устройство для питания газоразрядных ламп

Формула изобретения

Устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее источник постоянного тока, накопительный конденсатор, газоразрядную лампу, первый и второй электронные ключи, первое и второе коммутирующие устройства, первую и вторую схемы управления соответственно первым и вторым коммутирующими устройствами, генератор прямоугольных импульсов, импульсный трансформатор, включающий первичную, вторичную и рекуперирующую обмотки, рекуперирующие диоды, соединенные с рекуперирующей обмоткой импульсного трансформатора, дополнительный источник постоянного тока и дополнительный накопительный конденсатор, при этом первый выход источника постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора, первые выводы первого и второго электронных ключей, первый выход генератора прямоугольных импульсов, первые выходы дополнительного источника постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора соединены с общей земляной шиной, второй выход источника постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, газоразрядная лампа подключена параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора, первичная обмотка импульсного трансформатора соединена со вторыми выходами электронных ключей, вторые выходы дополнительного источника постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора соединены между собой и с первыми входами генератора прямоугольных импульсов, электронных ключей и схем управления коммутирующими устройствами, выходы которых соединены со входами коммутирующих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами электронных ключей, отличающееся тем, что каждая из обмоток импульсного трансформатора разделена на две части, части каждой обмотки соединены между собой электрически, причем эти части экранированы друг от друга, рекуперирующие диоды образуют пару и включены встречно относительно друг друга, начало одной части первичной обмотки соединено с концом другой ее части и с точкой соединения между собой электродов рекуперирующих диодов, противоположные электроды которых подключены к свободным концам рекуперирующей обмотки, конец одной части которой соединен с началом ее другой части и с общей земляной шиной, части вторичной обмотки соединены между собой концами, а к газоразрядной лампе подключены начала частей вторичной обмотки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может служить для питания газоразрядных ламп, например осветительных люминесцентных ламп.

Известно устройство для питания газоразрядной лампы, содержащее газоразрядную лампу, источник постоянного тока, питающийся от сети переменного тока, конденсатор фильтра, электронный ключ, генератор прямоугольных импульсов, импульсный повышающий трансформатор (автотрансформатор), подключенный первичной обмоткой к выходу блока поджига, буферный диод, включенный параллельно лампе и вторичной обмотке импульсного трансформатора, стабилитрон, включенный параллельно электронному ключу, замыкающий контакт реле тока, катушка которого включена в цепь тока разряда между выходом источника постоянного тока и анодом газоразрядной лампы, а.с. СССР 839081.

Недостатками этого устройства являются возможность питания газоразрядной лампы импульсами только одной полярности, что сокращает срок службы газоразрядной лампы; наличие реле постоянного тока, т.е. механического переключателя схемы устройства для питания газоразрядной лампы, что снижает надежность устройства.

Известно устройство, содержащее источник постоянного тока, накопительный конденсатор, первый электронный ключ, первый импульсный трансформатор, газоразрядную лампу и генератор прямоугольных импульсов, соединенный первым выходом с управляющим входом первого электронного ключа, причем первый вывод источника постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора, первый вывод первого электронного ключа и генератор прямоугольных импульсов имеют общую земляную шину; кроме того, второй вывод первого электронного ключа соединен с первым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора; также имеются второй электронный ключ, второй импульсный трансформатор, первое и второе коммутирующие устройства и соответственно две схемы управления первым и вторым коммутирующими устройствами, причем второй вывод источника постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, а также со вторым выводом первичной обмотки первого импульсного трансформатора и первым выводом первичной обмотки второго импульсного трансформатора, второй вывод которой соединен с первым выводом второго электронного ключа, а второй вывод второго электронного ключа соединен с первым выводом газоразрядной лампы и с общей земляной шиной; второй выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющим входом второго электронного ключа; первые выводы вторичных обмоток импульсных трансформаторов соединены с общей земляной шиной, причем в одном из них этот вывод должен быть началом обмотки, а в другом трансформаторе - концом обмотки; вторые выводы вторичных обмоток первого и второго импульсных трансформаторов соединены с первыми выводами соответственно первого и второго коммутирующих устройств, а вторые выводы первого и второго коммутирующих устройств соединены между собой и со вторым выводом газоразрядной лампы; третьи обмотки первого и второго импульсных трансформаторов соединены через схемы управления первым и вторым коммутирующими устройствами с управляющими входами соответственно первого и второго коммутирующих устройств, RU 2090017.

Недостатком его является нестабильность работы в условиях практически всегда существующих колебаний напряжения в сети. Это объясняется тем, что в импульсных трансформаторах, использованных в устройстве, коэффициент связи между обмотками I, II, III равен 1. Кроме того, имеется гальваническая связь газоразрядной лампы с общей земляной шиной. Таким образом, даже при незначительных колебаниях напряжения в сети резко падает амплитуда выходных импульсов обмотки II, что приводит к катафорезному затемнению газоразрядной лампы (мерцанию или выключению).

Кроме того, серьезным недостатком устройства является реальная возможность поражения электрическим током при обслуживании светильника, что также обусловлено гальванической связью газоразрядной лампы с общей земляной шиной.

Следует отметить, что изменение импеданса между обмотками I, II, III импульсных трансформаторов вследствие изменения частоты импульсов, подаваемых на газоразрядную лампу, которое обусловлено изменением напряжения питающей среды или разбросом мощностных параметров газоразрядных ламп (несоответствие фактической мощности лампы номинальной), ведет к разбалансированию работы устройства. Это проявляется в виде перемежающихся темных и светлых пятен в лампе, что делает ее использование практически невозможным, так как хаотическое мерцание весьма вредно для зрения и противоречит существующим санитарным нормам.

Известно устройство для питания газоразрядных ламп, содержащее источник постоянного тока, накопительный конденсатор, газоразрядную лампу, первый и второй электронные ключи, первое и второе коммутирующие устройства, первую и вторую схемы управления соответственно первым и вторым коммутирующими устройствами, генератор прямоугольных импульсов, импульсный трансформатор, включающий первичную и вторичную обмотки, при этом первый выход источника постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора, первые выводы первого и второго электронных ключей и первый выход генератора прямоугольных импульсов соединены с общей земляной шиной, второй выход источника постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, снабженное дополнительным источником постоянного тока и дополнительным накопительным конденсатором, а импульсный трансформатор дополнительно снабжен рекуперирующей обмоткой и рекуперирующим диодным мостом, при этом газоразрядная лампа подключена параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора, рекуперирующая обмотка которого включена в диагональ рекуперирующего диодного моста, выход которого соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, основание рекуперирующего диодного моста соединено с земляной шиной, первичная обмотка импульсного трансформатора соединена со вторыми выходами электронных ключей и имеет вывод от средней точки, который соединен с выходом рекуперирующего диодного моста, первые выходы дополнительного источника постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора соединены с общей земляной шиной, а их вторые выходы соединены между собой и с первыми входами генератора прямоугольных импульсов, электронных ключей и схем управления коммутирующими устройствами, выходы которых соединены с входами коммутирующих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами электронных ключей, RU 2225085.

Данное техническое решение принято за прототип настоящего изобретения.

Это устройство обеспечивает повышение стабильности работы устройства в условиях колебаний напряжения в сети, устранение хаотического мерцания газоразрядной лампы, а также повышает безопасность ее обслуживания.

Однако при повышении величины коэффициента использования мощности (К_р) появляются сквозные токи, обусловленные тем, что электронные ключи некоторое, весьма краткое, время находятся в открытом состоянии одновременно. При этом полярности наведенных э.д.с. секций первичной обмотки противоположны, что может повлечь за собой лавиннообразное нарастание токов в первичной обмотке и даже привести к выходу электронных ключей из строя.

В основу настоящего изобретения положено решение задачи повышения надежности устройства при повышении коэффициента использования мощности устройства.

Согласно изобретению в устройстве для питания газоразрядных ламп, содержащем источник постоянного тока, накопительный конденсатор, газоразрядную лампу, первый и второй электронные ключи, первое и второе коммутирующие устройства, первую и вторую схемы управления соответственно первым и вторым коммутирующими устройствами, генератор прямоугольных импульсов, импульсный трансформатор, включающий первичную, вторичную и рекуперирующую обмотки, рекуперирующие диоды, соединенные с рекуперирующей обмоткой импульсного трансформатора, дополнительный источник постоянного тока и дополнительный накопительный конденсатор, при этом первый выход источника постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора, первые выводы первого и второго электронных ключей, первый выход генератора прямоугольных импульсов, первые выходы дополнительного источника постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора соединены с общей земляной шиной, второй выход источника постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора, газоразрядная лампа подключена параллельно вторичной обмотке импульсного трансформатора, первичная обмотка импульсного трансформатора соединена со вторыми выходами электронных ключей, вторые выходы дополнительного источника постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора соединены между собой и с первыми входами генератора прямоугольных импульсов, электронных ключей и схем управления коммутирующими устройствами, выходы которых соединены со входами коммутирующих устройств, выходы которых соединены со вторыми входами электронных ключей, каждая из обмоток импульсного трансформатора разделена на две части, части каждой обмотки соединены между собой электрически, причем эти части экранированы друг от друга, рекуперирующие диоды образуют пару и включены встречно относительно друг друга, начало одной части первичной обмотки соединено с концом другой ее части и с точкой соединения между собой электродов рекуперирующих диодов, противоположные электроды которых подключены к свободным концам рекуперирующей обмотки, конец одной части которой соединен с началом ее другой части и с общей земляной шиной, части вторичной обмотки соединены между собой концами, а к газоразрядной лампе подключены начала частей вторичной обмотки.

Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, идентичных настоящему изобретению, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "новизна".

Реализация отличительных признаков изобретения обусловливает принципиально новые свойства устройства для питания газоразрядной лампы: исключается взаимная индукция секций каждой обмотки, при этом э.д.с. секций вторичной и рекуперирующей обмоток либо складываются, либо вычитаются. Благодаря этому при К_р100% сквозные токи не возникают, что гарантирует сохранность электронных ключей.

Заявителем не обнаружены какие-либо источники информации, содержащие сведения о влиянии заявленных отличительных признаков на достигаемый вследствие их реализации технический результат. Это, по мнению заявителя, свидетельствует о соответствии данного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображена принципиальная схема.

Устройство содержит источник постоянного тока 1. В конкретном примере оно состоит из входного фильтра ПФП-1, устраняющего взаимопроникновение как сетевых помех в устройство, так и помех, возникающих во время работы устройства в сети питающего напряжения, а также мостового выпрямителя на базе диодов HFA640. Накопительный конденсатор 2 в данном примере состоит из электролитического конденсатора типа К50-35 емкостью 200,0×400, параллельно которому включен металлопленочный конденсатор емкостью 0,01×600, тип К73-01; газоразрядная лампа 3 представляет собой электролюминесцентную лампу типа ЛБ 20, ЛБ 40, ЛДЦ 20 и т.д. Первый электронный ключ 4 и второй электронный ключ 5 представляют собой полевые транзисторы типа IRFBC40GC с электронной обвязкой в виде конденсаторов-снабберов емкостью 2200 пФ, 1600 В, тип К 73-9. Первое 6 и второе 7 коммутирующие устройства представляют собой каскадно соединенные полевые транзисторы марки IRFD9024 и IRFD024. Первая 8 и вторая 9 схемы управления соответственно первым и вторым коммутирующими устройствами представляют собой одновибраторы на базе высокочастотных таймеров TS555D. Генератор 10 прямоугольных импульсов представляет собой высокостабилизированный автогенератор последовательности базовых управляющих импульсов, по фронту и спаду которых формируются выходные импульсы первой 8 и второй 9 схем управления. Генератор 10 выполнен на базе микросхем TS555CD. Импульсный трансформатор 11 представляет собой высокочастотный трансформатор с ферритовым железомарганцевым сердечником марки 2500 НМС-1, первичной обмоткой 12 и вторичной обмоткой 13. Первичная обмотка 12 является силовой, вторичная обмотка 13 является выходной обмоткой импульсного трансформатора 11. Дополнительный источник 14 постоянного тока состоит из помехоподавляющего фильтра ПФП 1 и выпрямителя на базе диодного модуля DF08S. Дополнительный накопительный конденсатор 15 состоит из электролитического конденсатора К 50-35, 50,0×400 и параллельного ему керамического конденсатора емкостью 0,01 мкФ, 600 В, тип COG. Импульсный трансформатор 11 снабжен также рекуперирующей обмоткой 16 и рекуперирующими диодами 17 и 18. Рекуперирующая обмотка 16 ограничивает потенциальные всплески на стоках силовых полевых транзисторов электронных ключей; в конкретном примере использованы рекуперирующие диоды 17 и 18 типа HFA640; коэффициент связи между тремя обмотками трансформатора 11 меньше единицы во всем диапазоне рабочих токов, что полностью исключает возможность выхода сердечника трансформатора в состояние насыщения даже в режиме короткого замыкания вторичной обмотки, что в свою очередь позволяет первому и второму электронному ключам всегда оставаться в зоне безопасной работы.

Первый выход источника 1 постоянного тока, первый вывод накопительного конденсатора 2, первые выводы первого 4 и второго 5 электронных ключей и первый выход генератора 10 прямоугольных импульсов, первые выходы дополнительного источника 14 постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора 15 соединены с общей земляной шиной, второй выход источника 1 постоянного тока соединен со вторым выводом накопительного конденсатора 2. Газоразрядная лампа 3 подключена параллельно вторичной обмотке 13 импульсного трансформатора 11. Первичная обмотка 12 импульсного трансформатора 11 соединена со вторыми выходами электронных ключей 4, 5; вторые выходы источника 14 постоянного тока и дополнительного накопительного конденсатора 15 соединены между собой и с первыми входами генератора 10 прямоугольных импульсов, электронных ключей 4, 5 и схем 8, 9 управления коммутирующими устройствами, выходы которых соединены со входами коммутирующих устройств 6, 7, выходы которых соединены со вторыми входами электронных ключей 4 и 5.

Каждая из обмоток импульсного трансформатора 11 разделена на две части, при этом части каждой обмотки соединены между собой электрически и экранированы друг от друга посредством экранов 19 и 20. Вследствие этого секции обмоток не связаны общим магнитным потоком. Это позволяет при наложении импульсов, управляющих электронными ключами 4, 5, исключить возникновение «сквозных» токов в секциях первичной обмотки 12. Рекуперирующие диоды 17 и 18 образуют пару и включены встречно относительно друг друга. Начало одной части первичной обмотки (закрытой экраном 19) соединено с концом другой ее части (закрытой экраном 20) и с точкой соединения между собой одноименных электродов рекуперирующих диодов 17 и 18, противоположные электроды которых подключены к свободным концам рекуперирующей обмотки 16, конец одной части которой (закрытой экраном 19) соединен с началом другой ее части (закрытой экраном 20) и с общей земляной шиной. Части вторичной обмотки 13 соединены между собой концами, а к газоразрядной лампе 3 подключены начала частей вторичной обмотки 13.

Устройство работает следующим образом. Выпрямленное сетевое напряжение от источника 1 постоянного тока поступает на накопительный конденсатор 2, где происходит сглаживание пульсаций как низкочастотных, так и высокочастотных составляющих питающего напряжения. Сглаженное напряжение подается на выход рекуперирующих диодов 17, 18 и на среднюю точку первичной обмотки 12 импульсного трансформатора 11. Дополнительный источник 14 постоянного тока обеспечивает выпрямление и понижение сетевого напряжения для питания схем 8, 9 управления коммутирующими устройствами 6 и 7, а также генератора 10 прямоугольных импульсов. Дополнительный накопительный конденсатор 15 при этом обеспечивает за счет фильтрации высокочастотных составляющих питающего напряжения исключение интермодуляционных искажений сигналов управления электронными ключами 4 и 5.

После прекращения переходных процессов, вызванных включением устройства, начинает работать генератор 10 прямоугольных импульсов. По фронту и спаду каждого прямоугольного импульса (с выходов 2 и 3 генератора) на вторые входы схем 8 и 9 управления подаются синфазно сдвинутые относительно друг друга последовательности импульсов, при этом наложение импульсов отсутствует. Это исключает одновременное срабатывание коммутирующих устройств 6 и 7 и соответственно электронных ключей 4 и 5 в рабочем режиме. При попеременном срабатывании ключей 4 и 5 в первичной обмотке 12 импульсного трансформатора 11 наводится переменное магнитное поле заданной частоты. Это обусловливает необходимую и достаточную энергию фотонов, возникающих в газоразрядной лампе. Частота переменного магнитного поля задается исходя из условия создания оптимального спектра свечения лампы. В режиме холостого хода происходит нейтрализация перенапряжения электронных ключей 4 и 5 за счет одновременного срабатывания рекуперирующей обмотки 16 импульсного трансформатора 11 и рекуперирующих диодов 17, 18. При этом происходит возврат избыточной энергии из трансформатора 11 в накопительный конденсатор 2. В режиме короткого замыкания, когда токи в первичной обмотке 12 могут превысить предельно допустимые для электронных ключей значения, трансформатор 11 обеспечивает опережающий рост индуктивного сопротивления обмотки 12 по отношению к интенсивности увеличения тока электронных ключей 4 и 5. В силу этого как в рабочем, так и в аварийном режимах токи ключей 4 и 5 не превышают допустимых значений. В рабочем режиме это позволяет при неизменной заданной частоте переменного магнитного поля обеспечить стабильное питание газоразрядной лампы в широком диапазоне колебаний входного питающего напряжения (от 36 до 270 В). Зажигание лампы происходит за счет коротких потенциальных всплесков напряжения на вторичной обмотке 13 трансформатора 11, достаточных для ионизации рабочей среды газоразрядной лампы 3. Указанное выше обеспечивает стабильность работы устройства, исключение хаотического мерцания и катафорезного затемнения газоразрядных ламп различной мощности. Кроме того, поскольку газоразрядная лампа 3 гальванически не связана с питающими напряжениями, обеспечивается безопасность ее обслуживания.

В случае наложения импульсов, управляющих электронными ключами 4, 5, что может иметь место при стремлении повысить коэффициент использования мощности (К_р), сквозные токи не появляются, так как, благодаря реализации отличительных признаков изобретения, во время наложения коммутирующих импульсов во вторичной обмотке отсутствует э.д.с.; следовательно, отсутствует размагничивающий ток и, благодаря отсутствию общего магнитного потока в магнитопроводах секций обмоток, исключается алгебраическое вычитание э.д.с. самоиндукции в секциях первичной обмотки. Таким образом, исключается лавиннообразное нарастание токов в первичной обмотке, благодаря чему пауза между импульсами, управляющими электронными ключами 4, 5, сводится, практически, к нулю.

В результате становится возможным повышение коэффициента использования мощности устройства, практически, до 99,9% без повреждения электронных ключей 4, 5 и связанных с ними других элементов устройства.

Для реализации устройства использована известная элементная база и обычное несложное промышленное оборудование, что обусловливает соответствие изобретения критерию "промышленная применимость".