ЭЛЕКТРОННЫЙ БАЛЛАСТ

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании светодиодных светильников наружного применения с широким температурным диапазоном окружающей среды.
Известен электронный балласт для питания светодиодного модуля, содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя и повышающего импульсного преобразователя с выходным емкостным сглаживающим фильтром, импульсный регулятор тока светодиодного канала и схему управления с микропроцессорным модулем и датчиками тока и напряжения, выполненную с возможностью импульсного модулирования выходного сигнала в зависимости от сигналов датчиков. (В.Поляков, Д.Рожков. «Интеллектуальный электронный балласт комбинированного светотехнического прибора». Журнал «Силовая электроника», №2, 2010 г., с.72).
Недостатками известного устройства (принятого в качестве аналога) являются низкие КПД и надежность из-за каскадного преобразования мощности, большого числа управляемых ключей и соответствующей сложности схемы управления, а также из-за наличия нетермостойкого электролитического емкостного сглаживающего фильтра для исключения низкочастотных миганий и погасаний светильника.
Известен электронный балласт, содержащий выпрямитель, управляемый ключ, трехобмоточный трансформатор, конденсаторы, резисторы и схему управления ключом, имеющую на входе датчики тока и напряжения, установленные в выходных цепях выпрямителя и выполненную с возможностью импульсного модулирования выходного сигнала в зависимости от сигналов датчиков тока и напряжения. (Патент на изобретение «Электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп», Болдырев В.Г., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Резников С.Б., Татьянин В.И., Б.И. №1 от 10.01.1998 г.). Этот электронный балласт может применяться для питания светодиодных светильников с однонаправленным током. Он имеет относительно простую схему, содержащую один управляемый ключ, и не содержит нетермостойкого электролитического емкостного сглаживающего фильтра для исключения низкочастотных миганий светильника, т.е. может работать в более широком температурном диапазоне.
Недостатком указанного известного электронного балласта (выбранного в качестве прототипа) в случае питания светодиодов являются низкие КПД и надежность из-за наличия резисторов и высоковольтных диодов в силовой схеме и недоиспользования одного из двух тактов - процесса накопления электромагнитной энергии в трансформаторе.
Техническим результатом заявляемого предложения является повышение КПД и надежности устройства.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в электронный балласт, содержащий выпрямитель, подключенный входными выводами к входным выводам балласта, управляемый ключ, трансформатор с двумя последовательно-согласно включенными обмотками, подключенный первым крайним выводом к первым выходным выводам выпрямителя и балласта, вторым крайним выводом через управляемый ключ - ко второму выходному выводу выпрямителя, а средним выводом - ко второму выходному выводу балласта, конденсатор, подключенный первым выводом ко второму выходному выводу выпрямителя, и схему управления с датчиками тока и напряжения, установленными в выходных цепях выпрямителя, подключенную выходом к управляющему выводу ключа и выполненную с возможностью импульсного модулирования выходного сигнала в зависимости от сигналов датчиков тока и напряжения, введен третий выходной вывод, а второй вывод конденсатора подключен к точке соединения среднего вывода трансформатора со вторым входным выводом балласта.
Проведенные лабораторные испытания и исследования на компьютерной модели подтвердили возможность широкого применения предлагаемого электронного балласта.
На фиг. изображена принципиальная схема предлагаемого электронного балласта.
Электронный балласт содержит выпрямитель 1, входные выводы 2,3 балласта, управляемый ключ 4, трансформатор 5 с двумя последовательно-согласно включенными обмотками 6,7, первый и второй выходные выводы 8,9 балласта, конденсатор 10, схему управления 11, с датчиками тока 12 и напряжения 13, а также третий выходной вывод 14 балласта.
Выпрямитель 1 подключен входными выводами к входным выводам 2,3 балласта. Трансформатор 5 подключен своим первым крайним выводом к первым выходным выводам выпрямителя 1 и балласта 8, вторым крайним выводом через управляемый ключ 4 - ко второму выходному выводу выпрямителя 1 и непосредственно к третьему выходному выводу 14 балласта. Конденсатор 10 подключен первым выводом ко второму выходному выводу выпрямителя 1, а вторым - к среднему выводу трансформатора 5 и ко второму выходному выводу 9 балласта. Схема управления 11 имеет на входе датчики: 12 тока и 13 напряжения, установленные в выходных цепях выпрямителя 1. Выход схемы управления 1 подключен к управляющему выводу ключа 4. Схема управления выполнена с возможностью импульсного модулирования выходного сигнала в зависимости от сигналов датчиков тока 12 и напряжения 13.
В качестве нагрузки электронного балласта желательно использование светодиодного модуля из двух последовательно-встречно соединенных светодиодных столбов (на фиг. показаны пунктиром). Первый столб подключают анодным выводом к первому выходному выводу 8 балласта, а катодным - ко второму выходному выводу 9. Второй столб подключают анодным выводом к третьему выходному выводу 14 балласта, а катодным - к выходному выводу 9.
Основной функцией схемы управления 11 является обеспечение синусоидальной формы потребляемого из сети тока и его синхронности с формой сетевого напряжения, т.е. коррекция коэффициента мощности, потребляемой из сети (по аналогии с задачами схем управления аналога и прототипа). В ее качестве может быть использована любая стандартная микросхема «Корректор коэффициента мощности (ККМ)».
Функцией трансформатора, единый для обеих обмоток сердечник которого имеет воздушный зазор для исключения насыщения, является не только согласование сетевого напряжения с напряжениями на столбах светодиодной нагрузки, но и сглаживание пульсаций, и обеспечение непрерывности тока, потребляемого балластом из питающей сети, а также исключение пульсаций и погасаний в нагрузочном светодиодном модуле.
Функцией конденсатора 10 является исключение перенапряжений на запертом управляемом ключе 4 (из-за ЭДС в индуктивностях рассеяния трансформатора), а также исключение высокочастотных пауз в потребляемом из сети токе, соответствующих временным интервалам запертого состояния ключа 4.
0
Электронный балласт работает следующим образом. При включении питания от сети переменного тока, подключенной к входным выводам 2, 3 преобразователя, на выходных выводах выпрямителя 1 появляется выпрямленное пульсирующее напряжение с формой, соответствующей закону U(t)=U|sin(ωt)|. Конденсатор 10 заряжается с полярностью, показанной на фиг. С выхода схемы управления 11 поступает сигнал в виде серии прямоугольных импульсов, подаваемых на управляющий вывод ключа 4.
При отпирании ключа 4 происходит подключение обмоток 6, 7 трансформатора 5 к выходным выводам выпрямителя 1, а, следовательно, к накоплению в трансформаторе электромагнитной энергии и частичном ее расходовании в цепи первого светодиодного столба, подключенного к выводам 8, 9. При этом светодиоды второго столба, подключенного к выводам 14, 9, заперты обратным напряжением. Конденсатор 10 частично разряжается по цепи второй обмотки 7 трансформатора 5, добавляя его электромагнитную энергию.
После запирания ключа 4 суммарное потокосцепление обмоток 6, 7 трансформатора 5 не может скачкообразно уменьшиться (согласно закону коммутации). Поэтому основная часть его электромагнитной энергии, накопленной на первом временном интервале Δt, передается на интервале времени (Т-Δt), где Т-период модуляции, по цепи второй его обмотки 7 во второй светодиодный столб, а часть энергии, накопленная в индуктивности рассеяния первой обмотки 6, расходуется на дозарядку конденсатора по цепи 2-1-6-10-12-1-3, исключая тем самым паузу в потребляемом из сети токе.
По прошествии интервала (T-Δt) вновь отпирается управляемый ключ 4, и вышеописанные процессы повторяются.
Указанные процессы могут осуществляться в режимах непрерывного суммарного потокосцепления обмоток трансформатора, обеспечивая отсутствие низкочастотных (с частотой сети) миганий светодиодного модуля, благодаря индуктивной фильтрации огибающей пульсирующего выходного тока.
При этом обеспечивается также непрерывность потребляемого из сети тока и его синусоидальная форма, синхронная и синфазная с сетевым напряжением, что определяет высокое значение коэффициента мощности. При этом энергоемкость и массогабаритные параметры конденсатора 10 относительно малы, т.к. на него не возлагается функция низкочастотного фильтра выпрямленного напряжения (как на электролитический емкостный фильтр в аналогах).
Таким образом, в предлагаемом электронном балласте достигается технический результат: повышение КПД и надежности устройства благодаря исключению резисторов и высоковольтных диодов в силовой схеме и доиспользованию первого из двух тактов импульсной модуляции, а именно: процесса питания первого светодиодного столба во время накопления электромагнитной энергии трансформатора при включенном ключе 4.