УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области осветительной техники, предназначается для зажигания газоразрядных ламп высокого давления работающих в сети переменного тока в качестве встроенного элемента светильников производственных зданий и уличного освещения.
Известен ряд импульсных устройств для зажигания (УЗИ) газоразрядных ламп высокого давления, например, "Устройство для зажигания ламп высокого давления" (Пат. Болгария, № 44695, Н 05 В 41/231), а так же патенты Германии по кл. Н 05 В 41/231 на "Схема поджига для разрядной лампы высокого давления на парах металлов" №№3736542, 3903149, 4236403 и другие, в которых применяются схемы зарядки конденсатора, накапливающего энергию в течение начальной части каждого полупериода напряжения сети с последующим разрядом его с помощью электронного ключа (как правило, SIDAC*a - кремниевого двустороннего порогового переключателя для переменного тока) через первичную обмотку трансформатора, что создает во вторичной обмотке серию высоковольтных импульсов, наложение которых на напряжение сети, питающее лампу, переводит высоковольтный разряд в лампе в силовой низковольтный режим горения лампы от сети.
Практика использования этих УЗИ для зажигания газоразрядных ламп высокого давления выявила у них серьезные недостатки, приводящие к низкой надежности их в пусковом режиме поджига как металлогалогенных ламп (МГЛ) типа ДРИ, так и "старых" натриевых типа ДНаТ, когда возникают электрические "пробои" схем, вызванные "вентильным" эффектом, приводящим к броскам тока, "всплески" которых во много раз превышают допустимые, (см. Вассерман А.Л., Гончар В.В. и др. О причинах возникновения "вентильного" режима в контуре МГЛ-балластный дроссель // Светотехника. 1990. №5. С.8-9.),
Появление "вентильного" эффекта в газоразрядных лампах, упомянутых выше, работающих в схеме с балластным дросселем, объясняется наличием галогенидов, осаждающихся на электродах после остывания выключенной лампы и приводящих к неодинаковому изменению эмиссионных свойств электродов, а следовательно, к существенной асимметрии лампы как элемента электрической цепи. При последующих включениях в контуре: лампа ДРИ - балластный дроссель возникают броски тока, амплитуда которых зависит от степени асимметрии вольт-амперной характеристики лампы и нелинейности балластного дросселя, которые и приводят к "пробою" схемы, вырабатывающей высоковольтные импульсы.
Поскольку исключить появление "вентильного" эффекта сложно, то идут по пути защиты УЗИ от его проявлений, электрических "пробоев".
Слабым местом этих УЗИ также является зависимость от температуры их энергоотдачи на клеммы газоразрядной лампы для ее поджига (зависимость амплитуд высоковольтных импульсов, их длительности, их количества на период напряжения питающей сети). Это приводит к частым отказам на границах диапазона рабочих температур как положительных, так и отрицательных, и ограничивает диапазон рабочих температур УЗИ в основном от -30°С до +50°С.
УЗИ по пат. Болгарии №44695 предназначено для поджига газоразрядных ламп средней мощности. В качестве ключевого элемента используется динистор, схема вырабатывает один высоковольтный импульс на период напряжения питающей сети. Защита УЗИ от "пробоя" осуществлена подключением к аноду динистора диода, анод которого заземлен.
Для расширения диапазона рабочих температур и стабилизации работы УЗИ используется термистор, являющийся плечом резисторного делителя напряжения.
Однако, стабилизировать запуск и работу устройства с помощью термистора полностью не удается. В пусковом режиме остается неопределенность момента включения динистора, вызванная неполной компенсацией зависимости от температуры окружающей среды сопротивления термистора.
УЗИ не обеспечивает стабильность поджига в широком диапазоне температур.
В пат. ФРГ №3736542, фиг.1 приведена схема УЗИ, вырабатывающая высоковольтные импульсы с помощью SIDAC*a, которые накладываются на напряжение питающей сети при интервале его фаз на лампе 60°-90° и 240°-270°.
Функционально SIDAC - коммутирующий двусторонний высоковольтный ключ. При напряжении выше определенного порогового уровня является проводящим в обоих направлениях и непроводящим при напряжении ниже порогового значения.
Предлагаемые варианты защиты схемы от "всплесков" токов при возникновении "вентильного" эффекта при поджиге ламп ДРИ основаны на разделении цепей, включая катушку балластного дросселя, который выполняется с двумя обмотками, расположенными на одном ферритовом сердечнике. Причем первая обмотка последовательно соединена с зарядным конденсатором и дополнительным конденсатором поджига, а вторая обмотка последовательно соединена с повышающей обмоткой импульсного трансформатора и газоразрядной лампой. Разделение цепей уменьшает токи через УЗИ, обеспечивает постоянную величину интервала импульсов поджига, а также частоту импульсов (~1 кГц) при открытом коммутирующем ключе.
Однако такое решение требует вмешательства в электрические цепи законченного, встраиваемого в светильник УЗИ. При этом осложняется унификация УЗИ, поскольку схемы нуждаются в настройке как пускорегулирующая аппаратура под определенные УЗИ.
Схемы защиты УЗИ от действия «вентильного» эффекта получаются сложными и не эффективными. Кроме того, усиливается зависимость выходных параметров УЗИ от окружающей температуры.
УЗИ по пат. ФРГ №3903149 отличается тем, что содержит два коммутирующих ключа: не только в цепи разряда накопительного конденсатора, но и в цепи его заряда. Порог второго коммутирующего ключа выше напряжения горения лампы, но ниже напряжения питающей сети, и поэтому второй коммутирующий ключ открыт, и накопительный конденсатор заряжается. При достижении на нем порогового уровня первого коммутирующего ключа последний открывается, и происходит разряд накопительного конденсатора на первичную обмотку импульсного трансформатора. Когда лампа зажигается, цепь накопительного и дополнительного конденсатора поджига прерывается вторым коммутирующим ключом.
Защита коммутирующих ключей от бросков тока при "вентильном" эффекте осуществляется введением индуктивности таким образом, что она входит в обе цепи: и разряда, и заряда. Кроме этого в цепь разряда включают последовательно еще дополнительно коммутирующий ключ. Это увеличивает предельно допустимое напряжение в этой цепи, делая УЭИ значительно устойчивее к проявлению "вентильного" эффекта, что защищает УЗИ от "пробоя". Но увеличение числа коммутирующих ключей в УЗИ делает его дорогим, т.к. стоимость УЗИ определяется стоимостью коммутирующих ключей.
В УЗИ по пат. ФРГ №4236403 для защиты от электрического "пробоя" при возникновении "вентильного" эффекта при поджиге ламп ДРИ предложено параллельно зарядной цепи включить разрядник на определенную величину импульсного напряжения и последовательно включить плавкий предохранитель При этом гарантируется, что в случае пробоя разрядника, перегорит плавкий предохранитель, что позволит сохранить работоспособность самого УЗИ и использовать его после замены плавкого предохранителя или вышедшей из строя лампы. Таким образом, защита сводится к возможности оперативно восстановить работоспособность УЗИ и функционирование светильника.
Содержание пат: ФРГ №№3736542, 3903149, 4236403 и др. не только показывает эволюцию поиска решения проблемы защиты УЗИ от последствий "вентильного" эффекта, но и подтверждает, что в них задача надежной, простой и дешевой защиты УЗИ от "пробоя" - не создано, и они не обеспечивают и надежной работы УЗИ в широком диапазоне рабочих температур от -60°С до +100°С (надежный поджиг ламп, отключение работающего устройства после поджига и пр.)
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является УЗИ "Схема поджига для разрядной лампы высокого давления на парах металлов" (Пат. ФРГ, №3736542), которое и принято за прототип.
УЗИ - прототип размещается в корпусе залитом эпоксидным компаундом, содержит выполненный на замкнутом ферритовом сердечнике импульсный автотрансформатор, точка соединения конца первичной обмотки которого, с началом вторичной обмотки является первым выводом устройства, а конец вторичной обмотки является вторым выводом устройства, также содержащее накопительный конденсатор, первым контактом соединенный с концом первичной обмотки импульсного автотрансформатора, вторым контактом соединенный с первой общей точкой параллельно соединенных нагрузочного резистора с шунтирующим его конденсатором, вторая общая точка которых подключена к третьему выводу устройства, начало первичной обмотки импульсного автотрансформатора соединено с первым контактом коммутирующего ключа (SIDAC*a), второй контакт которого соединен с первым контактом индуктивности, второй контакт которой соединен с вторым контактом накопительного конденсатора.
Работает устройство следующим образом. При подключении устройства к питающей сети через балластный дроссель происходит заряд накопительного конденсатора по цепи: первый вывод устройства, накопительный конденсатор, нагрузочный резистор с шунтирующим его конден-
сатором, третий вывод. Когда напряжение на накопительном конденсаторе достигнет порога включения коммутирующего двустороннего высоковольтного ключа, он открывается, и через него начинается разряд накопительного конденсатора на первичную обмотку импульсного трансформатора. Ключ пропускает короткие ~10 мкс. импульсы тока с частотой следования ~1 кГц.
С повышающей обмотки высоковольтные импульсы накладываются на напряжение питающей сети на первый полупериод в интервале его фаз на лампе 60°-90°, а на второй полупериод - в интервале его фаз 240°-270°. На каждый период напряжения питающей сети накладывается более шести импульсов, пока они не вызовут силовой разряд от сети в лампе. Сопротивление лампы резко снижается, шунтируется зарядная цепь, и генерация импульсов прекращается.
Недостатками УЗИ - прототипа являются:
Сложная схема защиты от последствий "вентильного" эффекта, от "пробоя", в которой предлагается изменять цепи заряда и разряда накопительного конденсатора.
Ненадежный запуск УЗИ, зависящий от температуры окружающей среды.
В УЗИ-прототипе не исключена зависимость параметров вырабатываемых высоковольтных импульсов от окружающей температуры.
Вообще, зарубежные фирмы при отрицательных температурах окружающей среды, превышающих минус 30°С, используют специальные "подогреваемые устройства", например, устройство MZN 400 SU-LT фирмы BAG Turgi (для ламп от 100 до 400 Вт.), что приводит к дополнительным энергозатратам (Каталог фирмы OSRAM. Источники света. 2001 г)
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности импульсного зажигающего устройства (УЗИ) в пусковом режиме поджига газоразрядных ламп высокого давления в схемах с балластным дросселем при возникновении "вентильного" эффекта и расширение диапазона рабочих температур УЗИ.
Техническими результатами, возникающими при осуществлении предлагаемой полезной модели, являются: обеспечение надежного поджига газоразрядных ламп типа ДРИ, исключающего электрические "пробои" при включении импульсного зажигающего устройства (УЗИ), и обеспечение стабильной работы его в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды.
Для достижения этих технических результатов в устройство, размещенное в корпусе, залитом эпоксидным компаундом, содержащее выполненный на замкну-
-3
-2
защ
нагр
том ферритовом сердечнике импульсный трансформатор, начало вторичной обмотки которого является первым, а конец вторичной обмотки является вторым выводом устройства, при этом начало вторичной обмотки соединено с концом первичной обмотки, также содержащее накопительный конденсатор, первым контактом соединенный с концом первичной обмотки импульсного трансформатора, вторым контактом соединенный с первой общей точкой параллельно соединенных нагрузочного резистора с шунтирующим его конденсатором, вторая общая точка которых подключена к третьему выводу устройства, начало первичной обмотки импульсного трансформатора соединено с первым контактом коммутирующего двустороннего высоковольтного ключа, второй контакт которого соединен с первым контактом индуктивности, второй контакт которой соединен с вторым контактом накопительного конденсатора, введены новые существенные признаки, а именно: между второй общей точкой соединения нагрузочного резистора с шунтирующим его конденсатором и третьим выводом устройства введен защитный резистор, номинал которого относится к номиналу нагрузочного резистора в пределах 5·10≤R/R≤10, а замкнутый ферритовый сердечник импульсного трансформатора помещен в эластичную пластиковую оболочку.
Благодаря этим признакам предлагаемое УЗИ осуществляет надежное, без электрических "пробоев", включение и поджиг газоразрядных ламп в широком диапазоне изменений температуры окружающей среды, а именно, при температуре самого УЗИ от -60°С до +100°С.
Сущность предложения поясняется фиг.1 и 2, где на фиг.1 приведена принципиальная схема предлагаемого устройства для зажигания газоразрядных ламп высокого давления, на фиг.2 -зависимость Показателей энергоотдачи устройств (ПЗУ).
Устройство содержит импульсный трансформатор 1, начало вторичной обмотки 2 которого является первым (I), а конец вторичной обмотки 2 является вторым (II) выводом устройства к которому подключается первая клемма газоразрядной лампы высокого давления. Начало вторичной обмотки 2 соединено с концом первичной обмотки 3. Накопительный конденсатор 4, первым контактом соединен с концом первичной обмотки 3 импульсного трансформатора 1, вторым контактом соединен с первой общей точкой параллельно включенных нагрузочного резистора 5 с шунтирующим его конденсатором 6, вторая общая точка которых подключена к первому контакту защитного резистора 9, второй контакт которого
соединен с третьим (HI) выводом устройства, к которому подключается вторая клемма лампы и нейтральный провод питающей сети. Начало первичной обмотки импульсного трансформатора 1 соединено с первым контактом коммутирующего двустороннего высоковольтного ключа 7, второй контакт которого соединен с первым контактом индуктивности 8, второй контакт которой соединен со вторым контактом накопительного конденсатора 4.
Первый (I) и третий (III) выводы устройства предназначены для подключения к питающей сети, а второй (II) и третий (111)-для подключения клемм газоразрядной лампы.
Работает предлагаемое устройство следующим образом.
При включении в сеть первого (t) и третьего (III) выводов устройства, если предположить, что в первый полупериод напряжения сети на первом (I) выводе устройства - "минус" происходит заряд накопительного конденсатора 5 по цепи:
первый вывод (I) устройства, - накопительный конденсатор 5, -параллельно соединенные нагрузочный резистор 6 и шунтирующий его конденсатор 7, - защитный резистор 9, - третий вывод (III) устройства. Конденсатор 5 заряжается до напряжения, равного порогу включения коммутирующего двустороннего высоковольтного ключа 7 который открывается, и через него и первичную обмотку 3 импульсного трансформатора 1 разряжается накопительный конденсатор 5.
Коммутирующий двусторонний высоковольтный ключ 7 будет проводить ток, состоящий из повторяющихся импульсов, например, длительности ~10 мкс, частотой следования ~1 кГц.
При смене полярности на выводах (I) и (III) процесс выработки высоковольтных импульсов повторится лишь с тем отличием, что высоковольтные импульсы будут накладываться на второй полупериод напряжения питающей сети в интервале его фаз на лампе 240°-270°, а на первый полупериод сети накладывались в интервале его фаз на лампе 60°-90°.
Это будет повторяться до тех пор, пока в лампе не возникнет силовой разряд от напряжения питающей сети. После чего напряжение на лампе снизится, ее сопротивление уменьшится и зашунтирует цепь заряда накопительного конденсатора, прекратив выработку высоковольтных импульсов.
Надежная работа предлагаемого устройства при включении его на поджиг газоразрядных ламп высокого давления обеспечивается защитным резистором 9, введенным в устройство между схемой, вырабатывающей высоковольтные импульсы, и третьим выводом устройства, к которому подключается нейтральный
-3
-2
защ
нагр
провод питающей сети. Номинал защитного резистора относится к номиналу нагрузочного резистора в пределах 5·10 R/R≤10. На защитном резисторе гасятся "всплески" энергии, сохраняемой в балластном дросселе при прерывании цепи лампы, и эта защита исключает "пробой" схемы.
Защитный резистор в устройстве функционально защищает от электрического пробоя накопительный конденсатор и коммутирующий двусторонний ключ (SIDAC).
Номинал защитного резистора определяется с учетом следующих факторов: через защитный резистор протекают токи, возникающие от различных причин.
Во-первых, токи, вызываемые рабочими высоковольтными импульсами, вырабатываемыми импульсным трансформатором для подачи их на газоразрядную лампу. Во-вторых, "броски" тока, возникающие от энергии, накапливаемой индуктивностью балластного дросселя при возникновении "вентильного" эффекта при включении УЗИ на поджиг газоразрядных ламп.
защ
нагр
защ
нагр
-3
Соотношение номиналов резисторов R/R было определено экспериментально. Установлено, что при соотношении R/R < 5·10 возрастает вероятность, что токи будут "прожигать"" коммутирующий двусторонний ключ в его "открытом" состоянии, и при этом надежность УЗИ снижается.
защ
нагр
-2
При соотношении R/R > 10 увеличивается падение напряжения на защитном резисторе в режиме генерации импульсов, что приводит к уменьшению амплитуд поджигающих импульсов на клеммах газоразрядной лампы. При этом на защитном резисторе возрастают потери энергии, и работа УЗИ становится не эффективной.
-3
-2
защ
нагр
защ
Экспериментальные исследования рабочих характеристик изготовленных образцов УЗИ подтвердили эффективность соотношения 5·10 < R/R ≤ 10. при этом сам номинал находился в интервале R=(40-100) Ом.
Что касается зависимости характеристик предлагаемого устройства от температуры, то проведенные нами исследования выявили основную причину этой зависимости. Она связана с конструкцией импульсных высоковольтных трансформаторов, не учитывающей существенные свойства используемого магнитного материала.
Происходит следующее. В УЗИ-прототипе электроэлементы схемы защищают от влаги и электрического "пробоя" по поверхности заливкой эпоксидным компаундом. Это связывает механически ферритовый сердечник, делая конструкцию жесткой. Различия в температурных коэффициентах расширения (ТКР) материала заливочной массы и ферритового сердечника приводят к возникновению
2
3
механических напряжений в поперечном сечении ферритового сердечника - σ кг/м, что приводит к изменению плотности в материале сердечника - ρ кг/м.
А в силу действия обратного магнитострикционного эффекта (см. "Ультразвук" Маленькая энциклопедия. Глав.ред. И.П.Голямина. М.:"Советская энциклопедия", 1979. С. 200), изменяется магнитная проницаемость ферритового сердечника - μ, что приводит к изменению индукции магнитного поля В и магнитного потока Ф, и, в конечном счете, приводит к изменению параметров вырабатываемых импульсным трансформатором высоковольтных импульсов.
Существует жесткая зависимость от изменения значения температуры сердечника Т°С→σ→ρ→μ→В→Ф до изменения магнитного потока Ф в обмотках импульсного трансформатора.
При этом магнитные свойства сердечника существенно изменяются, что и приводит к нестабильности при выработке самих высоковольтных импульсов, к уменьшению их амплитуды, к уменьшению количества импульсов на период сетевого напряжения, т.е. к уменьшению энергии подводимой к лампе.
Чтобы исключить зависимость от температуры выходных параметров зажигающих устройств, и тем самым расширить диапазон рабочих температур устройств как в сторону отрицательных значений (до -60°С), так и положительных значений (до +100°С), необходимо принять меры, исключающие возникновение механических напряжений в поперечном сечении ферритового сердечника импульсного трансформатора.
Это достигается помещением ферритового сердечника в эластичную пластиковую оболочку, защищающую его от компаунда, что и обеспечивает условия сохранения постоянства его магнитных свойств во всем диапазоне температур от -60°С до +100°С.
Несколько десятков образцов предложенного устройства были изготовлены в габарите ⌀40 × 65 мм, где размещались элементы в соответствии с фиг.1 и формулой изобретения. Образцы залиты компаундом, масса их - не более 0,15 кг.
Ферритовые сердечники имели размеры ⌀30×⌀20×18, оболочка, исключающая проникновение компаунда к сердечнику, выполнена из полиэтилена низкого давления, толщиной ~1 мм.
защ
нагр
-3
Соотношение номиналов резисторов в образцах было R/R=(7-9)10.
Образцы прошли испытания на соответствие требованиям МЭК.
Все они выдержали многократные включения на поджиг газоразрядных ламп типа ДРИ мощностью от 35 до 700 Вт., прошли серию термических испытаний одновременно с имевшимися зарубежными аналогами.
На фиг.2 приведены зависимости Показателей энергоотдачи (ПЭУ) у изготовленных образцов 1 и у зарубежных аналогов 2 зажигающих устройств, в частности, модели по пат. ФРГ №3736542 (прототип) от изменения температуры.
И
и
и
c
и
(ПЭУ=U×t×n/Т, где И - амплитуда высоковольтного импульса, В,
И
И
t - длительность единичного импульса, с, n - число импульсов на период Тс,
Тс - период напряжения сети, с.)
Испытания подтвердили: разработанные УЗИ достаточно надежно защищены от бросков, "всплесков" тока при возникновении "вентильного" эффекта, при этом они имеют высокую стабильность энергоотдачи на электроды газоразрядной лампы для ее поджига в широком диапазоне температур от -60°С до +100°С
Из приведенных материалов следует, что "Устройство для зажигания газоразрядных ламп высокого давления", выполненное по предлагаемой заявке, надежно решает задачу поджига металлогалогенных (ДРИ) и натриевых (ДНаТ) ламп высокого давления в широком диапазоне их рабочих температур. Это позволяет использовать его в любых климатических условиях.