ЭЛЕКТРОННЫЙ ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании электронных пускорегулирующих аппаратов (электронных "балластов") для питания газоразрядных ламп, в частности, ламп высокого давления: натриевых и металл-галогенных, например, для освещения дорог, больших площадей и в тепличном хозяйстве, а также флуоресцентных ламп.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы (в частности - флуоресцентной), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, резонансный однотактный инвертор на базе двух электронных ключей и L-C-контура и схему управления (А.Евстифеев, Особенности построения балластов для ламп высокого давления. Силовая электроника, №3, 2008 г. стр.132-136, рис.11).
Недостатком известного электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы являются его неприменимость для питания газоразрядных ламп высокого давления (натриевых и металл-галогенных) из-за отсутствия отдельной схемы высоковольтного поджига (на 2-4 кВ), а также низкие надежность и срок службы из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью и невозможности заземления выходного зажима для питания лампы (при заземленной питающей сети).
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы (в частности - металл-галогенной лампы высокого давления), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, понижающий преобразователь с электронным ключом, мостовой инвертор напряжения на базе четырех электронных ключей, схему высоковольтного поджига и схему управления (см. там же, рис.4 - верхняя часть, рис.10 и рис.12).
Недостатком известного электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы являются нерациональность его использования для питания натриевых ламп высокого давления и флуоресцентных ламп низкого давления из-за сложности тройного преобразователя энергии, а также низкие надежность и срок службы из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, требующего термостабилизации, и невозможности заземления выходного зажима для питания лампы.
Известен электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы (в частности - натриевой лампы высокого давления), содержащий корректор коэффициента мощности на базе выпрямителя, повышающего широтно-импульсного модулятора с электронным ключом и сглаживающего электролитического конденсатора, полумостовой инвертор напряжения на базе двух электронных ключей и двух конденсаторов, трансформатор высоковольтного поджига, схему поджига на базе емкостного накопителя, входного выпрямителя с токоограничительным зарядным элементом и разрядного электронного ключа (триака) и схему управления (см. там же, рис.4 - нижняя часть, рис.6, рис.10).
Недостатком известного электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы являются низкие надежность и срок службы из-за наличия электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, требующего термостабилизации (для предотвращения полного выключения горячей лампы высокого давления при синусоидальной форме сетевого напряжения) и невозможности заземления выходного зажима для питания лампы, а также нерациональность его использования для питания относительно низковольтных металл-галогенных ламп высокого давления из-за отсутствия понижающего преобразователя, что сужает функциональные возможности устройства.
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является последний из перечисленных известных электронных пускорегулирующих аппаратов для газоразрядной лампы.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является исключение электролитического сглаживающего конденсатора с относительно большой электроемкостью, обеспечение возможности заземления выходного зажима для подключения лампы (вне зависимости от заземления питающей сети) и расширение диапазона выходного напряжения устройства, например, для питания относительно низковольтных металл-галогенных ламп высокого давления.
Техническим результатом предложения является повышение надежности, срока службы и расширение функциональных возможностей устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в электронном пускорегулирующем аппарате для газоразрядной лампы, содержащем корректор коэффициента мощности, состоящем из мостового выпрямителя, дросселя с первой обмоткой, двух диодов, и первого электронного ключа, первый силовой вывод которого подключен к точке соединения первого вывода первого диода и первого вывода первой обмотки дросселя, второй вывод которого подключен к первому выходному выводу мостового выпрямителя, подключенного своими входными выводами к сетевым зажимам питания, второй и третий электронные ключи, соединенные между собой последовательно - согласно, первый и второй конденсаторы, общая точка соединения первых выводов которых соединена с первым выходным зажимом для подключения газоразрядной лампы, трансформатор поджига, высоковольтная обмотка которого включена между вторым выходным зажимом для подключения газоразрядной лампы, и схему пожига, состоящую из емкостного накопителя, входного выпрямителя с токоограничительным зарядным элементом, соединенного своими входными выводами с сетевыми зажимами питания, и разрядный электронный ключ, включенный последовательно с емкостным накопителем и низковольтной обмоткой трансформатора поджига, а также схему управления, выходные выводы которой подключены к управляющим выводам электронных ключей, а входные выводы, подключены к датчикам тока, установленным в цепи мостового выпрямителя и в цепи выходных зажимов для подключения газоразрядной лампы, соответственно, и к датчику выходного напряжения корректора коэффициента мощности, в корректор коэффициента мощности введен четвертый электронный ключ, а дроссель дополнен второй обмоткой, которая имеет общий магнитопровод с его первой обмоткой, своим первым выводом соединена со вторым выходным выводом мостового выпрямителя, а вторым - со вторым выводом третьего электронного ключа и через встречно-параллельно включенные между собой второй диод и четвертый электронный ключ - со вторым выводом второго конденсатора, первый конденсатор своим вторым выводом соединен со вторыми разнополярными выводами первого диода и первого электронного ключа, первые выводы которых соединены со вторым выводом второго электронного ключа, и, кроме того, благодаря тому, что в мостовой выпрямитель введены пятый и шестой электронные ключи, включенные своими силовыми выводами согласно - последовательно с выпрямительными диодами смежных плеч, связанных с одним и тем же сетевым зажимом, соответственно, и подключенные своими управляющими выводами к выходным выводам схемы управления.
Дополнительным техническим результатом предложения являются повышение КПД устройства за счет снижения реактивной мощности в его выходной цепи, а также снижение помехоизлучения за счет заземления лампы и корпуса устройства.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы.
На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой части известного электронного пуско-регулирующего аппарата для газоразрядной лампы, принятого за прототип.
На фиг.2 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого электронного пускорегулирующего аппарата для газоразрядной лампы.
На фиг.3 показаны режимы работы схемы предлагаемого устройства.
На фиг.4 и 5 представлены временные диаграммы токов и напряжений для двухтранзисторного (фиг.4) и четырехтранзисторного вариантов схемы предлагаемого устройства.
Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы, как и прототип (см. фиг.1 и фиг.2) содержит корректор коэффициента мощности 1, состоящий из мостового выпрямителя 2, 3, 4, дросселя с первой обмоткой 5, двух диодов 6, 7 и первого электронного ключа 8. Устройство, как и прототип, содержит также сетевые зажимы питания 9, 10, второй 11 и третий 12 электронные ключи, первый 13 и второй 14 конденсаторы, первый выходной зажим 15 для подключения газоразрядной лампы, трансформатор поджига 16, второй выходной зажим 17 для подключения газоразрядной лампы, схему поджига 18, состоящую из емкостного накопителя 19, входного выпрямителя 20 с токоограничительным зарядным элементом 21 (резистором) и разрядный электронный ключ 22, а также схему управления 23, связанную с датчиками тока 24, 25 и датчиком выходного напряжения 26. Предлагаемое устройство помимо перечисленного содержит также (см. фиг.2) четвертый электронный ключ 27, а дроссель дополнен второй обмоткой 28. Устройство может также содержать пятый 29 и шестой 30 электронные ключи (показаны на фиг.2 пунктиром).
По существу предлагаемое устройство содержит следующие функциональные узлы: корректор коэффициента мощности 1, полумостовой инвертор тока, образованный дросселем (с обмотками 5 и 28) и парой электронных ключей 11, 12, поджигающую систему, образованную трансформатором поджига 16 и схемой поджига 18, узел коммутационного демпфирования на базе пары конденсаторов 13, 14 с участием диодов 6, 7 и электронных ключей 8, 27 и систему управления электронными ключами на базе схемы управления 23, датчиков тока 24, 25 и датчика напряжения 26. Сетевые зажимы питания 9, 10 связаны с сетью переменного тока, а выходные зажимы 14, 15 для подключения газоразрядной лампы соединены с нагрузкой, причем зажимы 10 и 15 заземлены.
Электронный пускорегулирующий аппарат для газоразрядной лампы работает следующим образом. В исходном состоянии емкостный накопитель 19 схемы поджига 18 заряжается от питающей сети через входной выпрямитель 20 и токоограничительный зарядный элемент 21. По команде поджига с выходного вывода схемы управления 23 включается разрядный электронный ключ 22, вызывая разряд емкостью накопителя 19 на низковольтную обмотку трансформатора поджига 16 и генерируя тем самым поджигающий импульс напряжения на его высоковольтной обмотке. При полярности импульса, например, соответствующей плюсу на выводах обмоток трансформатора, отмеченных звездочкой, импульс подводится к газоразрядной лампе через внутренний диод ключа 11, диод 6 и конденсатор 13. При противоположной полярности импульс аналогично замыкается по пути 16-17-15-14-7-12-16. Команда поджига может быть периодически повторена несколько раз для надежного зажигания лампы.
ф
л
В зависимости от состояния электронных ключей, а также величин и знака питающего фазного сетевого напряжения U(t) и модуля напряжения лампы] |U| устройство может иметь следующие шесть режимов работы схемы (см. фиг.3):
а) набор энергии в дросселе по цепи 9-29-2-5-11-12-28-4-10;
ф
л
л
б) передача энергии из сети и дросслея в лампу (U<|U|, di/dt<0) по цепи 9-29-2-5-11-16-17-15-10;
ф
л
л
в) передача энергии из сети в лампу и в дроссель (U>|U|, di/dt>0) по той же цепи;
г) передача энергии из дросселя в лампу с отрицательным током по цепи 28-4-15-17-16-12;
д) тот же режим с положительным током по цепи: 5-11-17-15-3;
л
шим
ф
е) пауза в передаче энергии (i~const) с током по цепи: 5-11-12-28-4-3. Чередовать указанные режимы целесообразно с постоянной частотой модуляции (1/Т) повышенной по сравнению с частотой фазного напряжения питающей сети (1/Т).
Для упрощения описания работы вначале пренебрежем ролью узла коммутационного демпфирования, т.е. элементами 6, 7, 8, 13, 14, 27.
ф
л
шим
ф
VT
л
л
Временные диаграммы токов и напряжений, приведенные на фиг.4, соответствуют двухтранзисторной схеме, т.е. при условии, что пятый и шестой электронные ключи 29, 30 либо отсутствуют, либо постоянно проводят. На первой диаграмме показаны: фазное сетевое напряжение U, уровень (абсолютная величина) напряжения лампы |U|, период широтно-импульсной модуляции Т; на второй диаграмме: ток в питающей сетевой фазе i, совпадающий с током одного из транзисторов i среднеимпульсное значение фазно-сетевого тока , режимы работы  и номера электронных ключей (транзисторов VT(11), VT(12)); на третьей диаграмме: суммарное мгновенное и среднеимпульсное потокосцепление двухобмоточного дросселя  его максимальное и минимальное значения ; на четвертой диаграмме: ток лампы  в соответствии со значениями i>0 и i<0.
L
Из диаграмм следует, что в предлагаемом устройстве роль сглаживающего (буферно-накопительного) элемента играет дроссель, в отличие от прототипа, в котором эту роль играет электролитический конденсатор. При "перескакивании" (перебросе) всего или половины тока из одной его обмотки в другую его суммарное потокосцепление  (и энергия) высокочастотно пульсирует с приближенно-пилообразной  формой низкочастотной составляющей имеющей гарантированную остаточную величину ), обеспечивающую безпаузную подпитку газоразрядной лампы (при питании лампы высокого давления это является необходимым условием). При этом величина  мало зависит от окружающей температуры и не требует устройств для термостабилизации дросселя. Из последней диаграммы видно, что при данном законе управления среднециклическое значение тока лампы имеет низкочастотную знакопеременную составляющую, могущую вызвать соответствующие пульсации светового потока лампы.
1
2
При нежелательности данного явления целесообразно использовать четырехтранзисторную схему предлагаемого устройства, т.е. с присутствием ШИМ-управляемых пятого и шестого электронных ключей 29, 30. Временные диаграммы токов и напряжения для такого варианта устройства представлены на фиг.5. В таком варианте появляется возможность в течение каждого полупериода сетевого питающего напряжения варьировать длительностью пауз (в режиме "е" на фиг.3), причем изменяя моменты как переднего, так и заднего импульсных фронтов, ограничивающих паузы (обозначены как var и var на второй диаграмме на фиг.5). Как следует из последней диаграммы на фиг.5 при соответствующем управлении можно обеспечить снижение глубины пульсаций низкочастотной составляющей среднеимпульсного тока лампы, а при достаточном сближении  (т.е. при достаточной величине энергоемкости дросселя) - существенно снизить эти пульсации (подобно прототипу с большой энергоемкостью электролитического сглаживающего конденсатора).
Наличие и режим работы узла коммутационного демпфирования (на базе элементов 6, 7, 8, 13, 14, 27) определяются в основном наличием и величиной индуктивности высоковольтной обмотки трансформатора поджига 16. При каждом запирании транзисторного электронного ключа 11 или 12 энергия индуктивности рассеяния магнитно-связанных обмоток 5 и 28 дросселя передается соответствующему первому 13 или второму 14 конденсатору через первый 6 или второй 7 диоды, а затем передается в нагрузку через электронные ключи 8 и 27 и 11 или 12, соответственно. При этом в качестве первого 8 и четвертого 27 электронных ключей вполне могут быть использованы относительно низкочастотные тиристоры, т.к. они обеспечены цепями естественного самозапирания.