пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления

Формула изобретения

Пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления, содержащее источник постоянного тока, выход которого соединен через последовательно подключенные преобразователь постоянного напряжения в переменное импульсное напряжение (далее по тексту «преобразователь») и выпрямитель к входу инвертора, общий вход которого подключен к общим входам преобразователя и выпрямителя, а выход соединен через две последовательно подключенные лампы со своим инверсным выходом, отличающееся тем, что введены два датчика напряжения, датчик тока, второй инвертор, умножитель напряжения, ключ, конденсатор, две схемы задержки - схема «или» и схема «и-не», при этом общий выход источника постоянного тока подключен к общим входам двух датчиков напряжения, умножителя и через датчик тока к общим входам преобразователя и ключа, выход источника постоянного тока соединен с входом первого датчика напряжения и с входом второго инвертора, выход которого через умножитель подключен к входу второго датчика напряжения, к средней точке соединения двух ламп и к электроду конденсатора, другой электрод которого соединен с входом инвертора, выход первого датчика напряжения подключен к входу схемы «и-не» и к входу первой схемы задержки, инверсный выход которой соединен с входом схемы «или», другой вход которой подключен к выходу второго датчика напряжения, а выход соединен с входами сброса в "ноль" преобразователя и инвертора, с входом управления ключа и с входом второй схемы задержки, выход которой подключен к другому входу схемы «и-не», выход которой соединен с входом сброса в "ноль" второго инвертора, вход ключа подключен к выходу выпрямителя, а выход датчика тока соединен с входом управления преобразователя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к схемам для зажигания и эксплуатации газоразрядных ламп, преимущественно таких, как натриевые лампы высокого давления, металлогалогенные лампы, ксеноновые лампы.

Известна управляющая схема для источника освещения - патент США №5130609, заявленный 26.01.1990 г., опубликованный 17.07.1992 г., которая содержит входной трансформатор, подключенный через выпрямительный мост и диод к сглаживающему конденсатору, к положительному электроду которого через переменный резистор и первую обмотку трансформатора подключен коллектор транзистора, база которого через вторую обмотку трансформатора подключена к положительному электроду сглаживающего конденсатора, отрицательный электрод которого подключен к эмиттеру транзистора и через конденсатор к первой обмотке трансформатора. Третья обмотка трансформатора подключена к люминесцентной лампе.

В данной управляющей схеме выпрямленное напряжение от сети питания и сглаживающего конденсатора поступает через переменный резистор на обмотку трансформатора и проходит через вторую обмотку трансформатора на базу транзистора. Создается положительная обратная связь, и схема возбуждается. На коллекторе транзистора образуются импульсы напряжения, которые трансформируются на третьей обмотке и подаются на лампу. При не горящей лампе ток, протекающий через нее, мал, импульсы напряжения велики и зажигают лампу. Ток растет, напряжение импульсов падает до величины, достаточной для горения газа в лампе.

Недостаток такого устройства в том, что оно может использоваться только для маломощных ламп, т.к. при увеличении мощности возрастает ток, протекающий через переменный резистор; растут потери мощности, и переменный резистор перегревается. Кроме того, отрицательный импульс напряжения на лампе имеет постоянную величину, пропорциональную напряжению сети, а положительный импульс имеет переменную величину, зависящую от сопротивления лампы. Поэтому величина отрицательного тока лампы не равна величине положительного тока лампы и лампа горит нестабильно и может гаснуть с одного из концов. Низкая надежность работы устройства при перегрузках. Кроме того, устройство не может создавать напряжение зажигания порядка 4 киловольт, необходимое для зажигания металлогалогенных, ксеноновых и натриевых ламп высокого давления.

Известен пускорегулирующий аппарат для ламп - патент России №2116009, подан 19.06.1997 г., опубликован 20.07.1998 г. Аппарат содержит последовательно соединенные сетевой фильтр, инвертор, резонансный контур, к выходу которого подключены две параллельно соединенные лампы. К другим электродам ламп подключен датчик тока, соединенный через последовательно подключенный диодный мост, усилитель и оптрон к управляющему входу инвертора.

В данном аппарате постоянное напряжение через сетевой фильтр поступает на вход инвертора, возбуждает в нем прямоугольные импульсы, которые подаются через резонансный контур на лампы. Когда лампы не горят, ток, проходящий через них, мал, поэтому резонансный контур создает высокое переменное напряжение, зажигающее лампы. После чего напряжение на лампах падает до напряжения горения. Ток ламп выявляется в датчике тока, выходной сигнал которого выпрямляется и усиливается, и через оптрон поступает в инвертор, регулируя частоту прямоугольных импульсов, изменяя рабочую точку на резонансной кривой контура, в результате чего стабилизируется ток, проходящий через лампы.

Недостатками такого устройства являются низкая надежность работы, связанная с отсутствием защиты по току аппарата при выходе из строя транзисторов инвертора, отсутствие защиты по напряжению при выходе из строя или при отсутствии ламп, т.к. при этом резонансный контур развивает высокое выходное напряжение, которое может вывести его из строя. Аппарат не может работать на лампы повышенной мощности, т.к. резонансный контур трудно сделать с выходной мощностью более 80 Вт. Аппарат не обеспечивает напряжение зажигания порядка 4 киловольт, необходимое для зажигания металлогалогенных, ксеноновых и натриевых ламп высокого давления.

Известно пускорегулирующее устройство, свидетельство №12319 от 13.05.1999 г. БИ 12-99. Устройство содержит источник постоянного тока, выход которого соединен с входом питания инвертора, выход которого через сглаживающий блок подключен к входу блока управления инвертором, два выхода которого подключены к соответствующим двум управляющим входам инвертора, выход сглаживающего блока подключен также через балластный резистор к входу источника питания блока управления инвертором, а второй выход сглаживающего блока через последовательно соединенные диод и резистор подключен к электродам конденсатора и динистора, вторые электроды которых соединены с общим выходом источника постоянного тока и общими входами источника питания блока управления инвертора, блока управления инвертора и инвертора. Выход инвертора может быть подключен через последовательно соединенные первый конденсатор и дроссель с электродами лампы и второго конденсатора, вторые электроды которых подключены к общему входу инвертора.

При включении источника постоянного тока его выходное напряжение поступает на вход питания инвертора, который создает на своем выходе прямоугольные импульсы, амплитуда которых равна напряжению на выходе источника постоянного тока. Эти импульсы поступают на вход сглаживающего блока, образуя на его выходе постоянное напряжение, которое через балансное сопротивление поступает на источник питания блока управления инвертора, а сам блок управления инвертора создает на своих двух выходах импульсы, управляющие работой инвертора. Выходные импульсы инвертора через первый конденсатор поступают на вход резонансной цепи, состоящей из дросселя и второго конденсатора. При негорящей лампе возникает резонанс, на конденсаторе образуется переменное напряжение, амплитуда которого может превысить выходное напряжение источника постоянного тока во много раз и может составлять порядка 600-800 В. При этом лампа зажигается, и на лампе поддерживается амплитуда импульсов напряжения, равная напряжению горения лампы порядка 120 В. Ток в лампе ограничивается индуктивным сопротивлением дросселя. При неисправной работе в цепях инвертора повышается выходное напряжение сглаживающего блока, возрастает напряжение на динисторе, он пробивается и снижает выходное напряжение сглаживающего блока, при этом блок управления инвертором перестает работать и инвертор прекращает работу.

Недостатками такого устройства является малая мощность лампы (до 40 Вт) в нагрузке, т.к. на больших мощностях резонансный контур работает нестабильно, в устройстве отсутствует возможность подключения к выходу более одной лампы. Устройство не имеет защиты от перегрева транзисторов инвертора, от короткого замыкания указанных транзисторов, при котором источник постоянного тока выйдет из строя. Устройство не является экономичным, т.к. не имеет возможности изменять яркость свечения лампы в зависимости от внешней освещенности. Так же устройство не может создать амплитуду резонанса порядка 4 киловольт, что не дает возможности использовать его для питания металлогалогенных, ксеноновых и натриевых ламп высокого давления.

Известно пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп, заявка на патент №2001129485/09 (031513) от 29.10.2001 г., которое взято за прототип. Устройство содержит источник постоянного тока, выход которого подключен через последовательно соединенные преобразователь постоянного напряжения в переменное импульсное напряжение (далее по тексту "преобразователь"), первый выпрямитель к входу инвертора, общий выход источника постоянного тока соединен с общими входами преобразователя, инвертора, первого и второго выпрямителей, вход которого подключен к другому выходу преобразователя, а выход подключен к входам дополнительного питания преобразователя и инвертора, выход которого через n последовательно соединенных ламп подключен к его инверсному выходу.

При включении источника постоянного тока его выходное напряжение поступает на вход питания преобразователя, на выходе которого появляются импульсы с частотой 20-50 кГц и с изменяемой амплитудой, которые выпрямляются в первом выпрямителе и с его выхода изменяемое постоянное напряжение поступает на вход питания инвертора. Одновременно импульсы постоянной амплитуды с другого выхода преобразователя поступают на вход второго выпрямителя, образуя на его выходе постоянное напряжение, служащее для питания цепей преобразователя и инвертора. При этом на выходах инвертора образуются два противофазных импульса частотой повторения 50-100 кГц, амплитуды которых равны между собой и пропорциональны постоянному выходному напряжению первого выпрямителя, а скважность импульсов равна двум (форма импульсов типа «меандр»).

Если лампы не горят, то потребляемая ими мощность близка к нулю. При этом преобразователь генерирует на своем выходе импульс с высокой амплитудой, величина которой ограничена внутренней цепью преобразователя на уровне 600 вольт. Поэтому на вход питания инвертора поступает постоянное напряжение 600 вольт. В результате чего на лампы поступает импульсное переменное напряжение с амплитудой, в n раз большей напряжения зажигания одной лампы (800 В). При этом лампы зажигаются, резко растет ток ламп и потребляемая мощность, а на лампы автоматически поступает переменное импульсное напряжение с амплитудой, в n раз большей напряжения горения ламп (120 В). В этом режиме на выходе преобразователя имеются импульсы, положительная амплитуда которых составляет 90 вольт. Яркость свечения ламп определяется потребляемой мощностью, величина которой регулируется в преобразователе путем ограничения амплитуды тока, запасаемой в первичной обмотке трансформатора преобразователя.

Недостатком такого устройства является невозможность его работы с натриевыми лампами высокого давления (типа ДНАТ), с металлогалогенными и ксеноновыми лампами, которые требуют для своего зажигания высокого, порядка 4 кВ, напряжения при значительной мощности в режиме горения порядка 500 Вт с напряжением горения 80 В. Это объясняется тем, что в режиме горения напряжение на входе питания инвертора падает с 600 В до Un=600·(80/400)=12 В. При этом потребляемый ток инвертора составит I=P/Un=500/12=41,7 А. Этот ток проходит через силовой транзистор инвертора, максимальное импульсное напряжение на котором в момент запуска составляет Umax=2·Un=2·600=1200 В. Лучшие из существующих полевых транзисторов с такими рабочими напряжениями и токами имеют сопротивление в открытом состоянии порядка R=0,3 Ом, при этом на транзисторе будет рассеиваться мощность P=1/2·I²·R=1/2·41,7 ²·0,5=430 Вт. Таким образом, практически вся заданная преобразователем мощность 500 Вт будет рассеиваться на силовом транзисторе инвертора, а лампы будут, фактически, погашены.

Заявляемое изобретение решает задачу создания более надежного и эффективного пускорегулирующего устройства, обеспечивающего экономичную эксплуатацию натриевых ламп высокого давления (ДНАТ), металлогалогенных и ксеноновых ламп с напряжением зажигания 4000 В, стабильную силу света ламп, высокий КПД, повышающего срок службы ламп, повышающего значение cos до величины, близкой к единице.

Для решения поставленной задачи в пускорегулирующее устройство для газоразрядных ламп высокого давления, содержащее источник постоянного тока, выход которого соединен через последовательно подключенные преобразователь постоянного напряжения в переменное импульсное напряжение (далее по тексту «преобразователь») и выпрямитель к входу инвертора, общий вход которого подключен к общим входам преобразователя и выпрямителя, а выход соединен через две последовательно подключенные лампы со своим инверсным выходом, отличающееся тем, что введены два датчика напряжения, датчик тока, второй инвертор, умножитель напряжения, ключ, конденсатор, две схемы задержки, схема «или» и схема «и-не», при этом общий выход источника постоянного тока подключен к общим входам двух датчиков напряжения, умножителя и через датчик тока к общим входам преобразователя и ключа, выход источника постоянного тока соединен с входом первого датчика напряжения и с входом второго инвертора, выход которого через умножитель подключен к входу второго датчика напряжения, к средней точке соединения двух ламп и к электроду конденсатора, другой электрод которого соединен с входом инвертора, выход первого датчика напряжения подключен к входу схемы «и-не» и к входу первой схемы задержки, инверсный выход которой соединен с входом схемы «или», другой вход которой подключен к выходу второго датчика напряжения, а выход соединен с входами сброса в ноль преобразователя и инвертора, с входом управления ключа и с входом второй схемы задержки, выход которой подключен к другому входу схемы «и-не», выход которой соединен с входом сброса в ноль второго инвертора, вход ключа подключен к выходу выпрямителя, а выход датчика тока соединен с входом управления преобразователя.

При этом в устройстве могут быть дополнительно исключены связи между выходом первого датчика напряжения и входами схемы «и-не» и первой схемы задержки, исключена связь между выходом датчика тока и входом управления преобразователя, а также введены два датчика температуры, три фотодатчика, контроллер, интерфейс, третий датчик напряжения, вход которого соединен с выходом выпрямителя, общий вход подключен к общему входу инвертора, а выход соединен с первым входом контроллера, второй вход которого соединен с выходом второго датчика напряжения, третий вход соединен с выходом датчика тока, четвертый вход соединен с выходом первого датчика напряжения, пятый вход соединен с выходом первого датчика температуры, шестой вход соединен с выходом второго датчика температуры, седьмой, восьмой и девятый входы соединены с выходами соответствующих трех фотодатчиков, вход управления соединен с выходом интерфейса, аналоговый выход подключен к входу управления преобразователя, а цифровой выход подключен к входу первой схемы задержки и к входу схемы «и-не».

Сущность изобретения поясняется чертежами, где фиг.1 - схема пускорегулирующего устройства; фиг.2 - временные диаграммы.

Как показано на фиг.1, устройство состоит из источника 1 постоянного тока, датчика 2 напряжения, инвертора 3, умножителя 4, преобразователя 5, выпрямителя 6, схемы 7 «или», схем 8, 9 задержки, схемы 10 «и-не», ключа 11, инвертора 12, ламп 13, 14, конденсатора 15, датчика 16 тока, датчиков 17, 18 напряжения, контроллера 19, интерфейса 20, фотодатчиков 21, 22, 23, датчиков 24, 25 температуры.

При этом выход источника 1 постоянного тока соединен со входами питания датчика 2 напряжения, инвертора 3, преобразователя 5, общий вход которого подключен к общим входам выпрямителя 6; ключа 11, инвертора 12 и через датчик 16 тока подключен к общему выходу источника 1 постоянного тока, к общим входам датчика 2 напряжения, инвертора 3, умножителя 4 и датчика 17 напряжения, выход датчика 2 напряжения соединен с входом схемы 10 «и-не» и через схему 8 задержки с входом схемы 7 «или», другой вход которой подключен к выходу датчика 17 напряжения, а выход соединен с управляющим входом ключа 11, с входами сброса в ноль инвертора 12 и преобразователя 5 и через схему 9 задержки подключен к другому входу схемы 10 «и-не», выход которой соединен с входом сброса в ноль инвертора 2, выход которого через умножитель 4 подключен к входу делителя 17 напряжения, к электродам ламп 13, 14 и конденсатора 15, другой электрод которого соединен с входами питания ключа 11 и инвертора 12 и с выходом выпрямителя 6, вход которого подключен к выходу преобразователя 5, у которого вход управления соединен с выходом датчика 16 тока, выход инвертора 12 подключен к другому электроду лампы 13, а инверсный выход инвертора 12 соединен с другим электродом лампы 14.

Работает устройство следующим образом. При включении источника 1 питания (фиг.1) на выходе датчика 2 напряжения появляется в момент времени Т1 напряжение U₂ (фиг.3). Это напряжение запускает схему 8 задержки, на выходе которой в течение времени Тв появляется логическая единица Uв. Этот сигнал образует на выходе схемы 7 «или» одну логическую единицу U₇, сбрасывающую в ноль ключ 11, инвертор 12 и преобразователь 5, которые исключаются из работы. Кроме того, напряжение U₇ через схему 9 задержки поступает на вход схемы 10 «и-не», на выходе которой образуется логический ноль U₁₀, разрешающий работу инвертору 2, который в свою очередь при наличии напряжения питания U₁ из источника 1 начинает генерировать на своем выходе переменные импульсы со скважностью 2 (меандр) и амплитудой, равной двойному напряжению питания 2U₁. Эти импульсы увеличиваются по величине в умножителе 4, выпрямляются и начинают заряжать конденсатор 15, образуя высоковольтное напряжение в виде экспоненты U₄. При достижении этим напряжением величины 2 кВ срабатывает датчик 17 напряжения (момент T₂) и на его выходе появляется логическая единица, поддерживающая логическую единицу на выходе схемы 7 «или».

Напряжение с конденсатора 15 подается на совместные электроды ламп 13 и 14 и при достижении напряжения зажигания порядка 4 кВ (момент Т₃) лампы пробиваются, разряжая конденсатор 15 до нуля. В этот момент срабатывает датчик 17 напряжения, образуя на выходе схемы 7 «или» логический ноль, который закрывает ключ 11 и запускает в работу преобразователь 5 и инвертор 12. При этом преобразователь 5 генерирует примерно на частоте 30 кГц импульсы, которые выпрямляются выпрямителем 6, образуя постоянное напряжение U₆, равное примерно 80 В, которое, в свою очередь, питает инвертор 12. Инвертор 12 образует на своих выходах переменные противофазные прямоугольные импульсы в виде меандра на частоте примерно 70 кГц, амплитуда которых относительно напряжения U₆ составляет 80 В. Эти импульсы поступают на лампы 13 и 14, общие электроды которых имеют напряжение, примерно равное напряжению U₆. Лампы должны загореться.

Если лампы не загорелись, то у них восстанавливается высокое внутреннее сопротивление и мощности умножителя 4 хватает начать вновь зарядку конденсатора 15. В момент Т₄ срабатывает датчик 17 напряжения, напряжение U₁₇ возрастает до логической единицы, которая появляется также на выходе схемы 7 «или», открывая ключ 11 и запрещая работу преобразователя 5 и инвертора 12. Ключ 11 при этом разряжает емкость в выпрямителе 6 до нуля, и устройство переходит в «нулевое» состояние. При возрастании напряжения U₄ до 4 кВ лампы 13 и 14 пробиваются снова. Пробой ламп происходит примерно 2-4 раза. После очередного пробоя лампы загораются (момент T₅). Низкоомное состояние ламп шунтирует выходное напряжение умножителя 4, которое становится близким к напряжению на выходе выпрямителя U₆=80 В.

После загорания ламп 13, 14 через время Т₉ срабатывает схема 9 задержки, на ее выходе появляется логический ноль, образуя на выходе схемы 10 «и-не» логическую единицу U ₁₀, отключающую инвертор 3, при этом умножитель 4 прекращает работать.

При включении источника 1 в момент Т₇ срабатывает делитель 2 напряжения, все цепи устройства обесточиваются, и устройство переходит в начальное состояние.

В режиме горения ламп на выходе преобразователя 5 образуются импульсы, амплитуда которых равна напряжению горения ламп. У новых ламп это напряжение примерно равно 80 В. По мере старения ламп это напряжение растет за счет возрастания внутреннего сопротивления ламп. Напряжение горения может достигать 300 В. При этом устройство продолжает успешно работать, образуя на выходе преобразователя 5 импульсы амплитудой 300 В. Яркость свечения ламп зависит от потребляемой лампами мощности. Эта мощность примерно равна потребляемой мощности всего устройства, которая определяется:

Рп=U ₁·I₁₆,

где I₁₆ - ток, протекающий через датчик 16 тока;

U₁ - напряжение на выходе источника 1.

При этом датчик 16 тока передает на управляющий вход преобразователя 5 напряжение, пропорциональное току I₁₆.

Данное напряжение сравнивается в преобразователе 5 с регулируемым опорным напряжением, устанавливая ток через датчик 16 тока, пропорциональный опорному напряжению. Поэтому регулировкой опорного напряжения в преобразователе 5 достигают регулирование силы света горящих ламп 13 и 14.

В применяемых в настоящее время пускорегулирующих устройствах для ламп типа ДНАТ, в которых одна лампа включена через дроссель в сеть переменного тока 220 В, старение ламп, сопровождающееся повышением внутреннего сопротивления, приводит к падению силы света ламп и далее к их периодическим выключениям. В заявляемом устройстве такие лампы продолжают стабильно гореть, т.к. в устройстве отдельно задается потребляемая лампами мощность и поддерживается напряжение, необходимое для их горения.

При выполнении источника 1 постоянного тока в виде выпрямителя сети переменного тока 220 В, 50 Гц стабильность входного напряжения по ГОСТу должна быть в пределах ±10%. Поэтому мощность, потребляемая устройством, а значит, и сила света ламп может колебаться в пределах ±10%.

Устройство может работать и с одной лампой в нагрузке (лампа 14 исключена). При этом необходимо, чтобы внутреннее сопротивление конденсатора 15 было на порядок меньше сопротивления горящей лампы. Для этого необходимо выполнить условие:

C15P _л/(U_г ²f₅)=500/(80 ²·60·10³)=1,3·10^-6 Ф=1,3 мкФ,

где U_г - напряжение горения лампы 13;

f₅ - частота импульсов на выходе инвертора 12;

Р_л - номинальная мощность лампы.

Необходимо отметить, что в моменты зажигания ламп 13 и 14 высоким напряжением (моменты Т₃, Т₅, фиг.2) силовые блоки устройства 5, 6 и 12 находятся либо в выключенном состоянии, либо при нулевом напряжении питания. При этом высоковольтная помеха, возникающая при пробое ламп 13 и 14, не выводит из строя указанные блоки, обеспечивая высокую надежность устройства в целом. Только после прохождения высоковольтной помехи блоки 5, 6 и 12 включаются в работу.

Применение в устройстве отдельной цепи для зажигания ламп, состоящей из инвертора 3 и умножителя 4, позволяет использовать в преобразователе 5 и инверторе 12 низковольтные силовые полевые транзисторы с максимальным напряжением порядка 400 В. Такие транзисторы имеют сопротивление в открытом состоянии на уровне менее 0,1 Ом. При этом ток, протекающий через силовой транзистор инвертора 12, составит:

I₁₂=P_л/U_б =500/80=6,25 A

Тогда на силовом транзисторе будет рассеиваться мощность:

P₁₂=0,5·I₁₂ ² ·R_t=0,5·6,25²·0,1=1,9 Вт

Такая малая, по сравнению с 500 Вт, мощность обеспечит высокий КПД устройству.