Устройство электропитания газоразрядных ламп
Владельцы патента RU 2462843:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики" (ГОУВПО ПГУТИ) (RU)
Изобретение относится к устройствам электрического освещения, в частности к устройствам для зажигания газоразрядных осветительных ламп переменным током высокой частоты, получаемым от инверторов. Устройство электропитания газоразрядных ламп содержит источник (1) постоянного напряжения питания однотактного транзисторного инвертора (7), выполненного на силовом двухобмоточном трансформаторе (9), обратном диоде (12) и коммутирующем транзисторе (8), управляемом от узла управления (15), выполненного, например, на базе специализированных микросхем для электронных балластов. Газонаполненная лампа (13), шунтированная конденсатором (14), включена последовательно с первичной обмоткой (10) трансформатора (9) и коммутирующим транзистором (8) между шинами (5) и (6) источника постоянного напряжения (1). Новые признаки предложенного устройства обеспечивают питание лампы двухполярным током высокой частоты, обеспечивающим технический результат - максимальные светоотдачу и срок службы при использовании лишь одного моточного изделия, одного силового транзистора, обратного диода. 2 ил.
Изобретение относится к устройствам электрического освещения, в частности к устройствам для зажигания газоразрядных осветительных ламп, в которых лампа питается переменным током высокой частоты от полупроводникового инвертора, и может быть использовано в светильниках для жилых и производственных помещений.
Известно, что для повышения срока службы, работоспособности персонала, светоотдачи газонаполненных ламп, устранения бликов при освещении экранов мониторов, снижения массы и габаритов светильников электропитание газоразрядных ламп необходимо осуществлять двухполярным, высокочастотным напряжением 20-100 кГц [1, 2], получаемым от полупроводникового инвертора.
Известно устройство электропитания газоразрядных ламп, содержащее источник постоянного напряжения, соединенный с шинами питания двухтактного полумостового инвертора, к выходу которого подключена цепь из последовательно соединенных между собой токоограничивающего дросселя и газоразрядной лампы, шунтированной включающим конденсатором, а также узел внешнего управления инвертором, выход которого соединен с управляющими входами транзисторов инвертора [2].
Недостатки известного устройства - сравнительно низкая вероятность безотказной работы и повышенная себестоимость, обусловлены необходимостью в двухтактном полумостовом инверторе дополнительного ключа и высоковольтного электролитического конденсатора по сравнению с однотактным инвертором, используемым для электропитания газоразрядных ламп в предлагаемом устройстве.
Известно устройство электропитания газоразрядных ламп, содержащее источник электропитания постоянным напряжением, соединенный с шинами питания двух однотактных инверторов, содержащих каждый коммутирующий транзистор, двухобмоточный трансформатор, вторичная обмотка каждого из которых соединена с газоразрядной лампой [3].
Недостатки известного устройства электропитания газоразрядных ламп - сравнительно низкая вероятность безотказной работы, повышенная себестоимость, масса и габариты, обусловлены необходимостью в нем двух однотактных инверторов с силовым трансформатором каждый и двух дополнительных силовых коммутаторов между вторичной обмоткой каждого трансформатора и газоразрядной лампой.
Наиболее близким к предлагаемому устройству электропитания газоразрядных ламп является устройство, содержащее источник электропитания постоянным напряжением, выполненный, например, в виде мостового выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного напряжения, а выход шунтирован сглаживающим конденсатором и соединен с шинами питания однотактного инвертора, содержащего коммутирующий транзистор, силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, обратный диод, газоразрядную лампу, шунтированную включающим конденсатором, причем первые выводы первичной обмотки силового трансформатора и силового перехода коммутирующего транзистора соединены непосредственно, а второй вывод силового перехода коммутирующего транзистора соединен с общей шиной питания инвертора с направлением проводимости силового перехода коммутирующего транзистора, совпадающим с направлением прямого тока через силовой переход и первичную обмотку от действия источника постоянного напряжения, первые выводы обратного диода и вторичной обмотки соединены между собой с направлением проводимости диода, совпадающей с направлением обратного тока вторичной обмотки, возникающего при закрывании коммутирующего транзистора [4].
Недостатки известного устройства электропитания газоразрядных ламп - повышенные себестоимость, масса и габариты, снижение вероятности безотказной работы, обусловлены необходимостью в известном устройстве двух дополнительных моточных изделий - балластного дросселя и трансформатора тока и необходимостью промежуточного вывода во вторичной обмотке силового трансформатора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение себестоимости, массы, габаритов устройства, повышение вероятности безотказной работы за счет того, что новые признаки предложенного устройства обеспечивают электропитание лампы при необходимости только одного моточного изделия - силового трансформатора.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в устройстве электропитания газоразрядных ламп, содержащем источник электропитания постоянным напряжением, выполненный, например, в виде мостового выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного напряжения, а выход шунтирован сглаживающим конденсатором и соединен с общей и потенциальной шинами источника постоянного напряжения питания однотактного инвертора, содержащего коммутирующий элемент, например транзистор, силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, обратный диод, газоразрядную лампу, шунтированную включающим конденсатором, причем первые выводы первичной обмотки силового трансформатора и силового перехода коммутирующего транзистора соединены непосредственно между собой, а второй вывод силового перехода коммутирующего транзистора соединен с общей шиной источника постоянного напряжения питания инвертора с направлением проводимости силового перехода коммутирующего транзистора, совпадающим с направлением прямого тока через силовой переход и первичную обмотку от действия постоянного напряжения источника питания во время выключенного состояния транзистора, первые выводы обратного диода и вторичной обмотки соединены между собой с направлением проводимости обратного диода, совпадающим с направлением реактивного тока вторичной обмотки, возникающего при закрывании коммутирующего транзистора, предложены новые признаки, вторые выводы обратного диода, первичной обмотки силового трансформатора и газоразрядной лампы соединены между собой, а первый вывод газоразрядной лампы соединен с потенциальной шиной источника постоянного напряжения питания инвертора.
На фиг.1 представлена функциональная электрическая схема предлагаемого устройства электропитания газоразрядных ламп, управляемого от специализированной микросхемы, например, серии IR215 фирмы IRF (США) [2], на фиг.2 - вариант схемы предлагаемого устройства, функционирующего в режиме самовозбуждения. Одноименные элементы на фиг.1 и фиг.2 обозначены одинаковыми цифрами.
Устройства электропитания газоразрядных ламп, изображенные на фиг.1 и фиг.2, содержат источник электропитания постоянным напряжением 1, например, в виде мостового выпрямителя 2, вход которого подключен к источнику переменного напряжения 3, а выход шунтирован сглаживающим конденсатором 4 и соединен с общей 5 и потенциальной 6 шинами постоянного напряжения питания инвертора 7, содержащего коммутирующий транзистор 8, силовой трансформатор 9 с первичной 10 и вторичной 11 обмотками, обратный диод 12, газоразрядную лампу 13, шунтированную включающим конденсатором 14, узел управления 15, соединенный по цепи питания с шинами 5, 6, а выходом - с управляющим электродом транзистора 8. В самовозбуждаемом устройстве электропитания газоразрядных ламп, изображенном на фиг.2, узел управления 15 выполнен по известной схеме [5] и содержит обмотку 16 положительной обратной связи, токоограничивающий резистор 17, датчик 18 прямого тока через транзистор 8, стабилитрон 19, пороговый элемент на транзисторах 20, 21, управляющий резистор 22. Узел 23 включения коммутирующего транзистора 8 выполнен по известной схеме [4] с применением зарядного резистора 24, разрядного резистора 25, накопительного конденсатора 26, динистора 27, разрядного диода 28.
Источник электропитания инвертора 1 может быть выполнен, например, в виде аккумуляторной батареи. В качестве источника переменного напряжения 3 чаще всего используют фазу промышленной сети (220 В, 50 Гц).
Элементы предлагаемого устройства соединены следующим образом. В инверторе 7 первые выводы первичной обмотки 10 и силового перехода коммутирующего транзистора 8 соединены между собой и катодом разрядного диода 28. Второй вывод силового перехода транзистора 8 соединен с общей шиной питания инвертора через датчик тока 18. Первые выводы обратного диода 12 и вторичной обмотки 11 соединены между собой, вторые выводы обратного диода 12, первичной обмотки 10 и газоразрядной лампы 13 соединены между собой, а первый вывод газоразрядной лампы 13 соединен с потенциальной шиной 6 источника 1 питания инвертора постоянным напряжением.
Устройство электропитания газоразрядных ламп (фиг.1) функционирует следующим образом. При включении источника переменного напряжения 3 напряжение с выхода мостового выпрямителя 2 заряжает конденсатор 4, постоянное напряжение которого через шины питания 5, 6 приложено к цепи питания инвертора 7 и цепи питания узла 15 управления транзистором 8. Узел 15 вырабатывает импульсное напряжение управления транзистором 8. При включении транзистора 8 по шине 6, накальным электродам лампы 13, конденсатору 14, первичной обмотке 10, силовому переходу транзистора 8, шине 5 протекает ток, определенный резонансным сопротивлением контура из конденсатора 14 и обмотки 10. При запирании транзистора 8 полярность напряжений на обмотках 10, 11 меняется (указана в скобках), реактивная энергия, накопленная в обмотке 10, трансформируется в обмотку 11, ЭДС которой открывает диод 12, перезаряжает конденсатор 14 и рекуперирует энергию в конденсатор 4. Очередной импульс на выходе узла управления 15 снова включает транзистор 8, и описанные процессы повторяются. Через несколько периодов переключения транзистора 8 накальные электроды разогреваются, облегчая зажигание лампы 13 резонансным напряжением на конденсаторе 14, после чего напряжение на лампе 13 и конденсаторе 14 спадает до напряжения горения лампы, а ток через лампу задается величиной индуктивности обмотки 10 на уровне рабочего значения.
В устройстве электропитания, изображенном на фиг.2, процессы в силовом контуре инвертора 7 протекают идентично с описанными выше процессами, а управление коммутирующим транзистором 8 осуществляется при этом следующим образом. Напряжение источника 1 через резисторы 24, 25 заряжает конденсатор 26 до напряжения включения динистора 27, после чего напряжение конденсатора 26 через резистор 25 и открытый динистор 27 приложено к затвору транзистора 8 и открывает его, обеспечивая протекание прямого тока через шину 6, электроды лампы 13, конденсатор 14, первичную обмотку 10, транзистор 8, датчик 18, шину 5. ЭДС, наведенная в обмотке 16, удерживает транзистор 8 в открытом состоянии, обеспечивая полный разряд конденсатора 26 через разрядный диод 28 и силовой переход транзистора 8. Стабилитрон 19 ограничивает коммутационные перенапряжения на затворе транзистора 8 в пределах допустимого значения, транзисторы 20, 21 закрыты до момента времени, когда напряжение на датчике тока 18 не достигнет порога включения транзисторов 20, 21. После включения транзисторов 20, 21 напряжение на затворе транзистора 8 спадает до остаточного падения напряжения на транзисторах 20, 21, вызывая одновременно подзапирание транзистора 8, снижение тока через транзистор 8 и обмотку 10 и изменение полярности напряжений на обмотках 10, 11, 16 трансформатора 9.
Напряжение обмотки 16 (полярностью в скобках) запирает транзисторы 20, 21 и создает ток в контуре: - резистор 17, датчик 18, стабилитрон 19. Падение напряжения на открытом стабилитроне 19 удерживает транзистор 8 в закрытом состоянии до момента, когда напряжение на заряжающемся конденсаторе 26 станет равным напряжению включения динистора 27, при этом напряжение конденсатора 26 через динистор 27 приложено к затвору транзистора 8, закрывает стабилитрон 19 и включает транзистор 8. Далее электрические процессы в инверторе повторяются.
Таким образом, новые признаки предлагаемого устройства электропитания газоразрядных ламп обеспечивают его функционирование при необходимости одного моточного изделия. Уменьшение числа моточных изделий с трех до одного - снижает массу, габариты, себестоимость предложенного устройства и повышает его надежность.
Литература
1. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008; стр.387-399, рис.14.37, стр.390.
2. Семенов Б.Ю. Силовая электроника: от простого к сложному. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2005; стр.382, рис.16.16.
3. Патент РФ №2090017, МПК Н05В 41/28, опубл. БИ №25, 1997.
4. Патент РФ №2044417, МПК Н05В 41/29, опубл. БИ №26, 1995. - Прототип.
5. Авт. свид. СССР №1628166, опубл. БИ №6, 1991.
Устройство электропитания газоразрядных ламп, содержащее источник электропитания постоянным напряжением, выполненный, например, в виде мостового выпрямителя, вход которого подключен к источнику переменного напряжения, а выход выпрямителя шунтирован сглаживающим конденсатором и соединен с общей и потенциальной шинами постоянного напряжения, источника питания однотактного инвертора, содержащего коммутирующий элемент, например транзистор, силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, обратный диод, газоразрядную лампу, шунтированную включающим конденсатором, причем первые выводы первичной обмотки силового трансформатора и силового перехода коммутирующего транзистора соединены непосредственно между собой, а второй вывод силового перехода коммутирующего транзистора соединен с общей шиной источника постоянного напряжения питания инвертора с направлением проводимости силового перехода коммутирующего транзистора, совпадающим с направлением прямого тока через силовой переход и первичную обмотку от действия постоянного напряжения источника питания во время включенного состояния транзистора, первые выводы обратного диода и вторичной обмотки соединены между собой с направлением проводимости обратного диода, совпадающим с направлением реактивного тока вторичной обмотки, возникающего при закрывании коммутирующего транзистора, предложены новые признаки: вторые выводы обратного диода, первичной обмотки силового трансформатора и газоразрядной лампы соединены между собой, а первый вывод газоразрядной лампы соединен потенциальной шиной источника постоянного напряжения питания инвертора.
