Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядных осветительных ламп

Предлагаемая полезная модель относится к осветительной технике и может быть использована для электропитания газоразрядных осветительных ламп переменным током высокой частоты.
Известно устройство, электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядных осветительных ламп, ЭПРА 150 ДНаТ-02-Vl (Приложение 1), производитель СП «ДЭКСИ г. Москва (патент RU 2000 127 419), содержащее помехоподавляющий фильтр с сетевым выпрямителем, полупроводниковый инвертор, собранный по однотактной схеме на транзисторном ключе Ki, нагрузкой которого является параллельный контур, состоящий из дросселя L, емкости С и лампы EL1. Контур LC служит для поддержания тока лампы в моменты закрытого ключа. Для зажигания лампы используется специальное устройство, генератор импульсов поджига, генерирующее высоковольтные импульсы напряжения. Схема ЭПРА 150 ДНаТ -02-V1 содержит также корректор
формы тока или корректор коэффициента мощности (КФТ, ККМ), с целью исключения влияния высщих гармоник на форму потребляемого сетевого тока, создаваемых выпрямителем с конденсаторным фильтром. В схеме применена микропроцессорная система регулирования работой силового ключа KI и управления зажиганием лампы.
Однако в указанном устройстве, при такой схеме включения нагрузки, ток через лампу имеет асимметрию порядка 12 н- 14%, то есть постоянную составляющую тока, даже при наличии микропроцессорной системы регулирования работой ключа, что снижает ресурс лампы. Амплитудное значение напряжения на ключевом транзисторе инвертора в момент переключения составляет величину порядка 1000 вольт, а среднее значение тока при выбросах до 20 ампер. В данной схеме для ключа требуется применение мощного высоковольтного транзистора, что, в свою
очередь, требует формирования достаточно мощного управляющего сигнала.
Кроме того, известно устройство, электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядных осветительных ламп ЭлПРА-150, 250, 400 000 «Интерфейс г, Винница Украина (техническое описание, сайт http://www.cdie.gov.ua/TEHNOL.HTM), которое является прототипом предлагаемой полезной модели. См. Приложение 2.
Это устройство содержит помехоподавляющий фильтр с сетевым выпрямителем, корректор формы тока (КФТ), инвертор с двухтактным выходным каскадом на транзисторных ключах KI и К2, нагруженным на последовательный LC контур и лампу EL1, соединенную с землей. Контур LC служит для поддержания тока лампы в моменты закрытого ключа, а его емкость одновременно является разделительной Ср между переменной и постоянной составляющей тока идущего на генератор поджига. Контур настраивается на частоту задающего генератора схемы управления силовыми ключами. При такой схеме включения исключается асимметрия тока через лампу, а напряжения на ключевых транзисторах не превышают напряжения питания схемы. В прототипе, в качестве схемы управления двухтактными силовыми ключами, применена схема IR 2155 фирмы International Rectifier. Особенностью такой схемы управления верхним и нижним ключами, является наличие выходного плавающего уровня с максимальным рабочим напряжением 600 вольт, для управления верхним силовым ключом К2. Использование такой схемы управления позволяет избавиться от развязывающего трансформатора в классической схеме управления двухтактными ключами.
Схема управления двухтактными силовыми ключами состоит из задающего генератора прямоугольных импульсов состоящего из двух компараторов KMi и КМ2 RSI-триггера, транзистора обратной связи TI и схемы запуска, двух схем разнесения по времени работы силовых ключей («временная раздвижка), формирователя импульсов, схемы сдвига уровня для верхнего силового ключа К2 на двух высоковольтных МОП-транзисторах Т2, Тз с «защелкой (RS2 триггером) и фильтром, а также двух повторителей на комплементарных МОП-транзисторах, для каждого из силовых ключей двухтактной схемы.
Прямоугольные импульсы с генератора разделяются на две последовательности с заданным разнесением по времени, т.е. «временной раздвижкой, для исключения протекания сквозного тока через ключи. Одна из последовательностей через нижний повторитель подается непосредственно на нижний силовой ключ KI , Вторая - через формирователь двух коротких импульсов на открывание и закрывание, подается на два входа высоковольтных МОП- транзисторов схемы сдвига уровня Т2 и Тз, с которых импульсы, через фильтр, управляют К32-триггером («защелкой). Включение и выключение верхнего ключа К2 производится отрицательным фронтом импульса триггера через верхний повторитель. Это сделано для того, чтобы скорость закрытия транзисторов сдвига уровня не сказывалась на времени выключения верхнего ключа. Использование двух транзисторов сдвига уровня позволяет снизить чувствительность схемы к выбросам и помехам со средней точки силовых ключей, так как они прикладываются к обоим входам транзисторов схемы сдвига уровня, т.е. синфазно.
В схеме средняя точка ключей, через разделительный конденсатор Ср, соединена через дроссель L с лампой. Блок-схема зажигания лампы представляет собой генератор импульсов поджига, с крутым передним фронтом, нагруженный на ключ Кз. Ключ коммутирует заряженную ёмкость Снак. на дополнительную обмотку дросселя. На основной обмотке возникает импульс напряжения большой величины (до 3 - 4 киловольт), необходимый для зажигания лампы. Схема управления генератором поджига состоит из делителя Ri,R2 и конденсатора Сг. Конденсатор Сг при не зажженной лампе заряжен через делитель RI и R2 до определенного напряжения, а при загорании лампы, из-за того, что сопротивление лампы становиться гораздо меньше, чем сопротивление делителя RI и R2, напряжение на нём падает практически до нуля, блокируя работу генератора импульсов поджига.
Однако указанное устройство не имеет схемы поддержания стабильности мощности потребляемой лампой, которая может изменяться от изменения внешних факторов (температуры окружающей среды, изменения параметров лампы из-за старения и т.п.) снижая тем самым ресурс лампы. Кроме того, схема управления силовыми ключами достаточно сложна.
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение рабочего ресурса лампы, а также упрощение схемы управления силовыми ключами без ухудшения режимов их работы.
Поставленная задача достигается тем, что в известном электронном пускорегулирующем аппарате для газоразрядных ламп ЭлПРА-150,250,400 содержащем помехоподавляющий фильтр с сетевым выпрямителем, корректор формы тока, двухтактный инвертор со схемой управления, LC - контур и схему поджига лампы, изменена схема включения лампы, введена схема параметрической стабилизации потребляемой ею мощности в рабочем режиме и режиме разогрева, упрощена схема управления силовыми ключами и изменена схема управления генератором зажигания.
На чертеже приведена структурная схема электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядных осветительных ламп (ЭПРА-ДЛ). Предлагаемое устройство ЭПРА-ДЛ содержит помехоподавляющий фильтр с сетевым выпрямителем 1, корректор формы тока 2, инвертор с двухтактным выходным каскадом, состоящий из схемы управления и двух ключей. Схема управления состоит из генератора прямоугольных импульсов собранного на триггере Шмидта 3, двух компараторов 4 и 5, которые разделяют последовательность прямоугольных импульсов на две и, одновременно, формируют «временную раздвижку последовательностей при помощи интегрирующей цепи R1,C1. Нижняя последовательность, через повторитель на комплементарных транзисторах, управляет работой нижнего ключа, а верхняя, через свой повторитель, управляет работой транзистора сдвига уровня 6. Транзистор сдвига уровня, через повторитель 7, рабочую точку которого устанавливает диод 8, управляет работой верхнего
силового ключа. Защита управляющего электрода верхнего ключа от выбросов и помех со средней точки силовых ключей, осуществляется диодом 9. Средняя точка силовых ключей 10 и 11, через разделительный конденсатор 12, соединена с первичной обмоткой дросселя 13 которая, в свою очередь, подключена к электроду лампы 14. Конденсатор 15, заряжаясь через резистор 16,соединенный с корректором формы тока, и разряжаясь ключом зажигания 17 на вторичную обмотку дросселя, создает в первичной обмотке высоковольтный импульс зажигания лампы. Ключом зажигания управляет генератор импульсов поджига 18. Второй электрод лампы соединен со средней точкой цепи параметрической стабилизации, состоящей из двух щунтирующих диодов 19, 20 и двух разделительных конденсаторов 21 и 22, один из которых соединен с корректором формы тока, а другой - с землей. Средняя точка цепи параметрической стабилизации соединена с детектором отрицательного напряжения через разделительный конденсатор 23. Детектор состоит из резистора 24, соединенного с корректором формы тока, и диода 25, соединенного с землей, который, в свою очередь, через резистор 26 соединен с цепью управления генератором импульсов поджига, состоящей из резистора 27,соединенного с корректором формы тока, и конденсатора 28, соединенного с землей.
Устройство работает следующим образом: прямоугольные импульсы схемы управления с генератора на триггере Шмидта 3 разделяются двумя компараторами 4 и 5 на две последовательности для управления верхним и нижним силовыми ключами. Эти же компараторы при помощи интегрирующей цепи RiCi формируют «временную раздвижку для исключения сквозного тока через силовые ключи. При такой схеме величина «временной раздвижки изменяется выбором номиналов интегрирующей цепи RiCi в независимости от рабочей частоты инвертора. Первая последовательность, через повторители на комплементарных транзисторах, управляет непосредственно нижним силовым ключом. Вторая последовательность, также через повторители на комплементарных
транзисторах, управляет транзистором 6 сдвига уровня напряжения, в стоковой цепи которого включен эмиттерный повторитель на транзисторе 7, для непосредственного управления верхним силовым ключом 10. Силовые ключи 10 и 11 подают питающее напряжение на LC контур и лампу с частотой генератора. Индуктивностью контура служит первичная обмотка дросселя 13, а емкость определяется только одинаковыми емкостями 21 и 22, так как разделительная емкость 12 на несколько порядков больше их значений. Контур настраивается на частоту работы генератора. В первом цикле, когда работает ключ 11, после разряда разделительного конденсатора 21 до нуля отпирается шунтирующий его диод 19, обеспечивая ограничение напряжения заряда на втором разделительном конденсаторе 22 на уровне напряжения питания. Во время второго цикла, когда работает ключ 10, при разряде конденсатора 22 до нуля, отпирается шунтирующий его диод 20, обеспечивая ограничение напряжения заряда емкости 21 на уровне напряжения питания.
Для потребляемой мощности справедливо выражение
P  , где и - напряжение питания инвертора
f - частота работы инвертора
С - емкость конденсаторов 21 и 22, равных между собой. Конденсаторы 21 и 22 выполняют роль дозаторов, обеспечивая потребление от источника питания в каждый полупериод электрического заряда . Соответственно потребляемый ток равен I  2-C-U-f. С учетом КПД (rj) инвертора мощность, передаваемая лампе, равна
,2-C-U -f-7j.
Поскольку в области номинальной мощности КПД инвертора практически не изменяется или изменяется незначительно, имеет место стабилизация мощности потребляемой лампой. При изменении, например, сопротивления лампы на 20% падение потребляемой ею мощности в схеме без параметрической стабилизации в 2,6 раза
больше чем в схеме с параметрической стабилизацией. При применении в цепи лампы схемы параметрической стабилизации, изменена и схема управления зажиганием лампы. Напряжение на конденсаторе 28, при не зажженной лампе, равно определенному положительному напряжению, благодаря заряду его через резистор 27. При высоком значении напряжения на конденсаторе 28 работает генератор импульсов поджига лампы 18. Генератор импульсов поджига нагружен на ключ 17, который коммутирует заряженную емкость 15 через резистор 16 на вторичную обмотку дросселя 13, создавая в первичной обмотке импульс напряжения необходимый для зажигания лампы 14. При загорании лампы, появившееся переменное напряжение с точки соединения конденсаторов 21 и 22 детектируется цепью 23, 24 и 25 в отрицательное напряжение, которое через резистор 26 подается на конденсатор 28, разряжая его, и тем самым, блокируя работу генератора импульсов поджига.
Для упрощения, в схеме управления силовыми ключами, исключены: схема запуска генератора, транзистор обратной связи Ti в генераторе, два триггера RS1 и RS2, две схемы временной раздвижки, формирователь импульсов, фильтр. В схеме сдвига уровня использован только один высоковольтный транзистор 6. Для предотвращения пробоя управляющего электрода верхнего ключевого транзистора 10 от помех и выбросов со средней точки силовых ключей, введен защитный диод 9, а для уменьшения помех и исключения протекания сквозного тока по цепи - защитный диод 9 диод 8, устанавливающий рабочую точку транзистору 7,- транзистор сдвига уровня б, использовано включение транзистора б по схеме стабилизатора тока.
Таким образом, в предлагаемом устройстве с введением схемы параметрической стабилизации, изменение потребляемой мощности лампой во время работы и разогрева от изменения её параметров, в 2,6 раза меньше, чем в устройстве прототипе, что повышает ресурс лампы. В предлагаемом устройстве ЭПРА-ДЛ упрощена схема управления силовыми ключами, в которой отсутствуют два RSтриггера, схема запуска генератора, транзистор обратной связи в генераторе, две схемы временной раздвижки, формирователь импульсов, фильтр, а схема сдвига уровня сделана на одном высоковольтном транзисторе, включенном генератором тока, с введением защитного диода для верхнего силового ключа, что не ухудшает работу ключей.
Проректор НГТУ по научной работе Зам. директора по науке ХК «НЭВЗ-СОЮЗ
А. г. Вострецов
ГОВАЯ /-.
УС.-е11ЛЬ НИКОВ
li  ,-.  4
. , .Г/;. ;,. ;; j ilV Е f. .-/-: ;
S- ,     - .- .: в О Ч хЛ  X
, VI5 - ..
-о,,
- -.