Устройство для питания разрядной короткодуговой лампы высокого давления Советский патент 1993 года по МПК H05B41/29 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для электро- питания разрядных ламп высокого давления с парами металлов, например, ко- роткодуговых металлогалогенных ламп (МГЛ), в аппаратуре, где первичным источником энергии является сеть постоянного тока низкого напряжения, например, в бортовых приборах и сигнальных огнях транспортных средств или летательных аппаратов, в фарах переднего света автомобилей и т.п.

Целью изобретения является повышение долговечности ламп и надежности их зажигания.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена блочно-функцио- нальная электрическая схема устройства питания МГЛ с блоком зажигания; на фиг.2 представлена схема ИВЭ со вспомогательными усилительными транзисторами: на фиг.З представлена блочно-функциональ- ная схема двухканального генератора прямоугольных импульсов.

На фиг.1 представлена блочно-функци- ональная электрическая схема устройства для питания МГЛ-1, содержащая источник постоянного тока низкого напряжения 2. подключенный к источнику вторичного электропитания (ИВЭ) 3 и блок зажигания 4, включенный между ИВЭ и МГЛ.

ИВЭ содержит первый и второй индуктивные накопители энергии - 5 и 6, которые подключены к положительному зажиму электропитания - 7 источника 2 и к первому и второму полупроводниковым коммутирующим элементам - 8 и 9, которые присоеди- нены к отрицательному зажиму электропитания - 10, источника 2, связанному с массой; общие точки элементов 5 и 8 и элементов 6 и 9 соответственно через диоды 11 и 12 соединены с фильтрующим конденсатором 13, подключенным к несвязанному с массой зажиму 7; причем общая точка диодов 11 и 12 и конденсатора 13 связаны с выходом повышенного напряжения ИВЭ - 14; параллельно индуктивным накопителтм 5 и 6 подключены цепочки, состоящие из конденсаторов 15 и 16, диодов 17 и 18 и

Ё

00

о ю ел

СП

резисторов 19и20, которые предназначены для снижения импульсной мощности, рассеиваемой на элементах 8 и 9 при их закрытии; базы коммутирующих элементов через резисторы 21 и 22 подключены к шине связанной с зажимом 10 и через блок защиты 23 подключены к двухканальному генератору прямоугольных импульсов - 24, который связан также с шиной зажима 10 и с положительным зажимом 7 источника электропитания (связь на фиг. не показана), причем блок защиты подключен также к общей точке диодов 11, 12 и конденсатора 13.

ИВЭ функционирует следующим образом: при наличии напряжения на выходе источника 2, т.е. между зажимами 7 и 10, когда на базы транзисторных коммутаторов 8 и 9 поступают сигналы прямоугольной формы от генератора 24, эти коммутаторы поочередно открываются, при этом поочередно в индуктивных накопителях 5 и 6 во время открытого состояния коммутаторов 8 и 9 происходит пилообразное нарастание тока и накапливается порция энергий, а во время закрытого состояния коммутаторов происходит спад тока, который через диоды 11 и 12 поступает в конденсатор 13, заряжая его до повышенного напряжения, более высокого, чем напряжение на источнике 2. Повышенное напряжение с конденсатора 13 поступает на выход ИВЭ (зажим 14) и через блок зажигания на (ИГЛ. При достижении на зажиме 14 напряжения, например, порядка 80-100 В МГЛ зажигается и горит вначале в пусковом режиме при напряжении порядка 15 В, когда ток через лампу ограничивается сопротивлением блока зажигания и может на порядок превосходить ее рабочий ток, а затем по мере разогрева лампы напряжение на ней возрастает, а ток снижается до значения рабочего тока. Такой ИВЭ передает в нагрузку примерно постоянную мощность, которая определяется в основном энергией, накапливаемой в элементах 5 и б во время каждого импульса, и частотой коммутации элементов 8 и 9 и мало зависит от сопротивления нагрузки, и если напряжение на нагрузке превышает напряжение первичного источника питания 2, то такой ИВЭ имеет падающую вольт-амперную характеристику, обеспечивающую автоматическую стабилизацию мощности МГЛ при изменениях ее рабочего напряжения в определенных пределах.

Если по каким-либо причинам МГЛ гаснет или разрушается, то напряжение на выходном зажиме 14 и конденсаторе 13 достигает верхнего -допустимого предела, при котором срабатывает блок защиты 23, отключающий двухканальный генератор 24

от коммутирующих элементов 8 и 9, при этом прекращается дальнейший рост напряжения на конденсаторе 13.

Если напряжение на конденсаторе 13

понизится до значения, при котором произойдет обратное переключение блока защиты, то генерация ИВЭ возникает вновь и будет продолжаться до момента достижения верхнего допустимого значения напряжения на выходе ИВЭ.

Цепочки, состоящие из конденсаторов 15 и 16, диодов 17 и 18 и резисторов 19 и 20, подключенные параллельно индуктивным накопителям энергии 5 и 6 и служащие для

5 снижения коммутируемой мощности в эле- ментах 8 и 9, обеспечивают снижение крутизны фронта импульса напряжения в моменты размыкания тока коммутаторами 8 и 9.

0 в схеме ИВЭ на фиг.1 генератор 24 должен вырабатывать сигналы управления со значительной силой тока для управления биполярными транзисторами 8 и 9. С целью уменьшения мощности сигналов на выход5

ных каналах генератора коммутирующие

элементы могут быть выполнены с использованием предварительных усилительных транзисторов 25 и 26, показанных на фиг.2. Эмиттеры этих транзисторов подключены к

0 базам силовых транзисторов 8 и 9, а коллекторы - к отводам на обмотках индукторов 5 и 6 через балластные резисторы 27 и 28 с малым сопротивлением. На базы транзисторов 25 и 26 подаются сигналы управления от

5 генератора 24 через блок защиты 23.

Обозначения и назначения остальных элементов схемы фиг.1 соответствуют обозначениям и назначениям элементов на фиг.2. Обе схемы функционируют одинако0 вым образом, однако в схеме фиг.2 сила тока сигналов управления по выходным каналам генератора 24 может быть уменьшена на 1-2 порядка, а сила тока через силовые транзисторы 8 и 9 пониженана 10% за счет отвода

5 части тока индукторов 5 и 6 в базовую цепь транзисторов 8 и 9 через транзисторы предварительного усиления 25 и 26.

На фиг.З дана блочно-функциональная схема двухканального генератора управля0 ющих импульсов для ИВЭ, собранная с использованием интегральной микросхемы КМ1114ЕУ1 А, и схема блока защиты, в которых для простоты изложения опущены элементы, имеющие второстепенное значение.

5 к входу 29 этого устройства подключается напряжение первичного источника электропитания, вход 29 через резистор 3Q соединен со стабилизатором напряжения 31, выход которого соединен с контактом 4 микросхемы 32, а также с базой транзистора

33 и эмиттером транзистора 34. К интегральной микросхеме 32 подключены к контактам 20 и 19 конденсатор 35, к контакту 18 резисторы 36 и к контактам 8 и 9 резистор 38. Выходные контакты этой микросхемы 2 и 23 подключены к базам транзисторов 39 и 40. Коллекторы транзисторов 39 и 40 соединены через резисторы 41 и 42 с массой и непосредственно подключены к выходам первого и второго каналов 43 и 44, эмиттеры - транзисторов 39 и 40 соединены с коллектором транзистора 34, база которого через компаратор 45 соединена с резистором 46, который подключен к массе и через резистор 47 соединен со стабилизатором 48, подключенным к входному зажиму 49. База транзистора 33 и его эмиттер через резисторы 50 и 51 соединены со стабилитроном 52, который подключен к зажиму 29 и резистору 30.

Устройство, представленное на фиг.З, функционирует следующим образом.

При подаче электропитания на зажим 29 (например в пределах 23 В-34 В) через резистор 30 на выходе стабилизатора 36 образуется стабилизированное напряжение (+128), которое поступает на контакт электропитания 4 интегральной микросхемы 32, на базу транзистора 33 и на эмиттер транзистора 34. При подключении к микросхеме 32 конденсатора 35 и резисторов 36 и 37 на ее выходах (контакты 2 и 23) образуются сдвинутые по фазе на 180° прямоугольные сигналы, которые, поступая на базы транзисторов 39 и 40, усиливаются и при этом на выходах 43 и 44 двухканального генератора образуются сигналы (канал 1 и канал 11), используемые для управления транзисторными коммутаторами ИВЭ. Переменный резистор 37 позволяет устанавливать требуемую частоту генерации прямоугольных импульсов по каналам 1 и 11 и т.о. устанавливать выходную мощность ИВЭ.

Если на выходе ИВЭ, подключенному к зажиму 49, напряжение превысит пороговое значение напряжение стабилитрона 48, то через него начнет протекать ток, на резисторе 46 повышается напряжение, которое вызывает переключение компаратора 45, в результате чего закрывается транзистор 34, отключается электропитание с усилительных транзисторов 39 и 40 и на выходах 43 и 44 пропадают сигналы управления: ИВЭ перестает функционировать до тех пор пока напряжение на зажиме 49 не понизится до такого уровня, при котором произойдет обратный переброс компаратора.

Интегральная микросхема 32 позволяет ограничивать пусковой ток лампы. Если ток

через лампу превысит в какой-то момент установленное значение (которое определяется значением сопротивления резистора 38), то на контакт 8 микросхемы 32 посту5 пает напряжение, которое вызывает либо сокращение длительностей генерируемых на выходах 2 и 23 прямоугольных импульсов, либо полное прекращение их генерации. При этом у ИВЭ на некоторое время

10 либо снижается выходная мощность, либо вообще прекращается его работа до тех пор, пока ток через резистор 38 не понизится до установленного значения.

Интегральная микросхема 32 позволяет

5 также осуществить стабилизацию выходной мощности ИВЭ при изменениях питающего напряжения источника постоянного тока низкого напряжения.

Если на входе 29 напряжение (Uex.) из0 меняется (например, в пределах от 23 В до 34 В), то на резисторе 50 выделяется напряжение (Up), равное разности напряжений:

U BX-U31-U52,

где Кз1 - напряжение на выходе стабилиза5 тора 31, a Us2 - опорное напряжение стабилитрона 52, равное, например 11 В.

В этом случае на резисторе 50 выделяется сигнал, равный разности между минимальным напряжением питания и реальным

0 его значением во время работы устройства. Этот сигнал прикладывается к базе эмиттер- ного повторителя, собранного на элементах 33 и 51 и через него на контакт 20 микросхемы 32 поступает ток, сила которого про5 порциональна р, а это приводит к увеличению скорости зарядки конденсатора 35 и повышению частоты генерации прямоугольных импульсов на выходе каналов 1 и 11 и в конечном счете к стабилизации

0 выходной мощности ИВЭ при изменениях питающего напряжения.

Описанная схема ИВЭ с блоком управления была использована для изготовления макета ПРА, предназначенного для питания

5 МГУ постоянным током при средней мощности 150 Вт. Лампа имела рабочее напряжение 70В-75В, рабочий ток через лампу в установившемся режиме составлял 2,1А:2А, а пусковой ток достигал 10 А и время разо0 грева составляло 30-40 с. При подключении лампы к контакту 8 микросхемы 32 типа КМ1114ЕУ1А с сопротивлением резистора 38, равным 28 мОм, пусковой ток лампы ограничивался на уровне 4-5А, а время ра5 зогрева лампы и вывода ее в номинальный режим горения возрастало до 2 мин.

Существенными отличиями предложенного ИВЭ от прототипа являются:

- стабилизация мощности МГУ при из енениях выходного напряжения первичного источника электропитания посредством регулировки частоты коммутаций транзисторных коммутаторов в зависимости от изменений этого напряжения с выделением разностного сигнала и подачей его на вход регулировки частоты микросхемы в блоке управления;

- защита элементов схемы ИВЭ от воздействия избыточного напряжения на выходе при разрушении лампы или при выходе ее из строя;

- защита питаемой МГЛ от протекания через нее слишком больших пусковых токов, приводящих к преждевременному износу электродов лампы;

- повышение КПД ИВЭ в связи с тем, что ИВЭ выполнен по принципу вольтодо- бавочного устройства, у которого часть мощности поступает в лампу непосредственно от источника первичного электропитания и только часть (например, 50-70%) проходит через преобразовательное устройство.

ИВЭ по предложенной схеме может быть использован дли питания МГЛ в бортовых сигнальных огнях летательных аппаратов, однако в перспективе электронные ПРА с такими ИВЭ могут быть использованы для питания МГЛ в фарах переднего света автомобилей.

Общетехнический эффект изобретения заключается в возможности создания аппаратуры по указанной схеме, которая отличается высоким КПД (КПД макетного образца составляет 80%) и возможностями многофункционального регулирования режимов МГЛ на стадиях зажигания, разогрева и в установившемся режиме работы.

Формула изобретения

1. Устройство для питания разрядной короткодуговой лампы высокого давления, содержащее два индуктивных накопителя энергии, диод, два управляемых полупроводниковых ключа, соединенных последовательно с соответствующими индуктивными накопителями энергии, свободные выводы которых соединены с первым выводом для подключения к источнику постоянного тока, а свободные выводы управляемых полупроводниковых ключей соединены с вторым выводом для подключения к источнику постоянного тока, отличающееся тем, что, с целью повышения долговечности ламп и надежности их зажигания, в устройство введены конденсатор, дополнительный диод, генератор прямоугольных импульсов с прямым и инверсным выходами, причем первые одноименные выводы основного и дополнительного диодов соединены между собой, с одной из обкладок конденсатора и первым выводом для подключения лампы, а вторые выводы основного и дополнительного диодов соединены соответственно с объединенными выводами первого индуктивного накопителя энергии и первого управляемого полупроводникового ключа, а также второго индуктивного накопителя энергии и второго управляемого полупроводникового ключа, вторые выводы для подключения к источнику постоянного тока и для подключения лам- пы соединены между собой, другая обкладка конденсатора соединена с первым выводом для подключения к источнику постоянного тока, а прямой и инверсный выходы генератора прямоугольных импульсов подключены соответственно к управляющим входам полупроводниковых ключей.

2. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что каждый управляемый полупроводниковый ключ выполнен в виде двухка- скадного транзисторного усилителя, в котором транзистор первого каскада коллектором подключен к отводу индуктивного накопителя энергии через ограничительный

резистор, базой - к генератору прямоугольных импульсов, а эмиттером - к базе силового транзистора второго каскада.

3. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью повышения надежности устройства, введен блок защиты от перенапряжения, входные выводы которого соединены соответственно с первым и вторым выводами для подключения ламп, при этом выходы генератора прямоугольных импульсов подключены к управляющим входам полупроводниковых ключей через соответствующие выходные цепи блока защиты от перенапряжения,

4. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что генератор прямоугольных импульсов выполнен с возможностью регулирования частоты.

5. Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что, с целью стабилизации выходной мощности при изменениях питающего напряжения первичного источника постоянного тока, в генератор прямоугольных импульсов введен блок разностного сигнала, выход которого соединен с входом регулировки частоты генератора.

Использование: световые приборы транспортных средств и летательных аппаратов. Сущность изобретения: устройство для питания разрядной короткодуговой лампы высокого давления содержит два индуктивных накопителя энергии, два полупроводниковых ключа, два диода, конденсатор, генератор прямоугольных импульсов с прямым и инверсным выходами. Генератор прямоугольных импульсов имеет, вход управления частотой. 4 з.п,ф-лы. 3 ил.