Статический преобразователь частоты для питания газоразрядной лампы с резонансным зажиганием Советский патент 1989 года по МПК H05B41/288 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания газоразрядных ламп с самока- лящимися электродами.

Цель изобретения - повышение надежности путем заи1ить от перегрузки при незажигании газоразрядной лампы, а также обеспечение автоматического повторного зппуска преобразователя после установки исправной лампы.

На фиг.1 представлено предлагаемое изобретение с одной ламкой; на фиг.2 - то же, с двумя лампами.

Статический преобразователь часто- а-ы для питания газоразрядной лампы 1 (фиг.1) содержит инвертор в виде

цвух управляемых коммутирующих элементов - транзисторов 2 и 3, первый и второй выходные выводы которого связаны через первую 4 и вторую 5 эл-зктрические цепи с основными 6 и 7 выводами для подключения электродов лампы 1, в электрическую цепь 5 включены .дроссель 8 резонансного контура, конденсатор 9 и первичная обмотка 10 трансформатора с насыщением, бистабильное устройство 11 с выходным выключателем - тиристором 12, выходом подключенным к входу транзистора 3. Между дополнительными выводами 13 и 14 для подключения электродов лампы включен конденсатор 15

сд

о - |С

ел

см

3150721

резонансного контура. Блок формирования импульсов упрапления инвертором представляет собой трансформатор с вторичными 16-18 и первичной 10 об- мотками. Резистор 19 и конденсатор 20 включены параллельно и подключены через диск 21 к включающему входу би- стабильного устройства 11, а через диод 22 и резистор 23 - к обмотке 18 |g трансформатора. Транзисторы 2 и 3 соединены последовательно между входными выводами инвертора. Удерживающий вход бистабильного устройства 1 1 включен между вторым входным выводом ij 24 инвертора и выводом 13 для подклю- , чения электрода лампы. Диск 25 и пусковой конденсатор 26 включены параллельно управляющему переходу транзистора 3, причем один из выводов пус- 20 кового конденсатора 26 связан с выводом 13 для подключения электрода лампы, а другой - с входным Шмподом 24 инвертора. Вход инвертора соединен с зарядным конденсатором 27 и через 25 зарядный дроссель 28 и диод 29 с выходом двухполупериодного выпрямителя 30. Транзисторы 2 и 3 шунтированы обратными диодами 31 и 32. Между объединенными выводами зарядного дроссе- ЗО ля 28 и диода 29 с одной стороны и выходным выводом 33 инвертора включен зарядный тиристор 34 с блоком 35 управления. Зарядный тиристор 34 управляется синхронно с коммутационными процес- -. сами инвертора. Для этого его вход управления включен через диск 36 параллельно конденсатору 37 задержки, который, с одной стороны, включен через разрядный диод 38 параллельно Q транзистору 2 и, с другой стороны, присоединен через транзистор 3, регулируемое разрядное сопротивление 39 и развязывающий диод 40 к источнику управляюп(его напряжения. Послед- . НИИ состоит из управляющего транзистора 41 и соединенного параллельно с ним накопительного конденсатора 42, который вместе с диодом 43 н делительным конденсатором 44 образует делитель напряжения, который включен параллельно транзистору 3 и в соответствии с этим периодически заряжается через транзистор 2 и разряжается через транзистор 3, Подобным образом на конденсаторе 42 воз.ни- кает практически без потерь низкое рабочее напряжение, получаемое на основе высокого напряжения на заряд50

э

, 0 5 О Q

0

э

54

лом конденсаторе 27, с ог раничеиием его величины с помощью полупроводникового стабилитрона 45, который одновременно для разряда конденсатора 44, Конденсг1торы 42 и 44 ограничивают одновременно пот ышенис напряжения на транзисторе 3, обеспечивая тем самым разгрузку при отключении. Параллел ьно управляющему переходу тиристора 34 включен резистор 46. Вход управления транзистора 41 присоединен через стабилитрон 47 к резис- тивно-емкостному звену из резистора 48 и конденсатора 49 (последнее через диод 50, резисторы 51 и 52 включено параллельно выпрямителю 30), а так- же через диод 53 и резистор 54 - к зарядному конденсатору 27. Можно присоединить конденсатор 49 через резистор 54 и параллельно ему через резистор 55 и конденсатор 56 непосредственно к конденсатору 2/. Пусковой конденсатор 8 присоединен через резисто- .ры 57 и 58 и электрод лампы к зарядному конденсатору 27, а через диод 59 - к выходному выводу 33 инвертора. Параллельно транзистору 2 подключен конденсатор 60. Я)тключаю1цая обмотка 18 присоединена также через диод 61 параллельно тиристору 12.

На фиг.2 представлено предлагаемое изобретение с двумя лампами 1 и 62, соединенными с входными выводами инвертора 24 и 63, Лампа 62 имеет конденсатор 64 и дроссель 65 резонансного контура, развязывающий диод 66. Параллельно дросселям 8 и 65 и первичной обмотке 10 трансформатора включены делители 67 и 68 напряжения. Для защиты от перенапряжения уста- нонлены диоды б9 и 70. Между выходом бистабильного устрсзйстпа 1 1 и диодами 22 и 66 включен диод 71. Между электродом лампы 62 и входным выводом 63 инвертора включен дополнительный резистор 72.

Транзистор с насыщением имеет две вторичные обмотки .17 и 16, а таюке отключающую обмотку 18, вторичные обмотки 17 и 16 включены в цепи управления транзисторов 3 и 2 так, что последние управляются поочередно в течение времени перемагничипания трансформатора с насыщением. С этой целью трансформатор с насыщением рассчитан так, чтобы определяемая им рабочая частота инвертора немного превышала резонанс)ую частоту после515072

довательного резонансного контура. Благодаря этому возникают паузы между двумя последопательными управляю- цими импульсами, что позволяет исключить возможность одновременно возникновения проводящего состояния первичного и вторичного транзисторов и тем самым короткого замыкания на- пряжения на зарядном конденсаторе 27. «Q Для проведения тока во время одновременного запирания обоих транзисторов параллельно каждому транзистору предусмотрены диоды 32 и 31 обратного тока. В период пребывания с транзистора 3 в проводящем состоянии напряжение зарядного конденсатора 27 подано в цепь нагрузки, что приводит к зарядке колебательного конденсатора 9. После запирания транзис- 20 тора 3 ток проходит через цепь нагрузки под действием дросселя 8 последовательного резонансного контура через диод 31 обратного тока, пока не перейдет в проводящее состояние 2 транзистор 2. После этого .конденсатор 9 разряжается через транзиотор 2 и цепь нагрузки до момента его запирания. После этого ток нагрузки пропускается в том же направлении ,,, через зарядный ко}|де сатор 27 и диод 32 обратного тока до момента нового перехода транзистора 3 в .проводящее состояние,

Энергия, ис-лучениля от зарядного конденсатора 27 во время работы ий- 5 вертора, подводится к конденсатору от выпрямителя 30 через з.- .рядный дроссель 28 и зарядный диод 29.Для этого (фиг.1) предусмотрен зарядный выключатель и последовательно вклю- ченньгх транзистора 3 и зарядного тиристора 34. Зарядный дроссель 28 BKJH04eH через зарядльи выключатель параллельно пыирлмителю 30. Зарядный тиристор 34 предстагшяет собой предпочтительно испо. гнсние, которое не запирается в обратном направлении, а имеет диодную характеристику. В этом случае отпадает необходимость в диоде 31 обратного тока, как как его функции принимают на себя зарядный тиристо р 34, включенный последовательно с заряд}1ым диодом 29.

Отпирание зарядного тиристора 34 возможно только в период пребывания - транзистора 3 инвертора в проводя- шем состоянии. В соответствии с этим он включается с задержкой после мо40

45

50

«Q с 20 2 ,,,

5

-

0

5

0

136

мента перехода транзистора 3 в проводящее состояние. До нового запирания транзистора 3 зарядный дроссель

28находится под напряжением полуволны выпрямителя 30, принимая энергию, которую отдает после запирания транзистора 3 через зарядный диод

29зарядному конденсатору 27 или присоединенному к нему инвертору и его потребителям. Заряд и разряд зарядного дросселя 28 протекает тем самым синхронно с коммутационньми процессами инвертора, который совер- шает, колебания, например, с частотой 40 кГц. В соответствии с этим зачастую зарядный дроссель 28 успевает зарядиться и iзpядитьcя в течение одной полуволны поступающего от выпрямителя 30 напряжения полуволны. Имнульсы тока преобразуют с помощью фильтра перед выпрямителем в имеющий примерно синусоидальный харг-ктер ток сети, причем фильтр может быь взят относительно малым -благодаря высокой частоте включения.

Зарядка зарядного дросселя 28 всегда происходит относительно мгновенного значения напряжения полуволны, чем и объясняется соответст- Byic: :e изменение нарастания зарядного тока. Напротив, для разряда дросселя 28 определяющей является в каждом случае разность мелсду мгновенным значением напряжения полувол- III.; и практически стабил1 1ь:м напряжением на зарядном конденсаторе 27, та1ч что более продолжительное время разряда соответствует максимальному мгновенному значению. Коэффициент заг1олне1П1я продолжительности включения зарядного выключателя относительно периода зависит от задержкиj времени поджигания зарядного тиристора 34 относительно точки перехода транзистора 3 в проводящее состояние и должен выбираться в принципе так, чтобы максимальная энергия,накапливаемая зарядным дросселем,т.е. к моменту максимальной величины напряжения полуволны - перед следующим циклом заряда, могла полностью разрядиться через зарядный диод 29. Лишь в этом случае при поджигании зарядного тиристора 34 будет отсутствовать обратный ток через зарядный диод 29 и тем самым будет обеспечиваться коммутация без потерь зарядного тиристора, лишь в этом случае может быть достигнут выбор миин- мальмьгх размеров зарядного дросселя. В период пребывания транзистора 2 в проводящем состоянии происходят быстрое запирание зарядного тиристора 34 через резистор 46 и разряд конденсатора 37 через диод 38. Его заряд начинается с некоторого определенного потенциала вместе с нача- лом перехода транзистора 3 в .проводящее состояние. С этого момента на- |Копительный конденсатор 42 разряжается через диод 40, резистор 39, транзистор 3 на конденсатор 37, на- пряжение которого по прошествии устанавливаемого с помощью резистора 39 времени задержки достигает величины, при которой диск 36 переходит в проводящее состояние, зажигая за- рядный тиристор 34, Такое простое синхронизированное управление зарядным тиристором достигается Гътагода- ря тому, что конденсатор 37 задержки находится при более высоком потен- циале, чем накопительный конденсатор 42.

На накопительном конденсаторе 42 приложено в основном стабильное рабочее напряжение, которое обеспечивает также постоянство продолжительности задержки. Связанные с этим различные по продолжительности значения времени заряда зарядного дросселя приводят, однако, к отклонению посту- пающего от сети переменного напряжения тока от синусоидальной формы, которое тем больше, чем меньиге разность между напряже 1ием на зарядном конденсаторе и максимальной пеличи- ной напряжения полуволны выпрямителя. В результате ток сети к нача.чу и к концу каждо) полуволны немного меньше, а в средней части 1 еС1солько больше, чем это имеет место у тока синусоидальной формы. Однако далеко идущее сближение между этими формами может быть достигнуто изменение - рабочего напряжения на 1 аьопитель- ном конденсаторе 42 в з.чвисимости от величины напряже нш полуволны. Для этого параллельно конденсатору 42 включен управляющий транзт1стор 41, вход управления которого присоединен через полупроводниковый стабилитрон 47 к резистивно-емкостному звену, а последнее через диод 50 и резисторы 51 и 52 параллельно выпрямителю 30. Схема рассчитана при

5 0 5

0 г

0

5

этом так, что -транзистор 41 лишь на среднем участке каждой полуволны выпрямителя 30 переходит через стабилитрон 47 rta непродолжительное время в проводяа1ее состояние, понижая, тем самым напряжение на накопительном конденсаторе 42. Благодаря этому на этом среднем участке получается возрастающее вместе с мгновенным значением напряжения полуволны время задержки, следствием чего является укорочение импульсов тока и тем самым уме}1ьшение поступления энергии в зарядный дроссель. Аналогично этому, с другой стороны, на участках начала и конца каждой полуволны имеется возможность выбирать время задержки несколько меньшим, что приводит к увеличению поступаю- шдгк в сеть импульсов тока без изменения требуемого режима работы зарядного дросселя с пол1П)1М перемаг- ничиванием, В результате получается ток сети с хорошим приближением к синусоидальной форме.

Время задержки э,аоисит от изменения м величин напряжения на зарядном конденсаторе 27, для этого резистивно-емкостное звено присоединено к входу управления управляющего транзистора 41, а через диод 53 и резистор 54 - к зарядному конденсатору 27. Коп;генсатор 49 резистип- но-емкостного звена обеспечивает при этом допо:п1ительное сглаживание и такое смещение фаз, которое обеспечивает синхронное изменение несколько волнообразного (.100 Гц) пос- тoянIicгo напряжения относительно переменного напряжения сети.Вследствие этого повыик пие напряжения на зарядном конденсаторе 27 за пределы величинь, опреде -ляемой делителем напряжения и стабилитроном 47, влечет за собой увеличение через транзистор 41 времени задержки и тем самьм уменьшение продолжительности заряда зарядного дроссел я на среднем участке каждой полуволны переменного напряже)ия сети, что также содеГг- ствует дополнительному лу .г.-иению си- )усоида,пьности тока CRTH.

Благодаря рассмотренным видам регулировки }1апряжение на зарядног конденсаторе не может правысить оп- ределешюго граничного з шчения и в тех случаях, когда на нем отсутствует нагрузка или она имеет малую

1

величину, например, подключена лампа незначительной мощности.

Если отказаться от диодов 50 и 53, то можно присоединить конденсатор 49 через резистор 54 и параллельно ему через резистор 56 и конденсатор 55 (штриховая линия) непосредственно к зарядному конденсатору 27. С помощью такого решения также достигается регулирование напряжени на конденсаторе 27 и одновременно вследствие волнообразного характера этого напряжения - при соответствующем подборе резистора 56 и конденсатора 55 - укорочение времени заряда зарядного дросселя 28 на среднем участке полуволи переменного напряжения сети и тем самым приблюкение тока сети к синусоидаль ной форме.

Инвертор с обратной фазой и за ним установочный исполнительный орган начинают работать лишь по достижении напряжением на г;усковом кон- денсаторе 26 такого значения, при котором его энергия поступает через диск 25 к входу управления транзистора 3 и последний переходит в проводящее состояние. Пусковой конденсатор 26 присоединен с этой целью через резисторь 57 и 58 и электрод лампы 1 к зарядному конденсатору 27 а с другой стороны, включен через диод 59 параллельно входу управления тр ар1зистора 3. В этом случае после подачи переменного напряжения сети на выпрямитель зарядшлй конденсатор 27 заряжается через заря;п 11 дроссель 28 и зарядный дио;; 29, а вмест с тем заряжается и пусковой конденсатор 26 до перехода в проводящее состояние транзистора 3, после этого происходит одновременно разряд пускового конденсатора через диод 59, так что эта пусковая схемг больше не может включиться п работу во врем периодических колебанш инвертора.

При работе статического преобразователя частоты с разрядной лампой должно быть обеспечено отключение преобразователя, если разрядная лампа длитель)1ое время, не включается, то имеют место только повторные попытки пуска. Для этого предусмотрен тиристор 12, параллельно которому В1слючена через диоды 22 и 61 отключающая обмотка 18 трансформатора с насыщением и пусковой конденсатор 26

Q с 0

5 5

0

0

510

через резистор 57 и который получает ток удержания через соседствующий с зарядным конденсатором 27 электрод разрядной лампы 1 и добавочный резистор 38.

К отключающей обмотке 18 присоединено через диод 22 также резистивно- емкостное звено из резистора 19 и конденсатора 20, включенных по параллельной схеме, которое параллельно также через диод 21 входу управления тиристора 12. Принцип действия и выбор параметров этой схемы основываются на том обстоятельстве, что амплитуда тока, проходящего через цепь нагрузки с разрядной лампой и учитываемого отключающей обмоткой 18,при неподожженной лампе (резонанс) значительно больше, чем та же амплитуда при подожженной лампе (демпфирован- )1ый резонансный контур) . После некоторого числа безрезультатных попыток пуска, которое может быть предварительно задано путем соответствующего выбора параметров, конденсатор 20 заряжается настолько, что происходят поджигание тиристора 12 через диск ,21 и короткое замыка1П1е отключающей обмотки 18. Тем самым снимаются уп- ранляющие напряжения для транзисторов инвертора и прерывается его работа. Однако ни нормальные попытки поджигания, ни нормальный ламповый ток не приводят к такому отключению, так как при этом напряжение на конденсаторе 20 не достигается величины, необходимой для приведения в проводящее состоя1П1е диска 21.

Вследствие синхронного управления блоком 35 управления в зависимости от напряжения прямоугольноГ: формы на ключах инвертора, автоматически блок 35 управления вместе с инвертором отключается и после включения инвертора снова включается.

Инвертор остается в отключенном состоянии до момента прерывания удер- л.ивающего тока тиристора 12, который снова может переходить в запертое состояние. С этой целью может быть, например, отключено переменное Напряжение сети. Очень часто, однако, отключение является следствием неисправности лампы, которая в этом случае заменяется без отключения напряжения сети. Поскольку и цепь пускового конденсатора 26 проходит через электрод лампы, после установи.1

ки новой лампы снова автоматически начинает работать статический преобразователь тока.

Инвертор (фиг.2) нагружен двумя включенными паряллельно лампами 1 и 62 с соответствуюи1 1ми последовательными резонансными контурами. Важным является при этом обеспечение симметричности плтания ламповых цепей, где к ним в точке соединения тродов обеих ламп присоединен конденсатор 9. leub удержания тиристора 12 и зарядн т цепь пускового конденсатора 26 п оходя в отличие от это- го через резисторы 58 и 72 и непосрественно соединенные последовательно электроды ламп.

Для отключения при длительном отсутствии зажигания лампы здесь производят оценку падения напряжения на дросселях 8 и 65 последсвательных резонансных контуров с послег ч шей подачей через делители 67 и 68 напряжения и развизмвающие диод| 1 22 и 66 на р ззистивно-емкост;;ое звено, состояи1ее из конденс, тора 20 и резистора 19. При длите. Ь11ом отсутстви поджигания лампы - т случае резона, са - э л налплженчч настолько вели- ки, что 1;ррисх1. з : ;ига11ис тиристора 12 через диск 21, который ист - ется после этого в проводящем состоянии до замены дефектно1 | лампы. Он замыкает накоротко отк:прчаю1цую обмотку 18 трансформатора с иасьпцением через диод 71 и пусковой конденсатор 26 и отключает таким образом инвертор. Поскольку диоды 22 и 66 присоединены к резистивно-eMKOcTHi.My звену по типу схемы ИЛИ, условие отключения может быть выполнено из-за любой включенной параллельно лампы или одновременно из-за обеих.

Состояние отключения сохраняется до тех пор, пока замен5гется одна из двух ламп и тем самым прерывается цепь тока удержания тиристора 12. После установки новой лампы iiycKOBoii конденсатор 26 может вновь зарядить- ся через резисторы 57 и 58 и включенные последовательно электроды обеих ламп I и 62 так, что вначале инвертор вловь переходит в колебательный режим работы,вскоре после этого на конденсаторе 42 устанавли- вается достаточно высокое значение напряжения и блок 35 управления также автоматически возобновляет работу

-

0

5

512

Бывшая д:п1те,пьное время в эксплуатации лампа в едет себя, как выпрямитель без заранее определенной полярности. В соответствии с этим на колебательном конденсаторе 9 может возникнуть весьма высокое положительное или отрицательное напряжение 1000 В, которое представляет опасность для схемы контроля, в особенности для тиристора 12. Поэтому диод 69, соединенный последовательно с тиристором 12, служит для защиты при отрицательном перенапряжении на конденсаторе 9, аналогично этому диод 70 поддерживает потенциал при положи- тельь ом перенапряжении па уровне напряжения на зарядном конденсаторе 27.

Формула изобретения

1. Статический преобразователь частоты для питания газоразрядной лампы с резонансным зажиганием, содержа- ЛЦ1Й ршвертор в виде двух управляемьк коммутирующих элементов, первый и г- герой пьтходные выводы которого свя- зань: через первую и вторую электри- ч с;кие цепи соотгго.тствпнно с осиовны- мп выводами для подключспяя сооТ1зет- СТВУЮ11П-1Х ;ии ктродои лампы, дроссель резонансного контура, пключсииый в одну из Г1омянуть х электрических цепей, конленсатор iici30HaiicHoro iconTypa блок форг- ироваыия импульс он управле- инвертором, 1 ыход1 1 которого сое- ди11е1 Ы с управляющими входами управляемых коммутирующих элементов инвертора, один из выводов первого из которых соединен с вторым входным выводом инвертора, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с пель о повышения надежности, введены два дополнительных соидннсаторл , один из которых включен в oruiy ч упомянутых электрических цепей, блстл.бильиое устройство с включа10 1,им и удерживаю- ищм входами и в1)Гходпым выключсчтелем, выходом подключенпыь к входу одного из управляем1 гх коммутпру1оц;пх элементов инвертора, резпстор,;, Д11лк,диод, либо делитель напряжогля, либо трансформатор, первичная обмоткл которого включена в одну из указанш г-: электрических цепей, и два дoпoJn итeль- ных вывода для подключонь я первого и второго самокаляп;пхся эл(м тродов лампы, между котор 1:ми включен конденсатор резонансного контура, при

3

этом параллельно включенные первый резистор и второй дополнительный конденсатор подключены через диак к включающему входу бистабнльного устройства, а через диод либо к выходу делителя напряжения, подключенного параллельно одному loc элементов резонансного контура, либо через второй резистор к вторичной обмотке трансформатора, управляемые комт-(утируюш1ие элементы инвертора соединены последовательно, свободный вывод второго из которых подключен к объединенным первым входному и выходному выводам инвертора,второй выходной вывод которого соединен с объединенными выводами управляемых коммутируюи(их элементов инвертора, удерживающий вход биста- билыюго устройства включен между вторым входным В1ЛПОДОМ инвертора и дополнительным выводом для подключения первого самокалящегося электрода лампы, причем, если первый дополнительный конденсатор включен в первую указанную электрическуЕо

51

цепь, то основной вывод для подключения первого самокаляшегося электрода лампы дополнительно соединен с первым входным выводом инвертора через третий резистор.

2. Преобразователь по п.

о тл и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью обеспечения автоматического повторного запуска преобразователя после установки исправной лампы, дополнительно введена цепь из последовательно соединенных второго диака и пускового конденсатора, включенная парадаельно управляющему переходу первого коммутирующего элемента,причем один из выводов пускового конденсатора связан с допопиительньтм выводом для подключения перного самокалящегося эпектрода лампы, а другой - с вторым входным ныподом инвертора.

Приоритет по пунктам:

31.07.81по п.1 .28.05.82по п.1 30.09.81 по п.2

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является повышение надежности путем защиты преобразователя при незажигании газоразрядной лампы, а также обеспечение автоматического повторного запуска преобразователя после установки исправной лампы. Для отключения преобразователя при длительном незажигании лампы служит бистабильное устройство с удерживающей цепью, в которую включен один из самокалящихся электродов лампы. Бистабильное устройство срабатывает при длительном нахождении контура в режиме резонанса и отключает преобразователь. При замене лампы состояние отключения автоматически прекращается и работа преобразователя продолжается без необходимости отключения всей осветительной установки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.