СИСТЕМА ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП (ВАРИАНТЫ)
SUPPLY SYSTEM FOR GAS-DISCHARGE LAMPS (VERSIONS)

Изобретение относится к области преобразования электрической энергии постоянного или переменного тока в электрическую, резонансную повышенной частоты и последующего ее использования для питания газоразрядных ламп в системах освещения улиц, зданий и подземных сооружений.
Известна система электрического освещения на базе солнечного светильника, состоящая из солнечной батареи, химического аккумулятора, контроллера заряда, соединительных проводников электрической линии и люминесцентной лампы. При большой мощности светильника используют дополнительно инвертор и трансформатор (см. Солнечный светильник. Технологии и оборудование возобновляемой энергетики. Каталог изделий, разработанных и производимых в системе ВИЭСХ. - М.: ВИЭСХ, 2001. - С.7). Недостатком известного устройства является низкий КПД преобразования электрической энергии в световую и потери энергии в соединительных проводах при передаче на большие расстояния. Другим недостатком является возможность короткого замыкания между питающими проводниками.
Известен светильник, в котором вместо люминесцентной лампы используют светодиоды. Такой светильник имеет высокий КПД преобразования электрической энергии в световую 50-70% (см. Шахтный светильник индивидуального использования. Патент №2187039, опубл. 10.03.2002 г. Бюл. №22). Недостатками известного светильника являются потери электрической энергии в проводниках линии, высокая стоимость светодиодов и арматуры светильника, в которой закрепляют светодиоды.
Известен светильник, содержащий солнечную батарею, аккумулятор электрической энергии, контроллер заряда, инвертор, трансформатор, электрическую линию и светильники на основе скоммутированных светодиодов, инвертор выполнен в виде преобразователя частоты, который соединен с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности первичной обмотки резонансного высокочастотного повышающего трансформатора с разомкнутым сердечником или без сердечника, высокопотенциальный вывод высоковольтной обмотки трансформатора соединен с однопроводной линией, к линии присоединены параллельно одним из выводов n светильников (n=1, 2, 3, …, n), каждый из светильников состоит из m параллельно включенных пар светодиодов (m=1, 2, 3, …, m), а каждая пара светодиодов состоит из двух включенных параллельно-встречно светодиодов, второй вывод каждого светильника соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела (см. Солнечный светильник (варианты). Патент №2241176, опубл. 27.11.2004 г. Бюл. №33). Недостатком известного светильника является высокая стоимость арматуры светильников, а также высокая стоимость светодиодов, производство которых сопряжено с повышенными экологическими рисками и часто нуждающееся в применении материалов, имеющихся на Земле в ограниченном количестве (например, галлий, индий). Недостатком известного устройства является то, что его невозможно использовать для питания газоразрядных ламп.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому изобретению является система питания газоразрядных ламп, содержащая светильники на основе газоразрядных ламп низкого давления, источник питания, преобразователь частоты, резонансный контур или резонансный трансформатор и однопроводниковую линию, преобразователь частоты соединен или с последовательным резонансным контуром, который состоит из емкости и индуктивности, при этом средний вывод резонансного контура соединен с однопроводниковой линией, или с резонансным трансформатором, высоковольтный вывод которого соединен с однопроводниковой линией, к которой присоединены параллельно одним из электродов n ламп (n=1, 2, 3, …, n), второй электрод каждой лампы соединен с естественной емкостью в виде изолированного проводящего тела. (см. Система питания газоразрядных ламп. Патент №2364783, опубл. 20.08.2009 г. Бюл. №23).
Недостатком известной системы питания является то, что для работы газоразрядной лампы требуется пускорегулирующее устройство, что приводит к удорожанию системы питания и снижению надежности работы ламп, а также к снижению срока ее службы. Другим недостатком является неравномерность электрического потенциала проводящего газоплазменного канала вдоль лампы по отношению к земле, что является причиной неравномерности ионизационно-рекомбинационных процессов в колбе лампы, следствием чего является неравномерность светового излучения вдоль колбы лампы.
Задачей предлагаемого изобретения является снижение стоимости системы питания газоразрядных ламп, снижение потерь энергии в пускорегулирующих устройствах, повышение надежности работы ламп, увеличение срока службы ламп, повышение равномерности излучаемого газоразрядными лампами света.
В результате использования предлагаемого изобретения снижаются потери энергии, снижается стоимость системы, упрощается эксплуатация, возрастают светотехнические показатели светового потока, увеличивается срок службы ламп и надежность их работы.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемой системе питания газоразрядных ламп, содержащей светильники на основе газоразрядных ламп низкого давления, источник питания, преобразователь частоты, питающий резонансный контур, однопроводниковую линию, отражающий резонансный трансформатор, к отражающему трансформатору через индуктивную связь подключена электрическая нагрузка, которая соединена с преобразователем частоты через однопроводниковую линию и последовательно соединенные газоразрядные лампы.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется Фиг.1.
На Фиг.1 представлена схема питания газоразрядных ламп с последовательно соединенными газоразрядными лампами низкого давления, включенными в разрыв однопроводниковой линии и зашунтированными электрическими емкостями, с использованием резонансных трансформаторов, выполненных на основе сосредоточенных параметров индуктивностей катушек и емкостей конденсаторов, при этом отражающий резонансный трансформатор дополнительно нагружен полезной нагрузкой.
3
4
На Фиг.1 источник питания 1 (солнечная батарея, аккумулятор, электрическая сеть и т.п.) соединен через преобразователь частоты 2 и через согласующий последовательный контур 3, 4 с питающим резонансным трансформатором 5. Питающий резонансный трансформатор 5 соединен с однопроводниковой линией 6, 7, 8, 9, которая своим началом 6 подключена к высоковольтному выводу 10 повышающего резонансного трансформатора 5. Резонансная частота f последовательного контура 3, 4 совпадает с резонансной частотой f резонансного повышающего трансформатора 5,
3
4
f=f
Здесь:
3
f - резонансная частота резонансного контура 3, 4,
,
3
L - величина индуктивности 4 последовательного резонансного контура,
3
С - величина емкости конденсатора 3 последовательного резонансного контура 3, 4,
4
f - резонансная частота повышающего трансформатора 5.
Эффект резонанса в повышающем резонансном трансформаторе 5 достигается двумя способами:
- путем параллельного подключения к индуктивности 5 конденсатора. При этом возбуждается резонанс в контуре с сосредоточенными индуктивностью 5 и подключенной емкостью;
0
0
- путем возбуждения резонансных колебаний на распределенных вдоль трансформатора 5 собственной распределенной индуктивности L и собственной распределенной емкости С.
При этом
,
Здесь:
0
L - приходящаяся на единицу длины катушки резонансного трансформатора 5 распределенная собственная индуктивность,
0
С - приходящаяся на единицу длины катушки резонансного трансформатора 5 распределенная собственная емкость,
l - длина намотки катушки резонансного трансформатора 5.
Низкопотенциальный вывод 21 резонансного трансформатора 5 заземлен.
Высоковольтный вывод 10 питающего резонансного трансформатора 5 соединен с началом 6 однопроводниковой линии 6, 7, 8, 9, в разрыв 7, 8 которой включены последовательно соединенные газоразрядные лампы низкого давления 12. Конец 9 однопроводниковой лини подключается к высоковольтному выводу 13 отражающего резонансного трансформатора 14. Низковольтный вывод 15 отражающего резонансного трансформатора 14 заземлен. Устройство отражающего резонансного трансформатора 14 аналогично устройству питающего резонансного трансформатора 5.
Газоразрядные лампы низкого давления 12 зашунтированы электрическими емкостями 16 для улучшения ионизации газа в лампах при подаче питания.
4
5
Резонансные трансформаторы выполнены на сосредоточенных индуктивностях катушек 5, 14 и сосредоточенных емкостях конденсаторов 11, 17. Резонансная частота f питающего трансформатора на сосредоточенной индуктивности 5 и емкости 11 совпадает с резонансной частотой f отражающего резонансного трансформатора на сосредоточенной индуктивности 14 и сосредоточенной емкости 17
4
5.
f=f
4
Резонансная частота f определяется величиной индуктивности 5 и величиной емкости 11.
Здесь:
4
L - величина индуктивности катушки 5,
4
С - величина емкости конденсатора 11.
5
Резонансная частота f определяется величиной индуктивности 14 и величиной емкости 17.
Здесь:
5
L - величина индуктивности катушки 14,
5
С - величина емкости конденсатора 17.
6
В схему отражающего резонансного контура 14, 17 введен резонансный контур 18, 19, 20. Индуктивность 18 магнитно связана с индуктивностью 14, за счет этого электромагнитная энергия из контура 14, 17 попадает в контур 18, 19 и используется в дополнительной полезной нагрузке 20. Резонансная частота f контура 18, 19, 20 равна частоте контура 14, 17
5
6
f=f
и составляет
Здесь:
6
L - величина индуктивности катушки 18,
6
С - величина емкости конденсатора 19.
Дополнительная полезная нагрузка 20 получает энергию через магнитную связь 14 и 18 через однопроводниковую линию 6, 7, 8, 9, а также через включенные в разрыв 7, 8 однопроводниковой линии соединенные последовательно газоразрядные лампы низкого давления 12 и магнитную связь между 5 и 4, последовательный резонансный контур 3, 4, от преобразователя частоты 2 и источника энергии 1. При этом последовательные резонансные контуры 3, 4 и 18, 19 выполняют согласующую функцию между преобразователем частоты 2 и резонансным трансформатором 5, а также между полезной нагрузкой 20 и резонансным трансформатором 14.
Система питания газоразрядных ламп работает следующим образом.
Электрическая энергия от источника 1 (электрической сети, солнечной батареи, аккумуляторной батареи и т.п.) подается на преобразователь частоты 2, затем на последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора 3 и индуктивности 4 (Фиг.1). В однопроводниковую линию 6, 7, 8, 9, электрическая энергия подается через высоковольтный вывод 10 высоковольтного резонансного трансформатора 5. Поступающая в однопроводниковую линию 6, 7, 8, 9, электрическая энергия питает газоразрядные лампы низкого давления 12, включенные последовательно в разрыв 7, 8 однопроводниковой линии. Низкопотенциальный вывод 21 резонансного трансформатора 5 заземлен. Конец 9 однопроводниковой линии 6, 7, 8, 9, подключен к отражающему высокочастотному резонансному трансформатору 14 через его высоковольтный вывод. Электрическая энергия, отражаясь от отражающего высокочастотного резонансного трансформатора 14, образует с поступающей энергией из питающего резонансного трансформатора стоячие волны электрического и магнитного полей, при этом пучность напряжения и узел тока развиваются на однопроводниковой линии 6, 7, 8, 9. Газоразрядные лампы низкого давления 12 оказываются в зоне высокочастотного электрического поля и загораются. Внутри газоразрядных ламп происходит ионизация рабочего газа, обеспечивающая протекание электрического тока в однопроводниковой линии 6, 7, 8, 9, через разрыв 7, 8 в ней. Ионизация рабочего газа происходит из-за возникновения высокочастотного электрического поля с напряженностью выше напряженности ионизации, а не за счет эмиссии термоэлектронов из разогретого электрода, как у прототипа. Это обстоятельство позволяет в предлагаемом изобретении обходиться без пускорегулирующего устройства, что существенно снижает стоимость системы питания и значительно повышает надежность ее работы. Кроме этого, запуск газоразрядных ламп низкого давления за счет ионизации электрическим полем, а не ускоренными термоэлектронами, позволяет эксплуатировать газоразрядные лампы низкого давления с перегоревшими термокатодами без снижения качества излучаемого потока фотолюминесцентного света. Такой технический результат многократно увеличивает ресурс газоразрядных ламп низкого давления и снижает стоимость системы освещения на основе газоразрядных ламп как при ее установке, так и при ее эксплуатации. Ионизация газа сопровождается обратным процессом - рекомбинацией ионов в нейтральные атомы. При рекомбинации ион теряет некоторую энергию в виде излучаемых квантов света. Энергетический спектр рекомбинационных квантов является линейчатым и располагается у большинства промышленно выпускаемых ламп низкого давления в ультрафиолетовой области, для цели освещения непригодной. Поэтому колбы ламп изнутри покрыты смесью люминофоров, чувствительных к ультрафиолетовому свету. Смесь люминофоров возбуждается ультрафиолетовым светом и переизлучает энергию первичных квантов в виде более мягких фотолюминесцентных квантов, с длиной волны в видимой области спектра. Состав смеси люминофоров подбирается таким, чтобы придать фотолюминесцентному свету необходимый состав - белый, теплый, дневной.
Равновесие между процессом ионизации и рекомбинации определяется величиной тока, протекающего через лампу. Величина этого тока невелика и оказывается достаточной, даже при условии, что лампы во время работы находятся в области узла стоячей полуволны тока в однопроводниковой линии 6, 7, 8, 9.
Газоразрядные лампы 12 зашунтированы конденсаторами 18, обеспечивающими более легкий старт процесса ионизации газа в лампах при включении освещения.
В отражающий высокочастотный резонансный трансформатор 14, 17 (Фиг.1) через магнитную связь между 14 и 18 включена дополнительная полезная нагрузка 20. Введение полезной нагрузки расширяет эксплуатационные возможности системы питания газоразрядных ламп. Возможность введения в структуру системы питания дополнительной полезной нагрузки обеспечивается свойством резонансной системы передачи электрической энергии при увеличении нагрузки увеличивать напряжение в пучности напряжения и практически не изменять ток в узле тока, что и обеспечивает малую зависимость режима работы газоразрядных ламп от расхода энергии в дополнительной полезной нагрузке.
Полезная нагрузка 20 в схеме с резонансным высокочастотным отражающим трансформатором 14, 17 соединена через согласующий контур 18, 19.
Пример выполнения системы питания газоразрядных ламп низкого давления.
К источнику электрической энергии 1 присоединен преобразователь частоты 2, подключенный к питающему резонансному трансформатору 5, первичная обмотка которого является одновременно и катушкой индуктивности 4 последовательного резонансного контура, содержащего кроме индуктивности 4 и конденсатор 3. Резонансная частота контура 3, 4 составляет 25 кГц. Индуктивность 4 содержит 20 витков и расположена на однослойной катушке, представляющей собой вторичную обмотку трансформатора 5 и резонирующую на собственных распределенных параметрах индуктивности и емкости. Диаметр катушки - 0,2 м, длина намотки - 1,5 м, диаметр провода - 0,25 мм. К высоковольтному выводу 10 резонансного трансформатора 5 подключена своим началом 6 однопроводниковая линия 6, 7, 8, 9. Обмотка катушки индуктивности 4 размешена поверх вторичной обмотки трансформатора 5. Вывод цилиндрической катушки - вторичной обмотки резонансного трансформатора 5, у которого расположена катушка индуктивности 4, заземлен проводником 21. В разрыв 6, 9 однопроводниковой линии включены десять газоразрядных ламп низкого давления 12 (типа ЛДЦ - 20). Один из выводов 7 первой лампы подключен к однопроводниковой линии в точке 6, второй вывод 8 десятой лампы подключен к точке 9 однопроводниковой линии. Своим концом 9 однопроводниковая линия соединена с высоковольтным выводом 13 отражающего резонансного трансформатора 14. Конструктивные и намоточные данные отражающего резонансного трансформатора 14 совпадают с конструктивными и намоточными данными питающего резонансного трансформатора 5. Низкопотенциальный вывод отражающего резонансного трансформатора 14 заземлен проводником 15. Газоразрядные лампы низкого давления 12 зашунтированы конденсаторами 16. Электрическая емкость шунтирующих конденсаторов составляет 500 пФ.
На выходе отражающего трансформатора установлена нагрузка 20, которая получает энергию от источника электрической энергии 1 через лампы 12, включенные в однопроводную линию 6, 7, 8, 9.
Преимущество предлагаемой системы заключается в снижении стоимости системы, увеличении срока службы газоразрядных ламп и надежности их работы, снижении потерь энергии, упрощении эксплуатации, улучшении экологических показателей светового потока.