ОСВЕТИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР И СПОСОБ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИИ
ILLUMINATING DEVICE AND METHOD OF USING IT

Настоящее изобретение относится, в общем, к люминесцентным осветительным приборам и, в частности, к новому режиму работы люминесцентных ламп в источнике света.
Люминесцентная лампа - это стеклянная газоразрядная лампа, внутренняя сторона которой покрыта люминесцентным слоем (люминофором), который при возбуждении ультрафиолетовым излучением, источником которого является заполняющая лампу газовая среда, реагирует свечением в видимой области спектра. Такой газ содержит пар ртути под очень низким давлением.
Фиг.1 представляет собой схему, на которой описывается принцип конструкции и действия источника света с одной люминесцентной лампой. Поток электронов, протекающий в лампе между двумя электродами, помещенными на каждом торце, возбуждает атомы ртути и вызывает ультрафиолетовое излучение. Эти электроды состоят из нитей накала электронной термоэмиссии (называемых катодами с предварительным подогревом), которые должны нагреваться до накаливания. Для подачи питания на катоды через включенную в цепь катушку высокой индуктивности (называемую дросселем стартера), которая ограничивает ток, создаваемый ионизированным газом с низким полным сопротивлением до приемлемой величины, используется сетевое напряжение переменного тока.
Для зажигания электропроводности через газ необходимо специальное устройство (называемое стартером), непосредственно подключающее нити накала параллельно газовой среде (см. фиг.1, нижняя часть). Стартер может состоять из лампы накаливания, имеющей реагирующий на температуру выключатель, который при нормальной температуре разомкнут. При подключении цепи к источнику питания лампа стартера тока загорается, и внутренняя температура при раскаленных катодах люминесцентной лампы быстро повышается. Когда температура становится достаточно высокой, выключатель замыкается, закорачивая стартер, температура которого при этом быстро снижается и который снова размыкает выключатель. Резкое прерывание тока индуцирует выброс напряжения большой величины на выходах катушки (эффект самоиндукции), вызывая протекание тока между двумя катодами через пар ртути, нагретый раскаленными нитями. С этого момента стартер больше не включается, пока сохраняется электропроводность пара. Нити катодов остаются раскаленными из-за их конструкции и положения, что заставляет часть тока, проходящего через лампу, протекать через их поверхность, о которую также ударяются ионы ртути, что помогает поддерживать температуру рассеивающейся энергией столкновения.
После зажигания электропроводности и стабилизации тока полное сопротивление значительно уменьшается. За счет величины ее полного сопротивления при рабочей частоте питания сети катушка дросселя стартера обеспечивает требуемое ограничение тока. Такая система называется "магнитно-индуктивным дросселем стартера".
Однако в технологии дросселей стартера происходят некоторые эволюции, которые улучшают описанную выше конструкцию и показаны на фиг.1.
Обычно дроссель стартера представляет собой последовательно включенное полное сопротивление, которое стабилизирует ток в люминесцентной лампе. Обычно, как уже отмечалось выше, в качестве дросселей стартера используются простые катушки индуктивности, поскольку, будучи последовательно включенными с лампой, они действуют как реактивные сопротивления с малыми потерями. Некоторые магнитные дроссели стартера обладают  особенностями, чем последовательно включенное полное сопротивление для лампы, например, трансформаторы для повышения уровней напряжения.
В целях экономии энергии разработаны другие типы дросселя стартера с использованием решений, основанных на применении полупроводников. Эта более сложная конструкция позволяет также использовать рабочие частоты выше обычных 50/60 Гц сети питания. Так, например, использована частота в диапазоне 25 кГц. Примеры конструкции электронного дросселя стартера описаны в документах WO 00/21342, опубликованном в апреле 2000 г., WO 99/05889, опубликованном в феврале 1999 г., WO 97/33454, опубликованном в сентябре 1997 г., WO 99/60825, опубликованном в ноябре 1999 г., WO 98/34438, опубликованном в августе 1998 г, и ЕР-O-955794-А2, опубликованном в ноябре 1999 г.Раскрытые решения относятся, главным образом, к экономии тока и продлению срока службы люминесцентных ламп оптимизацией разных параметров, например формы волны, амплитуды напряжения и т.д.
В патенте США №6262542 раскрыт электронный дроссель стартера, включающий цепь возбуждения лампы, имеющую генератор сигналов с широтно-импульсной модуляцией для управления рабочим циклом тока с квадратной формой волны, протекающего через лампу. Что интересно отметить, это не ток, протекающий через лампу, а скорее управляющий сигнал, который включен в цепь для контроля работы лампы. Следует также отметить, что способ включения лампы, описанный в патенте №6262542, заставляет ток протекать через нити катода.
В патенте США №4902939 раскрыты схемы возбуждения, предназначенные для устранения слабого мигания света при включении и выключении питания с минимальной до максимальной переменной интенсивности света. Очевидно, что цель заключается не в повышении энергетического кпд люминесцентных ламп. Основное отличие изобретения заключает в том, что напряжение возбуждения, описанное в патенте №4902939, состоит из волн синусоидальной формы, непосредственно взятых из сети питания.
Хотя существующие электронные дроссели стартера обеспечивают экономию энергии за счет своих режимов работы люминесцентных ламп, а также продлевают срок службы люминесцентных ламп, в этой области еще предстоит выполнить большой объем исследовательских и производственных работ. Настоящее изобретение раскрывает конкретный совсем новый режим работы для люминесцентных ламп, при котором ток, потребляемый лампой, снижается на 40-50% по сравнению с известными магнитными дросселями стартера, которые, в основном, устанавливаются в люминесцентных осветительных приборах.
Кроме того, срок службы ламп, возбуждаемых по настоящему изобретению, увеличивается почти в 3 раза, и излучаемый свет не мигает и не претерпевает стробоскопический эффект.
Указанные выше преимущества достигаются при эксплуатации люминесцентных источников света по предлагаемому способу, причем эти источники света включают одну или несколько стандартных люминесцентных ламп, которые содержат газ пара ртути и нагревающие катоды с нитью накаливания на торцах, прибор, который объединяет необходимые удерживающие и соединительные устройства для люминесцентных ламп, и один дроссель стартера для возбуждения люминесцентных ламп. Режим работы дросселя стартера отличается от существующих систем тем, что в нем используются импульсы напряжения, прикладываемые к электродам для возбуждения люминесцентного газа, причем эти импульсы состоят из непериодических уровней напряжения, разделенных бестоковыми паузами переменной длительности.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления дроссель стартера создает импульсы, состоящие из амплитуд абсолютно переменного напряжения. Кроме того, дроссель стартера может управлять временем импульсов, а также временем бестоковой паузы, используя при этом запрограммированные алгоритмы. Другое преимущество может позволить контролировать время бестоковых пауз между импульсами по результатам измерения тока в лампе в реальном масштабе времени.
Специальная муфта, установленная в соединениях лампы, управляется дросселем стартера для закорачивания нитей накала катода в нужное время, чтобы погасить любое протекание тока через него и тем самым избежать потерь напряжения. Зажигание электропроводности в лампе может улучшиться благодаря временному подключению конденсатора, который значительно снижает напряжение на концах каждой люминесцентной лампы и отключается, как только электропроводность устанавливается. После установления электропроводности дроссель стартера изменяет ток в лампе, чтобы уменьшить ток через конденсатор до минимума перед тем, как отключить его.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления, дроссель стартера может по проводному или беспроводному каналу соединяться с устройством управления, предназначенным для контроля характеристик и дистанционного обнаружения отказа.
В другом аспекте, настоящее изобретение относится также к источникам света, которые имеют несколько стандартных люминесцентных ламп, содержащих газ пара ртути и нагревающие катоды, расположенные на обоих торцах, и состоящих из прибора, включающего удерживающие/соединительные устройства ламп, и дроссель стартера для управления люминесцентными лампами.
Предлагаемый источник света отличается от существующих систем тем, что в нем используются импульсы напряжения, прикладываемые к электродам для возбуждения люминесцентного газа, причем эти импульсы состоят из непериодических уровней напряжения, разделенных бестоковыми паузами переменной длительности.
В одном из особенно предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения дроссель стартера можно преимущественно приспособить для создания импульсов, состоящих из амплитуды переменного напряжения. Кроме того, дроссель стартера может управлять временем импульсов, а также временем бестоковой паузы, используя при этом запрограммированные алгоритмы. Даже в более предпочтительном варианте осуществления дроссель стартера предназначен для контроля времени бестоковой паузы между импульсами по результатам измерения в реальном масштабе времени тока, протекающего через газ в люминесцентных лампах. Соединители люминесцентной лампы включают специальные муфты, которые могут включаться дросселем стартера для закорачивания нитей накала катода в нужное время, чтобы погасить любое протекание тока через него и тем самым избежать потерь напряжения. Для повышения напряжения на концах каждой люминесцентной лампы может подключаться конденсатор, который может отключаться, как только электропроводность устанавливается. В этом случае дроссель стартера можно также приспособить для изменения тока в лампе после установления электропроводности, чтобы уменьшить ток через конденсатор до минимума перед тем, как отключить его.
Особенно целесообразно, если в одном месте используются много источников света, чтобы дроссели стартеров по проводному или беспроводному каналу соединялись с устройством управления, предназначенным для контроля характеристик и дистанционного обнаружения отказа.
В одном из вариантов осуществления дроссель стартера включает две части, первая из которых представляет собой стандартный дроссель стартера, работающий при нормальном напряжении питания сети, а вторая разработана конкретно для работы с непериодическими импульсами, как раскрыто в настоящем описании.
Кроме того, настоящее изобретение представлено в третьем варианте осуществления, а именно, как сигнал подачи напряжения для люминесцентных ламп в нормальном режиме работы, который представляет импульсы, отличающиеся тем, что включают непериодические уровни напряжения, разделенные бестоковыми паузами переменной длительности. Предпочтительно, импульсы сигнала имеют характер переменного тока, т.е. сигнал включает равные амплитуды положительной и отрицательной полярности.
Ниже приводится более подробное описание настоящего изобретения на примерах осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание графического материала
Фиг.1 представляет собой упрощенную традиционную схему люминесцентной лампы с магнитно-индуктивным дросселем стартера и стартером.
На фиг.2 проводится сравнение между известным магнитно-индуктивным дросселем стартера и предлагаемым новым дросселем стартера.
На фиг.3 схематически представлено, как предлагаемый новый дроссель стартера устанавливается в существующем источнике света,
На фиг.4 схематически представлено, как несколько источников света можно подключить в сеть для дистанционного контроля.
На фиг.1 представлено простейшее исполнение магнитно-индуктивного дросселя стартера, включенного последовательно с люминесцентной лампой, в котором напряжение сети питания подается на лампу с частотой 50 или 60 Гц. Этот вид дросселя стартера с возможно некоторыми незначительными усовершенствованиями является наиболее распространенным в сегодняшних источниках света. Хотя многие предприятия-изготовители пытаются выпустить на рынок новые электронные дроссели стартеров, источники света, оснащенные этими электронными дросселями стартеров, имеют более высокую себестоимость, что значительно ограничивает широкое распространение этих технологий.
Настоящее изобретение характеризуется новым видом электронного дросселя стартера, отличающегося от существующих систем тем, что он предназначен для замены известного магнитного дросселя стартера в существующих источниках света без необходимости изъятия первоначального магнитного дросселя стартера при установке предлагаемого дросселя стартера.
На фиг.2 схематически представлено действие предлагаемого дросселя стартера. Работа люминесцентной лампы, оснащенной известным магнитным дросселем стартера, иллюстрируется на фиг.1. Здесь показано, что возбуждение атомов ртути при столкновении с электроном, протекающим через предварительно нагревающие электроды, происходит беспорядочно и относительно редко (например, единственное представленное столкновение, вызывающее излучение света).
И, напротив, на фиг.2 представлено действие нового дросселя стартера, работающего с уровнями напряжения совершенно иного характера. Последний вызывает намного больше столкновений и, следовательно, возбуждает больше атомов ртути. Это явление иллюстрируется на этой фигуре тремя столкновениями, приводящими к более высокому ультрафиолетовому излучению. Светоотдача повышается по сравнению со стандартным уровнем 65 люменов на единицу мощности (ватт) у известного магнитного дросселя стартера до величины 120 люменов на ватт при использовании предлагаемого нового дросселя стартера.
Основным фактором, касающимся влияния нового дросселя стартера на светоотдачу, является то, что напряжение зажигания, подаваемое на люминесцентную лампу, т.е. с одного электрода на другой, является высокочастотным переменным напряжением, состоящим из непериодических импульсов, разделенных бестоковыми паузами переменной длительности. Эта специальная форма волны напряжения создается таким образом, что каждое время бестоковой паузы (время отсутствия напряжения) контролируется по результатам измерения в реальном масштабе времени тока, протекающего через лампу. Сила тока зависит от эффекта резонанса в газе, который значительно увеличивает число столкновений между электронами и атомами ртути. Благодаря использованию этого явления резонанса, потребление мощности можно значительно уменьшить. Высокочастотное напряжение достаточно лишь для поддерживания резонанса, и уровень напряжения отсутствует, пока явление резонанса поддерживает свечение. Измерение тока сразу же выявляет эффект резонанса, позволяя микропроцессору, включенному в цепь дросселя стартера, контролировать форму волны напряжения в реальном масштабе времени.
Импульсы напряжения предпочтительно имеют полностью переменную форму, т.е. используются напряжения одинаковых амплитуд и противоположной полярности, и представляют собой непериодические события. Форма волны управляется в реальном масштабе времени с помощью программированных алгоритмов, вложенных в микропроцессор дросселя стартера.
Эти алгоритмы предпочтительно относятся к измерениям тока, протекающего через плазму в лампе, для управления особенно длительности времени бестоковой паузы между импульсами в зависимости от величины уровня тока. Ток непрерывно измеряется в реальном масштабе времени.
Как показано на фиг.3, существующий источник света оснащен новым комплектом компонентов, специально разработанных для использования в этом источнике света. Этот новый комплект в дополнение к предлагаемому электронному дросселю стартера включает новые соединители лампы, которые вставляются вместо первоначальных пробок. Старые компоненты (т.е. магнитный дроссель стартера и стартер) остаются на месте, и новый дроссель стартера подключается к шине сетевого питания посредством быстро соединяемых устройств.
Новые соединители включают предпочтительно специальные соединительные устройства, которые новый дроссель стартера может включать для закорачивания нитей накала катода, чтобы исключить любое протекание тока через них и тем самым избежать потерь напряжения.
Для зажигания электропроводности в люминесцентной лампе параллельно с лампой кратковременно подключается конденсатор для повышения напряжения между электродами. Как только электропроводность через пар ртути устанавливается, конденсатор отключается. Дроссель стартера адаптирует ток через пар ртути после установления электропроводности так, что ток, протекающий через конденсатор, уменьшается до минимума перед тем, как конденсатор отключается.
Описанный новый режим работы люминесцентной лампы основывается на принципе, направленном на увеличение числа столкновений между электронами и атомами ртути при молекулярном возбуждении плазменной среды, при котором новая форма волны напряжения повышает светоотдачу. Используемый высокочастотный переменный сигнал содержит точно контролируемые фазы бестоковой паузы, что способствует снижению потребления энергии до минимума.
Процесс оптимизирован благодаря постоянному контролю тока, протекающего через лампу, и непрерывному регулированию времени бестоковой паузы в соответствии с запрограммированными функциями, которые контролируют условия и физические параметры изменений связывающего напряжения и число столкновений между электронами и атомами ртути.
В электронное устройство, помещенное в новый дроссель стартера, устанавливаемый в источниках света, заложена программа. Это электронное устройство выглядит как электронный компонент «макрочип», включающий все процессы функций управления и контроля. Электронное устройство состоит из контроллера (центрального процессора), который интегрирует программное обеспечение в защищенный чип, содержащий также шифрованные функции, которые делают его доступным только при точно заданных условиях, чтобы исключить любой нежелательный доступ к работе и программе.
Следует отметить, что частоты и формы волны напряжения находятся в намного более высоком диапазоне частоты, чем сеть. Кроме того, следует подчеркнуть, что изменения напряжения не синусоидальные и не периодические. Изменение напряжения включает фазы времени бестоковой паузы, в которые ток в лампе отсутствует. Благодаря этому особому режиму работы, протекание некоторого тока по нитям накала электрода для поддерживания потока электронов в лампе не требуется.
Благодаря возникновению явления резонанса, увеличивающего число столкновений между электронами, создаваемыми катодами, и атомами ртути в газе, описанный выше предлагаемый режим работы снижает рабочую температуру и повышает надежность электронного дросселя стартера.
Оптимальная работа достигается благодаря управляемому предварительному нагреву катодов и специфическому режиму возбуждения при зажигании электропроводности пара, какой бы ни была температура в лампе. Таким образом, номинальный режим работы достигается постепенно по мере стабилизации поддерживаемого процессом явления резонанса. На протяжении этой фазы постепенного превращения, которая требует нескольких минут, ток, протекающий через лампу, увеличивается, равно как и свечение, последовательными стадиями. В конце этой фазы явление резонанса стабилизируется в зависимости от конкретных условий окружения. Ток постепенно снижается и достигает минимального среднего значения примерно через 15 минут.
Благодаря использованию предлагаемого способа, температура электродов может снизиться более чем на 40°С, что оказывает значительное влияние на срок службы ламп.
На фиг.4 показано, как большее число источников света, каждый из которых содержит новый дроссель стартера, подключается через специальную связевую шину к центральному устройству управления. Это устройство может быть локальным или дистанционным, как показано на фиг.4. В этом примере используется беспроводное соединение в виде SMS-сообщений с использованием глобальной системы мобильной связи. В этом типе устройства управления характеристики системы освещения по месту можно регистрировать, а работу постоянно и дистанционно контролировать для выявления отказа. Это позволяет предоставить пользователям статистику и отчеты о точной работе, в которых среди прочего указывается потребление энергии, что позволяет быстрее вмешаться при необходимости в техническом обслуживании.