ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ПИТАНИЯ РАЗРЯДНОЙ ЛАМПЫ Российский патент 1997 года по МПК H05B41/29 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электронным высокочастотным пускорегулирующим аппаратам для питания разрядных ламп (РЛ) низкого и высокого давления.

Известны пускорегулирующие аппараты, в которых в качестве генератора высокочастотного тока используется полумостовой транзисторный инвертор с трехобмоточным токовым трансформатором в качестве элемента управления инвертором (авт.св. СССР N 1403393, N 1473092, кл. H 05 B 41/24). Их недостатками являются высокие потери в транзисторах при их переключении.

Известны пускорегулирующие аппараты (патенты СССР N 1507215, N 1574187, кл. H 05 B 41/29, заявка Германии N 3835121, кл. H 05 B 41/29 прототип), в которых между точкой соединения обмотки токового трансформатора с коллектором первого транзистора и шиной питания включен конденсатор. Включение этого конденсатора снижает потери в транзисторах при переключении, однако они остаются весьма существенными, особенно в режиме пуска РЛ. Другим недостатком этого решения является сильная зависимость частоты генерации инвертора от времени рассасывания используемых транзисторов, что влечет за собой нестабильность рабочего тока РЛ.

Цель заявляемого технического решения снижение потерь в транзисторах при переключении и повышение стабильности частоты генерации инвертора.

Для достижения этой цели в пускорегулирующем аппарате, содержащем блок питания, узел запуска, полумостовой транзисторный инвертор, индуктивно-емкостную балластную цепь, узел зажигания РЛ и токовый трансформатор, первая и вторая обмотки которого соединены с базовыми и эмиттерными цепями соответственно первого и второго транзисторов, а третья обмотка включена между коллектором первого транзистора и входом балластной цепи, между точкой соединения второй обмотки с базовой цепью второго транзистора и одной из шин питания включен конденсатор. Предпочтительное значение емкости этого конденсатора составляет 500-3000 пФ, причем нижнее значение относится к устройствам для питания маломощных РЛ (P 4 Вт), а верхнее для РЛ мощностью порядка 80-100 Вт.

На чертеже приведена принципиальная схема заявленного устройства применительно к питанию РЛ низкого давления мощностью 13 Вт: 1 блок питания; 2 узел запуска; 3 инвертор; 4 балластная цепь; 5 узел зажигания РЛ; 6 введенный конденсатор.

Предпочтительные номиналы и типы элементов для реализации данного устройства, следующие: 6 конденсатор К73-9, 0,001 мкФ 630В; 7, 8 - конденсаторы К73-17, 0,047 мкФ 400В; 9 конденсатор К50-27, 10,0 мкФ 350 В; 10, 11 конденсаторы К73-9, 0,0022 мкФ 630В; 12, 13 резисторы С2-23, 1,0 мОм; 14, 15 резисторы С2-14, 2,0 Ом; 16 терморезистор ТРП-27, 180 Ом; 17 23 диоды КД243Е; 24,25 транзисторы КТ8136; 26 динистор КН104А; 27, 28, 29 обмотки токового трансформатора, по 5 витков на сердечнике диаметром 7 мм, материал 2000 НМ; 30 индуктивность 2 мГн; 31 индуктивность 3 мГн; 32 разрядная (люминесцентная) лампа.

При питании устройства от сети переменного тока блок питания 1 включает выпрямитель (диоды 17-20), сглаживающий конденсатор 9, и, в необходимых случаях, фильтры радиопомех на элементах 7 и 30. В блок питания 1 может также входить стабилизатор напряжения питания инвертора 3.

Узел запуска 2 может быть выполнен на релаксационном генераторе с использованием элементов 10, 12, 13, 21, 26.

Балластная цепь 4 включает дроссель 31 и разделительный конденсатор 8 и должна на рабочей частоте инвертора 3 иметь индуктивный характер импеданса.

Узел зажигания 5 применительно к лампам низкого давления предпочтительно должен содержать элементы обеспечения предварительного прогрева электродов РЛ, например, позистор (терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления) 16 и диоды 22, 23. Возможны и другие исполнения узла зажигания 5, например, с включением позистора 16 в цепь резонансного конденсатора 11. Применительно к РЛ высокого давления элементы 16, 22, 23 могут быть исключены из схемы, а конденсатор 11 включен параллельно РЛ.

Особенностью режима работы заявленного устройства, обусловленной введением конденсатора 6, является протекание тока перезаряда этого конденсатора при переключении транзисторов инвертора через обмотку 27 токового трансформатора, что создает дополнительный магнитный поток в сердечнике трансформатора. Таким образом в процессе перезаряда конденсатора 6 формируется дополнительная фиксированная задержка времени между моментами запирания одного и отпирания другого транзисторов, что гарантированно исключает протекание сквозных токов через транзисторы инвертора в широком диапазоне режимов работы устройства и параметров используемых транзисторов и тем самым снижает потери в транзисторах.

Рассмотрим процесс переключения транзисторов 24 и 25 по этапам.

1. Транзистор 24 открыт. Через цепь, включающую источник питания 1, транзистор 24, резистор 14, обмотку 29, дроссель 31 и нагрузку (элементы 11 и 32), протекает ток, заряжающий конденсатор 8. Нарастающий характер этого тока обеспечивает индуцирование в обмотке 27 тока, втекающего в базу транзистора 24 и удерживающего его в открытом состоянии, а также запирающую полярность напряжения, приложенного к переходу база-эмиттер транзистора 25. Конденсатор 6 заряжен практически до напряжения питания источника 1.

2. В процессе увеличения тока в цепи, включающей источник питания 1, транзистор 24, резистор 14, обмотку 29, дроссель 31, конденсатор 8 и нагрузку, нарастает также магнитный поток в сердечнике трансформатора. Однако вследствие проявления насыщения магнитного материала сердечника, скорость изменения магнитного потока начинает уменьшаться, что приводит к уменьшению тока в обмотке 27. Этому способствует также замедление роста тока через обмотку 29 вследствие увеличения напряжения на конденсаторе 8. Таким образом наступает состояние, когда в цепи база-эмиттер транзистора 24 протекание тока прекращается, однако в течение времени, определяемом длительностью процесса рассасывания неосновных носителей в базе транзистора 24, практически постоянный ток продолжает течь по цепи, включающей источник питания 1, цепь коллектор-эмиттер транзистора 24, резистор 14, обмотку 29, дроссель 31, конденсатор 8 и нагрузку.

3. После окончания времени рассасывания в транзисторе 24 проводимость его цепи коллектор-эмиттер начинает уменьшаться. Однако как только потенциал точки соединения обмоток 27 и 29 между собой начинает уменьшаться, как через обмотку 27 начинает протекать ток разряда конденсатора 6. Возникновение и увеличение этого тока приводит к стабилизации магнитного потока в сердечнике трансформатора, чему способствует также достигаемое при этом сравнительно глубокое насыщение сердечника. Таким образом, в течение времени запирания транзистора 24 и времени разряда конденсатора 6 в обмотках 27 и 28 не индуцируется токи, способные открыть транзисторы 24 и 25. Тем самым достигается исключение протекания сквозных токов через транзисторы 24 и 25 от источника питания 1.

4. После разряда конденсатора 6 до практически нулевого напряжения ток, индуцируемый ЭДС самоиндукции дросселя 31, начинает протекать через цепь, включающую обмотку 29, прямосмещенный коллекторный переход транзистора 25, обмотку 28, нагрузку и конденсатор 8. В процессе заряда конденсатора 8 этим током его напряжение растет, а ток в указанной цепи уменьшается до нуля. При этом изменение (уменьшение) магнитного потока в сердечнике трансформатора индуцирует после выхода его из насыщения ток, смещающий эмиттерный переход транзистора 25 в прямом направлении, что обеспечивает отпирание транзистора 25.

5. Таким образом, после изменения направления тока в цепи, включающей дроссель 31, обмотку 29, транзистор 25, резистор 15 и нагрузку под воздействием напряжения, до которого заряжен конденсатор 8, транзистор 25 удерживается в открытом состоянии, а транзистор 24 в закрытом состоянии.

6. Разряд конденсатора 8 сопровождается увеличением тока в цепи, включающей дроссель 31, обмотку 29, транзистор 25, резистор 15 и нагрузку. Увеличение этого тока происходит до тех пор, пока увеличивающийся магнитный поток в сердечнике трансформатора не приведет к насыщению сердечника. При этом ток, индуцируемый в обмотке 28, уменьшается до нуля, однако в течение времени, определяемого длительностью процесса рассасывания неосновных носителей в базе транзистора 25 ток продолжает течь по цепи, включающей конденсатор 8, дроссель 31, обмотку 29, транзистор 25, резистор 15 и нагрузку.

7. После окончания процесса рассасывания в транзисторе 25 проводимость его цепи коллектор-эмиттер начинает уменьшаться. Однако, как только потенциал точки соединения обмоток 27 и 29 между собой начнет увеличиваться, через обмотку 27 начнет протекать ток заряда конденсатора 6. Возникновение и увеличение этого тока приводит к стабилизации магнитного потока в сердечнике трансформатора, чем способствует также достигаемое при этом сравнительно глубокое насыщение сердечника. Таким образом в течение времени запирания транзистора 25 и заряда конденсатора 6 в обмотках 27 и 28 не индуцируются токи, способные открыть транзисторы 24 и 25. Тем самым, как и в этапе 3 (см. выше) исключается протекание сквозных токов.

8. После заряда конденсатора 6 до напряжения, практически равного напряжению питания, ток, индуцируемый ЭДС самоиндукции дросселя 31, начинает протекать через цепь, включающую обмотки 29 и 27, прямосмещенный коллекторный переход транзистора 24, источник питания 1, нагрузку и конденсатор 8. Уменьшение этого тока (из-за действия противо-ЭДС источника питания 1 и разряда конденсатора 8) приводит к уменьшению магнитного потока в сердечнике трансформатора, что после выхода его из насыщения индуцирует ток, смещающий эмиттерный переход транзистора 24 в прямом направлении и тем самым отпирающий транзистор 24.

9. Таким образом, после изменения направления тока в цепи, включающей транзистор 24, резистор 14, обмотку 29, дроссель 31, конденсатор 8 и нагрузку под воздействием ЭДС источника питания 1 работа инвертора повторяется, начиная с этапа 1.

Процесс запуска инвертора 3 посредством узла запуска 2 совпадает с таковым у аналогичных устройств.

Как было отмечено выше, важнейшим следствием введения конденсатора 6 является появление временной задержки между моментами запирания одного и отпирания другого транзистора, длительность которой определяется временем перезаряда конденсатора 6 до напряжения питания инвертора током, равным практически амплитудному значению выходного тока инвертора (T_{задержки} C₆ • E_пит./J_{вых.ампл.}). В свою очередь это исключает протекание сквозных токов через транзисторы 24 и 25 в широком диапазоне режимов работы устройства и параметров используемых транзисторов, и тем самым снижает потери в транзисторах. Кроме того, добавление фиксированного временного интервала к зависящей от параметров транзисторов (в первую очередь времени рассасывания) длительности каждого из полупериодов колебаний на выходе инвертора повышает стабильность частоты генерации инвертора и его выходного тока (определяемого индуктивным характером импеданса балластной цепи) при использовании транзисторов с различными значениями времени рассасывания. (Следует отметить, что в процессе производства транзисторов временные параметры, в том числе время рассасывания, не контролируются из-за высокой трудоемкости контроля).

Введение конденсатора 6 стабилизирует также выходной ток под воздействием изменения проводимости нагрузки, что особенно важно при использовании в качестве нагрузки газоразрядных ламп. Эта стабилизация обусловлена действием отрицательной обратной связи между выходным током и частотой генерации инвертора. Так, например, при увеличении выходного тока (вследствие уменьшения проводимости нагрузки) ускоряется процесс перезаряда конденсатора 6, что приводит к уменьшению временного интервала между моментами переключения транзисторов, и, тем самым, к увеличению частоты генерации инвертора, что при индуктивном характере импеданса балластной цепи в значительной мере стабилизирует выходной ток.

Стабилизирующее действие конденсатора 6 на частоту и выходной ток инвертора оказывается столь высоким, что в ряде случаев позволяет исключить из схемы диоды, включаемые обычно параллельно транзисторам для защиты их от инверсного режима работы, без ухудшения надежности устройства.

Устройство может быть адаптировано для питания двух и более РЛ путем введения дополнительных балластных цепей и узлов зажигания.

По сравнению с прототипом, заявленное устройство обеспечивает уменьшение разброса рабочих токов РЛ, обусловленного различием параметров используемых транзисторов от значений 146-198 мА до значений 154-168 мА, т.е. более чем в 3 раза при одновременном исключении протекания через транзисторы сквозных токов как в рабочем, так и в пусковом режимах.

Сущность изобретения: в высокочастотном пускорегулирующем аппарате, содержащем блок питания, узел запуска, полумостовой транзисторный инвертор, индуктивно-емкостную балластную цепь, узел зажигания разрядной лампы и токовый трансформатор, первая и вторая обмотки которого соединены с базовыми и эмиттерными цепями, соответственно, первого и второго транзисторов, а третья обмотка включена между коллектором первого транзистора и входом балластной цепи, между точкой соединения второй обмотки с базовой цепью второго транзистора и одной из шин питания включен конденсатор. Дополнительная фиксированная задержка времени между моментом выключения одного и включения другого транзистора из-за перемагничивания сердечника трансформатора током перезаряда введенного конденсатора позволяет снизить потери в транзисторах при переключении и повысить стабильность частоты генерации инвертора. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Пускорегулирующий аппарат для питания разрядной лампы, содержащий блок питания инвертора, узел запуска, полумостовой транзисторный инвертор, индуктивно-емкостную балластную цепь, узел зажигания разрядной лампы и токовый трансформатор, первая и вторая обмотки которого соединены с базовыми и эмиттерными цепями соответственно первого и второго транзисторов, а третья обмотка включена между коллектором первого транзистора и входом балластной цепи, отличающийся тем, что между точкой соединения второй обмотки с базовой цепью второго транзистора и одной из шин питания включен конденсатор. 2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в нем емкость введенного конденсатора имеет значение в пределах 500-3000 пФ. 3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что в нем узел зажигания разрядной лампы выполнен в виде цепи из двух диодов, последовательно включенных между шинами питания в непроводящем направлении, позистора, включенного между точкой соединения этих диодов между собой и отводом от индуктивности в балластной цепи, и резонансного конденсатора, включенного последовательно с электродами разрядной лампы и параллельно ее разрядному промежутку.