Мои Телевизоры

Поговорим о школе

Шумер против Египта

Бороды, наколки, качки

Обратно в мавзолей



О системах питания ламп дневного света

22.12.2013 г.

Я уже не  раз говорил что множество вещей которые нас окружают могли бы быть реализованы гораздо раньше, но почему-то вошли в наш быт совсем недавно. Все мы сталкивались с  люминесцентными лампами – такими белыми трубками с двумя штырьками на торцах. Помните, как они раньше включались? Вы нажимаете клавишу, лампа начинает промаргивать и наконец, входит в свой обычный режим.  Это реально раздражало, поэтому дома подобные штуковины не ставили.  Ставили в общественных местах, на производстве, в офисах, в цехах заводов —   они действительно экономичные по сравнению с обычными лампами накаливания.  Вот только моргали они с частотой 100 раз в секунду и многие это моргание замечали, что раздражало еще больше. Ну и еще для запуска к каждой лампе полагался пускорегулирующий дроссель, такая себе, железячка с массой под килограмм. Если он был собран недостаточно качественно, то довольно мерзко жужжал, тоже с частотой 100 герц. А если в помещении где вы работаете таких ламп десятки? Или сотни?  И все эти десятки синфазно включаются-выключаются 100 раз в секунду и дросселя жужжат, пусть и не все. Неужели это никак не воздействовало?

Но, в наше время можно сказать, что эпоха жужжащих дросселей и моргающих (как при старте, так и при работе) ламп закончилась. Сейчас они включаются сразу и для человеческого глаза их работа выглядит совершенно статичной. Причина – вместо тяжелых дросселей  и периодически залипающих стартеров в оборот вошли ЭПРА – электронные пускорегулирующие аппараты. Маленькие и легкие. Однако при одном лишь взгляда на их электрическую схему, возникает вопрос: а что мешало наладить их массовый выпуск еще в конце 70-начале 80х годов? Ведь вся элементная база была уже тогда. Собственно, кроме двух высоковольтных транзисторов там задействованы самые простые детали, буквально копеечной стоимости, которые были и в 40-е годы. Ну ладно СССР, тут производство слабо реагировало на технический прогресс (например, ламповые телеки были сняты с производства только в конце 80-х годов), но на Западе?

Итак, по порядку…

Стандартная схема включения люминесцентной лампы была, как и практически всё в ХХ веке,  придумана американцами накануне Второй Мировой войны и включала в себя кроме лампы, уже упоминаемые нами дроссель и стартер. Да, еще параллельно сети вешали конденсатор для компенсации фазового сдвига вносимого дросселем или выражаясь еще более простым языком, для коррекции коэффициента мощности.

Дросселя и стартеры

 dro
 starter_1

Принцип работы всей системы довольно хитрый.  В момент замыкания кнопки включения по цепи сеть-кнопка-дроссель-первая спирать-стартер-вторая спираль-сеть начинает течь слабый ток – примерно 40-50 мА. Слабый потому, что в начальный момент сопротивление промежутка между контактами стартера достаточно велико. Однако этот слабый ток вызывает ионизацию газа между контактами и начинает резко возрастать. От этого электроды стартера разогреваются, а поскольку один из них биметаллический, то есть состоит из двух металлов с разной зависимостью изменений геометрических параметров от температуры (разным коэффициентом теплового расширения — КТР)  то при нагреве пластина из биметалла изгибается в сторону металла с меньшим КТР и замыкается с другим электродом.  Ток в цепи резко возрастает (до 500-600 мА), но всё же его скорость  роста и конечная величина  ограничены индуктивностью дросселя, собственно индуктивность – это и есть свойство препятствовать мгновенному индуктивность тока.  Поэтому дроссель в данной схеме официально называется  «аппарат пускорегулирующий».  Этот  большой ток разогревает спирали лампы которые начинают излучать электроны и подогревать газовую смесь внутри баллона. Сама лампа наполнена аргоном и парами ртути – это важное условие возникновения стабильного разряда. Само собой, что при замыкании контактов в стартере прекращается разряд в нем. Весь описанный процесс на самом деле занимает доли секунды.

 Fluorescent_lamp-function

Теперь начинается самое интересное. Остывшие контакты стартера размыкаются. Но в дросселе уже запасена энергия равная половина произведения его индуктивности на квадрат тока.  Она не может мгновенно исчезнуть (см. выше про индуктивность), а потому  вызывает появление в дросселе ЭДС самоиндукции (проще говоря – импульса напряжения примерно в 800-1000 вольт для 36-ваттной ламы в 120 см. длиной). Складываясь с амплитудным  сетевым напряжением (310 В), оно создает на электродах лампы напряжение достаточное для пробоя – то есть для возникновения разряда.  Разряд в лампе создает ультрафиолетовое свечение паров ртути, а оно в свою очередь воздействует на люминофор и заставляет его светиться в видимом спектре. При этом еще раз напомним, дроссель, имея индуктивное  сопротивление,  препятствует неограниченному возрастанию тока в лампе, что привело бы к ее разрушению или срабатыванию защитного автомата  в вашем жилище или другом месте где эксплуатируются подобные лампы.  Заметим, что лампа не всегда зажигается с первого раза, иногда нужно несколько попыток чтобы она вошла в устойчивый режим свечения, то есть те процессы которые мы описали, повторяются 4-5-6 раз.  Что, действительно, довольно неприятно. После того как лампа вошла в режим свечения ее сопротивление становится значительно меньшим чем сопротивление стартера поэтому его можно вытащить, лампа при этом будет продолжать светиться.  Ну и еще, если вы разберете стартер, то увидите что параллельно его выводам подключен конденсатор. Он нужен для ослабление радиопомех создаваемых контактом.

Итак, если совсем кратко и без углубления в теорию, скажем, что включается люминесцентная лампа большим напряжением, а удерживается в светящемся состоянии значительно меньшим (например включается при 900 вольтах, светится при 150). То есть любое устройство включения люминесцентной лампы – это устройство создающее большое напряжение включения на ее концах, а после зажигания лампы уменьшающее его до определенной рабочей величины.

Эта американская схема включения была фактически единственной и только лет 10 назад ее монополия стала стремительно рушиться – на рынок массово вошли Электронные пускорегулирующие аппараты (ЭПРА).  Они позволили не просто заменить тяжелые жужжащие дроссели, обеспечить мгновенное включение лампы, но и ввести массу других полезных вещей таких как:

— мягкий пуск ламы – предварительный прогрев спиралей что резко увеличивает срок эксплуатации лампы

—  преодоление мерцания (частота питания лампы значительно выше 50 Гц)

— Широкий диапазон входного напряжения 100…250 В;

— понижение энергопотребления (до 30%) при неизменном световом потоке;

— увеличение среднего срока службы ламп (на 50%);

— защиту от скачков напряжения;

— обеспечить отсутствие электромагнитных помех;

— отсутствие бросков коммутационных токов (важно, когда одновременно включается много ламп)

— автоматическое отключением дефектных ламп (это важно, устройства часто бояться работы на холостом ходу)

— КПД качественного ЭПРА — до 97%

— регулирование яркости ламп

Но! Все эти вкусняшки реализованы только в дорогих ЭПРАх.  И вообще, не  всё так безоблачно. Точнее – может быть всё и было бы безоблачно, если бы схемы ЭПРов сделать по-настоящему надежными. Ведь представляется очевидным, что электронный балласт (ЭПРА) должен быть во всяком случае не менее надежным чем дроссель, особенно если он стоит в 2-3 раза дороже. В «бывшей» схеме состоящей из дросселя, стартера и самой лампы как раз именно дроссель (пускорегулирующий элемент)  был самым надежным и, в общем, при качественной сборке мог работать практически вечно.  Советские дросселя 60-х годов работают до сих пор, они большие и намотаны довольно толстым проводом. Аналогичные по параметрам импортные дроссели даже таких известных фирм как «Philips» работают не столь надежно. Почему? Вызывает подозрение очень тонкий провод которым они намотаны. Ну и сам сердечник значительно меньше по объему чем у первых советских дросселей, оттого эти дросселя очень сильно нагреваются, что, наверное, тоже влияет на надежность.

Да, так вот,  как мне представляется, ЭПРА, во всяком случае дешевые – то есть стоимостью до 5-7 долларов за штуку (что выше чем у дросселя), сделаны заведомо ненадежными. Нет, они могут работать годами и может даже будут работать вечно, но тут как в лотерее – вероятность проигрыша куда выше чем выигрыша.  Дорогие ЭПРА сделаны условно-надежными.  Почему «условно» мы расскажем чуть позже. Начнем же свой маленький обзор с дешевых. Как по мне, так они составляют 95% покупаемых балластов. А может и почти 100%.

Рассмотрим несколько таких схем. Кстати, все «дешевые» схемы практически одинаковы по конструкции, хотя есть нюансы.

 bal5

 

Дешевые электронные балласты (ЭПРА).  95% продаж.

Подобного типа балласты стоимостью в 3-5-7 долларов просто включают лампу. В этом состоит их единственная функция. Никаких других полезных наворотов не имеют.  Я срисовал пару схем чтобы объяснить как работает это новомодное чудо, хотя как мы говорили выше, принцип работы такой же как и в «классическом» дроссельном варианте — зажигаем большим напряжением, удерживаем малым. Вот только реализован он по-другому.

 sh41

 Все схемы электронных балластов (ЭПРА) которые я держал в руках – и дешевые и дорогие —  представляли собой полумост – различались только варианты управления и «обвязка». Итак, переменное напряжение 220 вольт выпрямляестя диодным мостом VD4-VD7 и сглаживается конденсатором C1.  Во входных фильтрах дешевых электронных балластов, из-за экономии цены и места, используются конденсаторы небольшой ёмкости, от которых зависит величина пульсаций напряжения с частотой 100 Гц, притом, что расчет примерно таков: 1 ватт лампы – 1 мкФ емкости фильтра. В этой схеме 5,6 мкФ на 18 ватт, то есть явно меньше чем надо. Оттого (хотя и не только поэтому), кстати, лампа светится визуально тусклее чем от дорогого  балласта на ту же мощность.

Дальше через высоокоомный резистор R1 (1,6 МОм) начинает заряжаться конденсатор С4. Когда напряжение на нем превысит порог срабатывания двунаправленного динистора СD1 (примерно 30 вольт), он пробивается и на базе транзистора T2 появляется импульс напряжения. Открытие транзистора дает старт работе полумостового автогенератора образованного транзисторами Т1 и T2 и трансформатором TR1 c  управляющими обмотками включенными противофазно. Обычно эти обмотки содержат по 2 витка, а выходная обмотка 8-10 витков провода.

Диоды VD2-VD3 гасят отрицательные выбросы возникающие на обмотках управляющего трансформатора.

Итак, генератор запускается на частоте близкой к резонансной частоте последовательного контура образованного конденсаторами С2, С3 и дросселем С1. Эта частота может быть равна 45-50 кГц, во всяком случае более точно у меня ее измерить не получилось, не было под рукой запоминающего осцилографа. Обратим внимание, что емкость конденсатора С3 включенного между электродами лампы примерно в 8 раз меньше чем емкость конденсатора С2, следовательно, скачек напряжения на нем во столько же раз выше (так как в 8 раз больше емкостное сопротивление – чем выше частота, тем больше емкостное сопротивление на меньшей емкости). Вот почему напряжение такого конденсатора всегда выбирается не менее 1000 вольт. Одновременно по этой же цепи идет и ток, разогревающий электроды. Когда напряжение на конденсаторе С3 достигнет определенной величины, происходит пробой и лампа зажигается. После зажигания ее сопротивление становится значительно меньшим сопротивления конденсатора С3 и он на дальнейшую работу никакого влияния не оказывает. Частота генератора также понижается. Дроссель L1  как и в случае с «классическим» дросселем теперь выполняет функцию ограничения тока, но поскольку лампа работает на высокой частоте (25-30 кГц), то размеры его во много раз меньше.

Внешний вид балласта. Видно, что в плату не впаяны некоторые элементы. Например там, куда я после ремонта впаял токоограничительный резистор, стоит проволочная перемычка.

 OLYMPUS DIGITAL CAMERA

После терапии

 OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Еще одно изделие. Неизвестного производителя. Здесь не пожертвовали 2 диода чтобы сделать «искусственный ноль».

 ballast1

 

 OLYMPUS DIGITAL CAMERA

«Севастопольская схема»

Есть такое мнение что дешевле чем сделают китайцы не сделает никто. Я тоже был в этом уверен. Уверен до тех пор, пока мне в руки не попали ЭПРА некоего «севастопольского завода» — во всяком случае человек который их продавал, сказал именно так.  Рассчитаны они были на лампу 58 W то есть 150 см длины. Нет, не скажу что они не работали или работали хуже чем китайские. Они работали. Лампы от них светились. Но…

Даже самые дешевые китайские балласты (ЭПРА) – это пластмассовый корпус, плата с  отверстиями, маска на плате со стороны печатного монтажа и обозначение —  где какая деталь со стороны монтажа. «Севастопольский вариант» был лишен всех этих избыточностей. Там плата была одновременно и крышкой корпуса, в плате  (по этой причине) не было никаких отверстий, не было никаких масок, никаких нанесенных обозначений, детали были размещены со стороны печатных проводников и всё что можно было  выполнено из SMD-элементов, чего я никогда не видел даже в самых дешевых китайских устройствах. Ну и сама схема! Я пересмотрел их великое множество, но никогда не видел ничего похожего. Нет, вроде всё как у китайцев: обычный полумост. Вот только назначение элементов D2-D7 и странное подключение базовой обмотки нижнего транзистора мне решительно непонятно. И еще! Создатели этого чудо-устройства совместили трансформатор полумостового генератора с дросселем! Просто намотали обмотки на Ш-образный сердечник.  До такого не додумался никто, даже китайцы. В общем, эту схему проектировали или гении или люди альтернативно-одаренные. С другой стороны, если они так гениальны, ну почему не пожертвовать пару центов для введения токоограничительного резистора предотвращающего бросок тока через конденсатор фильтра? Да и на варистор для плавного разогрева электродов (тоже центы) — могли бы разориться.

 sevas

SMD-монтаж. Справа видел дроссель с базовыми обмотками.

 OLYMPUS DIGITAL CAMERA
 OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Вид сзади. Плата, она же крышка. Никогда такого не видел.

 OLYMPUS DIGITAL CAMERA

В СССР

Приведенная выше «американская схема» (дроссель + стартер + люминесцентная лампа) работает от сети переменного тока частотой 50 герц. А если ток постоянный? Ну, например, лампу надо запитать от аккумуляторов. Тут уже электромеханическим вариантом не обойдешься. Нужно «лепить схему». Электронную. И такие схемы были, например в поездах. Мы все ездили в советских вагонах разной степени комфортности и видели там эти люминесцентные трубки. Но они питались постоянным током напряжением в 80 вольт, такое напряжение выдает вагонный аккумулятор. Для питания была разработана «та самая» схема – полумостовой  генератор с последовательной  резонансной цепью, а для предотвращения бросков тока через спирали ламп введен терморезистор прямого подогрева ТРП-27  с положительным температурным коэффициентом сопротивления.  Схема, надо сказать, отличалась исключительной надежностью, а чтобы переделать ее в балласт для сети переменного тока и использовать в быту, нужно было по сути добавить диодный мост, сглаживающий конденсатор и немного пересчитать параметры некоторых деталей и трансформатора. Единственное «но». Такая штуковина получилось бы довольно дорогой. Я думаю, ее стоимость была бы не меньше 60-70 советских рублей, при стоимости дросселя в 3 рубля. В основном, из-за высокой стоимости в СССР мощных высоковольтных транзисторов. И еще эта схема издавала довольно неприятный высокочастотный писк, не всегда, но иногда его можно было услышать, возможно, со временем менялись параметры элементов (подсыхали конденсаторы) и частота работы генератора понижалась.

Схема питания люминесцентных ламп в поездах в хорошем разрешении  http://www.budyon.org/wp-content/uploads/2013/12/poezd.jpg

 poezd1

Дорогие электронные балласты (ЭПРА)

В качестве примера простого «дорогого» балласта можно привести изделие фирмы TOUVE.   Он работал в системе освещения аквариума, проще говоря – от него питались две ламы зеленого свечения по 36 ватт. Хозяин балласта сказал мне, что эта штука какая-то особенная, специально разработанная для освещения аквариумов и террариумов. «Экологичная». В чем там экологичность я так и не понял, другое дело что этот «экологический балласт» не работал. Вскрытие и анализ схемы показал, что по сравнению с дешевыми она существенно усложнена, хотя принцип – полумост + запуск через тот самый динистор DB3 + последовательная резонансная цепь – сохранен в полном объеме. Поскольку лампы две, то мы видим два резонансных контура T4C22C2 и T3C23C5. Холодные спирали ламп от броска тока защищают терморезисторы PTS1, PTS2.

Правило!  Если вы покупаете экономную лампу или вот электронный балласт, проверьте как включается эта самая лампа. Если мгновенно – балласт дешевый, что бы вам там про него не рассказывали. В более менее нормальных, лампа должна включаться после нажатия кнопки примерно через 0,5 секунд.

Дальше.  Входной варистор RV защищает конденсаторы фильтра питания от броска тока.  Схема оснащена фильтром питания (обведен красным) – он препятствует попаданию высокочастотных помех в сеть. Корректор коэффициента мощности (Power Factor Correction) обведен зеленым контуром, но в данной схеме он собран на пассивных элементах, что отличает ее от самых дорогих и навороченных, где коррекцией управляет специальная микросхема. Об этой важной проблеме (коррекции коэффициента мощности) мы поговорим в одном из следующих статей. Ну и еще добавлен узел защиты в аномальных режимах – в этом случае прекращается генерация путем замыкания тиристором SCR базы Q1 на землю.

Скажем, дезактивация электродов или нарушение герметичности трубки, приводят к возникновению  «открытой схемы» (лампа не зажигается), что сопровождаются значительным ростом напряжения на пусковом конденсаторе и ростом тока балласта на частоте резонанса, ограниченными лишь добротностью контура.  Длительная работа в этом режиме ведет к повреждению балласта за счет перегрева транзисторов. Вот в этом случае и должна сработать защита — тиристор SCR замыкает базу Q1 на землю прекращая генерацию.

 ball79

Схема ЭПРА. В большом разрешении смотреть здесь http://www.budyon.org/wp-content/uploads/2013/12/ball77.jpg

 ball78

Вид внутри. Конечно все сделано куда солиднее, нежели в дешевых балластах. Кроме всего прочего, схема покрыта толстым слоем лака.

 OLYMPUS DIGITAL CAMERA

Видно, что данное устройство по размерам гораздо больше чем дешевые балласты, но после ремонта (вылетел один из транзисторов) и восстановления, выяснилось что эти самые транзисторы нагреваются, как мне показалось, сильнее чем надо, примерно до 70 градусов. Почему бы не поставить небольшие радиаторы? Я не утверждаю что транзистор вылетел из-за перегрева, но возможно работа на повышенных температурах (в закрытом корпусе) послужила провоцирующим фактором. В общем, поставил я небольшие радиаторы, благо место есть.

Продолжение следует….

Tags: ,

Рецензии

Техника

Статьи

Оперы