Практическое занятие №15
Тема: Изучение электронных пускорегулирующих аппаратов и устройств для люминесцентных и газоразрядных ламп, устройств управления светодиодными источниками.
Вопросы
1. Электронные пускорегулирующие аппараты для люминесцентных ламп.
2. Электронные пускорегулирующие аппараты для ртутных, натриевых и металлогалогенных ламп высокого давления.
3. Устройство управления светодиодными светильниками (СИД).
Электронные пускорегулирующие аппараты
Для ЛЛ
Ток ЛЛ регулируется с помощью инвертора. В аппаратах, питание
которых осуществляется от сети переменного тока, как правило,
используется полумостовая схема инвертор. Ток лампы регулируется не только изменением частоты выходного напряжения инвертора, но и изменением его входного напряжения, а также с помощью широтно-импульсного регулирования. Для обеспечения стабильного горения лампы во всем диапазоне регулирования необходимо, чтобы термоэмиссия электронов с электродов была достаточной для поддержания разряда во всем диапазоне изменения тока.
1.1.Осциллограммы выходного тока и напряжения ЭПРА.
Электронные пускорегулирующие аппараты, в отличие от электромагнитных балластов, работают на повышенной частоте. Особенность горения разряда на повышенной частоте заключается в том, что чем выше частота питающего напряжения, тем меньше денонсируется плазма и остывают электроды к моменту перезажигания. Концентрация электронов практически не успевает измениться в течение полупериода.
Проводимость лампы в течение периода изменяется незначительно.
Ток лампы близок к синусоидальному и совпадает по фазе с напряже-
нием (рис. 8.10).
Увеличение частоты напряжения, подаваемого на ЛЛ, позволяет
обеспечить более мягкий режим эксплуатации электродов благодаря
отсутствию перезажигания, что приводит к увеличению срока их
службы. Кроме того, при повышении частоты (более 400 Гц) глаз
перестает фиксировать изменения светового потока и, следовательно,
исчезает стробоскопический эффект. При выходе же за звуковые час-
тоты (более 20 кГц) становится неслышным также шум, производи-
мый магнитными элементами НЭП.
1.2 Процесс пуска ЛЛ.
Пуск ЛЛ имеет два этапа (рис. 8.11): этап прогрева электродов t0 – t1; этап зажигания t1 – t2.
Управление транзисторами инвертора ЭПРА осуществляется кон-
троллером, который может быть выполнен на базе драйвера (специа-
лизированной микросхемы) либо на базе микроконтроллера и драй-
вера. Частота f выходного напряжения инвертора (Uинв) изменяется
в процессе пуска лампы по алгоритму, показанному на рис. 8.11.
На интервале t0 – t1 она поддерживается неизменной для обеспече-
ния прогрева электродов лампы, а затем на интервале t1 – t2 плавно
уменьшается до значения, близкого к резонансной частоте f0, которая
определяется параметрами последовательного LC-контура. По мере
приближения частоты к резонансной растет ток в контуре, напряже-
ние на лампе в момент t2 достигает напряжения пробоя, и лампа зажигается. Длительность предварительного прогрева электродов задается контроллером из условия оптимального прогрева электродов к моменту зажигания. Рабочий режим определяется статической вольт-амперной характеристикой ЭПРА и ЛЛ.
1.3 Регулирование тока лампы.
Регулирование тока лампы и соответственно светового потока осуществляется изменением частоты выходного напряжения инвертора. При возрастании частоты изменяется полное сопротивление выходной LCR -цепи инвертора, включая сопротивление лампы и электродов, уменьшается емкостное сопротивление конденсатора, шунтирующего лампу. Ток в лампе уменьшается. Действующее значение напряжения на лампе изменяется согласно статической ВАХ (рис. 8.12). Благодаря уменьшению емкостного сопротивления цепи, в которую включены электроды, их ток, равный сумме токов шунтирующего конденсатора и лампы, поддерживает термоэмиссию электродов на достаточном для горения лампы уровне. При глубоком регулировании тока лампы используются вспомогательные цепи питания электродов.
2. Электронные пускорегулирующие
аппараты для ртутных, натриевых и металлогалогенных
ламп высокого давления
Электропитание дуговых ламп высокого давления (ртутных,
натриевых и металлогалогенных) может производиться током повы-
шенной частоты подобно тому, как это делается для ЛЛ. Однако
создание высокочастотных ЭПРА с функцией диммирования для
таких ламп вызывает трудности, связанные с тем, что при изменении частоты в этих лампах может возникать так называемый акустический резонанс, т.е. механический резонанс на звуковых частотах. Наступление такого режима сопровождается нестабильностью разряда и светового потока лампы, локальным перегревом стенок разрядной трубки, приводящим к возможному се растрескиванию.
2.1 Ступенчатое диммированне натриевых и металлогалогенных
ламп.
Известна, однако, возможность осуществлять ступенчатое
снижение мощности лампы примерно вдвое, обеспечивая вечерний и
ночной режимы освещения путем подбора частоты таким образом,
что в режимах обеих ступеней акустический резонанс наблюдаться
не будет.
Входные и выходные характеристики такого ЭПРА для натриевой
лампы ДНаТ250, представленные в табл. 8.2 для режимов номиналь-
ной и пониженной мощности, показывают, что показатели качества
ЭПРА для ДНаТ и для ЛЛ примерно одинаковые.
На рис. 8.13 представлен процесс перехода лампы из режима
поминальной в режим пониженной мощности. Осциллограмма тока
имеет вид сплошной области, поскольку на одном периоде сети укла-
дывается около 400 периодов ВЧ-колебаний тока лампы. Как видно
из осциллограммы, переходный процесс занимает ничтожную часть
периода сетевого напряжения.
2.2. Плавное диммирование натриевых и металлогалогенных
ламп.
Процесс диммирования можно сделать и плавным, не рискуя при этом перейти в режим акустического резонанса. Для этого необходимо использовать ЭПРА с низкочастотным выходным током (f = 70 - 1000 Гц) прямоугольной формы. Это возможно при высоких промежуточных частотах преобразования (десятки, сотни килогерц). В этом случае на выходе инвертора ЭПРА
генерируется последовательность высокочастотных импульсов, ширина и частота (100 -200 кГц) которых определяются замкнутой системой регулирования тока лампы. Благодаря низкочастотному фильтру, подключенному
к выходу инвертора, высокочастотные пульсации тока сглажены, а
ток и напряжение на лампе имеют форму меандра — «квадратной
волны». На рис. 8.14 представлены осциллограммы тока и напряжения лампы в таком ЭПРА. Видны высокочастотные пульсации на плоской части кривых. Уровень этих пульсаций не должен быть слишком велик, чтобы не инициировать акустический резонанс.
2.3. Режим пуска металлогалогенных и натриевых ламп.
Алгоритм выхода па рабочий режим лампы в схеме с прямоугольной формой тока представлен па рис. 8.14. Зажигание лампы может осуществ-
ляться на частоте резонанса и с помощью импульсного зажигающего
устройства (ИЗУ), принцип работы которого заключается в подклю-
чении предварительно заряженного конденсатора через управляемый
тиристор или динистор к первичной обмотке специально спроекти-
рованного трансформатора, вторичная обмотка которого включена
последовательно с лампой. Соотношение между витками обмоток
таково, что на вторичной обмотке наводится высокое напряжение
(4 кВ), превышающее напряжение пробоя РЛ.
После зажигания процесс выхода РЛ в рабочий режим занимает
несколько минут. Для исключения погасания «холодной» лампы про-
цесс ее разгорания некоторое время происходит на постоянном токе с
переходом далее на переменный прямоугольный ток. Пусковой ток
несколько превышает номинальное значение тока лампы. По мере
нагрева напряжение на лампе повышается примерно от 20—30 В до
номинального значения (80—100 В для металлогалогенных и нат-
риевых ламп мощностью 70- 250 Вт). При достижении мощностью,
потребляемой лампой, номинального значения система регулирова-
ния переходит в режим стабилизации мощности, регулируя ток
лампы в зависимости от изменения ее электрической проводимости.
Если лампа гаснет в процессе работы, то для се зажигания в горя-
чем состоянии требуется напряжение около 30 кВ, поэтому прихо-
дится ждать 2 5 мин, пока она остынет, чтобы давление паров в ней
и соответственно напряжение пробоя снизились. Импульсы зажига-
Устройства управления СИД
Вольт-амперные характеристики СИД (рис. 8.16) имеют такой же
вид, как и прямые ветви характеристик обычных диодов, за исключе-
нием того, что значение прямого падения напряжения несколько
выше. Из-за сильной зависимости тока СИД от напряжения для их
питания используют ИЭП с характеристикой источника тока. Кроме
того, электрические и световые характеристики СИД существенно
зависят от температуры. Так, при заданном токе падение напряжения
па СИД и его световой поток уменьшаются с ростом температуры|. При повышении температуры также сокращается срок службы,
который определяется по снижению светового потока. Рекоменду-
ется не превышать номинальные значения тока СИД, а значит предъ-
являются высокие требования к стабильности выходного тока ИЭП.
Для создания светодиодной лампы определенной мощности СИД
соединяются последовательно. Питание СИД обычно выполняется по
двухкаскадной схеме, в которой па выходе первого каскада (ККМ)
стабилизируется напряжение, а второй каскад является стабилизато-
ром тока диодной лампы. При питании маломощных светодиодных
ламп, как правило, применяется однокаскадная схема, в которой функ-
ции ККМ и стабилизатора тока объединены.
В мощных светильниках используется параллельно-последователь-
ное соединение СИД. В этом случае для каждой последовательной
светодиодной цепи устанавливается свой регулятор постоянного тока
(как правило, это понижающий преобразователь), который подсоеди-
няется к источнику стабильного напряжения. Внешняя характеристика
ИЭП СИД имеет два участка: стабилизации тока и ограничения напря-
жения. Регулирование выходных параметров осуществляется контрол-
лером. Кроме того, контроллер обеспечивает функции защиты при воз-
никновении режимов короткого замыкания на выходе ИЭП.
3.1.Зависимость световой отдачи СИД от электрического режима.
Следует отметить, что у СИД нормируется не световая отдача, а све-
товой поток при номинальном токе, поэтому значение световой
отдачи для конкретного диода зависит от прямого падения напряже-
ния на нем при номинальном токе. Чем выше падение напряжения,
тем выше мощность и меньше световая отдача. Поэтому в процессе
производства СИД осуществляется автоматическая сортировка дио-
дов по прямому падению напряжения.
3.2.Регулирование светового потока СИД.
Существуют два способа регулирования светового потока в светодиодных лампах, с помощью которых можно осуществить снижение светового потока до нулевогозначения (рис. 8.16). Первый способ аналоговое регулирование, представляющее собой изменение среднего значения тока. К сожалению, данный метод имеет два существенных недостатка.
Во-первых, яркость СИД не полностью пропорциональна току и, во-вторых, длина волны (а следовательно, и цвет) излучения сдвигается по мере того, как происходит изменение значения тока СИД по отношению к
поминальному. Двух этих явлений в большинстве случаев следует
избегать.
Второй, более предпочтительный способ — это широтно-импульс-
ное регулирование при достаточно высокой частоте импульсов, пре-
вышающей 300 Гц. При таком регулировании необходимо, чтобы во
время импульса диод очень быстро выходил на номинальную ампли-
туду рабочего тока и так же быстро выключался при паузе. При этом
человеческий глаз не фиксирует колебаний с частотой, превышаю-
щей 80 Гц. На интервале активности диода значение тока в нем
должно по-прсжпсму поддерживаться импульсным стабилизатором
тока. Как показано в, такой режим можно осуществлять, напри-
мер, шунтируя на время паузы открытым ключом светодиодную
сборку. Стабилизатор тока при этом продолжает работу при малом
коэффициенте заполнения и пониженной потребляемой мощности.
Форма тока в диоде при таком режиме работы показана на рис. 8.17.
Как видно из рисунка, светодиодная лампа представляет собой
при частоте несколько сот килогерц практически безынерционную
нагрузку. Для самого стабилизатора тока режим импульсного регули-
рования СИД является режимом переключения нагрузки, который
отрабатывается обратными связями.
Конторльные вопросы
1. Перечислите методы регулирования тока в люминесцентных лампах.
2. В чём принципиальное отличие электронной ПРА от электромагнитных балластов?
3. Каковы преимущества при увеличении частоты подаваемого на ЛЛ напряжения?
4. Каким устройством и по какому алгоритму осуществляется процесс управления пуском ЛЛ?
5. Какой вид диммирования наиболее применим для натриевых и металлогалогенных ламп?
6. Каков механизм выхода на рабочий режим натриевых и металлогалогенных ламп?
7. Как ведёт себя световой поток СИД при росте температуры?
8. По какой схеме обычно осуществляется питание СИД?
9. Какие существуют способы регулирования светового потока СИД?