Электрик - электричество и энергетика

Эта статья опубликована на сайте Электрик - электричество и энергетика
  http://electrik.org/

URL этой статьи:
  http://electrik.org/news/article109.php

О ПИТАНИИ ЛАМП ДНЕВНОГО СВЕТА

Статьи / Самодельные устройства для освещения
Послано electrik 08 Мар, 2004 г. - 22:42

В.А.Маруфенко, г.Сумы
В последние годы на страницах периодических изданий появилось немало статей, посвященных проблемам питания ЛДС.
Зачастую авторы не решают проблем в совокупности, в результате чего на свет появляются схемы крайне простые, но безобразные с точки зрения медицины, или наоборот, обширные исследования по части пульсаций, проведенные на неудачных схемах запуска.

Все рассматриваемые в них вопросы можно разделить на две основные группы:
  • способы запуска ЛДС без использова ния нитей накала (а значит, и с перегоревшими нитями накала),
  • способы снижения вредных для здоро вья пульсаций светового потока ЛДС.
  • Зачастую авторы не решают этих проблем в совокупности, в результате чего на свет появляются схемы крайне простые, но безобразные с точки зрения медицины, ил и наоборот обширные исследования по части пульсаций, проведенные на неудачных схемах запуска. Не говоря уже о том, что иногда просто путают вредные для сетчатки глаз и нервной системы пульсации частотой 100 Гц с видимыми мерцаниями (связанными всего лишь с неустойчивостью рабочей точки на вольт-амперной характеристике лампы) или даже искажают сам принцип реактивного балласта [1]. В этой связи хотелось бы заметить В.П.Боровскому и О.Н.Партале (а также техническим редакторам журнала РА), что «... прикладываемое к лампе напряжение и проходящий через лампу ток смещены по фазе...» не бывают. ЛДС -практически активный потребитель электроэнергии. Смещение фаз происходит на балластном дросселе. Его для этого и устанавливают, и это - отнюдь не «недостаток схемы».
    Вообще применение в качестве балластных сопротивлений дросселей (а тем более ламп накаливания или резисторов) крайне нежелательно, так как на них рассеивается существенная активная мощность, что сводит на нет основное преимущество ЛДС- их экономичность. Например, стандартные пускорегулирующие дроссели для 40-ваттных люминесцентных светильников сами рассеивают около 10 Вт. При использовании же балластных конденсаторов необходимо применять в выпрямителе (для питания ЛДС постоянным током) диоды с большим допустимым импульсным током, но это с лихвой окупается экономичностью устройства. Недорогие и с достаточно большой удельной емкостью конденсаторы МБГО рассеивают в таких режимах единицы- десятки мВт.



    Схемы запуска ЛДС, не использующие нитей накала, можно разделить на две группы по способу получения высокого напряжения, умножители напряжения и схемы, использующие ЭДС, возникающую на индуктивном элементе. Схемы, подразумевающие доработку самих ламп, например, добавочные электроды снаружи, сразу отметем как неудачные, так как они требуют индивидуальной настройки каждой лампы, капризны при изменении давления, запыленности, влажности воздуха, а также сильно проигрывают и с точки зрения эстетики, и с точки зрения техники безопасности. Схемы с умножением напряжения достаточно просты и обеспечивают мягкий переход к номинальному режиму после запуска [2]. Но они содержат и существенные недостатки.



    Во-первых, в умножителях неэффективно используются диоды всех ступеней умножения кроме первой, в номинальном режиме (когда функцию вентилей они уже не выполняют) через них продолжает протекать рабочий ток лампы, причем не поочередно, как в мосте, а через все и непрерывно, то есть необходимо применять диоды даже более мощные, чем в первой ступени, в то время как «по назначению» они используются лишь несколько секунд в сутки.



    Во-вторых, в таких схемах лампа иногда «срывается» на тлеющий разряд (напряжение 400...500 В, ток - единицы миллиампер). Для смещения рабочей точки ЛДС с этого участка ВАХ достаточно обеспечить больший запас по току при напряжении 500 В, то есть увеличить емкость конденсаторов первой ступени, но это приводит к пропорциональному увеличению коэффициента пульсаций.' Вообще схемы с умножением напряжения характеризуются очень высоким коэффициентом пульсаций, для снижения которого до уровня ламп накаливания необходимо применять не менее двух стандартных пуско регулирующих дросселе и [2], что ведет, как отмечалось выше, к большим потерям активной мощности, или (при использовании дросселей той же индуктивности, но с меньшим сопротивлением) к непомерным габаритам и массе устройства. Использовать же в умножителях большие сглаживающие емкости тоже проблематично, киловольтные электролитические конденсаторы имеют очень большие габариты и стоимость, высокие активные потери, эффективность их работы такая же, как у диодов не первой ступени, в схемах с ними переход от запуска к номинальному режиму происходит грубо, с большими всплесками тока, плохо выставляется рабочая точка ЛДС.
    И наконец, в-третьих, и самое главное, что для уверенного запуска не которых ламп (что бы не утверждали авторы 111,121) требуется напряжение до 2000 В, то есть 4-ступенчатая схема умножения. А ведь очень заманчивым являлся бы запуск не одной, а хотя бы двух последовательно соединенных ЛДС. полнее используется напряжение сети (меньше необходимо гасить на балластном сопротивлении, пусть даже и реактивном), да и само конструирование подобных систем производится обычно какдоработ-ка стандартных светильников, содержащих как правило две лампы. Таким образом может потребоваться 6...7 ступеней умножения. А как известно, технические трудности, связанные с построением умножителей напряжения промышленной частоты, возрастают далеко не прямо пропорционально количеству ступеней.
    В этом отношении, безусловно, более перспективными являются схемы, в которых импульс высокого напряжения образуется на индуктивном элементе. Тогда поджигающее напряжение обусловлено только количеством витков высоковольтной катушки и без особых практических трудностей может достигать огромных значений. Кроме того подобные схемы обычно позволяют достаточно просто бороться с пульсациями.
    Очень интересной является схема Е.Черны-шенко [11 - прежде всего тем, что в отличие от описанного выше неэффективного использования элементов, в ней, напротив, самый громоздкий и дорогостоящий элемент-дроссель- используется '-дважды», и в качестве балластного сопротивления, и как катушка высокого напряжения, обеспечивающая пусковой импульс при резком снижении тока через нее. К сожалению, автор совершенно не уделил внимания проблеме пульсаций, но в случае применения того же принципа запуска к схеме питания ЛДС посто-янным током (рис. 1), их можно уменьшать практически неограниченно, увеличивая емкость С2 ( при С2 = 50 мкФ, L2 = 2,7 Г, коэффициент пульсаций Кп = 0,01 ). Здесь используется наиболее экономичный (как отмечалось выше) емкостной балласт С1, а дроссель L1 выполняет функции фильтра и высоковольтной катушки, обеспечивая при кратковременном замыкании и последующем размыкании S2 бросок напряжения, достаточный для запуска ЛДС EL1. При размыкании и последующем замыкании S1 лампа гаснет и больше не запускается (к ней прикладывается напряжение около 300 В) до следующего нажатия S2. Можно ввести и полное отключение схемы от сети, но в этом нет необходимости, ток, потребляемый в режиме «ОТКЛ», ничтожен (только утечка конденсатора С2 и обратные токи диодов моста VD1-VD4), срок службы электролитических конденсаторов, находящихся под напряжением постоянно, даже больше, чем у периодически отключаемых, а отмеченные выше броски тока через диоды моста будут происходить лишь при перебоях в электроснабжении (а не при каждом включении лампы).
    Кнопка S2 должна быть высоковольтной и быстродействующей (со щелчком), S1 -любая, но лучше-однотипные. Конденсатор (или батарея конденсаторов) С1 - типа МБГО или любой, выдерживающий сетевое напряжение. Его емкость в случае использования ЛДС мощностью 40 Вт и выше следует повышать (приведенное на схеме значение подходит для 18-, 20- и 30-ваттных ламп).
    У схемы остается лишь два недостатка.
  • в качестве L1 нежелательно использовать стандартные пускорегулирующие дроссели из-за существенной, как отмечалось выше, рассеиваемой ими активной мощности и их низковольтного исполнения (при пуске возможен межслойный пробой),
  • продолжительность замыкания S2 должна лежать в определенных пределах (слишком кратковременное нажатие приводит к прерыванию тока через L1, когда он еще не достиг своего максимального значения, то есть к уменьшению амплитуды пускового импульса, а слишком долговременное - к разряду С2 до напряжения, меньшего, чем напряжение в рабочей точке ЛДС, в результате чего она тоже не за пустится).
  • Разумеется, процесс запуска можно автоматизировать, но это сведет на нет основное преимущество данной схемы - ее простоту. Наиболее грамотной в техническом отношении является схема (рис.2), представляющая собой высокочастотный импульсный преобразователь напряжения с круто падающей нагрузочной характеристикой. Она свободна от всех недостатков подобных устройств и имеет следующие преимущества.
  • малые габариты и массу (отсутствие НЧ-дросселей и балластных элементов, трансформатор на ферритовом кольце),
  • возможность питания одним устройством любого (не ограниченного даже сетевым напряжением) количества ДДС, включенных последовательно,
  • возможность в широких пределах изменять яркость ламп, не снижая КПД и качество освещения,
  • возможность использования низковольтных источников энергии (например, автомобильного аккумулятора),
  • отсутствие катафореза в лампе (питание переменным током),
  • практически полное отсутствие вредных пульсаций, во-первых, на частотах свыше 25 кГц сказывается инерционность самого люминофора, а во-вторых, пульсации светового потока такой частоты уже не действуют на сетчатку и нервную систему человека.
  • Подробный расчет преобразователей на напряжения описан во многих учебниках и справочниках по конструированию РЭА (например, [3], [4]). Ниже приводятся лишь начальные условия.
    Рекомендуемая рабочая частота преобразователя 20...30 кГц, габаритная мощность импульсного трансформатора должна соответствовать суммарной мощности используемых ЛДС, амплитудное значение напряжения холостого хода - превышать их суммарное напряжение зажигания, а действующее значение тока короткого замыкания - совпадать с их номинальным током. При эксплуатации устройства (уже не меняя параметров трансформатора) яркость ламп можно в широких пределах регулировать скважностью импульсов. Управляющие импульсы на базы VT1,VT2 можно подавать с четырехфазного транзисторного или тирис-торного мультивибратора, а также от специального устройства на логических элементах, обеспечивающего подачу на два выхода равных по частоте и скважности импульсов, но сдвинутых по фазе на 180°.
    К сожалению, подобную схему не стоит рекомендoвать для повторения малоопытным радиолюбителям. Для питания одной-двух ламп ее построение может оказаться экономически нецелесообразным, дорогостоящие высоковольтные транзисторы, недорогое, но многоэлементное устройство управления, многовитковыи трансформатор на неразборном сердечнике в высоковольтном исполнении. Но при промышленном серийном производстве или при наличии только низковольтного источника энергии, или для питания большого числа ламп такая схема является наиболее удачным решением. И в заключение хотелось бы порекомендовать предельно простую малогабаритную и надежную (некапризную к условиям окружающей среды и замене элементов) схему с автоматическим запуском и малым коэффициентом пульсаций (рис.3), позволяющую питать до двух 30-...40- ваттных и до трех 18-...20- ваттных ЛДС. Она содержит емкостные балласт (С1) и фильтр (С2), мостовой выпрямитель (VD1-VD4), релаксационный генератор пусковых импульсов (R1,C3,VS1) и пускоре-гулирующий автотрансформатор (Т1). После включения С2 заряжается до амплитудного значения сетевого напряжения, а по истечении времени, определяемого C3R1, напряжение на СЗ достигает напряжения отпирания VS1 и происходит сброс накопленной в СЗ энергии через первичную обмоткуТ1. Во вторичной обмотке возникает импульс высокого напряжения, который, складываясь с напря- жением на С2, поджигает EL1. После выхода VS1, пусковые импульсы прекращают вырабатываться, а рабочий ток лампы проходит лишь через балластную ем кость, выпрямитель и вторичную обмотку Т1. Эта обмотка имеет небольшую (по сравнению со стандартными пуско-регулирующими дросселями) индуктивность, но и малые активные потери. Она почти не принимает участия в сглаживании пульсаций промышленной частоты, но достаточно разделяет ЛДС и конденсатор фильтра, обеспечивая «мягкий» запуск, а также сглаживает высокочастотные флуктуации тока, связанные с физическими процессами в Симой лампе, выравнивая световой поток, повышая КПД и устойчивость ее рабочей точки.
    Для изготовления автотрансформатора подойдет сердечник от любого низкочастотного трансформатора, дросселя, электромагнита с зазором и окном не менее 3 смг. Первичная обмотка должна обеспечить при разряде СЗ магнитную индукцию, близкую к насыщению сердечника (или несколько больше), а вторичная - необходимое для поджига EL1 напряжение при сопротивлении не более 10 Ом (намотка с межслойной изоляцией). Например, автором использовался сердечник от магнитного пускателя (короткозамкнутые витки на торцах удалены) сечением примерно 1 смг. Обмотка I содержала 20 витков провода ПЭЛ 0,51 мм, а обмотка II -1000 витков провода ПЭВ-2 0,315 мм.
    При питании одной 20-ваттной лампы с перегоревшими нитями накал а при указанных на рис.3 типономиналах получены следующие параметры:
    продолжительность запуска (неболее) 0,5 с;
    коэффициент пульсаций светового потока 4 %,
    суммарная рассеиваемая активная мощность (не считая самой ЛДС) 3,5 Вт
    Коэффициент пульсаций и рассеиваемую мощность можно снижать и дальше, увеличи-вая емкость С2 и диаметр провода вторичной обмотки Т1. Балластную емкость С1 необходимо (как и в схеме рис. 1) увеличивать при увеличении мощности и количества ламп. При использовании 80-ваттных ламп в выпрямителе следует использовать диоды с предельно допустимым средним током не менее 0,4А(КД209 и т.п.).
    Вообще, как отмечалось выше, схема не критична к изменению параметров используемых элементов в достаточно широких пределах. Необходимо лишь, чтобы их предельно допустимые значения — были не ниже, чем у указанных на рис.3, а также выполнялось неравенство.
    Uel< Uотп< 300 В, где Uel - сумма напряжений в рабо- чих точках используемых ламп, Uотп - напряжение отпирания VS1.
    В случае отсутствия динистора с не- обходимым напряжением отпирания в качестве VS1 можно использовать несколько низковольтных, включенных последовательно, шунтируя их резисторами с сопротивлениями 100 кОм, пропорциональными напряжениям отпирания соответствующего динистора ( равными, если все динисторы с одинаковыми буквенными индексами), или неоновую лампу с усилителем тока на высоковольтном транзисторе или тиристоре (если используется тиристор с большим Uобр макс, loc и макс и dI/dt макс, можно увеличить емкость СЗ и соответственно снизить количество витков в обмотках Т1, а также исключить защитный диод VD5).

    С вопросами можете обращаться по почте info@electrik.org [1] или посетив мой сайт: electrik.org [2].
    Всего хорошего.

    2004 г. Кузнецов Олег



    Ссылки в этой статье
      [1] info@electrik.org
      [2] http://electrik.org

       Rambler's Top100      
    Электрик © 2002-2008 Oleg Kuznetsov