ПУСКОРЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗРЯДНЫХ ЛАМП Российский патент 1999 года по МПК H05B41/24 H05B41/26 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания разрядных источников света, в частности, люминесцентных ламп.

Электропитание разрядных ламп от сети осуществляется с помощью пускорегулирующих устройств, обеспечивающих начальное зажигание лампы и устойчивое перезажигание ее в режиме разгорания, формирование и поддержание требуемого вида разряда и разрядного тока лампы. Наиболее эффективными по энергетическим и массообъемным показателям являются полупроводниковые пускорегулирующие устройства, работающие на повышенной частоте.

Известно регулирующее устройство для разрядных ламп на основе транзисторного инвертора с токоограничивающим дросселем в цепи переменного тока [1] . Это устройство питается от сети постоянного тока или от сети переменного тока через выпрямитель с напряжением, превышающим уровень напряжения горения разрядной лампы. Токоограничивающий дроссель служит балластным элементом, регулируемый транзисторный инвертор обеспечивает устойчивый режим дугового разряда лампы. Однако для реализации режима зажигания и разгорания в пусковой период такое устройство должно дополняться вспомогательным узлом, генерирующим повышенное напряжение, превышающее уровень напряжения горения в несколько раз. На практике для люминесцентных ламп с напряжением горения 80. . .100 В уровень напряжения зажигания может достигать значений 400... 600 В. В случае обрыва нити накала напряжение зажигания газоразрядной лампы оказывается еще выше.

Использование вспомогательного узла, генерирующего повышенное напряжение зажигания лампы усложняет схему пускорегулирующего устройства. Следует также отметить, что для надежной работы транзисторные ключи инвертора должны снабжаться дополнительными защитными цепями, обеспечивающими безопасную траекторию переключения транзисторов инвертора. При их отсутствии надежность рассмотренного пускорегулирующего устройства оказывается низкой.

Известно пускорегулирующее устройство на основе резонансного транзисторного инвертора, содержащее в цепи переменного тока конденсаторы, один из которых включен последовательно с токоограничивающим дросселем, а второй шунтирует силовые электроды лампы [2]. В таком устройстве в начальный период пуска инвертор возбуждает на лампе повышенное напряжение за счет резонансного эффекта в последовательном колебательном LC-контуре в цепи переменного тока инвертора. По окончании процесса разгорания разрядной лампы, длительность которого задается реле времени, блокируется первый конденсатор, и устанавливается режим, аналогичный режиму работы инвертора с токоограничивающим дросселем в цепи переменного тока. В данном устройстве инвертор выполняет функции и пускового и регулирующего узла. Однако, для его реализации требуется вспомогательный силовой коммутатор, блокирующий первый конденсатор и управляющий им узел, что усложняет устройство. Кроме того отсутствие вспомогательных цепей, обеспечивающих формирование траектории переключения транзисторов инвертора, снижает надежность работы устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является пускорегулирующее устройство, содержащее инвертор на транзисторах, шунтированных обратными диодами, первый и второй дроссели, через которые силовые зажимы разрядной лампы подключены к выходным выводам инвертора, и конденсатор, шунтирующий лампу с последовательно включенной катушкой одного из дросселей [3] . Повышенное напряжение зажигания лампы формируется за счет резонансного эффекта в последовательном LC-контуре в цепи переменного тока. Задавая режим управления транзисторами инвертора, регулируют процесс дугового разряда в лампе. Однако отсутствие защитных цепей формирования траектории переключения транзисторов снижает надежность и ограничивает применение этого устройства.

В предлагаемом пускорегулирующем устройстве для разрядных ламп, содержащем инвертор на транзисторах, шунтированных обратными диодами, первый и второй дроссели и конденсатор, первый выходной вывод инвертора соединен через первый дроссель с первым зажимом лампы, а через конденсатор - со вторым зажимом лампы, который соединен через второй дроссель со вторым выходным выводом инвертора, второй выходной вывод инвертора соединен также с первым зажимом лампы через дополнительно введенный второй конденсатор.

Кроме того в цепь постоянного тока инвертора может быть введен дополнительно нелинейный токоограничивающий двухполюсник. Причем нелинейный двухполюсник может быть собран из параллельно соединенных резистора и диода либо из параллельно соединенных дросселя и диода.

В предложенном устройстве реактивные элементы в цепи нагрузки инвертора включены таким образом, что при коммутации транзисторов скорость нарастания напряжения на разрядной лампе оказывается выше, чем в прототипе, а максимальное значение напряжения на зажимах лампы уже к концу полупериода собственных колебаний нагрузочного резонансного контура может почти трехкратно превышать уровень напряжения питания. При питании устройства от электрической сети это условие оказывается достаточным для устойчивого зажигания и перезажигания большинства типов разрядных люминесцентных ламп. В заявляемом устройстве конденсаторы выполняют дополнительно функцию защитных цепей: они ограничивают скорость нарастания напряжения на коммутируемых транзисторах и обеспечивают формирование благоприятной траектории выключения в области безопасной работы. В результате повышается надежность работы транзисторного инвертора.

Введенный в цепь постоянного тока нелинейный токоограничивающий двухполюсник позволяет ограничить амплитуду броска разрядного тока конденсаторов в моменты зажигания и перезажигания лампы, что повышает срок службы лампы.

Таким образом, предложенное устройство более надежно по сравнению с аналогами, поскольку в нем сформированы благоприятные условия надежной коммутации транзисторных ключей инвертора, а также улучшены условия зажигания и перезажигания разрядной лампы.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого пускорегулирующего устройства; на фиг. 2 - схема устройства с нелинейным токоограничивающим двухполюсником на основе резистора и диода в цепи постоянного тока инвертора; на фиг. 3 - осциллограммы тока и напряжения на элементах первой схемы устройства; на фиг. 4 - осциллограммы тока и напряжения на элементах схемы с токоограничивающим двухполюсником в цепи постоянного тока инвертора.

Пускорегулирующее устройство (см. фиг.1) состоит из мостового инвертора на транзисторах 1-4, шунтированных обратными диодами 5-8. К выходным выводам 9 и 10 инвертора подключены параллельно два колебательных LC-контура, образованных последовательно включенными обмоткой 11 первого дросселя с конденсатором 13 и обмоткой 14 второго дросселя с конденсатором 15. Общая точка соединения 16 обмотки 11 первого дросселя с конденсатором 13 подключена к одному из силовых зажимов лампы 18, а общая точка соединения 17 обмотки 14 второго дросселя с конденсатором 15 подключена к другому силовому зажиму лампы 18. Транзисторный инвертор подключен к источнику постоянного тока 19.

Предлагаемое пускорегулирующее устройство может содержать (см. фиг. 2) дополнительно в цепи постоянного тока нелинейный двухполюсник 20 на основе параллельно соединенных резистора 21 и диода 22, включенного встречно направлению входного тока инвертора.

При работе инвертора на постоянной частоте в устройстве на фиг. 1 процессы протекают следующим образом. В момент пуска t₀ (см. фиг. 3) отпираются транзисторы одного из плеч инвертора, например транзисторы 1 и 4, и на выходных выводах 9 и 10 инвертора появляется разность потенциалов, определяемая уровнем напряжения источника питания 19, значения которой оказывается, как правило, недостаточнo для зажигания разрядной лампы 18. Так как конденсаторы 13 и 15 были ранее разряжены, то с момента времени t₀ под действием напряжения U_9,10 на выходных выводах 9 и 10 инвертора в обоих LC-контурах в цепи нагрузки инвертора: обмотка 11 - конденсатор 13 и обмотка 14 - конденсатор 15 возникают колебательные процессы заряда конденсаторов 13 и 15. При этом потенциал обкладки конденсатора 13, соединенной с зажимом 16 лампы 18, растет относительно второй обкладки, соединенной с выводом 10 инвертора, почти до двойного уровня напряжения питания, а потенциал обкладки конденсатора 15, соединенной с зажимом 17 лампы 18, спадает относительно другой обкладки, соединенной с выводом 9, также до двойного уровня. В результате к концу полупериода собственных колебаний LC-контуров на зажимах 16 и 17 лампы 18 формируется разность потенциалов U_заж., почти трехкратно превышающая уровень напряжения источника питания 19, которая оказывается достаточной для надежного зажигания лампы 18.

В момент времени t₁ в лампе возникает дуговой разряд и напряжение U₁₈ на зажимах 16 и 17 спадает скачком до напряжения горения дугового разряда лампы 18. При этом через лампу 18 протекает короткий импульс разрядного тока конденсаторов 13 и 15, который замыкается через обратные диоды 5 и 8 и источник питания 19. Так как падение напряжения на зажимах 16, 17 лампы 18 в режиме дугового разряда ниже напряжения источника питания 19 и изменяется незначительно, то токи i₁₁ и i₁₄ в обмотках 11 и 14 двух дросселей, включенных последовательно с лампой 18, продолжают протекать в том же направлении и нарастать уже по линейному закону.

В момент времени t₂ запираются транзисторы 1 и 4, выходной ток инвертора прерывается, а токи i₁₁ и i₁₄ обоих дросселей продолжают протекать через лампу 18 в том же направлении. При этом ток i₁₁ обмотки 11 первого дросселя замыкается через лампу 18 и конденсатор 15, а ток i₁₄ обмотки 14 второго дросселя - через лампу 18 и конденсатор 13. Возникает процесс перезаряда конденсаторов 13 и 15. Эти конденсаторы ограничивают скорость изменения напряжения на выводах 9 и 10 инвертора и скорость нарастания напряжения на запираемых транзисторах 1 и 4, обеспечивая тем самым благоприятную траекторию их переключения в области безопасной работы.

В момент времени t₃, когда разность потенциалов между обкладкой конденсатора 13, соединенной с выводом 10, и обкладкой конденсатора 15, соединенной с выводом 9, превысит уровень напряжения источника питания 19, открываются обратные диоды 6 и 7 и процесс перезаряда конденсаторов 13 и 15 прерывается. С этого момента времени токи i₁₁ и i₁₄ обоих дросселей, замыкаясь через обратные диоды 6 и 7 и источник питания, спадают до нулевого уровня. В период этого интервала времени отпираются транзисторы 2 и 3 второго плеча инвертора. С момента времени t₄ перехода токов i₁₁ и i₁₄ обмоток 11 и 14 обоих дросселей через нулевой уровень возникает колебательный процесс заряда конденсаторов 13 и 15 обоих LC-контуров в противоположном рассмотренному ранее направлении.

В момент времени t₅ достижения на зажимах 16 и 17 лампы 18 напряжения перезажигания (повторного зажигания U_п.заж.) вновь возникает процесс дугового разряда в лампе 18, ток которого определяется током последовательно включенных обмоток 11 и 14 обоих дросселей. С этого момента времени формируется нарастающий по линейному закону выходной ток инвертора, определяемый током последовательно включенных обмоток 11 и 14 обоих дросселей. Далее в момент времени t₆ происходит запирание транзисторов 2 и 3, и плавное нарастание напряжения на них, обусловленное ограниченной скоростью процесса перезаряда конденсаторов 13 и 15 токами обмоток 14 и 11 соответственно. В момент времени t₇ достижения разности потенциалов между обкладкой конденсатора 15, соединенной с выводом 9, и обкладкой конденсатора 13, соединенной с выводом 10, уровня напряжения источника питания 19 отпираются обратные диоды 5 и 8, процесс перезаряда конденсаторов 13 и 15 прекращается, и токи i₁₁ и i₁₄ последовательно включенных дросселей, замыкаясь через источник питания 19, спадают до нулевого уровня. К моменту времени t₈ вновь отпираются транзисторы 1 и 4 и картина процесса повторяется. Так как интервал времени бестоковой паузы на этапе перезаряда конденсаторов 13 и 15 мал, то напряжение повторного зажигания U_п.заж. лампы 18 оказывается близким к напряжению горения в режиме дугового разряда. Ток транзисторов в плечах инвертора на этапе заряда конденсаторов 13 и 15 определятся суммой токов i₁₁ и i₁₄ параллельно включенных LC-контуров, а на этапе дугового разряда лампы 18 - током последовательно включенных дросселей i₁₁=i₁₄.

Возможен режим работы устройства с изменением направления протекания тока в лампе на низкой частоте. Транзистор 4 в течениe первого полупериода работы инвертора на низкой частоте находится в открытом состоянии, а транзистор 1 периодически отпирается и запирается на высокой частоте. Во второй полупериод работы инвертора транзисторы 1 и 4 заперты, транзистор 2 открыт, а транзистор 3 периодически отпирается и запирается на высокой частоте. В этом случае для ограничения бросков тока при зажигании и перезажигании лампы 18 в цепь постоянного тока можно внести нелинейный токоограничивающий двухполюсник 20 (см. фиг. 2).

Для такого режима характерны следующие процессы. В начальный момент времени t₀ пуска (см. фиг. 4) отпираются одновременно транзисторы 1 и 4, и возникает колебательный процесс заряда конденсаторов 13 и 15. В момент времени t₁ достижения на зажимах 16 и 17 лампы 18 напряжения зажигания возникает дуговой разряд, через обратные диоды 5, 8 и источник питания 19 протекает импульс тока разряда конденсаторов 13 и 15, амплитуда которого ограничивается сопротивлением резистора 21 нелинейного двухполюсника 20. С этого момента времени токи i₁₁=i₁₄ в последовательно включенных обмотках 11 и 14 обоих дросселей начинают расти по линейному закону.

В момент времени t₂ запирается транзистор 1, и токи i₁₁ и i₁₄ дросселей 11 и 14 замыкаются через лампу 18 и конденсаторы 15 и 13 соответственно. Скорость нарастания напряжения на запираемом транзисторе 1 ограничивается скоростью перезаряда конденсаторов 13 и 15. В момент времени t₃ достижения разности потенциалов между обкладкой конденсатора 15, соединенной с выводом 9, и обкладкой конденсатора 13, соединенной с выводом 10, нулевого уровня, отпирается обратный диод 6, процесс перезаряда конденсаторов 13 и 15 обоих прекращается, и токи дросселей 11 и 14, замыкаясь через лампу 18, открытый транзистор 4 и обратный диод 6, начинают спадать до нуля. С момента времени t₄ достижения тока последовательно включенных дросселей нулевого уровня вновь отпирается транзистор 1. При этом возникает колебательный процесс заряда конденсаторов 13 и 15 LC-контуров. В момент времени t₅ достижения на зажимах лампы 18 напряжения повторного зажигания U_п.заж. возникает дуговой разряд, и все процессы повторяются. По окончании половины периода работы инвертора в момент спада токов i₁₁ и i₁₄ дросселей 11 и 14 до нулевого уровня запираются оба транзистора 1 и 4, и отпираются транзисторы 2 и 3. С этого момента времени возникает процесс протекания тока в лампе в противоположном направлении, аналогичный рассмотренному выше.

Рассмотренный режим позволяет поддерживать требуемую величину разрядного тока лампы на высокой частоте и обеспечивать смену полярности на низкой частоте. Электромагнитные элементы в обоих схемах работают на высокой частоте и имеют небольшие габариты. Выбор емкости конденсаторов 13 и 15 производится из условия требуемого ограничения скорости нарастания напряжения на коммутируемых транзисторах, для обеспечения режима работы в безопасной области. Скорость нарастания тока в коммутируемых транзисторах ограничивается индуктивностями в цепи нагрузки инвертора.

Список использованной литературы
1. Краснопольский А. Е., Соколов В.Б., Троицкий А.М. Пускорегулирующие аппараты для разрядных ламп. М.:Энергоатомиздат, 1988, стр. 99, рис. 4.19.

2. А. С. 1403393 (СССР). Устройство для стабилизации разряда люминесцентной лампы с резонансным зажиганием/Опубл. в БИ N22, 1988.

3. Заявка N OS 3623306 (ФРГ). Схема для приведения в действие газоразрядной лампы. - Опубл. РЖ "Изобретение в СССР и за рубежом." Вып. 137, N11, 1988.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для электропитания люминeсцентных ламп. Пускорегулирующее устройство содержит транзисторный инвертор и два резонансных LC-контура в цепи нагрузки. Предложенная схема устройства позволяет обеспечить условия устойчивого зажигания и перезажигания разрядной лампы и надежной коммутации транзисторов инвертора в области безопасной работы. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Пускорегулирующее устройство для разрядных ламп, содержащее инвертор на транзисторах, шунтированных обратными диодами, первый и второй дроссели и конденсатор, первый выходной вывод инвертора соединен через первый дроссель с первым зажимом лампы и через конденсатор - с вторым зажимом лампы, который соединен через второй дроссель с вторым выходным выводом инвертора, отличающееся тем, что второй выходной вывод инвертора соединен с первым зажимом лампы через дополнительно введенный второй конденсатор. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в цепь постоянного тока инвертора введен дополнительно нелинейный токоограничивающий двухполюсник. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что нелинейный двухполюсник состоит из параллельно соединенных резистора и диода. 4. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что нелинейный двухполюсник состоит из параллельно соединенных вспомогательного дросселя и диода.