Схема включения люминесцентных ламп. Стартер, дроссель, ПРА люминесцентной лампы.

На рис. 1 показана самая простая и распространенная схема включения люминесцентных ламп — стартерно-дроссельная. Для ограничения тока через лампу на требуемом уровне используется дроссель 1. Параллельно лампе и последовательно с обоими ее электродами включен стартер 2. Стартер — это тоже газоразрядный прибор, который должен удовлетворять одному требованию: напряжение зажигания разряда в нем должно быть ниже напряжения сети, но выше напряжения горения лампы.

Рис. 1. Схема включения люминесцентных ламп

Один из контактов в стартере делается в виде дужки из биметаллической ленты, то есть из ленты, полученной путем жесткого соединения двух металлов с разными тепловыми коэффициентами расширения (рис. 2).






Рис. 2. Устройство стартера

При подаче напряжения на такую схему в стартере возникает разряд, и ток идет по цепи: дроссель — один электрод лампы — стартер — другой электрод лампы. Величина этого тока ограничена дросселем. Ток нагревает электроды лампы и стартера, биметаллический электрод стартера начинает распрямляться и в какой-то момент замыкается с другим электродом. После замыкания электроды стартера начинают остывать и через некоторое время размыкаются. В момент размыкания на дросселе образуется большой импульс напряжения. Электроды лампы к этому времени успевают нагреться до температуры, достаточной для эмиссии электронов из них. Если импульс напряжения на дросселе наложится на сетевое напряжение в нужный момент («совпадет по фазе»), то сумма напряжений сети и дросселя может оказаться больше напряжения зажигания лампы с прогретыми электродами, и лампа загорится. Так как вероятность этого достаточно мала, лампа почти никогда не загорается с первой попытки — всем хорошо известно мигание лампы при включении. Эти мигания неприятны и являются еще одним недостатком люминесцентных ламп. Стартер при миганиях создает заметные радиопомехи, поэтому параллельно ему включается помехоподавляющий конденсатор (конструктивно стартер и конденсатор объединены в одном корпусе).

Дроссель не только обеспечивает зажигание ламп, но и ограничивает ток через них в рабочем режиме. В дросселе теряется определенная мощность, не производя никакого положительного эффекта, то есть дроссель является как бы лишней нагрузкой — балластом. Величина балластной мощности зависит от качества дросселя и протекающего по нему тока. По уровню потерь мощности в странах Европейского Союза, США и Канаде дроссели делятся на три класса: D — с обычными, С — с пониженными, В — с особо низкими потерями. В лучших дросселях для ламп мощностью 36 (40) Вт теряется около 6 ватт (примерно 15 % мощности лампы); у маломощных ламп (4-11 Вт) потери мощности в дросселях могут быть равны мощности самих ламп. Поэтому световая отдача ламп в реальных светильниках всегда ниже той, которая указывается в документации для «голых» ламп.

Таблица 1






Дроссели создают еще один неприятный момент — сдвиг фаз между током и напряжением. Напряжение в электросетях имеет синусоидальную форму. Если в лампах накаливания ток всегда совпадает по фазе с напряжением и точно повторяет его форму (рис. 3), то в любом дросселе ток отстает от напряжения на какую-то долю периода, которая измеряется в градусах.



Рис. 3. Форма тока в лампах накаливания и люминесцентных лампах

Если полный период равен 360о, то «чистый» дроссель вызывает отставание тока от напряжения ровно на четверть периода или на 90о. В совокупности с лампой этот «сдвиг по фазе» всегда меньше 90о и зависит от качества самого дросселя. На этикетках дросселей во всех странах указывается не сам угол, на который ток отстает от напряжения при включении дросселя с лампой соответствующей мощности, а косинус этого угла — cos ф, называемый также «коэффициентом мощности». Наглядно пояснить смысл и значение cos ф можно следующим примером. Представим себе, что ток и напряжение — это пара лошадей, тянущих одну повозку. Если обе лошади тянут повозку в одну сторону, иначе говоря, между ними нет «сдвига по фазе», то эффект от этой пары будет наибольшим. Но если одна из лошадей вздумает изменить направление движения, то результат будет тем хуже, чем больше будет угол, под которым потянет взбрыкнувшая лошадь, то есть чем меньше будет косинус угла между направлениями тяги двух лошадей.

Если сдвига по фазе между током и напряжением нет, то мощность, потребляемая от сети, равна произведению тока на напряжение. Но если этот сдвиг есть, то мощность складывается из двух составляющих — активной и реактивной. Активная мощность — это та, которая производит полезную работу (в нашем случае — генерирует свет). Она будет определяться произведением уже трех величин — тока, напряжения и косинуса угла, на который ток отстает от напряжения:

Р = UI cos ф

Интересно отметить, что счетчики электроэнергии учитывают только активную мощность. Поэтому при любом сдвиге фаз мы будем платить только за потребляемую активную энергию (произведение активной мощности на время). Но токовая нагрузка на провода будет меняться при этом обратно пропорционально cos ф :

I = P / U cos ф

Кроме нагрузки на провода, низкое значение cos ф увеличивает нагрузку трансформаторных подстанций и, в конечном итоге, электростанций. Поэтому во всех странах для всех крупных потребителей электроэнергии величина cos ф жестко нормируется.
Чтобы увеличить cos ф, производится его компенсация. Для этого в светильниках с люминесцентными и другими разрядными лампами включается еще один элемент — компенсирующий конденсатор. Схемы включения такого конденсатора могут быть разными; все их варианты показаны на рис. 4. Чаще всего используется схема параллельной компенсации (а), позволяющая поднять значения cos ф до 0,85.






Рис. 4. Схемы компенсации коэффициента мощности

Следует назвать еще одно неприятное явление, связанное с дросселями, — все дроссели при работе на частоте 50 Гц создают гудящий звук той или иной интенсивности. По уровню производимого шума дроссели делятся на четыре класса: с нормальным, пониженным, очень низким и особо низким уровнем шума (в соответствии с ГОСТ 19680 они маркируются буквами Н, П, С и А).

В литературе дроссели часто называют «пускорегулирующими аппаратами» (ПРА). Это абсолютно неверное название, так как из сказанного выше ясно, что дроссель сам по себе не может обеспечить ни «пуск» ламп, ни их регулирование. Для зажигания ламп не
обходимо наличие не только дросселя, но и стартера, а регулирование светового потока — это очень сложная техническая проблема, которую удалось решить только в последние годы.
Так как одним из условий работы стартерно-дроссельной схемы включения люминесцентных ламп является то, что напряжение зажигания стартера должно быть выше, чем напряжение горения лампы, то после зажигания лампы стартер как бы выключается из работы, и ток через него не идет. Следовательно, не идет и ток прогрева электродов лампы, а для нагрева электродов и обеспечения достаточной эмиссии электронов из них хватает тока разряда нормально работающей лампы. Если же мы начнем регулировать световой поток лампы уменьшением тока разряда, то этого тока не хватит для разогрева электродов до нужной температуры, разряд делается неустойчивым, и лампа гаснет. Если мы хотим регулировать световой поток ламп, то необходимо каким-либо образом обеспечить нагрев электродов до требуемой температуры. Именно поэтому долгое время считалось, что люминесцентные лампы вообще не поддаются регулированию.

Многие недостатки люминесцентных ламп и дросселей устраняются при использовании электронных высокочастотных аппаратов включения.

В последние годы такие аппараты стали уже достаточно привычными: в странах Европейского Союза около половины всех светильников с люминесцентными лампами делается с электронными схемами включения (в Швеции и Австрии даже больше половины). К сожалению, в нашей стране такие аппараты используются еще недостаточно широко.
На рис. 5 изображена упрощенная блок-схема электронного аппарата включения ламп.



Рис. 5. Блок-схема электронного аппарата включения

Аппарат содержит два обязательных узла — выпрямитель сетевого напряжения 1 и преобразователь выпрямленного напряжения в высокочастотное переменное 2. Напряжение с выхода преобразователя через усилитель мощности 3 или без него подается на лампу 4, включенную, как и в стандартных стартерно-дроссельных схемах, через дроссель 5. Так как частота напряжения на выходе преобразователя высокая (20-40 кГц), то размеры и масса дросселя гораздо меньше, чем необходимые для работы ламп на частоте 50 Гц. Вместо стартера параллельно лампе обычно включается конденсатор 6. Дроссель 5 и конденсатор 6 образуют последовательный резонансный контур. Из физики известно, что при совпадении частоты резонанса цепочки из последовательно включенных дросселя и конденсатора с частотой подаваемого на нее напряжения суммарное со-противление такой цепочки равно нулю. Ток через нее и напряжение на каждом из элементов схемы увеличиваются до бесконечности. Реально в электронных аппаратах включения частота напряжения на выходе преобразователя 2 близка к резонансной частоте цепочки из дросселя 5 и конденсатора 6 (но никогда не равна ей!). Поэтому при включении аппарата через электроды лампы протекает ток, достаточный для их разогрева до необходимой температуры, а на конденсаторе 6 создается напряжение, необходимое для возникновения разряда в лампе с подогретыми электродами. После зажигания лампы напряжение на ней падает до напряжения горения, а частота напряжения преобразователя автоматически изменяется так, чтобы через лампу протекал ток заданной величины.




Кроме названных узлов, в большинстве современных аппаратов имеется еще блок управления 7. Он выполняет две функции: стабилизацию тока лампы при колебаниях сетевого напряжения и коррекцию коэффициента мощности. Коэффициент мощности, обычно обозначаемый греческой буквой λ, — это отношение мощности, потребляемой лампой вместе с аппаратом, к произведению тока и напряжения: λ = Р/U I. При синусоидальной форме тока и напряжения коэффициент мощности — это тот самый cos ф, о котором мы говорили при рассмотрении стартерно-дроссельной схемы включения. Но при питании ламп через электронные аппараты форма тока искажается (как говорят, «в токе появляются высшие гармоники») и коэффициент мощности уже не совпадает с cos ф. У лучших современных аппаратов коэффициент мощности близок к 1 (0,95 - 0,99). Функции исправления формы потребляемого тока («подавление высших гармоник») обычно выполняет входной фильтр в выпрямителе 1.
В некоторых аппаратах блок управления 7 выполняет еще одну функцию — обеспечивает регулирование светового потока ламп, чаще всего за счет изменения частоты напряжения преобразователя 2. Строго говоря, только такие аппараты и могут называться пускорегулирующими, так как только они обеспечивают и пуск ламп, и регулирование их светового потока.

Принципиальное отличие электронных схем включения люминесцентных ламп от стартерно-дроссельных заключается в том, что лампы в таких схемах питаются током высокой частоты, обычно 20 - 40 кГц, вместо 50 Гц. Высокочастотное питание ламп дает следующие положительные результаты:

1. Из-за особенностей высокочастотного разряда увеличивается световая отдача ламп. Это увеличение тем больше, чем короче лампа: у ламп мощностью 36 (40) Вт световая отдача возрастает примерно на 10 %, у ламп мощностью 18 (20) Вт — на 15 %, у ламп мощностью 4 Вт — на 40 %.
2. Глубина пульсаций светового потока с частотой 100 Гц уменьшается примерно до 5 %.
3. Исключаются звуковые помехи, создаваемые дросселями.
4. Исключается мигание ламп при включении.
5. Исключается необходимость компенсации cos ф.
6. За счет исключения миганий при включении и точного прогрева электродов повышается срок службы ламп (до полутора раз).
7. Появилась возможность регулирования светового потока ламп.
8. Электронные аппараты значительно легче, чем дроссели и компенсирующие конденсаторы.

Таким образом, электронные аппараты включения устраняют большинство недостатков люминесцентных ламп со стартерно-дроссельными схемами включения. Но эти аппараты имеют и свой недостаток, препятствующий их повсеместному внедрению: цена электронных аппаратов во много раз выше, чем дросселей, стартеров и компенсирующих конденсаторов, вместе взятых. Но, тем не менее, как уже было сказано, в странах Европейского Союза доля светильников с электронными аппаратами приближается к 50 % всех светильников с люминесцентными лампами.

Необходимо отметить, что люминесцентные лампы нового поколения в колбах диаметром 16 мм принципиально могут работать только с электронными аппаратами. Это обстоятельство дает дополнительные преимущества светильникам с такими лампами.

Поиск компромисса между очевидными преимуществами люминесцентных ламп перед лампами накаливания и консерватизмом наших привычек привел в начале 80-х годов минувшего века к появлению таких люминесцентных ламп, которые могли бы вкручиваться в обыкновенные патроны как лампы накаливания. Дроссель и стартер в таких лампах размещались в специальном «адаптере» с цоколем Е27, а колба лампы многократно изгибалась для максимального уменьшения габаритов и покрывалась сверху декоративным колпаком, обеспечивающим также и защиту ламп от поломок при установке в патрон. Такие лампы мощностью 13 и 18 Вт выпускались крупнейшими фирмами Osram и Philips, а позже и другими, но широкого распространения не получили: масса их была около 400 граммов, что практически исключало возможность их применения в настольных, настенных и подвесных многоламповых светильниках.

Положение коренным образом изменилось с появлением электронных аппаратов включения и компактных люминесцентных ламп. Массу и габариты ламп удалось уменьшить настолько, что люминесцентные лампы с электронными аппаратами и резьбовыми цоколя-

ми Е27 и Е14 стали вполне конкурентоспособными изделиями. Сейчас в мире ежегодно выпускается более 300 миллионов таких ламп, и производство их непрерывно растет, особенно в Китае и странах Юго- Восточной Азии. Постоянно расширяется и номенклатура таких ламп. Диапазон мощностей современных компактных люминесцентных ламп, объединенных («интегрированных») с электронными аппаратами и оснащенных цоколями Е27 или Е14, — от 3 до 120 Вт; лампы выпускаются с различной цветностью излучения, разной конфигурации, с декоративными внешними колбами, с отражателями и другие (рис. 6).



Рис. 6. Формы компактных люминесцентных ламп