ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПУСКО-РЕГУЛИРУЮЩИЙ АППАРАТ ДЛЯ ПИТАНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНЫХ ЛАМП Российский патент 1998 года по МПК H05B41/29 

Название изобретения: "Полупроводниковый пуско-регулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп"".

Область техники, к которой относится изобретение.

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям напряжения, использование для питания газоразрядных осветительных ламп.

Уровень техники.

Известным устройством аналогичного назначения, которое применяется в настоящее время, является пуско-регулирующий аппарат дроссельного типа [1]. Недостатками такого пуско-регулирующего аппарата являются значительная масса, невысокий КПД и низкий коэффициент мощности. Устранение указанных недостатков достигается применением полупроводниковых пуско-регулирующих аппаратов.

Наиболее широко известен полупроводниковый пуско-регулирующий аппарат, представляющий собой полумостовой инвертор напряжения с емкостным делителем [2] . Питание лампы осуществляется переменным током высокой частоты (20 кГц) через последовательно включенный балластный дроссель. Обязательное наличие дросселя на переменном токе обуславливает циркуляцию реактивного тока через силовые транзисторы, что приводит к их дополнительному нагреву и снижению КПД. Кроме того при пуске аппарата из-за резонанса напряжений через транзисторы протекает ток, величина которого в несколько раз превышает номинальное значение, что может привести к выходу транзисторов из строя, особенно если режим пуска будет продолжительным. Такая ситуация может возникнуть при неисправности лампы. Также необходимо отметить, что лампа, питаемая источником высокого напряжения высокой частоты является источником электромагнитного излучения в освещаемом помещении.

В качестве наиболее близкого аналога заявленного изобретения можно указать полупроводниковый пуско-регулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп известный из [3]. Преобразователь содержит силовой транзистор, трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с силовым транзистором, первым шунтирующим диодом, последовательно соединенными дополнительными диодами, генератором импульса первоначального запуска, цепью, состоящей из последовательно соединенных резистора и диода. Формирование тока базы силового транзистора осуществляется с помощью дополнительной обмотки на трансформаторе и времязадающей цепи, состоящей из резистора и конденсатора. При таком построении схемы возможно предположить, что силовой транзистор при переключениях продолжительное время находится в активном режиме. Это существенно снижает КПД преобразователя и делает невозможным применение схемы для работы от источников высокого напряжения.

Сущность изобретения.

Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение арсенала полупроводниковых пуско-регулирующих аппаратов для питания газоразрядных ламп от сети переменного тока.

Газоразрядная лампа как нагрузка довольно неудобна, так как имеет нелинейную вольт-амперную характеристику с участком постоянного напряжения. Для питания газоразрядной лампы от сети переменного тока необходим балластный элемент, в качестве которого используют дроссель. Основным недостатком такого питания лампы является наличие реактивного тока, что значительно снижает коэффициент мощности и приводит к дополнительным потерям энергии.

Техническим результатом заявленного изобретения является питание газоразрядной лампы от промышленной сети переменного тока с высоким коэффициентом мощности и высоким КПД, отсутствие электромагнитного излучения, снижение массогабаритных показателей.

Существенными признаками заявленного изобретения являются: выпрямитель напряжения сети, силовой транзистор, силовой дроссель, соединенный с шунтирующим диодом, умножитель напряжения для зажигания газоразрядной лампы, подключаемой последовательно с силовым дросселем через диод умножителя напряжения.

Существенным отличительным признаком заявленного изобретения, обеспечивающего получение технического результата является то, что для формирования импульса тока базы силового транзистора устройство содержит насыщающийся трансформатор тока. Первая обмотка трансформатора тока включена между коллектором силового транзистора и силовым дросселем. Параллельно первой обмотке включены последовательно соединенные диоды, таким образом, что открываются при запирании силового транзистора. Вторая обмотка включена между эмиттером и базой силового транзистора через цепь смещения, состоящей из последовательно соединенных резистора и диода, параллельно которым подключен конденсатор. К точке соединения второй обмотки трансформатора тока и цепи смещения подключен выход блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя, а также выход генератора импульсов первоначального запуска. Блок контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя формирует импульс тока для отпирания силового транзистора в момент времени, когда трансформатор тока размагничен и ток силового дросселя равен нулю.

Формирование импульса тока базы силового транзистора с помощью насыщающегося трансформатора тока, работающего по частному циклу перемагничивания от остаточной индукции до насыщения, позволяет минимизировать потери в силовом транзисторе от протекания прямого тока, так как обеспечивается ток базы силового транзистора, пропорциональный току его коллектора. При насыщении трансформатора тока из-за прямоугольной кривой намагничивания ток второй обмотки спадает достаточно быстро, благодаря чему силовой транзистор работает в ключевом режиме с минимальными потерями энергии на переключение. Устройство работает в автогенераторном режиме. Время открытого состояния силового транзистора задается временем намагничивания трансформатора тока от остаточной индукции до насыщения. Время закрытого состояния определяется временем размагничивания трансформатора тока до остаточной индукции и временем спада тока силового дросселя до нуля. Первоначальный запуск устройства осуществляется генератором импульсов первоначального запуска.

Перечисленная совокупность признаков обеспечивает получение указанного технического результата.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявленное устройство отличается наличием новых блоков и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом изобретение является новым. Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями из смежных областей техники позволяет сделать вывод об отсутствии в них существенных отличительных признаков заявленного изобретения.

Перечень фигур чертежей и иных материалов.

На фиг. 1 и фиг. 2 представлена электрическая принципиальная схема полупроводникового преобразователя напряжения для питания газоразрядных ламп.

На фиг. 3 показана осциллограмма напряжения на второй обмотке трансформатора тока.

На фиг. 4 показана осциллограмма напряжения на базе силового транзистора.

На фиг. 5 показана осциллограмма тока силового дросселя.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Схема электрическая принципиальная заявленного изобретения "Полупроводниковый пуско-регулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп" показана на фиг. 1 и фиг. 2. В состав устройства входят: выпрямитель напряжения сети, силовой транзистор, силовой дроссель, шунтирующий диод, умножитель напряжения для зажигания газоразрядной лампы, трансформатор тока, блок контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя, генератор импульсов первоначального запуска. Питание преобразователя осуществляется от трехфазной сети переменного тока с нулевым проводом. Фазные напряжения подключаются к клеммам 1, 2, 3, нулевой провод подключается на клемму 4. Далее трехфазное напряжение выпрямляется полупроводниковыми диодами 9, 10, 11, включенными по схеме трехфазного выпрямителя с нулевой точкой. Дроссели 5, 6, 7 и конденсатор 12 осуществляют фильтрацию переменной составляющей тока, потребляемого преобразователем и являются фильтром радиопомех. Конденсатор 12 имеет небольшую емкость, что обеспечивает хороший коэффициент мощности, потребляемой из сети. Питание газоразрядной лампы осуществляется постоянным током, что исключает циркуляцию реактивного тока через силовой транзистор и позволяет достичь высокий КПД.

Выпрямленное и отфильтрованное напряжение поступает на газоразрядную лампу, подключаемую последовательно с силовым дросселем 33, соединенным с шунтирующим диодом 28, и силовым транзистором 40. Силовой транзистор 40, работая в ключевом режиме совместно с силовым дросселем 33 ограничивает ток газоразрядной лампы 26, подключаемой к клеммам 24, 25. Зажигание газоразрядной лампы осуществляется умножителем напряжения, состоящим из конденсатора 8 и диода 32. Конденсатор 27 служит для фильтрации напряжения на лампе. Параллельно силовому транзистору 40 включена защитная цепь, состоящая из конденсатора 29, резистора 30 и диода 31. Для формирования импульса тока базы силового транзистора 40 в цепь его коллектора включена первая обмотка трансформатора тока 38. Параллельно первой обмотке включены последовательно соединенные диоды 36, 37, как показано на фиг. 2. Вторая обмотка трансформатора тока 39 включена между эмиттером и базой силового транзистора 40 через цепь смещения, состоящей из последовательно соединенных резистора 46 и диода 45, параллельно которым подключен конденсатор 44. Стабилитрон 42 защищает эмиттерный переход силового транзистора 40 от пробоя обратным напряжением, а диод 41 исключает шунтирование эммитерного перехода силового транзистора 40 стабилитроном 42. Цепь смещения, состоящая из резистора 46, диода 45 и конденсатора 44 обеспечивает надежное запирание транзистора при отсутствии тока через вторую обмотку трансформатора в момент его насыщения.

Блок контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя формирует импульс тока для отпирания силового транзистора в момент времени, когда трансформатор тока размагничен до остаточной индукции и ток силового дросселя равен нулю. В его состав входят транзисторы 50, 59, резисторы 48, 51, 54, 55, 57, 58, конденсатор 49, диоды 47, 52, 53, 56, 60, 61. Контроль магнитной индукции трансформатора тока осуществляется при закрытом силовом транзисторе 40 по величине напряжения на второй обмотке 39 трансформатора тока. При размагничивании трансформатора тока до остаточной индукции напряжение на обмотке падает до нуля. Контроль тока силового дросселя так же осуществляется при закрытом силовом транзисторе по величине напряжения на дополнительной обмотке силового дросселя 34. Когда ток силового дросселя спадает до нуля, напряжение на дополнительной обмотке 34 так же будет равно нулю. Следует отметить, что контроль магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя осуществляется только при закрытом силовом транзисторе (на пассивном такте) для определения момента повторного включения силового транзистора. На активном такте (при открытом силовом транзисторе) указанные величины не контролируются и время открытого состояния силового транзистора определяется только временем намагничивания трансформатора тока от остаточной индукции до насыщения.

Питание блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя осуществляется напряжением, снимаемым с дополнительной обмотке на силовом дросселе 35.

Указанное на схеме включение силового транзистора, силового дросселя, трансформатора тока, шунтирующего диода, блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя обеспечивают работу устройства в автогенераторном режиме. Запуск устройства осуществляется генератором импульсов первоначального запуска в состав которого входят: транзисторы 17, 18, резисторы 13, 16, 19, 21, 22, 43, конденсаторы 14, 20, стабилитрон 15, диод 23.

Устройство работает на частоте 20-25 кГц, благодаря чему имеет небольшую массу и габариты.

Осциллограммы, поясняющие работу преобразователя показаны на фиг. 3, фиг. 4, и фиг. 5. При включении устройства в сеть, генератор импульсов первоначального запуска начинает вырабатывать импульсы тока для отпирания силового транзистора 40. Работает генератор следующим образом. Конденсатор 14, заряжаясь через высокоомный резистор 13 до напряжения пробоя стабилитрона 15 отпирает транзистор 17, что приводит к отпиранию транзистора 18. В результате этого конденсатора 14, разряжаясь через резистор 43, конденсатор 44, резистор 46 и диод 45 обеспечивает ток, отпирающий силовой транзистор 40. Резистор 19 и конденсатор 20 обеспечивают положительную обратную связь для удержания транзисторов 17 и 18 в открытом состоянии на время формирования импульса тока для отпирания силового транзистора 40. После чего конденсатор 14 снова заряжается и процесс повторяется.

Одновременно с работой генератора импульсов первоначального запуска во время положительной полуволны сетевого напряжения происходит заряд конденсатора 8 умножителя напряжения для зажигания газоразрядной лампы через диод умножителя 32, обмотку силового дросселя 33, обмотку трансформатора тока 38 и открывающийся силовой транзистор 40. При отрицательной полуволне сетевого напряжения диод умножителя 32 закрывается и к газоразрядной лампе прикладывается напряжение утроенной амплитуды напряжения сети. Газоразрядная лампа зажигается, в результате напряжения лампы, которое меньше напряжения питания обычно 100-130 В. При очередном отпирании силового транзистора в обмотке 33 силового дросселя начинает нарастать ток, питающий газоразрядную лампу. Устройство входит в автогенераторный режим.

Осциллограмма тока дросселя при работе устройства в автогенераторном режиме показана на фиг. 5. Скорость нарастания тока в обмотке 33 силового дросселя определяется ее индуктивностью и величиной прикладываемого к ней напряжения. Напряжение на обмотке 33 силового дросселя при открытом силовом транзисторе 40 определяется как разность между напряжением питания, снимаемого с конденсатора 12, и напряжением на газоразрядной лампе. При запирании силового транзистора открывается шунтирующий диод 28 и напряжение на обмотке 33 силового дросселя становится равным напряжению на газоразрядной лампе. Индуктивность обмотки 33 силового дросселя выбирается так, чтобы амплитуда тока, нарастающего в обмотке за время открытого состояния силового транзистора 40, была равна удвоенному среднему значению тока газоразрядной лампы при работе в номинальном режиме.

Управление силовым транзистором 40 при работе устройства в автогенераторном режиме осуществляется трансформатором тока, работающим по частному циклу перемагничивания от остаточной индукции до насыщения и блоком контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя. Следует отметить, что величина остаточной индукции в магнитопроводе трансформатора тока зависит от материала, из которого изготовлен магнитопровод. Кроме того ее можно сделать практически равной нулю, введя в магнитопровод немагнитный зазор.

При отпирании силового транзистора 40 в момент времени t1 (допустим отпирание произошло от генератора импульсов первоначального запуска) в обмотке дросселя 33 начинает протекать линейно нарастающий ток, питающий газоразрядную лампу. Этот ток, протекающий через обмотку 38 трансформатора тока в обмотке 39 вызывает ток, поддерживающий силовой транзистор 40 в хорошо открытом состоянии. При этом происходит заряд конденсатора 44. Осциллограмма напряжения на обмотке 39 трансформатора тока и напряжения на базе силового транзистора 40 показана на фиг. 3 и фиг. 4 соответственно. На интервале времени t1-t2 происходит намагничивание трансформатора тока до насыщения. Транзисторы 50 и 59 блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя на этом интервале находятся в полностью открытом состоянии и обеспечивают разряд конденсатора 49 через резистор 51. При насыщении в момент времени t2 напряжение на обмотке 39 трансформатора тока падает до нуля. К базе силового транзистора 40 прикладывается отрицательное напряжение конденсатора 44. Через 2-3 мкм силовой транзистор 40 закрывается. Параметры конденсатора 44 и резистора 46 выбираются так, чтобы время разряда конденсатора 44 было больше времени запирания силового транзистора. При запирании силового транзистора 40 открываются диоды 36, 37 и трансформатор тока начинает размагничиваться. На его обмотке 39 появляется отрицательное напряжение, которое складываясь с напряжением на конденсаторе 44 пробивает стабилитрон 42 на время разряда конденсатора 44 до момента времени t3. В момент времени t3 конденсатор 44 разряжается и стабилитрон 42 восстанавливается. Также при запирании силового транзистора 40 открывается шунтирующий диод 28, через который начинает течь спадающий ток силового дросселя. При этом напряжения на обмотках силового дросселя меняют знак. Транзистор 50 блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя запирается напряжением, снимаемым с дополнительной обмотки силового дросселя 34, и удерживается в закрытом состоянии, пока ток дросселя в обмотке 33 не спадет до нуля (момент времени t5). Напряжение, снимаемое с дополнительной обмотки силового дросселя 35 через диод 47 и резистор 48 заряжает конденсатор 49, энергия которого используется для формирования импульса тока для отпирания силового транзистора.

На интервале времени t3-t4 происходит размагничивание трансформатора тока до остаточной индукции. При этом отрицательное напряжение на обмотке 39 трансформатора тока через диоды 52, 53 прикладывается к базе транзистора 59 и удерживает его в закрытом состоянии. Закрытый транзистор 59 блокирует ток базы транзистора 50, что удерживает его в закрытом состоянии до тех пор, пока трансформатор тока не размагнитится до остаточной индукции и не исчезнет напряжение на его обмотке 39, даже если ток силового дросселя уже спал до нуля, и исчезло напряжение на его обмотке 34. Иначе устройство выйдет из генераторного режима. Это необходимо для того, чтобы устройство не останавливалось во время провалов питающего напряжения, когда ток силового дросселя спадает быстрее, чем размагничивается трансформатор тока.

В момент времени t5 когда трансформатор тока размагничен и ток силового дросселя равен нулю, транзисторы 50, 59 блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя открываются и конденсатор 49, разряжаясь через резистор 51 обеспечивает ток для отпирания силового транзистора 40. В обмотке 33 силового дросселя снова начинает нарастать ток и процесс повторяется.

Устройство содержит выпрямитель напряжения сети, силовой транзистор, силовой дроссель, соединенный с шунтирующим диодом, умножитель напряжения для зажигания газоразрядной лампы, подключаемой к силовому дросселю через диод умножителя напряжения. Существенным отличительным признаком изобретения, обеспечивающим получение технического результата, является то, что для формирования импульса тока базы силового транзистора устройство содержит насыщающийся трансформатор тока. Первая обмотка трансформатора тока включена между коллектором силового транзистора и силовым дросселем. Параллельно первой обмотке подключены последовательно соединенные диоды, таким образом, что открываются при запирании силового транзистора. Вторая обмотка трансформатора тока включена между эмиттером и базой силового транзистора через цепь смещения, состоящую из последовательно соединенных резистора и диода, параллельно которым подключен конденсатор. К точке соединения второй обмотки трансформатора тока и цепи смещения подключен выход блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя, формирующего импульс тока для отпирания силового транзистора в момент времени, когда трансформатор тока размагничен до остаточной индукции и ток силового дросселя равен нулю. Также к этой точке подключен выход генератора импульсов первоначального запуска. 5 ил.

Полупроводниковый пускорегулирующий аппарат для питания газоразрядных ламп, содержащий силовой транзистор, генератор импульсов первоначального запуска, отличающийся тем, что содержит выпрямитель напряжения сети, умножитель напряжения для зажигания газоразрядной лампы, подключаемой к выходу выпрямителя через цепь из последовательно соединенных диода умножителя напряжения, силового дросселя, первой обмотки насыщающегося трансформатора тока, формирующего импульсы тока базы силового транзистора, и силового транзистора, работающего в прямом режиме, причем параллельно цепи из последовательно включенных газоразрядной лампы, диода умножителя напряжения и силового дросселя подсоединен шунтирующий диод таким образом, что открывается при запирании силового транзистора, параллельно первой обмотке насыщающего трансформатора тока подключены последовательно соединенные диоды, также открывающиеся при запирании силового транзистора, вторая обмотка насыщающегося трансформатора тока включена между базой и эмиттером силового транзистора через цепь смещения, состоящую из последовательно соединенных резистора и диода, параллельно которым подключен конденсатор, причем к точке соединения второй обмотки трансформатора тока и цепи смещения подключен выход блока контроля магнитной индукции трансформатора тока и тока силового дросселя, формирующего импульс тока для отпирания силового транзистора в момент времени, когда трансформатор тока размагничен до остаточной индукции и ток силового дросселя равен нулю, а также к этой точке подключен выход генератора импульсов первоначаьного запуска.