Работа РЛ в цепи переменного тока.

Разряд в лампе, работающей на переменном токе, стабилизируется при тех же условиях, что и на постоянном токе. Однако возникают особенности, обусловленные перезажиганием лампы каждый полупериод.

Рассмотрим сначала изменение напряжения и тока в цепи ГРЛ при активном балластном сопротивлении. Как видно из осциллограмм (рис.1), ток в цепи возникает только после того, как напряжение на лампе U_л достигает значения U_з, достаточного для зажигания разряда. Как только разряд зажегся, напряжение на лампе падает до величины напряжения горения U_г и остается примерно постоянным до тех пор, пока напряжение сети не станет равным U_г (рис.1а). В этот момент разряд гаснет, и ток становится равным нулю. В следующий полупериод этот процесс повторяется, т.е. в течение каждого периода разряд дважды гаснет и дважды зажигается.

В начале и в конце каждого полупериода имеется пвуза тока соответственно ψ_н и ψ_к. Общий промежуток, в течение которого

Отсутствует ток в лампе, называется темновой паузой:

ψ_н + ψ_к = ψ

Величина напряжения зажигания U_з зависит от остаточной ионизации, а так как при отсутствии тока происходит деионизация газа, то U_з зависит и от общей паузы тока. Чем меньше пауза тока, тем больше остаточная ионизация, тем меньше U_з при прочих равных условиях.

Величина пауз тока зависят также и от величины действующего значения и формы кривой напряжения сети. Чем быстрее нарастает напряжение на лампе, тем меньше паузы тока.

Рисунок 1. Осциллограммы тока, напряжения и светового потока ГРЛ с различными балластами:

а) – активным

б) – индуктивным

в) – емкостным

При включении ГРЛ последовательно с индуктивным балластным сопротивлением (дросселем) ток в лампе отстает от напряжения сети, поэтому при нулевом значении тока к электродам лампы будет приложено напряжение, близкое к амплитудному напряжению сети. Благодаря этому перезажигание лампы происходит значительно быстрее, чем при активном балластном сопротивлении, и пауза тока при этом практически отсутствует. Кривая изменения напряжения на лампе за каждый полупериод имеет форму прямоугольника с высотой, равной U_гор, которое практически равно эффективному значению напряжения на лампе. Началу каждой полуволны тока (моменту перезажигания разряда) соответствует всплеск напряжения на лампе U_л и провал напряжения на дросселе. ГРЛ с индуктивным балластом работает более стабильно, периодические колебания излучаемого потока при этом значительно меньше, чем при работе с активным сопротивлением (рис. 1б).

В случае емкостного балластного сопротивления ток по фазе опережает напряжение сети. Он снижается до нуля раньше, чем напряжение сети изменит свой знак. В конце каждого полупериода сетевого напряжения емкость оказывается заряженной, и к лампе в этот момент приложено напряжение, равное амплитудному. Перезажигание лампы происходит очень быстро (резкое увеличение тока). В процессе разряда емкости ток практически не ограничивается балластом, поэтому он достигает большой величины в начале перезажигания лампы и затем быстро снижается. Время отсутствия разряда в лампе (пауза тока) в случае емкостного балластного сопротивления значительно больше, чем при индуктивном и активном. Вследствие этого увеличивается напряжение перезажигания и бывает большое мгновенное значение тока. При работе с емкостным балластом ГРЛ имеют низкую стабильность работы и большую пульсацию излучаемого потока, а срок их службы существенно снижается.

Из осциллограмм видно, что наименьшая пульсация имеет место при использовании индуктивного балластного сопротивления. Пульсация светового потока оценивается коэффициентом пульсации:

При частоте 50 Гц ток 100 раз в секунду меняет направление, проходя через нуль. Погасания лампы не видны, однако они вредно влияют на зрение и, кроме того, могут исказить действительную картину движения освещаемых предметов. Пусть, например, вращающийся шпиндель токарного станка за время погасания лампы успеет сделать полное число оборотов. Значит, при каждом очередном освещении он будет виден в одном и том же положении, т.е. будет казаться неподвижным. Если же вращающийся предмет за время погасания сделает немного меньше полного оборота, то будет казаться, что вращение происходит в обратную сторону. Это явление называется стробоскопическим эффектом и чрезвычайно опасно на производстве. Т.е., если наблюдаемый объект вращается с частотой, равной или кратной частоте пульсации светового потока, то создается иллюзия неподвижности объекта. Поэтому принимают меры по устранению стробоскопического эффекта (специальными схемами включения).

При индуктивном балластном сопротивлении форма кривой тока близка к синусоидальной; при активном и особенно емкостном балласте форма кривой тока искажена и значительно отличается от синусоидальной. Степень искажения формы кривой тока можно оценить коэффициентом амплитуды:

,

где i_max – максимальное мгновенное значение силы тока;

I – действующее значение переменного тока за период колебания.

Для синусоидальной формы тока k_а = 1,41. Для обеспечения нормального срока службы лампы форма кривой мгновенных значений тока должна быть возможно более близкой к синусоиде, т.е. балластное устройство должно обеспечивать коэффициент амплитуды, не превосходящий 1,7. При изменении формы кривой тока и увеличении коэффициента амплитуды усиливается износ электродов РЛ и, следовательно, сокращается срок ее службы.

От вида используемого балластного сопротивления зависят энергетические показатели лампы и схемы в целом.

Таблица 1 - Энергетические показатели лампы и схемы

С активным балластным сопротивлением коэффициент мощности схемы не равен единице, потому что коэффициент мощности самой лампы составляет 0,8-0,9. В отличие от схем с реактивными балластами это обусловлено не сдвигом фаз, а искажением форм кривых тока и напряжения.

В схеме с емкостным балластом потери мощности минимальны, в схеме с активным балластом они соизмеримы с мощностью лампы, а в схеме с индуктивным балластом составляют в среднем около 20%.