§ 15.3. Назначение вспомогательной аппаратуры и схемы зажигания люминесцентных ламп
Люминесцентные лампы предназначены для работы в сетях переменного тока напряжением 127 или 220 в. Лампа без дополнительных приспособлений не может быть зажжена, так как при подключении лампы к сети в начальный момент вследствие незначительной ионизации газовой среды, сопротивление которой велико, ток, протекающий в лампе, имеет очень малую величину. Для зажигания лампы требуется повышенное напряжение, превышающее примерно вдвое рабочее напряжение между электродами лампы.
После зажигания лампы процесс ионизации газа нарастает, отчего сопротивление лампы уменьшается, а ток в ее цепи увеличивается до величины, характерной для короткого замыкания.
Поэтому после зажигания лампы, с целью снижения напряжения между ее электродами и ограничения тока, необходимо в цепь лампы включить токоограничивающее сопротивление (дроссель).
В практике для зажигания люминесцентных ламп применяются методы, описываемые дальше.
Импульсное зажигание люминесцентной лампы
Для включения люминесцентной лампы в электрическую сеть по импульсной схеме вводятся дополнительная аппаратура, дроссель, стартер (зажигатель) и конденсаторы, включаемые согласно рис. 15.4.
Стартер, включаемый параллельно лампе, служит для автоматического включения и выключения цепи предварительного накала электродов. Он представляет собой тепловое реле, у которого имеются два электрода: один из них — биметаллическая пластина, к которой приварен молибденовый крючок; второй имеет форму буквы Г, изготовлен из никелевой проволоки.
Реле размещается в небольшой колбе, наполненной неоном. Таким образом, стартер представляет собой маленькую неоновую газоразрядную лампу. В холодном состоянии между электродами теплового реле имеется зазор величиной 2—3 мм. Величина зазора строго калибрована и обусловливается напряжением зажигания неоновой лампы, которое должно быть меньше, чем напряжение сети, и меньше напряжения зажигания люминесцентной лампы с холодными электродами.
На рис. 15.5 представлено в схематическом виде устройство стартера.
Дроссель, включаемый последовательно с лампой, представляет собой катушку из изолированной проволоки со стальным сердечником. В схеме включения лампы он улучшает процесс зажигания лампы, ограничивает ток и поддерживает устойчивую работу лампы.
Рис. 15.4. Схема включения люминесцентной лампы в электрическую сеть:
1 — стартер; 2 — дроссель; С 3 и С 4 — конденсаторы
Рис. 15.5. Схема стартера:
1 — биметаллическая пластинка; 2 — молибденовый крючок; 3 — никелевый электрод; 4 — внешние выводы
Конденсатор С3 предназначен для улучшения коэффициента мощности в цепи питания лампы. Дроссель, включенный в цепь лампы, снижает коэффициент мощности до 0,5—0,6, а при включении конденсатора С3 он повышается до 0,9—0,95.
Конденсатор С4 предназначен для устранения радиопомех.
Процесс зажигания лампы протекает следующим образом. В момент включения лампы в электрическую сеть электроды лампы и стартера оказываются под полным напряжением сети. Однако это напряжение сети недостаточно для зажигания лампы и к тому же в момент включения ее электроды не могут быть нагреты, поскольку цепь разомкнута. Но подведенное полное напряжение сети к зазору между электродами стартера достаточно, чтобы вызвать в нем разряд. Тогда по электродам начинает протекать электрический ток. Под действием тлеющего разряда биметаллическая пластина нагревается и, изгибаясь, приходит в соприкосновение с другим электродом стартера. Цепь стартера замыкается и начинается процесс нагрева электродов лампы. В результате нагрева электродов возникает термоэлектронная эмиссия, которая создает условия для зажигания лампы. Между тем разряд в стартере прекратится, и биметаллическая пластина остывает, выпрямляется и затем размыкает электрическую цепь.
Благодаря наличию в цепи дросселя с большой индуктивностью в момент размыкания стартера возникает импульс повышенного напряжения, который вызывает мощный дуговой разряд и зажигание лампы. При этом напряжение на лампе становится меньше, чем напряжение сети, поскольку в дросселе возникает противодействующая э. д. с.
Стартер, включенный параллельно лампе, оказывается под тем же уменьшенным напряжением, которое недостаточно, чтобы вызвать в нем новый разряд. Поэтому во время нормальной работы лампы стартер бездействует. Если лампа по каким-либо причинам не зажглась, стартер снова оказывается под полным напряжением сети, и процесс зажигания повторяется.
Импульсная схема зажигания наряду с ее простотой и экономичностью имеет и некоторые недостатки:
а) невозможность мгновенного зажигания, так как изгиб биметаллической пластинки стартера начинается по истечении некоторого времени;
б) мигание лампы при зажигании;
в) частые повреждения стартеров.
Быстрое зажигание люминесцентной лампы
В схемах быстрого зажигания люминесцентной лампы, в отличие от импульсных схем, отсутствует стартер. Поэтому такие схемы носят название бесстартерных. Принцип работы схемы быстрого зажигания поясняется рис. 15.6.
Рис. 15.6. Схема быстрого зажигания люминесцентной лампы:
Л — лампа; Д — дроссель; Т — накальный трансформатор
При включении лампы в электрическую сеть ее электроды сразу начинают разогреваться от вторичных обмоток трансформатора накала. Быстрый разогрев электродов лампы обеспечивается благодаря тому, что до момента ее зажигания потеря напряжения в балластном дросселе незначительна и накальные обмотки трансформатора имеют повышенное напряжение. По этой схеме напряжение зажигания складывается из напряжения сети и напряжения накальных обмоток и составляет 150 в в сети напряжением 127 в и 240 в для сети 220 в. Быстрый разогрев электродов и повышенное напряжение обеспечивают падежное зажигание лампы.
Для получения повышенных напряжений применяют трансформаторные и резонансные схемы.
На рис. 15.7 дан пример трансформаторной схемы быстрого зажигания с повышающим дросселем-автотрансформатором, который в период зажигания создает на лампе повышенное напряжение, а после зажигания в результате потери напряжения в его обмотках снижает напряжение на лампе до величины, обеспечивающей нормальный режим ее работы. При этом вследствие уменьшения тока снижается также накал электродов и они переходят в режим самонакала.
Рис. 15.7. Схема быстрого зажигания с дроссель-трансформатором:
Л — лампа; ДТ — дроссель- трансформатор; НТр — накальный трансформатор
Рис. 15.8. Резонансная схема быстрого зажигания:
Л — лампа; Д 1 , Д 2 — дроссели; С — конденсатор
В резонансных схемах используется явление резонанса напряжения, при котором возникают более высокие напряжения, чем напряжение питающей сети. На рис. 15.8 дана принципиальная схема быстрого зажигания, в которой применено явление резонанса. Принцип работы этой схемы сводится к тому, что в момент включения лампы в сеть, пока она еще не зажглась, подобранные в схеме емкость конденсатора С и индуктивности Д1, Д2 образуют резонансный контур, в котором пусковой ток достигает величины, достаточной для быстрого разогрева электродов. Одновременно на последовательно соединенных конденсаторе С и дросселе Д2 возникает напряжение, в 1,5—2 раза превышающее напряжение питающей сети, которое после разогрева электродов мгновенно зажигает лампу. В этот момент лампа становится проводником электрического тока и оказывается параллельно включенной с конденсатором С и дросселем Д2.
Условия резонанса нарушаются, и ток в цепи СД2, а следовательно, и ток разогрева электродов падает примерно в 4 раза по сравнению с пусковым током. При этом ток накала электродов становится меньше рабочего тока лампы, и они начинают работать в основном режиме самонакала. Затем зажженная лампа переходит в нормальный режим работы.
В схемах быстрого зажигания при нормальной работе лампы электроды не отключаются от накальных обмоток трансформатора, вследствие чего на частичный подогрев электродов тратится некоторая дополнительная мощность.
Схемы быстрого зажигания обладают следующими достоинствами по сравнению с импульсными схемами: большая надежность работы ПРА, лучшие условия зажигания при низких температурах, продолжительность зажигания не превышает 1— 1,5 сек. Однако коэффициент мощности их несколько ниже, а потери в ПРА выше, чем в импульсных схемах.
Мгновенное зажигание
Схемы мгновенного зажигания отличаются от схем быстрого зажигания тем, что зажигание лампы производится при холодных электродах, т. е. без предварительного накала, но напряжение зажигания превосходит рабочее в 6—7 раз.
Рис. 15.9. Схема мгновенного зажигания ламп. Обмотки А, Б, В составляют дроссель-трансформатор
Если во всех ранее рассмотренных схемах электронная эмиссия в лампе происходила за счет нагрева электродов, то в схеме мгновенного зажигания она происходит за счет электрического поля повышенного напряжения. Для получения столь повышенных напряжений на лампе используется так же, как и в схемах быстрого зажигания, резонансное повышение напряжения.
На рис. 15.9 приведена принципиальная схема мгновенного зажигания, в которой используются дроссель-трансформатор и емкость. В момент включения лампы в сеть в резонансном контуре, образованном из емкости С и индуктивности обмотки Б, создается повышенное напряжение, которое зажигает лампу мгновенно. При горении лампа своей проводимостью шунтирует емкость С, что приводит к нарушению условия резонанса и потере напряжения в обмотках Б и В, вследствие чего напряжение на клеммах лампы падает и доходит до номинальной величины.
Схемы мгновенного зажигания из-за отсутствия раскаленных электродов получили наибольшее распространение во взрывоопасных помещениях, а также в помещениях с круглосуточным горением ламп без частых включений и отключений. Вследствие весьма высоких, хотя и кратковременных напряжений, в момент зажигания они опасны для людей и требуют специальных мер предосторожности при обслуживании. Процесс включения лампы с «холодными» электродами более тяжелый, чем с разогретыми, поэтому для подобных схем во избежание быстрого износа оксидного слоя электродов необходимо иметь лампы с усиленными электродами.
Бесстартерное зажигание ламп обеспечивает более надежную работу люминесцентного освещения, поэтому оно найдет широкое применение1.
1 В настоящее время разработаны конструкция и организовано производство серии бесстартерных ПРА для новых светильников, а также приставок для замены стартерного зажигания на действующих светильниках. По подсчетам ВНИСИ такая замена окупается быстро, вследствие повышения срока службы ламп. Следует отметить, что при бесстартерных ПРА в установках напряжения 380/220 в с заземленной нейтралью применяются обычные люминесцентные лампы, а в установках 220/127 в с изолированной нейтралью — лампы с металлической полоской на трубке, улучшающей условия зажигания.
