СИСТЕМА ЗАЖИГАНИЯ И ПИТАНИЯ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ЛАМП

Комаров Станислав Григорьевич

Дата публикации: 11.05.2014

Опубликовано пользователем: Комаров Станислав Григорьевич

Рубрика ГРНТИ: 45.00.00 Электротехника

Ключевые слова: , , , , , , , , , , , , , , , , ,

Библиографическая ссылка:
Комаров С.Г. Система зажигания и питания люминесцентных ламп // Портал научно-практических публикаций [Электронный ресурс]. URL: http://portalnp.ru/2014/05/1897 (дата обращения: 08.06.2018)

АННОТАЦИЯ

В статье представлено техническое решение, относящееся к области электротехники, а именно к люминесцентным светильникам, и предлагается учащимся старших классов, занимающихся в кружках электротехники или радиоэлектроники под наблюдением и руководством опытного руководителя, своими руками сначала построить первичную электронную систему зажигания и питания люминесцентных ламп, в которой могут быть использованы даже устаревшие типы электронных элементов, таких как фоторезисторные оптроны ОУ-2, диодные и конденсаторные сборки, стабилизатор тока – бареттер типа 0,3Б 65-135, высоковольтный кремневый транзистор, времязадающий конденсатор, люминесцентная лампа переменного тока ЛДЦ 40 с шунтированными электродами и т. д., а после практического опробования системы определить возможные пути её усовершенствования. К примеру: путём замены стандартного бареттера управляемым электронным аналогом бареттера, ввода внешнего регулятора для изменения светового потока светильника, замены зарядных фоторезисторных оптронов лавинными транзисторами или динисторами, ввода автоматического регулирования неизменностью светового потока в диапазоне переменного сетевого напряжения 200 – 250 В, и т. д. Что поспособствует углублению и расширению знаний учащихся.

Широко распространенная до настоящего времени система зажигания и питания люминесцентных ламп (источник информации п. 1) в сети переменного тока с применением индуктивного балластного сопротивления – дросселя и стартёра, несмотря на простоту, имеет ряд недостатков: повышенный уровень шума, пульсация светового потока источника света, создающая стробоскопический эффект, и индуктивный характер нагрузки, приводящий к снижению коэффициента мощности. Многие разработчики систем зажигания и питания люминесцентных ламп стремились устранить отмеченные недостатки (источник информации п. 2).

Для повышения коэффициента мощности обычно применяется ёмкостной балласт в паре с индуктивным, но это не исключает других недостатков, свойственных питанию ламп переменным током: сложность конструкции и дороговизна дросселя, гудение дросселя при включении лампы, потребность в стартёре, имеющим ограниченный срок службы, при работе стартёра в цепи постоянного тока с большой индуктивностью возможно залипание его контактов, наличие у лампы нитей накала, которые могут перегореть и потребуют замены ещё вполне пригодной для работы лампы, нет мгновенного загорания лампы при её подключении к источнику питания, и т.д.

Автором был изготовлен и испытан действующий макет системы по схеме рис. 1 (представлен в приложении – на отдельном листе), в котором использованы люминесцентная лампа переменного тока ЛДЦ 40 (напряжение на лампе 110 В, ток 0,3 А, мощность 40 ВТ), балластный конденсатор Со типа МБГЧ на 5 мкф, 500 В, выпрямительный диодный мост ВМ (диодная сборка) типа КЦ 407 К, накопительный конденсатор C1 типа КЭ-2-М на 30 мкф, 300 В, времязадающий конденсатор С2 типа КЭ-2-М на 0.5 мкф, 300 В, кремневый транзистор КТ, коэффициент усиления по току которого не определялся, а его режим работы исследовался по горению светодиода и миниатюрной лампочки от оптрона 0У-2 в силовой цепи транзистора, рассчитанного на напряжение 300 В, фоторезисторные оптроны 01-05, выходные сопротивления которых в закрытом состоянии составляют несколько мгом, а в открытом – порядка 50 ом, диодные сборки ДС1-ДС4 с параметрами каждого из диодов, соответствующими параметрам диодов типа Д 226 Б, и конденсаторная сборка КС, в которой содержится три конденсатора СЗ-С4-С5, каждый из которых имеет ёмкость 0,1 мкф и рассчитан на напряжение 400 В. В качестве фильтра и ограничителя тока лампы был использован стандартный стабилизатор СТ тока – бареттер типа 0,3 Б 65-135 с напряжением стабилизации 65-135 В и током стабилизации 0,27 – 0,33 А, который представлял собой наполненный водородом баллон с железной нитью, сопротивление которой увеличивается по мере роста тока и связанного с этим увеличения температуры.

В системе использовано холодное зажигание лампы ЛДЦ 40 – нити накала не подогреваются и служат как шунтированные электроды. Все перечисленные детали электрической схемы размещались на печатной плате.

Таким образом, предлагаемая первичная система зажигания и питания люминесцентной лампы (рис. 1) содержит блок питания, выполненный в виде преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное напряжение (с использованием выпрямительного моста ВМ, накопительного конденсатора – фильтра С1 и ограничивающего напряжение на конденсаторе С1 конденсатора Со); подключенную к выходу блока питания токоограничивающую цепочку из последовательно соединённых диодов диодной сборки ДС1 и стабилизатора СТ тока – бареттера, а также люминесцентную лампу ЛДЦ 40 переменного тока, используемую в цепи постоянного тока; блок зажигания, выполненный с устройством установки времени зажигания порядка 0,1 с на резисторно-конденсаторной ячейке R – C2, высоковольтном транзисторе КТ и вспомогательном фоторезисторном оптроне О1, а также с блоком конденсаторов КС (С3-С4-С5), с фоторезисторными оптронами О2-О3-О4, обеспечивающими входным первым полупериодом сетевого переменного напряжения параллельную зарядку конденсаторов в блоке КС, а входным вторым полупериодом сетевого напряжения и фоторезисторным оптроном О5 последовательное соединение заряженных конденсаторов между собой для образования импульса зажигания более 600 В, приложенного к шунтированным электродам лампы ЛДЦ 40.

Работает система “холодного” зажигания и питания стандартной люминесцентной лампы ЛДЦ40 следующим образом.

При включении выключателя Вкл (см. рис. 1) переменное напряжение 220 В через балластный (ограничительный) конденсатор Со 5 мкф подается на выпрямительный диодный мост ВМ. Выпрямленным напряжением моста ВМ в течение двух полупериодов сетевого переменного напряжения 220 В успевает зарядиться накопительный конденсатор C1 30 мкф до напряжения 110 В. Постоянное напряжение 110 В сразу же поступает на электроды лампы ЛДЦ 40 через диодную сборку ДС1 и стабилизатор СТ тока – бареттер. Но лампа ЛДЦ 40 не загорается, т. к. напряжения 110 В достаточно только для её горения, но не для зажигания. Напряжение зажигания лампы составляет порядка 600 В.

Напряжением конденсатора C1 начинает заряжаться времязадающий конденсатор С2 в цепи база-эмиттер кремневого транзистора КТ. Пока идет зарядка конденсатора С2 транзистор КТ оказывается открытым в необходимой мере. При этом получает питание светодиод (или миниатюрная лампочка) вспомогательного оптрона 01, фоторезисторы этого оптрона понижают своё сопротивление до минимального (оптрон открывается) и переменное напряжение 220 В через ограничительные резисторы 2R 0,1 м поступает в схемы управления оптронами – в группе зарядных оптронов 02-03-04 (для параллельной зарядки конденсаторов С3-С4-С5) и оптроном 05 в цепи последовательной коммутации заряженных конденсаторов СЗ-С4-С5 между собой.

Первым полупериодом переменного напряжения 220 В открываются оптроны 02-03-04 (группа зарядных оптронов) и все три конденсатора СЗ-С4-С5 заряжаются, но не до действующего напряжения сети 220 В, а до её максимального амплитудного напряжения 314 В. По окончании первого полупериода сетевого напряжения оптроны 02-03-04 закрываются – выходные сопротивления их становятся большими.

Вторым полупериодом сетевого напряжения открывается оптрон 05 и все заряженные конденсаторы СЗ-С4-С5 оказываются включенными последовательно, на выходе последовательной цепи конденсаторов возникает напряжение 942 В, которое оказывается приложенным к электродам лампы ЛДЦ 40. Лампа кратковременно вспыхивает.

Для надёжного зажигания лампы требуется автоматически подать 5-6 импульсов высокого напряжения на её электроды – за 0,1 – 0,12 с, задаваемые схемой устройства установки времени зажигания. Это время задаётся зарядной цепочкой из конденсатора С2 0,5 мкф и сопротивления R 0,2 мгом. После чего заряд конденсатора С2 прекращается, транзистор КТ закрывается, гаснет светодиод (лампочка) вспомогательного оптрона О1 и тем самым схема формирования высоковольтных пусковых импульсов в блоке зажигания с зарядно-разрядными конденсаторами С3-С4-С5 автоматически перестает работать (до нового включения лампы), а сама зажженная лампа питается теперь только выпрямленным током 110 В от конденсатора C1 и шунтирует блок зажигания.

Зажигание (включение) лампы в течение 0,1 сек возможно посчитать мгновенным, т. к. оно на глаз незаметно. Точно так же мгновенным является отключение лампы. После выключения выключателя Вкл конденсатор С1 быстро разряжается на лампу ЛДЦ 40, а конденсатор С2 через несколько секунд разряжается на параллельное ему сопротивление Rр 5 мгом, и электрическая схема лампы ЛДЦ 40 готова к следующему включению.

Экспериментальная проверка показала, что использование при токе неизменной полярности в качестве фильтра и токового ограничителя стабилизатора тока СТ – бареттера, в виде наполненного водородом баллона с железной нитью, не хуже, в том числе по тепловым потерям, стандартного дросселя (но много проще и дешевле), если правильно подобраны значения балластного конденсатора Со, а ток лампы соответствует току стабилизации бареттера СТ, и обеспечивается ток лампы напряжением накопительного конденсатора C1.

При горении лампы отсутствует характерный шум (в схеме нет балластного дросселя), стабилизатор тока СТ не приводит к снижению коэффициента мощности и при широком своём использовании мог бы сэкономить многие тонны стали и меди, идущие на изготовление стандартных дросселей, нет потребности в стартёре и не требуется целостности нитей накала в лампе (лампы в таком случае даже с перегоревшими нитями накала могут найти применение), а включение лампы происходит практически мгновенно.

Поскольку общепринято для эксплуатации на постоянном токе использовать люминесцентные лампы специальной конструкции (что очевидно не зря), автор счёл
необходимым проверить стандартную лампу переменного тока ЛДЦ 40 в схеме с неизменной полярностью тока на предмет возможного возникновения в ней катафореза, приводящего к существенному нарушению режима работы лампы. Эта лампа была испытана в режиме трёхсуточного непрерывного горения. После чего явления катафореза ртути в лампе не было обнаружено. Но очевидно практически целесообразно всё-таки использовать лампы постоянного тока специальной конструкции.

Ограниченные испытания в предлагаемой электрической схеме с неизменной полярностью тока люминесцентных ламп мощностью 15, 20, 30, 40 Вт показали, что применение балластного конденсатора Со до 4-5 мкф при переменном напряжении сети 220 В является обоснованным, а применение стабилизатора тока СТ больше применимо для питания люминесцентных ламп в цепи постоянного тока.

Для увеличения светового потока часто в светильнике размещают две люминесцентные лампы. При этом лампы, например 40 Вт и напряжение 110 В, включаются в электрическую цепь последовательно при сетевом переменном напряжении 220 В. Из-за чего образуется возможность исключить из электрической схемы ограничивающий конденсатор Со 4-5 мкф (чтобы на каждую лампу поступало действующее напряжение 110 В), но появляется потребность увеличить импульс напряжения зажигания последовательно соединённых ламп с 600 В до 1200 В. Внести изменения в параметры элементов электрической схемы системы не составляет особого труда.

Очевидны пути модернизации описанного устройства: за счёт применения вместо бареттера управляемого электронного аналога бареттера (стабилизатора постоянного тока), позволяющего простым способом, например, изменять яркость свечения лампы, автоматической регулировкой устанавливать неизменным световой поток в диапазоне изменяющегося сетевого напряжения 200 – 250 В, использовать фоторезисторные оптроны не индивидуального, а группового управления, а ещё проще и надёжнее вообще заменить их лавинными транзисторами или динисторами, тиристорами. Характеристики всех этих устройств руководитель кружка находит в Интернете и поясняет учащимся принцип их работы. Расширенное ознакомление с конструкцией и принципом действия радиоэлектронного устройства с элементами новизны способствует углублению и расширению знаний учащихся. Что определяет главное предназначение статьи.

Демонстрацию принципа работы блока зажигания возможно также произвести упрощённо – с помощью нескольких навесных конденсаторов 0,1 мкф и электромагнитного реле с несколькими нормально открытыми и нормально закрытыми контактами, позволяющими за каждое срабатывание реле сначала параллельно заряжать конденсаторы, а затем последовательно электрически соединять заряженные конденсаторы с образованием высоковольтного импульса зажигания для люминесцентной лампы.

Поскольку диодные сборки ДС на требуемые в схеме параметры уже освоены предприятиями – производителями радиоэлектронной аппаратуры, а конденсаторные сборки КС (из нескольких конденсаторов 0,05 – 0,1 мкф и на напряжение 400 В) ещё нет, то возможно наладить их производство по индивидуальному заказу, как и стабилизаторы тока – бареттеры (имеется в виду – управляемые электронные аналоги бареттера) на нужные в осветительных устройствах токи и напряжения.

Конденсаторную сборку КС, к примеру, возможно выполнить с применением высоких технологий. Как уже определено, допустимое напряжение U на плоском конденсаторе конденсаторной сборки КС должно составлять 400 В. U = Е∙а = 400 (В). Где Е – электрическая прочность вещества между пластинами – обкладками конденсатора, а – расстояние между обкладками. Если в качестве вещества между обкладками выбрать конденсаторную керамику с электрической прочностью Е = 150 кв/см, то а = U/Е = 400 / 150000 = 0,0027 (см) =0,027(мм).

Конденсаторная керамика имеет диэлектрическую проницаемость е = 150. Если выбрать конденсатор с числом обкладок п = 2 и ёмкостью С = 0,1 мкф (равную 100000 пф), то площадь S каждой из обкладок конденсатора возможно определить по формуле:

S = С ∙ а / 0.009 ∙ е ∙ (п – 1) = 100000 ∙ 0,027/0,009 ∙ 150 ∙ (2 – 1) = 2700/1,35 = 2000 (мм2) – сечение спичечного коробка 50×40 (мм).

Если выбрать толщину d обкладки конденсатора 0,3 мм, то высота Н конденсаторной сборки из трёх конденсаторов составит:

Н = 3 (а + d) = 3 ∙ 0,027 + 3 ∙ 0.3 = 0,981 (мм), т.е. примерно 1 мм. Таким образом, конденсаторная сборка КС может представлять собой устройство – “сендвич” с высокой степенью миниатюризации, выполненное на подложке одновременно с контактной площадкой для коммутации конденсаторов.

Если в каждом конденсаторе использовать несколько обкладок (в виде гребёнки), то возможно создать конденсатор в обозначенной выше площади сечения ёмкостью в единицы мкф и вся электрическая схема системы зажигания и питания люминесцентных ламп может быть создана в интегральном исполнении – на одной подложке (кристалле) и надёжно герметизирована.

Некоторые элементы представленной системы зажигания и питания люминесцентных ламп могут быть использованы специалистами – разработчиками электронной аппаратуры. Электронные (ЭПРА) пускорегулирующие аппараты для люминесцентных ламп уже находят практическое применение (источник информации п. 3), но они используют не сетевые, а повышенные частоты переменного тока, требующие применения индуктивностей и трансформаторов в электрической схеме, что затрудняет интегральное производство систем зажигания и питания люминесцентных ламп.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ: 

  1. Лукачер В.Г. Осветительные устройства с люминесцентными лампами. М. – Л, Госэнергоиздат, 1959 г.
  2. Авторское свидетельство СССР № 320084, 03, 03, 1969 г.
  3. Электронный пускорегулирующий аппарат, материал из Википедии – свободной энциклопедии.
  4. В. Г. Бастанов «300 практических советов», Московский рабочий, 1993, Лампа с перегоревшими нитями, с. 181 – 182.

     

ПРИЛОЖЕНИЕ: 

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема.


Количество просмотров публикации: -

© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором публикации (комментарии/рецензии к публикации)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.