В емкостном балласте емкость не ограничивает максимальное значение тока, т.к. ее стабилизирующее действие проявляется в ограничении количества зарядов, проходящих через цепь в каждые полпериода. Вследствие этого, при стабилизации разряда только емкостью на промышленной частоте, каждые полпериода возникают большие кратковременные толчки тока и следующие за ними большие паузы тока и излучения. Такой режим работы ламп неприемлем для освещения и пагубно сказывается на работе самокалящихся активированных электродов. Поэтому применение чисто емкостного балласта для стабилизации оказывается возможной только при работе лампы в сети с повышенной частотой, начиная от 400 Гц и выше. При последовательном включении дросселя и конденсатора с лампой, благодаря наличию индуктивности толчки тока сглаживаются, а паузы тока и излучения уменьшаются. В цепи питания лампы необходимо поддержание оптимальных параметров. Например, для лампы типа ДРЛ 125 с индуктивно-емкостным балластом: P=125 Вт; L = 0,425 Гн; R = 10 Ом; . Специфическим свойством индуктивно-емкостного балласта является [21] то, что ток короткого замыкания лампы мало отличается от ее рабочего тока. При питающая сеть является как бы источником тока для такой особого вида нагрузки, как разрядная лампа. Считается [22], что индуктивно-емкостный балласт практически по всем показателям уступает индуктивному и его использование оправдано лишь в двухламповых схемах с "расщепленной" фазой, для уменьшения пульсаций светового потока в двухламповых установках. При мощности ГРЛ более 100 Вт индуктивно-емкостный балласт практически не применяют из-за большой емкости конденсатора. Необходимо также учитывать, что в индуктивно-емкостных ПРА в режимах без паузы тока действующее значение напряжения на лампе Uл выше установившегося напряжения на постоянном токе U0, например для лампы типа ДРЛ - .
Для ламп ДРЛ применение чисто емкостного балласта при токе с частотой f = 50 Гц не рекомендуется из-за их влияния на форму кривой тока и сокращения в связи с этим срока службы. Наибольшее распространение получили индуктивные балласты в виде дросселей или трансформаторов с рассеянием. Для четырехэлектродных ДРЛ зажигание ламп может быть произведено от напряжения сети. В схеме с последовательным индуктивным балластом (рис.11, а) коэффициент мощности составляет 0,5 - 0,6, поэтому для его повышения используют индивидуальную компенсацию параллельным конденсатором, емкость которого определяется в зависимости от мощности лампы. Когда требуется поддержание постоянства светового потока лампы при колебаниях напряжения сети питания, применяются схемы со стабилизацией мощности лампы, содержащие последовательно соединенные насыщенный дроссель (или АТ с рассеянием) и конденсатор (рис.11, б). Стабилизация мощности лампы может быть достигнута в том случае, если при колебании напряжения питания ток лампы сохраняется почти неизменным. Так как напряжение горения лампы практически не зависит от тока, то и мощность лампы будет оставаться неизменной. В схеме с насыщенным дросселем с повышением Uс, ток лампы Iл увеличивается, при этом реактивное сопротивление дросселя уменьшается. Суммарное реактивное сопротивление последовательно соединенных L и C возрастает и ток лампы увеличивается в незначительной степени. Конденсатор С (рис.11, б) должен быть подобран таким образом, чтобы балласт имел емкостный характер. Однако, при работе лампы на промышленной частоте, кривая тока сильно искажена за счет высших гармоник. Лучшие результаты достигаются при применении автотрансформатора с рассеянием (рис.11, в). При этом кривая тока лампы становится более плоской, уменьшается действующее значение тока при неизменной мощности лампы и повышаются стабилизирующие свойства схемы.
При эксплуатации ламп в условиях низких температур или пониженном напряжении сети питания, применяют схему с автотрансформатором с рассеиванием и с дополнительным конденсатором С (рис 11, г), предназначенным для улучшения коэффициента мощности ПРА, обеспечивающую необходимое повышение напряжения на лампе. При использовании ламп ДРЛ иногда приходится применять меры для уменьшения влияния пульсаций светового потока, которые вызывают появление стробоскопического эффекта. Такими мерами могут быть, например включение ламп в различные фазы трехфазной сети (рис.11, д) либо, как для ЛЛ, применение двухламповой схемы включения (рис.11, е).
В момент включения ламп ДРЛ с индуктивным балластом в цепи возникает бросок тока вследствие прохождения переходного процесса, превышающий установившееся значение тока. Допустимые броски тока для ламп ДРЛ ограничивают при мощности лампы 250 Вт - до 20 А, при 1000 Вт – до 40 А.
Рис.11. Принципиальные схемы включения четырехэлектродной ГРЛ ВД в сеть: НТ – насыщенный трансформатор; r1 и r2 - предохранительные сопротивления
Лампы ДРЛ для общего освещения предназначены для использования в сетях переменного напряжения, так что каждый электрод попеременно каждые полпериода выполняет роль катода и анода. Поэтому роль электродов состоит в том, чтобы в катодный полупериод обеспечить ток электронов, необходимый для поддержания разряда, а в анодный полупериод – принимать электронный ток из разрядного промежутка. Работа и качество электродов в лампах ДРЛ в значительной мере определяют качество и работоспособность лампы в целом. От состояния электродов при эксплуатации зависят основные служебные характеристики: надежность работы лампы, стабильность светового потока и напряжения зажигания, а также срок службы лампы.
Работу электродов ГРЛ ВД можно разделить, по крайней мере, на два периода, в каждом из которых режимы и условия работы существенно различаются. В момент зажигания лампы давление ртутных паров мало и электроды еще холодные, причем работают в атмосфере инертного газа низкого давления в режиме тлеющего разряда. Ток, отбираемый от электродов в катодный полупериод, в этом случае мал, однако высокое катодное падение напряжения - порядка 100 В и низкое давление наполняющего газа создают условия интенсивной ионной бомбардировки электродов. К этому же периоду относится переходной режим, связанный с созданием на электроде условий необходимых для обеспечения прохождения большого разрядного тока. Второй, основной по времени, период работы электродов протекает в атмосфере ртутных паров высокого давления (в установившемся режиме парциальное давление инертного газа составляет всего несколько процентов от давления ртути в лампе). Электроды работают в режиме дугового разряда и нагреваются до высокой температуры 1500-1700°С. Тепловой режим электрода должен быть таким, чтобы температура была не выше определенной величины, превышение которой приводит к недопустимому распылению материала эмиттера. Наличие постоянной составляющей в токе разряда приводит к увеличению тока электронов в анодный полупериод. Более высокое напряжение зажигания разряда может привести к сильному распылению электродов, сопровождающемуся потемнением концов трубки горелки в процессе длительной работы лампы. Если изменение сетевого напряжения приводит к колебаниям электрического режима лампы, то происходит изменение температуры и скорости испарения ртути. Необходимо учитывать, что напряжение зажигания основного газоразрядного промежутка при достаточно высоком значении ограничивающего сопротивления не определяется его величиной. Величина сопротивления в реальных лампах выбирается порядка 25 кОм. Мощность рассеиваемая на каждом сопротивлении, не превосходит 0,5 Вт, при этом ток протекает через сопротивление только в течение того полупериода, когда зажигающий электрод положителен по отношению к соседнему основному электроду, при противоположной полярности ток очень мал и им можно пренебречь.
На рис.11, ж показана принципиальная схема включения четырехэлектродной лампы ДРЛ с индуктивным балластом. Горелка лампы имеет два основных электрода и два зажигающих, расположенных на малом расстоянии от основных. Зажигающие электроды через резисторы, размещенные вне горелки в объеме внешней колбы, присоединяются к противолежащим основным электродам. Выводы основных электродов присоединяются к цоколю лампы. Сетевое напряжение подводится к этим выводам обязательно через стабилизирующий балласт. Величины Uс обычно недостаточно для того, чтобы вызвать пробой разрядного промежутка непосредственно между основными электродами, т.к. расстояние между ними составляет несколько сантиметров (в зависимости от размеров горелки, определяемых ее мощностью). При этом вспомогательные промежутки между основным и зажигающим электродами оказываются под воздействием полного сетевого напряжения. Расстояния между этими электродами выбирают такими, чтобы при заданном давлении инертного газа величина напряжения зажигания разряда Uз во вспомогательном промежутке была ниже величины Uс. Поэтому первоначально возникает разряд между вспомогательными и основными электродами. Характер и ток этого разряда определяется величиной ограничивающих или предохранительных сопротивлений. Обычно это тлеющий разряд с небольшой силой тока. Возникновение вспомогательного разряда в дальнейшем приводит к пробою промежутка между силовыми электродами и возникновению основного разряда, стабилизированного балластом.
Перспективным является применение импульсного трансформатора, выполняющего роль индуктивного балласта и, одновременно, используемого для создания импульса зажигания (рис.11, з). Например, в устройстве для зажигания ГРЛ ВД (пат. 2192714 Россия, НО5В41/231, опубл. 10.11.2002) содержащем импульсный трансформатор, тиристор, конденсаторы, времязадающие RC-цепи и счетчик. Такие ПРА выпускаются ООО "Мир" (Промышленные АСУ и контроллеры, 2002, №9, С.30), для ГРЛ ВД мощность 150-400 Вт.
Основными причинами выхода из строя ламп типа ДРЛ являются: естественное ухудшение свойств кварцевого стекла горелок, за счет кристаллизации при высоких температурах; разуплотнение горелок и уход ртути и аргона в колбу; разгерметизация вводов к электродам внутри колбы; запыление колбы горелки при испарении электродов.
Слишком сильное случайное понижение сетевого напряжения Uc, даже на время несколько миллисекунд, может привести к погасанию лампы ДРЛ. Величина напряжения сети, при которой происходит погасание – Uпог, зависит от типа балласта, стабилизирующего работу лампы, и от схемы ее включения. Причем Uпог лампы в схеме с индуктивным балластом примерно на 10% ниже, чем Uпог той же лампы в схеме с активным балластом. Наименьшее значение Uпог наблюдается при работе лампы в схеме с емкостным балластом, т.к. такая схема при прочих равных условиях обеспечивает наименьшее изменение тока лампы при уменьшении напряжения сети.
Особенностью электрического режима горения лампы ДРЛ является то, что изменение напряжения сети вызывает, главным образом, изменение тока лампы, а напряжение на лампе при изменении тока в ограниченных пределах изменяется несущественно. В схеме с индуктивным балластом примерно пропорциональное изменение тока на лампе Iл с изменением Uс наблюдается только в тех случаях, когда Uл/Uc < 0,4, однако, на практике такие случаи встречаются редко. Типичный пример изменения электрических и световых характеристик лампы для наиболее часто используемого соотношения Uл/Uc » 0,6 (для лампы ДРЛ мощностью ) показан на рис.12. Из кривых видно, что изменение Uc на ±10% вызывает соответствующее изменение тока лампы на ±20% и изменение светового потока на ±25%, при этом световая отдача лампы (т.е. визуально наблюдаемая "яркость свечения" лампы) изменяется незначительно. Наименьшее изменение электрического режима лампы и, соответственно, светового потока, наблюдается при включении лампы последовательно с правильно рассчитанным индуктивно-емкостным балластом (на рис.11, б при , т.е. в резонансе напряжений). При изменении Uc в пределах, наиболее часто встречающихся в практике эксплуатации ламп (±10%), изменение Iл и Fл не превышает 12-15% [18].
Рис.12. Изменение электрических и световых характеристик лампы ДРЛ 400 в схеме с индуктивным балластом при изменении напряжения сети: I –ток лампы, U – напряжение на лампе; Р – мощность лампы; Н – световая отдача лампы; Uс – напряжение сети
При снижении Uc скачком до величины, близкой к Uпог, погасание лампы происходит не сразу, а спустя некоторый промежуток времени, причем Iл вначале изменяется скачком до значения, соответствующего сниженной величине Uc, а затем медленно уменьшается до нуля. Погасание происходит тем быстрее, чем выше Uл, поэтому при кратковременных снижениях Uc лампы с высоким напряжением горения (более мощные) гаснут быстрее, при одной и той же продолжительности действия сниженного Uc. Наибольшей устойчивостью обладают лампы в схемах с регулируемым выходом и с трансформатором рассеяния. В последнем случае при изменении Uc на 5% стабильность горения лампы вообще не претерпевает никаких изменений. Аналогичное явление наблюдается и при медленном снижении Uc. В конечном счете, главными факторами, оказываются глубина снижения Uc и длительность работы лампы в этом режиме.
Основной причиной спада светового потока и снижение срока службы ламп ДРЛ является распыление и испарение материала электродов. Максимальное разрушение катода происходит в период зажигания лампы до тех пор, пока на конце электрода не возникнет строго фиксированное катодное пятно. Нефиксированное пятно и большая величина тока из пятна является в этот период ответственным за распыление электрода. Чем больше ток лампы в период разгорания, тем сильнее выражен этот эффект, поэтому скорость спада светового потока со временем горения, зависит от типа балласта, с которым работает лампа. В схемах с емкостным балластом, в которых величина пускового тока мало отличается от величины тока лампы в стационарном режиме, спад светового потока меньше, чем у ламп, работающих последовательно с индуктивным балластом. В последних, пусковой ток может в 1,5-1,7 раза превосходить величину номинального тока. Спад светового потока вызывается процессами, протекающими за время разгорания лампы и тем больше, чем большее число включений происходит на одну и ту же продолжительность горения в стационарном режиме. Таким образом, эксплуатация ламп ДРЛ в схемах с малым пусковым током уменьшает спад светового потока и увеличивает срок службы ламп.
Номинальная величина светового потока устанавливается не сразу после зажигания разряда в горелке. Всегда требуется некоторое время для того, чтобы ртуть в горелке полностью испарилась и только после этого наступает стационарный режим горения. Изменение характеристик ламп в процессе разгорания и особенности этого процесса зависят от типа балласта, стабилизирующего работу горелки. В лампах ДРЛ, работающих с реактивным балластом, в начальный период разгорание разряда напряжение горения на лампе невелико и, пренебрегая этой величиной, можно считать, что ток через лампу Iл близок по величине к току короткого замыкания Iзк через балласт при закороченной лампе (рис.13).
Определим отношение , [по уравнениям (33) и (36)], которое характеризует время разогрева лампы, для случая работы лампы последовательно с индуктивным балластом. Используя известную [18] для этого случая зависимость:
, (39)
и очевидное соотношение: ; (40)
получим:. (41)
Рис.13. Изменение электрических и световых характеристик лампы ДРЛ-400 в процессе разгорания: Uл – напряжение на лампе; iл – ток лампы; Fл – световой поток
В схемах с индуктивным балластом величина Uл /Uc обычно выбирается порядка 0,7 (предельное значение 0,76) и в этом случае отношение лежит в пределах 1,5-1,7. В схеме с индуктивно-емкостным балластом при оптимальном соотношении между индуктивностью и емкостью выполняется соотношение . Из этого следует, что при прочих равных условиях время разгорания лампы в схеме с индуктивным балластом меньше, чем время разгорания в схеме с емкостным балластом. Однако, необходимо помнить, что слишком большой ток сокращает срок службы катодов.
При работе разрядных ламп можно выделить следующие основные режимы: 1) режим зажигания (пусковой режим); 2) переходной режим (разгорание); 3) установившийся режим при нормально и аномально работающей лампе. В пусковом режиме электропроводимость лампы мала и поэтому цепь включения может рассматриваться как работающая без лампы. Для ряда ламп (типов ДРИ, ДНАТ и др.) при зажигании используется маломощный высоковольтный импульсный генератор, который работает только в режиме пуска.
Режим разгорания связан с постепенным изменением электрических параметров лампы. Например, для всех ламп высокого давления, наполненных парами металлов, в период их разгорания при увеличении температуры колбы постепенно возрастает установившееся на ней напряжение, что приводит к существенному изменению режима работы схемы включения. При пониженных напряжениях сети режим разгорания может быть длительным.
Установившийся режим является режимом длительной работы лампы, когда ее электрические параметры (ток и мощность) должны соответствовать паспортным значениям. Форма тока лампы не должна существенно отличаться от синусоидальной (для большинства ламп это учитывается ограничением коэффициента амплитуды тока лампы и использованием режима работы без пауз тока).
К концу срока службы при дезактивации одного из электродов лампы, а иногда и в новой лампе при некоторых дефектах, наблюдаются аномальные режимы. Например, возрастает напряжение перезажигания в тот полупериод, когда дезактивированный электрод является катодом. В ртутных лампах высокого давления может уменьшаться установившееся напряжение.
Изменение силы тока разряда возможно при изменении напряжения питания, сопротивления балласта и фазы зажигания разряда, и приводит к изменению светового потока (яркости) лампы. При наличии постоянной составляющей в токе лампы происходит изменение сопротивления дросселя, за счет подмагничивания его сердечника постоянным током.
В контуре с ГРЛ возможно нарушение симметрии питающего лампу напряжения за счет появления постоянной составляющей тока и напряжения. Постоянная составляющая может быть вызвана различными значениями напряжения повторного зажигания в разные полупериоды или появлением однополупериодного разряда, возникающего в период зажигания источника света, либо в его рабочем режиме [23, 24], а также задаваться искусственно, например с помощью умножителей напряжения. Существенное значение имеет асимметрия в схемах с емкостно-индуктивным балластом. Наличие емкости исключает или уменьшает появление в цепи постоянной составляющей тока. Следовательно, при синусоидальном питании схемы может возникнуть такая асимметрия кривых тока и напряжения, при которой постоянная составляющая будет только у напряжения на источнике света и конденсаторе. Если последовательно с источником света включен индуктивно-емкостный балласт, то конденсатор обеспечивает защиту цепи от протекания по дросселю постоянной составляющей тока, которая при отсутствии конденсатора может вызвать повышенный нагрев и выход дросселя из строя. Особое внимание при этом обращают на схемы, где параллельно источнику света включен индуктивный элемент, например трансформатор, а последовательно с лампой соединен индуктивно-емкостный балласт. В этом случае через параллельный элемент схемы может замыкаться постоянная составляющая тока, появляющаяся из-за асимметрии кривых напряжения или тока. При малых активных сопротивлениях параллельного элемента постоянная составляющая тока может превысить пусковой ток, на который этот элемент рассчитан, что приведет к его нагреву и возможному аварийному выходы из строя. Учитывая это, при построении практических схем включения лампы принимают соответствующие меры по обеспечению защиты от протекания постоянной составляющей тока в элементах контура.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
