2. Схемы включения газоразрядных источников видимого излучения

Особенность электрического разряда в среде большинства инертных газов, паров металлов и их смесей — па­дающая вольтамперная характеристика. Поэтому для стабилиза­ции режима электрического разряда газоразрядных источников оптического излучения необходимо последовательно с ними вклю­чать балластное сопротивление. В качестве балластного сопро­тивления в цепях переменного тока принципиально можно при­менять активное, индуктивное, емкостное сопротивления или их комбинацию, однако наибольшее распространение на практике получили индуктивное и индуктивно-емкостное сопротивления, отличающиеся сравнительно незначительными потерями элект­рической энергии и пульсацией потока излучения источников.

Схема включения газоразрядных источников оптического излучения должна обеспечивать необходимый режим зажигания и разгорания, стабилизацию электрического разряда, подавле­ние радиопомех, возникающих при зажигании и работе, а также улучшение коэффициента мощности и снижение пульсации све­тового потока. Совокупность всех элементов схемы включения, обеспечивающая выполнение вышеуказанных функций и кон­структивно оформленная в виде единого устройства или несколь­ких отдельных блоков, называется пускорегулирующим аппара­том (ПРА). В сеть люминесцентные лампы включают при помо­щи ПРА импульсного зажигания с предварительным подогревом электродов и использованием полупроводникового или тлеющего стартера, ПРА горячего зажигания с постоянным подогревом электродов, ПРА мгновенного зажигания при холодных электро­дах лампы.

3. Работа стартерной схемы включения люминесцентной лампы

Электрический пробой промежутка между электро­дами лампы может произойти лишь при напряжении, равном напряжению зажигания или больше его. Значе­ние напряжения зажигания может в несколько раз пре­восходить напряжение питающей сети. Чтобы снизить требующееся для возникновения разряда напряжение и сохранить работоспособность электродов, их предварительно нагревают элек­трическим током до температуры 1100... 1200 °С. Это обеспечивает достаточную термоэлектронную эмиссию оксидного покрытия. После зажигания люминесцент­ная лампа работает в режиме ду­гового разряда, и процесс преоб­разования электрической энергии в видимое излучение происходит так, как об этом говорилось вы­ше. Зажигается лампа в практи­ческих условиях автоматически посредством стартера и дросселя. Наиболее часто применяемый стартер тлеющего разряда (рис.2.) представляет собой миниа­тюрную газоразрядную лампу с биметаллическими элек­тродами.

Рис.2 Устройство стартера тлеющего разряда:

1-стеклянный баллон; 2-биметаллический электрод;

3-неподвижный электрод

В стартерной схеме (рис.3) лампа Л включается последовательно с индуктивным балластным сопротив­лением (дроссель Др).

Рис.3. Схема включения в сеть люминесцентной лампы

Обмотка дросселя состоит из двух равноценных частей, размещенных на одном магнитопроводе и подключенных к разным электродам лампы, что позволяет ограничить проникновение радиопомех в элек­трическую сеть за счет увеличения индуктивного сопро­тивления ветвей схемы. Параллельно лампе подключены газоразрядный стартер и конденсатор С2 емкостью 0,01 мкФ, предназначенный для снижения радиопомех, некоторого увеличения длительности импульса зажига­ния лампы и уменьшения вероятности дугообразования между контактами стартера в момент их размыкания. Параллельно схеме подключены конденсатор С1 для по­вышения коэффициента мощности схемы до 0,9 и разряд­ное сопротивление R. Коэффициент мощности такой схе­мы без компенсирующего конденсатора С1 обычно не превышает 0,5...0,6.

Процесс зажигания лампы показан на рисунке 4.

Рис. 4. Диаграмма напряжений и тока люминесцентной лампы при ее зажигании

При включении схемы в момент времени t1 разряд в лампе не возникает, так как напряжение зажигания лампы Uз.л. выше напряжения на ее электродах (напряжение холостого хода U_x). В стартере же возникает тлеющий разряд, так как напряжение зажигания стартера ниже напряжения сети. В период t1... t2 ток тлеющего разряда стартера разогревает его контакты и вызывает их замы­кание. Электроды лампы нагреваются током предвари­тельного подогрева I_п._п. определяемым напряжением сети, сопротивлением дросселя и электродов. Ток предва­рительного подогрева обычно на 40...50% превосходит значение номинального тока лампы. В течение 1...2 с электроды лампы нагреваются до требуемой температу­ры и напряжение зажигания лампы понижается. За это время электроды стартера остывают (так как разряд между ними прекратился), в момент времени t₃ откры­ваются и разрывают цепь электродов лампы. Резкое уменьшение тока, протекающего через дроссель, вызы­вает в нем ЭДС самоиндукции, превосходящую пони­женное за счет разогрева электродов напряжение зажи­гания лампы. Лампа загорается, по ней течет ток горе­ния I_г._л, на ее электродах устанавливается напряжение горения U_г._л, равное приблизительно половине напря­жения сети. После зажигания люминесцентной лампы контакты стартера остаются разомкнутыми, так как на­пряжение на зажимах лампы недостаточно для возник­новения в нем тлеющего разряда. Напряжение зажига­ния стартера ниже номинального напряжения сети, но выше напряжения на лампе в рабочем режиме:

U_C > Uз.ст > U_Л.

Стартер служит для автоматического замыкания на определенное время цепи электродов лампы и для мгно­венного разрыва цепи после их разогрева. Наряду с опи­санным типом стартера тлеющего разряда применяются (значительно реже) и другие устройства (в том числе полупроводниковые.

В хронологической последовательности в процессе за­жигания люминесцентной лампы дроссель в стартерных схемах выполняет следующие функции:

1. обеспечивает достаточный и безопасный для лам­пы ток в цепи электродов для быстрого их разогрева при зажигании;

2. создает импульс повышенного напряжения, обеспе­чивающий возникновение разряда в люминесцентной лампе;

3. стабилизирует разряд при номинальном для дан­ной лампы токе;

4. обеспечивает устойчивую работу люминесцентной лампы при отклонениях напряжения в питающей сети.

Однако следует помнить, что важнейшей функцией дросселя является стабилизация тока в процессе дугово­го разряда в лампе.

В рабочем режиме при питании лампы от сети пере­менного тока каждый электрод ее работает попеременно в качестве анода и в качестве катода. Основную роль в электрическом разряде в каждый полупериод играет ка­тод, так как он обеспечивает необходимый уровень эмис­сии. Разогрев электродов лампы происходит за счет ки­нетической энергии попадающих на них заряженных частиц («самокалящиеся» электроды). На катоде образу­ется наиболее разогретая точка — катодное пятно, яв­ляющееся основным источником эмиссии электронов. В процессе эксплуатации лампы оно медленно перемеща­ется вдоль электрода от сетевого его конца к стартерному примерно на один виток биспирали за 1000 ч го­рения.

Основные элементы схемы включения с использованием стартера тлеющего разряда — это люминесцентная лампа, дрос­сель в качестве балластного сопротивления и стартер (рис. 5, а).

Стартер тлеющего разряда представляет собой миниатюр­ную газоразрядную лампу с биметаллическими (одним или двумя) электродами, заполненную смесью инертных газов (ар­гона, неона, гелия и др.). Стеклянная колба лампы стартера помещена в металлический корпус цилиндрической формы. В од­ном корпусе со стартером расположен конденсатор С1 (10 000... 12 000 пФ), предназначенный для подавления ра­диопомех. Напряжение зажигания разряда в миниатюрной лампе стартера составляет не менее 70 В для стартера 20С-127 и 130 В для стартера 80С-220. Обозначение стартера включает: С — стартер; 20 и 80 — предельные значения мощно­сти люминесцентных ламп, для которых предназначен стартер (Вт); 127 и 220 — номинальные напряжения стартера (В).

При подаче напряжения на схему ток через люминесцентную лампу не проходит, так как газовый промежуток в достаточной степени не ионизирован и является изолятором. В таком состоя­нии для его пробоя необходимо напряжение, превышающее напряжение сети в несколько раз. В стартере же возникает тлеющий разряд, сопровождающийся протеканием тока (20...50 мкА) в электрической цепи, образованной дросселем, нитями накала электродов люминесцентной лампы и самим стартером. Тлеющий разряд нагревает биметаллические элек­троды стартера, и они, изгибаясь, накоротко соединяются один с другим и замыкают цепь накала электродов люминесцентной лампы через дроссель на напряжение сети. Проходящий при этом ток, равный 0,9...2,0 номинального тока люминесцентной лампы, обеспечивает интенсивный подогрев электродов. Тлею­щий разряд в стартере прекращается, так как разность потенци­алов на его электродах равна нулю.

За 1...2 с электроды люминесцентной лампы разогреваются до 800... 1000 °С, вследствие чего увеличивается электронная эмиссия, ионизируется газовый промежуток и облегчаются усло­вия его пробоя. После прекращения тлеющего разряда в старте­ре его электроды охлаждаются и, возвращаясь в исходное положение, разрывают цепь накала электродов люминесцентной лампы. В момент разрыва цепи возникает электродвижущая сила (ЭДС) самоиндукции в дросселе. Образовавшийся за счет ЭДС самоиндукции импульс повышенного напряжения (700... 1000 В) прикладывается к электродам, обеспечивает про­бой межэлектродного промежутка люминесцентной лампы и ее зажигание. К стартеру, включенному параллельно работающей люминесцентной лампе, прикладывается приблизительно поло­вина напряжения сети, которого недостаточно для возникнове­ния в нем тлеющего разряда, и поэтому он автоматически отклю­чается. Однако если люминесцентная лампа по какой-либо при­чине не зажглась, то весь процесс зажигания повторяется.

В рассмотренной схеме самый ненадежный элемент — стар­тер тлеющего разряда с подвижными биметаллическими элек­тродами. Надежность схем можно повысить путем использова­ния различного рода полупроводниковых стартеров или бесстартерных ПРА. Пример фрагмента простейшей схемы с полупро­водниковым стартером приведен на рисунке 5, б.

Рис. 5. Схемы включения люминесцентной лампы в сеть с исполь­зованием стартеров тлеющего разряда (а) и полупроводникового (б): LL — дроссель; EL — люминесцентная лампа; SV — стартер; С1 и С2— конденсаторы; VS — динистор; VD — диод.

Во время зажигания люминесцентной лампы в один полупериод изменения переменного напряжения электроды разогреваются, а в дру­гой — подается импульс напряжения. Динистор подбирают та­ким образом, чтобы напряжение его включения было меньше номинального напряжения сети, но больше амплитудного значе­ния рабочего напряжения на лампе. Диод защищает динистор по обратному напряжению.