Устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп

 

Устройство для питания и зажигания осветительных газоразрядных ламп содержит сетевой фильтр, выпрямитель, три управляемых ключа, двухобмоточный дроссель с промежуточным отводом, три конденсатора, два диода, три резистора и схему управления, с помощью которых вырабатывается высоковольтный импульс зажигающего напряжения. После зажигания лампа сначала разогревается пульсирующим током, а после разогрева питается переменным током со стабилизацией мощности. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания и зажигания осветительных газоразрядных ламп.

Известно устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп на базе резонансного инвертора, содержащее выпрямитель, три управляемых ключа, двухобмоточный дроссель (транс-реактор), четыре конденсатора, пять диодов, три резистора и схему управления, состоящую из трех формирователей импульсов, блока обработки информации и блока включения-выключения по естественному освещению [1].

Известное устройство имеет следующие недостатки : большие масса и стоимость из-за наличия высокочастотных и относительно высоковольтных конденсаторов; наличие миганий (пауз тока) лампы с двойной частотой сети, обусловленных синусоидальной формой сетевого напряжения; низкий коэффициент потребляемой мощности из-за импульсной формы потребляемого из сети тока; низкий КПД из-за существенной реактивной мощности резонансного инвертора; низкая надежность зажигания из-за отсутствия источника поджигающего импульса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к изобретению является устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее выпрямитель, входом подключенный через сетевой фильтр к клеммам питания, три полупроводниковых управляемых ключа с односторонней проводимостью, двухобмоточный дроссель, три конденсатора, два диода, три резистора, три формирователя импульсов, выходами подключенные к входам соответствующих управляемых ключей, блок обработки информации, три выхода которого соединены с входами соответствующих формирователей импульсов, датчик среднего значения выпрямленного напряжения и выводы для подключения газоразрядной лампы, при этом первый конденсатор включен между выходными выводами выпрямителя, первый из которых соединен через первый упомянутый ключ с первым выводом первой обмотки дросселя, подключенным через второй упомянутый ключ к первому силовому выводу третьего управляемого ключа, первые выводы второго конденсатора, первого резистора и первого диода соединены между собой, второй выходной вывод выпрямителя подключен к первому выводу второго резистора, третий упомянутый ключ зашунтирован последовательно соединенными третьими резистором и конденсатором, причем диоды, первый и третий упомянутые ключи включены в проводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя [2].

Недостатком прототипа являются большие масса и стоимость из-за наличия высокочастотных и относительно высоковольтных конденсатора и трех силовых транзисторов; низкий КПД из-за существенной реактивной мощности резонансного инвертора и последовательного двойного преобразования энергии; отсутствие стабилизации потребляемой активной мощности при отклонении сетевого напряжения и при старении лампы (повышении напряжения горения); отсутствие стабилизации амплитуды потребляемого тока в режиме разогрева лампы (близком к короткому замыканию);
низкая надежность зажигания из-за отсутствия его синхронизации с моментами максимумов сетевого напряжения;
возможность отказов из-за резонансных перенапряжений в режиме разогрева лампы и при коротких замыканиях в нагрузке.

Задачей изобретения является создание пускорегулирующего аппарата (ПРА) для дуговых газоразрядных ламп со следующими характеристиками:
низкая стоимость комплектующих элементов (соизмеримая со стоимостью стандартного ПРА на базе низкочастотного балластного дросселя, компенсирующего конденсатора и тиристорного импульсного зажигающего устройства);
минимальная масса (в несколько раз ниже стандартного ПРА) и минимальное использование меди и электрической стали;
высокий КПД (0,92 - 0,95);
стабилизация потребляемой активной мощности и амплитуды потребляемого тока;
высокая надежность зажигания в широком диапазоне температур окружающей среды и при отклонениях параметров лампы и питающей сети;
высокая функциональная надежность в режимах, близких к холостому ходу и короткому замыканию.

Техническим результатомии изобретения является
снижение стоимости и массы элементов за счет исключения высокочастотного и высоковольтного резонансного конденсатора и снижения требований по частоте и напряжению для двух силовых транзисторов;
повышение КПД за счет снижения реактивной мощности и исключения последовательного двойного преобразования энергии;
стабилизация потребляемой активной мощности и амплитуды потребляемого тока при отклонении сетевого напряжения, при старении лампы (повышении напряжения горения) и в режиме разогрева лампы (близком к короткому замыканию);
повышение надежности зажигания за счет синхронизации его с моментами максимумов сетевого напряжения;
снижение вероятности отказов за счет исключения резонансных перенапряжений в режиме разогрева лампы и при коротких замыканиях в нагрузке.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее выпрямитель, входом подключенный через сетевой фильтр к клеммам питания, три полупроводниковых управляемых ключа с односторонней проводимостью, двухобмоточный дроссель, три конденсатора, два диода, три резистора, три формирователя импульсов, выходами подключенные к входам соответствующих управляемых ключей, блок обработки информации, три выхода которого соединены с входами соответствующих формирователей импульсов, датчик среднего значения выпрямленного напряжения и выводы для подключения газоразрядной лампы, при этом первый конденсатор включен между выходными выводами выпрямителя, первый из которых соединен через первый управляемый ключ с первым выводом первой обмотки дросселя, подключенным через второй управляемый ключ к первому силовому выводу третьего управляемого ключа, первые выводы второго конденсатора, первого резистора и первого диода соединены между собой, второй выходной вывод выпрямителя подключен к первому выводу второго резистора, третий управляемый ключ зашунтирован последовательно соединенными третьими резистором и конденсатором, причем диоды, первый и третий управляемые ключи включены в проводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя, снабжено пороговым элементом и измерителем среднего значения сигнала, входами подключенными к выводам второго резистора, пороговым датчиком напряжения питания, пороговым датчиком напряжения на втором конденсаторе, а вторая обмотка дросселя выполнена с промежуточным отводом, соединенным с одним из выводов для подключения газоразрядной лампы, другой вывод для подключения которой соединен с вторым выводом второго резистора и первым силовым выводом третьего управляемого ключа, вторым силовым выводом соединенного с вторым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод которой подключен через второй диод к первому выводу первой обмотки дросселя, вторым выводом соединенной с вторым выводом первого диода, вторые выводы второго конденсатора и первого резистора соединены соответственно с первым и вторым выходными выводами выпрямителя, выходы датчика среднего значения выпрямленного напряжения, порогового элемента, порогового датчика напряжения на втором конденсаторе, измерителя среднего значения сигнала и порогового датчика напряжения питания подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока обработки информации, при этом упомянутый блок выполнен с возможностью формирования длительного сигнала на своем первом выходе при совпадении сигналов на своих третьем и пятом входах, а снятия упомянутого сигнала с первого своего выхода при наличии сигнала на своем втором входе на определенный промежуток времени, формируемый в соответствии с сигналом рассогласования между заданным значением мощности и ее действительным значением, вычисленным как произведение сигналов на своих первом и четвертом входах, формирования сигнала на втором своем выходе в течение упомянутого промежутка времени при условии превышения упомянутым сигналом рассогласования заданного граничного значения мощности и формирования постоянного сигнала на своем третьем выходе при условии непревышения упомянутым сигналом рассогласования указанного заданного граничного значения мощности, причем второй упомянутый ключ включен в непроводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя.

На чертеже изображена принципиально-структурная схема устройства.

Устройство содержит выпрямитель 1, подключенный входом через сетевой фильтр 2 к клеммам питания, три управляемых ключа 3 - 5 с односторонней проводимостью, двухобмоточный дроссель 6 с первой 7 и второй 8 обмотками, три конденсатора 9 - 11, два диода 12 и 13, три резистора 14 - 16, выводы 17 и 18 для подключения газоразрядной лампы и схему 19 управления, состоящую из трех формирователей 20 - 22 импульсов, блока 23 обработки информации, датчика 24 среднего значения выпрямленного напряжения, порогового элемента 25, порогового датчика 26 напряжения на втором конденсаторе, измерителя 27 среднего значения сигнала, порогового датчика 28 напряжения питания и порогового датчика 29 напряжения на первом управляемом ключе. Последние перечисленные шесть элементов подключены выходами соответственно к первому 30, второму 31, третьему 32, четвертому 33, пятому 34 и шестому 35 входам блока обработки информации.

Первый конденсатор 9 и последовательно между собой соединенные второй конденсатор 10 с первым резистором 14 подключены к выходным выводам выпрямителя 1, второй из которых (минусовой) соединен с первым выводом второго резистора 15, а первый (плюсовой) - через первый управляемый ключ 3 - с первым выводом первой обмотки 7 дросселя 6 и с первым силовым выводом второго управляемого ключа 4, второй силовой вывод которого соединен с первым силовым выводом третьего управляемого ключа 5, зашунтированного последовательно между собой соединенными третьими конденсатором 11 и резистором 16. Диоды 12 и 13, первый 3 и третий 5 управляемые ключи включены в проводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя, а второй управляемый ключ 4 - в непроводящем. Вторая обмотка 8 дросселя 6 выполнена с промежуточным отводом, соединенным с одним 17 из выводов для подключения газоразрядной лампы, другой вывод 18 для подключения которой соединен с вторым выводом второго резистора 15 и с точкой соединения силовых выводов второго 4 и третьего 5 управляемых ключей, к другим силовым выводам которых соответственно подключены через второй диод 13 второй и непосредственно первый выводы второй обмотки 8 дросселя 6. Второй вывод первой обмотки 7 дросселя через первый диод 12 подключен к точке соединения второго конденсатора 10 и первого резистора 14. Три выхода блока 23 обработки информации соединены с входами соответствующих формирователей 20 - 22 импульсов. Пороговый элемент 25 и измеритель 27 среднего значения сигнала своими входами подключены к второму резистору 15.

В качестве первого управляемого ключа 3 используется относительно высокочастотный транзистор, который может быть зашунтирован резистивно-конденсаторной цепочкой для снижения коммутационных потерь, а в качестве второго 4 и третьего 5 - низкочастотные транзисторы или тиристоры. Выводы первой 7 и второй 8 обмоток дросселя 6, соединенные соответственно с анодом и катодом второго диода 13, являются одноименными.

Вход датчика 24 среднего значения выпрямленного напряжения подключен к выходным выводам выпрямителя 1, вход порогового датчика 26 напряжения на втором конденсаторе - к второму конденсатору 10, вход порогового датчика 28 напряжения питания - к клеммам питания, а вход порогового датчика 29 напряжения на первом управляемом ключе - к силовым выводам этого ключа 3.

Блок 23 обработки информации выполнен с возможностью формирования длительного сигнала на своем первом выходе при совпадении сигналов на своих третьем 32 и пятом 34 входах, а также снятия упомянутого сигнала со своего первого выхода при наличии сигнала на своем втором 31 входе на определенный промежуток времени, формируемый в соответствии с сигналом рассогласования между заданным значением мощности и ее действительным значением, вычисляемым как произведение сигналов на своих первом 30 и четвертом 33 входах, формирования сигнала на своем втором выходе в упомянутом определенном промежутке времени после снятия сигнала со своего первого выхода при условии превышения упомянутым сигналом рассогласования заданного граничного значения мощности или при появлении сигнала на своем шестом входе, а также формирования постоянного сигнала на своем третьем выходе при условии непревышения упомянутым сигналом рассогласования указанного заданного граничного значения мощности.

Устройство работает следующим образом.

При включении питания от сети переменного тока происходит зарядка первого 9 и второго 10 конденсатора. При достижении напряжением на последнем заданного уровня, фиксируемого пороговым датчиком 26, а также при заданном уровне питающего напряжения, фиксируемом с помощью порогового датчика 28, блок 23 обработки информации подает включающий длительный сигнал на вход первого формирователя 20 импульсов. При этом включается первый управляемый ключ 3. Второй конденсатор 10 импульсно (в течение 0,5 - 2 мкс) разряжается через диод 12 на первую обмотку 7 дросселя 6, вызывая на выводах нижней части его второй обмотки 8 высоковольтную ЭДС индукции, подводимую к лампе через конденсатор 11 и резистор 16 и достаточную для пробоя ее межэлектродного промежутка и зажигания с помощью тока, нарастающего по цепи 1-3-13- верхняя часть 8- лампа - 15. На первом этапе, пока дуговая горелка лампы не нагрелась, напряжение на ней после зажигания становится относительно малым, что приближает режим начала разогрева лампы к режиму короткого замыкания. Нарастание тока зажженной лампы сдерживается индуктивностью верхней части второй обмотки 8 дросселя 6 (трансреактора). При достижении током лампы заданной максимальной величины, фиксируемой пороговым элементом 25, на определенный промежуток времени паузы τ блок 23 обработки информации снимает упомянутый длительный сигнал с входа первого формирователя 20 импульсов и формирует сигнал на втором своем выходе, включающий через второй формирователь 21 второй управляемый ключ 4. Происходит кратковременное (на время τ ≃ 5 ... 50 мкс) выключение первого управляемого ключа 3 и включение второго управляемого ключа 4. После этого, согласно закону сохранения полного потокосцепления, энергия, запасенная в верхней части второй обмотки 8 дросселя 6 частично разряжается в лампу через второй управляемый ключ 4 и второй диод 13. По прошествии времени паузы τ блок 23 обработки информации вновь включает через первый формирователь 20 импульсов первый управляемый ключ 3. Однако теперь и далее второй конденсатор 10, успевший зарядиться за время τ лишь до незначительной величины через высокоомный первый резистор 14, практически не оказывает влияния на работу устройства. Далее вышеуказанные нарастания и убывания тока лампы с одной полярностью (пульсации) периодически повторяются. При этом напряжение горения лампы постепенно повышается по мере разогрева ее горелки; причем при многофазной питающей сети оно не превышает нижнего уровня пульсирующего выпрямленного напряжения, а при однофазной сети и при относительно малой емкости первого конденсатора 9 при разогретой лампе оно будет превышать уровень выпрямленного напряжения в течение существенной части периода питающего напряжения. Упомянутый промежуток времени паузы τ формируется в соответствии с сигналом рассогласования между заданным номинальным значением мощности P_н и ее действительным (текущим) значением P, регулярно вычисляемым как произведение сигналов на первом 30 и четвертом 33 входах блока 23 обработки информации, пропорциональными средним значениям выпрямленного напряжения U_ср и тока I_ср соответственно, т.е.

P=U_ср·I_ср,
например, по линейному закону
τ = τ₀ - K(P_н- P),
где К - коэффициент пропорциональности (усиления);
τ₀ - постоянная пауза, соответствующая номинальной мощности.

В начальной стадии разогрева лампы среднее значение потребляемого от выпрямителя тока I_ср мало и соответственно мало текущее значение мощности P. Поэтому сигнал рассогласования P_н-P превышает заданное граничное значение мощности P_ср, соответствующее переходу от переходного (холодного) состояния лампы к рабочему (горячему)
P_н-P>P_гр.

Это превышение является достаточным условием для формирования сигнала на втором выходе блока 23.

По мере разогрева лампы величины I_ср и P нарастают, а величина рассогласования P_н-P снижается, достигая граничного значения P_гр. Начиная с момента, когда выполняется условие
P_н-P≅P_гр,
блок 23 обработки информации формирует постоянный сигнал на своем третьем выходе, что приводит к подаче сигнала на вход третьего формирователя 22 импульсов и включению третьего управляемого ключа 5.

Если к моменту очередного включения первого управляемого ключа 3 напряжение на входе выпрямителя 1 недостаточно для компенсации падения напряжения на лампе, то ток будет развиваться по цепи 1-3-13-8-5-15, а спадать по цепи по цепи нижняя часть 8-5 - лампа. При этом некоторое время в начальной части полупериода напряжения питания лампа будет питаться пульсирующим однополярным током, пока выпрямленное напряжение не достигнет уровня, способного компенсировать падение напряжения на лампе и запереть второй управляемый ключ 5 обратным напряжением. Во временном промежутке, когда выполняется последнее условие, ток лампы регулярно сначала нарастает по цепи 1-3-13- верхняя часть 8 - лампа - 15, а затем изменяет направление, протекая по цепи нижняя часть 8-5- лампа, в соответствии с законом сохранения полного потокосцепления дросселя.

Соотношение между числами витков верхней и нижней частей второй обмотки 8 дросселя 6 выбирается таким образом, чтобы среднее значение тока лампы за период сетевого напряжения было равно нулю. Этим исключается катафорезное снижение светового потока лампы и перегрузка одного из ее электродов.

В процессе работы блок 23 обработки информации производит регулирование величины паузы τ согласно принципу стабилизации потребляемой мощности с помощью отрицательной обратной связи. При указанном алгоритме стабилизации потребляемая устройством (лампой) активная мощность остается постоянной при отклонениях напряжения питающей сети и при старении лампы (изменении ее напряжения горения).

В заключение рассмотрим режим холостого хода, который может наступить при включении первого 3 и третьего 5 управляемых ключей при наличии неисправной лампы, а также после кратковременного выключения устройства или цепи питания при горячей лампе. В указанном режиме после включения первого 3 и третьего 5 управляемых ключей ток нарастает по вышеуказанной цепи 1-3-13-8-5-15, а начиная спадать после выключения ключа 3, вызывает перенапряжение на второй обмотке 8 дросселя 6, а следовательно, и на первом управляемом ключе 3. В этом случае по сигналу порогового датчика 29 напряжения на первом управляемом ключе блок 23 обработки информации блокирует подачу постоянного включающего сигнала на вход первого формирователя 20 импульсов, подает включающий импульсный сигнал на вход второго формирователя 21 импульсов, включая ключ 4 и закорачивая обмотку 8 дросселя 6, и осуществляет возврат к начальному включению. При этом оставшаяся энергия второй обмотки 8 дросселя 6 рассеивается в ее собственном активном сопротивлении, а ее ток спадает по цепи 8-5-4-13.

Формула изобретения

Устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп, содержащее выпрямитель, входом подключенный через сетевой фильтр к клеммам питания, три полупроводниковых управляемых ключа с односторонней проводимостью, двухобмоточный дроссель, три конденсатора, два диода, три резистора, три формирователя импульсов, выходами подключенные к входам соответствующих управляемых ключей, блок обработки информации, три выхода которого соединены с входами соответствующих формирователей импульсов, датчик среднего значения выпрямленного напряжения и выводы для подключения газоразрядной лампы, при этом первый конденсатор включен между выходными выводами выпрямителя, первый из которых соединен через первый управляемый ключ с первым выводом первой обмотки дросселя, подключенным через второй управляемый ключ к первому силовому выводу третьего управляемого ключа, первые выводы второго конденсатора, первого резистора и первого диода соединены между собой, второй выходной вывод выпрямителя подключен к первому выводу второго резистора, третий управляемый ключ зашунтирован последовательно соединенными третьим резистором и конденсатором, причем диоды, первый и третий управляемые ключи включены в проводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя, отличающееся тем, что оно снабжено пороговым элементом и измерителем среднего значения сигнала, входами подключенными к выводам второго резистора, пороговым датчиком напряжения питания, пороговым датчиком напряжения на втором конденсаторе, а вторая обмотка дросселя выполнена с промежуточным отводом, соединенным с одним из выводов для подключения газоразрядной лампы, другой вывод для подключения которой соединен с вторым выводом второго резистора и первым силовым выводом третьего управляемого ключа, вторым силовым выводом соединенного с вторым выводом второй обмотки дросселя, первый вывод которой подключен через второй диод к первому выводу первой обмотки дросселя, вторым выводом соединенной с вторым выводом первого диода, вторые выводы второго конденсатора и первого резистора соединены соответственно с первым и вторым выходными выводами выпрямителя, выходы датчика среднего значения выпрямленного напряжения, порогового элемента, порогового датчика напряжения на втором конденсаторе, измерителя среднего значения сигнала и порогового датчика напряжения питания подключены соответственно к первому, второму, третьему, четвертому и пятому входам блока обработки информации, при этом упомянутый блок выполнен с возможностью формирования длительного сигнала на своем первом выходе при совпадении сигналов на своих третьем и пятом входах, а снятия упомянутого сигнала с первого своего выхода при наличии сигнала на своем втором входе на определенный промежуток времени, формируемый в соответствии с сигналом рассогласования между заданным значением мощности и ее действительным значением, вычисленным как произведение сигналов на своих первом и четвертом входах, формирования сигнала на втором своем выходе в течение упомянутого промежутка времени при условии превышения упомянутым сигналом рассогласования заданного граничного значения мощности и формирования постоянного сигнала на своем третьем выходе при условии непревышения упомянутым сигналом рассогласования указанного заданного граничного значения мощности, причем второй упомянутый ключ включен в непроводящем направлении по отношению к полярности выходного напряжения выпрямителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1