединены с катодами лампы HL1, резонансный контур (L1, C10) служащий для формирования напряжения на лампе HL1. Постоянная времени схемы управления частотой составляет менее 100 мс, что достаточно для регулировки вида кривой тока к мгновенным значениям 50% заполненного ограниченного напряжения. Управляющая цепь помогает достичь значения пик-фактора лампы 1.6, по сравнению со значением выше 2.1, без регулировки тока лампы (фиг.8).
Недостатком данного устройства является:
1. 2-х ступенчатое переключение частоты задающего генератора при режиме подогрева катодов лампы и режиме ее поджига. При запуске лампы происходит увеличения токов и напряжений на элементах резонансного контура при приближении частоты возбуждения резонансного контура к его собственной резонансной частоте, поэтому для обеспечения режима подогрева катодов лампы необходимо установить частоту задающего генератора выше частоты собственного резонанса, резонансного контура. При этом через катоды лампы начинает протекать ток, достаточный для их разогрева, а напряжение, возникающее в лампе, недостаточно для ее зажигания, но в 1,5-2 раза превышающее напряжение на лампе в режиме работы. После прогрева катодов лампы в течение 1-2 сек. устанавливается рабочая частота задающего генератора близкая к резонансной частоте резонансного контура, что приводит к резкому увеличению напряжения на лампе и она зажигается, (см. фиг.7). При большом разбросе параметров конструктивных элементов используемых при изготовлении ПРА, лампа может не загореться, это происходит из-за того, что частота задающего генератора может не совпадать с частотой резонансного контура, данный режим осуществления подогрева и поджига лампы не позволяет производить поджиг различных типов ламп без дополнительной перестройки силового преобразователя, тем самым теряется универсальность применения ПРА, а резкое начальное нарастание тока лампы при подогреве не позволяет увеличивать дополнительно, некоторый срок службы лампы.
2. Отсутствие схемы защиты ПРА от аварийных режимов работ лампы, что снижает надежность работы пускорегулирующего аппарата.
3. Осуществление стабилизации мощности на лампе путем перестройки частоты задающего генератора от изменения тока лампы, при изменении напряжения питания, не позволяет осуществить параллельное подключение 2-х ламп, без существенной доработки ПРА, что также снижает его область применения.
Техническим результатом является создание ПРА повышенной надежности, улучшение и расширение эксплуатационных характеристик, стабильность свечения и увеличение срока службы люминесцентных ламп, позволяющий производить зажигание различных типов ламп без дополнительной его перестройки, за счет возможности плавной перестройки частоты задающего генератора, т.е. управления частотными режимами ПРА, стабилизацию мощности на лампе при изменении питающего напряжения ПРА, путем регулировки индуктивного сопротивления резонансного контура преобразователя, применение схемы пассивной коррекции, позволяет повысить коэффициент мощности выше 0.95, с ТНД (полный коэффициент гармоник) менее 15% и пик-фактором менее 1.7, без дополнительного усложнения и значительного уменьшения цены конструкции, за счет исключения активного повышающего корректора коэффициента мощности.
Сущность полезной модели заключается в том, что ПРА содержащий источник питания, пассивный корректор, задающий генератор, силовой преобразователь, резонансный контур, вспомогательные цепи защиты, отличающийся тем, что в устройство дополнительно введены: делитель напряжения, стабилизатор напряжения, причем делитель напряжения одновременно соединен своим входом через пассивный корректор с источником питания, со входом стабилизатора напряжения и первым входом силового преобразователя, а выходом, с первым входом электронного коммутатора, второй вход которого соединен одновременно с выходом стабилизатора напряжения и восьмым выводом задающего генератора, третий вход управления с выходом формирователя временного интервала, где его вход соединен с конденсатором, а выход электронного коммутатора, с первым входом преобразователя «напряжение - ток», который соединен своим вторым входом с резистором, а выходом, с конденсатором и седьмым выводом задающего генератора.
Исключение схемы двухступенчатого режима подогрева и запуска лампы, а также введение указанных блоков и наличие новых связей в ПРА, позволяет изменить режим пуска и работы лампы, осуществить стабилизацию мощности на лампе при изменении питающего напряжения ПРА, путем регулировки индуктивного сопротивления резонансного контура преобразователя, регулирование коэффициента мощности.
На фиг1. изображена функциональная схема ПРА с пассивным корректором мощности
На фиг2. изображена диаграмма работы ПРА с пассивным корректором мощности, без стабилизации тока лампы
На фиг3 изображена диаграмма работы ПРА с пассивным корректором в режиме стабилизации тока лампы
На фиг4 изображена диаграмма перестройки частоты в режиме прогрева и поджига ПРА
На фиг5. изображена диаграмма напряжения на выходе пассивного корректором мощности.
На фиг6. изображена диаграмма тока лампы в режиме прогрева и поджига ПРА заявляемой полезной модели
На фиг7. изображена диаграмма тока лампы в режиме прогрева и поджига ПРА (прототип)
На фиг8. изображена электрическая схема ПРА с пассивным корректором мощности (прототип)
Устройство содержит выводы 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, задающего генератора 9, выводы 10, 11, 12, 13 для подключения люминесцентной лампы 14, источник питания 15, пассивный корректор 16, делитель напряжения 17, стабилизатор напряжения 18, электронный коммутатор 19, преобразователь "напряжение - ток" 20, формирователь временного интервала 21, силовой преобразователь 22, состоящий из двух транзисторов 23, 24, трансформатора 25, конденсатора 26, резонансный контур 27, состоящий из дросселя 28 и резонансного конденсатора 29, вспомогательные цепи защиты 30, состоящие из выпрямителя 31 и делителя напряжения 32, резистор 33, конденсаторы 34, 35. Через
выводы 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8, осуществляется электрическая связь задающего генератора, с элементами и блоками ПРА, а выводы 3, 5 подключены к цепи "земля" источника питания 15 ПРА, к которой также подключены, 2-й вход пассивного корректора 16, вывода конденсаторов 34, 35 и резистора 33, входы делителя напряжения 17 и стабилизатора напряжения 18 соединены с выходом пассивного корректора 16 и 1-м входом силового преобразователя 22,а через 1-й вход с выходом источника питания 15, выход делителя напряжения 17, соединен с 1-м входом электронного коммутатора 19, 2-й вход которого соединен с выходом стабилизатора напряжения 18 и выводом 8 задающего генератора 9, а 3-й его вход управления, соединен с выходом формирователя временного интервала 21, вход которого соединен с конденсатором 34, выход электронного коммутатора 19 соединен с 1-м входом преобразователя "напряжение - ток" 20, его 2-й вход соединен с резистором 33, а выход соединен одновременно с конденсатором 35 и выводом 7, задающего генератора 9, два выхода задающего генератора, выводы 4, 6, через входы 2,3 силового преобразователя 22 и трансформатор 25 соединены с затворами транзисторов 23, 24 силового преобразователя 22, его выход через разделительный конденсатор 26, соединен с дросселем 28 который совместно с конденсатором 29, образуют резонансный контур 27, подключенный параллельно люминесцентной лампе 14, к ее выводам 10, 11, 12, 13, через выпрямитель 31, входом соединенный с выходом дросселя 28 и выводом 10 люминесцентной лампы 14 и 1-й выход вспомогательной цепи защиты 30, соединенный с выводом 1 задающего генератора 9, реализована токовая защита ПРА от потери эмиссии катодов 10-11, 12-13 лампы 14, а через делитель напряжения 32,соединенный входами 2, 3 с выводами 13,11 люминесцентной лампы 14 и 2-й выход вспомогательной цепи защиты 30, соединенный с выводом 2 задающего генератора 9, реализована защита ПРА от обрыва катодов 10-11, 12-13, люминесцентной лампы 14 (см. фиг.1).
Описание работы устройства в режиме запуска и работы лампы.
1. Режим подогрева катодов и поджига лампы.
При подаче напряжения на шины питания устройства, с источника питания 15 ПРА, через пассивный корректор 16, на выходе стабилизатора напряжения 18, формируется стабилизированное постоянное напряжение, которое поступает на 2-й вход электронного коммутатора 19 и 8 вывод задающего генератора 9, после чего начинается формирование время прогрева формирователем временных интервалов 21 задаваемое конденсатором 35, выход которого управляет электронным коммутатором 19, через который стабилизированное напряжение в течении время прогрева, подается на преобразователь "напряжение - ток" 20, где происходит линейное нарастание тока, который поступает на конденсатор 34 и на вход 7 задающего генератора 9, на котором формируется периодический сигнал переменной частоты превышающий частоту резонансного контура 27, при изменении входного тока на задающем генераторе 9 изменяется и его частота, при этом частота с ростом входного тока, постепенно понижается, приближаясь к резонансной частоте резонансного контура 27, происходит постепенное нарастание тока лампы 14,
осуществляя тем самым плавный прогрев катодов 10-11, 12-13 лампы 14, что затем приводит к резкому увеличению напряжения на лампе 14 и происходит ее зажигание (см. фиг.1, 4, 6).
2.Режим стабилизации тока лампы
После окончания время прогрева, электронный коммутатор 19 переключается и через его 1-й вход, входное напряжение с пассивного корректора 16 ПРА, через делитель напряжения 17, поступает на вход преобразователя "напряжение - ток" 20, в результате чего на выходе задающего генератора 9, формируется рабочая частота ПРА, которая зависит от величины входного напряжения питания, при его увеличении, увеличивается рабочая частота задающего генератора 9 и через силовой преобразователь 22, подаваемая на резонансный контур 27, за счет эффекта изменения индуктивного сопротивления дросселя в зависимости от частоты протекающего через него тока, при этом величина тока лампы 14 будет уменьшаться пропорционально изменению частоты возбуждения резонансного контура 27, а при уменьшении входного напряжения питания, рабочая частота задающего генератора 9, уменьшается, что приведет к увеличению тока лампы 14, пропорционально изменению частоты возбуждения резонансного контура 27, таким образом осуществляя стабилизацию тока лампы 14, т.е. происходит стабилизация мощности на лампе 14 в заданных пределах, необходимая пропорциональность устанавливается резистором 33 (см. Фиг.1, 3).
3.Режим ограничения тока
В случае, если лампа 14 зажглась и включения защиты не произошло, задающий генератор 9 продолжает работать как при окончании режима поджига лампы. При этом сигнал от вспомогательной цепи защиты 30, поступающий на входы 1, 2, задающего генератора 9, соответствует уровню логический "0", при этом частота задающего генератора 9 такой же и соответственно будет определять частоту возбуждения резонансного контура 27. При загоревшейся лампе 14, конденсатор 29 резонансного контура 27, окажется зашунтированным работающей лампой 14, в результате чего ток, протекающий через лампу 14, будет ограничиваться индуктивным сопротивлением дросселя 28 резонансного контура 27, при текущей рабочей частоте, определяемой внешними цепями, задающими частоту работы задающего генератора 9, что соответствует работе ПРА в режиме ограничения тока.
4. Режим включения защиты
При потере эмиссии катодов 10-11, 12-13, лампы 14, включается токовая защита, выключенная на этапе прогрева катодов лампы, если лампа 14 не зажигается в течение заданного времени (обычно 2-3 с), повышенные по сравнению с номинальным режимом работы лампы, токи и напряжения при потере эмиссии катодов лампы, поступая на 1-й вход вспомогательной цепи защиты 30 через выход выпрямителя 31, сформированное напряжение лог."1" подается на 1-й вход задающего генератора 9, что приводит к отключению выходных импульсов задающего генератора 9, а соответственно и выключению ПРА, повторное его включение осуществляется снятием и подачей напряжения питания.
При обрыве катодов 10-11, лампы 14, повышенное напряжение поступает на 3-й вход делителя напряжения 32, а при обрыве катодов 12-13, лампы 14, повышенное напряжение поступает на 2-й вход делителя напряжения 32 и через 2-й выход вспомогательной цепи защиты 30, сформированное напряжение лог."1" поступает на 2-й вход задающего генератора 9, что приводит к отключению выходных импульсов задающего генератора 9, а соответственно и выключению ПРА, повторное его включение осуществляется восстановлением цепи катодов 10-11 или 12-13 лампы 14 т.е. происходит рестарт ПРА.
Предлагаемый ПРА для люминесцентных ламп обладает возможностью адаптации к широкому диапазону входного напряжения, стабильностью свечения и увеличения срока службы люминесцентных ламп, без усложнения и значительного увеличения цены конструкции, позволяющий производить зажигание различных типов ламп без дополнительной его перестройки, за счет возможности плавной перестройки частоты задающего генератора, т.е. управления частотными режимами ПРА, стабилизацию мощности на лампе при изменении питающего напряжения ПРА, путем регулировки индуктивного сопротивления резонансного контура преобразователя, повышения коэффициента мощности.