Исследование двухламповой схемы включения люминесцентных ламп

Содержание работы

1. Изучить схемы включения люминесцентных ламп.

2. Изучить двухламповую схему включения люминесцентных ламп в сеть (ознакомиться с другими существующими схемами).

3. Исследовать электрические параметры индуктивной и емкостной цепи схемы (мощность схемы и лампы, напряжение схемы и на лампе, коэффициент мощности и коэффициент искажения схемы).

4. Определить параметры, указанные в п.3 для совмещенной схемы.

5. Исследовать светотехнические параметры индуктивной и емкостной схем (освещенность, яркость, световой поток, коэффициент пульсации светового потока).

6. Исследовать параметры, указанные в п.5 для совмещенной схемы.

7. По результатам экспериментов и вычислений построить графики.

 

Общие сведения

 

Люминесцентные лампы, как и большинство газоразрядных ламп, имеют падающую вольт - амперную характеристику, поэтому включаются в сеть только с балластным устройством.

Схема включения в сеть должна обеспечить зажигание лампы, нормальный режим ее работы, подавление радиопомех, а также улучшение коэффициента мощности. Совокупность всех элементов схемы включения лампы в сеть, обеспечивающая выполнение указанных функций, конструктивно оформленная в виде единого аппарата либо отдельных блоков, называется пускорегулирующим аппаратом (ПРА).

К первой, наиболее распространенной, группе относятся схемы и аппараты, предназначенные для питания люминесцентных ламп током промышленной частоты.

Ко второй группе относятся схемы и аппараты для питания люминесцентных ламп током повышенной частоты.

К третьей группе относятся схемы и аппараты для питания люминесцентных ламп постоянным током.

К четвертой группе – схемы и аппараты для регулирования яркости люминесцентных ламп.

Кроме этого, ПРА разделяются на классы в зависимости от температурного режима электродов лампы в период пуска:

1. ПРА холодного и мгновенного зажигания, когда отсутствует предварительный подогрев электродов.

2. ПРА с предварительным подогревом электродов, которые подразделяются на два подкласса – стартерные и бесстартерные.

Пускорегулирующие аппараты первой группы имеют условные обозначения, в которых отражены их конструктивно- эксплуатационные характеристики:

1. По составу и назначению входящих в аппарат элементов различают:

а) аппараты стартерные – УБ;

б) аппараты бесстартерные быстрого (горячего) пуска – АБ;

в) аппараты бесстартерные мгновенного зажигания – МБ.

2. По величине коэффициента мощности и фазе потребляемого из сети тока различают:

а) аппараты индуктивные, в качестве балласта используются индуктивные элементы (ток отстает по фазе от напряжения сети), маркируются буквой «И»;

б) емкостные аппараты, в качестве балласта используются индуктивно – емкостные элементы (ток опережает напряжение), обозначаются буквой «Е»;

в) аппараты компенсированные, маркируются буквой «К».

По конструктивному исполнению разделяются на аппараты встроенные (В) и независимые (Н).

Уровень шума, создаваемый ПРА, определяется по значению звуковой мощности. Различают аппараты с нормальным уровнем шума, (обозначение отсутствует), с пониженным уровнем шума (П), с особо низким уровнем шума (ПП).

Пример условного обозначения: IУБИ - 40/220-ВПП – 902 – аппарат одноламповой, стартерный,индуктивный, для ЛЛ мощностью 40 Вт, для включения в сеть 220 в, встроенного исполнения, с особо низким уровнем шума, серии 902.

На рисунке 3.1 показаны некоторые типы электромагнитных ПРА используемых в современных светильниках с люминесцентными лампами.

 

 

Рисунок 3.1 – Некоторые типы электромагнитных пускорегулирующих аппаратов для люминесцентных ламп

 

Для вновь разрабатываемых аппаратов используется новая система обозначения [9]. Например, балласты для люминесцентных ламп и газоразрядных ламп высокого давления (торговой марки) ТМ ASD: 1И20-А и 1И40-А предназначены для люминесцентных ламп типа T8/G13 мощностью 20 Вт и 40 Вт соответственно, диапазон напряжений в пределах 220 – 240 В, cos φ = 0,43 (это предполагает, в комплекте светильника, наличия устройств компенсации реактивной мощности); дроссели типа 1И125, 1И250, 1И400 предназначены для ГЛВД типа ДРЛ мощностью 125, 250 и 400Вт, напряжение питания 220 – 240 В, cos φ также равен 0,43.

В стартерных схемах включения чаще всего используются стартеры, приведенные в таблице 3.1 [elektr, asd].

 

Таблица 3.1 – Типы стартеров некоторых производителей

TDM ELECTRIC	TM ASD	OSRAM	PHILIPS
S2 4-22 Вт 110-240 В	S2 4-22 Вт 220-240 В	ST 151 BASIC 4-22W 127V	S2 4-22W SER 110-240V WH EUR
S10 4-80 Вт 220-240В	S10 4-65 Вт 220-240В	ST 111 BASIC 4-80W 220V	S10 4-65W SIN 220-240V WH EUR

 

В последнее время все большее распространение находят электронные ПРА, которые имеют определенные преимущества перед электромагнитными балластными устройствами. В первую очередь это снижение потерь в ПРА, уменьшение пульсаций светового потока и акустического шума, возможность увеличения световой отдачи и ряд других.

Для примера, на рисунке 3.2 приведен внешний вид электронного ПРА Navigator для двухламповой схемы включения люминесцентных ламп. На корпусе ЭПРА указаны основные характеристики и приведена схема подключения в сеть.

 

 

Рисунок 3.2 – Внешний вид электронного ПРА для двухламповой схемы включения люминесцентных ламп

По сути, электронные ПРА (ЭПРА) представляют собой источник вторичного электропитания, в конечном итоге выдающий ток прямоугольной формы высокой частоты.

В стандартный состав ЭПРА входят: фильтр электромагнитных помех; выпрямитель; блок коррекции формы тока и коэффициента мощности; сглаживающий фильтр; инвертор; балластное устройство.

Режим работы предусматривает три этапа: предварительный подогрев электродов лампы; подача импульса высокого напряжения (зажигание лампы); рабочий режим. Структурная схема ЭПРА приведена на рис.3.3.

 

Рисунок 3.3 – Структурная схема ЭПРА для люминесцентных ламп:

1-фильтр подавления радиопомех; 2- выпрямительное устройство;

3- корректор формы тока и коэффициента мощности; 4- блок управления; 5- инвертор (преобразует постоянный ток в прямоугольные импульсы частотой 20 – 40 кГц, выполняет функции усилителя мощности); 6- выходной каскад.

Большинство схем ЭПРА идентичны по составу и отличаются, в основном, схемой управления.

В блоке управления используются специальные интегральные микросхемы обеспечивающие: предварительный прогрев электродов лампы, зажигание, рабочий режим, стабилизацию параметров в рабочем режиме, защиту от аварийных режимов (перегрузка по току, работа при неисправных лампах или без них, короткое замыкание выходных цепей и т.д.). Кроме указанного выше, осуществляют стабилизацию тока лампы при колебаниях напряжения сети и коррекцию коэффициента мощности.

В некоторых ЭПРА, данный блок выполняет функцию регулирования светового потока люминесцентных ламп за счет изменения частоты преобразователя. При высокой частоте увеличивается световая отдача газоразрядных ламп. Это связано с длиной ламп (длиной дуги), чем короче длина дуги, тем значительнее эффект. Например, для люминесцентных ламп мощностью 36, 40 Вт примерно 10%, для ламп 18,20 Вт в пределах 15%, а для ламп 4 Вт до 40%. Но, следует иметь в виду, что ЭПРА значительно дороже ЭмПРА и это необходимо учитывать при оценке энергетической эффективности комплекта.

Устройство подавления радиопомех представляет собой П-образные или двойные П-образные фильтры, состоящие из дросселей и конденсаторов. Индуктивности находятся в пределах нескольких мГн, а конденсаторы емкостью до 1000 нФ. С этой же целью, устанавливается дополнительная емкость, порядка единиц нФ, между нулевым проводником и защитным проводником. При включении газоразрядных ламп через ЭПРА появляются гармонические составляющие тока высшего порядка, что приводит к снижению коэффициента мощности. Подавление гармоник высшего порядка и коррекция формы тока обеспечивает электромагнитную совместимость аппарата с питающей сетью.

В выпрямительном блоке используется мостовая схема выпрямления переменного тока частотой 50 Гц (устанавливается в случае работы комплекта от сети переменного тока).

Корректор, так же как и выпрямитель, устанавливается при работе от сети переменного тока. В его функцию входит формирование выходного тока правильной формы и коэффициента мощности близкого к единице. Чаше всего используются корректоры активного типа, представляющие собой транзисторные импульсные регуляторы, выполненные на базе преобразователя напряжения повышающего или понижающего типа. Кроме функций коррекции он выполняет функции стабилизатора или регулятора напряжения. В блоке коррекции, чаще всего, применяются мощные полевые транзисторы управляемые специальным устройством, в котором используются интегральные микросхемы (ИМС), отслеживающие форму тока.

Инвертор предназначен для преобразования постоянного тока в переменный ток высокой частоты прямоугольной формы (выше частоты звукового диапазона). На рисунках 3.4 и 3.5 приведены принципиальные схемы инверторов мостового и полумостового типа.

 

 

Рисунок 3.4 - Мостовая схема инвертора

 

Полумостовая схема (рис.3.5) находит наибольшее применение в связи с тем, что она имеет определенные преимущества перед мостовой схемой инвертора. Благодаря наличию конденсаторов в полумостах (вместо транзисторов VT3 и VT4, рис.3.4), обеспечивается защита схемы от вентильного режима разрядной лампы. Это дает возможность использования данной схемы и без выходного трансформатора, что несколько упрощает схему. В качестве силовых ключей используются биполярные или полевые транзисторы.

Рисунок 3.5 - Полумостовая схема инвертора

 

Выходной блок необходим для согласования выходных характеристик инвертора с пусковыми и рабочими характеристиками люминесцентных ламп. Чаще всего, в выходном блоке применяется схема, представляющая собой LC – контур, дроссель которого включается последовательно с лампой, а емкость включается параллельно лампе. В пусковом режиме схема обеспечивает требуемый импульс напряжения для зажигания лампы, а в рабочем режиме стабилизацию тока лампы (ограничение рабочего тока лампы, см. раздел 2.2). Конденсатор и дроссель образуют резонансный контур, частота которого соответствует частоте импульсов на выходе усилителя мощности.

Один из вариантов принципиальной схемы ЭПРА приведен на рисунке 3.6.

При использовании резонансной схемы следует иметь в виду, что наличие высокого уровня напряжения на реактивных элементах схемы сразу после включения инвертора, приводит к зажиганию лампы при недостаточно прогретых электродах, что приводит к значительному снижению срока службы источника света.

Для устранения этого недостатка применяется шунтирование лампы нелинейным резистором с положительным температурным коэффициентом (позистором), изменением частоты или выходного напряжения инвертора в период пуска лампы.

 

 

 

Рисунок 3.6 – Принципиальная схема электронного ПРА

 

 

Повторное включение лампы в сеть, при использовании позистора, возможно только после его охлаждения (в течение нескольких минут), что несколько ограничивает область применения данной схемы.

Варьирование частотой или уровнем выходного напряжения, в период пуска, осуществляется таким образом, чтобы обеспечить требуемый интервал времени прогрева электродов лампы (не менее 0,4 с). При этом, обеспечивается уровень выходного напряжения схемы ниже уровня напряжения зажигания лампы. Это возможно осуществить за счет увеличения частоты в 1.5-2 раза или уменьшения уровня напряжения путем амплитудного или широтно-импульсного регулирования.

В схемах включения люминесцентных ламп типа Т8 и в особенности Т5 применяются исключительно электронные балластные устройства.

Следует помнить, что в любых типах балластных устройств (ПРА) имеются потери, связанные со стабилизацией рабочих параметров. В связи с этим, энергетическая эффективность осветительных приборов оценивается мощностью комплекта (лампа вместе с ПРА). В электромагнитных аппаратах потери выше, чем в электронных балластных устройствах и, в зависимости от мощности источников излучения, могут достигать 50% от мощности ламп (чем меньше мощность источника света, тем больше доля потерь). В странах ЕС принята энергетическая классификация EEI, в которой регламентируются общее потребление мощности комплекта плюс ПРА (табл.3.2) [Клыков, свет. технол].

 

Таблица 3.2 - Классификация ПРА согласно индексу энергетической эффективности (по каталогу Vossloh-Schwabe)

Тип лампы	Т8	Т8	TC - L	TC-L	TC -D	TC - D	Тип балластного устройства	Требования к индексу EEI (энергетическая эффективность ПРА), %
Мощность лампы, Вт (50 Гц)
Мощность лампы, Вт (высокая частота)					16,5
Класс	Мощность, потребляемая комплектом (для различных видов ПРА с лампами приведенными выше), Вт
А1**	10,5	29,5	10,5		10,5	14,5	Регулируемый ЭПРА	91,4
А2							ЭПРА	88,9
А3							ЭПРА	84,2
В1							ЭмПРА	83,4 (предполагается запрет на использование в странах ЕС с 2017г.)
В2							ЭмПРА	79,5 (запрет на использование с 2017г.)
С							ЭмПРА	Запрещены с 2005 г.
D							ЭмПРА	Запрещены с 2002 г.

Примечание: А^** - приведенные значения мощности при диммировании светового потока лампы до 25% от номинального; все указанные нормативы выполняются при требуемых уровнях напряжения питания и соответствующем его качестве.

 

Для схем с использованием электромагнитных ПРА, наиболее распространенным способом повышения коэффициента мощности схемы и уменьшения пульсации светового потока является применение в одном светильнике равного количества индуктивных и индуктивно-ёмкостных балластов. Такие схемы включения газоразрядных ламп получили наименование «схем с расщепленной фазой».

На рис. 3.7 приведена двухламповая схема включения люминесцентных ламп с расщепленной фазой, где лампа EL2 включена с индуктивным балластом (LL2), а лампа EL1 - с индуктивно- ёмкостным балластом (С_б + LL1).

Рисунок 3.7 – Двухламповая схема включения люминесцентной лампы

 

Так как ток I₁ (см. рис. 3.8) отстает от напряжения сети U на угол 60°, а ток I₂ опережает его на 60°, то общий ток схемы I почти совпадает по фазе с напряжением сети, а коэффициент мощности схемы близок к единице (0,95).

В результате сдвига токов световые потоки ламп сдвинуты один относительно другого на 120°, что равносильно включению двух ламп с индуктивными балластами на разные фазы сети. Это обусловливает снижение пульсации светового потока по сравнению с одноламповой схемой примерно в 2,5 раза.

 

Рисунок 3.8 – Векторная диаграмма двухламповой схемы

 

Емкость балластного конденсатора в двухламповых схемах с расщепленной фазой равна или несколько меньше емкости конденсатора для повышения коэффициента мощности в одноламповой индуктивной схеме. Поэтому применение схем с расщепленной фазой позволяет снизить емкость конденсаторов не менее чем в 2 раза.

Третье преимущество двухламповой схемы включения ЛЛ состоит в том, что уменьшается изменение светового потока в зависимости от напряжения сети. Так, для индуктивной схемы при изменении напряжения на 10% световой поток изменяется на 15 %, а для индуктивно- ёмкостной схемы – на 7-8 %. Таким образом, общая стабильность светового потока выше, чем для одноламповой схемы.