УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП Российский патент 1997 года по МПК H05B41/28 

Изобретение относится к электротехнике и может служить для питания газоразрядных ламп, например, осветительных люминесцентных ламп.

При питании люминесцентных ламп от промышленной сети вследствие их малой инерционности (по окончании действия импульсов напряжения заряженные частицы в лампе исчезают за 4-6 мс и проводимость лампы уменьшается постепенно) они зажигаются и гаснут каждые полпериода (100 раз в секунду) [1] Пульсации светового потока достигают 25-40% Глаз перемен на замечает, но это отрицательно влияет на зрение и вызывает утомление (Горенштейн М.Д. Справочник электромонтера, т. 1, Новосибирск. 1983, с. 77).

Исследования влияния пульсаций светового потока газоразрядных ламп, питаемых током промышленной частоты,на функции зрения, электрическую активность мозга, производительность труда и утомляемость (Ильянюк В.А. Самсонова В.Г. Влияние пульсирующих источников света на электрическую активность мозга человека. Светотехника, 1963, N 5, с. 1-5; Кроль Ц.И. К вопросу ограничения колебаний светового потока в промышленных осветительных установках. Светотехника, 1963, N 6, с. 7-13) показали, что увеличение глубины пульсаций сказывается отрицательно на зрительную работу и повышает утомляемость. Повышение глубины колебаний светового потока с 5 до 55% приводит к снижению функций зрения на 24-28%
Повышение частоты колебаний светового потока источников света оказывает благоприятное действие на человека. В исследованиях, проведенных в производственных условиях (Масекене К.С. Исследование работоспособности в условиях промышленной осветительной установки на повышенной частоте. Светотехника, 1968, N 8, с. 5-7; Масекене К.С. Зрительная работоспособность при питании ламп током повышенной частоты. Светотехника,1967, N 10, с. 11-14), было показано, что при повышении частоты колебаний светового потока до 1050 Гц производительность труда повысилась примерно на 2% при одновременном снижении утомления по сравнению с вариантом питания осветительных установок током промышленной частоты с коэффициентом пульсации излучения 17% Кроме того, если интервалы между импульсами тока менее 4-6 мс, что с повышением частоты питания обеспечивается, увеличивается световая отдача и увеличивается срок службы ламп [1]
Известно устройства для зажигания газоразрядной лампы, содержащее балластный дроссель, включенный последовательно с газоразрядной лампой и вторичной обмоткой первого импульсного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу блока поджига через первый накопительный конденсатор. Кроме того, устройство содержит второй импульсный трансформатор поджига, первичная обмотка которого через второй накопительный конденсатор подключена к выходу блока поджига, а вторичная обмотка через защитный конденсатор к последовательно включенным вторичной обмотке первого импульсного трансформатора и газоразрядной лампе. Устройство подключено к зажимам питающей сети [2]
Однако после поджига импульсами питание лампы переходит на питание через балластный дроссель и вторичную обмотку первого импульсного трансформатора от сети промышленной частоты, т.е. данное устройство имеет большие пульсации светового излучения, а также низкий КПД за счет балластного устройства.

Известно устройство для зажигания газоразрядной лампы, содержащее последовательно соединенные балластную обмотку дросселя и вторичную обмотку импульсного трансформатора, которые подключены между первым зажимом сети и первой клеммой газоразрядной лампы. Другая цепь, состоящая из включенных последовательно зашунтированных первым накопительным конденсатором первичной обмоткой импульсного трансформатора, второго накопительного конденсатора и тиристора, зашунтированного в обратном направлении диодом, соединена со стороны катода тиристора со вторым зажимом сети, второй клеммой лампы и первым входом блока управления, второй вход которого подключен к общей точке первичной обмотки импульсного трансформатора и второго накопительного конденсатора, а выход к управляющему электроду тиристора. Кроме того, устройство содержит дополнительную обмотку на дросселе, включенную встречно относительно балластной обмотки между общими точками балластной обмотки дросселя и вторичной обмотки импульсного трансформатора, с одной стороны, и первого накопительного конденсатора и первичной обмотки импульсного трансформатора с другой [3]
Однако после поджига лампы импульсами ее питание производится через балластный дроссель и вторичную обмотку импульсного трансформатора от сети промышленной частоты. То есть данное устройство имеет большие пульсации светового излучения, а также низкий КПД за счет потерь энергии на балластном дросселе.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является устройство для питания газоразрядной лампы, содержащее газоразрядную лампу, источник постоянного тока, питающийся от сети переменного тока, конденсатор фильтра, электронный ключ, генератор прямоугольных импульсов, импульсный повышающий трансформатор (автотрансформатор), подключенный первичной обмоткой к выходу блока поджига, буферный диод, включенный параллельно лампе и вторичной обмотке импульсного трансформатора, стабилитрон, включенный параллельно электронному ключу, замыкающий контакт реле тока, катушка которого включена в цепь тока разряда между выходом источника постоянного тока и анодом газоразрядной лампы [4]
Недостатками прототипа являются возможность питания газоразрядной лампы импульсами только одной полярности, что сокращает срок службы газоразрядной лампы. Наличие реле постоянного тока, т.е. механического переключателя схемы устройства для питания газоразрядной лампы, что снижает надежность прототипа.

Задачей, решаемой данным изобретением, является создание устройства для зажигания газоразрядной лампы без коммутации схемы устройства и питания газоразрядных ламп с малой величиной пульсации светового излучения и высоким КПД, за счет питания газоразрядной лампы импульсами тока повышенной частоты (до нескольких килогерц), проходящих через газоразрядную лампу в обоих направлениях для увеличения ее ресурса.

Это достигается за счет того, что в устройство, содержащее источник постоянного тока, накопительный конденсатор, первый электронный ключ, первый импульсный трансформатор, газоразрядную лампу и генератор прямоугольных импульсов, соединенный первым выходом с управляющим входом первого электронного ключа, причем первый вывод источника постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора, первый вывод первого электронного ключа и генератор прямоугольных импульсов имеют общую земляную шину, кроме того, второй вывод первого электронного ключа соединен с первым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора, дополнительно введены второй электронный ключ, второй импульсный трансформатор, первое и второе коммутирующие устройства и соответственно для схемы управления первым и вторым коммутирующими устройствам, причем второй выход источника постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, а также со вторым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора и первым выводом первичной обмотки второго импульсного трансформатора, второй вывод которой соединен с первым выводом второго электронного ключа, а второй вывод второго электронного ключа соединен с первым выводом газоразрядной лампы и с общей земляной шиной; второй выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющим входом второго электронного ключа; первые выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов соединены с общей земляной шиной, причем в одном из них этот вывод должен быть началом обмотки, а в другом трансформаторе концом обмотки; вторые выводы вторичных обмоток первого и второго импульсных трансформаторов соединены с первыми выводами соответственно первого и второго коммутирующих устройств, а вторые выводы первого и второго коммутирующих устройств соединены между собой и со вторым выводом газоразрядной лампой; третьи обмотки первого и второго импульсных трансформаторов соединены через схемы управления первым и вторым коммутирующими устройствами с управляющими входами соответственно первого и второго коммутирующих устройств.

Сравнение с техническими решениями, известными из опубликованных источников информации, показывают, что заявляемое техническое решение обладает новизной и имеет изобретательский уровень.

На фиг. 1 изображена структурная схема заявляемого устройства; на фиг. 2 временные эпюры напряжений в заявляемом устройстве в режиме поджига и питания газоразрядной лампы,
где U_вх1 управляющее напряжение первого электронного ключа; U_вх2 управляющее напряжение второго электронного ключа; U_п1 - напряжение пробоя на выходе первого коммутирующего устройства; U_п2 - напряжение пробоя на выходе второго коммутирующего устройства; U_пΣ - напряжение пробоя на газоразрядной лампе; U_pΣ рабочее напряжение на газоразрядной лампе.

Устройство содержит источник 1 постоянного тока, накопительный конденсатор 2, генератор 3 прямоугольных импульсов, первый 4 и второй 5 электронные ключи, первый 6 и второй 7 импульсные трансформаторы, первое 8 и второе 9 коммутирующие устройства, схемы управления первым 10 и вторым 11 коммутирующими устройствами и газоразрядную лампу 12, причем первый выход источника 1 постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора 2, первые выводы первого 4 и второго 5 электронных ключей, генератор 3 прямоугольных импульсов, первые выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов 6 и 7 и первый вывод газоразрядной лампы 12 имеют общую земляную шину; второй выход источника 1 постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора 2 и первыми выводами первичных обмоток первого 6 и второго 7 импульсных трансформаторов, вторые выводы которых соединены соответственно со вторыми выводами первого 4 и второго 5 электронных ключей; первый и второй выходы генератора 3 прямоугольных импульсов соединены соответственно с управляющими входами первого 4 и второго 5 электронных ключей. Кроме того, вторые выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов 6 и 7 соединены соответственно с первыми выводами первого 8 и второго 9 коммутирующих устройств, причем, если первое коммутирующее устройство 8 соединено с началом вторичной обмотки импульсного трансформатора 6, то второе коммутирующее устройство 9 должно быть соединено с концом вторичной обмотки импульсного трансформатора 7; вторые выводы коммутирующих устройств 8 и 9 соединены между собой и со вторым выводом газоразрядной лампы 12. Управляющие входы первого 8 и второго 9 коммутирующих устройств соответственно соединены через схемы управления первого 10 и второго 11 коммутирующих устройств с третьими обмотками первого 6 и второго 7 импульсных трансформаторов.

Заявляемое устройство работает следующим образом.Генератор 3 прямоугольных импульсов, имеющий два выхода, подает попеременно импульсы на управляющие входы электронных ключей 4 и 5 импульсы, имеющие скважность больше 4 для каждого из них в соответствии с эпюрами напряжений на фиг: 2 (U_вх1 и U_вх2). В момент открытия электронного ключа, например первого, на третьей обмотке первого импульсного трансформатора 6 появляется напряжение, которое в схеме 10 управления первым коммутирующим устройством формируется в запирающее напряжение и подается на управляющий вход первого коммутирующего устройства 8. В результате этого устройство остается закрытым, ток во вторичной обмотке отсутствует и энергия тока первичной обмотки запасается в первом импульсном трансформаторе 6 в виде магнитного поля. После окончания импульса с выхода генератора 3 первый электронный ключ 4 закрывается, в результате чего за счет ЭДС самоиндукции на третьей обмотке меняется полярность наведенного напряжения и схема 10 управления первым коммутирующим устройством формирует напряжение, открывающее первое коммутирующее устройство 8. ЭДС самоиндукции вторичной обмотки первого импульсного трансформатора 6 через открытое первое коммутирующее устройство 8 поступает на газоразрядную лампу 12. В начале нагрузка мала, так как газоразрядная лампа в первоначальный момент не горит, поэтому ЭДС самоиндукции достигает высоких значений и пробивает газоразрядную лампу. Пробой продолжается до тех пор, пока не израсходуется магнитная энергия, запасенная в магнитопроводе первого импульсного трансформатора 6, после чего напряжение на третьей обмотке падает и первое коммутирующее устройство 8 запирается и эта часть схемы устройства приходит в исходное состояние. После этого генератор 3 выдает импульс (U_вх2, фиг. 2) на второй электронный ключ 5 и по первичной обмотке второго импульсного трансформатора 7 начинает протекать ток, второе коммутирующее устройство закрыто, так как схема 11 управления вторым коммутирующим устройством формирует запирающее напряжение, снимаемое с третьей обмотки второго импульсного трансформатора 7. После закрытия второго электронного ключа 5 открывается второе коммутирующее устройство 9 и пропускает ЭДС самоиндукции вторичной обмотки второго импульсного трансформатора 7, причем полярность э.д.с. противоположна по знаку ЭДС самоиндукции вторичной обмотки первого импульсного трансформатора 6 (см. фиг. 2, U_п1, U_п2, U_пΣ ). В результате действия ЭДС самоиндукции вторичной обмотки второго импульсного трансформатора 7 газоразрядная лампа 12 пробивается снова, но ток в ней уже течет в другую сторону. В результате этих пробоев в газоразрядной лампе 12 образуется плазма и ее внутреннее сопротивление уменьшается, в результате чего уменьшаются и значения ЭДС самоиндукций, наводимых на вторичных обмотках импульсных трансформаторов 6 и 7, пока не достигнут рабочих значений (см. фиг. 2, U_pΣ ).

Для выполнения заявляемого устройства могут быть использованы высоковольтные транзисторы типа КТ828А, КТ838А, КТ846А и другие, импульсные трансформаторы с ферритовыми сердечниками, схема генератора прямоугольных импульсов может быть любой, обеспечивающей возбуждение электронных ключей, и последовательность может быть любой, обеспечивающей возбуждение электронных ключей и последовательность импульсов в соответствии с фиг. 2, следовательно, заявляемое техническое решение является промышленно применимым.

Макет, созданный автором согласно структурной схемы (фиг. 1),показал КПД не ниже 75% для лампы ЛБ40. Частота генератора прямоугольных импульсов в макете составляла 4,5 кГц. Импульсные трансформаторы были изготовлена на двух Ш-образных ферритовых магнитопроводах М2000КМ Ш10х10.

Использование изобретения позволит повысить КПД устройства для питания газоразрядных ламп, снизить пульсации светового излучения и этим самым снизить утомление зрения, уменьшить расход меди по сравнению с балластной схемой устройства питания газоразрядной лампы ввиду незначительного количества витков в импульсных трансформаторах, а также позволит отказаться от применения вольфрама для изготовления нитей накаливания для разогрева газоразрядных ламп. Кроме того, так как рабочее напряжение газоразрядных ламп в предлагаемом устройстве не привязано к напряжению источника питания (например, к напряжению базовой сети), то возникает возможность конструировать газоразрядные лампы с почти любыми соотношениями длины газоотводной трубки к ее диаметру.

Сущность изобретения: устройство содержит источник постоянного тока с накопительным конденсатором, к которому параллельно подключены первичные обмотки двух импульсных трансформаторов, причем каждая из них через свой электрический ключ, управляемый от генератора прямоугольных импульсов. Газоразрядная лампа подключена к вторичным обмоткам импульсных трансформаторов через соответствующее коммутирующее устройство, управляемое от третьей обмотки соответствующего импульсного трансформатора. 2 ил.

Устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее источник постоянного тока, накопительный конденсатор, газоразрядную лампу, первый импульсный трансформатор, первый электронный ключ и генератор прямоугольных импульсов, соединенный первым выходом с управляющим входом первого электронного ключа, причем первый вывод источника постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора, первый вывод первого электронного ключа и генератор прямоугольных импульсов имеют общую земляную шину, кроме того, второй вывод первого электронного ключа соединен с первым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй импульсный трансформатор, второй электронный ключ, первое и второе коммутирующие устройства и соответственно две схемы управления первым и вторым коммутирующими устройствами, причем второй выход источника постоянного тока соединен с вторым выводом накопительного конденсатора, а также с вторым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора и первым выводом первичной обмотки второго импульсного трансформатора, второй вывод которой соединен с первым выводом второго электронного ключа, а второй вывод второго электронного ключа с первым выводом газоразрядной лампы и с общей земляной шиной, второй выход генератора прямоугольных импульсов с управляющим входом второго электронного ключа, первые выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов с общей земляной шиной, причем в одном из них этот вывод должен быть началом обмотки, а в другом концом обмотки, вторые выводы вторичных обмоток первого и второго импульсных трансформаторов соответственно соединены с первыми выводами первого и второго коммутирующих устройств, а вторые выводы первого и второго коммутирующих устройств соединены вместе и с вторым выводом газоразрядной лампы, третьи обмотки первого и второго импульсных трансформаторов соединены соответственно через схемы управления первым и вторым коммутирующими устройствами с управляющими входами соответственно первого и второго коммутирующих устройств.