СВЕТИЛЬНИК

Решение относится к области электротехники и может быть использовано в светильниках с люминесцентными лампами, включающих пускорегулирующую аппаратуру для зажигания и питания люминесцентных ламп, предназначенных для освещения помещений различного назначения.
Известен светильник с люминесцентной лампой, с электродами накала, включающий электронную пускорегулирующую аппаратуру, соединенную с источником питания, выходы которой электрически связаны с электродами лампы, все электроды каждой нити накала лампы попарно соединены, а параллельно выходу пускорегулирующей аппаратуры и параллельно лампе подключен пусковой высокочастотный высоковольтный конденсатор (см. описание к патенту РФ №95065 на полезную модель «Светильник с люминесцентной лампой (варианты)», МПК Н05В 41/295, опубликовано 10.06.2010., бюлл. №16). При этом возможно использование нескольких ламп, соединенных между собой электродами последовательно. Этот светильник выбран в качестве наиболее близкого аналога. Указанный светильник позволяет использовать для освещения вышедшие из строя лампы с оборванными нитями накала и продлить как срок их службы, так и срок службы новых люминесцентных ламп путем закорачивания нитей накала для исключения протекания тока через нити. Кроме того, указанный светильник за счет исключения нагрева нитей накала позволяет уменьшить энергопотребление. Однако вопросы поиска решений по снижению энергопотребления при ограниченности энергоресурсов всегда актуальны.
Задачей является снижение энергопотребления светильника, включающего лампу с закороченными/оборванными/перегоревшими электродами путем минимизации потерь в электронной пускорегулирующей аппаратуре.
Задача решается конструкцией светильника, содержащего люминесцентную лампу с парой электродов поджига и электронную пускорегулирующую аппаратуру (далее ЭПРА) с высокочастотным преобразователем, люминесцентная лампа подключена параллельно высокочастотному высоковольтному конденсатору, в котором, в отличие от прототипа, схема питания лампы дополнена индуктивностью, с образованием ею и высокочастотным высоковольтным конденсатором последовательного резонансного LC-контура, индуктивность контура одним концом соединена с выходом высокочастотного преобразователя ЭПРА, а другим концом - с лампой и конденсатором контура. При этом резонансная частота последовательного LC-контура равна частоте выходного напряжения пускорегулирующей аппаратуры, т.е. частоте выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное, а значения индуктивности, емкости, добротности последовательного контура определены из следующих условий:
г
где f - частота следования выходных высоковольтных импульсов высокочастотного преобразователя ЭПРА;
с
f - резонансная частота последовательного LC-контура;
г
с
f=f;
π=3,14;
L, С, R - параметры емкости, индуктивности, омического сопротивления индуктивности последовательного LC-контура;
н
R - сопротивление лампы;
- добротность контура;
вых
U - выходное напряжение высокочастотного преобразователя ЭПРА;
п
U - напряжение зажигания (пробоя) лампы с закороченными электродами;
н
U - номинальное рабочее напряжение люминесцентной лампы.
Пара электродов поджига образована из двух пар выводов нитей накала либо закорачиванием нитей накала лампы, при этом возможно использование оборванных или перегоревших нитей накала, либо использованием только одного вывода нити накала при условии что нити накала целы, а также любой комбинацией вышеуказанных способов соединения электродов.
В указанной схеме подключения может участвовать как одна лампа, так и цепочка последовательно включенных ламп с закороченными или оборванными нитями накала.
Соответственно, при последовательном подключении двух ламп с двумя электродами (оборванными/закороченными нитями накала) формулы будут иметь следующий вид:
г
где f - частота следования выходных высоковольтных импульсов высокочастотного преобразователя ЭПРА;
г
c
f=f - частота высокочастотного преобразователя ЭПРА;
c
f - резонансная частота последовательного LC-контура;
π=3,14;
L, С, R - параметры емкости, индуктивности, омического сопротивления индуктивности последовательного LC-контура;
н
R - сопротивление лампы;
- добротность контура;
вых
U - выходное напряжение высокочастотного преобразователя ЭПРА;
п
U - напряжение зажигания (пробоя) лампы с закороченными электродами;
н
U - номинальное рабочее напряжение люминесцентной лампы.
Соответственно, при последовательном подключении четырех ламп с оборванными/закороченными нитями накала формулы будут иметь следующий вид:
г
где f - частота высокочастотного преобразователя ЭПРА
г
с;
f=f·
c
f - резонансная частота последовательного LC-контура;
π=3,14;
L, С, R - параметры индуктивности, емкости, омическое сопротивления индуктивности последовательного LC-контура;
Rн - сопротиление лампы;
вых
U - выходное напряжение высокочастотного преобразователя ЭПРА.
п
U - напряжение зажигания (пробоя) лампы с закороченными электродами.
н
U - номинальное рабочее напряжение люминесцентной лампы.
Такое количество ламп (1, 2, 4) встречается в самых распространенных моделях люминесцентных светильников.
Соответственно, при последовательном подключении i ламп с двумя электродами (оборванными/закороченными нитями накала) формулы будут иметь следующий вид:
где
i - 1, 2, 4, 4, …, n (натуральный ряд чисел, ограниченный возможностями используемой ЭПРА). Количество ламп, используемых в светильнике, и их мощность влияют на выбор вида пускорегулирующей аппаратуры определенной мощности.
вых
н
При использовании нескольких ламп отличительной особенностью ЭПРА в соответствии с предложением является способность зажигать все лампы в светильнике одним каналом (двумя проводниками), даже когда выходное напряжение высокочастотного преобразователя ЭПРА U меньше, чем суммарное рабочее напряжение U всех ламп. Это достигается подбором указанных выше параметров последовательного LC-контура в условиях электрического резонанса.
Описанная выше схема подключения ламп с двумя электродами (закороченными/оборванными/перегоревшими нитями) к источнику высоковольтного переменного высокочастотного напряжения позволяет значительно сэкономить электроэнергию за счет следующего:
- отсутствия подогрева нитей накала;
- при указанных выше рассчитанных параметрах последовательного LC-контура напряжения на клеммах конденсатора достаточно для стабильного зажигания всего количества расчетных ламп; при таком условии в момент включения источника питания ламп (ЭПРА) за счет совпадения резонансной частоты последовательного LC-контура и частоты высокочастотного преобразователя ЭПРА в устройстве имеют место резонансные явления, увеличивающие напряжение на входе ламп по отношению к выходному напряжению высокочастотного преобразователя ЭПРА до величины, достаточной для их стабильного зажигания;
- при указанных выше рассчитанных параметрах последовательного LC-контура напряжения на клеммах конденсатора достаточно для поддержания горения всего количества расчетных ламп в их рабочем режиме; при этом используется только один токоограничивающий балластный элемент при том же световом потоке. При подключении ламп отдельными параллельными каналами каждый со своим последовательным LC-контуром с токоограничивающими балластами потери электроэнергии будут выше. Таким образом, важной особенностью ЭПРА в соответствии с изобретением является ее способность зажигать и поддерживать горение всех последовательно соединенных ламп светильника одним каналом.
Известно использование явления резонанса для поджига ламп в схемах ЭПРА, однако использование резонанса для питания лампы в рабочем ее режиме неизвестно.
Сущность предложения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема питания четырех ламп светильника с закороченными нитями накала у каждой.
Светильник содержит источник питания ламп, подключенный к обычной сети переменного напряжения 220 Вольт, с частотой 50 Гц, и четыре люминесцентных лампы с закороченными электродами. Источник питания ламп выполнен как электронный пускорегулирующий аппарат (ЭПРА), на входе содержащий помехоподавляющий фильтр 1, а также выпрямитель 2, высокочастотный преобразователь 3, выход которого связан с индуктивностью 4 последовательного LC-контура. Индуктивность 4 контура другим концом соединена с конденсатором 5 контура и первым выводом цепочки из последовательно соединенных четырех ламп 6.1-6.4 с закороченными нитями накала, образующими каждая по паре электродов поджига ламп, как это хорошо видно на фигуре.
Другим концом емкость 5 соединена со вторым концом цепочки последовательно соединенных ламп 6.1-6.4 и вторым выводом высокочастотного преобразователя 3 ЭПРА. Параметры LC-контура (индуктивность, емкость, добротность) обычными инженерными расчетами рассчитаны таким образом, чтобы резонансная частота последовательного LC-контура равнялась частоте выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное пускорегулирующей аппаратуры, а значения индуктивности, емкости, добротности последовательного контура определены из вышеуказанных условий.
Высокочастотный преобразователь изготовлен по стандартной автогенераторной схеме, описанной в источнике Давиденко Ю.Н. 500 схем для радиолюбителей. Современная схемотехника в освещении - Спб.: Наука и техника, 2008, стр.198, 199, и выдает прямоугольное переменное напряжение в 150 В с частотой следования 30 кГц.
Устройство работает следующим образом.
Сетевое напряжение в 220 В 50 Гц проходит через помехоподавляющий фильтр 1, где фильтруются радиопомехи, и проходит на выпрямитель 2. Выпрямитель 2 преобразует сетевое переменное напряжение в постоянное. Это выпрямленное постоянное напряжение с выпрямителя 2 поступает на преобразователь 3, который преобразует постоянное напряжение в переменное высокочастотное, как правило, больше 20 кГц. Переменное высокочастотное напряжение с выхода преобразователя 3 поступает на последовательный резонансный LC-контур, где с конденсатора 5 этого контура напряжение передается на цепочку ламп 6.1-6.4. Ввиду того, что резонансная частота последовательного LC-контура равна частоте выходного переменного напряжения преобразователя 3 ЭПРА за счет проявляющегося при этом эффекта электрического резонанса, это напряжение оказывается повышенным по отношению к выходному напряжению высокочастотного преобразователя ЭПРА и достаточным для зажигания всех ламп светильника и поддержания их в режиме горения. Суммарное рабочее напряжение всех ламп 6 при этом больше выходного напряжения преобразователя 3 ЭПРА. Такая ситуация появляется у самых распространенных при использовании моделей светильников с люминесцентными лампами типа Т8: 4×18 Вт, 2×36 Вт, 2×58 Вт и др. Такая схема питания применима для всех видов промышленно выпускаемых люминесцентных ламп: линейных, U-образных, кольцевых, компактных. В последовательную цепочку могут быть включены лампы разной мощности.
В случае с обычной схемой питания ламп выходное напряжение ЭПРА/преобразователя меньше напряжения зажигания ламп и больше напряжения их горения, поэтому для их зажигания используют повышенное напряжение относительно входного, которое образуется при электрическом резонансе в последовательном LC-контуре. Для поддержания же горения ламп осуществляют ограничение выходного напряжения/тока при помощи индуктивного балласта. Так, в светильнике 2×36 Вт (лампы Т8) выходное напряжение преобразователя составляет 150 В, напряжение зажигания - 400 В, номинальное рабочее напряжение лампы 103 В. Две лампы по 36 Вт не могут быть последовательно включены к одному выходу ЭПРА/преобразователя (103 В×2=206>150 В), поэтому подключаются отдельными параллельными каналами с отдельными последовательными резонансными LC-контурами и токоограничивающими балластами, что дополнительно увеличивает энергетические потери в схеме питания ламп.
В технике известно использование последовательного резонансного LC-контура для зажигания газоразрядных ламп в составе ЭПРА, однако неизвестна совокупность составных элементов светильника из известной схемы ЭПРА питания ламп с использованием LC-контура и ламп с закороченными, в том числе оборванными нитями накала люминесцентных ламп или ламп с задействованной только одной парой электродов (одним концом в паре нитей). Неизвестна также указанная совокупность с условием равенства резонансной частоты последовательного LC-контура частоте выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное пускорегулирующей аппаратуры, и параметрами контура, определенными в соответствии с указанными выше инженерными расчетами. Неизвестна также указанная совокупность с условием равенства резонансной частоты последовательного LC-контура частоте выходного напряжения преобразователя постоянного напряжения в переменное пускорегулирующей аппаратуры, и параметрами контура, определенными в соответствии с указанными выше условиями, позволяющими стабильно зажигать и поддерживать горение всех последовательно соединенных ламп светильника одним каналом (двумя проводниками), даже когда суммарное рабочее напряжение ламп больше выходного напряжение преобразователя ЭПРА.