[Home]

Люминесцентные лампы с электронным балластом

Люминесцентные лампы намного экономичнее ламп накаливания, имеют эффективность до 80 лм/Вт против 12 лм/Вт. Люминесцентные лампы могут выпускаться в вариантах с различными цветовыми температурами излучения, от 2700 К (тёплый свет, сопоставимый со светом от ламп накаливания) до 6500 К (холодный дневной). Современные люминесцентные лампы обладают хорошим спектром, обеспечивающим правильное восприятие цветовых оттенков предметов.

Преимущества люминесцентных ламп не остались незамеченными, они широко используются для освещения производственных помещений, офисов, а в последнее время всё чаще применяются в домашнем освещении. Ещё лучшие результаты эти лампы показывают при использовании электронного балласта, работающего на повышенных частотах, пришедшего на смену традиционным пускорегулирующим устройствам.

Люминесцентная лампа
Классическое пускорегулирующее устройство
Преимущества электронного балласта
Типовая схема электронного балласта



Люминесцентная лампа

Люминесцентная лампа представляет собой газоразрядную трубку, наполненную инертным газом - аргоном или криптоном под низким давлением, с добавлением небольшого количества ртути. С каждого конца в трубке находятся нити накаливания, в нагретом состоянии они поддерживают разряд за счёт эмиссии электронов. Лампы питаются переменным током, так что каждая из нитей поочерёдно играет роль катода прямого накала. Разряд в парах ртути является интенсивным источником ультрафиолетового излучения, которое преобразуется в видимый свет за счёт нанесённого на внутреннюю поверхность трубки слоя люминофора.

Устройство люминесцентной лампы (трубка) Рис. 1

Использовавшиеся ранее люминофоры белого свечения были далеки от идеала и ставили перед выбором: получить максимальную эффективность и плохую цветопередачу или потерять в эффективности ради лучшей цветопередачи. Новая трёхлюминофорная технология решила эту проблему. Подбор соотношения используемых люминофоров позволяет добиться очень высокой эффективности, прекрасной цветопередачи, а кроме того, даёт возможность выбора цветовой температуры лампы.

Выпускается множество вариантов ламп, различных по мощности и размерам. В последние годы наряду с линейными трубчатыми лампами всё большую популярность приобретают лампы более сложных форм. Придавая трубке U-образную форму, или свернув её в спираль, или используя какую-то иную пространственную конфигурацию, можно сделать трубку очень компактной. Объединяя такую трубку с электронным балластом, получаем лампу, сопоставимую по размерам с лампой накаливания. Её можно снабдить таким же цоколем, как у обычных ламп накаливания и использовать как более эффективную замену ламп накаливания. За компактными люминесцентными лампами закрепилось название "энергосберегающие" лампы, хотя оно не вполне точное, так как термин должен охватывать более широкий круг устройств. Например, светодиодные лампы являются не в меньшей степени эффективными и энергосберегающими.

Классическое пускорегулирующее устройство

Рассмотрим, как осуществляется зажигание разряда в лампе и поддержание рабочего режима. Перед зажиганием лампы требуется предварительный прогрев катодов. "Холодный старт" недопустим, так как значительно сокращает срок службы лампы из-за сильного катодного распыления в момент включения. В результате предварительного прогрева, за счёт термоэлектронной эмиссии, вокруг каждого из катодов образуется электронное облако, пространственный заряд которого уменьшает напряжённость поля вблизи катода и предотвращает его разрушение.

После прогрева катодов можно зажигать разряд в лампе, для этого требуется импульс высокого напряжения, порядка 1000 В. После зажигания разряда сопротивление лампы резко уменьшается. Происходит переход на падающий участок вольтамперной характеристики, когда с ростом тока через лампу напряжение на ней падает. В связи с этим возникает необходимость в устройстве ограничения тока для предотвращения разрушения лампы.

Питающий ток должен быть по возможности близок к идеально синусоидальному. В этом случае минимизируется уровень излучаемых помех от самой лампы и от питающих проводов. Кроме того, недопустимы большие пиковые значения питающего тока, которые сильно сокращают срок службы ламп. Недопустимо наличие постоянной составляющей питающего тока, иначе будет снижаться эмиссионная способность одного из катодов.

В связи с перечисленными особенностями требуется наличие специального пускорегулирующего устройства для включения люминесцентной лампы в сеть. На протяжении многих лет использовалась и до сих пор весьма распространена простейшая схема с дросселем, включённым последовательно с лампой.

Классическое пуско-регулирующее устройство для люминесцентной лампы Рис. 2

Работает это пускорегулирующее устройство следующим образом. После включения в сеть зажигается неоновая лампа-стартер (starter). Она очень быстро разогревается проходящим током и один из её электродов, выполненный в виде биметаллической пластины изгибается и касается другого электрода, замыкая цепь. Обе нити накаливания люминесцентной лампы оказываются включены последовательно и через дроссель L подключены к сети. Начинается разогрев катодов. Одновременно с этим происходит охлаждение неоновой лампы, так как в замкнутом состоянии её сопротивление мало и рассеваемая на ней мощность незначительна. За время порядка 1..2 секунд неоновая лампа остывает, биметаллический контакт размыкает цепь. За счёт эдс самоиндукции дросселя L формируется импульс высокого напряжения между катодами люминесцентной лампы и она зажигается, после чего напряжение на ней падает. В рабочем режиме ток через лампу ограничивается дросселем L, напряжение на лампе падает до величины недостаточной для зажигания неоновой лампы-стартера.

Если с первого раза не произошло зажигания разряда, аналогичным образом происходят повторные циклы старта.

Конденсатор C1 компенсирует индуктивную составляющую потребляемого цепочкой лампа-дроссель тока, уменьшая сдвиг фаз между током, потребляемым от сети и напряжением в сети. Конденсатор C2 подавляет коммутационные помехи при замыкании и размыкании контактов неоновой лампы.

Несмотря на предельную простоту, схема отвечает основным требованиям к пускорегулирующему устройству для люминесцентных ламп: обеспечивает "мягкий старт" (предварительный прогрев катодов перед зажиганием) и стабилизацию тока в рабочем режиме; реактивное сопротивление дросселя растёт с частотой, что ограничивает ток высших гармоник и обеспечивает более или менее синусоидальный ток через лампу.

Преимущества электронного балласта

В электронном балласте, точно так же как в классическом пускорегулирующем устройстве, старт и стабилизация рабочей точки лампы осуществляются с помощью дросселя, только для питания используется высокочастотный ток. Естественно, схема усложняется, но появляется ряд преимуществ по отношению к низкочастотному варианту.

Блок-схема электронного балласта Рис. 3

На рисунке изображена блок-схема электронного балласта. Как видим, в электронном балласте сетевое напряжение выпрямляется, полученное постоянное напряжение преобразуется с помощью инвертора в переменное с повышенной частотой, которое подаётся на люминесцентную трубку через дроссель.

Для защиты сети от высокочастотных помех, возникающих при работе электронного балласта, на входе схемы ставят фильтр. Электронный балласт может опционально содержать схему PFC (power factor correction), которая улучшает линейность электронного балласта как нагрузки для сети - за счёт этой схемы от сети потребляется ток в течении большей части каждого полупериода колебаний сетевого напряжения, в отличие от обычного выпрямителя, который потребляет ток в виде коротких импульсов большой амплитуды в моменты подзаряда сглаживающего конденсатора, в результате чего искажается форма сетевого напряжения. Рост количества потребителей с импульсным преобразованием напряжения делает необходимостью использовать схемы PFC, по крайней мере, в мощных устройствах.

Показанная на схеме пунктиром необязательная цепь обратной связи может использоваться для стабилизации режима лампы при изменениях входного напряжения и для осуществления защитного отключения устройства в случае аварийных режимов работы.

Переход на повышенные частоты питающего лампу тока даёт следующие преимущества.

Увеличение эффективности. Как показывают исследования, увеличение частоты питающего тока с 50 Гц до 20 кГц увеличивает световую отдачу лампы примерно на 10%. Что позволяет увеличить выход лампы при той же потребляемой мощности, либо снизить потребление при том же световом выходе.

Устранение мерцания. При использовании классического пускорегулирующего устройства, лампа мерцает с удвоенной частотой сети - вспыхивает дважды за период на каждой полуволне питающего напряжения. Это мерцание воспринимается многими людьми, раздражает, вызывает быстрое утомление. При работе с вращающимися механизмами, мерцание может вызывать опасный стробоскопический эффект, когда быстро вращающаяся деталь кажется неподвижной или медленно поворачивающейся. Если лампа питается током высокой частоты, она светит непрерывным светом, так как период колебаний тока оказывается меньше, чем время отклика люминофора (проявляется послесвечение люминофора). Возможна лишь незначительная модуляция светового потока с удвоенной сетевой частотой из-за наличий пульсаций после выпрямления сетевого напряжения в схеме электронного балласта. Эти пульсации совершенно незаметны даже при использовании простейших сглаживающих фильтров; использование упоминавшейся ранее цепи обратной связи практически полностью устраняет пульсацию светового потока.

Уменьшение размеров и веса. На высоких частотах требуется дроссель с малой индуктивностью и он может иметь очень малые размеры. Также уменьшается требующаяся ёмкость конденсаторов и, соответственно, их размер. В целом электронный балласт получается весьма компактным и недорогим.

Отсутствие шума. Даже качественные дроссели низкочастотных пускорегулирующих устройств гудят из-за вибрации пластин сердечника и витков катушки с частотой сети. Вибрация от дросселя передаётся на элементы светильника, за счёт чего уровень шума становится ещё выше. Во время включения стартер создаёт шум в виде громких щелчков. Электронный балласт обеспечивает бесшумный старт; с ростом частоты вибрация дросселя уменьшается; рабочая частота электронного балласта может быть выбрана выше верхней границы воспринимаемого слухом аудио-диапазона и тогда лампа не будет являться источником слышимого шума.

Высокая надёжность, длительный срок службы. В классическом пускорегулирующем устройстве весьма слабым местом является стартер. Стартеры в момент включения испытывают значительные электрические и тепловые нагрузки, содержат контакты, механически осуществляющие коммутацию цепи. Это серьёзно сказывается на надёжности и долговечности. Часто вышедший и строя стартер заодно выводит из строя и люминесцентную лампу (если он теряет способность зажечь лампу, переходя в бесконечный цикл попыток запуска или если происходит залипание контактов с переходом в режим непрерывного разогрева катодов). В электронном балласте отсутствуют подвижные механические контакты, проще точно выдержать режимы мягкого старта, есть возможность создать для всех элементов схемы благоприятные режимы работы, можно предусмотреть стабилизацию рабочего режима и защитное отключение в случае аварийной ситуации. Так что, несмотря на увеличение сложности, надёжность и срок службы оказываются больше.

Типовая схема электронного балласта

Схемы недорогих ламп небольшой мощности практически одинаковы, отличия если есть, то в незначительных деталях. Существуют большие сборники схем для лам разных моделей, но для того, чтобы разобраться с принципом работы, достаточно рассмотреть устройство одной лампы. На рис. 4 приведена схема NAKAi 25W/833 (220-240V, 50-60Hz; Warm white).

Типовая схема электронного балласта Рис. 4

Выпрямитель, собранный по двухполупериодной схеме на диодах D1-D4, подключён к сети через предохранитель FUSE. К выходу выпрямителя подключён объединённый фильтр помех и сглаживающий фильтр на элементах C1, L1, C4. Инвертор собран на транзисторах Q1, Q2 по двухтактной автогенераторной схеме (вариант полумостового инвертора с питаемым напряжением последовательным резонансным контуром). Положительная обратная связь в автогенераторе осуществляется трансформатором L3 на ферритовом кольце (первичная обмотка содержит 8 витков, вторичные - по 2 витка). Диоды D7, D8 защищают транзисторы от пробоя в результате возникновения эдс самоиндукции в дросселе L2 при закрытии обоих транзисторов, ограничивая диапазон напряжений на выходе инвертора от 0 до выпрямленного напряжения сети. Одновременно с защитой, они осуществляют рекуперацию энергии, возвращая её в конденсаторы фильтра.

Здесь используется схема автогенератора с жёстким самовозбуждением. Сразу после включения в сеть, автогенерация отсутствует - оба транзистора закрыты. Для запуска автогенератора требуется внешнее воздействие, которое производится схемой запуска из элементов R1, R2, C2, D5, DIAC. Функционирует схема запуска автогенератора следующим образом. При закрытых транзисторах конденсатор C2 заряжается через резисторы R1, R2 напряжением, получаемым с выхода выпрямителя. Когда напряжение на C2 достигает напряжения пробоя динистора, динистор открывается и разряжает конденсатор через базу транзистора Q1. Этот импульс открывает транзистор, после чего начинается работа автогенератора. При работающем автогенераторе импульсы запуска не формируются, потому что каждый раз когда открывается Q1, происходит разряд конденсатора C2 через диод D5. Так что в рабочем режиме C2 не имеет шансов успеть зарядиться до напряжения пробоя DIAC, для этого сопротивление резистора R2 и, соответственно, постоянная времени RC-цепи слишком велики.

Нагрузкой инвертора и одновременно последовательным резонансным контуром, определяющим частоту колебаний автогенератора является цепь из элементов L2, C8, C7, X1 (люминесцентная трубка). Влиянием первичной обмотки трансформатора связи L3 на эту цепь можно пренебречь из-за крайне низкой индуктивности обмотки по сравнению с индуктивностью дросселя L2.

Рассмотрим теперь, как происходит зажигание лампы и обеспечение её рабочего режима. Для предварительного прогрева катодов лампы служит терморезистор с положительным ТКС R8. При комнатной температуре он имеет низкое сопротивление и поэтому сразу после включения инвертора шунтирует конденсатор C8. Переменное напряжение инвертора оказывается приложено к последовательному резонансному контуру, образованному элементами L2, C7, R8 и последовательно соединёнными нитями накала (катодами). Это этап предварительного разогрева катодов. В это же время терморезистор разогревается проходящим через него током. Сопротивление его возрастает, он "самоотключается" от цепи, зато включается в работу конденсатор C8, который до этого был зашунтирован терморезистором.

Ёмкость C8 во много раз меньше, чем ёмкость конденсатора C7 (в данном случае в 10 раз), поэтому можно считать, что C7 представляет короткое замыкание для переменного тока и определяющее значение будет иметь C8. За счёт уменьшения ёмкости последовательного резонансного контура, возрастает частота генерации и характеристическое сопротивление контура, резонансное напряжение на C7 увеличивается до величины, достаточной для зажигания разряда в трубке. После зажигания разряда, напряжение на трубке падает и конденсатор C8 перестаёт существенным образом влиять на частоту генерации. Частота генерации падает, теперь она определяется элементами L2 и С7. Лампа переходит в рабочий режим.

Нетрудно догадаться, что показанные на блок-схеме (рис. 3) опциональные элементы в дешёвых лампах отсутствуют: нет блока PFC и обратной связи для стабилизации режима.

author: hamper; date: 2016-09-15
  @Mail.ru