Применение электронных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп

6. Применение электронных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп

К настоящему времени ЭПРА позволяет реализовать все преимущества ВЧ питания ЛЛ [26]. Главная задача ЭПРА – обеспечение зажигания и стабильной работы ЛЛ. Cуществует два основных способа построения ЭПРА: 1) с использованием задающего генератора, управляющего полумостовым или мостовым инвертором; 2) с использованием автогенераторов (мостовых или полумостовых) с трансформатором тока на насыщенных сердечниках в цепи обратной связи (Светотехника, 2001, №5, С. 32-34).

Несмотря на огромное количество схемных решений на основе различной элементной базы и схемотехники, структурная схема всех ЭПРА примерно одинакова и содержит следующие основные узлы:

1. Выпрямитель сетевого напряжения – как правило, мостовая схема с конденсатором на выходе.

2. Корректор формы потребляемого тока. В пассивном корректоре выпрямитель работает не прямо на конденсатор, а на LC-фильтр. Введение индуктивности в нагрузку выпрямителя позволяет значительно снизить содержание высших гармоник в потребляемом токе и повысить коэффициент мощности до 0,9÷0,95. Однако, для этого требуется индуктивность, соизмеримая с индуктивностью дросселя в ЭМПРА. При активной форме коррекции используют транзисторы или аналоговые микросхемы, управляемые сигналами с компараторов, сравнивающих форму питающего напряжения и потребляемого тока. Диодно-конденсаторный корректор коэффициента мощности может быть выполнен на трёх запасающих энергию конденсаторах, которые при заряде соединены последовательно (с помощью диодов), а при разряде – параллельно.

3. Преобразователь (инвертор) постоянного напряжения в ВЧ переменное. Используют разные схемы – от простейших автогенераторов на одном транзисторе, до сложных схем с задающими генераторами на микросхемах и усилителями мощности. Как правило, выходное напряжение инверторов имеет прямоугольную формы, а частота – в пределах 20 ÷ 50 кГц. Известно, что рост световой отдачи и срока службы ЛЛ достигает насыщения при частотах около 10 кГц, снижения массогабаритных характеристик ПРА – начиная с 2 кГц, а уменьшение пульсаций светового потока – также с 1÷2 кГц. Однако частоты ниже 20 кГц в настоящее время практически не используются из-за возможных акустических помех. Частота генерации выше 50 кГц используется редко, т.к. заметного улучшения параметров с ростом частоты уже не происходит, а динамические потери в силовых элементах ЭПРА растут. Для запуска однотактных автогенераторов используются различные пороговые элементы (динисторы, однопереходные транзисторы и другие), включаемые в цепь базы силового транзистора. Двухтактные автогенераторы чаще всего выполняются по полумостовой схеме или по широко известной схеме Ройера. Для запуска таких генераторов вводят либо некоторую асимметрию в базовые цепи, либо положительную обратную связь, либо используют внешний запуск, с помощью порогового элемента, как и в однотактных инверторах. По разному решаются задачи стабилизации работы инверторов. Наиболее распространенное решение – использования трансформаторов тока, первичная обмотка которых включается в цепь лампы, а вторичные – в базовые цепи транзисторов. Известны также схемы стабилизации с помощью двух встречно включенных стабилитронов, шунтирующих частотозадающий дроссель в схеме генератора Ройера.

4. В качестве стабилизирующего элемента (балласта) в ЭПРА чаще всего используются ВЧ дроссели. Нередко используются схемы, в которых балласта в чистом виде нет, а для стабилизации режима лампы используется выходной трансформатор инвертора, намотанный в данных случаях на сердечниках с зазором (трансформатор рассеяния). Начиная с частоты около 1 кГц, динамические характеристики ЛЛ имеют вид прямых линий, т.е. лампы начинают работать без перезажиганий в каждый полупериод и форма тока через них точно соответствует форме напряжения на лампе (сопротивление на лампе приобретает чисто активный характер). Это позволяет, в принципе, использовать в качестве балласта простой конденсатор, как правило, гораздо более дешевый, чем дроссель. Однако на практике схемы с чисто емкостными балластами не встречаются, т.к. напряжение инверторов имеет прямоугольную форму и ток через цепь конденсатор – лампа будет иметь большие пиковые значения, соответствующие передним фронтам импульсов напряжения инверторов. Допустимым считается коэффициент формы тока (отношение амплитудного значения тока к действительному) не более 1,7.

5. Поджигающие устройства выполняют одну из наиболее сложных задач в ЭПРА – зажигание ламп и согласование режимов зажигания и горения. Как известно [20], напряжение зажигания () ЛЛ, как и всех газоразрядных приборов, значительно (в несколько раз) превышает напряжение горения (). При этом величина  зависит от ряда факторов – частоты питающего напряжения, наличия внешнего “стимулирующего” фактора (расположение ламп относительно изолированных или неизолированных металлических предметов, например корпуса светильника; облучение лампы ионизирующим, в том числе УФ излучением; использование “поджигающих” полос или прозрачных токопроводящих покрытий и т.п.), но в наибольшей степени – от температуры электродов лампы. Прогрев электродов, кроме снижения , согласно общепринятому представлению, приводит и к увеличению срока службы ЛЛ, так как включение лампы с холодными электродами вызывает ускоренное распыление активизирующих покрытий электродов и почернение приэлектродных областей колбы. При этом для зажигания ЛЛ на нее надо подать напряжение, в несколько раз превосходящие напряжение горения, а для максимального снижения напряжения зажигания необходимо предварительно прогреть электроды ЛЛ. Эти требования вызывают значительные усложнения схемы ЭПРА и тем самым его удорожание. Для решения этой задачи предложено и реализовано множество схемных решений. Например, при питание ЛЛ от сетей с частотой 50 Гц задача совмещения пускового и рабочего режимов (т.е. зажигание и стабилизации разряда) проще всего решается с помощью биметаллического стартера, шунтирующего разрядный промежуток ламп, включенных последовательно с индуктивным балластом. Однако при частотах выше 1 кГц индуктивность балластных дросселей становится столь малой, что запасенной в них энергии оказывается недостаточно для возникновения в лампах дугового разряда. Поэтому наибольшее распространение в ЭПРА получили к настоящему времени резонансные схемы зажигания, включающие последовательный дроссель в силовой цепи лампы и конденсатор в цепи накала. Если резонансная частота LC – контура, определяемая из соотношения:

 (43)

совпадает с первой гармоникой напряжения инвертора, то полное сопротивление контура этой гармоники будет определятся только сопротивлением электродов лампы и активным сопротивлением дросселя, и в контуре будет протекать ток, ограниченный этим полным сопротивлением. При этом электроды быстро прогреваются, а на реактивных элементах контура (L и C) возникает высокое резонансное напряжение, достаточное для пробоя разрядного промежутка и зажигания лампы при горячих электродах.

Благодаря своей простоте, резонансная схема зажигания применяется очень широко – не менее половины ЭПРА выпускаются именно с такой схемой. Однако, эта схема имеет ряд существенных недостатков: 1) высокое напряжение возникает на реактивных элементах схемы сразу после включения инвертора, т.е. лампа оказывается под напряжением при холодных электродах и зажигание лампы, благодаря этому, происходит при недостаточно прогретых электродах, что приводит к сокращению срока службы ЛЛ и сводит к нулю одно из существенных преимуществ ВЧ питания; 2) ток прогрева электродов может достигать значений, в несколько раз превосходящих допустимые, так как сопротивление холодных электродов значительно меньше, чем горячих, и это также приводит к преждевременному износу электродов и сокращению срока службы ламп; 3) большой ток прогрева вызывает необходимость использования силовых элементов инвертора с большими запасами по току и мощности, так как почти 100% выхода ЭПРА из строя происходит в моменты включения и первичной причиной отказа служит пробой транзисторов инвертора, из-за его перегрузки при прогреве электродов в резонансных схемах; 4) на реактивных элементах при резонансе возникает напряжение до 1 кВ, а иногда и выше, что требует использование конденсаторов, рассчитанных на работу при таких высоких напряжениях, и это, естественно, увеличивает не только их габариты и массу, но и цену.

Недостатки резонансной схемы привели к необходимости поиска альтернативных решений. Например, довольно часто используются схемы ЭПРА с двумя генераторами (инверторами). В них для прогрева электродов используется отдельный инвертор небольшой мощности, а основной инвертор включается с задержкой на 1,5÷4 секунды (в зависимости от мощности ламп) после прогрева электродов до необходимой температуры. Для создания на лампе напряжения, достаточного для её зажигания, параллельно лампе также может включаться конденсатор. Так как напряжение «горячего» зажигания в несколько раз ниже, чем «холодного», то рабочее напряжение конденсатора и нагрузка инвертора в пусковом режиме в такой схеме значительно ниже, чем в простой резонансной схеме. После зажигания ЛЛ инвертор подогрева электродов автоматически отключается. Известны также схемы ЭПРА, в которых для прогрева электродов и работы ламп используется один инвертор, работающий в двух режимах: пусковом и рабочем. При этом электроды прогреваются от специальных накальных обмоток выходного трансформатора инвертора через реактивные балласты, например, дроссели небольшой индуктивности. При включении инвертор работает на низкой частоте, пока не прогреются электроды. После прогрева электродов и зажигания лампы частота генерации автоматически увеличивается в 3÷4 раза, благодаря чему ток подогрева резко уменьшается и перегрева электродов не происходит.

Современная база электронных компонентов ЭПРА позволяет реализовать совмещение функций поджига и стабилизации разряда множеством других схемных решений. Интересно отметить, что почти все фирмы выпускают ЭПРА в вариантах холодного (“мгновенного”) и горячего (“щадящего”) зажигания ЛЛ. Если ЛЛ в течение суток включается не более 5 раз, то «холодное» зажигание не приводит к сколько-нибудь заметному снижению срока службы ламп. Очевидно, что поскольку “холодное” зажигание позволяет не только значительно упрощать схемы ЭПРА (и тем самым снижать их стоимость), но и экономить электроэнергию (примерно до 2 Вт ни каждой ЛЛ), то схемы с “холодным” зажиганием будут превалировать в будущем. Это подтверждается, в частности, тем обстоятельством, что одна из интересных и перспективных конструкций компактных ЛЛ – спиралевидная, изготавливается фирмами “Narva” (ФРГ), МЭЛЗ (Россия) и другими, с новым безопасным цоколем Н19, допускающим только “холодное” включение. Принципиальным недостатком “холодного” включения является невозможность регулирования светового потока ЛЛ.

В некоторых случаях [27] целесообразным является использование электронного балласта, когда ЛЛ запитывается постоянным током. Себестоимость таких балластов ниже, чем на переменном токе из-за более простых схемотехнических решений, а, следовательно, меньшего числа элементов (разумеется, при сохранении всех преимуществ и основных показателей, присущих электронным балластам). Следует отметить, что для достижения максимального потенциального срока службы ГРЛ, последние должны работать на переменном токе. Это делается для того, чтобы уровнять износ электродов во времени. В [28] отмечается, что при питании лампы постоянным током срок их эксплуатации снижается на 50% и составляет примерно 20000 часов. Однако при питании ЛЛ переменным током на срок эксплуатации оказывает определяющее влияние пик – фактор (отношение пикового тока к действующему значению тока), который лимитирует срок службы лампы также на уровне 20000 часов. Поэтому можно предположить, что срок эксплуатации ГРЛ, как при подключении к источнику постоянного тока, так и к источнику переменного тока приблизительно одинаков.

Кроме рассмотренных основных узлов, ЭПРА иногда содержит и другие. Например, в последние годы все большее количество ЭПРА снабжено схемой защиты от аварийных режимов (коротких замыканий в цепи нагрузки, длительной работы в напряженном пусковом режиме из-за неисправности лампы, напряжений на выходе инвертора при незажегшейся лампе или ее отсутствии, бросков сетевого напряжения и т.д.). Проще всего задача защиты от аварийных режимов решается с помощью так называемых “позисторов”, т.е. терморезисторов с большим положительным температурным коэффициентов сопротивления, включенным последовательно либо со всем ЭПРА, либо каким-нибудь из его функциональных узлов. Кроме такого “лобового” решения, часто применяются более или менее сложные устройства с датчиком тока, напряжения или температуры, автоматически отключающие ЭПРА при превышении соответствующим параметром своего заданного уровня.

Еще одним перспективным узлом ЭПРА могут быть устройства, позволяющие регулировать световой поток ЛЛ. Как известно [21], световой поток ЛЛ пропорционален среднему значению тока через лампу. Это среднее значение можно изменить несколькими путями: 1) изменением амплитуды выходного напряжения инвертора при неизменности его частоты, формы и параметров балласта; 2) изменением формы выходного напряжения инвертора при неизменности его частоты, амплитуды и параметров балласта; 3) изменением параметров балласта при неизменности выходных параметров инвертора; 4) изменением частоты выходного напряжения инвертора при неизменности прочих параметров;5) совокупностью изменения нескольких параметров. Для обеспечения стабильного горения при различных уровнях светового потока ЛЛ любым из перечисленных способов регулирования необходимо, чтобы эмиссия электронов из электродов лампы была достаточной для возникновения и поддержания разряда с заданным значением среднего тока. Это означает, что при изменении светового потока ЛЛ необходимо подогревать электроды так, чтобы, с одной стороны, их температура обеспечивала достаточную эмиссию электронов при минимальных токах разряда, а с другой стороны – чтобы не было перегрева электродов при максимальных токах. Таким образом, необходимо учитывать, что при работе ЛЛ в схемах с регулированием (с темнителями) возможно снижение срока их службы, если не предусмотрены специальные меры (Electric Reviy, Великобритания, 1986, № 16, С. 8).

На практике первый из указанных способов регулирования светового потока ЛЛ, несмотря на его очевидность, не используется. Как правило, регулирование светового потока требуется производить только в одну сторону - снижения. В номинальном режиме выходное напряжение инвертора распределяется между балластом и лампой примерно поровну. Для устойчивого горения лампы необходимо, чтобы падение напряжения на балласте было не менее 20% от суммарного напряжения. При этом напряжение на ЛЛ при изменении тока почти не изменяется (точнее – слабо растёт при уменьшении тока), поэтому выходное напряжение инвертора можно снижать лишь в очень небольших пределах (реально – меньше, чем в 2 раза), в результате чего диапазон регулирования светового потока ЛЛ при таком способе очень невелик.

Второй способ регулирования – за счёт изменения формы выходного напряжения – в настоящее время является наиболее распространённым. Созданы и выпускаются интегральные микросхемы, позволяющие изменять скважность (отношение длительности импульса к периоду следования импульсов) напряжения инверторов практически в любых пределах (так называемая “широтно-импульсная модуляция” или ШИМ). Некоторые фирмы, например американская фирма “International Rectifier”, выпускает такие микросхемы специально для использования в электронных балластах ЛЛ. За счет изменения формы тока (при дополнительном подкале электродов по мере снижения тока через лампу) реально достигается стократное регулирование светового потока ЛЛ.

Третий способ регулирования – путём изменения параметров балласта при неизменности выходных параметров инверторов – исторически появился раньше других. Здесь в качестве балласта используются дроссели переменной индуктивности. Обычно это двухобмоточные дроссели на замкнутых магнитных сердечниках, магнитная проницаемость которых изменяется в широких пределах (так называемые “магнитные усилители”). Пропуская через одну обмотку постоянный ток (ток управления), можно изменять магнитную проницаемость сердечника и, тем самым, индуктивность второй обмотки, которая и является собственно балластом. Для повышения чувствительности, т.е. для уменьшения тока управления, вводят положительную обратную связь, например, в виде диодов. Этот способ также позволяет изменять световой поток ЛЛ в довольно широких пределах (до 30 – 50 раз). В настоящие время такой способ регулирования применяется довольно редко, так как магнитные усилители являются достаточно габаритными и дорогими.

Регулирование светового потока за счет изменения частоты выходного напряжения инвертора при неизменности остальных параметров применяется реже второго и третьего способов, так как для достижения достаточно широкого диапазона регулирования требуется изменение частоты в широких пределах, что усложняет проблемы защиты от радиопомех, излучения ЛЛ, хотя технически реализация этого способа не вызывает затруднений.