Как работает люминесцентная лампа


Принцип работы люминесцентной лампы и ее устройство

Принцип работы люминесцентной лампы базируется на эффекте классической люминесценции.

Электрическим разрядом в ртутных парах создаётся ультрафиолетовое излучение, преобразуемое посредством люминофора в видимое свечение.

При самостоятельном подключении и ремонте таких осветительных приборов учитываются особенности устройства и принцип их действия.

Устройство люминесцентной лампы

Люминесцентная лампа относится к категории классических разрядных источников освещения низкого давления. Стеклянная колба такой лампы всегда имеет цилиндрическую форму, а наружный диаметр может составлять 1,2см, 1,6см, 2,6см или 3,8см.

Цилиндрический корпус чаще всего прямой или U-изогнутый. К торцевым концам стеклянной колбы герметично припаиваются ножки с электродами, выполненными из вольфрама.

Устройство лампочки

Внешней стороной электроды подпаиваются к цокольным штырям. Из колбы осуществляется тщательное откачивание всей воздушной массы через специальный штенгель, расположенный в одной из ножек с электродами, после чего происходит заполнение свободного пространства инертным газом с ртутными парами.

На некоторые типы электродов в обязательном порядке производится нанесение специальных активирующих веществ, представленных окислами бария, стронцием и кальцием, а также незначительным количеством тория.

Схема

Стандартная схема подключения люминесцентной лампы значительно сложнее, нежели процесс включения традиционной лампы накаливания.

Требуется применять особые пусковые устройства, качественные и мощностные характеристики которых оказывают непосредственное влияние на сроки и удобство эксплуатации осветительного прибора.

Схема подключения люминесцентных ламп без дросселя и стартера

В настоящее время практикуется несколько схем подключения, которые отличаются не только по уровню сложности выполняемых работ, но и набором используемых в схеме устройств:

  • подключение с применением электромагнитного балласта и стартера;
  • подключение с электронным пускорегулирующим аппаратом.

Второй вариант подключения предполагает генерирование высокочастотного тока, а сам непосредственный запуск и процесс работы осветительного прибора запрограммированы электронной схемой.

Схема подключения лампы с дросселем и стартером

Чтобы правильно выполнить подключение осветительного прибора, необходимо знать устройство дросселя и стартера, а также учитывать правила подключения такого оборудования.

Как загорается люминесцентная лампа?

Как работает люминесцентная лампа? Функционирование люминесцентного осветительного прибора обеспечивается следующими поэтапными действиями:

  • на электроды, расположенные на цокольных штырях, подаётся напряжение;
  • высокое сопротивление газовой среды в лампе провоцирует поступление тока через стартер с образованием тлеющего разряда;
  • ток, проходящий через электродные спирали, в достаточной степени прогревает их, а разогретые стартерные биметаллические контакты замыкаются, что прекращает разряд;
  • после остывания стартерных контактов происходит их полное размыкание;
  • самоиндукция вызывает возникновение импульсного напряжения дросселя, достаточного для включения освещения;
  • проходящий через газовую среду ток уменьшается, а полное отключение стартера обуславливается недостаточностью напряжения.

Лампы спецназначения

Основным назначением устанавливаемых конденсаторов является эффективное снижение помех. Входные конденсаторы обеспечивают существенное понижение реактивной нагрузки, что важно при необходимости получить качественное освещение и продлить срок службы прибора.

Блок 1

Для чего нужен дроссель в люминесцентной лампе

Дроссель позволяет обеспечить требуемый для полноценного функционирования лампы электрический импульс. Принцип такого дополнительного устройства основан на сдвиге фазы переменного тока, что способствует получению необходимого количества тока для горения паров, которыми наполнена внутренняя часть лампы.

В зависимости от уровня мощности, рабочие параметры дросселя и сфера его использования могут варьироваться:

  • 9 Вт — для стандартной энергосберегающей лампы;
  • 11 w и 15 w — для миниатюрных или компактных осветительных приборов и энергосберегающих ламп;
  • 18 w — для настольных осветительных приборов;
  • 36 Вт — для люминесцентного светильника с малыми показателями мощности;
  • 58 Вт — для потолочных светильников;
  • 65 Вт — для многоламповых приборов потолочного типа;
  • 80 Вт — для мощных осветительных приборов.

При выборе нужно также ориентироваться на индуктивное сопротивление, регулирующее показатели мощности тока, подающегося на контакты люминесцентного осветительного прибора.

Принцип работы стартера люминесцентной лампы

Конструкция устройства представлена компактной стеклянной колбой, заполненной инертным газом. Колба установлена внутри металлического или пластикового корпуса, с парой электродов, один из которых относится к биметаллическому типу.

Напряжение на зажигание стартера не должно быть выше, чем номинальное напряжение питающей сети. В процессе подключения схемы запуска к питающей электросети, значительная часть напряжения переходит на разомкнутые стартерные электроды. Под воздействием напряжения обеспечивается образование тлеющего разряда, небольшая часть которого используется для разогрева биметаллических электродов.

Схема работы стартера

Результатом нагревания становится изгиб и замыкание электроцепи, с последующим прекращением тлеющего разряда внутри стартера. Проход тока по цепи последовательно соединенных дросселя и катодов вызывает их эффективный прогрев. Временем замкнутого состояния стартерных электродов определяется продолжительность прогрева катодов любой люминесцентной лампы.

Средний срок эксплуатации стартера равен продолжительности работы осветительного прибора, но с течением времени уровень интенсивности напряжения тлеющего внутреннего разряда заметно понижается.

Устройство и принцип работы люминесцентного светильника

Современные люминесцентные светильники относятся к категории наиболее распространенных типов надежных и долговечных осветительных приборов. Если до недавнего времени такие устройства использовались преимущественно в обустройстве освещения административных и офисных зданий, то в последние годы они всё чаще находят применение в жилых помещениях.

Источник света в таких видах светильников представлен люминесцентной или газоразрядной лампой, функционирующей благодаря свойству некоторых газообразных и парообразных веществ достаточно мощно светиться в условиях электрического поля.

Светильник люминесцентный

Люминесцентные лампы, устанавливаемые в малогабаритные и компактные светильники, могут обладать кольцевидной, спиралевидной или любой другой формой, что положительно сказывается на габаритах осветительного прибора.

Выпускаемые лампы принято подразделять на линейные и компактные модели. Первый вариант имеет характерные отличия по длине, а также диаметру колбы. Компактные модели имеют, как правило, изогнутую трубку, а основные различия представлены типом цоколя.

Блок 2

Несмотря на кажущуюся простоту устройства, и несложный принцип работы люминесцентной лампы, чтобы продлить срок службы прибора и получить качественное освещение, важно строго соблюдать схему подключения и использовать комплектующие только от проверенных и хорошо зарекомендовавших себя производителей.

Видео на тему

Люминесцентная лампа - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Традиционная люминесцентная лампа в форме трубки в простом приспособлении.

Люминесцентная лампа - это тип электрического света (лампы), в котором используется ультрафиолет, излучаемый парами ртути, для возбуждения люминофора, излучающего видимый свет. Есть два основных типа: традиционные флуоресцентные и компактные люминесцентные. Эта статья о традиционных люминесцентных лампах (с прямой трубкой).

Закупочная цена люминесцентной лампы часто намного выше, чем стоимость лампы накаливания той же мощности, и свет люминесцентных ламп выглядит иначе, чем свет ламп накаливания. [1] Люминесцентные лампы имеют более длительный номинальный срок службы и потребляют меньше энергии, чем лампы накаливания той же яркости. Люминесцентная лампа может сэкономить более 30 долларов США на расходах на электроэнергию в течение срока службы лампы по сравнению с лампой накаливания. [2]

Электрический ток пропускается к парам ртути внутри трубки, заставляя их излучать ультрафиолетовый (УФ) свет. Люминофор на стенках трубки поглощает ультрафиолетовый свет. Это заставляет электрон подпрыгивать на орбиталь с более высокой энергией.Когда электрон падает обратно на свою нормальную орбиталь, люминофор повторно излучает свою энергию в виде видимого света.

Балласт предотвращает прохождение слишком большого количества электричества через трубку. Он также запускает лампу с высоким напряжением на долю секунды при включении. Балласт расположен внутри светильника в традиционных светильниках люминесцентных ламп. В компактных люминесцентных лампах балласт находится в основании или рядом с основанием лампы. Есть два типа балластов: магнитные и электронные.Магнитные балласты в основном вышли из употребления, так как они менее эффективны, чем электронные балласты, они вызывают мерцание лампы и не запускаются мгновенно. Электронные балласты когда-то были дороже магнитных балластов, но сейчас цена примерно такая же.

Средний срок службы люминесцентной лампы в 8–15 раз больше, чем у лампы накаливания. [3] Люминесцентные лампы обычно имеют номинальный срок службы от 7000 до 15000 часов, тогда как лампы накаливания обычно производятся с расчетным сроком службы 750 или 1000 часов. [4] [5] [6]

Срок службы любой лампы зависит от многих факторов, включая рабочее напряжение, производственные дефекты, воздействие скачков напряжения, механические удары, частоту циклов включения и выключения, лампы ориентация и температура окружающей среды. Срок службы люминесцентной лампы значительно короче, если ее часто включать и выключать. В случае 5-минутного цикла включения / выключения срок службы люминесцентной лампы может быть сокращен до «близкого к сроку службы ламп накаливания». [7] Программа US Energy Star рекомендует оставлять люминесцентные лампы включенными, когда выходите из комнаты менее чем на 15 минут, чтобы этой проблемы не возникало. Если свет необходимо часто включать и выключать, можно использовать люминесцентные лампы с холодным катодом. Люминесцентные лампы с холодным катодом рассчитаны на гораздо большее количество циклов включения / выключения, чем стандартные лампы.

Ртуть внутри трубки токсична и превращает эти лампы в опасные отходы. После того, как луковицы перестанут работать, их необходимо сдать в центр утилизации.При нормальном использовании ртуть не может улетучиться, хотя она улетучится, если лампочка сломана. Если одна лампочка выходит из строя, обычно это не проблема. Рекомендуется открывать окна, чтобы проветрить комнату, и убирать разбитое стекло изолентой вместо пылесоса.

Многие люди и предприятия не хотят использовать люминесцентные лампы из-за содержания в них ртути. Возможными альтернативами являются галогенные, светодиодные и традиционные лампы накаливания.

Светодиодные трубки могут быть установлены в люминесцентные лампы, но иногда электрику необходимо сначала перемонтировать светильник, чтобы удалить балласт.

.

Start it Up - Как работают люминесцентные лампы

В классической конструкции люминесцентных ламп, которая по большей части пришла на второй план, использовался специальный механизм включения стартера для зажигания лампы. Вы можете увидеть, как эта система работает, на схеме ниже.

При первом включении лампы путь наименьшего сопротивления проходит через байпасную цепь и через выключатель стартера . В этой цепи ток проходит через электроды на обоих концах трубки.Эти электроды представляют собой простые нитей накала , как в лампе накаливания. Когда ток проходит через байпасную цепь, электричество нагревает нити. Это отрывает электроны от поверхности металла, отправляя их в газовую трубку, ионизируя газ.

Объявление

В то же время электрический ток вызывает интересную последовательность событий в выключателе стартера. Обычный выключатель стартера представляет собой небольшую разрядную лампочку, содержащую неон или другой газ.Колба имеет два электрода, расположенных рядом друг с другом. Когда электричество первоначально пропускается через байпасную цепь, электрическая дуга (по сути, поток заряженных частиц) прыгает между этими электродами, чтобы создать соединение. Эта дуга зажигает лампочку так же, как большая дуга зажигает люминесцентную лампу.

Один из электродов - биметаллическая полоса , которая изгибается при нагревании. Небольшое количество тепла от зажженной лампы изгибает биметаллическую полосу, так что она контактирует с другим электродом.Когда два электрода соприкасаются друг с другом, току больше не нужно прыгать по дуге. Следовательно, через газ не протекают заряженные частицы, и свет гаснет. Без тепла от света биметаллическая полоса охлаждается, отклоняясь от другого электрода. Это размыкает цепь.

К тому времени, когда это произойдет, нити уже ионизировали газ в люминесцентной лампе, создав электропроводящую среду.Трубке просто нужен скачок напряжения на электродах, чтобы образовалась электрическая дуга. Этот толчок обеспечивается балластом лампы, специальным трансформатором, включенным в цепь.

Когда ток течет через байпасную цепь, он создает магнитное поле в части балласта. Это магнитное поле поддерживается текущим током. При размыкании переключателя стартера ток на короткое время отключается от балласта. Магнитное поле схлопывается, что вызывает внезапный скачок тока - балласт высвобождает накопленную энергию.

Этот выброс тока помогает создать начальное напряжение, необходимое для образования электрической дуги в газе. Вместо того, чтобы проходить через байпасную цепь и перепрыгивать через зазор в выключателе стартера, электрический ток течет через трубку. Свободные электроны сталкиваются с атомами, выбивая другие электроны, что создает ионы. В результате получается плазма , газ, состоящий в основном из ионов и свободных электронов, которые все свободно движутся.Это создает путь для электрического тока.

Удар летящих электронов сохраняет две нити теплыми, поэтому они продолжают испускать новые электроны в плазму. Пока есть переменный ток и нити не изношены, ток будет продолжать течь через трубку.

Проблема с такой лампой в том, что она загорается через несколько секунд. В наши дни большинство люминесцентных ламп рассчитаны на то, чтобы загораться почти мгновенно. В следующем разделе мы увидим, как работают эти современные конструкции.

.

Как работают люминесцентные лампы

Как работают люминесцентные лампы
Elliott Sound Products Как работают люминесцентные лампы

© 2007 Род Эллиотт (ESP)


Лампы и энергетический индекс
Основной указатель

Содержание
1 Введение

Статья «Традиционные люминесцентные ламповые лампы и их альтернативы» рассматривает работу люминесцентных ламп в довольно простых терминах, но здесь мы рассмотрим лампы и их балласты (как «традиционных» магнитных, так и электронных типов) и немного углубимся в их внутреннюю часть. выработки.Используются альтернативные схемы балласта (например, «опережение / запаздывание»), и это показано в предыдущей статье. Здесь это не рассматривается, потому что речь идет о том, как они работают, а не о способе подключения фитингов.

Принцип работы люминесцентной лампы сильно отличается от простой лампы накаливания, и современные люминесцентные лампы (особенно компактные люминесцентные лампы или КЛЛ) используют электронные балласты для регулирования напряжения на лампе и тока через нее.При первом запуске необходимо обеспечить значительно более высокое напряжение, чем обычно, чтобы вызвать возникновение внутренней дуги, а после запуска ток должен быть ограничен до безопасного значения для трубки.

В этой статье показаны некоторые способы достижения этих целей, начиная с базового индуктивного балласта, который на протяжении многих лет является основой производства люминесцентных ламп.

Обратите внимание, что показанные здесь формы сигналов представляют собой комбинацию моделирования и реальных измерений.При необходимости смоделированные формы сигналов корректируются для соответствия измеренным. Причина этого подхода проста ... симулятор не может представить нагрузку с отрицательным импедансом с соответствующими напряжениями удара и другими характеристиками, которые представляет люминесцентная лампа. Точно так же очень сложно (и потенциально смертельно) пытаться уловить все напряжения и токи, которые существуют в цепях реальных люминесцентных ламп.

Хотя принятый подход действительно вносит некоторые незначительные ошибки в показанные формы сигналов, они относительно незначительны, а конечный результат находится в пределах любого традиционного производственного допуска для балластов, ламп и других компонентов.


2 Индуктивный балласт

Для объяснения индуктивного балласта я использовал старую «компактную» люминесцентную лампу, которая идеально подходит для тестирования. Хотя он по-прежнему работает, световой поток несколько ниже, чем должен быть, но это лишь немного меняет некоторые измеренные значения. Принципы не меняются.

Сама лампа имеет следующие характеристики ...

Диаметр трубки 11,3 мм (нестандартный)
Длина 533 мм (21 дюйм)
Сопротивление нити (холодное) 12.8 Ом
Сопротивление накала (горячее) 23 Ом
Балластное сопротивление 105 Ом
Индуктивность балласта 2,11 H
Starter Starter
Starter 1,2 нФ

Диаметр люминесцентных ламп обычно обозначается как T8 (например). Это означает, что диаметр равен 8 x 1/8 дюйма, что составляет 1 дюйм (25.4 мм). Ранние трубки были T12 (1½ дюйма или 38 мм в диаметре), но они были уменьшены в размерах до T8, когда были представлены (тогда) «новые» высокоэффективные типы. Стандартная 4-футовая трубка (1200 мм) раньше рассчитывалась на 40 Вт, но их заменили на 36 Вт, а светоотдача была улучшена. Последнее воплощение - T5 (диаметр 16 мм), в котором используется меньшее расстояние между выводами и другой фитинг надгробия. Они также короче (1163 мм) и не подходят для стандартного светильника. разработан для более ранних ламп.

В случае моего тестового образца диаметр трубки намного меньше обычного, потому что лампа обозначена как компактная, поэтому ее складывают, чтобы уменьшить общую длину.Упоминается сопротивление нити, потому что оно будет упомянуто позже в этой статье. Схема представлена ​​ниже и является стандартной во всех отношениях.


Рисунок 1 - Схема люминесцентной лампы

Индуктор - это балласт, и на самом деле это гораздо более важный компонент, чем он может показаться. Он не только ограничивает максимальный ток трубки, но и используется для генерации импульсов высокого напряжения, необходимых для зажигания плазменной дуги внутри трубки. Сама люминесцентная лампа имеет на каждом конце нагреватель, небольшое количество ртути и инертный газ (обычно аргон).Стенка трубки покрыта люминофором, который излучает видимый свет при возбуждении интенсивным коротковолновым ультрафиолетовым светом, излучаемым ртутным дуговым разрядом. Дополнительный конденсатор (C2) предназначен для коррекции коэффициента мощности - подробнее об этом позже.

Маленькая лампочка - стартер. Биметаллическая полоса запечатана в стеклянную оболочку с (обычно) неоновым газом внутри. При подаче питания напряжения более чем достаточно, чтобы вызвать дугу в неоновом пускателе, но не настолько, чтобы вызвать дугу в самой лампе.Тепло от неоновой дуги заставляет биметаллическую полосу изгибаться, пока она не замыкает контакты. Затем дуга в неоновом пускателе прекращается, и сеть подключается через балласт и нити на каждом конце трубки через выключатель стартера.

Когда в пускателе нет дуги (или накаливания), биметаллическая полоса охлаждается, и примерно через секунду выключатель размыкается. Прерывание тока через катушку индуктивности вызывает возврат напряжения - импульс высокого напряжения, который (будем надеяться) запустит дугу в трубке.Если дуга не запускается с первого раза, процесс повторяется до тех пор, пока не начнется. Вот почему стандартные люминесцентные лампы при включении несколько раз мигают. Нити - это нагреватели, которые действуют как катоды (эмиттеры электронов) и необходимы для обеспечения достаточного количества тепла для испарения ртути и обеспечения хорошего потока электронов для возбуждения плазмы. Когда лампа работает нормально, потока электронов достаточно для поддержания приемлемой рабочей температуры нити накала. Обе нити действуют как катоды и аноды поочередно, потому что полярность меняется 50 (или 60) раз в секунду.

Плазма имеет интересную характеристику ... отрицательное сопротивление! Как только начинается дуга, более высокий рабочий ток вызывает падение сопротивления и меньшее напряжение появляется на трубке. Если бы это продолжалось, трубка очень быстро разрушилась бы. Балласт предотвращает это, потому что он вводит последовательный импеданс для ограничения тока. Сопротивление не сработает, потому что оно слишком расточительно и не обеспечивает накопления энергии для генерации всплеска обратного напряжения, чтобы повторно зажигать дугу при каждом изменении полярности.


Рисунок 2 - Рабочие кривые

На Рисунке 2 вы можете видеть, что, когда ток трубки (зеленая кривая) максимален, напряжение (красная кривая) на трубке минимально. Вы можете увидеть эффект сразу после каждого скачка напряжения. По мере увеличения тока напряжение падает (для этой трубки минимум составлял ± 126 В). Пик в точке пересечения нуля формы волны тока генерируется балластом, и именно он повторно зажигает дугу для каждого полупериода подключенной сети.На рисунке 3 показано напряжение на балласте - быстрые переходы соответствуют пикам, приложенным к лампе, и происходят около пика напряжения, где ток прерывается, когда проходит через ноль.


Рисунок 3 - Напряжение и ток в балласте

Форма волны напряжения на балласте по существу представляет собой разницу между приложенным сетевым напряжением и напряжением на лампе. Для работы на 120 В напряжение явно меньше, но лампе все еще нужно где-то между 300-400 В, чтобы зажигать (или повторно зажигать) дугу, поэтому балласт должен иметь возможность компенсировать разницу с помощью обратного импульса на каждом нуле. -пересечение тока.У меня нет люминесцентной лампы на 120 В или балласта, поэтому я не могу предоставить полную информацию. То, что люминесцентные лампы вообще работают с напряжением 120 В, несколько примечательно, но легко понять, почему электронные балласты так популярны в США. Многие балласты для стран с напряжением 120 В используют «балласт» автотрансформатора, который увеличивает доступное напряжение и действует как ограничитель тока.


3 Системные потери

В системе несколько потерь, причем балласт является одним из основных факторов.Балласт, использованный в моих тестах, имеет сопротивление постоянному току 105 Ом, поэтому расходуется почти 7 Вт. Потери на самом деле выше, потому что стальные листы очень быстро нагреваются, поэтому «потери в железе» значительны. Это можно уменьшить только за счет использования стали более высокого качества и более тонких листов. Оба значительно увеличат стоимость.

Каждая нить накала имеет горячее сопротивление 23 Ом, и при работе лампы на каждой нити накала присутствует напряжение почти 6 В. Помните, что во время работы конец нити накала, идущий к стартеру, отключается (за исключением очень маленькой емкости на стартере).Измеренное напряжение представляет собой градиент, вызванный током плазмы, и каждая нить накала рассеивает около 1,5 Вт (всего 3 Вт). Только в этих компонентах люминесцентная лампа расходует 10 Вт подаваемой мощности в виде тепла (7 Вт для балласта, 3 Вт для нити накала).

Хотя балластные отходы могут быть уменьшены с помощью более качественного устройства, потеря накала необходимы для работы лампы. Это относится ко всем люминесцентным лампам, за исключением специализированных типов с холодным катодом, но для них требуется такой же специализированный электронный балласт.CCFL (люминесцентные лампы с холодным катодом) чаще всего встречаются в ЖК-мониторах и телевизорах, но теперь их заменяют светодиоды в новых моделях.

Есть еще одна потеря, которую пользователь не видит и даже не оплачивает. Эти потери являются результатом низкого коэффициента мощности люминесцентных ламп, и это вызвано преимущественно индуктивной нагрузкой. Индуктивная нагрузка вызывает запаздывающий коэффициент мощности, когда максимальный ток возникает после максимального напряжения. Вы также можете рассматривать это как точку, где нагрузка (лампа и индуктор) фактически возвращает некоторую мощность источнику.Для поставщика электроэнергии это означает, что трансформаторы, кабели и генераторы переменного тока должны выдерживать больший ток, чем должен быть. Это становится очень дорогостоящим, когда очень много нагрузок имеют низкий коэффициент мощности.


Рисунок 4 - Напряжение Vs. Текущие, нескорректированные и исправленные

На рисунке 4 вы можете видеть, что нескорректированная форма волны тока имеет видимые искажения около точки пересечения нуля. Как вы также можете видеть, среднеквадратичный ток также значительно выше, чем указано в номинальной мощности.Реактивные нагрузки имеют разные значения мощности и ВА, но для резистивной (или нереактивной) нагрузки они одинаковы.

В этом случае ток без C2 составляет 256 мА, а при добавлении C2 он падает до 162 мА. При приложенном напряжении 240 В это означает, что ...

Без компенсации Общая мощность = 38 Вт
ВА = 61,4 Коэффициент мощности = 0,62
С компенсацией Общая мощность = 38 Вт
ВА =9 Коэффициент мощности = 0,97

Коэффициент мощности можно рассчитать, используя фазовую задержку или разделив фактическую мощность на ВА (Вольт * Ампер). Для угла сдвига по фазе ток отстает от напряжения на 57,4 °, а коэффициент мощности рассчитывается путем взятия косинуса фазового угла - 0,53 в данном случае. Цифры разные, потому что форма волны тока не является чистой синусоидой - она ​​имеет искажения. Добавление конденсатора сдвигает фазу искажения, так что форма сигнала компенсированного тока имеет плоскую вершину (что-то вроде ограничения усилителя).Хотя это вносит гармоники в сеть, их влияние далеко не так плохо, как в некомпенсированной цепи, о чем свидетельствует скорректированный коэффициент мощности. Добавление конденсатора правильного номинала в чисто индуктивную цепь (без искажения формы сигнала) даст коэффициент мощности, равный единице - идеальный вариант.

Обратите внимание, что использование косинуса фазового угла (CosΦ) является сокращением, и может использоваться только , когда оба напряжение и ток являются синусоидальными волнами.Он вообще не работает для сигналов с сильными искажениями, например, генерируемых электронными нагрузками, и будет давать неверные ответ для индуктивных нагрузок, которые включают искажения (например, люминесцентные лампы). Вы всегда получите , получите правильный ответ, если разделите реальную мощность на ВА.

Также доступны пускорегулирующие аппараты с «быстрым запуском» и пускорегулирующие устройства без пускового устройства. Они выходят за рамки данной статьи, которая предназначена для описания основных принципов, а не для подробного описания всех имеющихся балластов люминесцентного освещения.


4 электронных балласта

Электронные балласты становятся все более распространенными, потому что их можно сделать более эффективными, чем типичный магнитный балласт, и для них требуется гораздо меньше материала. Это делает их дешевле (в изготовлении, но не обязательно для вас), чем люминесцентные лампы с обычным балластом. В частности, теперь все компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) используют электронный балласт, который обычно поставляется с самой лампой. Хотя это удобно, это ужасная трата ресурсов, потому что все электронные компоненты просто выбрасываются при выходе из строя лампы.Лампы T5 в настоящее время становятся стандартом для люминесцентного освещения, и для максимального срока службы электронный балласт необходим.

В некоторой степени повышение эффективности по сравнению с магнитным балластом может быть иллюзией - по крайней мере, частично. Поскольку они намного легче, есть реальная и определенная экономия на транспортных расходах, но магнитные балласты могут быть такими же эффективными, как электронная версия, а может быть, даже больше. Как бы то ни было, переход к электронным балластам сейчас не остановить, и по мере того, как цена снизится, их использование будет продолжать расти.У электронных балластов есть и другие преимущества, о которых мы поговорим позже.

Типовая (более или менее) принципиальная схема электронного балласта, используемого в КЛЛ, показана ниже. Те, которые используются для обычных люминесцентных ламп, будут очень похожи, но обычно будут использовать обновленные компоненты. В то время как электроника в КЛЛ может прослужить всего 15 000 часов, стационарный электронный балласт, как ожидается, прослужит 100 000 часов или более (более 10 лет непрерывной работы).На самом деле электронный балласт должен быть способен прослужить столько же, сколько и его магнитный аналог, поэтому срок службы 40 лет не так глуп, как может показаться.


Рисунок 5 - Схема электронного балласта [2]

Схема на Рисунке 5 представляет собой несколько упрощенную версию схемы, показанной в листе данных Infineon. Он полностью скорректирован по коэффициенту мощности и имеет защиту для обнаружения неисправных (или отсутствующих) ламп. Характерным режимом отказа люминесцентных ламп является «выпрямление», когда одна нить накала (катод) становится значительно слабее другой.Если не обнаружено, смещение постоянного тока приведет к отказу коммутирующих устройств, что сделает балласт бесполезным (маловероятно, что кто-то отремонтирует их, когда они сломаются).

Электронный балласт действительно имеет ряд преимуществ перед магнитной версией. Поскольку дуга полностью погаснет примерно через 1 мс, при использовании более высокой частоты, чем сеть 50 или 60 Гц, дуга останется. Его не нужно наносить повторно, а просто меняет направление [1]. Кроме того, светоотдача увеличивается примерно на 10% выше 20 кГц, поэтому улучшается световая отдача.

До тех пор, пока коэффициент мощности всех этих электронных балластов не будет скорректирован, они будут вызывать проблемы с распределением. К сожалению, во многих странах не требуется, чтобы приборы малой мощности (обычно менее 75 Вт) имели коррекцию коэффициента мощности, но, учитывая распространение КЛЛ и электронных балластов в обычных люминесцентных лампах, это придется изменить. Поскольку освещение используется в каждом доме, проблема неисправленного коэффициента мощности выйдет из-под контроля, если что-то не будет сделано.

В отличие от магнитного балласта (индуктора), коэффициент мощности электронного балласта нельзя скорректировать простым добавлением конденсатора. Как видно на диаграмме выше (хотя это может быть не сразу очевидно), на выходе входного мостового выпрямителя имеется очень маленький конденсатор емкостью 220 нФ. Первый полевой МОП-транзистор работает как повышающий преобразователь и переключается на протяжении каждого полупериода. Таким образом, среднеквадратичный ток, потребляемый из сети, поддерживается в фазе с напряжением, а форма волны тока является приблизительно синусоидальной.Это дает очень хороший коэффициент мощности - возможно лучше 0,9. Чтобы предотвратить возвращение высокоскоростных коммутационных импульсов в сеть, необходима обширная фильтрация, на что указывает фильтр EMI (электромагнитные помехи) на входе.

Для компактных люминесцентных ламп (КЛЛ) используется несколько более простая схема, так как схемы предназначены для выбрасывания. Лично я считаю это бессмысленным расточительством и надеюсь, что это не будет продолжаться (или, по крайней мере, будет введена переработка, чтобы восстановить как можно больше).Типичный инвертор CFL показан ниже ...


Рисунок 6 - Типовая схема электронного балласта CFL

Я говорю «достаточно типичный», потому что реальные схемы сильно различаются. Доступны специализированные микросхемы драйверов MOSFET, но большинство дешевых (потребительских) CFL будут использовать вариант вышеупомянутого. Обратите внимание, что резистор 0,47 Ом, показанный на входе, обычно представляет собой плавкий резистор, и он используется в первую очередь в качестве предохранителя. Почему бы не использовать настоящий предохранитель? Резисторы дешевле.Большинство деталей будет выбрано таким образом, чтобы выжить в течение указанного срока службы лампы, поэтому лучшие методы проектирования обычно игнорируются, если можно ожидать, что деталь с более низким номиналом (и более дешевая) прослужит около 10 000 часов.

Трансформатор (T1) обеспечивает обратную связь с транзисторами и генерирует базовый ток, необходимый для надежного переключения. Цикл инициируется DIAC - двунаправленным устройством, которое имеет резкий переход из непроводящего состояния в проводящее.Поскольку он имеет характеристики, очень похожие на устройство с отрицательным импедансом, его часто используют в диммерах, люминесцентных балластах и ​​даже стробоскопах. Для получения дополнительной информации щелкните здесь, чтобы просмотреть руководство по DIAC.

Обратите внимание, что схемы, показанные выше, предназначены только для информации и не должны быть построены так, как показано. Для некоторых компонентов требуются очень специфические параметры, трансформаторы и индукторы имеют решающее значение. В схемах нет ничего плохого, им просто не хватает всей информации, необходимой для их построения.Речь идет о том, как эти вещи работают, а не о том, как их построить.


5 Коэффициент мощности Коэффициент мощности

не совсем понятен большинству энтузиастов электроники, и это вполне понятно, потому что он мало востребован в общих электронных схемах. Есть аспекты коэффициента мощности, которые даже не понимают многие инженеры, которым следует знать лучше. Когда создаются несинусоидальные формы волны тока, даже многие инженеры делают двойную попытку, потому что они не могут быть использованы для работы с электронными нагрузками.Я рассмотрю здесь оба случая, а также намереваюсь показать методы пассивной и активной коррекции коэффициента мощности. Хотя пассивный PFC (коррекция коэффициента мощности) привлекает своей простотой, на самом деле он оказывается более дорогим из-за необходимости в большом индукторе. Активный PFC кажется сложным (и это действительно так, если вам нужно его спроектировать), но после разработки использует относительно дешевые компоненты.

Самый простой случай - индуктивная нагрузка. Это относится ко многим электрическим машинам, включая двигатели, трансформаторы и (конечно) балласты люминесцентного освещения (магнитные типы).Когда двигатель или трансформатор полностью нагружены, он проявляет себя как резистивная нагрузка и имеет отличный коэффициент мощности. При малых нагрузках эта же часть оказывается индуктивной, и это приводит к отставанию тока от напряжения. Если нагрузка работает в этом режиме большую часть своего срока службы, необходимо применить поправку, чтобы вернуть коэффициент мощности как можно ближе к единице.

Коэффициент мощности резистивной нагрузки всегда единица - это идеально. Каждый вольт и каждый ампер используются для выработки тепла.Распространенными примерами являются электрические обогреватели, тостеры, чайники и лампы накаливания. Однако не все нагрузки резистивные, поэтому давайте рассмотрим типичный пример (но упрощенный для простоты описания и понимания).

Электрическая машина обычно работает при половинной нагрузке, но может потребоваться полная мощность при запуске или для того, чтобы выдерживать переходные нагрузки. Это может быть двигатель или трансформатор - две из наиболее распространенных используемых электрических машин (люминесцентная лампа с магнитным балластом немного сложнее).В каждом случае индуктивная и резистивная составляющие нагрузки будут равны (для половинной мощности), а формы сигналов напряжения, тока и мощности выглядят следующим образом ...


Рисунок 7 - Электрическая машина на половинной мощности

Как и ожидалось, когда резистивная и индуктивная составляющие равны, наблюдается фазовый сдвиг на 45 °, при этом ток отстает от напряжения (запаздывающий коэффициент мощности). Приложенное напряжение - 240 В, резистивная часть нагрузки - 120 Ом, индуктивное реактивное сопротивление - также 120 Ом, мощность - 240 Вт.Мы должны потреблять 1 А от сети (240 В x 1 А = 240 Вт), но вместо этого потребляем 1,414 А. Дополнительный ток необходимо подавать, но он полностью расходуется впустую. Что ж, это не совсем так - его возвращают в сеть. Однако, если многие нагрузки делают то же самое, то оно просто рассеивается в виде тепла в трансформаторах, линиях электропередачи и генераторах электростанций. Очень мало реальных нагрузок являются емкостными, поэтому в схему добавляется конденсатор.

При сдвиге фазы 45 ° коэффициент мощности равен 0.707, и мы потребляем 1,42 А от сети вместо 1 А. Чтобы восстановить ток так, чтобы он был в фазе с напряжением, нам нужно добавить в схему конденсатор. Конденсатор фактически противоположен катушке индуктивности и (сам по себе) будет создавать ведущий коэффициент мощности - ток будет предшествовать напряжению. Добавив в схему конденсатор нужного номинала, коэффициент мощности можно восстановить до единицы, что приведет к значительному снижению тока, потребляемого от сети. Для этого примера 13 мкФ почти идеальны, но даже 10 мкФ уменьшат сдвиг фазы задержки до 14.2 °, и это увеличивает коэффициент мощности до 0,96 - обычно считается максимально близким к идеальному.

Весь процесс несколько противоречит интуиции. То, что нагрузка может потреблять больше тока, чем должно, достаточно легко понять, но то, что повторное потребление большего тока через конденсатор уменьшит сетевой ток, не имеет никакого смысла. Все дело в относительной фазе двух токов, и это действительно работает. В противном случае наша энергосистема оказалась бы в крайне тяжелом положении.


Рисунок 8 - Люминесцентный свет при нормальной работе

На несколько упрощенной схеме выше показаны формы сигналов напряжения и тока люминесцентной лампы. Упрощение состоит в том, что симуляторы не включают в себя нелинейные нагрузки с отрицательным сопротивлением, но на основной принцип (и результирующие формы сигналов) это существенно не влияет. Как видите, форма сигнала тока немного искажена, и это влияет на форму сигнала после применения компенсации. Фактически, гармоники, генерируемые искажением, сдвинуты по фазе, поэтому окончательная форма волны тока выглядит как обрезанная синусоида.Однако после компенсации коэффициент мощности очень хороший, 0,98 - отличный результат.

Без компенсации потребляемый ток составляет 276,5 мА (что дает коэффициент мощности 0,57), а после компенсации он падает до 159,5 мА. Мощность нагрузки (самой лампы) составляет 29,8 Вт, а резистивный компонент балласта (R1) рассеивает 7,8 Вт - это теряется в виде тепла. Все потраченное впустую тепло снижает общую эффективность, но это неизбежно, поскольку реальные компоненты имеют реальные потери.

Ситуация становится намного хуже, когда используется нелинейная (электронная) нагрузка.На рисунке 9 показаны эквивалентная схема и осциллограммы - ток протекает только на пике приложенного напряжения. Хотя этот ток находится в фазе с напряжением, коэффициент мощности ужасен, потому что форма волны тока не похожа на синусоиду. Резкие пики тока имеют сравнительно высокое среднеквадратичное значение, но мощность, подаваемая и подаваемая на нагрузку, намного меньше.


Рисунок 9 - Осциллограммы мощности электронной нагрузки

Скорректированный ток не показан по той простой причине, что для коррекции формы сигнала необходимы значительные дополнительные компоненты.В отличие от случая, когда ток нагрузки является синусоидальным (или близок к нему), простое добавление конденсатора не принесет ничего полезного. Пики тока таковы, что их можно удалить только с помощью фильтра, предназначенного для пропускания только частоты сети. Как показано, ток составляет 296 мА, но, как видно, пиковое значение составляет почти 2 А. Нагрузка рассеивает 28 Вт, но «полная мощность» (ВА) составляет 71,4 ВА. Это дает коэффициент мощности 0,39 - действительно очень плохо. Если вам интересно, куда пропала разница в 1 Вт между источником и нагрузкой, она теряется в диодах.

Добавив фильтр (пассивный PFC), состоящий из катушки индуктивности и пары конденсаторов, это можно улучшить, но требование относительно большой индуктивности значительно увеличивает вес и стоимость. Один Генри примерно настолько мал, насколько вы можете использовать для определения номинальной мощности нагрузки, и хотя большее значение будет работать лучше, оно также снова будет больше, а также будет иметь более высокие потери. По этим причинам пассивная коррекция коэффициента мощности обычно не используется с импульсными источниками питания.


Рисунок 10 - Пассивная коррекция коэффициента мощности

За счет добавления катушки индуктивности и конденсатора, как показано на рисунке, коэффициент мощности значительно повышается.Форма волны тока все еще не очень хорошая, но она намного лучше, чем схема без коррекции. Среднеквадратичный ток снижен с 296 мА до 136 мА, что дает 32,6 ВА. Мощность нагрузки составляет 29 Вт, поэтому коэффициент мощности теперь 0,88, что намного более достойно. Как показано на рисунке 9, электроника практически не имеет потерь. Излишне говорить, что это не так, но речь идет о PFC, а не о потерях в цепи.

Катушка индуктивности (L1) представляет собой относительно большой компонент, и из-за этого будет сравнительно дорогим.Чтобы снизить стоимость и вес, электронная схема коррекции коэффициента мощности является лучшим предложением, и она также будет более эффективной. Более низкие потери мощности означают меньше потерь тепла и более прохладную электронику.


Рисунок 11 - Схема активной коррекции коэффициента мощности

Схема, показанная здесь, почти идентична схеме на рисунке 5, но упрощена, чтобы ее было легче понять. Входящая сеть проходит через фильтр электромагнитных помех, состоящий из C1 и L1. Затем он идет на мостовой выпрямитель, но вместо большого электролитического конденсатора все, что нужно, - конденсатор 220 нФ (C2).Выходной сигнал является пульсирующим постоянным током и изменяется от почти нуля до полного пикового напряжения (340 В для источника питания 240 В RMS). Затем он передается на очень умный повышающий преобразователь режима переключения - L2, Q1 и D5. Это увеличивает любое мгновенное напряжение на его входе до пикового напряжения - в этом случае моделируемый преобразователь стабилизируется на уровне 446 В (несколько выше, чем обычно используется).

Время включения и выключения тщательно контролируется для поддержания тока, который пропорционален форме волны входящего переменного тока, поэтому рабочий цикл (отношение включения-выключения) постоянно изменяется для поддержания правильного повышенного напряжения и пропорционального тока.D6 включен для быстрой зарядки крышки основного фильтра (C3) от сети, а также обеспечивает подзарядку крышки. Это позволяет упростить схему управления.

Выходное напряжение повышающего преобразователя (обычно) регулируется, но регулирование не обязательно должно быть прекрасным, что опять же в некоторой степени упрощает схему. В схеме, показанной на Рисунке 5, вы видите, что индуктор повышающего преобразователя (1,58 мГн) имеет вторичную обмотку. Это используется, чтобы сообщить IC контроллера, когда был достигнут правильный ток.В упрощенной схеме, показанной на рисунке 11, это не используется - период переключения фиксирован (схема была смоделирована, чтобы я мог получить форму тока, показанную ниже). Хотя эта упрощенная версия не так хороша, как «настоящая», она работает довольно хорошо - по крайней мере, в симуляторе.


Рисунок 12 - Формы сигналов активной коррекции коэффициента мощности

Как видите, форма сигнала тока довольно искажена, но измеренные характеристики симулятора впечатляют, несмотря на его относительную простоту.При 60 Вт в нагрузке (балласт и люминесцентная лампа) фактическая мощность сети составляет 61 Вт (потери в диодах, как и раньше), а при токе сети 266 мА он потребляет 64 ВА. Таким образом, коэффициент мощности составляет 0,94 - действительно очень удовлетворительный результат. Это значительно лучше, чем схема пассивной коррекции коэффициента мощности, и этого следовало ожидать. Весь анализ, который я видел, показывает, что активная схема коррекции коэффициента мощности превосходит пассивную схему как с точки зрения общего КПД, так и коэффициента мощности. Катушки индуктивности имеют небольшие размеры (электрически и физически), а потери будут намного ниже, чем в любой пассивной цепи PFC.

Если вам интересно, мощность лампы в два раза больше, чем в двух предыдущих примерах, из-за того, что повышающий преобразователь имеет более высокое выходное напряжение, чем желаемое. Мне очень не хотелось тратить много времени на попытки подобрать уровни мощности, а моя упрощенная версия не регулируется. Обеспечить успешную работу симуляции для импульсного преобразователя было непросто, а симуляции требовали много времени из-за высокочастотного переключения.

Сейчас довольно стандартно, что искажение формы волны обозначается как THD (полное гармоническое искажение), которое в случае активной схемы PFC равно 11.7%. Делайте из этого то, что хотите.


6 Температура

Для правильной работы всех ртутных люминесцентных ламп очень важна температура. Есть относительно узкая полоса над и под которой уменьшается дуга, в результате чего световой поток ниже ожидаемого. Когда трубка холодная, в ней остается меньше паров ртути, поэтому дуга не может достичь полной силы, потому что молекул ртути недостаточно для поддержания разряда на желаемом уровне.

Когда температура слишком высока, давление пара увеличивается, увеличивая эффективное сопротивление дуги и снова уменьшая ток разряда. Для большинства компактных ламп (а также, вероятно, большинства стандартных люминесцентных ламп) температура трубки должна быть около 40 ° C для максимальной светоотдачи. При 0 ° C световой поток составляет всего 40% - действительно очень тусклая лампа. Более высокие температуры не так сильны, но слишком горячая лампа все равно будет сильно разряжена.


Рисунок 13 - Светоотдача в зависимости отТемпература

Когда температура приближается к -38,83 ° C, световой поток полностью прекращается. Это температура, при которой ртуть замерзает, поэтому пары ртути не могут поддерживать дугу и излучать УФ-излучение. Кроме того, по мере снижения температуры напряжение, необходимое для зажигания дуги, увеличивается, и при 0 ° C лампе потребуется примерно на 40% больше напряжения для зажигания по сравнению с напряжением зажигания при нормальной температуре окружающей среды.

Во многих частях света 0 ° C (или ниже) - это нормальная температура окружающей среды в течение многих месяцев в году, поэтому лампу будет труднее запустить и она будет иметь низкую мощность, пока лампа не нагреется немного. .В таких климатических условиях трубу следует закрывать, чтобы защитить ее от ветра, который может значительно снизить температуру и светоотдачу.

.Температура окружающей среды
* Примечание - закрытый светильник обеспечивает повышение температуры на + 10 ° C по сравнению с окружающей средой.

Как и все материалы по этой теме, существуют различия в способе подачи материала, и разные типы трубок могут существенно отличаться друг от друга. Цифры в основном согласуются с приведенным выше графиком, но небольшое примечание предполагает, что заявленные температуры находятся в состоянии теплового равновесия. Для стабилизации может потребоваться некоторое время, поэтому исходная светоотдача при первом включении лампы будет одинаковой для открытых и закрытых светильников.Поскольку объем светильника по отношению к лампе не указан, будут большие отклонения, если размер корпуса будет больше или меньше (неустановленных) значений, используемых в таблице.


Ссылки
  1. Электронный балласт для люминесцентных ламп, Учебный модуль для студентов - Цзинхай Чжоу, Политехнический институт Вирджинии и Государственный университет
  2. ICB1FL02G Интеллектуальная ИС управления балластом для балластов люминесцентных ламп, техническое описание, версия 1.2, февраль 2006 г., Infineon Technologies AG
  3. Работа флуоресцентных систем при низких температурах (Sylvania)


Лампы и энергетический индекс
Основной указатель
Относительная светоотдача (RLO) [3]
Окружающая температура Открытое приспособление Закрытое приспособление *
-10 ° C 25% 50%
0 ° C 50% 80%
10 ° C 80% 100%
25 ° C 100% 98%
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2007. Воспроизведение или повторная публикация любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, строго запрещены. в соответствии с международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только в личных целях, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки. Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта.
Страница создана и авторские права © июнь 2007.
.

Да будет свет - как работают люминесцентные лампы

Чтобы понять люминесцентные лампы, полезно немного узнать о самом свете. Свет - это форма энергии, которую может высвободить атом. Он состоит из множества маленьких частиц, подобных пакетам, которые имеют энергию и импульс, но не имеют массы. Эти частицы, называемые световыми фотонами , являются основными единицами света. (Для получения дополнительной информации см. Как работает свет.)

Атомы испускают световые фотоны, когда их электронов возбуждаются.Если вы читали «Как работают атомы», то знаете, что электроны - это отрицательно заряженные частицы, которые движутся вокруг ядра атома (которое имеет чистый положительный заряд). Электроны атома имеют разные уровни энергии, в зависимости от нескольких факторов, включая их скорость и расстояние от ядра. Электроны разного уровня энергии занимают разных орбиталей . Вообще говоря, электроны с большей энергией движутся по орбиталям дальше от ядра.

Объявление

Когда атом получает или теряет энергию, изменение выражается движением электронов.Когда что-то передает энергию атому - например, тепло - электрон может быть временно на поднят на более высокую орбиталь (дальше от ядра). Электрон удерживает это положение лишь на крошечную долю секунды; почти сразу же он возвращается к ядру, к своей исходной орбитали. Когда он возвращается на свою исходную орбиталь, электрон высвобождает дополнительную энергию в виде фотона, в некоторых случаях светового фотона .

Длина волны излучаемого света зависит от того, сколько энергии высвобождается, что зависит от конкретного положения электрона.Следовательно, разные виды атомов будут испускать разные виды световых фотонов. Другими словами, цвет света определяется тем, какой атом возбужден.

Это основной механизм, работающий почти во всех источниках света. Основное различие между этими источниками - процесс возбуждения атомов. В источнике накаливания , таком как обычная лампочка или газовая лампа, атомы возбуждаются теплом; в световой палке атомы возбуждаются химической реакцией.Как мы увидим в следующем разделе, люминесцентные лампы имеют одну из самых сложных систем возбуждения атомов.

.

Смотрите также