УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСВЕЩЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H05B41/39 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам для освещения с применением люминесцентной лампы и электронной пускорегулирующей аппаратуры.

Известно устройство для освещения /см. патент США N 3 505 562, кл. 315-206/, содержащее люминесцентную лампу, силовой транзистор в качестве коммутирующего элемента, схему управления для включения и выключения коммутирующего элемента, которая содержит трансформатор и времязадающие RC- цепочки, величина напряжения на которых через схему сравнения /компаратор/ определяет состояние коммутирующего элемента. Если оно больше определенной величины, то силовой транзистор открыт, если меньше закрыт. Подобное устройство в литературе известно под названием "Блокинг-генератор". Отсутствие каких-либо отрицательных обратных связей делают работу люминесцентной лампы существенно зависимой от влияния внешних воздействующих факторов, например, температуры, и от изменений параметров схемы управления и самой люминесцентной лампы. В результате устройство имеет низкую эксплуатационную надежность.

Наиболее близким к изобретению является устройство для освещения, содержащее трансформатор, коммутирующий элемент, выполненный в виде силового транзистора, один выходной вывод которого /эмиттер/соединен с общим проводом, а второй /коллектор/ через первичную обмотку трансформатора с источником питания, компаратор, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через управляемый импульсный генератор ко входу коммутирующего элемента /к базе силового транзистора/, и цепь из последовательно соединенных люминесцентной лампы, вторичной обмотки трансформатора и конденсатора, один конец которой подключен к общему проводу /см. фиг.3 патента США 89 4385262, кл. 315-304/.

Наличие отрицательной обратной связи по току коммутирующего элемента, максимальная величина которого сравнивается с помощью компаратора с опорным напряжением и поддерживается стабильной с помощью изменения времени открытого состояния коммутирующего элемента, существенно повышает стабильность работы люминесцентной лампы и позволяет, изменяя величину опорного напряжения, регулировать режим ее работы.

Однако это устройство имеет следующие недостатки.

Предложенная схема контролирует максимальное значение тока коммутирующего элемента и стабилизирует это значение, при этом ток непосредственно через люминесцентную лампу не контролируется, а потому существенно зависит от параметров /и их изменений/ самой люминесцентной лампы. Обеспечение достаточной стабильности работы лампы в этом случае не представляется возможным. Кроме того, основным фактором, определяющим стабильность работы лампы, является не только стабильность максимальной величины тока через лампу, но и стабильность количества тока /электричества/, протекающего непосредственно через люминесцентную лампу, что также учитывается в данной схеме. Далее, ток лампы зависит от ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора, возникающей при выключении коммутирующего элемента /транзистора/, величина которой непосредственно определяется временем его выключения. Воздействие внешних факторов может существенно изменять это время выключения транзистора, что ведет к изменению ЭДС самоиндукции и ухудшению стабильности работы люминесцентной лампы.

Необходимо отметить, что реализация обратной связи по току силового транзистора достаточно сложна и требует большого количества элементов, что снижает надежность и увеличивает стоимость.

Кроме того, необходимость шунтирующего диода, включенного параллельно индуктивному элементу, увеличивает потери и, соответственно, уменьшает КПД устройства в целом.

Таким образом, задачей изобретения является повышение стабильности работы люминесцентной лампы, расширение диапазона регулирования светового потока. Одновременно достигается упрощение устройства и повышение коэффициента преобразования электрической энергии в световую.

Поставленная задача решается следующим образом.

В устройстве для освещения, содержащем трансформатор, коммутирующий элемент, один выходной вывод которого соединен с общим проводом, а второй через первичную обмотку трансформатора с источником питания, компаратор, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через управляемый импульсный генератор ко входу коммутирующего элемента, и цепь из последовательно соединенных люминесцентной лампы, вторичной обмотки трансформатора и конденсатор, один конец которой подключен к общему проводу, упомянутый генератор выполнен управляемым по длительности импульсов, второй конец указанной цепи соединен с од ним из выходных выводов коммутирующего элемента, а второй вход компаратора подключен к конденсатору таким образом, что при напряжении на нем больше напряжения источника опорного напряжения срабатывает компаратор.

Введение отрицательной обратной связи от конденсатора через компаратор и управляемый по длительности импульсный генератор на коммутирующий элемент позволяет более согласованно и эффективно использовать напряжение, возникающее в обмотках трансформатора и на конденсаторе. При этом соответствующий выбор коэффициента трансформации, т.е. соотношения витков между первичной и вторичной обмотками, например,повышающий для небольших значений напряжения питания и понижающий для значительных величин, и стабилизация изменения /приращения/ напряжения на конденсаторе в течение времени действия импульса за счет изменения его длительности позволяет стабилизировать и количество электричества, прошедшего через люминесцентную лампу, и, как следствие, обеспечить надежное зажигание и необходимую стабильность работы лампы в широком диапазоне изменений как питающих напряжений и параметров люминесцентной лампы, так и значений дестабилизирующих факторов.

Ниже в описании работы устройства более подробно изложено, как с помощью заявляемого устройства решается поставленная задача.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства.

На фиг. 2 пример выполнения устройства с использованием блокинг-генератора. Устройство содержит коммутирующий элемент 1, транс форматор 2, имеющий первичную 3 и вторичную 4 обмотки, управляемый по длительности импульсный генератор 5, компаратор 6, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения 7, люминесцентную лампу 8, конденсатор 9 и источник питания 10 относительно общего провода 11. При выполнении устройства с использованием блокинг-генератора /фиг. 2/ оно содержит ключевой элемент 12, выполненный в виде транзистора, резистор 13 и конденсатор 14, являющиеся времязадающей RC-цепью, диод 15, выполняющий роль компаратора, и дополнительную обмотку трансформатора 16, формирующую опорное напряжение и обеспечивающую положительную обратную связь, необходимую для генерации импульсов.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При включении источника питания 10 коммутирующий элемент 1 с помощью сигнала от управляемого импульсного генератора 5 начинает периодически открываться во время действия импульса τои

и закрываться во время действия паузы τ_п. При этом на первичной обмотке 3 формируются напряжения, равные напряжению источника питания 10 во время τjи и ЭДС самоиндукции e_L во время закрытия коммутирующего элемента 1, т.е. во время τ_п.

Величина ЭДС самоиндукции e_L в первом приближении может быть определена как:

где: L индуктивность первичной обмотки 3;
Δi_L изменение тока в первичной обмотке 3, приблизительно равное максимальному значению тока через первичную обмотку 3 в течение τои

/ длительность импульса до "зажигания"лампы/;
Δt время выключения коммутирующего элемента 1.

До тех пор, пока в люминесцентной лампе 8 не произошло пробоя и она не "зажглась", можно считать, что ток во вторичной обмотке 4 равен нулю и трансформатор 2 работает в режиме холостого хода. При этом величина e_L в первичной обмотке 3 имеет максимальное значение и за счет трансформации во вторичной обмотке 4 также образуется максимальное значение вторичного напряжения, которое приложено к люминесцентной лампе 8 непосредственно, если люминесцентная лампа 8, вторичная обмотка 4 и конденсатор 9 образуют последовательную цепочку, оба конца которой соединены с общим проводом 11, или совместно с напряжением на первичной обмотке 3, если последовательное соединение этих элементов включено между общим проводом 11 и точкой соединения коммутирующего элемента 1 и первичной обмотки 3. При этом работа устройства идентична и в обоих случаях в полной мере решаются задачи изобретения. Необходимо отметить, что во втором случае напряжение в обмотках 3,4 могут быть использованы более согласованно и эффективно, что делает такое включение более предпочтительным. Например, при небольших величинах питающих напряжений ЭДС самоиндукции в первичной обмотке 3 может увеличить напряжение зажигания люминесцентной лампы 8 за счет суммирования с напряжением на вторичной обмотке 4, в результате чего возможно уменьшение коэффициента трансформации. А при значительных питающих напряжениях "зажигание" может быть осуществлено не за счет напряжения вторичной обмотки 4, а в основном за счет ЭДС самоиндукции, возникающей непосредственно в первичной обмотке 3. Таким образом, для заданного напряжения источника питания 10 практически всегда можно выбрать параметры первичной 3 и вторичной 4 обмоток трансформатора 2 такими, чтобы значение было достаточным для пробоя /"зажигания"/ люминесцентной лампы 8 в широком диапазоне питающих напряжений. После пробоя люминесцентной лампы 8 во время τ_п,, когда коммутирующий элемент 1 закрыт, конденсатор 9 через соответствующие обмотки 3,4 трансформатора 2 и люминесцентную лампу 8 заряжается за счет энергии, накопленной в трансформаторе 2 во время τ_и и возникающих на этой основе соответствующих напряжений в обмотках 3 и 4 до максимального значения Исmax. Эта величина в первичном приближении не зависит от параметров люминесцентной лампы 8 и величины τ_п,, а в основном определяется величиной, накопленной в трансформаторе 2 во время τ_и энергии и ее использованием, т.е. в основном зависит от напряжения источника питания 10, коэффициента трансформации трансформатора 2 и величины емкости конденсатора, т.е. определяется величинами, которые практически могут быть достаточно стабильными.

Формирование τ_п осуществляется с помощью управляемого импульсного генератора 5. Во время τ_и и открытом коммутирующем элементе 1 через первичную обмотку 3 протекает ток и в трансформаторе 2 происходит соответствующее накопление энергии. Напряжение на конденсаторе 9 Иcmax совместно с возникающим при этом напряжением на вторичной обмотке 4 оказывается приложенным к люминесцентной лампе 8 в обратной полярности по сравнению с напряжением, которое было приложено к люминесцентной лампе 8 во время τ_п.. Люминесцентная лампа 8 перезажигается и направление тока через конденсатор 9 изменяется на противоположное относительно тока во время τ_п, в результате чего конденсатор 9 через коммутирующий элемент 1 и люминесцентную лампу 8 перезаряжается от максимального значениям Иcmax до величины,равной опорному напряжению Uо.

При напряжении на конденсаторе 9 больше опорного напряжения срабатывает компаратор 6 и через управляемый импульсный генератор 5 закрывается коммутирующий элемент 1, формируя таким образом рабочую длительность импульса τ_и.

В общем случае τ_и меньше τjи

управляемого импульсного генератора 5 при включении устройства, т.е. до "зажигания" люминесцентной лампы 8 /режим холостого хода/. В течение τ_п коммутирующий элемент 1 закрыт и за счет энергии, накопленной в трансформаторе 2 во время τ_и происходит очередное изменение полярности напряжения на обмотках 3,4, прикладываемого к люминесцентной лампе 8, и ее перезажигание, после чего конденсатор 9 вновь заряжается до Иcmax и процесс повторяется.

Поскольку люминесцентная лампа 8, вторичная обмотка 4 и конденсатор 9 соединены последовательно, то ток заряда и разряда конденсатора 9 является и током через люминесцентную лампу 8 в одном и,соответственно, противоположном направлении. Это принципиально необходимо для нормальной работы люминесцентной лампы и исключения известного явления "катафореза", т.е. накопления паров ртути у одного из электродов, которое возникает при постоянной полярности напряжения на люминесцентной лампе 8.

Известно, что изменение /приращение/ напряжения на конденсаторе 9Δu_c во время τ_и в первом приближении может быть определено следующим образом

где: i_лл среднее значение тока, протекающего через конденсатор и через люминесцентную лампу в течение τ_и;
τ_и-рабочая длительность импульса, в течение которого люминесцентная лампа 8 перезажигается, а конденсатор 9 перезаряжается от Иcmax до Uо;
С величина емкости конденсатора 9;
Δu_c = u_cmax - U₀
Из описания работы устройства следует, что величина Δu_c в первом приближении равна const, что означает из выражения /1/
u_c•C = ( u_cmax - U₀)•C = i_лл•τ_и = const (2)
Поддерживая во время τ_и на постоянном уровне перепад /приращение/ напряжения на конденсаторе 9 за счет изменения длительности τ_и устройство обеспечивает необходимую стабильность /постоянство/ количества электричества i_лл•τ_и, протекающего через люминесцентную лампу 8 во время τ_и.

Для заданной величины τ_п при изменении, например, увеличении тока i_лл изменяется, а именно уменьшается τ_{и =}, при этом из выражения /2/ количество электричества, протекающего через люминесцентную лампу 8, равное i_лл•τ_и, будет неизменным, что обеспечивает стабильную работу люминесцентной лампы 8 и устройства в целом.

Практически это означает, в частности, что для новых люминесцентных ламп, имеющих большой коэффициент преобразования электрической энергии в световую, т. е. малое внутреннее сопротивление, устройство сформирует и небольшую длительность τ_и, которая при старении люминесцентной лампы 8 будет увеличиваться, и, таким образом, световой поток и работа люминесцентной лампы 8 будет стабилизироваться. При заданном /внешнем/ управлении /изменении/τ_п внутреннее сопротивление люминесцентной лампы 8 также изменяется, например, при увеличении τ_п ток i_лл соответственно уменьшается, но при этом количество электричества, протекающего через лампу в течение τ_и, за счет изменения /увеличения/τ_и поддерживается устройством неизменным, т.е. стабильным, но уже для другого, в данном случае, уменьшенного значения i_лл.

С помощью изменения τ_п устройство позволяет изменять режим работы люминесцентной лампы 8 в широком диапазоне изменений i_лл, поскольку для каждого значения /i_лл/ τ_п// за счет соответствующего изменения τ_и обеспечивается стабильный режим работы люминесцентной лампы.

Режим работы люминесцентной лампы 8 может быть изменен также при изменении величины опорного напряжения Uо, при этом также будет обеспечена стабильная работа за счет стабилизации i_лл• τ_и.

Использование напряжения на конденсаторе 9 в качестве сигнала отрицательной обратной связи существенно упрощает устройство, так как исключается необходимость в каких-либо преобразованиях сигналов, поскольку возможно непосредственное подключение конденсатора 9 ко входу компаратора 6.

Ключевой режим работы коммутирующего элемента 1,а также отсутствие потерь в цепи люминесцентной лампы 8 позволяет существенно повысить эффективность преобразования электрической энергии в световую. Поскольку вся потребляемая во время τ_и энергия либо используется на преобразование в световую непосредственно, либо накапливается в реактивных элементах трансформатора 2 и конденсаторе 9 и затем используется во время τ_п и τ_и соответственно.

Устройство, изображенное на фиг.2, в принципе работает аналогичным образом, однако имеет соответствующую специфику. При включении источника питания 10, поскольку напряжение на конденсаторе 14 равно нулю, транзистор 12 закрыт и конденсатор 14 через резистор 13 заряжается до открытия транзистора 12. В момент его открытия ток через первичную обмотку 3 трансформатора вызывает в обмотке положительной обратной связи 16 такое напряжение, которое вызывает дополнительное открытие транзистора 12 и перезаряд конденсатора 14.

В результате этого транзистор 12 будет находится в открытом состоянии в течение времени τjи

, т.е. до тех пор,пока не выйдет из насыщения, поскольку ток базы равен нулю из-за того, что конденсатор 14 заряжен. При выходе транзистора 12 из насыщения в первичной обмотке 3 ток начнет уменьшаться, а в обмотке 16 будет такое напряжение, которое будет еще более активно закрывать транзистор 12, т. е. будет формироваться τ_п,величина которой определяется величинами сопротивления резистора 13 и емкости конденсатора 14. В результате этого конденсатор 14 будет заряжаться, и как только величина напряжения на нем превысит напряжение на обмотке 16 транзистор вновь откроется, и процессы будут повторяться.

Таким образом формируется длительность τjи

и τ_п, а на первичной обмотке соответствующие напряжения: источника питания во время τjи и e_L во время τ_п, что обеспечивает необходимые e_L для пробоя /зажигания/ люминесцентной лампы 8.

После зажигания люминесцентной лампы 8 во время τ_п конденсатор 9 заряжается до Иcmax и разряжается во время τ_и до величины напряжения на обмотке 16. Когда напряжение /отрицательное/ на конденсаторе 9 будет достаточным для открытия диода 15, транзистор 12 начнет закрываться. В результате этого будет сформирована длительность импульса τ_и, которое меньше τjи

.

Следует также отметить, что расположение элементов внутри последовательной цепочки люминесцентная лампа, вторичная обмотка,конденсатор, может быть любым. Таким образом, из рассмотрения работы устройства следует, что задачи изобретения повышение стабильности, расширение диапазона регулирования светового потока, упрощение устройства, повышение КПД преобразования электрической энергии в световую решены, что и подтвердили результаты измерений экспериментальных образцов, выполненных на базе люминесцентной лампы типа КЛ7У/ТБЦ /компакт лампа, 7 Вт, универсальная, тепло-белой цветности/ и напряжении 12 В постоянного тока.

При потреблении 78 Вт / 1 потр 0,6 0,7 А/ лампа обеспечивала эффективный и стабильный световой поток, равный приблизительно световому потоку от лампы накаливания мощностью 7080 Вт.

Измерения осуществлялись визуально методом сравнивания освещенности от лампы накаливания и от люминесцентной лампы. Такая относительно высокая эффективность объясняется, в частности, импульсным режимом работы, а также тем, что глаз имеет разные постоянные времени нарастания и спада и для импульсного светового воздействия "работает" как пиковый детектор, поскольку постоянная спада больше, чем постоянная нарастания. Поэтому при скважности приблизительно три и частоте более 100 КГц глаз воспринимает ровное постоянное и значительное по величине свечение при относительно небольших потребляемых мощностях от источника питания /потребление происходит только во время τ_и/.

За счет изменения Uо и τ_п возможно на порядок уменьшение тока потребления /1 потр. >$Eapprox> 0,07 А/ при достаточно стабильной работе люминесцентной лампы.

Использование: в устройствах освещения с применением люминесцентной лампы и электронной пускорегулирующей аппаратуры. Сущность изобретения: устройство содержит трансформатор, первичная обмотка которого подключена через коммутирующий элемент к источнику питания, компаратор, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через управляемый импульсный генератор - к входу коммутирующего элемента. Управляемый импульсный генератор выполнен управляемым по длительности импульсов. К вторичной обмотке трансформатора подключены последовательно соединенные люминесцентная лампа и конденсатор, к которому подключен второй вход компаратора. 2 ил.

Устройство для освeщения, содержащеe трансформатор, коммутирующий элемент, один выходной вывод которого соединен с общим проводом, а второй через первичную обмотку трансформатора с источником питания, компаратор, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, а выход через управляемый импульсный генератор ко входу коммутирующего элемента, и цепь из последовательно соединенных люминесцентной лампы, вторичной обмотки трансформатора и конденсатора, один конец которой подключен к общему проводу, отличающееся тем, что упомянутый генератор выполнен управляемым по длительности импульсов, второй конец указанной цепи соединен с одним из выходных выводов коммутирующего элемента, а второй вход компаратора подключен к конденсатору таким образом, что при напряжении на нем больше напряжения источника опорного напряжения срабатывает компаратор.