Устройство для питания газоразрядных ламп Советский патент 1991 года по МПК H05B41/392 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания газоразрядных ламп током низкой частоты прямоугольной формы в осветительных установках широкого применения.

Цель изобретения - повышение КПД устройства, повышение устойчивости работы и снижение пульсации светового потока газоразрядной лампы.

На фиг.1 представлена схема устройства для питания газоразрядной лампы; на фиг.2 - временные диаграммы; на фиг.З и 4 - варианты схемы инвертора с дополнительными ключами.

Устройство для питания газоразрядных ламп содержит мостовой инвертор из четырех транзисторных ключей 1 - 4, датчик 5 тока лампы, усилитель 6 сигнала обратной связи, вход которого подключен к датчику 5

тока лампы, накопительный дроссель 7, блок 8 управления, включающий в себя два формирователя высокочастотных импульсов управления соответственно первым 1 и четвертым 4 ключами инвертора в положительный полупериод низкочастотного напряжения, кратного по частоте высокочастотному, и вторым 2 и третьим 3 ключами инвертора в отрицательный полупериод низкочастотного напряжения, причем входы формирователей соединены с выходом усилителя 6 сигнала обратной связи, а выходы - с базами соответствующих транзисторов инвертора, коллекторы первого 1 и третьего 3 транзисторов инвертора и эмиттеры второго 2 и четвертого 4 транзисторов соединены с соответствующими выводами 9 и 10 для подключения источника постоянного напряжения, а объединенные

О

% ю

со

между собой выводы первого 1 и второго 2 транзисторов и третьего 3 и четвертого 4 транзисторов связаны с выводами 11 и 12 для подключения газоразрядной лампы 13, накопительный дроссель 14, причем дроссели 7 и 14 выполнены двухобмотрчными, четыре дополнительных транзисторных ключа 15 - 1И, начальные выводы осноёных обмоток дросселей 7 и 14 соединены соответственно с эмиттерами первого 1 и третьего 3 транзисторов инвертора, параллельно основной обмотке дросселя 7 подключены соединенные последовательно встречно включенная дополнительная обмотка дросселя 7, первый 15 и второй 16 дополнительные ключи, параллельно основной обмотке дросселя 14 подключены соединенные последовательно встречно включенная дополнительная обмотка дросселя 14, третий 17 и четвертый 18 дополнительные ключи, причем объединенные выводы ключей 15 и 16 и обьединеммые выводы третьего 17 и четвертого 1Ь ключей соединены через датчик 5 тока лампы с выводами 11 и 12 для подключения газоразрядной лампы 13. Блок 8 управления, помимо указанных двух формирователей, содержит третий формирователь высокочастотных импульсов управления в положительный полупериод низкочастотного напряжения, инвертированных по отношению к высокочастотным импульсам управления первого фор- мирователя, обеспечивающий пропуск первого импульса управления и соединенный с управляющим входом ключа 15, четвертый формирователь высокочастотных импульсов управления в отрицательный полупериод низкочастотного напряжения, инвертированных по отношению к высокочастотным импульсам управления второго формирователя, обеспечивающий пропуск первого импульса управления и соединенный с управляющим входом ключа 17, пятый формирователь, формующий одиночный импульс управления в начале отрицательного полупериода низкочастотного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом ключа 16, шестой формирователь, формирующий одиночный импульс управления в начале положительного полупериода низкочастотного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом ключа 18. Для повышения надежности дроссели 7 и 14 могут быть снабжены третьей обмоткой, включенной встречно по отношению к основным обмоткам соответствующих дросселей, которые через обратные диоды 19 и 20 (фиг.З, фиг.4) соединены с выводами 9 и 10 для

подключения источника постоянного напряжения,

Устройство для питания газоразрядных ламп работает следующим образом,

После включения питания на ключи 1-4

инвертора и вспомогательные ключи 15-18 с блока 8 управления поступают импульсы управления в соответствии с временными диаграммами, приведенными на фиг.2, где

а - напряжение на нагрузке; б - ток в нагрузке в граничном между прерывистым и непрерывным режимом работы; в - ток в нагрузке в режиме непрерывных токов; г.д.з.и - напряжение управления ключами

инвертора; е, к - напряжение управления первым и третьим дополнительными ключами; ж, л - напряжение управления вторым и четвертым дополнительными ключами.

На временных диаграммах для установившегося режима (фиг.2) выделены период О...Т огибающей низкой частоты и ряд интервалов высокой частоты. Из этих диаграмм следует:

1)на выходе инвертора формируются напряжение и ток с огибающими низкой (до

100 Гц) частоты, заполненными импульсами высокой частоты (от 20 кГц и выше);

2)в течение положительной полуволны огибающей низкой частоты работают:

а) на интервалах ti...t2, t3...t4t2n-i...t2n

запасания энергии в дросселе 7 - ключи 1 и 4;

б)на интервалах t2...ta, t4...ts,... t2n-2...t2n-i рассеяния энергии, запасенной в дросселе

7 - вспомогательный ключ 15 цепи возвратного тока;

в)на первом интервале to...ti рассеяния энергии, запасенной в дросселе 14, - вспомогательный ключ 18 цепи возвратного тока;

3)в течение отрицательной полуволны огибающей низкой частоты работают:

а)на интервалах t i ...t 2 , t a ...t 4 ..., ...t 2n запасания энергии в дросселе

14 - силовь е ключи 2 и 3;

б)на интервалах t 2 ...t 3 , t 4 ...t s

t 2n-2 ...t 2n-i рассеяния энергии, запасенной в дросселе 14, - вспомогательный ключ 17 цепи возвратного тока;

в) на первом интервале t o ...t i рассеяния энергии, запасенной в дросселе 7 на интервале t2n-i...t2n, - вспомогательный ключ 16 цепи возвратного тока.

В течение интервалов открытого состояния ключей 1 и 4 (3 и 2) происходит запасание энергии в дросселе 7 (14). При этом ток от источника, увеличиваясь от минимального до максимального значения, проходит по контуру, содержащему ключ 1 (3). основную

обмотку дросселя 7 (14), нагрузку 13, датчик 5 тока и ключ 4 (2).

В течение интервалов открытого состояния вспомогательного ключа 15 (17) цепи возвратного тока происходит рассеяние энергии, запасенной в дросселе 7 (14). При этом ток, поддерживаемый энергией, запасенной в предшествующем интервале, уменьшаясь от максимального до минимального значения, проходит по контуру, содержащему основную обмотку дросселя 7 (14), нагрузку 13, датчик 5 тока и ключ 15(17) цепи возвратного тока.

В течение интервалов открытого состояния вспомогательного ключа 16 (18) цепи возвратного тока происходит рассеяние энергии, запасенной в дросселе 7 (14). Однако при работе этого ключа ток, поддерживаемый энергией, запасенной в течение предшествующего интервала, и проходя- щий по контуру, содержащему первую дополнительную обмотку дросселя 7 (14), нагрузку 13, датчик тока 5 и ключ 16 (18), имеет в нагрузке направление противоположное предшествующему. Это обусловле- но тем, что перед рассматриваемым интервалом рассеяния энергии обеспечивается реверс огибающей тока низкой частоты на выходе инвертора.

Диапазон изменения тока в нагрузке 13 от минимального до максимального значения и наоборот определяется настройкой цепи обратной связи 5, 6 блока 8 управления и может изменяться в широких пределах в зависимости от требуемых конкретных условий работы газоразрядной лампы 13.

Каждый период высокой частоты, например ti...t3, содержит интервалы (полупериоды) нарастания тока - ti...t2 и спада - t2...t3, причем соотношение их длительно- стей определяется параметрами конкретного комплекта.

В каждом полупериоде 0 - Т/2, Т/2 - Т огибающей тока низкой частоты формируется 2 п полупериодов тока высокой частоты. Длительность полупериода тока высокой частоты зависит от индуктивности накопительного дросселя 7 (14), величины сопротивления нагрузки, а также параметров источника постоянного напряжения, питающего инвертор, цепи обратной связи 5, 6, блока 8управления. Поэтому при постоянном числе полупериодов тока высокой частоты длительность огибающей тока низкой частоты тока зависит от вышеуказанных па- раметров. На практике это означает, что в рассматриваемом случае, на этапе разгора- ния разряда лампы высокого давления (когда ее сопротивление значительно меньше установившегося значения) длительность

полупериода огибающей тока низкой частоты будет больше, чем в установившемся режиме.

Кроме рассмотренных на фиг.2. возможно создание таких управляющих сигналов, при которых импульсы тока высокой частоты образуются за счет переключения только одного ключа, например 1(3), и непрерывно открытого второго 4(2). В принципе возможен также режим работы основной цепи возвратного тока при непрерывно открытом вспомогательном ключе 15(17) в пределах этапа его действия t2...t2n-i (фиг.2).

Без изменения сущности изобретения в его различных вариантах, могут быть использованы: цепи формирования безопасной траектории переключения ключей инвертора; цепи, обеспечивающие рекуперацию излишней энергии, накопленной в дросселях инвертора, в основной источник питания либо в другие накопители энергии; цепи ограничения перенапряжений на ключах инвертора; цепи защиты от перенапряжений, возникающих при работе устройства в комплекте с газоразрядной лампой высокого давления, требующей напряжения зажигания 20-50 кВ, создаваемого отдельным зажигающим устройством, обычно включаемым последовательно с лампой; други-э соединения выводов инвертора, датчика тока и лампы, а также датчики тока различного типа, в т.ч. работающие на переменном токе; ключи любого типа (на биполярных или униполярных транзисторах, обычных или запираемых тиристорах и т.д.).

Кроме представленных в описании диаграмм управляющих напряжений, возможны и другие варианты управления, не меняющие сущности изобретения и вариантов выполнения.

Изобретение позволяет упростить устройство и увеличить его КПД за счет уменьшения количества узлов и элементов, в которых происходит полное преобразование энергии, поступающей в нагрузку; расширить конструктивные возможности устройства за счет использования как блочного, так и модульного исполнения аппарата, унификации узлов для ламп различного типа и мощности; расширить функциональные возможности устройства за счет создания унифицированного аппарата, способного работать с лампами различного типа и мощности (в пределах максимальной), обеспечения плавного или ступенчатого регулирования тока лампы и ее светового потока; увеличить надежность за счет обеспечения устойчивой работы устройства в любых переходных и аномальных режимах.

Формула изобретения

1. Устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее мостовой инвертор из четырех транзисторных ключей, датчик тока лампы, усилитель сигнала обратной связи, вход которого подключен к датчику тока лампы, накопительный дроссель, блок управления, включающий в себя два формирователя высокочастотных импульсов управления соответственно первым и четвертым ключами инвертора в положительный полупериод низкочастотного напряжения, кратного по частоте высокочастотному, и вторым и третьим ключами инвертора - в отрицательный полупериод низкочастотного напряжения, причем входы формирователей соединены с выходом усилителя сигнала обратной связи, а выходы - с базами соответствующих транзисторов инвертора, коллекторы первого и третьего транзистров, инвертора и эмиттеры второго и четвертого транзисторов соединены с соответствующими выводами для подключения источника постоянного напряжения, а другие выводы второго и четвертого транзисторов связаны с выводами для подключения газо- разрядой лампы, отличающееся тем, что, с целью повышения КПД устройства, повышения устойчивости работы и снижения пульсации светового потока газоразрядной лампы, в устройство дополнительно введены второй накопительный дроссель, при этом оба дросселя выполнены двухоб- моточными, и четыре дополнительных транзисторных ключа, причем начальные выводы основных обмоток дросселей соединены соответственно с эмиттерами первого и третьего транзисторов инвертора, а их конечные выводы - соответственно с коллекторами второго и четвертого транзисторов инвертора, параллельно основной обмотке первого дросселя подключены соединенные последовательно встречно включенная дополнительная обмотка этого дросселя, первый и второй дополнительные ключи, параллельно основной обмотке второго дросселя подключены соединенные

последовательно встречно включенная дополнительная обмотка этого дросселя, третий и четвертый дополнительные ключи, причем объединенные выводы первого и

второго дополнительных ключей и объединенные выводы третьего и четвертого дополнительных ключей соединены через датчик тока лампы с выводами для подключения газоразрядной лампы, а в блок управления введены третий формирователь высокочастотных импульсов управления в положительный полупериод низкочастотного напряжения, инвертированных по отношению к высокочастотным импульсам

управления первого формирователя, обеспечивающий пропуск первого импульса управления и соединенный с управляющим входом первого дополнительного ключа, четвертый формирователь высокочастотных

импульсов управления в отрицательный полупериод низкочастотного напряжения, инвертированных по отношению к высокочастотным импульсам управления второго формирователя, обеспечивающий пропуск

первого импульса управления и соединенный с управляющим входом третьего дополнительного ключа, пятый формирователь, формирующий одиночный импульс управления в начале отрицательного полупериода

низкочастотного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом второго дополнительного ключа, шестой формирователь, формирующий одиночный импульс управления в начале п сложите л ьного полупериода низкочастотного напряжения, выход которого соединен с управляющим входом четвертого дополнительного ключа.

2. Устройство поп.1,отличающеес я тем, что, с целью повышения надежности устройства,в оба накопительных дросселя введены третьи обмотки, включенные встречно по отношению к основным обмоткам соответствующих дросселей и соединенные через обратные диоды с выводами для подключения источника постоянного напряжения.

fI

MS

Г

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания газоразрядных ламп током низкой частоты прямоугольной (Ьормы в осветительных установках широкого применения Целью изо- бретения является повышение КПД устройства, повышение устойчивости и надежности работы, снижение пульсации светового потока газоразрядной лампы. За счет введения дополнительного накопительного дросселя и выполнения дросселей двухоб- моточными. а также четырех дополнительных ключей с формирователями импульсов управления этими ключами, обеспечивается улучшение формы огибающей выходного тока низкой частоты, осуществляется рекуперация запасенной в дросселях энергии в нагрузку и источник постоянного напряжения. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. Ј

Ј

Ј

.5

5

fcQ

N I

Ј IS N b

Ч) Ъ Q,X 5j Ч

m

си

3

CJ-ГЗ