Устройство для зажигания и регулирования мощности люминесцентной лампы с подогревными катодами (варианты)

Устройство для зажигания и регулирования мощности люминесцентной лампы с подогревными катодами (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к устройствам для зажигания и регулирования мощности газоразрядных осветительных ламп с подогревными катодами с использованием полупроводниковых устройств, а более конкретно к электронным пускорегулирующим аппаратам (ЭПРА) люминесцентных дамп.

Известны различные варианты ЭПРА для зажигания и регулирования мощности люминесцентных ламп с подогревными катодами.

ЭПРА содержат источник мощности для прогрева катодов люминесцентной лампы, источник электрической мощности для поддержания ее горения, средства для управления зажиганием и регулирования мощности.

Прогрев катодов люминесцентной лампы может осуществляться от формирователя импульсов через конденсатор, термистор или стартер, включенные между катодами лампы или при помощи высокочастотного трансформатора.

Источник электрической мощности для поддержания горения люминесцентной лампы обычно выполняется в виде высокочастотного транзисторного формирователя импульсов по двухтактной, мостовой или полумостовой схеме.

Для ограничения тока через люминесцентную лампу используются индуктивные и емкостные балласты, включенные последовательно с ней.

Зажигание люминесцентной лампы после прогрева ее катодов осуществляется повышением напряжения между катодами различными средствами: подачей высоковольтного импульса от специальной схемы, размыканием контакта стартера при индуктивном балласте в цепи лампы, изменением частоты формирователя импульсов и приближением ее к резонансной частоте последовательного резонансного LC-контура.

Управление процессами пуска, зажигания и установления заданной мощности в ЭПРА может осуществляться при помощи аналоговых или цифровых микросхем, в т.ч. программируемых контроллеров, управляющих частотой формирователей импульсов. В таких ЭПРА, как правило, имеется основной резонансный контур, напряжение на резонансном конденсаторе которого зависит от частоты.

Известно применение в ЭПРА цифровых микропроцессоров, например М68НС08 (компании ON-Semiconductor), реализующих заданные алгоритмы: управления зажиганием, работы люминесцентной лампы и защиты от отсутствия лампы, защиты от аномальной работы устройства или от отказа лампы (Dimmable Light Ballast with Power Factor Correction, Freescale Semiconductor, Inc. DRM067 Rev. 01.12.2005).

В промышленной практике применяются варианты ЭПРА, в которых используются источник электрической мощности, в т.ч. с корректором мощности, задающий генератор с управляемой частотой, транзисторный формирователь импульсов (симметричного, полумостового или мостового типа), последовательный LC-резонансный контур, состоящий из индуктивного и емкостного элементов, блокировочный конденсатор; входы питания задающего генератора и формирователя импульсов подсоединены к источнику электрической мощности; выход задающего генератора подсоединен к входу управления формирователя импульсов; силовой выход высокочастотного формирователя импульсов подсоединен к последовательному LC-резонансному контуру через блокировочный конденсатор, см., например, патент США №6956336, кл. 315/247, 10/2005, автор T.Ribarich.

Известные ЭПРА могут быть выполнены с подогревом катодов током и с подогревом катодов напряжением.

В ЭПРА с подогревом катодов током спирали катодов люминесцентной лампы последовательно включены в цепь последовательного резонансного LC-контура. Такие ЭПРА имеют весьма простые схемы ЭПРА, и их можно отнести к наиболее распространенным.

В ЭПРА с подогревом катодов напряжением применяется трансформатор для подогрева спиралей катодов люминесцентной лампы.

В ЭПРА с трансформаторным подогревом катодов трансформатор подогрева может быть выполнен на сердечнике индуктивного элемента последовательного резонансного контура путем намотки добавочных обмоток патент США №7154232, кл. 315/225, 12/2006, автор C.Contenti. Такое решение широко распространено благодаря простоте выполнения. Трансформатор подогрева может быть выполнен на отдельном сердечнике. Применение отдельного трансформатора, хотя и усложняет схему ЭПРА, позволяет улучшить его характеристики.

При выполнении трансформатора подогрева на отдельном сердечнике его первичная обмотка может быть подключена к схеме ЭПРА:

- параллельно люминесцентной лампе патент США №6501225, кл. 315/105, 12/2002, автор J.Konopka (последовательно с индуктивным элементом резонансного контура),

- параллельно резонансному контуру патент США №5656891, кл. 315/94, 8/1997, автор S.Lugger.

Для предотвращения несимметричного протекания тока через трансформаторы их первичные обмотки могут подключаться к формирователю импульсов через блокировочные конденсаторы.

В ЭПРА, выполненном с подогревом катодов люминесцентной лампы током, протекающим через резонансный конденсатор (см., упомянутый выше, патент США №6956336), используются полумостовой транзисторный генератор и последовательная резонансная цепь с дросселем, резонансным конденсатором, блокировочным конденсатором, микроконтроллер IR2166, который управляет частотой генератора импульсов, работой корректора мощности, защитой ЭПРА при нарушении работы схемы или неисправности люминесцентной лампы. Резонансный конденсатор подключен между вторыми электродами катодов люминесцентной лампы и обеспечивает нагрев катодов.

К недостаткам такого ЭПРА относятся повышенные токи через дроссель и катоды люминесцентной лампы в моменты поджига лампы и, как следствие, повышенные габариты и вес дросселя. Большой ток поджига снижает надежность ЭПРА, наносит импульсный токовый удар по катодам лампы, сокращая их срок службы и количество допустимых включений лампы. Прогрев катодов приходится проводить при максимально возможном напряжении на лампе, чтобы снизить емкость резонансного конденсатора. Однако это усиливает холодную эмиссию недостаточно прогретых катодов лампы.

Причина указанных недостатков заключается в том, что конденсатор резонансного контура используется одновременно для установки тока прогрева катодов и для задания частоты при поджиге люминесцентной лампы. Это связывает режим подогрева катодов с режимом зажигания люминесцентной лампы в ЭПРА. Токи, протекающие через резонансный конденсатор и дроссель для этапа прогрева катодов, определяются формулой

I_ph - амплитуда тока прогрева катодов, А;

f_ph - частота на этапе прогрева катодов, Гц;

V_ph - амплитуда напряжения на лампе на этапе прогрева катодов. В;

C_res - емкость резонансного конденсатора, Ф.

Для этапа поджига лампы имеет место аналогичная формула

I_ign - амплитуда тока дросселя в момент поджига люминесцентной лампы, А;

f_ign - частота в момент поджига люминесцентной лампы, Гц;

V_ign - амплитуда напряжения на лампе в момент ее поджига, В.

Так как частота на этапах прогрева катодов и частота поджига лампы в рассматриваемых схемах различаются незначительно (10-15%), то из формул (1) и (2) следует

Отношение V_ign/V_ph для большинства люминесцентных ламп может иметь значение от 2 до 5. Ток подогрева катодов определяется необходимой температурой катодов. Он эквивалентен рабочему току лампы. Величина тока в рассматриваемых схемах ЭПРА во время поджига лампы может многократно превосходить рабочий ток лампы и достигать нескольких ампер. Это является недостатком схем, т.к. для зажигания люминесцентной лампы обычно достаточен ток 50-100 мА. Этот недостаток вызывает резкое сокращение срока службы люминесцентной лампы, особенно при частом включении.

В ЭПРА по упомянутому выше патенту США 7154232, нагрев катодов осуществляется от вторичных обмоток, размещенных на токоограничивающем дросселе (режим подогрева катодов напряжением). Конденсатор резонансного контура подключен между дросселем и клеммой генератора импульсов, и его ток через катоды лампы не протекает.

В схемах с питанием катодов люминесцентной лампы от вторичных обмоток дросселя с подогревом катодов напряжением имеют место такие же недостатки, как и в схеме с питанием катодов через резонансный конденсатор. В момент зажигания лампы благодаря трансформаторной связи обмоток бросок через дроссель вызывает нежелательный бросок тока катодов люминесцентной лампы,

Различные варианты ЭПРА с прогревом катодов люминесцентной лампы током и напряжением, микроконтроллерами IR2156, IR2166D, IR2157, IR21592, IR2520D, IRS2168 предоставляются программой BDA4.1.17 компании International Rectifier. Программа позволяет рассчитывать схемы ЭПРА для вариантов с формирователями импульсов полумостового типа, для режимов прогрева катодов лампы током или напряжением и вариантов с симметричным двухтактным выходом для вариантов подогрева катодов лампы током.

В ЭПРА с отдельным трансформатором для подогрева катодов люминесцентной лампы (см. упомянутый выше патент США №6501225) первичная обмотка трансформатора подключена через блокировочные конденсаторы параллельно люминесцентной лампе. В этой схеме также имеется недостаток, связанный с броском тока катодов люминесцентной лампы в момент ее зажигания, т.к. ток первичной обмотки трансформатора практически совпадает с током обмотки дросселя.

Наиболее близким к варианту предлагаемого устройства является (упомянутая выше) схема по патенту США 5656891, содержащая источник электрической мощности, задающий генератор, транзисторный формирователь импульсов, последовательный LC-резонансный контур, состоящий из индуктивного и емкостного элементов, блокировочный конденсатор, трансформатор подогрева катодов с первичной и первой и второй вторичными обмотками; входы питания задающего генератора и формирователя импульсов подсоединены к источнику электрической мощности; выход задающего генератора подсоединен к входу управления формирователя импульсов; силовой выход высокочастотного формирователя импульсов подсоединен к последовательному LC-резонансному контуру; первые электроды катодов люминесцентной лампы подсоединены к конденсатору последовательного LC-резонансного контура, первичная обмотка трансформатора подогрева катодов подсоединена к силовому выходу формирователя импульсов через блокировочный конденсатор, вторичные обмотки трансформатора подключены к двухэлектродным катодам люминесцентной лампы.

Для отключения подогрева катодов после зажигания люминесцентной лампы в этом устройстве используется дополнительное реле, что усложняет схему.

Схемы ЭПРА с отдельными трансформаторами подогрева катодов не получили широкого распространения в сравнении со схемами, использующими метод подогрева катодов током или с трансформаторами, представляющими собой дроссели с дополнительными обмотками, т.к. они не обеспечили достижение явных преимуществ, пропорциональных увеличению сложности и стоимости. Потенциальные возможности, предоставляемые независимостью прогрева катодов от режимов поджига люминесцентной лампы в схемах по указанным патентам, не были реализованы.

Эти недостатки преодолеваются в предлагаемом устройстве, содержащем источник электрической мощности, задающий генератор с аналоговой или цифровой схемой управления частотой, транзисторный формирователь импульсов (полумостового или мостового типа), последовательный LC-резонансный контур, состоящий из индуктивного и емкостного элементов, блокировочный конденсатор, трансформатор подогрева катодов с первичной и первой и второй вторичными обмотками; входы питания задающего генератора и формирователя импульсов подсоединены к источнику электрической мощности; выход задающего генератора подсоединен к входу управления формирователя импульсов; силовой выход высокочастотного формирователя импульсов подсоединен к последовательному LC-резонансному контуру через блокировочный конденсатор; первые электроды катодов люминесцентной лампы подсоединены к конденсатору последовательного LC-резонансного контура, первичная обмотка трансформатора подогрева катодов подсоединена к силовому выходу формирователя импульсов непосредственно через блокировочный конденсатор или через второй блокировочный конденсатор, вторичные обмотки трансформатора подключены к двухэлектродным катодам люминесцентной лампы, благодаря тому что оно содержит дополнительные последовательные LC-резонансные контуры (например, первый и второй), подключенные между соответствующими вторичными обмотками трансформатора подогрева катодов и соответствующими двухэлектродными катодами люминесцентной лампы, резонансная частота дополнительных резонансных контуров не менее чем в 1,3-1,5 раз больше, чем резонансная частота основного резонансного LC-контура, минимальная частота подогрева катодов совпадает с резонансной частотой дополнительных резонансных контуров, стартовая частота задающего генератора больше резонансной частоты дополнительных резонансных контуров.

Преимущества предлагаемого устройства объясняется следующим: подключение высокочастотного трансформатора непосредственно к выходу формирователя импульсов и подключение вторичных обмоток высокочастотного трансформатора к катодам люминесцентной лампы в известном устройстве позволило задать величину тока подогрева катодов независимо от величины тока поджига люминесцентной лампы, т.е. независимо от тока основного резонансного контура; подключение вторичных обмоток высокочастотного трансформатора к соответствующим первому и второму катодам люминесцентной лампы через соответствующие первый и второй дополнительные последовательные резонансные контуры и выбор отношения между частотами основного и дополнительных резонансных контуров позволяет задавать необходимые уровни тока подогрева катодов на различных этапах зажигания люминесцентной лампы (старт, прогрев катодов, поджиг, выход в рабочий режим, регулирование мощности) и связать эти процессы с программируемой частотой задающего генератора. Эти преимущества позволяют оптимизировать режимы включения люминесцентных ламп на этапах старта, подогрева катодов, зажигания лампы, перехода в заданный режим и регулирования мощности. При этом число вариантов выбора режимов работы ЭПРА увеличивается за счет возможности задания емкости, индуктивности, выбора резонансной частоты основного и дополнительных резонансных контуров, а также выбора выходного напряжения маломощного высокочастотного вторичного источника электрической мощности, частоты при старте, частоты при подогреве катодов. Это позволяет (по сравнению с известным устройством) снизить ток через дроссель во время поджига люминесцентной лампы, снизить требования к току насыщения дросселя, уменьшить импульсы тока через катоды люминесцентной лампы во время зажигания, повысить полезные срок службы лампы и число включений.

Ниже приводятся расчеты, подтверждающие указанные преимущества и позволяющие рассчитывать характеристики основного резонансного контура и оптимальную резонансную частоту.

Так как частота поджига близка к резонансной частоте (на практике они отличаются на 10-15%), то ток поджига, протекающий через дроссель резонансного контура, примерно равен

где L_res - индуктивность дросселя резонансного контура*.

Из формулы (4), например, следует, что, уменьшая только значение емкости резонансного конденсатора C_res в 4 раза (не изменяя L), можно уменьшить ток поджига в 2 раза.

*Формула (4) вытекает из формулы (2) подстановкой вместо f_ign близкого значения - f_res

Как правило, номинальный режим работы люминесцентной лампы в ЭПРА является режимом с минимальной рабочей частотой, значение которой находится обычно в пределах 20-50 кГц. Выбор индуктивности дросселя резонансного контура L_res зависит от

- номинальной мощность лампы - Р_run, Вт,

- входного напряжения резонансного контура -V_in, В,

- рабочей частоты горящей лампы - f_run, Гц,

- коэффициента полезного действия - .

Целесообразно экспериментально уточнять значение величины L_res для конкретного типа люминесцентной лампы.

При зафиксированных значениях входного напряжения V_in, номинальной мощности лампы и рабочей частоты f_run, определяющими индуктивность дросселя L_res, резонансная частота f_res может быть задана величиной емкости конденсатора резонансного контура C_res.

Для снижения тока поджига значение емкости целесообразно выбирать C_res минимально возможным. Однако значение тока поджига можно, но нецелесообразно доводить до величины меньшей, чем ток люминесцентной лампы в номинальном режиме, т.к. это не уменьшает максимальный ток дросселя в резонансном контуре. Ток насыщения дросселя может быть выбран с учетом тока люминесцентной лампы в режиме номинальной мощности. Формула (2) при условии I_ign=I_run преобразуется в формулу

где I_run - амплитуда тока горящей люминесцентной лампы.

Для определения оптимальной величины емкости резонансного контура можно пользоваться формулой (7), вытекающей из формулы из (6):

Таким образом, для предлагаемой схемы (с независимым от характеристик резонансного контура подогревом катодов) при заданных значениях мощности лампы P_run, рабочей частоты f_run и входного напряжения V_in можно определить оптимальные значения емкости резонансного конденсатора C_res.

При определенных индуктивности дросселя L_res и оптимальной величине емкости резонансного конденсатора C_res резонансная частота f_res определяется по формуле (8), следующей из формул (5) и (7):

Ниже приводятся правила и расчеты, позволяющие оптимизировать выбор характеристик для предварительного подогрева катодов.

Напряжение на не горящей лампе не должно превышать максимальное напряжение, обычно указываемое производителем ламп - V_ph.max. Это условие ограничивает нижнее значение интервала частот предварительного прогрева f_ph.min.

Верхнее значение интервала частот - стартовая частота - выбирается таким образом, чтобы на этом значении частоты могла функционировать примененная управляющая микросхема, а также могли работать сердечники индуктивных компонентов ЭПРА. Например, микросхема КР1211ЕУ1 может работать до частоты 1 МГц, микросхема SG2525A - до частоты 400 кГц, микросхема IR21571 - до частоты 250 кГц. Сердечники индуктивных элементов могут работать на частотах до 300-500 кГц и более.

Учитывая, что для повышения срока службы люминесцентной лампы целесообразен мягкий накал катодов, желательно снизить задаваемую мощность пока катоды холодные и имеют низкое сопротивление. Такой режим достигается при выборе значения стартовой частоты большего, чем резонансная частота дополнительных резонансных контуров. Это объясняется тем, что импеданс дополнительных резонансных контуров увеличивается при частоте свыше резонансной.

Для того чтобы напряжение V_ph во время подогрева катодов не превышало заданного изготовителем значения - V_ph.max, может быть применен, например, режим плавного изменения частоты во время этапов старта и предварительного прогрева, заканчивающийся быстрым переключением с минимальной достигнутой частоты на этапе предварительного прогрева катодов люминесцентной лампы - f_ph.min на частоту поджига люминесцентной лампы - f_ph.ign.

Для определения минимальной частоты предварительного подогрева f_ph.min следует приравнять значение V_ph.max напряжению на конденсаторе основного резонансного контура при отсутствии нагрузки («A New Procedure for High-Frequency Electronic Ballast Design», Thomas J. Ribarich and John J. Ribarich (consult.) International Rectifier, Power Integrated Circuits as presented at IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9, 1997)

для значения f_ph.min большего, чем f_.res.

Формула для определения минимальной частоты предварительного подогрева катодов получается из (9)

Например, для типичных значений V_ph.max=250 B, V_in=150-250 из формулы (10) следует: f_ph.min≈1,3÷1,5 f_res.

Подогрев катодов люминесцентной лампы может производиться на частоте значительно большей, чем резонансная частота основного последовательного резонансного контура, т.е. при невысоком напряжении между катодами. Это увеличивает срок службы лампы.

Учитывая, что импеданс последовательного контура на резонансной частоте мал (определяется величиной активного сопротивления контура), что напряжение на вторичной обмотке дополнительного трансформатора прямоугольной формы и что ток в цепи резонансного контура синусоидальной формы, максимальную мощность подогрева катода люминесцентной лампы с можно определить по формуле

где W_к - мощность, рассеиваемая на катоде люминесцентной лампы, Вт;

V_k - амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора, В;

R_k - сопротивление катода люминесцентной лампы, Ом.

Учитывая, что зажигание лампы целесообразно проводить при достигнутой максимальной температуре катодов, значения резонансной частоты дополнительных резонансных контуров должны соответствовать минимальной частоте предварительного подогрева. Переход в режим поджига люминесцентной лампы не должен приводить к остыванию катодов. Поэтому переключение из режима прогрева катодов люминесцентной лампы в режим ее зажигания должно быть быстрым.

Ток прогрева катодов на этапах старта и работы может быть отрегулирован выбором напряжения на дополнительных вторичных обмотках трансформатора, характеристик дополнительных резонансных контуров и программой установок частот при пуске.

Для плавного нагрева катодов могут быть увеличены стартовая частота и индуктивность в дополнительных резонансных контурах.

Для снижения уровня подогрева катодов после загорания люминесцентной лампы может быть увеличена частота предварительного прогрева катодов и уменьшена емкость конденсаторов дополнительного резонансного контура.

Для зажигания люминесцентной лампы в условиях отрицательных температур среды может быть применена задержка зажигания лампы, в течение которой катоды разогреваются максимальной мощностью на частоте резонанса дополнительных резонансных контуров и подогревают люминесцентную лампу.

Другим из наиболее близких к варианту предлагаемому изобретению является ЭПРА с симметричным двухтактным генератором импульсов, описанным в публикации IR AN 1038 "Low Voltage DC Supply Dimmable Ballast for 1×13 W T8 Lamp, автор Peter Green, 11.22.2004, в котором рассматривается применение микросхемы IR21592, для управления мощностью (диммирования) люминесцентной лампы.

Устройство содержит: источник электрической мощности, задающий генератор с аналоговой или цифровой схемой управления частотой, симметричный транзисторный формирователь импульсов, последовательный LC-резонансный контур, состоящий из индуктивного и емкостного элементов, блокировочный конденсатор, трансформатор с первичной обмоткой, имеющей вывод от средней точки и с повышающей вторичной обмоткой; вход задающего генератора подсоединен к источнику электрической мощности; выход задающего генератора подсоединен к входу управления формирователя импульсов; первичная обмотка трансформатора подключена к симметричному транзисторному формирователя импульсов, средняя точка первичной обмотки трансформатора подключена к источнику электрической мощности, последовательный резонансный LC-контур подключен к повышающей вторичной обмотке трансформатора через блокировочный конденсатор; первые электроды катодов люминесцентной лампы подсоединены к конденсатору последовательного LC-резонансного контура.

Недостатки этого устройства аналогичны недостаткам ЭПРА с режимом подогрева катодов током конденсатора резонансной цепи, указанным выше для патента США №6.956.336 [].

Недостатки варианта ЭПРА с симметричным трансформаторным преодолеваются благодаря тому, что оно содержит дополнительные последовательные LC-резонансные контуры (первый и второй), трансформатор снабжен дополнительными первой и второй вторичными обмотками, вторичные обмотки трансформатора подключены к двухэлектродным катодам люминесцентной лампы через соответствующие первый и второй дополнительные резонансные контуры, резонансная частота дополнительных резонансных контуров не менее чем в 1,3-1,5 раз больше, чем резонансная частота основного резонансного LC-контура, минимальная частота подогрева катодов совпадает с резонансной частотой дополнительных резонансных контуров, стартовая частота задающего генератора больше резонансной частоты дополнительных резонансных контуров.

Благодаря указанным отличиям ток подогрева катодов может быть задан независимо от тока поджига люминесцентной лампы, и выбор режимов работы устройства может быть оптимизирован заданием характеристик дополнительных резонансных контуров и напряжения дополнительных вторичных обмоток трансформатора точно так же, как и для описанного выше варианта с полумостовым формирователем импульсов.

Применение дополнительных резонансных контуров в схеме с симметричным транзисторным формирователем импульсов позволяет также отказаться от применения RC-цепочки (снабберной цепи), подсоединяемой к первичной или вторичной обмотке трансформатора для защиты транзисторов формирователя от импульсных перенапряжений при переключении.

Варианты ЭПРА имеют дополнительные преимущества, если в них резонансная частота дополнительных резонансных контуров превосходит резонансную частоту основного резонансного контура в 1,3-1,5 или более раза. В этом случае прогрев катодов производится при пониженном напряжении на люминесцентной лампе.

Известны ЭПРА с регулированием светового, например, "IR2159: Dimming Dual Lamp Parallel Configuration with Balance Transformer", IR, Application Note AN-1039) 2003 г., авторы Т.Ribarich, R.Marenche (адрес информации http://www.irf.com/technical-info/appnotes/an-1039pdf). ЭПРА используют такие же, как описанные выше, структурные схемы питания люминесцентных ламп.

Регулирование (диммирование) мощности люминесцентных ламп использует принцип сдвига фаз между напряжением и током в резонансном контуре при изменении частоты генератора входных импульсов. Для диммирования применяют специфические микросхемы IR2159, UBA2014 и аналогичные.

В ЭПРА с диммированием для регулирования разности фаз между током и напряжением (и для ограничения диапазона используемых в ЭПРА частот) в резонансном контуре обычно применяются конденсаторы с повышенной емкостью (6,8-20 нФ). В сравнении с нерегулируемыми ЭПРА ток через резонансный контур и амплитуда тока подогрева катодов дополнительно повышаются в моменты зажигания люминесцентной лампы. Эти недостатки повышают требования к току насыщения дросселя и являются причиной несбалансированности прогрева катодов люминесцентной лампы при различных уровнях мощности, ухудшают надежность устройства, уменьшают срок службы люминесцентной лампы и ухудшают стойкость к частому включению.

Эти обстоятельства подтверждают разработчики микросхемы IR2159 в статье «A New Control Method for Dimmable High-Frequency Electronic Ballasts», авторы: Thomas J. Ribarich and John J. Ribarich, International Rectifier Power 1C Group 233 Kansas St., El Segundo, CA, 90245-4382 as presented at IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, St. Louis, Missouri, October 12-16, 1998 (раздел «Требования к диммируемой лампе»). Выбор значений индуктивности и емкости в резонансном контуре в этой статье связывается с необходимостью проверки тока катодов люминесцентной лампы при каждом уровне мощности для обеспечения правильного прогрева катодов.

Фазовый метод регулирования мощности (диммирования) в условиях функциональной связи между резонансной частотой и частотой предварительного прогрева катодов приводит к существенному повышению тока при зажигании люминесцентной лампы и недостаточному согласованию подогрева катодов люминесцентной лампы с мощностью, устанавливаемой на люминесцентной лампе. Указанные недостатки приводят к снижению полезной долговечности люминесцентных ламп и к уменьшению числа их включений.

Указанные недостатки диммируемых ЭПРА могут быть устранены благодаря применению описанных выше схем с независимым от основного резонансного контура подогревом катодов. Следует отметить, что устранение указанных недостатков приводит к расширению интервала рабочих частот при регулировании мощности люминесцентных ламп из-за снижения емкости резонансного конденсатора.

Изобретение поясняется следующими чертежами:

Фиг.1 Вариант структурной схемы ЭПРА с полумостовым транзисторным генератором импульсов.

Приняты следующие условные обозначения: 1 - люминесцентная лампа; 2, 3 - двухэлектродные катоды люминесцентной лампы 1; 4 - дроссель, 5 - конденсатор - компоненты основного резонансного контура; 6, 7 - дроссели и 8, 9 - конденсаторы-компоненты дополнительных резонансных контуров; 10 - блокировочный конденсатор; 11 - источник электрической мощности (преобразователь сетевого напряжения с частотой 50-60 Гц в постоянное напряжение, может содержать каскад корректора мощности); 12 - задающий генератор (аналоговая или цифровая микросхема, например, микросхемы IR2156, IRS2618D или др.); 13 - транзисторный полумост (например, на полевых транзисторах IRF820), 14 - маломощный высокочастотный трансформатор с первичной обмоткой 15 и вторичными обмотками 16, 17.

Дроссели 6, 7 с небольшими значениями индуктивности (10-30 мкГн) представляют собой малогабаритные детали (бусинки). Конденсаторы 8, 9 имеют емкость порядка 22-100 нФ, рабочее напряжение 25 В и типоразмеры 0603, 0805. Эти детали не влияют существенно на габариты, вес и цену ЭПРА.

Фиг.2. Вариант структурной схемы ЭПРА с симметричным двухтактным транзисторным генератором импульсов.

В схеме: 18 - высокочастотный трансформатор с двумя первичными симметричными полуобмотками и вторичными обмотками - 22, 24: основной - 19, 3 дополнительными - 20, 21; 24 - источник электрической мощности (например, аккумуляторная батарея); 25 - задающий генератор, например, микросхемы КР1211ЕУ1, SG2525A; 26 - симметричный транзисторный каскад, подключенный к трансформатору 18.

Фиг.3. Схема выходных каскадов ЭПРА с полумостовым транзисторным формирователем импульсов.

На схеме фиг.3: 27, 28 - полевые транзисторы; 29 - задающий генератор на микросхеме, например, IR2156 или аналогичной; 30, 31 - диоды, 32 - стабилитрон, обеспечивающие питание микросхемы 29; 33-39 - конденсаторы, назначение которых: 33 - питание, 34 - установка частоты генератора, 35 - установка времени прогрева катодов люминесцентной лампы, 36 - стабилизация потенциала истока транзистора 27, 37 и 38 - помехоустойчивость, 39 - подпитка микросхемы 29; 40-49 - резисторы, назначение которых: 40 - задание рабочей частоты; 41 - стартовое питания микросхемы 29, 42 - ограничение тока старта микросхемы 29; 43 - установка частоты на этапе прогрева катодов 2, 3 люминесцентной лампы 1; 44, 46 - ограничение тока затворов транзисторов 27, 28; 45 - ограничение тока чувствительного входа CS -микросхемы 29; 47 - ограничение тока чувствительного входа SD микросхемы 29; 48 - резистор-датчик тока транзисторного полумоста 27, 28; 49 - резистор цепи контроля состояния катода 3 люминесцентной лампы 1; 50, 51 - вход постоянного напряжения.

Фиг.4. Схема выходных каскадов ЭПРА с симметричным транзисторным двухтактным трансформаторным формирователем импульсов с микросхемой КР1211. На схемах фиг.4: 52, 53 - полевые транзисторы, например, IRLR024N; 54 - микросхема КР1211ЕУ1; 55 - ограничительный резистор; 56 - стабилитрон - ограничитель напряжения питания микросхемы 54; 57 - резистор и 58 - конденсатор для задания времени прогрева катодов; 59 - резистор и 60 - конденсатор для задания тактовой частоты микросхемы 54; 61, 62 - резисторы, ограничивающие ток затворов транзисторов 52, 53; 63, 64 - вход постоянного напряжения питания; 65 - вход выключателя микросхемы 54; 66 - вход блокировки микросхемы 54;

Фиг.5. Схема плавного изменения тактовой частоты микросхемы КР1211ЕУ1. На схеме фиг.5: 67, 68 - транзисторы р-n-р-типа, 69 - транзистор n-р-n-типа, 70 - времязадающий конденсатор, 71 - резистор задания стартовой частоты, 72 -резистор, 73 - вход перезапуска схемы.

Фиг.6. Зависимость мощности (Wк), рассеиваемой в катодах 2 и 3 люминесцентной лампы - 1 от частоты при следующих условиях:

- амплитуда напряжения на обмотке 17 (фиг.1) - 6 В,

- индуктивность дросселя 7-16 мкГн,

- емкость конденсатора 9: 100 нФ (линия А), 68 нФ (линия В), 47 нФ (линия С),

- сопротивление катода 3 люминесцентной лампы 1-12 Ом.

Фиг.7 Примеры зависимостей от частоты мощностей в катоде 3, 4 люминесцентной лампы с сопротивлением катодов 12 Ом:

Линия А. Мощность подогрева катода 3 при амплитуде напряжения обмотки 17 - 6 В, индуктивности дросселя 7 - 16 мкГн, емкости конденсатора 9 - 47 нФ.

Линия В. Мощность, подогревающая катод за счет протекания тока через горящую люминесцентную лампу, при номинальном токе лампы 0,29 А.

Линия С. Сумма мощностей, показанных на линиях А и В.

Фиг.8. Характеристические линии и точки для ЭПРА с трансформатором подогрева катодов:

Линия А. Зависимость напряжения на невключенной люминесцентной лампе 1 от частоты при V_in=200 В L_res=1.8 мГн, С_res=0.68 нФ. Точки: 1 - напряжение при старте схемы, 2-3 - напряжение на этапе прогрева катодов, 4 - напряжение поджига люминесцентной лампы.

Линия В. Зависимость от частоты напряжения на горящей лампе. Точки 5-8 - значения напряжений горящей лампы, точка 17 - погасание люминесцентной лампы 1.

Линия С. Зависимость от частоты мощности подогрева катода 3 люминесцентной лампы 1 при питании катода 3 от обмотки 16 трансформатора 14. Амплитуда напряжения обмотки 17 - 6 В, индуктивность дросселя 7 - 16 мкГн, емкость конденсатора 9 -47 нФ. Точки: 9-16 - характеристические значения добавочной мощности подогрева катода (9-11 - этап предварительного прогрева, 12-16 - при работе люминесцентной лампы в режимах регулирования мощности).

Зависимости А, В, С приведены для следующих условий:

- резонансная частота основного резонансного контура - f_res=140 кГц;

- резонансная частота дополнительного резонансного контура - f_res.доп=200 кГц;

- стартовая частота 280-300 кГц;

- частота предварительного подогрева от 200-280 кГц;

- частота зажигания люминесцентной лампы 1 170 кГц.

Фиг.9 Диаграмма изменения дополнительной мощности подогрева катодов 2 и 3 люминесцентной лампы 1 во время старта, предварительного подогрева, зажигания и регулирования мощности горящей лампы: этап А - старт, этап В - предварительный подогрев, этап С - регулирование мощности. Амплитуда напряжения обмотки 16 - 6 В, индуктивность дросселя 7 - 16 мкГн, емкость конденсатора 9 - 47 нФ, характеристические точки 1-2 - этап старта, 3-окончание подогрева катодов, 4 - поджиг люминесцентной лампы, 5-8 - различные уровни мощности горения лампы.

Фиг.10. Временные диаграммы тока дросселя I_L и частоты f для ЭПРА на люминесцентной лампе PL-L/4p-18 (Р_run=18 Вт) при V_in=140 В, L_res=1.8 Гн, С_res=680 пФ, стартовой частоте 300 кГц, частоте прогрева 200 кГц, частоте поджига 170 кГц, рабочей частоте 35 кГц. Диаграммы иллюстрируют: момент зажигания люминесцентной лампы, равенство тока зажигания люминесцентной лампы и тока горения в номинальном режиме.

Действие ЭПРА осуществляется следующим образом.

При подключении питания в схеме фиг.1 задающий генератор 13 формирует высокочастотное стартовое напряжение с частотой f_st, запускающее работу формирователя импульсов 13.

Выходные прямоугольные импульсы напряжения от формирователя 13 через блокировочный конденсатор 10 поступают на первичную обмотку 15 трансформатора 14. Выходные прямоугольные импульсы небольшой амплитуды через дополнительные резонансные контуры 6-8 и 7-9 начинают подогревать катоды 2 и 3 люминесцентной лампы 1. При стартовой частоте f_st, большей резонансной частоты резонансных контуров 6-8 и 7-9 (фиг.8, линия С, точки 9, 10), мощность нагрева катодов 2 и 3 будет меньше, чем максимальная (фиг.8, линия С, точка 11). Это позволяет плавно подогревать холодные катоды 2, 3 люминесцентной лампы 1. На следующем этапе предварительного прогрева катодов 2 и 3 люминесцентной лампы 1 частота задающего генератора уменьшается и приближае