Энергосбережение на современном этапе

Обобщенная структурная схема ПРА с ионизирующим генератором приведена на рис. 18. В этой схеме ток лампы состоит из двух составляющих . Причем основной источник питания с напряжением создает составляющую тока лампы и для ограничения этого тока служит балласт 1. Вспомогательный ионизирующий источник питания с напряжением создает лишь небольшую часть тока лампы , стабилизированного балластом 2. Все схемы с ионизирующим генератором могут быть получены из этой обобщенной схемы при использовании различных источников питания и типов балластов.

Если в качестве основного источника питания используется сеть с частотой 50 Гц, а балласт 1 представляет собой индуктивный или индуктивно-емкостный балласт, то имеют место индуктивные комбинированные ПРА, а в качестве ионизирующего источника напряжения используют источник напряжения повышенной частоты (1?100 кГц), включенный последовательно с ВЧ емкостным балластом. Ионизирующий источник создает на негорящей лампе повышенное напряжение, облегчающее ее зажигание, а при разгорании лампы типа ДРИ, облегчает ее перезажигание. Такие аппараты обеспечивают работу ламп при пониженном напряжении питания, например, в регуляторах яркости. При низких напряжениях питания, ионизирующий источник предотвращает глубокую деионизацию плазмы столба разряда во время паузы тока. Например, в индуктивном ПРА с ВЧ генератором, используемом в регуляторах яркости, параметры на ВЧ генераторе: = 250В, кГц, емкость ВЧ балласта С = 600 пФ. В момент пуска, за счет последовательного резонанса ВЧ напряжения на лампе возрастает до 350 ? 400В, что обеспечивает надежное зажигание ламп на всех уровнях яркости. В индуктивных ПРА с ВЧ генератором целесообразно модулировать его напряжение синфазно с напряжением питания так, чтобы максимум ВЧ напряжения совпадал с паузой тока . В регуляторах яркости это позволяет снизить мощность ВЧ генератора в 10?20 раз и расширить пределы регулирования светового потока до 1: 2000.

Если в обобщенной схеме ПРА с ионизирующим генератором (рис. 18) в качестве балласта 1 используется конденсатор С и запирающий фильтр, настроенный на частоту ионизирующего генератора, то можно получить схему ПРА с емкостным балластом и ВЧ ионизирующим генератором (рис. 25, а). В таком аппарате энергия поступает в лампу в основном от источника с частотой 50 Гц и напряжением , а ВЧ генератор поддерживает ионизацию столба плазмы в разряде во время паузы тока , что улучшает форму тока лампы и снижает пульсации светового потока.

Рис.25. Схема мостового модулятора лампы (а) и форма напряжения и тока в нем (б)

Принимая, что фильтр Ф обладает бесконечным сопротивлением для ВЧ тока и нулевым для тока , а конденсатор не пропускает низкочастотный ток , получим упрощенную систему уравнений для схемы емкостного ПРА с ионизирующим генератором [21]:

(42)

где - проводимость лампы.

Расчеты, проведенные по уравнениям (42), показали следующее: 1) удовлетворительная форма тока лампы (ЛЛ) достигается при токе ВЧ генератора J₂ / J_л ? 0,2, при этом пауза в токе не превышает 25 ?; 2) применение ВЧ генератора с модулированным выходным напряжением улучшает работу лампы, снижает пульсации ее светового потока, причем наилучшее снижение пульсации достигается при заполнение ВЧ током пауз в токе ; 3) частота ионизирующего генератора слабо влияет на основные параметры лампы (J_л, , пульсации светового потока), однако для эффективного разделения НЧ и ВЧ контуров ее целесообразно выбирать достаточно высокой (). Расчеты, проведены для ЛЛ мощностью 40 Вт (U_o = 193 В, U_п = 90 В), показали, что оптимальная частота повторения ионизирующих импульсов равна 4 кГц, при этом мощность ионизирующего генератора составляет всего 15% от мощности лампы . Необходимо учитывать, что параметры такого импульсного ПРА существенно зависят от типа ионизирующего генератора. Мощность ВЧ генератора минимальна, если в балласте 2 использованы только реактивные элементы, а применение реактивного балласта приводит к повышению мощности ВЧ генератора в 1,5?2 раза. Повышение стабильности работы схемы может быть осуществлено введением стабилизирующей обратной связи.

Полупроводниковые ПРА с динамической стабилизацией режима, называемые динамическими балластами, представляют собой различные полупроводниковые модуляторы. Отличительной особенностью таких балластов является наличие обратной связи, необходимой для стабилизации режима работы лампы, так как без обратной связи такие аппараты, как правило, неустойчивы. Если лампа подключается непосредственно к источнику постоянного напряжения, то такая схема, безусловно, является неустойчивой. Поэтому необходимо наличие быстродействующей обратной связи, управляющей напряжением источника питания, а постоянная времени последнего должна превышать 0,5?1 мс. Такая обратная связь затруднена и, кроме того, при питании лампы постоянным током приходится принимать целый ряд мер для предотвращения катафореза, что приводит к дополнительному усложнению аппарата.

Указанными недостатками не обладают ПРА, в которых лампа подключена к источнику через быстродействующий мостовой модулятор (рис. 25, а). Причем, при включении транзисторов VT1 и VT4 на лампу подается положительное напряжение U_л = U_п > U_o, а при включении транзисторов VT2 и VT3 - отрицательное напряжение U_л = - U_п (форма кривых напряжения и тока лампы показаны на рис. 25, б). В течение интервала времени происходит увеличение проводимости лампы, а в интервале проводимость снижается. Коэффициент амплитуды тока лампы К_а = J_{л max} / J_л не может быть меньше некоторой величины , которая зависит от напряжения U_п. Это накладывает жесткие ограничения на выбор возможных значений напряжения питания U_п. Например, если в соответствии с нормативной документацией для ЛЛ с = 40 Вт ограничить , то , и при , мкс и мкс частота f = 576 Гц. Однако, применение модулятора еще не делает схему ПРА устойчивой, так как при увеличени U_п или возрастает ионизация разряда и проводимость лампы, что ведет к нарастающему увеличению тока лампы. Поэтому для стабилизации среднего тока лампы J_{л ср} необходимо применение фильтра нижних частот. Периодом можно также управлять с помощью быстродействующего компаратора, запирающего модулятор. Таким образом, ПРА с мостовым модулятором может работать только в узком диапазоне напряжений U_п = (1,1?1,3) U_o и при низком уровне их пульсаций, что приводит к усложнению сглаживающих фильтров.

Менее жесткие ограничения на выбор напряжения питания накладывает схема ПРА, в которой последовательно с ЛЛ включен корректирующей дроссель L (рис. 26, а). При этом в интервале открыты транзисторы VT1 и VT2 и ток через лампу нарастает. Скорость нарастания тока определяется как инерционностью разряда, так и значением индуктивности L. В интервале происходит постоянный спад тока i_л 0. При запирании транзистора VT2 ток дросселя замыкается через транзистор VT4 и диод-стабилитрон VD1. В момент закрывается транзистор VT4. Стабилитрон VD2 предохраняет его от перенапряжений. Во втором полупериоде работают транзисторы VT2 и VT3. Для повышения стабильности работы модулятора, так же, как в предыдущей схеме, целесообразно введение стабилизирующей обратной связи.

Рис.26. Схема ПРА с мостовым модулятором и с корректирующими дросселем (а) и конденсатором (б)

И, наконец, в качестве еще одной разновидности схем ПРА с мостовым модулятором, рассмотрим схему с дополнительным емкостным балластом (рис. 26, б), в котором последовательно с ЛЛ включен корректирующий конденсатор небольшой емкости. При работе модулятора в интервале открыты транзисторы VT1 и VT4 и по лампе течет ток i_л > 0, который заряжает конденсатор C. В интервале все транзисторы закрыты и ток лампы i_л = 0, поэтому происходит частичная деионизация плазмы положительного столба разряда. Далее процесс повторяется при токе лампы противоположной полярности. В установившемся режиме параметры ПРА существенно зависят от емкости конденсатора C и напряжения питания . Для ЛЛ мощностью 40 Вт приемлемое значение коэффициента амплитуды тока лампы обеспечивается при U_п / U_o ? 1,15.

Таким образом, все три схемы полупроводниковых ПРА (рис. 26), работающих в режиме динамического балласта, обладают высоким к.п.д., обеспечивают достаточную стабилизацию режима работы ламп и не требуют применения громоздких и неэкономичных ЭМПРА. Наилучшими техническими параметрами, по мнению авторов [21], обдает модулятор с емкостным балластом, который обеспечивает почти прямоугольную форму тока лампы. В таком режиме плазма положительного столба разряда обеспечивает наибольший к.п.д. излучения. К тому же, модулятор с емкостным балластом не накладывает жестких ограничений на выбор напряжения источника питания.

Схемы комбинированных ПРА могут отличаться большим разнообразием. Приведем некоторые патенты, предлагающие схемы с ионизирующими генераторами.

Для снижения пульсаций светового потока ГРЛ ВД предлагается (пат. 4587460 США, 41/14, 41/26, опубл. 06.05.1986) запитывать ее в режиме горения от источника либо постоянного тока, либо ВЧ. Такая схема содержит источник переменного тока низкой частоты (50 Гц) и источник постоянного тока (или ВЧ), таймер и реле. В режиме зажигания лампа питается от источника переменного тока, а после зажигания лампа, с помощью контактор - реле, подключается к источнику постоянного тока.

В способе эксплуатации дуговой ГРЛ, питаемой от источника постоянного тока (пат. 4602193 США, НО5В 37/00, 39/00, опубл. 22.07.1986), когда возникают медленные изменения (девиации) силы света, в связи с нестабильностями характеристик дуги постоянного тока, предложено для их уменьшения подавать на лампу сигнал переменного напряжения, например с частотой 200 Гц при определенном напряжении, который модулирует ее световое излучение.

Известны способ и устройство для питания ГРЛ одновременно постоянным и переменным током (заявки 1217893 и 1217895 Японии, НО5В 41/29, 41/16, опубл. 31.08.1989) при которых в течение периода через лампу протекает сначала (_пс) постоянный ток J_пс с переменной составляющей J_пр, а затем (_пр) переменный ток. Если используется переменный ток с частотой 50 Гц, то устройство может быть выполнено на базе мостового выпрямителя с подключением лампы по резонансной схеме. Утверждается, что имеются соотношения между _пр / и J_пр / J_пс, при которых работа лампы стабильна.

Для питания ГРЛ с электродами холодного зажигания предложена схема (заявка 0247218 ЕПВ, НО5В 41/04, опубл. 02.12.1987) подключения лампы к сети переменного тока последовательно с балластом индуктивно-емкостного типа, содержащим дроссель или трансформатор с магнитным рассеянием. Для зажигания разряда используется выпрямительное устройство с ограничительным резистором, которое обеспечивает зарядку конденсатора в балластном устройстве. При подаче питающего напряжения к схеме на лампу прикладывается переменное напряжение с выхода балласта и постоянное напряжение, до которого заряжается балластный конденсатор. Под действием суммы этих двух напряжений происходит пробой разрядного промежутка и зажигание лампы.

В регулируемом ПРА для ЛЛ, подключенном к ВЧ или НЧ сети (пат. 5170099 США, НО5В 37/00, опубл. 8.12.1992), с целью обеспечения большей глубины регулирования яркости лампы, параллельно ей дополнительно подключен источник постоянного тока, поддерживающий стабильное горение разряда при малых токах разряда.

Индуктивность в цепи постоянного тока не создает падение напряжения и не входит в величину L_б, выполняя лишь роль сглаживающего фильтра. В перерывах между импульсами от С_б, питание лампы осуществляется за счет энергии дросселя через обратный диод. Можно предположить, что объединение переменного и постоянного источников в одну схему позволяют повысить надежность и согласовать нагрузку лампы при различных режимах ее работы. Относительно простые элементы схемы (диоды, конденсаторы, терморезисторы и другие), создающие постоянную составляющую на лампе и вводящие обратные управляющие связи (по току, по температуре, по емкости цепи), преобразуют лишь небольшую часть энергии и их влияние на технико-экономические показатели всей системы незначительны.

Комбинирование электромагнитных ПРА с полупроводниковыми элементами, даже при незначительном улучшении параметров, при массовом применении даёт большой экономический эффект, за счёт более высокого к.п.д. (выше 85%) и повышения световой отдачи ламп. В схемах комбинированных ПРА, кроме дросселей и конденсаторов могут использованы линейные и нелинейные полупроводниковые элементы: диоды, транзисторы и тиристоры.

Работа ГРЛ на повышенных частотах имеют целый ряд преимуществ, по сравнению с работой на частоте 50 Гц, например: уменьшение веса и габаритов ПРА; исключение акустических шумов от светильников и уменьшение радиопомех; снижение пульсаций светового потока; улучшение условий перезажигания разряда и повышение срока службы электродов; снижение потерь мощности в ПРА, за счёт повышения коэффициента мощности (эквивалента ) комплекта лампа - ПРА; повышение световой отдачи ламп; возможность регулирования светового потока ламп.

Для преобразования частоты наиболее перспективны электронные преобразователи на полупроводниковой основе, к.п.д. которых достигает 0,92?0,94. На рис. 27 показаны схемы дроссельного преобразователя (а) и двухтактного преобразователя (б), а также коммутационные регуляторы (в,г).

Рис.27. Принципиальные схемы полупроводниковых преобразователей частоты: а - дроссельный; б - двухтактный; в, г - коммутационные

Все эти схемы (рис. 27) выполняют одновременно три функци: выпрямление переменного напряжения сетевой частоты (на схемах для простоты не показаны); преобразование постоянного напряжения в переменное напряжение повышенной частоты (1?10 кГц); стабилизацию режима работы лампы с помощью конденсаторов и магнитных элементов. При работе лампы в схемах с повышенной частотой становится выгодным применение ёмкостного балласта. Если на частоте 50 Гц в среднем на каждый 1% изменения напряжения в сети при индуктивном балласте происходит изменение тока, мощности светового потока в среднем на 2%, а при ёмкостном балласте, при той же частоте, величине и характере изменения U_c параметры изменяются в среднем только на 1%.

С повышением частоты питающего тока меняется характер физических процессов, протекающих в лампах при их зажигании и в рабочем режиме. Чем выше частота питающего напряжения, тем меньший промежуток времени занимает процесс перезажигания разряда в лампе. Кривая напряжения при этом приближается к треугольной, кривая тока становится почти синусоидальной. С ростом частоты увеличивается световая отдача ламп, причем максимальный её прирост наблюдается в диапазоне 400?1000 Гц. При этом, начиная с 600 Гц световая отдача лампы становится практически одинаковой для всех типов балластов. Это позволяет использовать емкостной балласт, так как исчезает его основной недостаток - ухудшение формы кривой тока лампы. При работе ламп на ВЧ увеличивается на 20-30% срок службы и замедляется спад светового потока в процессе срока службы, существенно снижается вес ПРА.

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.

7. Особенности электронных пускорегулирующих аппаратов для разрядных ламп высокого давления

Лампы высокого давления (ЛВД) обладают рядом особенностей, обусловленных физическими процессами в столбе разряда и вносящих определенную специфику в основные функции ПРА:

1. В пусковом режиме ПРА должен обеспечить напряжение, достаточное для надежного зажигания ламп. Анализ пускового режима резонансного контура с ЛВД при прямоугольном питающем напряжении показывает [26], что в точке полного резонанса напряжение холостого хода в 2 ? 9 раз превышает напряжение питания контура. Так, если использовать для питания резонансного контура инвертор, применяемый в схемах с ЛЛ, то надежное зажигание металлогалогенных ламп (МГЛ) проблематично и приводит к необходимости существенного (3?4-кратного) запаса по допустимому току ключевых элементов ЭПРА по отношению к рабочему режиму, и, как следствие, к снижению надежности и большим тепловым потерям в режиме холостого хода. Наиболее ощутимо это становится при выходе лампы из строя или ее отсутствии, когда режим холостого хода существует продолжительное время.

2. За зажиганием лампы следует достаточно длительный процесс ее разгорания, составляющий для различных ЛВД от 2 до 6 мин. В течение этого времени напряжение на лампе растет от 20?30 В до номинального значения, составляющего 130 В, 100 В и 70 В, соответственно, для ламп ДРЛ, ДРИ и ДНаТ, при мощности 230?400 Вт (при работе ламп на 50 Гц). При ВЧ питании напряжение на лампах остается примерно тем же или снижается на 15?20%. В начале процесса разгорания лампы, ПРА работает в режиме, близком к короткому замыканию нагрузки, а ток в контуре с лампой ограничен лишь сопротивлением балласта. Нагрузка ВЧ инвертора ЭПРА в этом случае носит чисто реактивный (индуктивный) характер, а обратные диоды инвертора будут работать в наиболее напряженном режиме.

3. Продолжительность горения ЛВД на частоте 50 Гц определяется известным переходом работы лампы в циклический режим, из-за роста напряжения перезажигания. Повышение частоты питающего напряжения приводит к уменьшению и полному исчезновению пиков перезажигания, а механизм погасания разряда при ВЧ питании связан с нарушением условий устойчивости работы лампы в комплекте с ЭПРА. Наличие жидкой фазы в лампе и ее работа в условиях насыщенных паров в течение всего срока службы, обусловливают резкую зависимость всех характеристик от температуры. В отличие от ламп, работающих в условиях ненасыщенных паров (ДРЛ, ДРТ), имеющих «безразличные» и «медленные» вольт-температурные характеристики со слабой зависимостью напряжения от тока, лампы ДНаТ характеризуются резко возрастающей ВАХ для равновесной температуры разрядной трубки. При реальных значениях колебаний сетевого напряжения (более ± 5%) ВАХ комплекта ЭМПРА - ЛВД может выйти за пределы допустимого уровня мощности лампы. В ЭПРА дело обстоит еще сложнее, так как характеристическая кривая комплекта ЭПРА - ЛВД такова, что даже при стабильном питающем напряжении мощность лампы может увеличиваться на 92%, что совершенно недопустимо. Ограничение электрического режима ламп в общем случае возможно путем организации обратных связей по току лампы, напряжению на ней и ее мощности. Наилучший результат дает введение в ЭПРА цепи обратной связи по мощности лампы. Такая обратная связь способна ограничить мощность на нужном уровне, как при отклонениях питающего напряжения, так и при изменении напряжения лампы. Кроме того, наличие в составе ЭПРА обратной связи по мощности лампы увеличит срок ее службы, так как позволит работать с более высокими значениями напряжения на лампе (т.е. погасание произойдет в тот момент, когда «быстрая» ВАХ лампы станет касательной к внешней характеристике ВЧ балластного контура).

4. Препятствием для ВЧ питания ламп ВД могут быть и искажения разряда акустическими волнами. Явление стоячих волн давления (акустический резонанс) может приводить к искажениям разрядного канала. Генерация акустических волн на резонансных частотах будет иметь место, если управляющее воздействие достаточно велико, т.е. если подводимая к лампе мощность превышает некоторую пороговую величину. При проектировании ЭПРА для ЛВД необходимо учитывать, что искривление разрядного канала вследствие акустического резонанса зачастую приводит к локальному перегреву стенок разрядной трубки и ее растрескиванию. Кроме того, акустическому резонансу сопутствуют такие нежелательные явления, как увеличение напряжения лампы (а значит и ее мощности) и нестабильность светового потока. Рабочие частоты должны быть выбраны с учетом особенностей конкретного типа ламп (размеры разрядной трубки, давление буферного газа). Также имеется возможность устранения нежелательных проявлений акустического резонанса с помощью построения ЭПРА на основе генераторов качающейся частоты.

В структурной схеме ЭПРА для ГРЛ ВД имеются схожие элементы, аналогичные для ЭПРА ЛЛ, а также свои отличительные особенности (рис. 28):

1. Входной фильтр, кроме подавления радиопомех, генерируемых ЭПРА, служит для сглаживания ВЧ пульсаций потребляемого тока, возникающих при работе схемы активной коррекции формы потребляемого тока.

2. Выпрямление напряжения сети происходит в мостовом выпрямителе.

Рис.28. Структурная блок-схема электронного ПРА для ламп высокого давления

3. Схема активной коррекции формы тока решает одну из актуальных задач силовой электроники - обеспечение электромагнитной совместимости преобразователей с бестрансформаторным входным выпрямителем и емкостным фильтром с питающей сетью. Наличие выпрямителя с емкостным фильтром во входной цепи ЭПРА обусловливает низкий коэффициент мощности, не превышающий 0,5?0,7 и большой уровень высших гармоник потребляемого из сети тока. Резкое увеличение количества ключевых источников вторичного электропитания в ЭПРА ужесточает требования по электромагнитной совместимости их с сетью и ограничивает уровни высших гармоник потребляемого из сети тока. В качестве устройств коррекции формы потребляемого тока используют: 1) пассивные LC - фильтры, недостатком которых являются плохие массогабаритные показатели; 2) активное формирование синусоидального тока, совпадающего по фазе с питающим напряжением, что является наилучшим решением по электромагнитной совместимости ключевых источников с сетью. Анализ различных схем активной коррекции (рис. 29, а-в) показывает, что наиболее подходящей для использования в составе ЭПРА для ламп ВД является схема повышающего преобразователя (рис.29, в), которая обладает следующими достоинствами: 1) силовой транзистор имеет соединение истока (эмиттера) с общим проводом, чем облегчается схема формирования сигнала управления; 2) наличие реакторов в последовательной ветви обеспечивает фильтрацию ВЧ составляющих и сводит задачу коррекции коэффициента мощности к формированию модуля синусоидального тока через реактор; 3) максимальное напряжение на транзисторе равно выходному напряжению; 4) импульсный ток через силовой транзистор имеет меньшие значения, чем в других схемах; 5) схема может быть использована при мощностях до 2 кВт. При этом для нормальной работы схемы (рис. 29, в) необходимо, чтобы выходное напряжение превышало амплитудное значение сетевого напряжения. Работу в режиме пуска и спадов выходного напряжения, а также быстрый подзаряд емкости фильтра С_ф обеспечивает диод VD 2. Законы управления силовым транзистором в схемах активной коррекции формы потребляемого тока достаточно сложны. Как правило, для этой цели используется следящая широтно-импульсная модуляция с постоянным или адаптивным гистерезисом. В качестве задания используется сигнал, пропорциональный напряжению сети. Ток, потребляемый схемой коррекции, сравнивается с заданием при помощи компаратора, который и управляет силовым транзистором. В реальном случае сигнал задания является сложной функцией напряжения сети и выходного напряжения схемы, благодаря чему обеспечивается еще и стабилизация U_вых при входных и выходных возмущениях. Наличие стабилизирующей выходное напряжение обратной связи необходимо еще и для обеспечения работоспособности схемы корректора в режиме холостого хода (в противном случае возникшие перенапряжения приведут к выходу элементов схемы из строя). Кроме того, в схему могут вводиться обратные связи, обеспечивающие работу дросселя в граничном режиме, защиту силового транзистора от токовых перегрузок. Ряд специализированных интегральных схем, выпускаемых ведущими фирмами, позволяют относительно просто обеспечивать управление силовым транзистором схемы коррекции. Постоянство выходного напряжения при изменении напряжения сети в широких пределах будет благоприятно сказываться на стабильности работы и срока службы ламп. Кроме того, отпадает и сама необходимость анализа влияния отклонений питающего напряжения на характеристики балластного контура с лампой, что упрощает проектирование ПРА.

Пассивный блок коррекции коэффициента мощности может выполняться в следующих вариантах: 1) три последовательно соединенных диода, подключенных к выходу выпрямителя, и два сглаживающих конденсатора, включенных последовательно со средним диодом, также к выходу выпрямителя; 2) три последовательно соединенных диода, подключенных параллельно выходу выпрямителя, и два накопительных конденсатора, «плюс» одного из которых подключен к аноду верхнего диода, а «минус» - к минусовому выводу выпрямителя, «плюс» второго конденсатора связан с плюсовым выводом выпрямителя, а «минус» с катодом нижнего диода, между катодом нижнего диода и анодом среднего диода включен резистор.

4. Высокочастотный инвертор. Выбор схемы инвертора зависит от конкретного типа ГРЛ ВД. Так, например, для ртутно-кварцевых ламп ДРТ и ДРЛ, имеющих невысокие значения напряжения зажигания и горения, использование традиционной (для ЛЛ) полумостовой схемы (рис. 30, а) является приемлемым (рис. 31). Высокие напряжения зажигания для ламп МГЛ и ДНаТ обусловливают преимущество мостовой схемы инвертора (рис. 30, б) с вдвое большим выходным напряжением. Требуемое напряжение холостого хода при этом можно получить при в 2,42 раза меньшем пусковом токе, что положительно скажется на надежности и экономичности ПРА. Кроме того, в пользу мостовой схемы для ламп средней и большой мощности говорит и рост напряжения на лампах в течение срока службы. Фактором, до настоящего времени сдерживающим разработку ЭПРА для ЛВД, являлось отсутствие подходящей элементной базы для ВЧ инвертора таких ПРА. Появление на рынке силовой электроники мощных МДП- и IGBT-транзисторов и модулей на их основе [29] открывает возможности для разработки экономичных и надежных схем питания ЛВД. Формирование оптимального сигнала управления силовыми транзисторами требует использования внешнего возбуждения (в отличие от простых автоколебательных систем ЭПРА - ЛЛ), что неизбежно приводит к усложнению схем.

Имеются сообщения о повышении энергоэкономичности ламп при использовании тока определенной формы, например в ЭПРА (заявка 4439812 ФРГ, НО5В 41/36, опубл. 9.05.1996; заявка 4439885 ФРГ, НО5В 41/29, опубл. 8.11.1996) для питания ГРЛ предлагается использовать ток прямоугольной формы с регулируемой амплитудой, при этом лампа подключается к источнику постоянного тока и ПРА сдержит повышающий преобразователь постоянного напряжения - в постоянное, а также мостовой коммутатор и блок управления. Прямоугольная форма тока и напряжения обеспечивает работу лампы без токовых пауз и, одновременно реализует преимущества работы на постоянном токе и устраняет недостатки, связанные с катафорезом.

5. Система управления вырабатывает управляющие сигналы для ВЧ инвертора. Рабочая частота схемы выбирается в пределах «окон», свободных от акустических резонансов. Кроме того, на выбор рабочего диапазона частот накладывает ограничения элементная база ВЧ инвертора (транзисторы, диоды) и материал магнитного сердечника балластного дросселя. Эти ограничения не позволяют, при использовании для магнитопроводов ферритов широкого применения, поднять рабочую частоту выше 50 ? 60 кГц. Реализовать обратные связи, ограничивающие мощность лампы на допустимом уровне, можно следующими путями: частотной модуляцией; широтно-импульсной модуляцией; регулированием напряжения питания инвертора. В случае использования частотной модуляции увеличение мощности лампы приводит к увеличению рабочей частоты ЭПРА, росту сопротивления индуктивного балласта и снижению мощности до заданного уровня. Достоинством широтно-импульсной модуляции является постоянство рабочей частоты ЭПРА, что облегчает ее выбор в пределах свободных от акустических резонансов частотных «окон», но, одновременно, усложняет систему управления инвертором. Регулирование напряжения питания инвертора можно осуществить улучшить введением в схему активной коррекции формы потребляемого тока путем дополнительной цепи обратной связи, но для обеспечения широкого диапазона регулирования элементы схемы ЭПРА должны работать при повышенных напряжениях (400 ? 450 В). Схема системы управления может предусматривать возможность регулирования светового потока лампы. Перспективным представляется и использование для всех перечисленных целей микроконтроллеров, что позволит управлять лампой по более сложным алгоритмам, учитывающих все многообразие реальных эксплуатационных условий. В отдельную группу можно выделить ЭПРА, построенные по принципу совмещения в одном узле функций инвертора, создающего ВЧ напряжение питания лампы, и функции активной коррекции формы потребляемого из сети тока, такие аппараты применяют для ламп небольшой мощности.

Имеется устойчивая тенденция электронизации освещения на основе микропроцессорных ЭПРА, так как они имеют явные преимущества по сравнению с электромагнитными ПРА (ЭМПРА), в частности: экономичность, миниатюрность, универсальность, возможность плавного регулирования светового потока от 1 ? 100% с помощью цифровых технологий. Подобные ЭПРА имеют возможность автоматически «распознавать» подключенную к нему лампу и обеспечивать оптимальные электрические характеристики в пусковом и рабочем режимах. ЭПРА допускает более 1 млн включений ламп без ущерба для их срока службы, причем последний увеличивается в несколько раз по сравнению со стартерно-дроссельными схемами. По данным фирмы Osram, применение высокоэффективных ЭПРА, вместо обычных электромагнитных аппаратов, позволяет получить экономию электроэнергии на уровне 25?30%, а срок службы увеличить примерно на 50%.

Конструкции ЭПРА могут быть, по крайней мере, трех типов: низкочастотные, высокочастотные и гибридные (т.е. комбинации ЭПРА и ЭМПРА). Для высокой эффективности ПРА обязательными элементами являются различные виды инверторов для повышения частоты питающего тока и электронные блоки управления на базе микроконтроллеров, а также другая электроника, обеспечивающая регулирование, контроль, адаптацию и коррекцию коэффициента мощности. Управление транзисторами инвертора может осуществляться драйверами на интегральных микросхемах. При этом драйверы обеспечивают ждущее зажигание ламп (путем изменения частоты), регулирование и стабилизацию их мощности, а также ограничение тока ламп. Причем предусматриваются дополнительные микросхемы, которые исключают возможность сбоя работы драйвера (а, следовательно, и мигания ламп) при кратковременных снижениях мощности, связанных с провалами сетевого напряжения. Подобные ЭПРА позволяют реализовать сенсорные модуль-коммутаторы, в которых совмещены ИК-датчики движения (присутствия) и светочувствительные элементы, реагирующие на уровень естественного освещения. Такие интерактивные светорегулирующие системы могут сопрягаться с микропроцессорным управлением через компьютерные программы.

Рис.29. Схемы преобразователей для активной коррекции формы потребляемого лампой тока

Рис.30. Полумостовая (а) и мостовая (б) схемы инвертора напряжения

Электронные ПРА для разрядных ламп имеют следующие преимущества по сравнению с электромагнитными ПРА: исключение пульсаций светового потока ламп и предотвращение возникновения стробоскопического эффекта; создание благоприятного режима зажигания ламп; повышение на 10?20% светового потока ламп; повышение на 20?30% срока службы ламп; отсутствие мигания ламп в пусковом режиме; уменьшение расхода электроэнергии за счет значительного сокращения суммарной потребляемой мощности; возможность регулирования светового потока ламп.

Большинство ЭПРА работают в диапазоне частот 25?70 кГц. Целый ряд появившихся в последнее время новых источников света уже не могут работать в схемах с обычным ЭМПРА и рассчитаны на работу только с ЭПРА. Дополнительными преимуществами ЭПРА является возможность питания постоянным током (для аварийного освещения) и возможность регулирования светового потока. Учитывая изложенное, можно констатировать, что в перспективе энергосберегающая техника освещения должна базироваться на использовании ЭПРА.

Однако на современном этапе целесообразность использования ЭПРА в отечественных светильниках связана с вопросами стоимости и окупаемости. Например, стоимость одной лампы типа КЛЛ с комплектом встроенного ЭПРА мощностью 20 Вт (почти эквивалентной по световому потоку ЛН мощностью 100 Вт) составляет от 5 до 30 долларов. Цены ЭПРА фирм «Motorola» и «Helvar» для ЛЛ мощностью 29?36 Вт составляет около 30 долларов, а цена ЭМПРА для тех же ламп - не более 5 долларов.

В России, в настоящее время ЭПРА изготавливаются рядом предприятий: «СИТЭЛ» (Москва), «Элкомс» (Москва), «ЭЛиПС» (Москва), «ЭЛИЗ» (Фрязино), Ульяновским радиоламповым заводом и другими. Номинальные параметры и конструкции ЭПРА, выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами, примерно одинаковы. Как правило, комплекты ЭПРА изготавливаются в «монолитном» исполнении (т.е. не подлежат вскрытию, разборке и сервисному обслуживанию), а их принципиальные схемы фирмами не раскрываются, часто защищены патентами на изобретения и полезные модели, и имеют определенные «ноу-хау».