ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПИТАНИЯ И ЗАЖИГАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП Российский патент 1998 года по МПК H05B41/29 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания и зажигания осветительных газоразрядных ламп.

Известно электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее входную высокочастотную LC-цепь, выпрямитель, к выходу которого подключен высокочастотный накопительный конденсатор и через управляемый ключ первичная обмотка трансформатора, вторичная обмотка которого соединена с выходными клеммами, а обмотка обратной связи ко входу управляемого ключа [1]
Недостатки известного устройства:
большие масса и стоимость из-за наличия высокочастотных и относительно высоковольтных конденсаторов и дросселя:
наличие миганий (пауз тока) лампы с двойной частотой сети, обусловленных синусоидальной формой сетевого напряжения;
низкий коэффициент потребляемой мощности;
низкий КПД из-за наличия существенной реактивной мощности;
непригодность для натриевых и металлогалогенных ламп из-за отсутствия системы зажигания (любой внешний импульс поджига, который можно было бы подать на трансформатор, закорачивается по первичной обмотке).

Наиболее близким аналогом к изобретению является электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее выпрямитель, управляемый ключ, трансформатор с двумя обмотками, датчик тока, четыре диода, четыре конденсатора, три резистора, две выходных клеммы и схему управления, состоящую из формирователя импульсов с запускающим и выключающим входами, таймера, двух логических элементов ИЛИ, одного логического элемента И, двух пороговых элементов и делителя токового сигнала, при этом выпрямитель подключен входом к клеммам питания, а первым выходным выводом к первым выводам первых конденсатора и диода и через первый резистор к первому выводу второго диода, второй вывод первого конденсатора через датчик тока соединен с первым выводом второго конденсатора, один из силовых выводов управляемого ключа подключен к первому выводу первой обмотки трансформатора, а второй - связан с первым выводом второго конденсатора, первые выводы второго резистора и третьего диода соединены между собой, выход датчика тока через делитель токового сигнала соединен с входом первого порогового элемента, а выход формирователя импульсов подключен ко входу управляемого ключа, причем первый диод включен в проводящем, а третий в непроводящем направлениях по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя [2]
Недостатками прототипа являются:
низкий КПД из-за резистивного токоограничения;
большая масса из-за наличия теплоотводного радиатора для резистивного балласта;
законопостоянство тока лампы, приводящее к снижению ее срока службы из-за неравномерного износа электродов и к катофорезному снижению ее светового потока;
наличие миганий (пауз тока).

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание пускорегулирующего аппарата (ПРА) для дуговых газоразрядных ламп со следующими характеристиками:
низкой стоимостью комплектующих элементов (соизмеримой со стоимостью стандартного ПРА на базе балластного дросселя, компенсирующего конденсатора и тиристорного импульсного зажигающего устройства);
минимальной массой (в несколько раз ниже стандартного ПРА) и минимальным использованием меди и электротехнической стали;
отсутствием миганий (пауз тока) с двойной частотой сети;
универсальностью по отношению к натриевым, металлогалогенным, ртутным лампам высокого давления и люминесцентным лампам.

При этом обязательным условием является питание ламп переменным током (для равномерности износа электродов, т. е. для сохранения срока службы ламп), высокий КПД (0,9 0,95) и высокий коэффициент мощности (0,85 0,95).

Техническим результатом, который может быть получен при осуществлении изобретения, является:
повышение КПД за счет индуктивного токоограничения;
снижение массы за счет исключения теплоотводного радиатора;
питание лампы переменным током, позволяющее повысить срок ее службы за счет равномерности износа электродов и повышение ее светового потока за счет отсутствия катафорезного затемнения;
снижение пульсаций светового потока (исключение миганий) лампы даже при малой энергоемкости сглаживающего конденсатора.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее выпрямитель, управляемый ключ, трансформатор с двумя обмотками, датчик тока, четыре диода, четыре конденсатора, три резистора, две выходных клеммы и схему управления, состоящую из формирователя импульсов с запускающим и выключающим входами, таймера, двух логических элементов ИЛИ, одного логического элемента И, двух пороговых элементов и делителя токового сигнала, при этом выпрямитель подключен входом к клеммам питания, а первым выходным выводом к первым выводам первых конденсатора и диода и через первый резистор к первому выводу второго диода, второй вывод первого конденсатора через датчик тока соединен с первым выводом второго конденсатора, один из силовых выводов управляемого ключа подключен к первому выводу первой обмотки трансформатора, а второй - связан с первым выводом второго конденсатора, первые выводы второго резистора и третьего диода соединены между собой, выход датчика тока через делитель токового сигнала соединен со входом первого порогового элемента, а выход формирователя импульсов подключен ко входу управляемого ключа, причем первый диод включен в проводящем, а третий в непроводящем направлениях по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя, снабжено пятым диодом, трансформатор выполнен с зазором в сердечнике и с промежуточным отводом второй обмотки, соединенным с первой выходной клеммой, а в схему управления введены датчик напряжения на втором конденсаторе, датчик напряжения питания, датчик напряжения на управляемом ключе и третий и четвертый пороговые элементы, при этом второй вывод второго конденсатора соединен со вторым выводом второго диода и через четвертый диод со вторым выводом первой обмотки трансформатора, первый вывод второй обмотки которого через пятый диод подключен к первому выводу первой обмотки трансформатора и второму выводу третьего диода, а второй вывод той же обмотки ко второму выводу первого диода, цепь из последовательно включенных третьих резистора и конденсатора подключена параллельно первому или пятому диоду, второй вывод второго резистора соединен с первым выходным выводом выпрямителя, второй выходной вывод которого подключен ко второму выводу первого конденсатора, четвертый конденсатор подключен параллельно второму резистору, выходы трех введенных датчиков напряжения соединены со входами, соответственно, второго, третьего и четвертого пороговых элементов, выходы второго и третьего из которых подключены, соответственно, к первому и второму входам логического элемента И, выходом подключенного к одному из входов первого логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с запускающим входом формирователя импульсов, а другой вход того же элемента через таймер с выходом первого порогового элемента и одним из входов второго логического элемента ИЛИ, выходом подключенного к выключающему входу формирователя импульсов, а другим входом к выходу четвертого порогового элемента, вторая выходная клемма подключена к концу упомянутой цепи из последовательно включенных третьих резистора и конденсатора, не соединенному со второй обмоткой трансформатора, а второй, четвертый и пятый диоды включены в проводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя.

На фиг. 1 изображена принципиально-структурная схема устройства; на фиг. 2 упрощенные диаграммы выпрямленного напряжения U_d(t), а также токов транзистора i_VT(t) и нагрузки i_H(t).

Устройство содержит выпрямитель 1, подключенный входом к клеммам питания, управляемый ключ 2, трансформатор 3 с двумя обмотками 4 и 5, датчик тока 6, пять диодов 7 11, четыре конденсатора 12 15, три резистора 16, 17, 18 и схему управления 19. Схема управления 19 состоит из четырех пороговых элементов 20 23, таймера 24, двух логических элементов ИЛИ 25 и 26, логического элемента И 27, делителя токового сигнала 28, датчика напряжения 29 на конденсаторе 13, датчика напряжения питания 30, датчика напряжения 31 на управляемом ключе 2 и формирователя импульсов 32.

Сердечник трансформатора 3 выполнен с зазором. Вторая обмотка 5 трансформатора 3 имеет промежуточный отвод 33, соединенный с первой выходной клеммой 34.

Первый выходной вывод (+) выпрямителя 1 соединен с первым выводом конденсатора 12, анодом диода 7 и вторым выводом резистора 17, а через резистор 16 с анодом диода 8. Второй выходной вывод (-) выпрямителя 1 соединен со вторым выводом конденсатора 12, а через датчик тока 6 с первым выводом конденсатора 13 и силовым выводом 35 управляемого ключа 2, силовой вывод 36 которого подключен к катоду диода 11, к аноду диода 9 и к первому вывод) (концу) первой обмотки 4 трансформатора 3, вторым выводом (началом) соединенной со вторым выводом конденсатора 13 и катодом диода 8 через диод 10. Катод диода 9 соединен с первым выводом резистора 17, параллельно которому подключен конденсатор 15.

Анод диода 11 соединен с первым выводом второй (концом) обмотки 5 трансформатора 3, второй вывод (начало) которой подключен к катоду диода 7. Цепь 37 из последовательно включенных резистора 18 и конденсатора 14 подключена параллельно диоду 7. Вторая клемма 38 подключена к концу упомянутой цепи 37, не соединенному со второй обмоткой 5 трансформатора 3.

В этом случае лампа, соединенная с выходными клеммами 34 и 38, будет подключена к верхней части второй обмотки 5 трансформатора 3.

В другом варианте исполнения эта цепь 37 может быть подключена параллельно диоду 11.

В этом варианте лампа будет подключена к нижней части второй обмотки 5 трансформатора 3.

В случае изменения полярности выходного напряжения выпрямителя 1 диоды 7 11 должны быть включены в обратном направлении с соблюдением следующих условий:
диоды 7, 8, 10 и 11 в проводящем, а диод 9 в непроводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя 1.

Выход датчика тока 6 через делитель токового сигнала 28 соединен со входом порогового элемента 20, выход которого подключен к одному из входов логического элемента ИЛИ 26 и через таймер 24 к одному из входов логического элемента ИЛИ 25, другой вход которого соединен с выходом логического элемента И, входами подключенного к выходам пороговых элементов 21 и 22, соответственно.

Выходы датчиков напряжения 29, 30 и 31 соединены со входами пороговых элементов 21, 22 и 23, соответственно. Выход порогового элемента 23 подключен к другому входу логического элемента ИЛИ 26. Выходы логических элементов ИЛИ 25 и 26 соединены, соответственно, с запускающим и выключающим входами формирователя импульсов 32, выход которого подключен ко входу управляемого ключа 2.

Диод 9, конденсатор 15 и резисторы 17 и 40 образуют цепь защиты 39.

Преобразователь работает следующим образом.

При включении питания от сети переменного тока происходит зарядка конденсатора 12 и конденсатора 13. При достижении напряжения на последнем заданного уровня, фиксируемого датчиком напряжения 29, а также при заданном уровне питающего напряжения, фиксируемым с помощью датчика напряжения 30, подается сигнал на запускающий вход формирователя импульсов 32, с помощью которого включается управляемый ключ 2. Конденсатор 13 импульсно (в течение 0,5.2 мкс) разряжается на первую обмотку 4 трансформатора 3, вызывая на концах верхней части его второй обмотки 5 высоковольтную ЭДС индукции, подводимую к лампе через цепь 37 и достаточную для пробоя межэлектродного промежутка дуговой лампы и ее зажигания с помощью тока нарастающего по цепи: выпрямитель 1, лампа, нижняя часть второй обмотки 5, диод 11, ключ 2, датчик тока 6. На первом этапе, пока дуговая горелка лампы не нагрелась, напряжение на ней после зажигания становится относительно малым, что приводит к запиранию диода 7 в течение всего фронта нарастания тока. При достижении током заданной максимальной величины, определяемой пороговым элементом 20 по цепи включающего входа формирователя импульсов 32, получающего сигнал с выхода датчика тока 6, происходит кратковременное (на время 10.50 мкс), определяемое таймером 24, выключение управляемого ключа 2. После этого энергия, запасенная во второй обмотке 5 трансформатора 3, разряжается в цепь нагрузки и частично в цепь конденсатора 15 цепи защиты 39 по диоду 7 через верхнюю часть второй обмотки (согласно закону сохранения полного потокосцепления). Фрагмент указанных токов можно выделить в средней части диаграммы установившегося процесса на фиг. 2 (под точкой пучности U_m синусоиды выпрямленного напряжения u_d).

По прошествии некоторого относительно короткого промежутка времени, определяемого параметрами таймера 24, в течение которого ток верхней части второй обмотки 5 трансформатора 3 спадет до некоторой величины, вновь включается управляемый ключ 2. Однако теперь и далее конденсатор 13, успевший зарядиться лишь до незначительной величины, практически не оказывает влияния на работу схемы. Так как ток в лампе не имел существенного перерыва, то она вновь имеет относительно низкое сопротивление (относительно малое падение напряжения). Далее вышеуказанные нарастания тока лампы с одной полярностью и его убывание с другой полярностью периодически повторяются вплоть до момента, когда выпрямленное напряжение u_d спадет до величины , где "U_n" напряжение перезажигания лампы, "k" соотношение между числами витков верхней и нижней части второй обмотки 5 трансформатора 3. Затем после очередного включения управляемого ключа 2 ток в нем будет нарастать уже, минуя нагрузку, по цепи обеих частей второй обмотки 5 трансформатора 3, т.к. лампа перестает зажигаться при данной полярности напряжения, а диод 7 не получает запирающего напряжения. При очередном нарастании тока до величины, соответствующей уровню настройки порогового элемента 20 управляемый ключ 2 выключается, а энергия трансформатора 3 разряжается ранее указанным способом, вызывая зажигание лампы с помощью своей ЭДС самоиндукции.

В последующие полупериоды сетевого напряжения два указанных режима работы схемы (режимы переменного и пульсирующего тока нагрузки i_H) будут чередоваться, как показано на фиг. 2. По мере разогрева лампы напряжение ее перезажигания "U_n" будет повышаться (до 100.120 В), и области второго режима (с пульсирующим током нагрузки) будут расширяться. Соотношение "k" выбирается таким образом, чтобы среднее значение тока нагрузки за полупериод сетевого напряжения в установившемся рабочем режиме было приблизительно равно нулю (для исключения явления катафореза и неравномерности износа электродов). Пороговый уровень порогового элемента 20 и коэффициент усиления цепи отрицательной обратной связи выбираются такими, чтобы стабилизировать, по возможности, амплитуду тока управляемого ключа 2 транзистора с целью предотвращения его перегрузки по току. При этом уровень указанной амплитуды выбирается исходя из заданной средней мощности, потребляемой лампой.

По мере старения лампы увеличивается ее напряжение перезажигания "U_n", определяя тенденцию нежелательного повышения потребляемой ею средней мощности при условии сохранения ее действующего тока. Однако указанное повышение "U_n" компенсируется соответствующим автоматическим снижением действующего тока лампы за счет сужения средней (наиболее эффективной) временной зоны, показанной на диаграмме фиг. 2.

При отсутствии, перегорании, сбоях в горении или незажигании лампы включение управляемого ключа 2 вызывает в трансформаторе 3 накопление существенной энергии, которая после выключения ключа 2 разряжается в конденсатор 15.

После нескольких циклов включения и выключения ключа 2 напряжение на указанном конденсаторе 15 перерастает максимальный уровень его колебаний, рассчитанный на нормальную работу и ограничиваемый разрядным резистором 17. В этом случае при очередном нарастании выпрямленного напряжения результирующее напряжение на зажимах разомкнутой силовой цепи управляемого ключа 2 достигнет предельно допустимой величины, при которой с помощью датчика напряжения 31 произойдет длительная (0,5.5 с) блокировка выхода формирователя до того момента, пока конденсатор 13 не зарядится через соответственно подобранный резистор 16 до заданной пороговой величины при условии, что напряжение сети
выше заданного значения. После этого запуск схемы будет периодически повторяться.

Таким образом, в предлагаемом устройстве ток течет в цепи нагрузки попеременно в двух противоположных направлениях в зависимости от нарастания или убывания тока во второй обмотке трансформатора. Помимо этого, в предлагаемом устройстве обеспечивается: стабилизация средней потребляемой мощности в рабочем режиме при отклонениях напряжения горения (перезажигания) лампы при ее старении, стабилизация амплитуды потребляемого тока (и тока лампы) в течение каждого полупериода сетевого напряжения и при разогреве лампы: защита управляемого коммутатора (транзистора) от перенапряжений, связанных с наличием индуктивности рассеяния трансформатора и с возможным режимом холостого хода, а также отсутствие существенных низкочастотных пауз тока ("миганий лампы") даже при относительно малой энергоемкости сглаживающего конденсатора 12.

Использование: для осветительных ламп. Сущность изобретения: устройство состоит из выпрямителя со сглаживающим конденсатором и накопительным конденсатором, который через управляемый ключ подключен к первой обмотке трансформатора, и схемы управления этим ключом. Лампа подключается к части второй обмотки трансформатора. Управление ключом осуществляется в зависимости от величины тока, питающего напряжения, напряжения на накопительном конденсаторе и управляемом ключе. 2 ил.

Электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее выпрямитель, управляемый ключ, транформатор с двумя обмотками, датчик тока, четыре диода, четыре конденсатора, три резистора, две выходные клеммы и схему управления, состоящую из формирователя импульсов с запускающим и выключающим входами, таймера, двух логических элементов ИЛИ, одного логического элемента И, двух пороговых элементов и делителя токового сигнала, при этом выпрямитель подключен входом к клеммам питания, а первым выходным выводом к первым выводам первых конденсатора и диода и через первый резистор к первому выводу второго диода, второй вывод первого конденсатора через датчик тока соединен с первым выводом второго конденсатора, один из силовых выводов управляемого ключа подключен к первому выводу первой обмотки трансформатора, а второй связан с первым выводом второго конденсатора, первые выводы второго резистора и третьего диода соединены между собой, выход датчика тока через делитель токового сигнала соединен с входом первого порогового элемента, а выход формирователя импульсов подключен к входу управляемого ключа, причем первый диод включен в проводящем, а третий в непроводящем направлениях по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя, отличающееся тем, что оно снабжено пятым диодом, трансформатор выполнен с зазором в сердечнике и с промежуточным отводом второй обмотки, соединенным с первой выходной клеммой, а в схему управления введены датчик напряжения на втором конденсаторе, датчик напряжения питания, датчик напряжения на управляемом ключе и третий и четвертый пороговые элементы, при этом второй вывод второго конденсатора соединен с вторым выводом второго диода и через четвертый диод с вторым выводом первой обмотки трансформатора, первый вывод второй обмотки которого через пятый диод подключен к первому выводу первой обмотки того же трансформатора и второму выводу третьего диода, а второй вывод той же обмотки к второму выводу первого диода, цепь из последовательно включенных третьих резистора и конденсатора подключена параллельно первому или пятому диоду, второй вывод второго резистора соединен с первым выходным выводом выпрямителя, второй выходной вывод которого подключен к второму выводу первого конденсатора, четвертый конденсатор подключен параллельно второму резистору, выходы трех введенных датчиков напряжения соединены с входами соответственно второго, третьего и четвертого пороговых элементов, выходы второго и третьего из которых подключены соответственно к первому и второму входам логического элемента И, выходом подключенного к одному из входов первого логического элемента ИЛИ, выход которого соединен с запускающим входом формирователя импульсов, а другой вход того же элемента через таймер с выходом первого порогового элемента и одним из входов второго логического элемента ИЛИ, выходом подключенного к выключающему входу формирователя импульсов, а другим входом к выходу четвертого порогового элемента, вторая выходная клемма подключена к концу цепи из последовательно включенных третьих резистора и конденсатора, не соединенному с второй обмоткой трансформатора, а второй, четвертый и пятый диоды включены в проводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя.