Устройство для питания газоразрядных ламп

 

Использование: в светильниках с люминесцентными и бактерицидными газоразрядными лампами низкого давления, применяемых на производстве, транспорте, в медицине, сельском хозяйстве и в быту. Сущность изобретения: устройство содержит: ламповые розетки 1,2, стандартные контакты 3 с шунтирующим помехоподавительным конденсатором 4, первую токоформирующую цепь 5 с дросселем 6, вторую токоформирующую цепь 7 с конденсатором 8, выпрямитель 9 с диодно-конденсаторной схемой умножения напряжения 10, восемь ключей 11-18, обмотку управления 19 реле, зашунтированную обратным диодом 20, таймер 21 с интегрирующим конденсатором 22, входным 23 и выходным 24 пороговыми элементами, счетчик сигналов 25, управляемый ключ 26, резистор 27, компенсирующий конденсатор 28, вспомогательную управляемую пару 29, резистор 30, газоразрядную лампу 31. Устройство позволяет повысить реальный срок службы ламп за счет качественного и оптимального по времени предпускового прогрева накальных нитей, повышения надежности запуска лампы с помощью предразрядной ионизации и возможность использования ламп с оборванными одной или двумя нитями. 1 ил.

Устройство относится к электротехнике и может использоваться в светильниках с люминесцентными и бактерицидными газоразрядными дуговыми лампами низкого давления, широко применяемых на производстве, транспорте, в медицине, в сельском хозяйстве и в быту.

Известно устройство для питания газоразрядных ламп, содержащие токоформирующую цепь с дросселем, первый конец которой соединен с первой клеммой питания, обмотку управления реле со стартерными контактами, зашунтированными противопомеховым конденсатором, таймер с интегрирующим конденсатором, к которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ с резистором, блок синхронизации, выходная цепь которого подключена к цепи управления управляемого ключа, блок контроля напряжения, блок питания с трансформатором и выпрямительным мостом, подключенный к сети [1] В нем достигается увеличение надежности зажигания люминесцентной лампы за счет применения электромагнитного реле со стартерными контактами, моменты размыкания которых синхронизированы с питающим напряжением, а также за счет многократных попыток запуска.

К недостаткам указанного устройства относится низкая экономичность в потреблении электроэнергии из-за постоянства работы блока питания, малый срок службы ламп из-за невозможности их доиспользования при обрывах одной или двух накальных нитей, а также из-за перегрева накальных нитей, связанного с запуском лампы без предразрядной ионизации.

Известно устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее токоформирующую цепь с дросселем, первый конец которой соединен с клеммой питания, зашунтированную обратным диодом обмотку управления реле со стартерными контактами, зашунтированными противопомеховым конденсатором, таймер с интегрирующим конденсатором, к которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ с резистором, а также входная цепь счетчика сигналов, выходная цепь которого подключена к цепи управления управляемого ключа, обмотка реле подключена к выходу таймера, первый входной зажим которого подключен к первому стартерному контакту [2] Оно имеет более высокую экономичность в потреблении электроэнергии, чем предыдущее.

К недостаткам второго из вышеуказанных устройств относится: малый реальный средний срок службы ламп по сравнению с расчетным ресурсом непрерывного горения из-за термодинамических перегрузок накальных нитей при запусках, необходимых в связи с отсутствием предразрядной ионизации (запуск после шунтирования лампы), а также из-за неработоспособности устройства при разрушении (испарении) термоэмиттирующего поверхностного оксидного слоя или обрыва одной из накальных нитей.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому устройству является второе из двух вышеприведенных [2] Цель изобретения повышение срока службы ламп.

Указанная цель достигается тем, что устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее первую токоформирующую цепь с дросселем, первый конец который соединен с первой клеммой питания, зашунтированную обратным диодом обмотку управления реле со стартерными контактами, зашунтированными противопомеховым конденсатором, таймер с интегрирующим конденсатором, к которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ с резистором, а также входная цепь счетчика сигналов, выходная цепь которого подключена к цепи управления управляемого ключа, обмотка реле подключена к выходу таймера, первый входной зажим которого подключен к первому стартерному контакту, снабжено двумя двухгнездовыми ламповыми розетками, второй токоформирующей цепью из последовательно соединенных между собой конденсатора и резистора, выпрямителем с диодно-конденсаторной схемой умножения напряжения, четырьмя замыкающими и четырьмя переключающими ключами, причем вторая токоформирующая цепь своим первым концом подключена к первому гнезду первой розетки, первый замыкающий ключ включен между второй клеммой питания и первым гнездом второй розетки, второй замыкающий ключ включен между плюсовым выходом зажимной схемы умножения напряжения и вторым гнездом второй розетки, третий и четвертый замыкающие ключи включены каждый между гнездами первой и второй розеток, соответственно, первый переключающий ключ своим подвижным контактом подключен к первому входному зажиму выпрямителя, а первым и вторым неподвижными ко вторым концам первой и второй токоформирующих цепей, соответственно, второй переключающий ключ своим подвижным контактом подключен ко второму зажиму выпрямителя, первым неподвижным контактом ко второй клемме питания, а вторым ко второму гнезду второй розетки, третий переключающий ключ своим подвижным контактом подключен к первому входному зажиму таймера, второй входной зажим которого соединен со вторым стартерным контактом и со вторым входным зажимом выпрямителя, первым неподвижным контактом к общему минусовому выходному зажиму выпрямителя и схемы умножения напряжения, а вторым к первому гнезду первой розетки, четвертый переключающий ключ своим подвижным переключающим контактом подключен ко второму гнезду первой розетки, первым неподвижным к первому неподвижному контакту третьего переключающего ключа, а вторым ко второму концу первой токоформирующей цепи.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого устройства для питания газоразрядных ламп.

Предлагаемое устройство содержит две двухгнездовые ламповые розетки 1, 2, стартерные контакты 3 с шунтирующим из помехоподавительным конденсатором 4, первую токоформирующую цепь 5 с дросселем 6, вторую токоформирующую цепь 7 с конденсатором 8, выпрямитель 9 с диодно-конденсаторной схемой напряжения 10, четыре замыкающих ключа 11,12,13,14, четыре переключающих ключа 15,16,17,18, обмотку управления 19 реле, зашунтированную обратным диодом 20, таймер 21 с интегрирующим конденсатором 22, входным 23 и выходным 24 пороговыми элементами, счетчик сигналов 25, управляемый ключ 26, резистор 27, компенсирующий конденсатор 28, вспомогательную управляемую контактную пару 29 и резистор 30. Показана также газоразрядная лампа 31.

Стандартные контакты 3 и вспомогательная контактная пара 29 выполнены управляемыми от обмотки управления 19 реле, подключенной к выходу таймера 21. Вспомогательная контактная пара 29 и резистор 30 с относительно малым сопротивлением, показанные пунктиром, устанавливаются только при наличии в составе первой (рабочей) токоформирующей цепи 5 компенсирующего конденсатора 28, применяемого обычно в групповых светильниках для повышения их результирующего коэффициента мощности и устранения стробоскопического эффекта.

Первая токоформирующая цепь 5 своим первым концом подключена к первой клемме питания, а вторая 7 своим первым концом подключена к первому гнезду первой розетки 1. Первый замыкающий ключ 11 включен между клеммой питания и первым гнездом второй розетки 2. Второй замыкающий ключ 12 включен между плюсовым выходным зажимом схемой умножения напряжения 10 и вторым гнездом второй розетки. Третий 13 и четвертый 14 замыкающие ключи включены каждый между гнездами первой 1 и второй 2 розеток, соответственно. К интегрирующему конденсатору 22 таймера подключены последовательно между собой соединенные управляемый ключ 26 с резистором 27, а также входная цепь счетчика 25, выходная цепь которого подключена к цепи управления управляемого ключа 26. Первый переключающий ключ 15 своим подвижным переключающим контактом подключен к первому входному зажиму выпрямителя 9, а первым и вторым неподвижными ко вторым концам первой 5 и второй 7 токоформирующих цепей, соответственно. Второй переключающий ключ 16 своим подвижным переключающим контактом подключен ко второму входному зажиму выпрямителя 9, первым неподвижным контактом ко второй клемме питания, а вторым ко второму гнезду второй розетки. Третий переключающий ключ 17 своим подвижным переключающим контактом подключен к плюсовому выходному зажиму выпрямителя 9 через стартерные контакты 3, зашунтированные входной цепью таймера 21, первым неподвижным контактом к общему минусовому выходному зажиму выпрямителя 9 и схемы умножения напряжения 10, а вторым неподвижным контактом к первому гнезду первой розетки 1. Четвертый переключающий ключ 18 своим подвижным переключающим контактом подключен ко второму гнезду первой розетки 1, первым неподвижным контактом к первому неподвижному контакту третьего переключающего ключа 17, а вторым неподвижным контактом ко второму концу первой токоформирующей цепи 5.

Схема умножения напряжения 10 содержит помимо двух конденсаторов еще два развязывающих диода и два токоограничительных резистора в зарядно-разрядных цепях конденсаторов. Совместно с выпрямителем 9 она является утроителем напряжения, на выходе которого ожидается пульсирующее однополярное напряжение с амплитудой, равной утроенной амплитуде напряжения питания.

В качестве входного порогового элемента 23 таймера 21 использован стабилитрон в паре с последовательно-встречным диодом, а в качестве выходного порогового элемента 24 динистор. Напряжение стабилизации стабилитрона выбрано более высоким, чем амплитуда рабочего напряжения на лампе 31, но более низким, чем амплитуда напряжения питающей сети. Напряжение отпирания динистора выбрано превышающим напряжение срабатывания обмотки управления 19 реле. Постоянная времени цепи разрядки конденсатора 22 на обмотку 19 через последовательно с ней включенный резистор выбрана из условия оптимального времени разогрева накальных нитей лампы 31, подключенных к розеткам 1 и 2.

Счетчик сигналов 25 также содержит интегрирующий конденсатор и выходной динистор. Цепь зарядки конденсатора и напряжение отпирания динистора счетчика настроены на оптимальное число допустимых повторений процесса запуска лампы, после которого процессы запуска прекращаются во избежание выхода из строя лампы и реле.

Во входной цепи выпрямителя 9 может устанавливаться предохранитель для исключения короткого замыкания при пробое диодов выпрямителя.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. В исходном состоянии стартерные контакты 3, вспомогательная управляемая контактная пара 29 и все ключи 11-18 находятся в положении, показанном на чертеже (3,29,12,13,14 - разомкнуты, 11 замкнут, 15,16,17,18 в положении).

При установке в гнезда ламповых розеток 1,2 исправной лампы 31 с целыми обеими накальными нитями все ключи оставляют в положении, показанном на чертеже. При подключении клемм питания к сети переменного тока подается питание на вход выпрямителя 9 по цепи 11-2-31-2-16-9-7-1-31-1-18-5, а следовательно, подводится пульсирующее выпрямленное напряжение на вход таймера 21, подключенного к выходу выпрямителя через ключ 17. Происходит зарядка конденсатора 22 таймера 21 входной пороговый элемент 23 относительно слабым током. После достижения напряжения конденсатора 22 уровня отпирания порогового элемента 24 происходит его разрядка на обмотку управления 19, приводящая к размыканию стартерных контактов 3 и вспомогательной контактной пары 29. Замыкание стартерных контактов 3 вызывает закорачивание выходных выпрямителя 9 на время, определяемое разрядной цепью таймера 21. При этом одновременно происходит разогрев накальных нитей лампы 31 током, определяемым параметрами колебательного контура 6-8, и интенсивная предразрядная ионизация межэлектродного лампового промежутка за счет повышенного напряжения на второй токоформирующей цепи 7, прикладываемого к лампе.

После спадания тока в обмотке управления 19 реле до уровня его отпускания происходит размыкание стартерных контактов 3, и на зажимных дросселя 6 возникает импульс ЭДС самоиндукции, достаточный для надежного зажигания лампы с первой (или второго) раза благодаря ее предпробойной ионизации. После зажигания в лампе устанавливается номинальный переменный ток, поддерживающий самонакаливание ее электродов (накальных нитей), а амплитудное напряжение на лампе снижается до уровня, исключающего дальнейшее отпирание входного порогового элемента таймера 21.

Если по каким-либо причинам лампа не зажигается, то весь вышеописанный процесс повторяется вновь и вновь. При этом происходит ступенчатая зарядка интегрирующего конденсатора счетчика импульсов 25. После нескольких неудачных попыток запуска происходит отпирание выходного динистора счетчика импульсов и соответствующее шунтирование конденсатора 22 таймера 21 с помощью управляемого ключа 26. При этом попытки запуска прекращаются, что позволяет сохранить работоспособность лампы 31 и реле 19-3-29. После отключения устройства от питающей сети тиристор 26 запирается и схема приходит к исходному состоянию.

При оборванной одной из накальных нитей лампы 31, но еще способной термоэмиттировать в режиме рабочего самонакаливания (например, верхней на чертеже) гнезда ламповой розетки для ножек ее цоколя необходимо зашунтировать с помощью соответствующего ключа 13 или 14 (например, 14). При этом надежность запуска лампы практически не снизится, так как если даже момент генерации поджигающего импульса совпадает с полупериодом, при котором зашунтированная (холодная) накальная нить является катодом, то лампа все равно зажигается благодаря предварительной ионизацией с помощью напряжения на конденсаторе 8 в токоформирующей цепи 7.

При оборванных обеих накальных нитях, но еще способных термоэмиттировать при самонакаливании обе ламповые розетки 1 и 2 необходимо перемкнуть ключами 13 и 14. При этом надежность запуска несколько снизить из-за холодного состояния обеих нитей, но также остается достаточной для эксплуатации лампы на переменном токе.

Дальнейшая стадия перегорания лампы проявляется в ее неспособности работать на переменном токе без магнитной (пропусков горения в течение одного полупериода) из-за потери термоэмиссионного оксидного покрытия одной из накальных нитей. При этом нетермоэмиттирующая нить может быть даже полностью оторванной от обеих токосъемных ножек цоколя. В этом случае лампу можно доиспользовать до конца (дожечь) только на постоянном токе, пользуясь термоэмиссией уцелевшего поверхностного слоя катода. При этом возможны два случая: а) катод уцелел, т.е. не оборвался и пригоден для предпускового прогрева и б) катод оборвался и не пригоден для предпускового прогрева, хотя способен самонакаливаться в рабочем режиме.

Случай "а". Для обеспечения предпускового прогрева уцелевшего катода (нижнего на чертеже) и питания ламп постоянным током все ключи, кроме 13, переводят в положение, протовоположное показанному на чертеже. В этом случае выпрямитель 9 дополнительно к функции питания таймера 21, обмотки 19 и стартерных контактов 3 реле приобретает еще функции питания самой лампы 31 и ее накальной нити (катода) постоянным током и питания схемы умножения напряжения 10, к которой переходит роль предварительного ионизатора, выполняемая ранее конденсатором 8 второй токоформирующей цепи 7. При этом, как и ранее, в зависимости от наличия или отсутствия компенсирующего конденсатора 28 имеется или отсутствует необходимость во вспомогательной контактной паре 29 реле, обеспечивающей в последнем случае повышение накального тока в цепи катода. В данном случае таймер 21, реле 19-1-29 и счетчик сигналов 25 работают в той же последовательности и тем же образом. Нагревание катода лампы 31 производится выпрямленным током, протекающим по цепи 16-9-3-1-31-1-18-9-15-5. Пульсирующее предионизационное напряжение, равное утроенной амплитуде питания, подается на розетки 1 и 2 от схемы умножения 10 через ключи 12 и 18. Развязывающие диоды в составе схемы умножения 10 позволяют продержать предионизационное напряжение в течение времени разогрева катода вплоть до запускающего импульса ЭДС самоиндукции дросселя 6, возникающего при размыкании стартерных контактов 3.

Случай "б". В случае оборванной единственной термоэмиттирующей нити для окончательного дожигателя лампы, т.е. полного использования ее потенциального ресурса, близкого к ресурсу непрерывного горения с единственным запуском (обычно 12-15 тыс. ч) необходимо еще замкнуть ключ 13, т.е. все ключи перевести в положение, противоположное показанному на чертеже. При этом все элементы схемы работают аналогично случаю "а", но осуществляется холодный запуск лампы.

Горение лампы при постоянном токе имеет известный недостаток - катафорезное затемнение части колбы лампы (до 40%) через каждые 15-18 ч непрерывного горения с последующим самовосстановлением светоотдачи во время перерывов в работе, однако позволяет максимально использовать потенциальный ресурс работы лампы.

Положительный эффект по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве достигается следующим образом. Во-первых, благодаря предразрядной ионизации лампы имеется возможность электродов (нитей) лампы, исключив их перегревы и тем самым снизить термодинамические перегрузки нитей. Во-вторых, повышается вероятность запуска лампы с одной-двух попыток даже при неблагоприятных условиях (низкой температуре, пониженном напряжении питания, повышенной влажности, обрывах одной или двух накальных нитей) благодаря оптимальному предпусковому прогреву нитей и предразрядной ионизации. В-третьих, благодаря более надежному запуску уменьшается число попыток запуска, т.е. число подогревов катодов лампы. В-четвертых, имеется возможность использовать лампы с разрушенным термоэмиттирующим слоем одного из катодов, а также при обрыве одной или даже двух накальных нитей. Указанные факторы приводят к повышению срока службы ламп, приближая его к теоретическому сроку непрерывного горения (12-15 тыс. ч и более).

Помимо вышеуказанного основного положительного эффекта применение предлагаемого устройства позволяет косвенно достичь также важнейшего социально-экологического эффекта: снизить экологический вред, наносимый потребителями, уничтожающими на помойках и свалках сгоревшие лампы, минуя сложную и относительно дорогую технологию их утилизации (каждая лампа содержит в среднем не менее 0,12 г ртути). Кроме того, предлагаемое устройство исключает частые смены и опробования устройств, переставших обеспечивать запуск ламп, что особенно существенно при труднодоступных расположениях светильников.

Испытания опытных образцов предлагаемого устройства, проведенные авторами в Московском авиационном институте и на смежных предприятиях, подтвердили их работоспособность, выявили способность повышения реального срока службы люминесцентных ламп на 30-60% по сравнению с прототипом.

В ближайшее время по решению Правительства Москвы (программа НИОКР МКНТ) планируется наладка серийного выпуска предлагаемых устройств в виде приставок к серийно выпускаемым стандартным пускорегулирующим аппаратам (ПРА) люминесцентных и бактерицидных светильников.

Учитывая малую стоимость и простоту предлагаемого устройства, огромную потребность в люминесцентных лампах, а также сложность их утилизации, можно ожидать большой экономический эффект по народному хозяйству России, исчисляемый миллиардами рублей и неоценимым улучшением экологической обстановки в городах.

Формула изобретения

Устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее первую токоформирующую цепь с дросселем, первый конец которой соединен с первой клеммой питания, зашунтированную обратным диодом обмотку управления реле со стартерными контактами, зашунтированными противопомеховым конденсатором, таймер с интегрирующим конденсатором, к которому подключены последовательно соединенные управляемый ключ с резистором, а также входная цепь счетчика сигналов, выходная цепь которого подключена к цепи управления управляемого ключа, обмотка реле подключена к выходу таймера, первый входной зажим которого подключен к первому стартерному контакту, отличающееся тем, что оно снабжено двумя двухгнездовыми ламповыми розетками, второй токоформирующей цепью из последовательно соединенных между собой конденсатора и резистора, выпрямителем с диодно-конденсаторной схемой умножения напряжения, четырьмя замыкающими и четырьмя переключающими ключами, причем вторая токоформирующая цепь своим первым концом подключена к первому гнезду первой розетки, первый замыкающий ключ включен между второй клеммой питания и первым гнездом второй розетки, второй замыкающий ключ включен между плюсовым выходным зажимом схемы умножения напряжения и вторым гнездом второй розетки, третий и четвертый замыкающие ключи включены каждый между гнездами первой и второй розеток соответственно, первый переключающий ключ своим подвижным контактом подключен к первому входному зажиму выпрямителя, а первым и вторым неподвижными к вторым концам первой и второй токоформирующих цепей соответственно, второй переключающий ключ своим подвижным контактом подключен к второму входному зажиму выпрямителя, первым неподвижным контактом к второй клемме питания, а вторым к второму гнезду второй розетки, третий переключающий ключ своим подвижным контактом подключен к первому входному зажиму таймера, второй входной зажим которого соединен с вторым стартерным контактом и с вторым входным зажимом выпрямителя, первым неподвижным контактом к общему минусовому выходному зажиму выпрямителя и схемы умножения напряжения, а вторым к первому гнезду первой розетки, четвертый переключающий ключ своим подвижным переключающим контактом подключен к второму гнезду первой розетки, первым неподвижным к первому неподвижному контакту третьего переключающего ключа, а вторым к второму концу первой токоформирующей цепи.

РИСУНКИ

Рисунок 1