Электрооборудование - Схемы включения люминисчентных ламп

Включение люминесцентной лампы на постоянном токе

В принципе, люминесцентные лампы являются приборами переменного тока. Тем не менее они могут работать и на постоянном токе. При этом надо учитывать следующие факторы:

• Работая на постоянном токе, лампа дает 75-80% света, в режиме аналогичном работе на переменном токе.
• В качестве ограничителя тока используется резистор, что приводит к более высоким потерям мощности.
• Зажигание лампы обычно сложнее. В большинстве случаев обычный стартер не будет работать.
• Один конец лампы может потемнеть после нескольких часов работы. Это связано с перемещением электронов к одному электроду и положительных ионов ртути к другому. Это приводит к тому, что на одном из концов не происходит генерации ультрафиолета, необходимого для свечения фосфора. Также это может привести к более быстрому выгоранию электродов. Для устранения этого эффекта надо регулярно менять полярность подаваемого напряжения

Иногда последовательно включается индуктивность для ограничения стартового тока.

Использование лампы накаливания в качестве балласта

Данный вариант иногда используется в схемах со стартером. Спираль лампы используется в качестве ограничителя тока. В принципе, можно использовать любое споротивление, если оно позволяет рассеяивать необходимую мощность. Основными недсотатками использования лампы как балласта являются:

• Эффективность схемы очень низкая, поскольку на лампе накаливания рассеивается много тепла - она является активной нагрузкой, в отличие от индуктивности
• Люминисцентная лампа работает в неоптимальном режиме - снижается светоотдача, срок служьы и т.д. Балласт специально проектируется под конкретную лампу, лампа накаливания - вряд ли.
• Выделяемое тепло (может доходить до 40-50 Вт) служит причиной уменьшения светоотдачи люминесцентной лампы из-за повышения температуры.
• Обычно утверждается, что лампа накаливания дает допольнительный свет. Однако, работая "вполнакала", лампа накаливания дает очень мало света в видимом диапазоне

Можно сказать, что не следует использовать такую схему - лучше приобрести специальный балласт.

Тем не менне, некоторые данные, которые позволять выбрать лампу накаливания. Особенностью ламп накаливания является изменение сопротивления спирали с ростом температуры. Данная таблица рассчитана для наиболее распространенных би-спиральных ламп накаливания с заполненной инертным газом колбой. Расчет был произведен следующим образом: вначале была рассчитана лампа, которая на номинальном напряжении 220В имеет соотвествующие мощности и световой поток, затем сопротивление спирали было пересчитано на другие значения тока.

Балласт для газоразрядной лампы

Газорязрядная лампа - ртутная или металло-галоидная, аналогично люминесцентной, обладает падающей вольт-амперной характеристикой. Поэтому необходимо использовать балласт для ограничения тока в сети и поджига лампы. Балласты для этих ламп во многом аналогичны балластам люминесцентных ламп и будут здесь описаны очень кратко.

Самый простейший балласт (reactor ballast) представляет собой индуктивный дроссель, включенный последовательно лампе для ограничения тока. Параллельно включается конденсатор для улучшения коэффициента мощности. Такой балласт можно рассчитать легко аналогично сделанномы выше для люминесцентной лампы. Необходимо учесть, что ток газоразрядной лампы в несколько раз превышает ток люминесцентной. Поэтому нельзя использовать дроссель от люминесцентной лампы. Иногда используется импульсное зажигающее устройство (ИЗУ, inginitor) для поджига лампы.

Если напряжение сети недостаточно для поджига лампы, то дроссель может быть совмещен с автотрансформатором для увеличения напряжения.

Этот тип балласта обладает тем недостатком, что при изменении напряжения сети изменяется световой поток лампы, который зависит от мощности, пропорциональной квадрату напряжения.

рис. 2

Такой тип (рис. 3) балласта с постоянной мощностью (constant wattage) получил наибольшее распространение сейчас среди индутивных балластов. Изменение напряжения питающей сети на 13% приводит к изменению мощности лампы на 2%.

В этом схеме конденсатор играет роль ограничивающего ток элемента. Поэтому конденсатор обычно ставиться достаточно большой.

Лучшими являются электронные балласты, которые аналогичны электронным балластам люминесцентных ламп. Все что сказано про те балласты справедливо для и для газоразрядных ламп. К тому же в таких балластах можно регулировать ток лампы, уменьшая количества света. Поэтому если вы собираетесь использовать газорязрядную лампу для освещения аквариума, то вам имеет смысл приобрести электронный балласт.

рис. 3

Электронные балласты

Эти балласты бывают как низкочастотными, так и высокочастотными. Низкочастотные питают лампу с частой сети, например гибридные балласты (hybrid), которые представлют собой бесстартерный балласт (rapid start), в котором добавлена электронная схема, отключающая вторичную цепь подогрева электродов после зажигания лампы, что дает некоторое повышении эффективности балласта. Аквариумы

Высокочастотные электронные балласты подают напряжение на лампу с частотой около 20000Гц и выше (не надо их путать с высокочастотными индукционными лампами, которые работают на мегагерцовом диапазоне). Такие балласты представляют собой выпрямитель и транзиторный (или тиристорный) прерыватель. Балласт имеет много преимуществ по сравнению с магнитным:

• Повышается эффективность лампы. Коэффициент балласта увеличвается на 20-30%, т.е. лампа производит больше света
• Уменьшены потери в балласте в несколько раз - отсутвует огромный кусок железа. Соответсвенно, ументшается расход энергии и уменьшается температура, что важно для работы лампы.
• Балласт становится компактным, что важно при размещении его в тесном месте.
• Балласт не производит шум в звуковом диапазоне.
• Уменьшаются пульсации лампы
• Многие балласты допускают возможность изменения светового потока лампы (dimming)

Электронный балласт имеет и свои недостатки:

• Относительно высокую стоимость по сравнению с магнитными.
• Некоторые балласты старых конструкций имели небольшую утечку тока на земляной провод, что приводило к срабатыванию системы защиты (GFCI).
• Эти балласты (особенно дешевые) могут иметь повышенный коэффициент искажения гармоник. Они могут оказывать влияние на работающий рядом радиоприемник (хотя и маловероятно - в радиусе не более полуметра)

Однако, при покупке новой системы ламп, особенно HO, VHO ламп, имеет смысл подумать об использовании электронного балласта

Рисунок показывает увеличение эффективности лампы при увеличении частоты тока, относительно к частоте сети 60Hz

Схема включения люминисцентной лампы без стартера

Недостатки схемы со стартером (долгое время прогревания электродов, необходимость замены стартера и т.д.) привели к тому, что появилась другая схема, где подогрев электродов осуществляется со вторичной обмотки трансформатора, который одновременно является и индуктивным сопротивлением.

Отличительной внешней особенностью такого балласта является, то что оба сетевых провода подключаются к балласту, четыре провода из балласта подключаются к электродам лампы.

Существует много разновидностей такой схемы, например, когда электронная схема отключает цепь подогрева электрода после включения лампы (trigger start) и т.д. Балласты такого типа используются и в схеме с несколькими лампами.

Нельзя в такой схеме использовать лампу, предназначенную для стартерной схемы включения, поскольку она рассчитана на более длительный подогрев электродов, и выйдет раньше времени из строя в такой схеме. Следует использовать только лампы с обозначениями RS (Rapid start). В схеме должен быть предусмотрен заземленный рефлектор вдоль лампы (иногда на лампе имеется металлическая полоска). Это облегчает зажигание лампы.

Рисунок показывает внутренний вид такого балласта. Он состоит и дросселя (core and coil), конденсатора для коррекции коэффициента мощности (power capacitor) и термопредохранителя (thermal protector). Внутри корпуса все заливается терморассеиващим материалом

Схема включения люминисцентной лампы со стартером

Традиционная схема, используемая очень давно, в случае когда напряжение сети достаточно для зажигания лампы. В ней используется балласт, представляющий собой большое индуктивное сопротивление - дроссель, и стартер - маленькая неоновая лампа, служащая для предварительного подогрева электродов лампы. Параллельно неоновой лампе в стартере стоит конденсатор для уменьшения радиопомех. Также в схему может включатся и конденсатор для улучшения коэффициента мощности.

При включении лампы в сеть, вначале, возникает разряд в стартере и через электроды лампы проходит небольшой ток, который подогревает их, тем самым уменьшая напряжение зажигания лампы. При возникновении разряда в лампе, напряжение между электродами падает. отключая цепь стартера. В старых схемах вместо стартера использовалась кнопка, которую надо было держать в течении нескольких секунд.

Балласт используется только для ограничения тока. Параметры балласта рассчитать несложно самим (в случае, если вы нашли на помойке дроссель и хотите его использовать).

Определить параметры индуктивного балласта можно очень несложно пользуясь правилами расчета цепей перменного тока. Для примера рассмотрим лампу мощностью 40Вт (F40T12) длиной 48" (122 см), включенную в сеть напряжением 230В

Рабочий ток лампы составляет около 0.43A. Коэффициент мощности лампы равен примерно 0.9 (в принципе, можно считать лампу активной нагрузкой). Напряжение на лампе равно: 40Вт/(0.43А*0.9)=102В. Активная составляющая напряжения равна: 102В*0.9=92В, реактивная равна 102В*sqrt(1-0.9^2)=44В.

Потери мощности в балласте составляют 9-10Вт. Отсюда, суммарный коэффициент мощности равен: (40Вт+10Вт)/(230В*0.43A)=0.51 (сюда явно просится корректирующий конденсатор). Активная составляющая падения напряжения на балласте равна: 230В*0.51-102В=15В, реактивная составляющая 230В*sqrt(1-0.51^2)-44В=154В. Активное сопротивление балласта равно 15В/0.43А=35 Ом, реактивное 154В/0.43=358 Ом. Индуктивность балласта на частоте 50Гц равна 358/(2*31.4*50)=1.1Гн

Аналогичный расчет для лампы мощностью 30Вт (F30T12) длиной 36" (91 см), у которой рабочий ток 0.37А, дает параметры балласта - активное сопротивление равно 59 Ом, реактивное 450 Ом. Суммарный коэффициент мощности равен 0.45. Индуктивность балласта 1.4Гн

Отсюда, вообщем-то понятно, что произойдет если использовать балласт для 40Вт лампы в схеме с 30Вт лампой - ток будет превышать номинальное значение, что приведет к более быстрому выходу лампы из строя. И наоборот, использование балласта от менее мощной лампы в схеме с более мощной лампой приведет к ограничению тока и пониженной светоотдачей.

Для улучшения коэффициента мощности можно использовать конденсатор. Например, в первом примере, для лампы 40Вт, конденсатор, включенный параллельно, рассчитывается следующим образом. Ток через конденсатор 0.43А*sqrt(1-0.51^2)=0.37A, реактивное сопротивление конденсатора равно 230В/0.37А=622Ом, емкость для сети 50Гц равняется: 1/(2*3.14*50*622)=5.1мкФ. Конденсатор должен быть на 250В. Его можно включить и последовательно (рассчитывается аналогично), но при этом надо использовать конденсатор на 450В. Аквариум