ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ЛАМПЫ

Полезная модель относится к приборостроению и светотехнике, а также к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для люминесцентных и других типов энергосберегающих газоразрядных ламп, а также различных высокочастотных, в том числе, электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентной лампы, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, подключенный входными выводами к входным выводам аппарата через предохранитель, выходные выводы выпрямителя зашунтированы конденсатором фильтра, однофазный полумостовой инвертор на первом и втором транзисторах с встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, последовательно соединенные второй и третий конденсаторы фильтра, первый транзистор зашунтирован конденсатором и резистором, трехобмоточный трансформатор, коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с люминесцентной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения второго и третьего конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, вторые выводы электродов лампы соединены через коммутирующий конденсатор, база первого транзистора подключена к коллектору второго транзистора, через последовательную цепь из ограничительного резистора и вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно первичной обмотке, база второго транзистора подключена к эмиттеру второго транзистора через вторую последовательную цепь из второго ограничительного резистора и второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно первичной обмотке (Платан. Электронные компоненты. Каталог. - Изд-во ЗАО Платан Компоненте, 2008. - С.15).
Недостатком электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы является низкая надежность работы лампы из-за низких значений коэффициента мощности и коэффициента полезного действия, что приводит к росту амплитуды токов через электроды лампы и, соответственно, коэффициента формы тока, возможного перегрева электродов лампы током коммутирующего конденсатора, отсутствия защит от аномальных режимов.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентной лампы, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, подключенный входными выводами к входным выводам аппарата через предохранитель, выходные выводы выпрямителя зашунтированы конденсатором фильтра, однофазный полумостовой инвертор на первом и втором транзисторах с последовательными резисторами в эмиттерных цепях и встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, последовательно соединенные второй и третий конденсаторы фильтра, первый транзистор зашунтирован конденсатором и резистором, трехобмоточный трансформатор, коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с люминесцентной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения второго и третьего конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, вторые выводы электродов лампы соединены через коммутирующий конденсатор, база первого транзистора подключена к коллектору второго транзистора, через последовательную цепь из ограничительного резистора и вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно первичной обмотке, база второго транзистора подключена к эмиттеру второго транзистора через вторую последовательную цепь из второго ограничительного резистора и второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно первичной обмотке (IR2520 - новые возможности в области разработки электронных балластов // Силовая электроника. - 2006. - №2. - С.26).
Недостатком электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы является низкая надежность работы лампы из-за низких значений коэффициента мощности и коэффициента полезного действия, что приводит к росту амплитуды токов через электроды лампы и, соответственно, коэффициента формы тока, возможного перегрева электродов лампы током коммутирующего конденсатора, отсутствия защит от аномальных режимов.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентной лампы, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, подключенный входными выводами к входным выводам аппарата через предохранитель, выходные выводы выпрямителя зашунтированы конденсатором фильтра, однофазный полумостовой инвертор на первом и втором транзисторах с последовательными резисторами в эмиттерных цепях и встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, последовательно соединенные второй и третий конденсаторы фильтра, первый транзистор зашунтирован конденсатором и резистором, трехобмоточный трансформатор, коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с люминесцентной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения второго и третьего конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, вторые выводы электродов лампы соединены через коммутирующий конденсатор, база первого транзистора подключена к коллектору второго транзистора, через последовательную цепь из ограничительного резистора и вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно первичной обмотке, база второго транзистора подключена к эмиттеру второго транзистора через вторую последовательную цепь из второго ограничительного резистора и второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно первичной обмотке (Otero Pascal.M. Motorola's D2 Series Transistors for Fluorescent Converters. - Motorola, 1997. - AN1577).
Указанный электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентной лампы является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы лампы из-за высоких значений амплитуд токов через электроды лампы и, соответственно, коэффициента формы тока, отсутствия нагрева электродов перед включением лампы и возможного перегрева электродов лампы током коммутирующего конденсатора во время ее работы, отсутствия защит от аномальных режимов.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в электронном пускорегулирующем аппарате для люминесцентной лампы, содержащем однофазный мостовой выпрямитель на диодах, подключенный входными выводами к входным выводам аппарата через последовательно соединенные дроссель, фильтр радиопомех, зашунтированный варистором на входе и последовательной цепью из двух конденсаторов на выходе, общая точка соединения которых соединена с корпусом аппарата, и предохранитель, входные выводы выпрямителя зашунтированы второй последовательной цепью из двух конденсаторов, а выходные выводы третьей последовательной цепью из двух конденсаторов, общая точка соединения конденсаторов второй последовательной цепи подключена к общей точке соединения конденсаторов третьей последовательной цепи, однофазный полумостовой инвертор на первом и втором транзисторах с последовательными резисторами в эмиттерных цепях, цепи транзисторов и последовательных резисторов зашунтированы первым и вторым встречно-параллельными диодами, соответственно, входные выводы инвертора соединены с выходными выводами выпрямителя через диоды и зашунтированы конденсатором фильтра, четвертой последовательной цепью из второго конденсатора фильтра, первого и второго диодов и третьего конденсатора фильтра, точки соединения конденсаторов и диодов четвертой последовательной цепи соединены с входными выводами инвертора через третий и четвертый диоды, соответственно, а общая точка соединения первого и второго диодов четвертой последовательной цепи подключена к общей точке соединения конденсаторов третьей последовательной цепи, база первого транзистора соединена с анодом второго встречно-параллельного диода через тиристор, коллектор второго транзистора подключен к аноду второго встречно-параллельного диода через пятую последовательную цепь из резистора и конденсатора, резистор пятой последовательной цепи зашунтирован шестой последовательной цепью из второго резистора и пятого диода, общая точка соединения резистора и конденсатора пятой последовательной цепи подключена к базе второго транзистора через седьмую последовательную цепь из третьего резистора и порогового элемента, управляющий электрод тиристора соединен с катодом через четвертый резистор и второй конденсатор, цепь из первого транзистора с последовательным резистором зашунтирована пятым резистором и третьим конденсатором, трехобмоточный трансформатор, позистор, а также коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с люминесцентной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов второй последовательной цепи и последовательного резистора первого транзистора с коллектором второго транзистора, соответственно, первые выводы электродов лампы зашунтированы коммутирующим конденсатором и позистором, а вторые выводы включены в последовательную резонансную схему, база первого транзистора соединена с эмиттером через четвертый конденсатор, шестой резистор и восьмую последовательную цепь из ограничительного дросселя, ограничительного резистора и вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно с первичной обмоткой, база второго транзистора соединена с эмиттером через пятый конденсатор, седьмой резистор и девятую последовательную цепь из второго ограничительного дросселя, второго ограничительного резистора и второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно с первичной обмоткой, общая точка соединения второго ограничительного резистора и второй вторичной обмотки трансформатора девятой последовательной цепи соединена с управляющим электродом тиристора через десятую последовательную цепь из восьмого резистора и второго порогового элемента.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом, что достигается комплексным снижением амплитуд токов через электроды лампы и, соответственно, коэффициента формы тока, обеспечением нагрева электродов перед включением лампы и исключения их перегрева во время длительной работы, обеспечением надежного запуска и эффективной защиты устройства. Заявляемый электронный пускорегулирующий аппарат может быть использован для ответственных энергосберегающих применений, обеспечивающих повышенную надежность работы с эффективным «теплым» стартом и защиту от аномальных режимов, в том числе, «открытого катода» люминесцентной лампы и аппарата, перегрузок и перегрева электродов лампы.
Повышение надежности работы линейной люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы являются существенными.
На рисунке приведена схема электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы.
Электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентной лампы 1 содержит однофазный мостовой выпрямитель на диодах 2-5, подключенный входными выводами к входным выводам аппарата через последовательно соединенные дроссель 6, фильтр радиопомех 7, зашунтированный варистором 8 на входе и последовательной цепью из двух конденсаторов 9, 10 на выходе, общая точка соединения которых соединена с корпусом аппарата, и предохранитель 11, входные выводы выпрямителя зашунтированы второй последовательной цепью из двух конденсаторов 12, 13, а выходные выводы третьей последовательной цепью из двух конденсаторов 14, 15, общая точка соединения конденсаторов второй последовательной цепи подключена к общей точке соединения конденсаторов третьей последовательной цепи, однофазный полумостовой инвертор на первом 16 и втором 17 транзисторах с последовательными резисторами 18, 19 в эмиттерных цепях, цепи транзисторов и последовательных резисторов зашунтированы первым 20 и вторым 21 встречно-параллельными диодами, соответственно, входные выводы инвертора соединены с выходными выводами выпрямителя через диоды 22, 23 и зашунтированы конденсатором фильтра 24, четвертой последовательной цепью из второго конденсатора фильтра 25, первого 26 и второго 27 диодов и третьего конденсатора фильтра 28, точки соединения конденсаторов и диодов четвертой последовательной цепи соединены с входными выводами инвертора через третий 29 и четвертый 30 диоды, соответственно, а общая точка соединения первого и второго диодов четвертой последовательной цепи подключена к общей точке соединения конденсаторов третьей последовательной цепи, база первого транзистора соединена с анодом второго встречно-параллельного диода через тиристор 31, коллектор второго транзистора подключен к аноду второго встречно-параллельного диода через пятую последовательную цепь из резистора 32 и конденсатора 33, резистор пятой последовательной цепи зашунтирован шестой последовательной цепью из второго резистора 34 и пятого диода 35, общая точка соединения резистора и конденсатора пятой последовательной цепи подключена к базе второго транзистора через седьмую последовательную цепь из третьего резистора 36 и порогового элемента 37, управляющий электрод тиристора соединен с катодом через четвертый резистор 38 и второй конденсатор 39, цепь из первого транзистора с последовательным резистором зашунтирована пятым резистором 40 и третьим конденсатором 41, трехобмоточный трансформатор, позистор 42, а также коммутирующий конденсатор 43 и коммутирующий дроссель 44, образующие с люминесцентной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку 45 трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов второй последовательной цепи и последовательного резистора первого транзистора с коллектором второго транзистора, соответственно, первые выводы электродов лампы зашунтированы коммутирующим конденсатором и позистором, а вторые выводы включены в последовательную резонансную схему, база первого транзистора соединена с эмиттером через четвертый конденсатор 46, шестой резистор 47 и восьмую последовательную цепь из ограничительного дросселя 48, ограничительного резистора 49 и вторичной обмотки 50 трансформатора, включенной встречно с первичной обмоткой, база второго транзистора соединена с эмиттером через пятый конденсатор 51, седьмой резистор 52 и девятую последовательную цепь из второго ограничительного дросселя 53, второго ограничительного резистора 54 и второй вторичной обмотки 55 трансформатора, включенной согласно с первичной обмоткой, общая точка соединения второго ограничительного резистора и второй вторичной обмотки трансформатора девятой последовательной цепи соединена с управляющим электродом тиристора через десятую последовательную цепь из восьмого резистора 56 и второго порогового элемента 57.
Электронный пускорегулирующий аппарат для люминесцентной лампы 1 в установившемся режиме работает следующим образом. Однофазный выпрямитель на диодах 2-5 вырабатывает и подает постоянное напряжение на вход однофазного полумостового инвертора на транзисторах 16, 17 с последовательными резисторами 18, 19 в эмиттерных цепях и встречно-параллельными диодами 20, 21. В качестве фильтра постоянного напряжения выпрямителя используется конденсатор фильтра 24. Одновременно фильтрация переменного напряжения осуществляется дросселем 6 и второй последовательной цепью из двух конденсаторов 12, 13, а фильтрация постоянного напряжения третьей последовательной цепью из двух конденсаторов 14, 15 и четвертой последовательной цепью из второго 25 и третьего 28 конденсаторов фильтра и первого 26 и второго 27 диодов. Совместно с третьим 29 и четвертым 30 диодами четвертая последовательная цепь (25-28) образует кламп (ограничитель напряжения), который восстанавливает напряжение на входных выводах инвертора в интервалах его спада, обусловленных пульсацией напряжения на выходе однофазного мостового выпрямителя. Заряд конденсаторов фильтра 26, 28 происходит при последовательном их включении через диоды 26, 27, а разряд при параллельном включении через диоды 29, 30. Диоды 22, 23 являются отсекающими. Их работа обеспечивает снижение коэффициента гармоник тока, потребляемого устройством от сети питания. Варистор 8 защищает устройство от сетевых перенапряжений, а предохранитель 11 от коротких замыканий и перегрузок в схеме. Для подавления кондуктивных помех в схему электронного пускорегулирующего аппарата включены конденсаторы 9, 10 и фильтр радиопомех 7. Транзисторы 16, 17 однофазного полумостового инвертора включаются и проводят ток поочередно. Инвертор работает в автогенераторном режиме, что достигается применением последовательной резонансной схемы включения люминесцентной лампы 1 и обратной связи за счет трехобмоточного трансформатора, первичная обмотка 45 которого соединяется последовательно в нагрузочную цепь инвертора (1, 42-44), а вторичные обмотки 50, 55 включаются в базовые цепи транзисторов 16, 17. При этом вторичные обмотки 50, 55 трансформатора имеют встречное включение. Базовые токи транзисторов 16, 17 при их работе пропорциональны току в нагрузочной цепи (1, 42-44). Увеличение тока базы одного транзистора (16 или 17) приводит к уменьшению тока базы другого транзистора (17 или 16), что вызывает их периодическое переключение с частотой, определяемой величинами емкости коммутирующего конденсатора 43 и индуктивности коммутирующего дросселя 44. Ток в нагрузочной цепи (1, 42-44) имеет квазисинусоидальную форму. Ограничительные дроссели 48, 53 служат для ограничения базовых токов первого 16 и второго 17 транзисторов и токов вторичных обмоток 50, 55 трехобмоточного трансформатора совместно с ограничительными резисторами 49, 54.
Четвертый конденсатор 46, шестой резистор 47, пятый конденсатор 51 и седьмой резистор 52 ограничивают уровни обратного напряжения на базах транзисторов 16, 17 относительно их эмиттеров и повышают помехоустойчивость цепей управления. Пятый резистор 40 и третий конденсатор 41 обеспечивают режим квазирезонансной коммутации транзисторов 16, 17 и представляют собой демпферные элементы. Пятый резистор 40, резистор 32 конденсатор 33 (пятая последовательная цепь) совместно с элементами седьмой последовательной цепи 36, 37 образуют пусковую схему, работа которой гарантирует надежный первоначальный запуск устройства. При заряде конденсатора 33 срабатывает пороговый элемент 37, что приводит к отпиранию второго транзистора 17. Резистор 32 зашунтирован шестой последовательной цепью из второго резистора 34 и пятого диода 35, предназначенной для разряда конденсатора 33 через второй транзистор 17 и шунтирования пусковой схемы. Встречно-параллельные диоды 20, 21 ограничивают величины обратных напряжений на транзисторах 16, 17 инвертора. Пятый (демпферный) резистор 40 и третий (демпферный) конденсатор 41 снижают уровни коммутационных перенапряжений на транзисторах 16, 17. Кроме того за счет демпферного конденсатора 41 обеспечивается плавное нарастание напряжений на транзисторах 16, 17 и встречно-параллельных диодах 19, 20 (мягкая или квазирезонансная коммутация) при работе инвертора. Последовательные резисторы 18, 19 в эмиттерных цепях транзисторов 16, 17 демпфируют нагрузочную цепь инвертора и ограничивают броски токов чрез транзисторы 16, 17 в интервалах коммутации. Защита электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы от нарушений электрического режима и выхода элементов из строя обеспечивается, в частности, тиристором 31. При работе устройства в аномальном режиме «открытого катода» люминесцентной лампы (лампа не зажигается), отключении или замене лампы возрастают токи и напряжения на элементах нагрузочной цепи (1, 42-44). Ограничение роста токов и напряжений в режиме «открытого катода» люминесцентной лампы обеспечиваются включением тиристора 31, который блокирует базовую цепь первого транзистора 16 инвертора и вызывает выключение режима автогенерации устройства. Управление тиристором 31 осуществляется по десятой последовательной цепи из второго порогового элемента 57 и восьмого резистора 56. Второй конденсатор 39 и четвертый резистор 38 шунтируют управляющий электрод тиристора 31, что повышает помехоустойчивость и обеспечивает селективность защитных цепей устройства. При возрастании токов и напряжений в нагрузочной цепи (элементы 1, 42-45) люминесцентной лампы 1 возрастают напряжения на второй вторичной обмотке 45 трансформатора и последовательном резисторе 19 второго транзистора 17, что приводит к срабатыванию второго порогового элемента 57 и, соответственно, включению тиристора 31. Ток включенного тиристора 31 поддерживается сетевым источником питания и складывается из суммы токов через резисторы 40, 18, 47 и 49. Потенциал базы первого транзистора 16 становится практически равным потенциалу эмиттера второго транзистора 17, что и приводит к срыву колебаний (автогенерации) и блокировке инвертора. Четвертый резистор 38 обеспечивает разряд второго конденсатора 39 и восстановление цепи защиты при отключении постоянного напряжения питания устройства от сетевого источника. При пуске электронного пускорегулирующего аппарата сопротивление позистора 42 является сравнительно низким, и он шунтирует электроды люминесцентной лампы 1. Происходит предварительный нагрев электродов лампы 1 до требуемой температуры током через позистор 42. Далее, по мере нагрева, сопротивление позистора 42 возрастает и инициируется электрический разряд в лампе 1. Заниженный (контролируемый) подогрев электродов лампы после ее зажигания (с целью оптимизации эмиссионных свойств) происходит за счет тока, протекающего через коммутирующий конденсатор 43 и позистор 42.
Транзисторы инвертора 16, 17 могут иметь структуры с встроенными или модульные конструкции с предустановленными встречно-параллельными диодами 20, 21. В этом случае отпадает необходимость в установке дополнительных встречно-параллельных диодов 20, 21. Конденсаторы фильтра 25, 28 являются электролитическими либо пленочными. Диоды 20-23 должны быть быстродействующими. В качестве пороговых элементов 37, 57 могут быть использованы стабилитроны, стабисторы, динисторы или обычные диоды. Для повышения порога срабатывания возможно соединение нескольких диодов последовательно. Фильтр радиопомех 7 выполняется по любой Т или П-образной схеме, в том числе с магнитосвязанными дросселями в сетевом L и нулевом N проводах подключения устройства. В схеме электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы могут отсутствовать некоторые элементы и связи. Принцип работы при этом не изменяется, однако могут несколько ухудшиться характеристики устройства. В частности, может отсутствовать связь общей точки соединения диодов 26, 27 четвертой последовательной цепи. В этом случае возможно установить в цепь последовательно со вторым 25 и третьим 28 конденсаторами фильтра только один диод, что упрощает схему. Может отсутствовать один из диодов 22, 23, что незначительно увеличивает коэффициент гармоник потребляемого от питающей сети тока. Базовые цепи транзисторов 16, 17, соответственно, включающие элементы 46-50 и 51-55, могут быть скорректированы путем исключения некоторых элементов и цепей, что определяется режимом работы устройства. В простейшем случае базовые цепи транзисторов 16, 17 содержат только вторичную обмотку (50 или 55) трансформатора и последовательный ограничительный резистор (49 или 54).
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом. Заявляемый электронный пускорегулирующий аппарат может быть использован для ответственных энергосберегающих применений, обеспечивающих повышенную надежность работы с «теплым» стартом люминесцентной лампы и защиту от режимов «открытого катода», перегрузок и перегрева устройства. Это достигается за счет комплексного снижения амплитуд токов через электроды люминесцентной лампы в длительном режиме работы и значений коэффициента формы тока. Обеспечиваются оптимальные режимы работы с контролируемым подогревом электродов люминесцентной лампы. Положительные качества обусловлены также использованием эффективной схемы защиты на тиристоре, оптимизацией управляющих цепей транзисторов и пускового режима, снижением коммутационных потерь в транзисторах инвертора и диодах устройства, а также электрических потерь в коммутирующем дросселе. Снижаются уровни перенапряжений на элементах устройства, электромагнитных помех, возникающих при выключении транзисторов, электрических потерь в коммутирующем дросселе и других элементах устройства за счет «мягкой» коммутации транзисторов и действия демпферного конденсатора. Повышается устойчивость и, следовательно, надежность работы электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы, срывов инвертирования при работе на динамическую нагрузку, что повышает и надежность работы люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом.
Повышение надежности люминесцентной лампы с электронным пускорегулирующим аппаратом лампы оценивается по времени наработки на отказ. В соответствии с результатами экспериментальных исследований время наработки на отказ лампы и срок ее службы могут быть увеличены в 2,0÷2,5 раза.
Может быть существенно упрощена конструкция и снижена цена устройства за счет оптимизации схемы и обеспечения возможности использования транзисторов и диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
По сравнению с прототипом могут быть снижены (до 10%) и весогабаритные показатели заявляемого электронного пускорегулирующего аппарата для люминесцентной лампы за счет оптимизации схемы и конструкции, что также расширяет и его область применения.