О питании люминесцентных ламп

-

Люминесцентные лампы по сравнению с лампами накаливания заслужили название "энергосберегающих". Теперь они постепенно уступают место новому поколению ламп на свето-диодах. Но ещё сохраняется интерес радиолюбителей к совершенствованию пускорегулирующей аппаратуры и продлению срока службы люминесцентных ламп, в том числе и с перегоревшими нитями накала. Предлагаемая подборка рассказывает о полученных результатах и предостерегает от распространённых заблуждений в этой области.

-

Е. КРЕТИНИН из г. Торопца Тверской области, прочитав статью [1], разработал ЭПРА для люминесцентной лампы L18W/640. Его схема показана на рис. 1.

Диодный мост VD1— VD4 выпрямляет напряжение сети примерно до 300 В, конденсатор С1 и последовательно соединённые С5 и С6 сглаживают пульсации выпрямленного напряжения.

На транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе Т1 собран полумостовой автогенератор импульсов, питающих лампу EL1. Для его запуска служат резисторы R1, R2 и конденсаторы С2— С4.

В режиме генерации противофазные импульсы напряжения на обмотках I и II трансформатора Т1 поступают на эмиттерные переходы транзисторов VT1 и VT2, под действием этих импульсов транзисторы поочерёдно открываются и закрываются. При этом диоды VD5 и VD6 защищают эмиттерные переходы от обратного напряжения.

Напряжение с обмотки III импульсного трансформатора Т1 питает лампу EL1 через дроссель L1 и конденсатор С7, которые образуют последовательный колебательный контур.

Частота его резонанса (40...60 кГц) задаёт частоту колебаний автогенератора. После запуска генерации холодные нити накала лампы EL1 постепенно разогреваются текущим через них и последовательный контур L1C7 током. Высокое напряжение на конденсаторе С7 поджигает лампу EL1. После этого лампа шунтирует конденсатор С7, напряжение на нём падает из-за снижения добротности контура. Дроссель L1 ограничивает ток через лампу EL1.

ЭПРА собран на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертёж платы показан на рис. 2.

Все резисторы — МЛТ. Транзисторы и диоды взяты из неисправных старых цветных телевизоров, конденсаторы и магнитопроводы — из вышедших из строя энергосберегающих ламп. Также можно использовать магнитопроводы из никель-цинкового феррита с начальной магнитной проницаемостью 100...400. Для намотки трансформатора и дросселя использован провод ПЭВ-2 диаметром 0,2 мм.

Трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе типоразмера К10x6x4. Обмотки I и II содержат по 3 витка, обмотка III — 9 витков. Обмотка дросселя L1 состоит из 240 витков на магнитопроводе типоразмера Ш5х5. Между половинами магнитопровода проложена изолента, образующая зазор 0,3 мм. Можно взять готовый дроссель от энергосберегающей лампы той же мощности.

Налаживание ЭПРА заключается в подборе ёмкости конденсатора С7 в случаях нестабильного или затянутого (более 1 с) запуска лампы EL1.

Самодельный ЭПРА больше года работает без сбоев.

Помехи от него не отмечены, защитный предохранитель не понадобился.

В. БАЕВ из г. Балаково Саратовской области заинтересовался, как обезопасить люминесцентную лампу от пиковых нагрузок при включении, которые сокращают её срок службы.

В высокочастотном ЭПРА переменное напряжение сети 220 В преобразуется в постоянное около 300 В, которое питает генератор импульсов частотой в десятки килогерц. Схема подключения лампы EL1 к обмотке импульсного трансформатора показана на рис. 3. Последовательно соединены дроссель L1, нити накала лампы EL1 и конденсатор С1. Утолщёнными линиями показаны предлагаемые изменения, но вначале рассмотрим работу лампы без них.

Нити накала люминесцентной лампы — вольфрамовые с обмазкой, при нагреве способствующей испусканию электронов, необходимых для поддержания тлеющего разряда в лампе.

Перед пуском лампы температура её нитей накала такая же, как у окружающей среды, их сопротивление минимально. Во время пуска через эти нити и конденсатор С1 проходит ток, в несколько раз больший номинального тока лампы. При этом нити накала испытывают такие же разрушительные воздействия, как в лампе накаливания. Но ещё с их поверхностей испаряется обмазка — появляются чёрные кольца на колбе возле выводов. После поджига лампы нити накала прогреваются до слабого красного свечения током тлеющего разряда в заполняющем её газе. Ток через конденсатор С1 падает во много раз и на работу лампы почти никак не влияет.

Схемы источники питания

О питании люминесцентных ламп

Как же снять ударную нагрузку с нитей накала при пуске лампы? Первой мыслью было просто замкнуть нити накала, как показано на схеме утолщёнными линиями. Но при этом выходили из строя транзисторы в ЭПРА.

После этого в разрыв одного из выводов конденсатора С1 был включён резистор R1. Как выбрать его сопротивление? Было выдвинуто предположение, что оно должно быть примерно такое же, как у нагретой нити накала. Известно, что у лампы накаливания 100 Вт сопротивление нити при разогреве увеличивается почти в 13 раз — от 37 Ом до 450...490 Ом. Но нити накала люминесцентной лампы нагреваются до меньшей температуры, поэтому было сделано предположение, что их сопротивление возрастает меньше. Испытания показали, что при выборе сопротивления резистора R1 в 3...5 раз больше сопротивления одной холодной нити накала люминесцентной лампы обеспечивается её надёжный запуск. Во всех случаях в качестве R1 применялся резистор МЛТ-0,25.

Автором испытаны различные высокочастотные ЭПРА для ламп от 8 до 18 Вт. Измеренные сопротивления их холодных нитей накала были от 2,5 до 13 Ом. Одна лампа имела только одну исправную нить накала сопротивлением 10,6 Ом. Другая нить была оборвана. Сопротивление резистора R1 выбрано 51 Ом. Лампа надёжно включалась и . работала. Далее в порядке эксперимента сопротивление R1 было увеличено до 100 Ом. Лампа вошла в режим многократного пуска, в результате чего резистор R1 сильно нагрелся и перегорел. Дроссель L1 также сильно нагрелся, но остался исправным, как и остальные детали.

Для использования в переделанном ЭПРА можно взять как не бывшую в употреблении, так и давно эксплуатируемую, даже с оборванными нитями накала.

Главный критерий — запуск надёжен и продолжается не более одной секунды. Со временем, по мере испарения обмазки на нитях накала, лампа перестаёт надёжно запускаться, тогда её нужно отключить или заменить, не дожидаясь выхода ЭПРА из строя. По этой же причине не рекомендуется использовать лампы с чёрным налётом возле цоколя и лампы с плохим контактом в цоколе, который обнаруживается омметром по нестабильному сопротивлению (оно может меняться от нескольких единиц или десятков ом до нескольких килоом).

По просьбе редакции автор справочного листка по люминесцентным лампам [2] и других публикаций по этой теме С. КОСЕНКО из г. Воронежа замечает, что некоторые радиолюбители, стремясь увеличить срок службы люминесцентных ламп, пытаются усовершенствовать способы их включения и режимы эксплуатации. Но при этом они не учитывают, что многие исследования в этой области уже давно проведены в научных лабораториях, а их результаты опубликованы в общедоступных источниках, например, в [3, 4].

Приближённо оценить потребляемую люминесцентной лампой мощность в бытовых условиях можно с помощью прибора, описанного в статье [5].

При отсутствии такого прибора можно измерить расход энергии лампой за определённое время с помощью электросчётчика при отключённых от сети других нагрузках.

Нельзя просто перемножать измеренные обычным стрелочным или цифровым мультиметром значения напряжения и тока, забывая о коэффициенте мощности и её реактивной составляющей, полученные таким способом результаты могут даже поставить под сомнение эффект экономии электроэнергии по сравнению с эквивалентной лампой накаливания.

Распространено мнение, что яркость свечения люминесцентной лампы нельзя плавно регулировать.

Оно основано на том, что такие лампы нельзя подключать к диммерам — устройствам фазоимпульсного управления (на тринисторах и симисторах), предназначенным для регулирования яркости ламп накаливания.

В этом утверждении верно лишь то, что фазоимпульсные диммеры не годятся для регулирования яркости свечения люминесцентных ламп, поскольку они снижают напряжение питания ламп и рабочий ток, что пагубно влияет на их ресурс [4] и часто вызывает    преждевременное    повреждение ЭПРА.

Но оно осуществимо другим — фазовым методом, описанным в статье [3]. Этот метод реализован в специализированной микросхеме IR21592. Изменение фазового сдвига между выход-

ным напряжением ЭПРА и током лампы примерно от 90 до 60° позволяет линейно управлять её яркостью от 5 до 100%.

 

Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика

Источник: Журнал Радио 2013 №7

О питании люминесцентных ламп

Массовый ежемесячный научно-технический журнал

Издаётся с 1924 года

О питании люминесцентных лампО питании люминесцентных ламп

Среди некоторых радиолюбителей бытует мнение о возможности эксплуатации люминесцентных ламп со сгоревшими нитями накала, замкнув их накоротко. А некоторые даже считают, что если на новой лампе их замкнуть, то она будет служить дольше. Чтобы показать ошибочность такого предположения, воспользуемся статьёй [4].

Как известно, вольфрамовые нити накаливания в люминесцентных лампах, покрывают, как и в радиолампах, специальной смесью оксидов кальция, бария и стронция.

Поскольку люминесцентные лампы питают переменным напряжением, в отличие от радиоламп, здесь электроды попеременно выполняют функции анода и катода. Активирующее покрытие при его подогреве до 900 °С, вследствие термоэлектронной эмиссии, образует в катодной области облако высокоподвижных электронов, которые соударяются с атомами аргона и ртути и слабо ионизируют их. Если теперь к электродам приложить сравнительно высокое напряжение несколько сотен вольт, во всём объёме лампы происходит разряд — лампа поджигается.

При этом свободные электроны устремляются к аноду, а положительно заряженные ионы — к катоду.

Столкновение электронов с анодом разогревает его подобно тому, как это происходит в радиолампе. Ионы, соударяясь с катодом, не только разогревают его, но и порождают дополнительную эмиссию электронов. А самые быстрые ионы вызывают даже распыление активирующего покрытия и его преждевременный износ.

Попеременная роль электродов в качестве анода и катода поддерживает их требуемую температуру для того, чтобы поступающие из активированного покрытия катода электроны компенсировали их убыток за счёт рабочего тока лампы, и дополнительного подогрева больше не требуется. Рабочий ток лампы, протекая по вольфрамовой нити, также подогревает её.

Как отмечено в статье, высокочастотный ток по сравнению с 50 Гц более предпочтителен, так как для него тепловая инерция электродов более существенна, и общий срок службы лампы вследствие меньшей деградации активирующего покрытия возрастает.

Особого рассмотрения заслуживает процесс холодного поджига лампы без предварительного подогрева. В этом случае ионизацию ртути и аргона вызывает высокое напряжение поджига, существенно большее, чем у ламп с подогретыми электродами. Энергия ускорившихся ионов оказывается настолько большой, что они не просто распыляют активированный слой, а выбивают из него сравнительно крупые фрагменты, оголяя вольфрамовую нить. При этом ионы попадают на катоде в точку наименьшего потенциала, где высокая температура способствует испарению активированного слоя и, в конечном счёте, перегоранию нити. Внешне это выглядит как "горячее пятно" (Hot Spot), показанное на рис. 4.

В этой же статье описаны результаты эксперимента, в котором тлеющий разряд в лампе поддерживался постоянным током в шесть раз меньше номинального. В этом случае подогрев нитей накала рабочим током существенно снижается, за исключением малого "горячего пятна". Нарушение теплового баланса способствует более интенсивному разрушению нити накала, как это показано на рис. 5. Этот рисунок состоит из вертикальных полос — фотографий нити накала. Каждой полосе соответствует день испытания, номер которого показан цифрами белого цвета. Для дней 2—8 показано состояние нити на конец дня, для дней 9 и 10 на левой полосе — в середине дня, на правой — в конце дня. Стрелками показаны разрушения нити (filament breaks).

Перегорание нити произошло на пятый день, но лампа продолжала светить.  На следующий день оторвался

фрагмент перегоревшей нити. По мере испарения активированного покрытия горячее пятно двигалось к выводу нити. В конце десятого дня эксперимент был прекращён ввиду полного разрушения нити.

Замыкание нитей накала переводит лампу в аномальный режим холодного старта со всеми вытекающими последствиями. Несколько облегченный старт получится при замыкании лишь одной перегоревшей нити. Возможно, ЭПРА обеспечит поджиг лампы повышенным напряжением, а возможно, после нескольких миганий и сам выйдет из строя. И если учесть, что перегорание одной нити накала происходит, как правило, в конце жизненного цикла лампы, когда и оставшаяся неповреждённой нить уже предельно изношена, да и люминофор в лампе не столь активен, как раньше, совершенно очевидно, что "выжимать" последние дни функционирования из деградировавшего светового прибора нерационально. И здесь уже не поможет ни питание постоянным током [6], ни умножение напряжения сети, ни другие нетривиальные решения.

Существуют компактные энергосберегающие лампы, которые стартуют мгновенно после подачи сетевого напряжения. Продлить их срок службы может добавление терморезистора сопротивлением в несколько десятков ом с положительным ТКС, шунтирующего конденсатор, подключенный к нитям накала лампы [7]. Тогда при старте он вместе с нитями накала будет прогреваться, а нагревшись, перестанет шунтировать этот конденсатор и лампа выйдет в рабочий режим. Для отвода тепла от терморезистора лампу желательно установить вертикально цоколем вниз.

ЛИТЕРАТУРА

1.Стрюков В. Малогабаритный блок питания из электронного балласта. — Радио, 2004, № 3, с. 38, 39.

2.  Косенко С. Люминесцентные лампы общего назначения. — Радио, 2006, № 8, с. 52—54.

3. Tom Ribarich, Director, Lighting Design Center, International Rectifier. How to design a dimming fluorescent electronic ballast. — <http://www.irf.com/technical-info/ whitepaper/howtodesignadimmingfluores centelectronicballast.pdf >.

4.  Lighting Research Center. Investigation of the Effects of Dimming on Fluorescent Lamp Life. — <http://www.lrc.rpi.edu/ researchAreas/reducingBarriers/pdf/ investigateEffectsOf Dimming.pdf>.

5.  Косенко С. Измеритель активной мощности на микросхеме ADE7755. — Радио, 2010, №8, с. 19,20.

6.  Кавыев А. Питание лампы дневного света постоянным током. — Радио, 1997, № 5, с. 36—38.

7.  Чулков В. Усовершенствование высокочастотного блока питания люминесцентной лампы. — Радио, 2004, № 4, с. 42.

О питании люминесцентных ламп