ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ
ELECTRONIC START-UP REGULATING APPARATUS FOR GAS-DISCHARGE LAMP

Изобретение относится к приборостроению, светотехнике, а также к преобразовательной технике и может быть использовано при проектировании источников питания для люминесцентных и других типов энергосберегающих газоразрядных ламп, а также различных высокочастотных, в том числе электротехнологических нагрузок. Изобретение повышает надежность электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы, подключенной к выходным выводам аппарата по последовательной резонансной схеме, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого соединены с входными выводами аппарата через плавкую вставку, конденсатор фильтра, шунтирующий выходные выводы выпрямителя, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах с встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, включающий также два последовательно соединенных конденсатора фильтра, коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с газоразрядной лампой последовательную резонансную схему, подключенную к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно (Платан. Электронные компоненты. Каталог. - Изд-во ЗАО Платан Компонентс, 2008. - С.15).
Недостатком электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы является низкая надежность работы из-за низкого значения коэффициента мощности, высоких уровней гармонических составляющих потребляемого из сети тока и больших амплитуд пусковых токов и повышенных амплитуд рабочих токов сети.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы, подключенной к выходным выводам аппарата по последовательной резонансной схеме, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого соединены с входными выводами аппарата через плавкую вставку и дроссель фильтра, конденсатор фильтра, шунтирующий выходные выводы выпрямителя, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах с встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, включающий, кроме того, два последовательно соединенных конденсатора фильтра, трехобмоточный трансформатор, а также коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с газоразрядной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, база транзистора подключена к эмиттеру через последовательную цепь из вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно с первичной обмоткой, и резистора, транзистор зашунтирован демпферным конденсатором и последовательно соединенными вторым и третьим резисторами, эмиттер транзистора соединен с коллектором второго транзистора через четвертый резистор, база второго транзистора подключена к эмиттеру через вторую последовательную цепь из второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно с первичной обмоткой, и пятого резистора, эмиттер второго транзистора соединен с выходным выводом выпрямителя через шестой резистор (IR2520-новые возможности в области разработки электронных балластов // Силовая электроника. - 2006. - №2. - С.26).
Недостатком электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы является низкая надежность работы из-за низких значений коэффициентов мощности и полезного действия, высоких уровней гармонических составляющих потребляемого из сети тока, больших амплитуд пусковых токов, повышенных значений коэффициента формы тока газоразрядной лампы, а также отсутствия защиты от аномальных режимов «открытого катода» газоразрядной лампы и перегрева элементов устройства.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы, подключенной к выходным выводам аппарата по последовательной резонансной схеме, содержащий однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого соединены с входными выводами аппарата через дроссель фильтра, конденсатор фильтра, шунтирующий выходные выводы выпрямителя, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах с встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, включающий также два последовательно соединенных конденсатора фильтра, трехобмоточный трансформатор, а также коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с газоразрядной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, база транзистора подключена к эмиттеру через последовательную цепь из вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно с первичной обмоткой, и резистора, база второго транзистора подключена к эмиттеру через вторую последовательную цепь из второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно с первичной обмоткой, и второго резистора (Otero Pascal. M. Motorola's D2 Series Transistors for Fluorescent Converters. - Motorola, 1997. - AN1577).
Указанный электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность его работы из-за низких значений коэффициентов мощности и полезного действия, высоких уровней гармонических составляющих потребляемого из сети тока, больших амплитуд пусковых токов, повышенных значений коэффициента формы тока газоразрядной лампы, а также неэффективной электронной защиты и отсутствия защиты от перегрева элементов устройства.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в электронном пускорегулирующем аппарате для газоразрядной лампы, подключенной к выходным выводам аппарата по последовательной резонансной схеме, содержащем однофазный мостовой выпрямитель на диодах, входные выводы которого соединены с входными выводами аппарата через резистор, кламп, шунтирующий выходные выводы выпрямителя и включающий последовательную цепь из конденсатора, диода, термистора и второго конденсатора, а также второй и третий диоды, общие точки соединения конденсаторов последовательной цепи клампа с диодом и термистором подключены к соответствующим выходным выводам выпрямителя через включенные встречно второй и третий диоды соответственно, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах с встречно-параллельными диодами, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, включающий также два последовательно соединенных конденсатора фильтра, трехобмоточный трансформатор, защитный конденсатор, а также коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, образующие с газоразрядной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку трансформатора и защитный конденсатор к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, база транзистора подключена к эмиттеру через вторую последовательную цепь из включенного встречно четвертого диода и резистора, а также через третью последовательную цепь из вторичной обмотки трансформатора, включенной встречно с первичной обмоткой, разделительного конденсатора и второго резистора, транзистор зашунтирован демпферным конденсатором и третьим резистором, коллектор второго транзистора соединен с базой через четвертый резистор, база второго транзистора подключена к эмиттеру через четвертую последовательную цепь из включенного встречно пятого диода и пятого резистора, а также через пятую последовательную цепь из второй вторичной обмотки трансформатора, включенной согласно с первичной обмоткой, второго разделительного конденсатора и шестого резистора, шестую последовательную цепь из третьего конденсатора, седьмого резистора, шестого диода, порогового элемента, восьмого резистора и четвертого конденсатора, зашунтированного девятым резистором, которая соединяет общую точку соединения коммутирующего конденсатора и коммутирующего дросселя с эмиттером второго транзистора, общие точки соединения седьмого резистора и шестого диода, шестого диода и порогового элемента шестой последовательной цепи соединены с эмиттером второго транзистора через позистор и, соответственно, через десятый резистор с параллельно включенным пятым конденсатором, тиристор, анод которого подключен к базе транзистора через седьмой диод, а к коллектору транзистора через одиннадцатый резистор, катод соединен с эмиттером второго транзистора, а управляющий электрод подключен к общей точке соединения восьмого резистора и четвертого конденсатора.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы, что достигается комплексным повышением значений коэффициентов мощности и полезного действия, снижением уровней гармонических составляющих потребляемого из сети тока, уменьшением амплитуд пусковых токов и значений коэффициента формы тока газоразрядной лампы за счет использования эффективного клампа и качественных цепей защиты, оптимизации управляющих цепей транзисторов и пускового режима устройства, снижения коммутационных потерь в транзисторах инвертора и диодах выпрямителя, а также электрических потерь в коммутирующем дросселе. Заявляемый электронный пускорегулирующий аппарат может быть использован для ответственных энергосберегающих применений, обеспечивающих повышенную надежность работы и защиту от режима «открытого катода» газоразрядной лампы, перегрузок и перегрева устройства.
Повышение надежности работы электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы являются существенными.
На чертеже приведена схема электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы.
Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы 1, подключенной к выходным выводам аппарата по последовательной резонансной схеме, содержит однофазный мостовой выпрямитель на четырех диодах 2-5, входные выводы которого соединены с входными выводами аппарата через резистор 6, кламп, шунтирующий выходные выводы выпрямителя и включающий последовательную цепь из конденсатора 7, диода 8, термистора 9 и второго конденсатора 10, а также второй 11 и третий 12 диоды, общие точки соединения конденсаторов последовательной цепи клампа с диодом и термистором подключены к соответствующим выходным выводам выпрямителя через включенные встречно второй и третий диоды соответственно, однофазный полумостовой инвертор на транзисторах 13, 14 с встречно-параллельными диодами 15, 16, входные выводы которого соединены с выходными выводами выпрямителя, включающий также два последовательно соединенных конденсатора фильтра 17, 18, трехобмоточный трансформатор, защитный конденсатор 19, а также коммутирующий конденсатор 20 и коммутирующий дроссель 21, образующие с газоразрядной лампой последовательную резонансную схему, подключенную через первичную обмотку 22 трансформатора и защитный конденсатор к выходным выводам инвертора, образуемым общими точками соединения конденсаторов фильтра и транзисторов соответственно, база транзистора подключена к эмиттеру через вторую последовательную цепь из включенного встречно четвертого диода 23 и резистора 24, а также через третью последовательную цепь из вторичной обмотки 25 трансформатора, включенной встречно с первичной обмоткой, разделительного конденсатора 26 и второго резистора 27, транзистор зашунтирован демпферным конденсатором 28 и третьим резистором 29, коллектор второго транзистора соединен с базой через четвертый резистор 30, база второго транзистора подключена к эмиттеру через четвертую последовательную цепь из включенного встречно пятого диода 31 и пятого резистора 32, а также через пятую последовательную цепь из второй вторичной обмотки 33 трансформатора, включенной согласно с первичной обмоткой, второго разделительного конденсатора 34 и шестого резистора 35, шестую последовательную цепь из третьего конденсатора 36, седьмого резистора 37, шестого диода 38, порогового элемента 39, восьмого резистора 40 и четвертого конденсатора 41, зашунтированного девятым резистором 42, которая соединяет общую точку соединения коммутирующего конденсатора и коммутирующего дросселя с эмиттером второго транзистора, общие точки соединения седьмого резистора и шестого диода, шестого диода и порогового элемента шестой последовательной цепи соединены с эмиттером второго транзистора через позистор 43 и, соответственно, через десятый резистор 44 с параллельно включенным пятым конденсатором 45, тиристор 46, анод которого подключен к базе транзистора через седьмой диод 47, а к коллектору транзистора через одиннадцатый резистор 48, катод соединен с эмиттером второго транзистора, а управляющий электрод подключен к общей точке соединения восьмого резистора и четвертого конденсатора.
Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы 1 в установившемся режиме работает следующим образом. Однофазный мостовой выпрямитель на диодах 2-5 преобразует переменное напряжение сети в знакопостоянное напряжение. Кламп обеспечивает эффективную и надежную фильтрацию напряжения выпрямителя. Заряд конденсаторов 7, 10 клампа осуществляется от источника питания (выпрямителя) через диод 8 и термистор 9. Таким образом, конденсаторы 7, 10 клампа при заряде подключаются последовательно, что уменьшает амплитуды токов заряда и напряжения на них. Одновременно термистор 9 вначале имеет большое сопротивление, что также ограничивает ток заряда конденсаторов 7, 10 клампа. При нагреве термистора 9 его сопротивление снижается и в номинальном режиме он практически не оказывает влияние на работу устройства. Разряд конденсаторов 7, 10 на нагрузку происходит параллельно за счет работы диодов 11, 12 клампа. Параллельное подключение конденсаторов 7, 10 при их разряде позволяет улучшить фильтрующие свойства клампа при одновременном обеспечении высокого коэффициента мощности устройства (до 0,96). Транзисторы 13, 14 однофазного полумостового инвертора включаются и проводят ток поочередно. Инвертор работает в автогенераторном режиме, что достигается применением последовательной резонансной схемы включения газоразрядной лампы 1 и обратной связи за счет трехобмоточного трансформатора, первичная обмотка 22 которого соединяется последовательно в нагрузочную цепь инвертора, а вторичные обмотки 25, 33 включаются в базовые цепи транзисторов 13, 14. При этом вторичные обмотки 25, 33 трансформатора имеют встречное включение. Базовые токи транзисторов 13, 14 при их работе пропорциональны току в нагрузочной цепи. Увеличение тока базы одного транзистора (13 или 14) приводит к уменьшению тока базы другого транзистора (14 или 13), что вызывает их периодическое переключение с частотой, определяемой величинами емкости коммутирующего конденсатора 20 и индуктивности коммутирующего дросселя 21. Ток в нагрузочной цепи имеет квазисинусоидальную форму. Разделительные конденсаторы 26, 34 служат для емкостной развязки цепей управления и, совместно с резисторами 27, 35, для ограничения базовых токов транзисторов 13, 14. Одновременно, заряд разделительного конденсатора 34 через резисторы 29, 30 обеспечивает запуск аппарата. Резисторы 24, 32 ограничивают уровни обратного напряжения на базах транзисторов 13, 14 относительно их эмиттеров. Резисторы 24, 32 также повышают устойчивость транзисторов 13, 14 к большой величине скорости нарастания напряжения. Диод 31 предотвращает разряд разделительного конденсатора 34 через резистор 32, что гарантирует надежный первоначальный запуск устройства. Встречно-параллельные диоды 15, 16 ограничивают величины обратных напряжений на транзисторах 13, 14 инвертора. Демпферный конденсатор 28 и резистор 29 снижают уровни коммутационных перенапряжений на транзисторах 13, 14. Кроме того, за счет демпферного конденсатора 28 обеспечивается плавное нарастание напряжений на транзисторах 13, 14 и встречно-параллельных диодах 15, 16 (мягкая коммутация) при работе инвертора. Защита электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы от нарушений электрического режима и выхода элементов из строя обеспечивается, в частности, резистором 6, который также дополнительно ограничивает броски входного тока устройства, обусловленные зарядом конденсаторов 7, 10 клампа. При работе устройства в аномальном режиме «открытого катода» газоразрядной лампы 1 (лампа 1 не зажигается) возрастают токи и напряжения на элементах нагрузочной цепи. Ограничение роста токов и напряжений в режиме «открытого катода» газоразрядной лампы 1 и защита от перегрева устройства обеспечиваются включением тиристора 46, который блокирует базовую цепь транзистора 13 через седьмой диод 47 и вызывает отключение автогенерации устройства. Управление тиристором 46 осуществляется по шестой последовательной цепи из третьего конденсатора 36, седьмого резистора 37, шестого диода 38, порогового элемента 39, восьмого резистора 40 и четвертого конденсатора 41, зашунтированного девятым резистором 42, которая соединяет общую точку соединения коммутирующего конденсатора 20 и коммутирующего дросселя 21 с эмиттером второго транзистора 14. При возрастании токов и напряжений в нагрузочной цепи газоразрядной лампы 1 возрастает ток через третий конденсатор 36 и напряжение на позисторе 43. Одновременно возрастает напряжение на пятом конденсаторе 45. Срабатывание порогового элемента 39 приводит к включению тиристора 46. Десятый резистор 44 служит для разряда пятого конденсатора 45 и восстановления цепи защиты при отключении напряжения питания устройства. Если температура внутри корпуса электронного пускорегулирующего аппарата возрастает, то возрастает и сопротивление позистора 43, что также приводит к срабатыванию цепи защиты и включению тиристора 46. Таким образом, одна защитная цепь обеспечивает эффективную защиту устройства от аномального режима «открытого катода» газоразрядной лампы 1 и перегрева устройства. Девятый резистор 42 повышает стойкость тиристора 46 к повышенной скорости нарастания напряжения и помехоустойчивость, а также обеспечивает разряд четвертого конденсатора 41 при восстановлении цепей защиты. Одиннадцатый резистор 48 задает минимальный уровень тока тиристора 46, поддерживающего его во включенном состоянии после срабатывания защитной цепи. Восьмой резистор 40 предназначен для задания уровня максимального тока через управляющий электрод тиристора 46. Защитный конденсатор 19 ограничивает ток в нагрузочной цепи при коротких замыканиях на выходе устройства.
Транзисторы инвертора 13, 14 могут иметь структуры с встроенными или модульные конструкции с предустановленными встречно-параллельными диодами. В этом случае отпадает необходимость в установке встречно-параллельных диодов 15, 16. Конденсаторы 7, 10 клампа являются электролитическими либо пленочными с величиной емкости около 0, 17 мкФ/Вт. Диоды 8, 11, 12, 15, 16 должны быть быстродействующими. В качестве порогового элемента 39 могут быть использованы стабилитроны, стабисторы, динисторы или обычные диоды. Для повышения порога срабатывания поргового элемента 39 при выполнении его на диодах возможно соединение нескольких диодов последовательно.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы. Заявляемый электронный пускорегулирующий аппарат может быть использован для ответственных энергосберегающих применений, обеспечивающих повышенную надежность работы и защиту от режима «открытого катода» газоразрядной лампы, перегрузок и перегрева устройства. Это достигается за счет комплексного повышения коэффициентов мощности и полезного действия устройства, снижения уровней гармонических составляющих потребляемого из сети тока, уменьшения амплитуд пусковых токов и значений коэффициента формы тока газоразрядной лампы. Повышение коэффициентов мощности и полезного действия обеспечивает снижение общей токовой загрузки элементов устройства, в том числе, диодов выпрямителя. Положительные качества обусловлены также использованием эффективного клампа и качественной схемы защиты на тиристоре, использованием дополнительного защитного конденсатора, оптимизацией управляющих цепей транзисторов и пускового режима, снижением коммутационных потерь в транзисторах инвертора и диодах выпрямителя, 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 газоразрядной лампы, срывов инвертирования при работе на динамическую нагрузку.
Повышение надежности электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы оценивается по времени наработки на отказ. В соответствии с результатами экспериментальных исследований время наработки на отказ заявляемого аппарата может быть увеличено на 80÷90%.
Дополнительно, коэффициент полезного действия устройства повышается на 4-5% за счет уменьшения потерь энергии в элементах, в том числе по причине значительного уменьшения амплитуд импульсов входного тока устройства.
Дополнительно 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.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, могут быть снижены до 15% и весо-габаритные показатели заявляемого электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы за счет оптимизации схемы и конструкции, что также расширяет и его область применения.