СПОСОБ ПИТАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2007 года по МПК H05B41/36 H01J61/54 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах питания преимущественно люминесцентных ламп (ЛЛ) с подогревом катодов, с холодными катодами, а так же некоторых типов газоразрядных ламп.

Известно "Устройство для питания газоразрядных ламп" (Патент RU 2094963, 6 Н 05 В 41/18), где реализован стандартный способ питания ЛЛ, в котором для облегчения условий запуска тока плазмы производят предварительную ионизацию межкатодного пространства лампы.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже основного технического результата, относятся: использование для предварительной ионизации разрядного канала лампы выпрямленного высоковольтного напряжения с полярными импульсами, который обладает негативным эффектом смещения активной зоны плазмы в сторону катода, приводящим к нестабильности работы лампы и снижению срока ее службы, а также отсутствие контроля за состоянием плазмы в лампе и адекватных регулировок параметров ее питания для вывода лампы на рабочий режим с целью получения номинального тока. Известный способ питания предполагает возможность использования ламп с вышедшими из строя нитями накала, однако при его реализации не гарантируется надежное включение лампы, стабильность номинального или получаемого тока.

Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является принятый за прототип способ питания ЛЛ, реализованный в "Устройстве для питания газоразрядных ламп" (Патент RU 2090017), в котором лампу включают путем предпробойной ионизации ее разрядного канала подачей на ее выводы переменного питающего напряжения до появления тока плазмы, равного току пробоя.

К причинам, препятствующим достижению в прототипе указанного ниже основного технического результата, можно отнести использование в известном устройстве балластных свойств радиоэлементов, которые не способны стабилизировать и удерживать номинальный ток плазмы, а отсутствие контроля за ним может привести к неуправляемому повышению температуры в прикатодной области лампы, к расплавлению или растрескиванию стекла лампы и, как следствие, к разгерметизации ее колбы или в случае снижения напряжения питания (эдс самоиндукции) ниже порога удержания, к выключению плазмы.

Задача, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений, заключается в снижении экологического вреда от уничтожения вышедших из строя люминесцентных ламп и экономии средств, выделенных на их утилизацию и производство, в результате увеличении срока эксплуатации люминесцентных ламп.

Основной технический результат, который может быть получен при осуществлении любого из изобретений представленной группы, заключается в повышении надежности и стабильности работы лампы до момента ее физического разрушения или разгерметизации.

Указанный основной технический результат при осуществлении изобретения по I-варианту группы достигается тем, что в способе питания ЛЛ, предусматривающем включение лампы путем предпробойной ионизации ее разрядного канала подачей на ее выводы переменного питающего напряжения до появления тока плазмы, равного току пробоя, питающее напряжение повышают линейно, задают мощность и номинальный ток лампы, после чего, постоянно анализируя параметры плазмы, прогревают лампу путем регулировки параметров питания до получения и удерживания стабильного номинального тока.

Указанный выше основной технический результат при осуществлении изобретения по II-варианту достигается тем, что в способе питания ЛЛ, предусматривающем включение лампы путем предпробойной ионизации ее разрядного канала подачей на ее выводы переменного питающего напряжения до появления тока плазмы, равного току пробоя, питающее напряжение повышают линейно, постоянно анализируя параметры плазмы, прогревают лампу путем регулировки параметров питания до стабилизации тока плазмы на уровне тока пробоя, понижают напряжение питания до выключения плазмы, полученные при изменениях тока плазмы параметры питания запоминают, сравнивают их с параметрами известных типов ламп, по числу наибольших совпадений выбирают тип лампы, задают ее параметры мощности и номинального тока, после чего лампу перезапускают, прогревают ее путем регулировки параметров питания до получения номинального тока плазмы и удерживают его в рабочем режиме.

Линейное повышение переменного питающего напряжения (амплитуды напряжения) и линейное повышение интенсивности предварительной ионизации (повышение уровня кинетической энергии паров ртути до уровня кинетической энергии при пробое) приводят к надежному включению лампы за счет создания оптимальных условий пробоя с небольшими энергетическими затратами. Регулировка параметров питания после включения лампы не позволяет им достичь своих максимальных значений, а следовательно, предотвращает перегрузку элементов питания лампы, увеличение тока выше номинального может привести к разрушению накально-катодных элементов лампы или ее разгерметизации.

Отсутствие в представленном способе питания ЛЛ (оба варианта) негативного эффекта смещения активной зоны плазмы в сторону катода объясняется подачей на выводы лампы переменного питающего напряжения без постоянной составляющей, что в свою очередь позволяет активной зоне плазмы распространиться равномерно по всей длине колбы лампы и за катодное пространство. Наличие постоянной составляющей напряжения питания ЛЛ может сместить активную зону плазмы на 50% в сторону катода и светиться будет только половина лампы.

Отсутствие в способе (оба варианта) процесса предварительного прогрева катодов (холодный запуск) и включения лампы линейным повышением напряжения питания препятствуют испарению накально-катодной группы в разрядный канал лампы, значительно понижает температуру и препятствует термической разгерметизации лампы.

Наличие контроля и регулировок параметров питания плазмы позволяют удерживать рабочий режим лампы в рамках их номинальных значений практически на всем этапе ее эксплуатации, вплоть до разгерметизации. Постоянный анализ состояния плазмы необходим вследствие того, что она обладает нелинейным сопротивлением, зависящим не только от параметров питания, но и от внешних и внутренних процессов. Один и тот же параметр мощности можно получить при разных параметрах тока и напряжения. Один и тот же ток плазмы можно получить при разных питающих напряжениях, т.к. охлажденная или нагретая пристеночная область колбы лампы убавляет или прибавляет количество активных частиц паров ртути. Нагревание или охлаждение лампы приводит к изменению объема активной области плазмы и соответственно при одном и том же напряжении питания получим разные токи плазмы. Параметры же элементов питания и схемные решения, как правило, жестко привязаны к параметрам используемой лампы и не отслеживают разницу между получаемым и номинальным током ЛЛ, не анализируют состояние плазмы и не выносят решений на коррекцию питающих параметров с целью удерживания номинального тока.

Поэтому в предлагаемом способе задаются параметры мощности и номинального тока, постоянно анализируют состояние плазмы, если ток увеличивается выше нормы, то его ограничивают до номинального значения, напряжение питания при этом не снижают вовсе или не снижают ниже уровня гашения плазмы. В известных способах питания, наоборот, снижают напряжение, чтобы ограничить ток, что приводит к выключению лампы т.к., например, при напряжении питания 70-80 вольт, на большинстве известных типов ЛЛ, плазма гаснет.

Достижение номинального тока при прогреве лампы необходимо для предотвращения нарушения изделием своего энергетического режима потребления (например, паспортных или номинальных параметров), бесконтрольность тока может привести к перегрузкам в сети питания и, как следствие, нарушению условий эксплуатации и технических норм.

С момента подачи внешнего питания производится постоянный анализ состояния лампы на этапе включения, в режиме прогрева и рабочем режиме. Исходя из полученных данных, после их анализа, выносится решение об изменении питающих параметров и установки их пределов с целью поэтапного вывода лампы на рабочий режим и удерживании в нем стабильного номинального тока.

Кроме указанных выше технических результатов в предлагаемом способе питания ЛЛ (оба варианта) предусмотрен режим выключения лампы путем линейного снижения переменного напряжения питания, что приводит к уменьшению электромагнитных помех.

В случае применения способа (оба варианта) питания к ЛЛ с подогревом катодов, производят предварительное принудительное замыкание накалов лампы самих на себя и игнорирование степени их разрушения при эксплуатации, это позволяет возвращать к работе люминесцентные лампы с вышедшими из строя нитями накала.

При осуществлении способа по второму варианту предложенной группы изобретений, предусматривающему переход лампы к работе в тестовом режиме, мы получаем универсальный способ питания ЛЛ, который позволяет осуществлять предложенный способ питания для ламп с неизвестным ресурсом выработки или неизвестными параметрами питания. При данном варианте изобретения автоматически снимается характеристика подключенной лампы, определяется тип подключенной лампы, происходит перестройка параметров питания с одного типа лампы на другой, а при повторном ее включении достигается и удерживается номинальный ток соответственно параметрам выбранной лампы. Тестовый режим может быть отключаемым.

Технический результат, заключающийся в возможности применения заявленного способа питания (II-вариант) для неизвестного типа ЛЛ, достигается за счет того, что, постоянно анализируя параметры плазмы лампы и регулируя параметры ее питания, лампу прогревают до стабилизации тока плазмы на уровне тока пробоя, затем понижают напряжение питания до выключения плазмы, полученные при изменениях тока параметры питания запоминают, сравнивают их с параметрами известных типов ламп, по числу наибольших совпадений выбирают тип лампы, задают ее параметры мощности и номинального тока, после чего лампу перезапускают, прогревают ее путем регулировки параметров питания до получения номинального тока плазмы и удерживания его в рабочем режиме.

Предлагаемый способ питания ЛЛ поясняется следующими графическими материалами:

Фиг.1 - график изменения амплитуды переменного напряжения питания при включении лампы.

Фиг.2 - график изменения напряжения при тестовом режиме, где: Uпит. - напряжение питания лампы, точки A, F, G - характеризуются, в разное время - t, соответственно током пробоя - Iпроб, стабильным током - Iстаб. и током, при котором плазма исчезает - I=0.

Фиг.3 - блок-схема управления лампой.

Фиг.4 - блок-схема устройства, демонстрирующего тестовый режим работы (II-вариант).

Ниже приводятся сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанных технических результатов.

Используется стандартная ЛЛ с "холодными катодами" или ЛЛ с замкнутыми сами на себя нитями накала подогрева катодов.

Заявляемый на регистрацию способ питания ЛЛ (I-вариант) заключается в том, что ЛЛ с известными параметрами мощности и номинального тока (известна ВАХ - вольтамперная характеристика на лампу) включают путем предпробойной ионизации ее разрядного канала, подавая на ее выводы линейно возрастающее переменное напряжение до появления тока плазмы. Постоянно анализируя параметры плазмы, лампу прогревают и выводят на рабочий режим методом изменения параметров питания по описанному ниже алгоритму.

Предпробойная ионизация лампы осуществляется в результате подачи на ее выводы линейно возрастающего переменного напряжения (фиг.1).

Увеличение амплитуды напряжения питания происходит до наступления электрического пробоя в лампе - Uпроб., что приводит к резкому возрастанию тока лампы до величины - Iпроб. (граф.2). Включение лампы (событие 1, произошедшее в точке "А" через время t) характеризуется появлением в лампе тока плазмы.

Если рассчитанный рост питающего напряжения закончился, а ток плазмы не появился (событие "А" не наступило - лампа не включилась), то лампу выключают (событие 2).

Если параметры лампы известны, то после включения тока плазмы наступает этап прогрева лампы (событие 3). Прогревают лампу путем изменения параметров питания до стабилизации тока плазмы (событие 4) точка "F" (фиг.2) на уровне его номинального значения, указанного в паспорте на лампу. Исходя из параметров лампы, току и напряжению не дают упасть ниже уравня гашения плазмы. При токе плазмы ниже номинального уровня ток не ограничивают и повышением напряжения питания доводят его до номинального значения. При увеличении тока выше нормы его сначало ограничивают до уровня номинального, не снижая напряжение питания вовсе или ниже уровня гашения плазмы, и только после этого продолжают регулировки питания. Прогрев закончен, когда ток плазмы равен номинальному и стабилен (т.е. количество команд на изменение питающего напряжения в единицу времени снижается до стабильно низкого уровня).

Если параметры лампы не известны или номинальный ток не достижим при прогреве, то лампу выключают (событие 2) или включают тестовый режим (событие 5) (II-вариант способа).

Далее наступает рабочий режим лампы (событие 6), при котором номинальный ток стабилен.

Если номинальный ток не удерживается и падает (событие 7), то лампу выключают (событие 2) или тестируют (событие 5).

Выключение лампы (событие 2) производится линейным понижением переменного напряжения питания в любой момент времени принудительно или автоматически, если перечисленные выше события (кроме 2 и 5) не установлены.

Способ питания лампы при включении тестового режима заключается в следующем:

- производится запуск лампы неизвестного типа описанным выше способом до момента получения тока плазмы равного току пробоя;

- если ток не получен, а напряжение питания достигло своего максимального уровня, то лампу выключают;

- прогревают лампу изменением параметров питания до стабилизации тока плазмы на уровне тока пробоя, после чего линейно понижают питающее напряжение до выключения тока плазмы;

- полученные при всех изменениях тока параметры питания запоминают (регистрируют), сравнивают их с параметрами известных типов ламп, определяют тип лампы, используя ее параметры питания при последующих включениях;

- лампу перезапускают, прогревают до получения и удерживания в рабочем режиме стабильного номинального тока.

Тестовый режим может быть не отключаемым (II-вариант) и быть логическим продолжением режима прогрева (номинальный ток не достигнут) или рабочего режима (номинальный ток не стабилен или снижается) в I-варианте группы изобретений.

В способе (II-вариант) перечислены изменения питающего напряжения и тока адекватно состоянию лампы:

Лампа выключена - напряжение и ток равны нулю.

Лампа включается - предпробойная ионизация - линейно растет амплитуда переменного напряжения питания до момента появления тока через лампу, тока нет - лампу выключают.

Ток появился - прогрев, ток не управляется - переход в тестовый режим, тока нет - лампу выключают.

Если прогрев, значит ток плазмы доводится до принудительно установленного номинального значения и по его достижении - наступает рабочий режим.

Номинальный ток стабилен - есть рабочий режим, цель достигнута.

Номинальный ток снижается - переход в тестовый режим.

Номинальный ток не стабилен или не удерживается - переход в тестовый режим.

Выключение лампы производят линейным снижением напряжения питания.

Автоматический анализ состояния лампы методом контроля тока плазмы и напряжения на лампе и управление параметрами питания лампы на каждом из этапов способа может быть рассмотрен на примере устройства, блок-схема которого изображена на фиг.3.

Блок управления (БУ) осуществляет питание лампы, анализирует ее состояние, контролируя ток плазмы и напряжение на лампе, регулирует параметры питания в соответствии с изменениями тока плазмы. Команда включения или выключения лампы приходит на условный вход 1, питание внешней сети на условный вход 2. При включенном тестовом режиме (II-вариант) команда включения теста приходит на условный вход 3, принудительный выбор типа ЛЛ задается на условном входе 4, индикатор VD1 сигнализирует об отказе БУ работать с лампой. Лампа подключена непосредственно к БУ в условных точках 5 и 6, нити накалов ЛЛ электрически замкнуты. Этап включения (запуска) осуществляется путем предпробойной ионизации ее разрядного канала методом подачи напряжения питания на пары замкнутых с каждой стороны лампы электродов Х и Y.

Реализация заявляемого способа питания ЛЛ по II-варианту изобретения (способ питания с тестовым режимом) на практике возможна, например, при помощи устройства - (условного блока управления - БУ), выполненного по схеме, представленной на фиг.4.

Устройство содержит процессор 1, в память которого занесен алгоритм работы по описанному способу, он управляет источником питания 2, блоком изменения тока 3 лампы 4 в зависимости от показаний датчика тока 5. Переключатель "П", активизирует тестовую программу, VD1 сигнализирует об отказе процессора работать с данной лампой. При использовании дешевых типов процессоров себестоимость данной реализации будет приближена к стоимости выпускаемых серийно электронных балластов для питания ЛЛ.

При подаче команды на включение БУ линейно увеличивает переменное напряжение на выводах лампы и получает координаты точки "А" с характерным значением тока пробоя (фиг.2). БУ запоминает параметры питания при любых изменениях тока плазмы. Затем ток пробоя стабилизируется изменением параметров питания, ищется некое стабильное состояние такой точки "F", при которой ток плазмы равен току пробоя и не меняется с течением времени, его не надо корректировать напряжением питания. Далее задается время прогрева "Т", и по его истечении напряжение питания линейно снижается до момента гашения тока плазмы в некоторой точке "G". Таким образом, мы получаем рабочие точки на разных режимах работы ЛЛ и новую, соответствующую ей вольт-амперную характеристику (ВАХ). На этом тестирование заканчивается.

Так как в память БУ предварительно введены стандартные мощности известных типов ламп Р1, Р2, Р3 ... и их номинальные токи, то при повторном включении (перезапуске лампы) БУ находит наиболее близкую к точкам "A, F, G" ВАХ из числа известных типов ламп и приводит в соответствие с ней параметры питания для поэтапного вывода лампы на рабочий режим до получения номинального тока. Если это на каком-то этапе не удается сделать, то БУ сигнализирует об этом и выключает лампу. Если точка "F" находится в равноудаленном положении от ближайших аналогичных точек других ВАХ, то БУ должен выбрать ВАХ с точкой "F" с наибольшим энергетическим состоянием и перейти к управлению лампой по сценарию новой ВАХ соответственно сделанному выбору.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах питания преимущественно люминесцентных ламп с подогревом катодов, с холодными катодами, а также некоторых типов газоразрядных ламп. Способ питания люминесцентных ламп заключается в том, что лампу включают путем предпробойной ионизации ее разрядного канала подачей на ее выводы линейно возрастающего переменного питающего напряжения до появления тока плазмы, равного току пробоя. Задают параметры мощности и номинального тока лампы. После появления тока плазмы, постоянно анализируя состояние лампы методом контроля тока плазмы и напряжения на лампе и регулируя при необходимости параметры питания в соответствии с изменениями тока плазмы, лампу прогревают до получения и удержания номинального тока в рабочем режиме. В случае использования люминесцентной лампы с подогревом катодов ее накалы электрически замыкают сами на себя, обеспечивая тем самым двухвыводное подключение к питанию и игнорирование степени разрушения накально-катодной группы, что позволяет при заявленном способе питания возвращать к работе люминесцентные лампы с вышедшими из строя нитями накала. Наличие в способе тестового режима позволяет автоматически снимать характеристики подключенной лампы, определять ее тип, производить перестройку питания с одного типа лампы на другой, а при повторном включении питания достигать и удерживать номинальный ток соответственно параметрам выбранной лампы. Технический результат - повышение надежности и стабильности работы лампы до момента ее физического разрушения или разгерметизации. 2 н. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ питания люминесцентных ламп, предусматривающий включение лампы путем предпробойной ионизации ее разрядного канала подачей на ее выводы переменного питающего напряжения до появления тока плазмы, равного току пробоя, отличающийся тем, что подаваемое на выводы лампы при ее включении питающее напряжение повышают линейно, задают мощность и номинальный ток лампы, после чего, постоянно анализируя параметры плазмы, прогревают лампу путем регулировки параметров питания до получения номинального тока плазмы и удерживают его в рабочем режиме.2. Способ питания люминесцентных ламп, предусматривающий включение лампы путем предпробойной ионизации ее разрядного канала подачей на ее выводы переменного питающего напряжения до появления тока плазмы, равного току пробоя, отличающийся тем, что подаваемое на выводы лампы при ее включении питающее напряжение повышают линейно, постоянно анализируя параметры плазмы, прогревают лампу путем регулировки параметров питания до стабилизации тока плазмы на уровне тока пробоя, понижают напряжение питания до выключения плазмы, полученные при изменениях тока плазмы параметры питания запоминают, сравнивают их с параметрами известных типов ламп, по числу наибольших совпадений выбирают тип лампы, задают ее параметры мощности и номинального тока, после чего лампу перезапускают, прогревают ее путем регулировки параметров питания до получения номинального тока плазмы и удерживают его в рабочем режиме.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что лампу выключают линейным снижением питающего напряжения.