УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

Объект - полезная модель
МПК7 НО5В 41/23 устройство для питания газоразрядной лампы
Полезная модель относится к области электротехники, а именно к схемам зажигания и питания газоразрядных осветительных ламп переменного тока без вспомогательного пускового электрода и может быть использована в комбинации со стандартной пускорегулирующей аппаратурой (ПРА).
Известен электронный стартер для газоразрядных ламп, питаемых от сети 50Гц через балластный дроссель (пат. США №5583395, НО5В 41/23,39/00, опубл. 10.12.96) , содержащий диодный мост, выпрямитель, транзистор и времязамедляюшую RC цепь, управляющую работой транзистора, причем лампа может быть подключена как к диагонали переменного, так и постоянного тока, а параллельно лампе, с помощью реле, дополнительно подключен конденсатор.
Недостатком данной схемы питания лампы является необходимость регулирования режимов с помощью транзистора, работающего в ключевом режиме, для поддержания работоспособности в интервале прогрева электродов и в рабочем режиме. В условиях колебания сетевого напряжения данная схема ненадёжна и не обеспечивает стабилизацию светового потока. Транзистор работает в активной области и ограничивает ток лампы только на заданном номинальном уровне, т.е. в схеме имитируется принцип работы газоразрядной лампы с активным полупроводниковым балластом непрерывного действия. Поэтому наблюдаются традиционные недостатки: наличие пауз в токе лампы, низкий К.П.Д. (60-70%), снижение световой отдачи и срока службы лампы.
Известный бестрансформаторный ограничитель переменного тока для питания ламп (пат. США №4929871, НО5В 41/16, опубл. 29.05.90) состоящий из мостового выпрямителя на 4 диодах, диагональ переменного тока которого, через конденсатор с емкостью пропорциональной току нагрузки,
подключена к питающей сети, а лампа - к диагонали постоянного тока выпрямителя, причем для уменьшения пульсаций света, последовательно с конденсатором включен индуктивный дроссель.
Недостатком данной схемы является то, что газоразрядная лампа служит активным нелинейным элементом, поэтому в цепи возникают искажения в виде высших гармонических составляющих (3,5,7-ой и других). В данной схеме наиболее активной, имеющей до 25% содержания, является третья гармоника, которая находится в противофазе с основной волной тока, что выражается в появлении токовых пауз, снижении светоотдачи лампы. Ток, проходящий через горелку газоразрядной лампы сразу после зажигания, превышает установившийся рабочий ток лампы почти вдвое, поэтому наблюдается повышенный износ электродов вследствие явления катафореза.
В известных устройствах для зажигания газоразрядных ламп (пат. США № 5225742, НО5В 41/36, опубл. 6.07.93; пат. Чехии № 280850, НО5В 41/231, HOI J 7/30 опубл. 17.04.96) применяется диодно-конденсаторный умножитель напряжения, подключенный к выходу пуско-регулирующего аппарата, а выход устройства зашунтирован разрядником.
Недостатками данных устройств являются отрицательные эффекты, связанные с работой лампы переменного тока на напряжении с постоянной составляющей. При этом возникают явления катофореза, приводящие к снижению светового потока лампы, к ускоренному старению и износу электродов.
Известна схема питания газоразрядной лампы (заявка Франции № 2615883, НО5В 41/16 опубл. 25.11.88) содержащая выпрямитель по двухполупериодной схеме с удвоением напряжения, подключенный к лампе через активный балласт.
Недостатками схемы являются значительные потери в активном резисторном балласте, повышенный износ электродов в лампах, не предназначенных для работы на постоянном токе, снижение светового потока из-за явления катофореза.
Известны устройства для питания газоразрядных ламп постоянным током (см. журнал «Радио, 1997, № 5, стр. 37) содержащие мостовые диодноконденсаторные удвоители-учетверители напряжения, включенные последовательно с индуктивным балластом и лампой.
Недостатком данных устройств является наличие повышенных колебательных процессов в системе, содержащей реактивные элементы (дроссель и конденсаторы) и, в связи с этим появление новых дополнительных потерь в ПРА, лампе и сети, а также высокого коэффициента пульсаций светового потока лампы. Питание стандартной газоразрядной лампы переменного тока от данного устройства приводит к появлению катофореза и ускоренному износу катода, с уменьшением срока службы лампы.
Известно осветительное устройство ( а. с. СССР № 1809550, НО5В 41/14, опубл. 15.04.93) содержащее параллельно подключенные к сети выпрямитель-учетверитель напряжения, выпрямитель-удвоитель и мостовой выпрямитель, причем между точками соединения положительных и отрицательных вывод указанных трех выпрямителей, через резистор подключена газоразрядная лампа.
Недостатками схемы являются повышенные потери мощности в балластном резисторе, повышенный износ электродов в лампах, не предназначенных для работы на постоянном токе, снижение светового потока лампы из-за явления катофореза.
Известно устройство для питания газоразрядной лампы (полезная модель России №12495,НО5В 41/23,заяв.27.08.99) содержащее выпрямитель с удвоением выпрямленного напряжения, состоящий из двух диодов и двух конденсаторов, при этом один из выводов выпрямителя соединен с одним из выводов для подключения к сети и одним выводом сглаживающего конденсатора, другой вывод выпрямителя соединен с другим выводом балласта, выходные выводы выпрямителя подсоединены к выводом лампы,
другой вывод балласта соединен с другим выводом для подключению к сети и другим выводом сглаживающего конденсатора, а балласт представляет собой емкостный балласт и содержит электролитический конденсатор емкостью 60-100 мкФ.
Недостатком устройства является работа лампы с большой долей постоянной составляющей в токе лампы, что приводит к катофорезу, быстрому старению электродов, снижению светового потока лампы и срока службы.
Известно устройство для зажигания газоразрядных ламп (полезная модель России № 12496, НО5В 41/23, заявл. 27.08.99) содержащее выпрямитель с удвоением напряжения, емкостный фильтр и балласт на электролитических конденсаторах.
Недостатком устройства является то, что зажигание и работа ламп происходят с формированием на выходе напряжения с большой постоянной составляющей, а стандартные лампы не предназначены для работы на постоянном токе. В рабочем режиме схема имеет низкие энергетические характеристики из-за значительных потерь в емкостном балласте и из-за неэффективной работы лампы на токе с высокой постоянной составляющей (через несколько часов непрерывной работы светящаяся часть разряда в горелке из-за явления катофореза будет занимать менее половины ее длинны со снижением светоотдачи лампы и ее срока службы вследствие прогрессирующего распыления катода).
Известно устройство питания газоразрядной лампы от сети переменного тока (заявка ФРГ № 4020517, НО5В 41/23, НО2М 7/06, опубл. 02.01.92), содержащее последовательно соединенные и подключенные к сети балластный дроссель и мостовой выпрямитель, в диагональ постоянного тока которого, через Г-образный сглаживающий LC-фильтр и коммутатор периодического изменения полярности тока, подключена лампа.
Недостатками данного устройства является наличие высоких .гармонических колебаний в системе ПРА-лампа, из-за наличия реактивных элементов. Сглаживающий LC-фильтр создает дополнительные потери, снижающие к.п.д. устройства питания. При использовании индуктивноемкостного балласта возрастают уровни высших гармоник - третьей (10%) и пятой (1%) в два-три раза. Наличие высших гармоник в питающей сети повышает потери в сердечниках трансформаторов и уровень помех, а также влияет на приводные системы коммутатора, снижая его надежность.
Известно устройство для питания газоразрядных ламп постоянным током (пат. США №5072160, НО5В 41/16, опубл. 10.01.91) с периодическим изменением полярности питающего напряжения на противоположную, содержащее выпрямитель, с падающей вольт-амперной характеристикой, к выходу которого подключена лампа, через мостовой переключатель направления тока, собранный с использованием электромагнитного реле с четырьмя парами контактов.
Недостатками данной схемы являются высокие коммутирующие значения тока и напряжения, дополнительные потери в электромагнитном реле, переход тока лампы через ноль при коммутации, что приводит к пульсации тока, распылению электродов и снижению срока службы лампы.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является устройство питания газоразрядной лампы (заявка Франции №2645393, НО5В41/23, опубл. 10.05.90), содержащее включенные в сеть и последовательно соединенные балластный конденсатор, умножитель напряжения и коммутатор изменения полярности, присоединенный к лампе.
Недостатками известного устройства являются низкая стабильность параметров лампы в номинальном режиме при изменении напряжения сети и высокие потери на пускорегулирующей аппаратуре. Имеется высокая чувствительность к изменениям сетевого напряжения, приводящего либо к снижению светового потока, либо к перегрузке лампы по току и ускоренному износу электродов. Сама лампа и реактивные элементы схемы генерируют
2X5 (г г
гармонические колебания высоких порядков, что приводит к появлению токовых пауз и снижению светового потока лампы. Полупроводниковые коммутирующие элементы коммутатора изменения полярности напряжения, в сильной степени зависит от колебаний сетевого напряжения, что приводит к снижению надежности коммутации.
В основу полезной модели положена задача, разработать такое устройство для питания газоразрядной лампы, которое обеспечило бы стабилизацию параметров лампы в номинальном режиме при изменении напряжения в сети, с одновременным уменьшением потерь на пуско-регулирующей аппаратуре.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве для питания газоразрядной лампы, содержащем включенные в сеть и последовательно соединенные балластный конденсатор, умножитель напряжения и коммутатор изменения полярности, присоединенный к лампе, согласно изменению, к выходу умножителя напряжения, через параллельный П-образный CRC-фильтр, встречено подключен диодный делитель напряжения, вход которого соединен, через разделительный конденсатор с сетью перед балластным конденсатором и, через запирающий конденсатор с коммутатором изменения полярности, выполненным в виде герсиконового контактора, подключенного к сети.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где изображена принципиальная схема устройства для питания газоразрядной лампы.
Устройство для питания газоразрядной лампы включает в себя, подключенный к клеммам 1 и 2 сети переменного тока, через балластный конденсатор 3, умножитель напряжения, который представляет собой комбинацию двухполупериодной мостовой схемы и каскадной схемы Делона и, включает четыре диода 4,5,6,7, причем диагональ переменного тока подключена к клемме 1 сети и балластному конденсатору 3. В диагональ постоянного тока умножителя последовательно подключены два конденсатора 8 и 9, а между ними и выходом на умножитель от балластного
.6- «ая/гг
конденсатора 3, подключен конденсатор 10. Диоды 4 и 5 умножителя зашунтированы зарядными конденсаторами 11 и 12. Диагональ постоянного тока умножителя, через П-образный CRC-фильтр, состоящий из параллельно соединенных электролитических конденсаторов 13 и 14 и расположенного между ними последовательного сопротивления 15, подключена встречно к выходу делителя напряжения, включающего диоды 16 и 17, соединенные по полумостовой схеме. Вход делителя напряжения, образованный разнополюсными электродами диодов 16 и 17, соединен, через последовательно включенный разделительный конденсатор 18, с клеммой 2 сети, а также, через запирающий конденсатор 19, соединен с герсиконовым контактором 20, через его силовой контакт 21. Положительный вывод диагонали постоянного тока умножителя напряжения соединен с контактом 22 герсиконового контактора 20. Управляющая катушка (на чертеже не показана) герсиконового контактора 20 подключена к клеммам 1 и 2 сети. В герсиконовом контакторе 20 контактные пары 21-23 и 22-24 являются нормально замкнутыми, при отсутствии напряжения на управляющей катушке, а контактные пары 21-25 и 22-26 замыкаются при подаче напряжения на управляющую катушку. При этом один вывод лампы 27 соединен с контактами 25 и 24, а второй вывод - с контактами 23 и 26, для обеспечения изменения полярности.
Снабжение заявляемого устройства диодным делителем напряжения (диоды 16 и 17), выход которого подключен встречно выходу умножителя напряжения, а вход через разделительный конденсатор 18 с клеммой 2 сети, перед балластным конденсатором 3, позволяет регулировать динамическое ограничение или расширение диапазона подаваемого на лампу напряжения, при колебаниях напряжения в сети. Это гарантирует поддержание стабильных параметров на лампе и высокий срок ее службы.
Соединение входа делителя напряжения, на диодах 16 и 17, с коммутатором 20, через запирающий конденсатор 19, обеспечивает снижение постоянной составляющей в токе, за счет частичного запирания на
.7. €0112 79
конденсаторе 19, что приводит к уменьшению высших гармоник в токе лампы и повышает срок ее службы, при уменьшении явлений катофореза.
Применение П-образного CRC-фильтра, собранного из конденсаторов 13 и 14 и сопротивления 15, включенного между выходом умножителя напряжения и выходом делителя напряжения, позволяет повысить эффективность динамического балласта, за счет качественной фильтрации выпрямленного напряжения сети, что обеспечивает меньшие потери на ПРА. Использование в качестве коммутатора герсиконового контактора 20, позволяет изменять полярность на лампе 27, от источника тока с высокой постоянной составляющей, без пауз тока и прерывания горения разряда в горелке лампы 27, с минимальными затратами на коммутацию. Устройство для питания газоразрядной лампы работает следующим образом: на клеммы 1 и 2 подается переменное сетевое напряжение. От клеммы 1 напряжение подводится на первый вход умножителя напряжения через диоды 6 и 7 , а от клеммы 2 напряжение подводится через балластный конденсатор 3 к диодам 4 и 5 умножителя и умножительным конденсаторам 8,9 и 10, а также зарядным конденсаторам 11 и 12. В один из полупериодов сетевого напряжения конденсаторы 8 и 11 заряжаются через конденсатор 3, который способствует ограничению тока зарядки, а конденсаторы 9 и 12 через конденсатор 10. В течении следующего полупериода напряжение сети суммируется с напряжением конденсаторов 8,9,11,12, в результате чего происходит умножение напряжения до значения достаточного для «пробивания межэлектродного промежутка в лампе 27. В пусковом режиме повышенное напряжение на лампе 27 обеспечивается наложением на переменное напряжение сети постоянной составляющей от умножителя напряжения, равной удвоенному или учетверенному амплитудному значению этого напряжения. Причем постоянная времени зарядной цепи конденсаторов 8,9,11и12, определяет время разгорания лампы 27. Зажигающее напряжение подводится от диагонали постоянного тока умножителя на нормально замкнутые контакты 21-23 и 22-24 герсиконового
.8.
контактора 20 и далее на лампу 27. В результате чего лампа 27 зажигается, напряжение сети уменьшается, после чего конденсаторы 11,12,8 и 9 разжигаются через диоды 4, 5, 6, 7 моста умножителя и далее не оказывают влияния на работу устройства, поскольку не в состоянии заряжаться, т.к. амплитуда напряжения меньше падения напряжения на лампе 27. При возбуждении разряда ток в цепи определяется параметрами емкости цепи, а когда зажигается разряд в лампе 27, конденсаторы 8-12 полностью разряжаются, ток уменьшается, причем во время зажигания ток увеличивается плавно, за время зарядки данных конденсаторов, что обеспечивает «мягкий пуск, с ограничением бросков тока через ПРА и лампу 27 при пуске. Полумостовая выпрямительная схема на диодах 16 и 17, вход которой подключен через разделительный конденсатор 18 к клемме 2 сети, выполняет роль динамического ограничителя или расширителя (экспандера) напряжения подводимого к лампе 27, при колебаниях сетевого напряжения. При этом, в случае повышения сетевого напряжения, напряжение на лампе 27 снижается делителем напряжения, диоды 16 и 17 которого с выходной стороны управляются умножителем напряжения (диодами 4-7). В случае понижения напряжения в сети конденсатор 18 разряжается на вход делителя напряжения и повышает напряжение на лампе 27. Динамический диапазон регулирования может быть подобран в соответствии с минимальными и максимальными колебаниями напряжения в сети и номинального напряжения на лампе 27. Причем регулирование получается замкнутым и поэтому у устройства не может возникнуть перерегулирования. П-образный фильтр, содержащий электролитические конденсаторы 13,14, сопротивление 15 и включенный между выходами умножителя и ограничителя, обеспечивает фильтрацию низко- и высокочастотных гармоник из питающей сети и от работающей лампы 27, а также более плавное увеличение напряжения на деталях выпрямителяумножителя, кроме того, улучшается гармонический состав входного тока и повышает коэффициент мощности. Запирающий конденсатор 19 служит для
уменьшения гармонических составляющих постоянного напряжения, для демпфирования колебательных процессов в устройстве, содержащем емкостные и реактивные элементы и, в итоге, снижает гармонические помехи, проникающие в сеть. При питании стандартной лампы, рассчитанной на переменное напряжение, от заявляемого устройства, имеющего выходное напряжение с постоянной составляющей, для исключения отрицательных явлений связанных с катафорезом, и для снижения процессов старения электродов лампы 27, с помощью герсиконового контактора 20 производят периодическое переключение полярности подключенной лампы 27. При этом катушка управления герсиконового контактора 20 (см. Кобленц М.Г. Герметичны коммутирующие устройства на силовых герконах. М.: Энергоатоиздат, 1986, с. 30) снабжена таймером (на чертеже не указан) и герсиконовый контактор 20, с заданной частотой коммутирует две пары контактов: замыкание 21-23 и 22-24 дает одну полярность лампы 27, а одновременное замыкание контактов 21-25 и 22-26 предназначено для перемены полярности. Преимущества герсиконового контактора 20 - малые габариты, устойчивость работы при изменении напряжения сети, безинерционность и безпаузная коммутация. Для обеспечения безопасности обслуживания от поражения электрическим током все конденсаторы емкостью более 0,5 мкФ (3,8,9,10,11,13,16,18,) должны иметь разрядные резисторы (на чертеже не показаны), включенные параллельно выводам конденсаторов. Использование в качестве конденсаторов 3 и 18 электролитических конденсаторов с емкость 50ЮОмкФ позволяет производить контролируемый запуск лампы, за счет разряда среднего напряжения, дополненного гармониками высшего порядка, что повышает срок службы лампы. Устройство обеспечивает плавное разжигание, работу и выключение газоразрядной лампы от источника переменного тока, имеющее напряжение равное или меньшее напряжения зажигания лампы, за счет цепи временной задержки с накопительными конденсаторами 3 и 18. Вследствие емкостного характера балласта данное
устройство защищено от перегрузок, в случае аварийного не зажигания лампы 27, от токов короткого замыкания и перенапряжении. Кроме того, герсиконовый контактор 20 позволяет подключать (на чертеже не показано) параллельно или последовательно к лампе 27 электролитические конденсаторы различной емкости (например, из числа 13,15,19), которые изменяют полное (кажущееся), сопротивление схемы, что позволит использовать их в качестве емкостного светорегулятора со ступенчатым «темнением (Светотехника, 1998, № 5, с.38-39).
В лабораторных условиях проводились испытания заявляемого устройства и устройства взятого за прототип. Измерение параметров лампы (ДРЛ-250) и ПРА проводилось приборами по ГОСТу 16809-88 и 6825-70. Определение параметров пускового режима ПРА осуществлялось по методике эквивалентных резисторов. Для учета высших гармоник в токе лампы, напряжение замерялось электростатическим вольтметром по действующему значению. При измерении электрических и световых параметров лампы и ПРА применялись образцовые измерительные дроссели  (ДОИ  250ДРЛ/220) и номинальная лампа (ДРЛ 250; номинальный ток-2,15А; номинальное напряжение - 130В). Измерение мощности лампы проводилось электродинамическим ваттметром с погрешностью не более 0,5%. Потери мощности в диодно-конденсаторном балласте, содержащем реактивные элементы, определялось малокосинусным ваттметром, как разность между мощностью, потребляемой из сети и мощностью лампы. В схеме заявляемого устройства использовались диодные мосты КЦ405А или КЦ402А, диоды типа КД243Г или другие рассчитанные на ток до 1-2А и обратное напряжение 400В.Использовался герсиконовый контактор типа КМГ18Д19. Некоторые номиналы элементов схемы: конденсаторы 3 и 18 -50мкФхЗООВ; конденсаторы 8,9,10,11,12, -0,5мкФхЗООВ; конденсаторы электролитические 13  -25мкФх750В; конденсатор 19 -0,01мкФх750В; резистор 14 -1кОм. Результаты испытаний представлены в таблице.
$J2&Vt2
гщ
-12
Таблица
Результаты испытаний показали, что заявляемое устройство повышает стабильность светового потока лампы на 30% по сравнению с прототипом и достигает 90% (согласно ГОСТу 16354 нормируется не менее 72%), что позволяет увеличить эффективный срок службы лампы с нормируемой освещенностью. Заявляемое устройство обеспечивает нормальный рабочий режим газоразрядной лампы, стабилизирует ток и мощность при колебаниях напряжения сети, снижает пульсацию светового потока (по сравнению с прототипом коэффициент пульсации светового потока в 1,5 раза меньше). Устройство позволяет в 2,6 раза уменьшить время периода разгорания лампы и время повторного включения после отключения, что увеличивает оперативность системы освещения и снижает непроизводительные затраты электроэнергии. Заявляемое устройство, вследствие более эффективного ограничения амплитудного значения рабочего тока лампы, характеризуемого амплитудным коэффициентом лампы (,9 для прототипа и ,6 для заявляемого устройства), что позволяет повысить срок службы лампы на 20%. Данное устройство поддерживает коэффициент нестабильности по току и мощности в пределах номинальных (для ламп ДРЛ - Y и Я не более 2, т.е. при изменении напряжения сети на 10%, мощность меняется не более, чем на 20%), что гарантирует номинальные светотехнические параметры, исключает лишнюю освещенность, перерасход электроэнергии и ухудшение теплового режима лампы. Предлагаемое устройство позволяет увеличить коэффициент мощности цепи лампа-балласт на 40%, за счет уменьшения реактивной составляющей тока лампы и большей скомпенсированности реактивной мощности высших гармоник в токе лампы, путем использования компенсирующей способности включенных параллельно сети фильтрующих конденсаторов. Испытуемая ртутная лампа рассчитана, при работе на переменном токе, на большие пусковые и рабочие плотности токов, поэтому электроды находятся в тяжелых условиях работы. При использовании в цепи постоянного тока стандартной лампы, для сохранения светового ее потока на
$J$
-13уровне, который она имела при питании на переменном токе, рабочий ток может быть уменьшен на 10-20%, по сравнению с действующим значением тока при ее работе на переменном токе. При комбинированном включении заявляемого устройства и стандартного балласта (дроссели или трансформаторы рассеяния), потери в ПРА меньше, т.к. сопротивление дросселя на постоянном токе определяется только активным сопротивлением. Таким образом, предлагаемое устройство позволяет поддерживать постоянным световой поток лампы при колебаниях сетевого напряжения, защищает лампу от перегрузок, снижает пусковые токи и минимизирует потери.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемое устройство для питания газоразрядной лампы работоспособно и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе, что подтверждается примером конкретного выполнения устройства. Соответственно, заявляемое устройство может быть применено в электротехнике для зажигания и питания газоразрядных ламп, а следовательно, соответствует условию промышленной применяемости.
(
-14ФОРМУЛА